JP5053572B2 - セメント系固化材および固化処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、セメントに含有され、その水和過程で溶出する恐れのある六価クロムの溶出量を土壌環境基準以下に抑制するとともに、地盤改良に必要な適切な強度発現性を得ることができるセメント系固化材およびそれを用いる処理対象土の固化処理方法に関する。

セメントの主原料であるセメントクリンカーは、石灰石、粘土、珪石、鉄原料等の各種原料をロータリーキルンにより高温焼成して製造されている。しかしながら、このような高温条件下で製造されたクリンカー中には、原料に不可避的に含まれるクロムが有害な六価クロムの形態で存在する場合がある。

通常、セメントに含まれるこのような六価クロムは、コンクリートを硬化する過程における水和中に水和物に固定されて溶出することはない。しかし、セメントをセメント系固化材として使用する場合は、固化対象土によっては溶出した六価クロムを固定するのに十分なセメント水和物が生成せず、固化処理土からの六価クロムの溶出が問題となる場合がある。

処理対象土が関東ローム等の火山灰質粘性土を対象とした場合がその典型であり、固化処理土から、０．０５ｍｇ／Ｌの土壌環境基準値を上回る六価クロム量が検出される場合がある。このようなセメント系固化材に起因する六価クロムの溶出防止方法に関して、特許文献１、２に示すように、セメントに高炉スラグなどを配合する方法が開示されている。

特許文献１では、セメント中のＣ_３ＳとＣ_３Ａ量の総量を規定したセメントに所定量のスラグを配合することにより、火山灰質粘性土などを処理対象土とした場合でも、高い固化強度が得られる溶出防止方法が開示されている。しかしながら、火山灰質粘性土の産地などが異なると処理処理土の十分な不溶化効果や固化強度が得られない場合があった。

一方、特許文献２では、六価クロムの溶出抑制性能を高めるために、高炉スラグおよび石膏に加えて、硫酸第一鉄などを添加する方法が開示されている。しかし、それらの添加剤は固化材への添加後、あるいは固化処理後において、六価クロム溶出抑制性能が経時的に低下する等の問題がある。
特開２０００−３０８８６３号公報 特開２００１−３４８５７１号公報

本発明は、固化の対象となる処理対象土、特に火山灰質粘性土の特性に応じて、六価クロムの確実な溶出抑制効果と、適切な固化強度を得ることができるセメント系固化材およびそれを用いる固化処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは上記の課題を解決すべく鋭意検討した結果、以下の２点を知見した。
（ア）火山灰質粘性土の固化処理土からの六価クロムの溶出量は、セメント中の全クロム含有率に加えて、セメントから溶出したカルシウムイオンの土粒子への吸着量、および溶出した六価クロムを不溶化する高炉スラグ由来の硫化物硫黄量に大きく影響を受ける。
（イ）固化処理土の固化強度は、土の水酸化カルシウム吸着量を斟酌したセメントの添加量、せっこうの富化量およびセメントの粉末度によって決定され、高炉スラグ添加量には依存しない。

本発明は上記知見に基づいて完成されたものであり、処理対象土の土質およびポルトランドセメント中に含有される全クロム含有率に依存して、適切な性状のポルトランドセメント、せっこうおよび高炉スラグを添加するセメント系固化材を用いる固化処理方法を提供する。

すなわち、本発明は、ポルトランドセメントとせっこうと高炉スラグとを含有するセメント系固化材を用いて処理対象土を固化処理する方法であって、下記の式（１）で示す六価クロムの溶出指標（α）が２．５Ｅ−３以下であり、かつ、式（２）で示す固化強度の指標（β）が２６０以上であるセメント系固化材を用いて処理対象土を固化処理する方法である。このセメント系固化材を使用することにより、六価クロムの確実な溶出抑制効果と、固化処理土の適切な固化強度を得ることができる。

α＝（Ａ×Ｂ）／Ｃ≦２．５Ｅ−３ （１）
β＝（Ｄ−Ａ）×Ｇ×Ｆ≧２６０ （２）
（式中、
Ａ＝０．３×処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量（水酸化カルシウム吸着量）（ｋｇ／ｔ・乾土）×５６（ｇ／ｍｏｌ）／７４（ｇ／・ｍｏｌ）／ポルトランドセメント中のＣａＯ含有率（質量％／１００）、
Ｂ＝ポルトランドセメント中の全クロム含有量（ｍｇ／ｋｇ）／１０００（ｇ／ｍｇ）／５２（ｇ／ｍｏｌ）、
Ｃ＝高炉スラグの添加量（ｋｇ／ｔ・乾土）×高炉スラグ中の硫化物硫黄含有率（質量％／１００）×１０００（ｇ／ｋｇ）／３２（ｇ／ｍｏｌ）、
Ｄ＝ポルトランドセメントの添加量（ｋｇ／ｔ・乾土）、
Ｇ＝１＋０．１×セメント系固化材中のＳＯ_３含有率（質量％）／ポルトランドセメント中のＳＯ_３含有率（質量％）、および
Ｆ＝ポルトランドセメントの粉末度（ブレーン比表面積（ｃｍ^２／ｇ）／３３００（ｃｍ^２／ｇ）である）。

本発明は、ポルトランドセメントとせっこうと高炉スラグとを含有するセメント系固化材を用いて処理対象土を固化処理する方法であって、処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量を決定する工程と、ポルトランドセメント中の全クロム含有量、ＣａＯ含有量およびＳＯ_３含有率を決定する工程と、高炉スラグ中の硫化物硫黄含有率を決定する工程と、セメント系固化材中のＳＯ_３含有率を決定する工程とを含み、上記の式（１）および（２）を満たすように、ポルトランドセメント、せっこう及び高炉スラグをセメント系固化材に含有させる工程と、セメント系固化材を用いて処理対象土を固化させる工程と、を含む処理対象土の固化処理方法である。

本発明はさらに、処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量が５０（ｋｇ／ｔ・乾土）以上である、処理対象土の固化処理方法である。

本発明のセメント系固化材を用いる固化処理方法は、地盤改良において、固化処理土からの六価クロム溶出量を土壌環境基準（０．０５ｍｇ／Ｌ）以下に抑制するともに、地盤改良に必要な適切な固化強度を得ることを可能にする。

本発明では、処理対象土の土質およびポルトランドセメント中に含有される全クロム含有率に依存して、下記の式（１）で示す六価クロムの溶出指標（α）が２．５Ｅ−３以下であり、かつ、式（２）で示す固化強度の指標（β）が２６０以上であるセメント系固化材を使用する。

α＝（Ａ×Ｂ）／Ｃ≦２．５Ｅ−３ （１）
β＝（Ｄ−Ａ）×Ｇ×Ｆ≧２６０ （２）

式（１）の「α」は、六価クロムの溶出指標であり、処理土の土質に関連してポルトランドセメントから溶出したカルシウムイオンの土粒子への吸着量（Ａ）、ポルトランドセメント中の全クロム含有率（Ｂ）、および溶出した六価クロムを不溶化する高炉スラグ由来の硫化物硫黄量（Ｃ）の関数で表される。

式（１）におけるＡは、処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するために必要な水酸化カルシウム所要量、すなわち水酸化カルシウム吸着量から推定した乾燥土１ｔ当たりの水和物を生成しない状態で溶解するセメント量（ｋｇ／ｔ・乾土）であり、次式で表される。

Ａ＝０．３×処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量（水酸化カルシウム吸着量）（ｋｇ／ｔ・乾土）×５６（ｇ／ｍｏｌ）／７４（ｇ／・ｍｏｌ）／ポルトランドセメント中のＣａＯ含有率（質量％／１００）

ここで、「０．３」はその影響を適正化するための実験定数、「５６」は酸化カルシウム（ＣａＯ）のモル質量、「７４」は水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）のモル質量である。この項は、生石灰等による火山灰質粘性土の改良効果の指標とされている、土懸濁液のｐＨ試験で、ｐＨ１２．４を得るために必要な水酸化カルシウム所要量の指標である石灰飽和量（石灰協会編「石灰による軟弱地盤の安定処理工法」を参照のこと）を応用したものであるが、本発明では、そのｐＨ値を１２．４から１２．０に変えることにより、六価クロムの溶出指標としてより適切であることを新たに見出した。

また、式（１）におけるＢは、ポルトランドセメント１ｋｇあたりの全クロムのモル数であり、次式で表される。
Ｂ＝ポルトランドセメントの全クロム含有量（ｍｇ／ｋｇ）／１０００（ｇ／ｍｇ）／５２（ｇ／ｍｏｌ）
ここで、「５２」はクロムのモル質量である。

さらに、式（１）におけるＣは、添加した高炉スラグの硫化物硫黄量のモル数に関連する項であり、次式で表される。
Ｃ＝高炉スラグの添加量（ｋｇ／ｔ・乾土）×高炉スラグ中の硫化物硫黄含率（質量％／１００）×１０００（ｇ／ｋｇ）／３２（ｇ／ｍｏｌ）
ここで、「３２」は硫化物硫黄のモル質量である。

すなわち、式（１）の「α」は、高炉スラグ中の硫化物硫黄量のモル数に対する水和物に固定されない状態で溶出した六価クロム量のモル数の比を規定する。性状が異なる処理対象土の土質およびポルトランドセメント中の全クロム含有量に対応して、このα値が２．５Ｅ−３以下となるように、セメント系固化材のポルトランドセメント量および高炉スラグに由来する硫化物硫黄量を調整することが、固化処理土からの六価クロムの溶出量を低減する上で重要な必須要件である。

α値を２．５Ｅ−３以下にすることにより、六価クロムの溶出量を土壌環境基準である０．０５ｍｇ／Ｌ以下とすることができ、さらに土壌環境基準以下にするための材齢を短期間で達成することができる。しかし、処理対象土が火山灰質粘性土の場合は、高炉スラグの添加による固化強度への寄与がほとんどないことから、高炉スラグの添加量は六価クロムを溶出抑制可能な適切な量とすることが、少ない固化材添加量で高強度を得るために重要な要件である。すなわち、固化強度への高炉スラグ添加による寄与は小さいため、高炉スラグ添加量を高めてαを必要以上に低減することは、固化材添加量（セメント、高炉スラグ、せっこうの混合物の合計量）を増すことになり好ましくない。

本発明で用いる高炉スラグは、硫化物硫黄量が０．６％以上であることが好ましい。０．６％未満では、高炉スラグの添加量が多くなり、結果として固化材添加量が多くなるため、コスト的に好ましくない。スラグの粉末度は、ブレーン値で３０００〜８０００ｃｍ^２／ｇが好ましい。この範囲にあると、本発明の六価クロムの溶出抑制効果が期待できるとともに、経済的にも見合うので好ましい。硫化物硫黄量および粉末度がこれらの条件を満たせば、徐冷砕、転炉滓や電気炉滓なども高炉スラグに代わって使用することができる。

次に、式（２）における「β」は、固化強度の指標であり、ポルトランドセメントの添加量、せっこうの富化量およびポルトランドセメントの粉末度の関数である。式（２）におけるＤは、乾燥土１ｔ当たりのポルトランドセメントの添加量（ｋｇ／ｔ・乾土）である。

また、式（２）におけるＧは、せっこうの富化に関する影響項であり、次式で表される。
Ｇ＝１＋０．１×セメント系固化材中のＳＯ_３含有率（質量％）／ポルトランドセメント中のＳＯ_３含有率（質量％）
ここで、定数「１」および「０．１」はせっこうの寄与率、すなわちせっこうの添加によりエトリンガイトが生成するなどする固化強度の増加効果に係る実験定数である。

さらに、式（２）におけるＦは、ポルトランドセメントの粉末度に関する影響項であり、次式で表される。
Ｆ＝ポルトランドセメントの粉末度（ブレーン比表面積（ｃｍ^２／ｇ）／３３００（ｃｍ^２／ｇ）
ここで、「３３００」はポルトランドセメント粉末度の影響を適切に評価するための実験定数である。

すなわち、式（２）の「β」は、ポルトランドセメントの添加量から、固化に寄与せず水和物を生成しない状態で溶解するポルトランドセメント量を減じ、これに、せっこうの富化量およびポルトランドセメントの粉末度の影響を乗じた値を規定する。このβの値が２６０以上となるように、ポルトランドセメント、せっこう添加量およびポルトランドセメントの粉末度を調整することが重要な必須要件である。

β値が２６０未満の場合、地盤改良に必要な一般的な強度の最低レベルである４００ｋＮ／ｍ^２を得ることが困難となるから、好ましくない。β値を２６０以上とすると、固化処理土においてより高い固化強度を得ることができることから、効率的な固化処理が可能となる。

本発明で使用するポルトランドセメントの具体例としては、ＪＩＳ Ｒ５２１０：２００３で規定されるポルトランドセメント、例えば、普通セメント、早強セメント、中庸熱セメント、耐硫酸塩セメントなどが挙げられる。ポルトランドセメントの添加量は、このうち、ポルトランドセメント中のクロム含有量が約１２０ｍｇ／ｋｇ以下、ブレーン比表面積が４０００ｃｍ^２／ｇ以上であり、また、ＣａＯ含有率は６５質量％以上であると、固化材添加量が少量であっても六価クロム溶出抑制性能と固化強度を同時に得ることが可能なことから望ましい。この例として、早強ポルトランドセメントが挙げられる。

また、せっこうの富化に使用するせっこうは特に制限されないが、結晶形態としては、固化強度やハンドリング性（取扱い性）に優れるII型無水せっこうが好ましい。せっこうの粉末度はブレーン比表面積で３０００〜６０００cm^２／ｇ程度のものが好適に使用できる。

本発明のセメント系固化材を用いる固化処理方法の適用対象である処理対象土は特に限定されるものではないが、土懸濁液のｐＨ試験で、ｐＨを１２．０とするための水酸化カルシウム所要量（水酸化カルシウム吸着量）が５０ｋｇ／ｔ・乾土以上である火山灰質粘性土に適用すると、特に大きな効果を発揮することができる。

以下に、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

セメント系固化材：
使用したセメント系固化材は以下の材料を用いた。
早強ポルトランドセメント：宇部興産（株）製、ブレーン比表面積：４５３０ｃｍ^２／ｇ、ＣａＯ含有率：６５．３質量％、全クロム含有量：８０ｍｇ／ｋｇ、ＳＯ_３含有率：３．０質量％
高炉スラグ粉：千葉リバーメント製、硫化物硫黄含有率：０．９質量％、ブレーン比表面積：４３２０ｃｍ^２／ｇ
天然無水石膏：タイ国産、ブレーン比表面積：３９７０ｃｍ^２／ｇ、ＳＯ_３含有率：５６．５質量％

試料土：
使用した試料土は、下記の２種であり、その土質性状は表１に示したとおりである。なお、土の水酸化カルシウム吸着量は地盤工学会基準：ＪＧＳ ０２１１−２０００「土懸濁液のpH試験」、土質性状は地盤工学会基準：ＪＧＳ ０１３２−２０００に準拠して測定した。

火山灰質粘性土１：千葉県産火山灰質粘性土、土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するために必要な水酸化カルシウム所要量（水酸化カルシウム吸着量）：６５ｋｇ／ｔ・乾土
火山灰質粘性土２：神奈川県産火山灰質粘性土、土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量（水酸化カルシウム吸着量）：１１０ｋｇ／ｔ・乾土

土懸濁液のｐＨ試験で、ｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量（水酸化カルシウム吸着量）の測定方法は以下のとおりである。

地盤工学会基準：ＪＧＳ ０２１１−２０００「土懸濁液のｐＨ試験」に準拠して、火山灰質粘性土の懸濁液を調製し、これに所定量の水酸化カルシウム（和光純薬（株）製、試薬１級）を加え、規定の方法でｐＨを測定した。これを懸濁液のｐＨが１２以上になるまで繰返し、水酸化カルシウム添加量とｐＨとの関係をグラフ化し、それぞれのプロットを緩やかな曲線で結び、ｐＨを１２．０とするに必要な水酸化カルシウム所要量（水酸化カルシウム吸着量）を求めた。

固化処理方法：
試料土にセメント系固化材を所定量添加し、混合操作はソイルミキサーにより低速４５秒間、掻き落とし、低速４５秒間とした。このようにして得られた処理土は、セメント協会標準試験方法：ＪＣＡＳ Ｌ−１：２００３「セメント系固化材による安定処理土の試験方法」に準じてφ５×１０cmのモールドに４層に分けて、各層毎に締固めて充填して円柱供試体を作製し、２０℃で材齢７日まで密封養生した。７日間養生した円柱供試体をＪＩＳ Ａ １２１６：１９９８「土の一軸圧縮試験方法」に準拠して一軸圧縮強さを測定した。

処理土からの六価クロム溶出試験：
材齢７日で一軸圧縮強さ試験を行った円柱供試体を２ｍｍ以下に解砕して、環境省告示第４６号法（平成３年８月２３日）に準拠し、６時間振とう後のろ液中の六価クロムをジフェニルカルバジド方法（吸光光度方法）で定量した。本吸光光度方法の測定限界は０．０２ｍｇ／Ｌであり、これ以下はＮＤと記載した。

火山灰質粘性土１に対する試験結果を表２、火山灰質粘性土２に対する試験結果を表３に示す。また、表２および表３の六価クロムの溶出指標（α）と六価クロム溶出量の関係を図１に、固化強度の指標（β）と固化処理土の一軸圧縮強さの関係を図２に示す。

表２、表３、図１および図２に示すように式（１）および式（２）で得られるαおよびβが各々、本発明の範囲を逸脱してαが２．５Ｅ−３超えおよび／またはβが２６０未満となる場合、六価クロムの溶出量が土壌環境基準（０．０５ｍｇ／Ｌ以下）を超えるか、あるいは固化強度が、一般的な地盤改良で必要とされる４００ｋＮ／ｍ^２を下廻り好ましくない。また、この条件を満たすための制御要因や水準は、ポルトランドセメント中のＣａＯ含有率、全クロム含有量、粉末度、セメント系固化材のＳＯ_３含有率および対象土に対する添加量、高炉スラグ中の硫化物硫黄含有率であり、これを適正化することにより、固化処理土からの六価クロムの溶出量を低減し、本来の固化強度を得ることができる。

式（１）のαと六価クロム溶出量の関係を示す図である。 式（２）のβと一軸圧縮強さの関係を示す図である。

Claims (3)

1. ポルトランドセメントとせっこうと高炉スラグとを含有するセメント系固化材を用いて処理対象土を固化処理する方法であって、
   処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量を決定する工程と、
   ポルトランドセメント中の全クロム含有量、ＣａＯ含有量およびＳＯ_３含有率を決定する工程と、
   高炉スラグ中の硫化物硫黄含有率を決定する工程と、
   セメント系固化材中のＳＯ_３含有率を決定する工程とを含み、
   式（１）および（２）：
   α＝（Ａ×Ｂ）／Ｃ≦２．５Ｅ−３ （１）
   β＝（Ｄ−Ａ）×Ｇ×Ｆ≧２６０ （２）
   （式中、
   Ａ＝０．３×処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量（ｋｇ／ｔ・乾土）×５６（ｇ／ｍｏｌ）／７４（ｇ／ｍｏｌ）／ポルトランドセメント中のＣａＯ含有量（質量％／１００）、
   Ｂ＝ポルトランドセメント中の全クロム含有量（ｍｇ／ｋｇ）／１０００（ｇ／ｍｇ）／５２（ｇ／ｍｏｌ）、
   Ｃ＝高炉スラグの添加量（ｋｇ／ｔ・乾土）×高炉スラグ中の硫化物硫黄含有率（質量％／１００）×１０００（ｇ／ｋｇ）／３２（ｇ／ｍｏｌ）、
   Ｄ＝ポルトランドセメントの添加量（ｋｇ／ｔ・乾土）、
   Ｇ＝１＋０．１×セメント系固化材中のＳＯ_３含有率（質量％）／ポルトランドセメント中のＳＯ_３含有率（質量％）、および
   Ｆ＝ポルトランドセメントの粉末度（ブレーン比表面積（ｃｍ^２／ｇ）／３３００（ｃｍ^２／ｇ）である）
   を満たすように、ポルトランドセメント、せっこう及び高炉スラグをセメント系固化材に含有させる工程と、
   セメント系固化材を用いて処理対象土を固化させる工程と、
   を含む、処理対象土の固化処理方法。
2. 処理対象土の土懸濁液のｐＨを１２．０に調整するための水酸化カルシウム所要量が５０（ｋｇ／ｔ・乾土）以上である、請求項１記載の処理対象土の固化処理方法。
3. 処理対象土が、火山灰質粘性土である、請求項１又は２記載の処置対象土の固化処理方法。