JP5689605B2 - 地盤改良材および地盤改良工法 - Google Patents

Description

本発明は軟弱地盤を改良するための地盤改良材、およびそれを用いた地盤改良工法に関する。

水分を多く含む軟弱地盤を改良する工法として、「セメント安定処理工法」、「石灰安定処理工法」があり、数多くの実績を上げている。

セメント安定処理工法は、セメントと水が反応することによる水和硬化を利用するものである。セメント添加が含水比の低下、イオン交換、団粒化などに寄与し、塑性指数を小さくする効果も得られる。しかし、粒子の細かい土や有機分の多い土に対しては改良効果が小さい。また、セメント成分に起因する六価クロム等の有害物質が再溶出する可能性があり、環境面に対する配慮が重要となる。

特許文献１には、高炉水砕スラグを軟弱地盤の土壌に混合する改良工法が開示されている。この手法によればセメント起因の有害物質、特に重金属の不溶化に対して有効であるとされる。

石灰安定処理工法は、生石灰ＣａＯが水と反応することによる水和熱を利用して、周辺土に脱水および加熱作用を及ぼし、改良効果を得るものである。さらに水和生成物である消石灰Ｃａ(ＯＨ)₂は強い吸水性を有するため、含水比低下にも寄与する。この工法は、改良地盤の強度に関してはセメント安定処理工法に劣るものの、重金属溶出の問題がなく、これまでに多くの施工実績がある。特に粘性土に対してはセメント安定処理工法よりも多くの実績があるとされる。しかし、石灰系の改良材は反応性が高く、水と反応することによって高温になるので、人体に対する安全確保および運搬・貯蔵管理に配慮する必要がある。また、施工時には粉塵量が多くなるため施工環境への配慮も重要となる。

特許文献２には、消石灰類あるいは生石灰類を粉体の状態で使用し、その他に石膏、水または水に代わる発塵防止剤を混合した土質改良材が開示されている。この配合により軟弱地盤の強度を増大させることができ、粉塵も抑制できるという。

特開２００５−２３９７８１号公報 特開平５−２２２３６６号公報

上述のように、セメント安定処理工法で問題となる重金属類の溶出に対しては特許文献１の手法が有効である。しかしながら、この手法により得られる改良地盤は、強度レベルに関して必ずしも満足できるものではない。例えば改良後の地盤強度は第３種改良土（コーン指数ｑ_cが８００ｋＮ／ｍ²未満）に相当する程度であり、より高強度が求められる場合は他の改良工法も併用する必要がある。

一方、石灰安定処理工法で問題となる発塵性に対しては特許文献２の土質改良材が有効である。しかし、現場に搬入・貯蔵するには反応性を抑制する必要があり、また粉塵量低減のためにも、ブレーン値が低い顆粒状の改良材とせざるを得ない。このため、細粒分を多く含む土に対しては均質な改良が困難となる場合がある。

本発明は、細粒分を多く含む土に対しても均一性の高い混合が容易にできるパウダー状の改良材であって、重金属類の溶出が十分に抑制され、粉塵の発生が少なく、かつ強度の高い改良地盤が得られる地盤改良材、およびそれを用いた効果的な地盤改良工法を提供しようというものである。

上記目的は、ＣａＣＯ₃：３０〜７５質量％、ＣａＯ：２０〜５０質量％であり、ＭｇＯ含有量が「ＭｇＯ／ＣａＯ質量比：１以下（０を含む）」を満たす範囲である組成のＣａＣＯ₃含有粉体Ａと、高炉水砕スラグＢとを、質量割合でＡ：Ｂが２：８〜４：６となるように混合した地盤改良材によって達成される。この地盤改良材の平均粒子径は１００μｍ以下とすることができる。

また、本発明では上記地盤改良材を使用した地盤改良工法として、ＪＩＳ Ａ１２２８：２０００に規定されるコーン指数が５００ｋＮ／ｍ²以下の土で構成される軟弱地盤に、前記の地盤改良材を混ぜ込んで、当該地盤改良材の配合量が土１ｍ³に対し６０〜１６０ｋｇ／ｍ³である改質土壌層を地盤表層部に形成する地盤改良工法が提供される。

本発明によれば、以下のようなメリットが得られる。
（１）炭酸カルシウムＣａＣＯ₃を多量に含有させたことにより水和反応速度が抑制されるので、運搬・貯蔵管理が容易である。反応による急激な発熱も防止できる。
（２）炭酸カルシウムの保水能力が活かせるため、パウダー状の微細粉末とした場合でも従来の顆粒状の生石灰を用いた地盤改良材と同等の粉塵量に抑えることができる。
（３）ブレーン値の大きい微細粉末とすることにより種々の土壌との混合がより均一化し、化学反応が効率的に進行するので生石灰と同等の反応能力を得ることができる。
（４）六価クロム等の重金属が溶出するリスクが非常に小さい。
（５）ポゾラン反応および水硬性に着目した配合を有し、改良地盤において高い長期強度が得られる。

ＣａＯ標準試料および本発明対象の地盤改良材について、水中へのＣａＯ添加量と温度上昇量の関係を例示したグラフ。 各種粉体について粉塵量を測定した結果を示すグラフ。

本発明の地盤改良材は、炭酸カルシウムＣａＣＯ₃および生石灰ＣａＯを主成分とする混合粉体Ａと、高炉水砕スラグＢとを混合した配合を有する。

ＣａＯは高炉水砕スラグの主成分の１つでもあり、本発明の地盤改良材には混合粉体Ａと高炉水砕スラグＢのそれぞれに由来するＣａＯが含まれている。ＣａＯは水と反応してアルカリ性物質である消石灰Ｃａ(ＯＨ)₂を形成し、そのアルカリ刺激によって高炉水砕スラグの成分であるＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃が反応して、いわゆる潜在水硬性を発揮する。この潜在水硬性によって、改良地盤の強度レベルが向上する。また、Ｃａ(ＯＨ)₂が生成することによる含水比の低減効果も軟弱地盤の改良に寄与する。

ただし、多量のＣａＯを含有する改良材では、前述のように水和反応が非常に起こりやすく、急激な発熱が生じて問題となることもある。発明者らは種々検討の結果、ＣａＯの反応性を緩和させるためにはＣａＣＯ₃の多量添加が極めて有効であることを見出した。また、このＣａＣＯ₃による反応性緩和機能と、高炉水砕スラグの持つ保水機能を利用すると、地盤改良材には若干の含水が許容される。このため、顆粒状ではなく、粒子径の細かいパウダー状の地盤改良材とした場合でも、粉塵量を顆粒状のＣａＯを用いた場合と同等に低減することが可能になる。さらに、パウダー状とすることで土壌との混合を均一化することができるので、反応が効率的に進行し、均質な改良地盤を得ることが可能となる。

コンクリート用の高炉水砕スラグはＣａＯを４０質量％程度含む場合が多く、ＪＩＳ Ａ６２０６に規定されているように塩基度（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ａｌ₂Ｏ₃）／ＳｉＯ₂が１.６０以上、ＭｇＯが１０質量％以下に管理されている。このような高炉水砕スラグの潜在水硬性を十分に発揮させるためには、高炉水砕スラグに、更にＣａＯ成分を加えることが必要である。一方、ＣａＯの水和反応を緩和するためには上述のようにＣａＣＯ₃を添加することが有効である。

発明者らの詳細な検討によれば、高炉水砕スラグと混合する粉体として、ＣａＣＯ₃：３０〜７５質量％、ＣａＯ：２０〜５０質量％を含む粉体を用意することが好ましい。ＣａＣＯ₃含有量が３０質量％を下回るとＣａＯの水和反応を緩和する作用が不足する場合がある。ＣａＯ含有量が２０質量％を下回ると、後述の混合比率で高炉水砕スラグと混合した改良材において、潜在水硬性を十分に引き出すことが難しくなる。その他の成分としてはＭｇＯを含有させることができる。ＭｇＯも水和反応に寄与しうる。ＭｇＯの含有量は、「ＭｇＯ／ＣａＯ質量比：１以下（０を含む）」を満たす範囲とすればよい。ＭｇＯ含有量がＣａＯ含有量と同等以下であれば、後述の混合比率で高炉水砕スラグと混合ときに、ＣａＯによる水和反応の効果を十分に享受することができる。ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ以外の成分としては、天然鉱物（石灰石、苦灰石）に含まれる成分（ＣＯ₂、ＳｉＯ₂、Ｓなど）の混入が３５質量％以下の範囲で許容される。このようなＣａＣＯ₃含有粉体を本明細書では「ＣａＣＯ₃含有粉体Ａ」と呼んでいる。

ＣａＣＯ₃含有粉体Ａは、各構成成分（ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、必要に応じてＭｇＯ）の試薬（工業用材料として製造されているもの）を混合することによって調製することができる他、例えば石灰石、苦灰石を焼成するキルン中の粉塵を回収し、これを原料として用いることもできる。

上記のＣａＣＯ₃含有粉体Ａと、ＪＩＳ Ａ６２０６に規定される高炉水砕スラグＢとの混合比は、質量割合でＡ：Ｂが２：８〜４：６となるようにする。この範囲でＣａＣＯ₃含有粉体Ａと高炉水砕スラグＢを混合して得られた地盤改良材は、軟弱地盤の土壌と混合した後に強度を発現し、ＪＩＳ Ａ１２２８：２０００に規定されるコーン指数が８００以上の改良地盤を形成することができる。特に、粉体の平均粒子径（レーザー回折式粒度分布測定装置により求まる体積平均粒子径Ｄ₅₀）を１００μｍ以下に調整した地盤改良材を用いると、コーン指数１２００ｋＮ／ｍ²以上、圧縮強度においては材齢７日および２８日のそれぞれの時点で１４０ｋＮ／ｍ²以上を呈する改良地盤を構築することができる。

本発明の地盤改良材は種々の軟弱地盤に適用することができる。ＪＩＳ Ａ１２２８：２０００に規定されるコーン指数が５００ｋＮ／ｍ²以下の土で構成される軟弱地盤に適用することが特に効果的である。

軟弱地盤を構成する土に、本発明の地盤改良材を混ぜ込む際、当該地盤改良材の配合量は土１ｍ³に対し６０〜１６０ｋｇ／ｍ³とすることが好ましい。この範囲において、材齢７日および２８日の圧縮強度がともに１４０ｋＮ／ｍ²（０.１４Ｎ／ｍｍ²）以上となる土壌を得ることができ、比較的早期に重機が走行可能なレベルの改良地盤が構築可能となる。特に、当該地盤改良材の配合量（単位量）を８０ｋｇ／ｍ³以上とした場合には材齢７日および２８日の圧縮強度が１８０ｋＮ／ｍ²（０.１８Ｎ／ｍｍ²）以上となり、強度レベルの高い改良地盤を構築するうえで極めて有効である。ただし、過剰の配合は不経済となるので、通常は１６０ｋｇ／ｍ³以下の範囲とすればよく、例えば１２０ｋｇ／ｍ³以下の範囲に管理することも有効である。

上記の配合量で本発明の地盤改良材を混ぜ込んだ「改質土壌層」の厚さは、地盤表層部において少なくとも３０ｃｍとすることが好ましい。ただし、２０ｃｍ以上、あるいは５０ｃｍ以上の厚さに管理することもできる。用途によっては７０ｃｍ以上の厚さを確保してもよい。

地盤改良材を構成するＣａＣＯ₃含有粉体Ａは、高炉水砕スラグＢに十分なアルカリ刺激を与えることができる性質であることが要求される。そのためにはＣａＯ成分の水和反応が十分に進行することが必要である。ＣａＯ成分の水和反応性については、地盤改良材の粉末を一定の水と混合したときの水和反応による温度上昇量を測定する方法で評価することができる。例えば、ＡＳＴＭ；Ｃ１１０−７６ａ（Ｓｌａｋｉｎｇ Ｒａｔｅ ｏｆ Ｑｕｉｃｋｌｉｍｅ）の消化速度測定方法を参考にすることができる。ここでは、上記ＡＳＴＭ法に準じた方法により、地盤改良材の粉末を１０〜４０℃の水４００ｍＬに入れて撹拌混合した場合の温度上昇量を測定して評価する。

前述のように、本発明の地盤改良材はＣａＣＯ₃を含有させることによりＣａＯの水和反応を緩和させている。発明者らは詳細な検討の結果、評価対象である地盤改良材を１０〜４０℃の水４００ｍＬに入れて撹拌混合したとき、水中におけるＣａＯ含有量が１５ｇ／水４００ｍＬ以上の領域での温度上昇量が８℃以上となる場合に、当該地盤改良材は本発明で目的とする地盤改良効果を十分に発揮することがわかった。

図１に、ＣａＯ標準試料および本発明の地盤改良材について、１０〜４０℃の水４００ｍＬ中のＣａＯ含有量と温度上昇量の関係を例示する。ＣａＯ標準試料のプロットから分かるように、ＣａＯ添加量の増大に伴い温度上昇量は直線的に増大する。図１において、水中におけるＣａＯ含有量が１５〜１００ｇ／水４００ｍＬの領域で、標準試料プロットの近似直線Ｐから下の領域（ｙ≦０.５１９９ｘ−０.４０８３）、かつ直線Ｑから上の領域（ｙ≧８）にプロットされる地盤改良材は、十分な水和反応性を有すると判断され、合格と評価される。

具体的に、表１に示す種々の配合のＣａＣＯ₃含有粉体Ａについて、上記方法による評価を試みた。これらは、石灰石、苦灰石を焼成するキルンから回収した粉塵をベースに、試薬のＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯを適宜加えて成分調整したものである。ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ以外の含有成分は、ＣＯ₂、ＳｉＯ₂、Ｓ、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃である。水中へのＣａＯ添加量と温度上昇量の関係が、ＣａＯ添加量１０〜５０ｇ／水４００ｍＬの範囲で、図１の直線Ｑから上の領域となるものを合格（○評価）とした。結果を表１中に示す。

表１に示す組成のＣａＣＯ₃含有粉体Ａは、いずれも○評価であった。

軟弱地盤の土壌として、表２に示す性質を有する関東ロームの土を用意した。
ＣａＣＯ₃含有粉体Ａとして、実施例１と同様に石灰石、苦灰石を焼成するキルンから回収した粉塵をベースに、試薬のＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯを適宜加えて成分調整したもの（配合ｒ〜ｖ）を用意した。これらのＣａＣＯ₃含有粉体Ａはいずれも実施例１に示した評価方法により○評価が得られる粉体である。
これらの材料を用いて、表３、表４に示す配合の地盤改良材を調製した。表４の地盤改良材はＣａＣＯ₃含有粉体Ａの代わりに生石灰ＣａＯを使用したものである。高炉水砕スラグＢはいずれもＪＩＳ Ａ６２０６の規定を満たすものである。なお、いずれの地盤改良材も平均粒子径Ｄ₅₀は１００μｍ以下であることが確認されている。

各地盤改良材と、表２に示した軟弱地盤の土壌を混ぜ合わせ、改良地盤土壌（改良土壌層を構成するもの）の作成を試みた。地盤改良材の土１ｍ³に対する配合量は表中に示すように４０〜１６０ｋｇ／ｍ³の範囲の各水準とした。改良地盤土壌を２０℃の大気雰囲気下で養生し、材齢７日、２８日、一部の試料については更に９１日における一軸圧縮強度を測定した。結果を表３、表４中に示す。

表３からわかるように、ＣａＣＯ₃含有粉体Ａと高炉水砕スラグＢの配合比を２：８〜４：６とした本発明例の地盤改良材を使用した場合、改良地盤土壌における配合量を６０ｋｇ／ｍ³以上とすることにより、材齢７日の時点で圧縮強度が１４０ｋＮ／ｍ²以上を呈する改良地盤土壌が得られた。生石灰と高炉水砕スラグとを混合した地盤改良材（表４）に比べ、本発明例のものは、同じ単位量において強度レベルが向上している。

表２に示した性質の土壌からなる関東ローム軟弱地盤のフィールドに、本発明例の地盤改良材を土１ｍ³に対して配合量８０ｋｇ／ｍ³で混ぜ込んで、厚さ約１００ｃｍの改質土壌層を地盤表層部に形成した。材齢２.５日の時点で、この改質土壌層の各深さ位置から土壌を採取し、コーン指数を測定した。その結果を表５に示す。

各深さ位置において、コーン指数は改良前の４３５.１ｋＮ／ｍ²に対して大幅に向上していることが確認された。改良前は人が歩行することに支障が出るほど軟弱であったが、材齢２.５日という短期間ですでに重機が走行可能なレベルに高強度化された。

各種粉体について、室内試験により粉塵量を調べた。
直径３４ｃｍ、高さ７５.５ｃｍの円筒形アクリル容器の底部から高さ６０ｃｍの位置に、光散乱式デジタル粉塵計を設置し、高さ７５.５ｃｍ位置から各種粉体試料２００ｇを落下させ、１分経過時点の粉塵量を測定した。図２に測定結果を示す。図２中、「パウダー状材料」は本発明に適用できるＣａＣＯ₃含有粉体Ａ（高炉水砕スラグと混合する前のもの）である。「発明材料」は本発明の地盤改良材である。「発明材料」は粒子径の細かいパウダー状であるにもかかわらず、生石灰顆粒と高炉水砕スラグを混合した粉体と同等の粉塵量に抑えられた。これはＣａＣＯ₃を含有することで含水が許容され、さらに主成分である高炉水砕スラグが保水機能を持つからである。

実施例３で形成した改質土壌層の土について、環境省告示４６号試験を実施し、各種成分の溶出量を調べた。結果を表６に示す。

表６からわかるように、六価クロムをはじめとする各種物質の溶出量は基準を十分に下回るものである。

Claims (2)

1. ＣａＣＯ₃：３０〜７５質量％、ＣａＯ：２０〜５０質量％であり、ＭｇＯ含有量が「ＭｇＯ／ＣａＯ質量比：１以下（０を含む）」を満たす範囲である組成のＣａＣＯ₃含有粉体Ａと、塩基度（ＣａＯ＋ＭｇＯ＋Ａｌ ₂ Ｏ ₃ ）／ＳｉＯ ₂ が１.６０以上、ＭｇＯが１０質量％以下である高炉水砕スラグＢとを、質量割合でＡ：Ｂが２：８〜４：６となるように混合した平均粒子径１００μｍ以下のパウダー状地盤改良材。
2. ＪＩＳ Ａ１２２８：２０００に規定されるコーン指数が５００ｋＮ／ｍ²以下の土で構成される軟弱地盤に、請求項１に記載の地盤改良材を混ぜ込んで、当該地盤改良材の配合量が土１ｍ³に対し６０〜１６０ｋｇ／ｍ³である改質土壌層を地盤表層部に形成する地盤改良工法。

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