JP4667102B2 - 土壌改良材、土壌改良方法、および土壌改良された基礎地盤を利用した構造物 - Google Patents

Description

本発明は、土壌改良材、土壌改良方法、および土壌改良された基礎地盤を利用した構造物に関する。

加圧流動床複合発電方式（ＰＦＢＣ：Ｐｒｅｓｓｕｒｉｚｅｄ Ｆｌｕｉｄｉｚｅｄ Ｂｅｄ Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ Ｃｏｍｂｉｎｅｄ Ｃｙｄｅ）を採用する発電所が存在する。この発電所では、石炭および石灰石を混合燃焼させるため、ＣａＯ（酸化カルシウム）の含有量が他発電方式に由来する石炭灰より多く、自硬性を有するといったＰＦＢＣ灰が発生する。こうしたＰＦＢＣ灰は、発生場所によりＢＭ灰とＦＡ灰とに分類され、現在ＦＡ灰は、土壌改良材、路盤材、砂代替材などとして実用化されている。

例えば、こうしたＦＡ灰を利用して、泥土の固化処理を短時間で行うことができ、適用範囲の広いリサイクル土壌を生産できる土質改良材、および土質改良方法を提供するとの課題の下、泥土に混合して固化処理を行わせるための土質改良材であって、石膏と流動床灰とを含むことを特徴とする土質改良材（特許文献１参照）などが提案されている。
特開２００４−９９８７０号公報

ところが、ＰＦＢＣ灰のうちＢＭ灰については、有効活用の技術が開発されておらず、例えば前記ＦＡ灰と混合して湿灰とし、これを産廃処理するといった措置がとられることがあった。この場合、有価なＦＡ灰を廃棄物に混合してしまうといった資源のロスや、産廃処理に際して必要となるコストや手間が生じることとなり、ＢＭ灰の有効活用の技術が求められていた。

そこで本発明は上記課題を鑑みてなされたものであり、ＢＭ灰の有効活用を可能とし、良好な土壌改良効果を奏することができる、土壌改良材、土壌改良方法、および土壌改良された基礎地盤を利用した構造物を提供することを主たる目的とする。

上記課題を解決する本発明の土壌改良材は、改良対象となる土壌の固化処理を担う改良材であって、加圧流動床石炭灰を構成するＢＭ灰のみで構成されることを特徴とする。

また、本発明の土壌改良材は、改良対象となる土壌の固化処理を担う改良材であって、
加圧流動床石炭灰を構成する、遊離石灰分の含有量が３０重量％以上であるＢＭ灰を含むことを特徴とする。

その他、本願が開示する課題、及びその解決方法は、発明の実施の形態の欄、及び図面により明らかにされる。

本発明によれば、ＢＭ灰の有効活用を可能とし、良好な土壌改良効果を奏することができる。

−−−ＢＭ灰の土壌改良作用−−−
以下に本発明の実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１はＰＦＢＣ灰の組成例を示す図である。ＰＦＢＣ灰を構成するＢＭ灰（Ｂｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ａｓｈ）は、発電所のボイラ周辺から取り出される成分である為、ボイラ内部の流動媒体が含む石灰石成分に由来してＣａＯの含有率が高い物質である。一例であるが、図１の表の例でも、Ａ発電所のＢＭ灰は、酸化カルシウム（ＣａＯ）の含有量が３５％を越えている。また、この酸化カルシウム中における遊離石灰分（ｆ−ＣａＯ）は、本発明の土壌改良方法において必要となる土壌中成分との化学反応に大きな役割を果たすものである。この化学反応は、ＢＭ灰を用いた土壌改良に際して生じるものであり、改良対象となる土壌の初期強度発現に寄与する化学反応となる。以下にその反応式の一例を示す。
ｆ−ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ ６６ｋＪ／ｍｏｌ（反応式１）
つまり、ＢＭ灰中の生石灰成分（ｆ−ＣａＯ；遊離石灰）は、土壌が含む水（Ｈ_２Ｏ）との発熱反応により水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ））を生成することとなる。また、これにより生じた反応熱（６６ｋＪ／ｍｏｌ）が土壌内の水を蒸発させることにより、土壌の含水比低下が起こりうる。土壌の含水比が低下すれば、一般的に当該土壌の強度増加につながる。図１で示すＢＭ灰では、ＦＡ灰と異なり上記遊離石灰分が３０％を越えて含まれており（ＦＡ灰では例えば２０％程度）、上記反応式１に即した反応もＦＡ灰に比してより活発に生じるものと想定できる。

また、前記反応により生成した水酸化カルシウムによるアルカリ環境下において、土壌改良材中の石膏成分（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）と土壌内の水溶性アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）および多量の水とが反応し、針状結晶のエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）が生成される。以下にその反応式の一例を示す。
３Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ａｌ_２Ｏ_３ ＋ ３［ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ］ ＋ ２３Ｈ_２Ｏ → ３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ（反応式２）
こうして生じたエトリンガイトは、土壌における土粒子間を結合する作用を及ぼし、当該土壌の強度増加に資する物質となる。

従って、本発明の土壌改良材を用いて土壌改良を行う場合、改良初期においては、土壌含水比の低減と土粒子間結合による強度増加といった土壌改良効果を奏する。

一方で、ＢＭ灰を土壌改良材に用いた場合に、土壌の長期強度発現に寄与する化学反応を以下に示す。
ｍＳｉＯ_２ ＋ Ｃａ（ＯＨ）_２ → Ｃ−Ｓ−Ｈ（反応式３）
上記反応式１における反応により生成された水酸化カルシウムは、土壌内およびＢＭ灰中の水溶性シリカ（ｍＳｉＯ２）とポゾラン反応することにより、珪酸カルシウム水和物（Ｃ−Ｓ−Ｈ）を生成する。この珪酸カルシウム水和物が例えば改良対象の土壌中の空隙を充填し土壌を一体化させる作用を生じ、土壌強度増加の効果を奏する。

−−−ＢＭ灰の最適添加量−−−
次に、土壌改良材における最適なＢＭ灰の含有量について、その検証結果を説明する。本実施形態において用いた改良対象の土壌は、含水比７２％の粘土（液性限界；６０％、ｐＨ；２．５）である。また、比較のためＢＭ灰以外の材料も土壌改良材として試験対象とした。例えば、ＢＭ灰＋半水石膏、脱硫石膏、ＦＡ灰＋半水石膏、ＦＡ灰単独、および生石灰の各材料について、地盤改良効果の経時変化等に関する検討を行った。なお、前記ＢＭ灰としては、原粉を３００μｍ以下に粉砕したものを採用し、半水石膏としては、脱硫石膏（二水石膏）をパドルドライヤーにて焼成したものを採用した。各材料の配合比率や添加量については図２の表に示す通りである。

こうした各種材料を前記粘土に添加し、その地盤改良効果を添加後、１日、７日（気中養生、水中養生）、２８日（気中養生、水中養生）における改良体（土壌改良材添加後の土壌）のコーン指数（コーンペネトロメーターを土中に貫入させたときの抵抗力をコーンの断面積で除した値）、ｐＨ値、および含水比について評価した。まずは、ＢＭ灰と半水石膏による土壌改良材の最適添加量に関する検討結果を示す。

（１）改良１日後における硬化物性：ここでは、土壌改良材中の単位体積あたりのＢＭ灰添加量を１０重量％刻みで増加させた場合の、改良１日後における改良体のコーン指数、ｐＨ、および含水比の変化を検証した。なお、土壌改良材の総粉体量（ＢＭ灰＋半水石膏）は、２３４、３１２、３９０ｋｇ／ｍ^３の３ケースとしている。

まず、コーン指数についてであるが、図３（ａ）に示すように、ＢＭ灰添加量の増加に伴ってコーン指数も増加することがわかる。また、本実施形態における条件下では、土壌改良材の総粉体量が３９０ｋｇ／ｍ^３である場合にコーン指数が顕著に大きくなることがわかる。これらの点から、ＢＭ灰と半水石膏とによる土壌改良材においては、土壌改良効果に与える影響は半水石膏よりＢＭ灰の方が大きいと推定できる。

次に、ｐＨ値についてであるが、図３（ｂ）に示すように、ＢＭ灰添加量の増加に伴って改良土壌のｐＨ値も大きくなり、またその傾向は土壌改良材の総粉体量によらずほぼ一様であることがわかる。更に、ＢＭ灰添加量が約１５％以上となると、改良土壌は中性域を脱してアルカリ性域となり、その後はどれだけＢＭ灰添加量を増加させてもｐＨ値が約１２で頭打ちすることがわかる。以上の点から、改良体のｐＨ値に対し、半水石膏はほとんど影響を与えず、ＢＭ灰が大きな影響を与えているといえる。

更に、改良対象となる土壌の含水比についてであるが、図３（ｃ）に示すように、土壌改良材の総粉体量、ＢＭ灰添加量の増加に伴って、より大きな含水比低下が生じることがわかる。ただし、土壌改良材の総粉体量の増加に伴って含水比低下度合も増加するのに対し、ＢＭ灰添加量の増加に伴う含水比低下は総粉体量によらず最大約４％とほぼ一定となっている。すなわち、土壌改良材の総粉体量の減少に伴って、含水比低下に与えるＢＭ灰の影響は大きくなることがわかる。

以上検証した事項により、土壌改良材中に占めるＢＭ灰の割合が大きく、総粉体量も所定量以下である土壌改良材が好適であると推定できる。そこで、改良７日後、改良２８日後における硬化物性の検討に際しては、ＢＭ灰添加量を増加させれば比較的少ない総粉体量で改良１日後コーン指数６００〜７００ｋＮ／ｍ^２を確保できる、土壌改良材の総粉体量３１２ｋｇ／ｍ^３のケースを採用して検証を行うこととした。

（２）改良７日後、改良２８日後における硬化物性：ここでは、土壌改良材中の単位体積あたりのＢＭ灰添加量を２０重量％刻みで増加させた場合の、改良７日後、改良２８日後における改良体のコーン指数、ｐＨ値、および含水比の変化を検証した。なお、本実施形態における養生方法として、７日気中養生は、１日密閉養生＋６日気中養生の処理を行い、７日水中養生は、１日密閉養生＋２日気中養生＋４日水中養生の処理を行い、２８日気中養生は、１日密閉養生＋２７日気中養生の処理を行い、２８日水中養生は、１日密閉養生＋２日気中養生＋２５日水中養生を行うものとした。

まず、コーン指数についてであるが、図４（ａ）に示すように、改良７日後、改良２８日後においても気中養生と水中養生との間に有意な差は見受けられず、養生方法による違いが長期的な強度発現におよぼす影響は小さいことがわかる。また、ＢＭ灰添加量が４０重量％未満の土壌改良材では、改良１日後以降の強度増加はほぼゼロであるのに対し、４０重量％以上では、改良１日後以降も強度増加が生じることがわかる。また、ＢＭ灰添加量が１００重量％では、他のＢＭ灰添加量に比して著しく強度増加することが確認できる。 更に、前記強度増加の割合は、改良７日後／改良１日後の方が、改良２８日後／改良７日後よりも大きいことがわかる。これらの点から、初期強度発現には半水石膏、ＢＭ灰ともに寄与するところがあるが、長期強度発現にはＢＭ灰が寄与するところが圧倒的に大きいといえる。

次にｐＨ値についてであるが、図４（ｂ）に示すように、養生条件の違いによらず、ＢＭ灰添加量の増加に伴って改良体のｐＨ値も大きくなることがわかる。また、養生時間の経過とともに改良体のｐＨ値は若干低下する。これは時間の経過とともに土壌内にアルカリ性物質が拡散し、濃度が低下するためと考えられる。

次に含水比についてであるが、図４（ｃ）に示すように、改良１日後、同７日後、同２８日後の気中養生結果を比較すると、改良１日以降の含水比低下は非常に小さいことがわかる。

上記の検証事項より、改良１日以降では含水比低下による強度発現はほとんどなく、ＢＭ灰と土壌中の水との発熱反応で生成した水酸化カルシウムが、土壌内およびＢＭ灰中の水溶性シリカとポゾラン反応することによる珪酸カルシウム水和物の形成が大きな強度発現要因となっていると考えられる。

従って、初期強度発現効果とｐＨ値を低下させる効果とが期待された半水石膏については、土壌改良材としてＢＭ灰と併用する場合においてはそれほど効果的ではないと言える。そこで、土壌改良材に占めるＢＭ灰の添加量を１００重量％が好適であると想定し、このＢＭ灰のみからなる土壌改良材に関する検討を行った。

−−−ＢＭ灰単独からなる土壌改良材の検証−−−
続いて、ＢＭ灰単独による土壌改良材と各種改良材とに関する硬化特性について、その検証結果を以下に説明する。ここでは、ＢＭ灰単独からなる土壌改良材と、生石灰、半水石膏、ＦＡ灰＋半水石膏（ＦＡ灰：半水石膏=４：６）、ＦＡ灰といった各種材料を、それぞれ土壌改良材として前記粘土に添加し、その地盤改良効果を、上記同様にコーン指数（コーンペネトロメーターを土中に貫入させたときの抵抗力をコーンの断面積で除した値）、ｐＨ値、および含水比について評価している。

（１）改良１日後における硬化物性：ここでは、図５（ａ）に示すように、改良１日後における各種土壌改良材の総粉体量とコーン指数との関係を説明する。ＢＭ灰単独からなる土壌改良材の強度発現性は、上記材料中で生石灰に次いで２番目に大きく、生石灰に対して約２倍の量を添加すれば、ほぼ同等の強度発現を確保できることがわかる。また、どの土壌改良材についても、添加量とコーン指数との間にはほぼ直線的な関係があることがわかる。

また、ｐＨ値についてであるが、図５（ｂ）に示すように、改良体のｐＨ値は、おおよそ添加量にはよらず、生石灰、ＢＭ灰１００％、ＦＡ灰１００％、ＦＡ灰：半水石膏＝４：６、半水石膏１００％の順で高くなっていることがわかる。これは、土壌改良材中の遊離石灰成分の量と同じ順番と考えられる。

以上の点より、ＢＭ灰単独からなる土壌改良材は、本実施形態においては遊離石灰成分が約３０％あり、改良土壌のアルカリ性が高くなるものの、初期強度発現性は高いと言える。また、生石灰と対比して経済性を考慮すれば、低コストで良好な強度発現性が得られる土壌改良材であるといえる。

（２）ＢＭ灰単独による改良材における最適添加量の検討：ここでは、上記（１）の改良１日後の硬化物性に関する検討結果より、改良対象の土壌が、改良１日後に第３種建設発生土（通常の施工性が確保される粘性土及びこれに準ずるもの：コーン指数４００ｋＮ／ｍ^２以上）の基準を満たすために必要な、ＢＭ灰単独からなる土壌改良材の添加量について検討する。

そこで、ＢＭ灰単独からなる土壌改良材の添加量を、前記図５（ａ）のグラフに基づいて、１５６ｋｇ／ｍ^３〜２３４ｋｇ／ｍ^３の範囲と推定し、前記第３種建築発生土の基準および改良即日中に第４種建設発生土の基準（粘性土及びこれに準ずるもので第３種発生土を除くもの：コーン指数２００ｋＮ／ｍ^２以上）を満たす最適な添加量を検討した。そのため、ＢＭ灰単独からなる土壌改良材の添加量を、１５６ｋｇ／ｍ^３と２３４ｋｇ／ｍ^３の２ケースにて土壌改良を行い、改良後の改良体のコーン指数、ｐＨ値、含水比、および温度の各経時変化について検証した。なお、経時変化に対応する測定時間は、１時間、、３時間、６時間、１２時間、１日、３日、７日（気中養生、水中養生）、２８日（気中養生、水中養生）としている。

まず、コーン指数についてであるが、図６（ａ）に示すように、コーン指数２００ｋＮ／ｍ^２を満たすのはＢＭ灰を１５６ｋｇ／ｍ^３添加で約５日後、２３４ｋｇ／ｍ^３添加で約５時間後であり、コーン指数４００ｋＮ／ｍ^２を満たすのは１５６ｋｇ／ｍ^３添加で約２０日後、２３４ｋｇ／ｍ^３添加で約１５時間後であることがわかる（いずれも気中養生結果を参照）。これより、初期強度発現についても長期強度発現についても両者には大きな違いがあり、上述の建築発生土の基準を満たすには、２３４ｋｇ／ｍ^３程度の添加量が必要であるといえる。

また、ｐＨ値についてであるが、図６（ｂ）に示すように、ＢＭ灰の添加量が２３４ｋｇ／ｍ^３である場合、改良体のｐＨ値は、養生条件によらずほぼ一定であることがわかる。また、この添加量では、改良体は弱アルカリ性域（ｐＨ値＝１０．５）にとどまることもわかる。

また、含水比についてであるが、図７（ａ）に示すように、ＢＭ灰の添加量が２３４ｋｇ／ｍ^３である場合には、改良後１時間のうちに約２０％の含水比低下が生じているのに対し、添加量が１５６ｋｇ／ｍ^３である場合には、約１５％の含水比低下にとどまることがわかる。さらに両添加量について、含水比低下の大きい改良時以降の２８日までの含水比低下は約１％以内にとどまることがわかる（気中養生結果を参照）。

また、温度についてであるが、図７（ｂ）に示すように、ＢＭ灰の添加量が２３４ｋｇ／ｍ^３である場合には、改良直後の改良体温度はほぼ常温と等しくなることがわかった。さらに、ＢＭ灰と生石灰とについて水に対する反応性を比較しても、両者の違いは大きいことがわかる。これらの結果より、ＢＭ灰の添加量が２３４ｋｇ／ｍ^３の場合に、改良対象の土壌における含水比低下の効果ならびに温度上昇レベルの点で、改良時の施工性が高いことがわかる。

したがって以上の点から、初期強度発現性、長期強度発現性、改良土壌のｐＨ値、改良時の施工性等を総合的に評価すると、ＢＭ灰単独からなる土壌改良材の土壌にたいする添加量は、２３４ｋｇ／ｍ^３とすることが好適であると考えられる。

−−−総括−−−
以上の検証より、ＢＭ灰単独からなる土壌改良材を土壌改良材として用いることで、含水比低下による初期強度発現、珪酸カルシウム水和物形成による長期強度発現を奏することができると言える。また、土壌に対するその添加量は、２００ｋｇ／ｍ^３以上が好適である（実施例中では２３４ｋｇ／ｍ^３）。なお、図８の比較表に示すように、ＢＭ灰と生石灰とを土壌改良材として比較しても、同等強度を出すために必要な添加量がＢＭ灰のほうが大きくなるものの、ＢＭ灰であれば強度発現性が長期にわたり続き、改良時の土壌温度が常温にほぼ等しく施工性が高い上、経済性にも優れるといった異なる効果を備えている。

本発明によれば、ＢＭ灰の有効活用を可能とし、良好な土壌改良効果を奏することができる。

以上、本発明の実施の形態について、その実施の形態に基づき具体的に説明したが、これに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能である。

本実施形態における石炭灰の組成分析例を示す図である。 本実施形態において検討対象とした土壌改良材の組合せ内容を示す図である。 本実施形態において土壌改良材中の単位体積あたりのＢＭ灰添加量を１０重量％刻みで増加させた場合の、改良１日後における改良体の（ａ）コーン指数変化、（ｂ）ｐＨ値変化、および（ｃ）含水比の変化をそれぞれ示す図である。 本実施形態において土壌改良材中の単位体積あたりのＢＭ灰添加量を２０重量％刻みで増加させた場合の、改良７日後、改良２８日後における改良体の（ａ）コーン指数の変化、（ｂ）ｐＨ値の変化、および（ｃ）含水比の変化をそれぞれ示す図である。 本実施形態において、改良１日後における各種土壌改良材の、（ａ）総粉体量とコーン指数との関係、および（ｂ）総粉体量とｐＨ値との関係をそれぞれ示す図である。 本実施形態においてＢＭ灰単独からなる土壌改良材の添加量を、１５６ｋｇ／ｍ^３と２３４ｋｇ／ｍ^３の２ケースにて土壌改良を行い、改良後の改良体の（ａ）コーン指数の経時変化、および（ｂ）ｐＨ値の経時変化をそれぞれ示す図である。 本実施形態においてＢＭ灰単独からなる土壌改良材の添加量を、１５６ｋｇ／ｍ^３と２３４ｋｇ／ｍ^３の２ケースにて土壌改良を行い、改良後の改良体の（ａ）含水比の経時変化、および（ｂ）温度の経時変化をそれぞれ示す図である。 本実施形態における、土壌改良材としてのＢＭ灰と生石灰との比較結果を示す図である。

Claims (2)

1. 改良対象となる土壌の固化処理を担う改良材であって、
   加圧流動床石炭灰を構成するＢＭ灰のみで構成されることを特徴とする土壌改良材。
2. 改良対象となる土壌の固化処理を担う改良材であって、
   加圧流動床石炭灰を構成する、遊離石灰分の含有量が３０重量％以上であるＢＭ灰を含むことを特徴とする土壌改良材。

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