JP5917937B2

JP5917937B2 - 土壌安定処理材の製造方法および土壌安定処理工法

Info

Publication number: JP5917937B2
Application number: JP2012033589A
Authority: JP
Inventors: 岡本　道孝; 道孝岡本; 健一川野; 純一酒本; 直本郷
Original assignee: Kajima Corp; Yoshizawa Lime Industry Co Ltd
Current assignee: Kajima Corp; Yoshizawa Lime Industry Co Ltd
Priority date: 2012-02-20
Filing date: 2012-02-20
Publication date: 2016-05-18
Anticipated expiration: 2032-02-20
Also published as: JP2013170189A

Description

本発明は軟弱土壌を改良するための土壌安定処理材、およびそれを用いた土壌安定処理方法に関する。

ＪＩＳＡ１２２８に規定されるコーン指数ｑ_cが２００ｋＮ／ｍ²に満たない土は、国土交通省令において「泥土」に区分される。泥土を有効利用するに当たっては何らかの措置によってコーン指数を向上させる必要がある。例えば、シールド掘削土、地下水位以下の層における掘削土、浚渫ヘドロ、地盤改良スライム、場所打ち抗掘削土などは泥状を呈し、強度が極めて小さいため、そのままの状態では転用・活用が困難で、産業廃棄物として取り扱わざるを得ない。

また、都市部開削工事において地下水位以下の地盤を掘削した場合に、重機走行などによって掘削底盤に乱れが生じ、地盤強度が著しく低下する場合がある。また、掘削地盤の強度が本質的に小さいために、そのままでは掘削地盤を構造物支持や重機等の施工足場に供することができない場合もある。

上記のような軟弱土の強度を向上させる手法として「土壌安定処理工法」がある。土壌安定処理工法では、対象となる軟弱土に対し、セメント、セメント系固化材、生石灰、消石灰などの改良材を添加・混合し、その固化反応や発熱による脱水によって土の強度を改善するものである。

特開２００５−２３９７８１号公報特開平５−２２２３６６号公報

セメントやセメント系固化材を使用する土壌安定処理工法では、材料コストが比較的低く、これらの材料を多量に供給することが容易である反面、改良強度の発現に例えば３〜７日程度の長時間を要するという欠点がある。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。

一方、石灰系の材料を使用する土壌安定処理工法は、水和反応が迅速に起こり処理効果が短時間に得られることから、粘性土の安定処理に多用されてきた。しかしながら、特に生石灰（ＣａＯ）は反応熱が大きく、施工時に多量の水蒸気が発生することから周辺環境への配慮が必要である。また、施工作業や生石灰の運搬・貯蔵における安全性を確保するために、厳重な安全管理が必要となる。

本発明はこのような現状に鑑み、セメント系材料を用いた土壌安定処理よりも短時間で処理効果が得られ、かつ、石灰系材料を用いた土壌安定処理に比べ安全性が格段に高く、水蒸気発生に起因する環境負荷増大の問題も解消しうる土壌安定処理を実現しようというものである。

上記目的は、ＣａＣＯ₃：１５.０〜５０.０質量％、ＣａＯ：２０.０〜４５.０質量％、ＭｇＯ：１.０〜３０.０質量％を含有し、ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯの合計含有量が６５.０質量％以上であり、その他の成分として石灰石、苦灰石に含まれる成分またはそれらを焼成して得られる成分を０〜３５.０質量％含有する組成の粉体Ａと、
アクリルアミド−アクリル酸共重合体を９０質量％以上含有する水溶性の粒子からなる高分子凝集剤Ｂとを、
質量比でＡ：Ｂが９９.５：０.５〜９０.０：１０.０となるように混合してなる土壌安定処理材によって達成される。

粉体Ａは、生石灰を製造するための焼成キルンで発生した粉塵を一部または全部に利用したものが適用できる。粉体Ａの平均粒子径は２００μｍ以下であることがより好ましい。

また本発明では、ＪＩＳＡ１２２８：２０００に規定されるコーン指数ｑ_cが１５０ｋＮ／ｍ²以下の軟弱土に、上記の土壌安定処理材を混ぜ込んで、コーン指数ｑ_cが２００ｋＮ／ｍ²以上の改質土とする土壌安定処理工法が提供される。

本発明の土壌安定処理材は、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。六価クロム等の重金属が溶出するリスクも非常に小さい。また、高分子凝集剤を添加したことにより生石灰（ＣａＯ）を主体とする従来の処理材に比べ顕著な土壌安定化効果が得られる。したがって本発明は、軟弱土の有効利用促進に寄与するものである。

土壌安定処理材を構成する高分子凝集剤Ｂの配合割合と得られた改質土のコーン指数ｑ_c（ｋＮ／ｍ²）の関係を例示したグラフ。

本発明の土壌安定処理材は、ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯを主成分とする粉体Ａと、アニオン系高分子凝集剤Ｂからなる混合粉体である。

粉体Ａを構成するＣａＯおよびＭｇＯは、土壌が保有する水分と反応して水和物を生成する。このうち特にＣａＯは水分の多い土壌と混合した際に大きな水和熱を発生し、その熱によって土壌が保有する水の蒸発が促進される。このような「水和物生成」と「水分蒸発」の作用によって軟弱土の含水比が低下し、その土の強度が改善される。

ＣａＣＯ₃は、ＣａＯ、ＭｇＯ（反応性物質）と共存させることにより、上記の水和の反応速度を緩和する作用を発揮する。これにより施工時の急激な発熱や水蒸気の多量発生が抑制される。また、運搬・貯蔵時の安全性が向上し、土壌安定処理材としての取扱い性が大幅に改善される。

発明者らは多くの施工実験の結果、上記の各作用をバランス良く発揮させるためには、粉体Ａ（後述の高分子凝集剤Ｂを除く部分）として、ＣａＣＯ₃：１５.０〜５０.０質量％、ＣａＯ：２０.０〜４５.０質量％、ＭｇＯ：１.０〜３０.０質量％とし、かつ、ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯの合計含有量が６５.０質量％以上である配合とすることが望ましいことを見出した。

粉体Ａに占めるＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯ以外の残部成分としては、石灰石、苦灰石に含まれる成分、あるいは石灰石、苦灰石を焼成して得られる成分が０〜３５.０質量％の範囲で含まれて構わない。

このような成分で構成される粉体Ａは、試薬あるいは工業用のＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯを調合して製造しても構わないが、その他の製造法として例えば、生石灰と、軽焼ドロマイトを粉砕した粉体を使用し、これらにＣａＣＯ₃を所定量添加して粉体Ａを調製する手法が採用できる。資源の有効利用の観点からは産業副産物を利用することが好ましい。例えば、生石灰を製造するための焼成キルンで発生した粉塵を回収して利用することができる。当該粉塵そのものが上記の組成を有するものであれば、それを粉体Ａの全部に使用することができる。また、当該粉塵を一部に使用し、ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯのうち必要なものを加えて所定組成の粉体Ａとしてもよい。粉体Ａは、レーザー回折式粒度分布測定装置による平均粒子径が２００μｍ以下であることがより望ましく、平均粒子径５〜１００μｍ程度のものが一層好ましい。

高分子凝集剤Ｂとしては、アクリルアミド−アクリル酸共重合体を９０質量％以上含有する水溶性の粒子からなるものが適用される。物性については、例えば０.１％水溶液としたときＢ型粘度計３０ｒｐｍ測定による当該水溶液２５℃の粘度が１００ｃｐ以上となる性質のアニオン系のものが挙げられる。高分子凝集剤Ｂの粒子径は、例えば１５０μｍ以下の粒子の個数割合が９８％以上である粒度分布を持つものがより好ましい。上述のように、本発明ではＣａＣＯ₃を多量に配合した粉体Ａを適用するが、ＣａＣＯ₃の配合によって反応性成分の量が相対的に低減することに伴い、軟弱土の強度向上作用も低減する。発明者らは詳細な検討の結果、上記のアニオン系高分子凝集剤Ｂを添加することによって、ＣａＣＯ₃を多量に配合することによる上記の副作用が顕著に改善され、生石灰を上回る優れた強度改善効果が得られることを見出した。

ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯを主体とする粉体Ａと、アニオン系高分子凝集剤Ｂの配合割合は、質量比でＡ：Ｂが９９.５：０.５〜９０.０：１０.０となるようにする。高分子凝集剤Ｂの割合が０.５質量％より小さいと軟弱土の強度改善効果が小さく、例えばコーン指数ｑ_cが１５０ｋＮ／ｍ²以下の軟弱土を、コーン指数ｑ_cが２００ｋＮ／ｍ²以上の強度に改質するためには多量の粉体を土に混合する必要があり不経済となる。一方、高分子凝集剤Ｂの割合が１０.０質量％を超えて多くなっても、それに見合った改質効果は期待できない。種々検討の結果、コスト的には高分子凝集剤Ｂの割合を０.５〜５.０質量％とすることがより好ましい。さらにコストを重視すると、高分子凝集剤Ｂの割合を０.５〜２.０質量％の範囲、より好ましくは０.８〜２.０質量％の範囲とし、処理対象土の水分量および目標強度に応じて当該土壌安定処理材の混合量を調整することが効果的である。

処理対象の軟弱土に混ぜ込む本発明の土壌安定処理材の混合量は、処理対象土の水分量および目標強度に応じて、予備実験等のデータに基づき設定すればよい。例えばコーン指数ｑ_cが５０〜１５０ｋＮ／ｍ²程度の軟弱土を、コーン指数ｑ_cが２００ｋＮ／ｍ²以上の土に改質する場合、土壌安定処理材の適正配合量は、通常、単位量１００〜３００ｋｇ／ｍ³の範囲内に見つけることができる。

本発明の土壌安定処理材の使用法は、従来の土壌安定処理材の使用法と基本的には同様とすればよい。ただし、セメント系処理剤で必要であった有害物質溶出の対策や、石灰系処理剤で必要であった急激な発熱・水蒸気発生の対策などについては、軽減を図ることが可能である。具体的な施工法を例示すると、本発明の土壌安定処理材を改良対象とする軟弱な土壌上に散布し、バックホウ、スタビライザーなどの工事用機械で処理材と土壌を混合する。混合においては、処理材と軟弱土が均一に混合できる手法であれば特に制約はなく、上記の他、例えば移動式混合装置、定置式混合装置などを使用してもよい。混合によって処理した土（改質土）については、そのまま定置して自然に固結するのを待ってもよいが、一般的には振動ローラー、ランマー、ダンパーなどを用いて所定の密度となるように締め固め、工作物の基礎、盛土、埋戻土などとして活用する。

表１に示す種々の配合の粉体Ａを用意した。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。ここで用いた各粉体Ａの平均粒子径は３５.２〜７０.３μｍである。

アクリルアミド−アクリル酸共重合体を９０質量％以上含有する水溶性の粒子からなる高分子凝集剤Ｂを用意した。この高分子凝集剤Ｂを上記各粉体Ａに、Ａ：Ｂが９９.５：０.５〜９０.０：１０.０となる範囲の種々の配合割合で混合し、本発明で対象とする土壌安定処理材を調製した。

模擬軟弱土として、含水比４２％となるように調整してコーン指数ｑ_cが８２ｋＮ／ｍ²の土を用意した。このような軟弱土は国土交通省の発生土区分によれば「泥土」扱いとなり、無対策での有効利用は困難である。

各土壌安定処理材を上記模擬軟弱土に均一に混合して、改質土とした。土壌安定処理材の混合量は単位量２００ｋｇ／ｍ³を基本とし、高分子凝集剤Ｂの配合量が０.５〜１.０質量％と低めの土壌安定処理材については単位量３００ｋｇ／ｍ³で混合した安定化処理土も作製した。いずれの改質土においても現場施工で問題となるような過度な発熱や急激な水蒸気の発生は認められなかった。改質土についてコーン指数ｑ_cを測定し、ｑ_c≧２００ｋＮ／ｍ²の強度を実現できた土壌安定処理材を合格と判定した。

その結果、表１に示した全ての粉体Ａにおいて、高分子凝集剤Ｂの配合割合が０.５〜１０.０質量％の全範囲で合格評価が得られた。なお、単位量２００ｋｇ／ｍ³の混合で合格評価が得られなかった土壌安定処理材でも、単位量４００ｋｇ／ｍ³に混合量を増量することにより合格評価が得られた。

図１に、表１の配合を使用した粉体Ａを用いた土壌安定処理材について、土壌安定処理材を構成する前記高分子凝集剤Ｂの配合割合（内割りの質量％）と得られた改質土（上記一定時間静置後）のコーン指数ｑ_c（ｋＮ／ｍ²）の関係を例示する。模擬軟弱土への土壌安定処理材の混合量が単位量２００ｋｇ／ｍ³のものをプロットしてある。図１中には、比較例として、当該粉体Ａのみを単位量２００ｋｇ／ｍ³、４００ｋｇ／ｍ³で混合した土（高分子凝集剤Ｂの配合割合＝０％）、生石灰（粒子径５ｍｍ未満）からなる処理材を単位量２００ｋｇ／ｍ³、４００ｋｇ／ｍ³で模擬軟弱土に混合した土、および生石灰（粒子径５ｍｍ未満）に前記高分子凝集剤Ｂを０.５質量％の配合割合で添加した処理材を単位量２００ｋｇ／ｍ³で混合した土を作製し、それぞれ上記と同様にコーン指数ｑ_cを測定した結果も併せて記載してある。

図１からわかるように、生石灰を単位量２００ｋｇ／ｍ³で混合して得られた土はｑ_cが１５５.１ｋＮ／ｍ²であり、ｑ_c≧２００ｋＮ／ｍ²への高強度化は不可能であった。これに対し、粉体Ａを用いた土壌安定処理材（白丸プロット）では、土壌への混合量が単位量２００ｋｇ／ｍ³と同じでも、高分子凝集剤Ｂの配合割合が１.０質量％のものにおいて既にｑ_c≧２００ｋＮ／ｍ²への高強度化が実現できている。なお、粉体Ａを用いた土壌安定処理材のうち高分子凝集剤Ｂの配合割合が０.５質量％のものは、土壌への混合量が単位量２００ｋｇ／ｍ³ではｑ_c≧２００ｋＮ／ｍ²への高強度化が未達成であるが、上述のとおり、土壌への混合量を単位量４００ｋｇ／ｍ³に増量することによりｑ_c≧２００ｋＮ／ｍ²の改質土が得られている。

Claims

ＣａＣＯ₃：１５.０〜５０.０質量％、ＣａＯ：２０.０〜４５.０質量％、ＭｇＯ：１.０〜３０.０質量％を含有し、ＣａＣＯ₃、ＣａＯ、ＭｇＯの合計含有量が６５.０質量％以上であり、その他の成分として石灰石、苦灰石に含まれる成分またはそれらを焼成して得られる成分を０〜３５.０質量％含有する組成の粉体Ａと、
アクリルアミド−アクリル酸共重合体を９０質量％以上含有する水溶性の粒子からなる高分子凝集剤Ｂとを、
質量比でＡ：Ｂが９９.５：０.５〜９０.０：１０.０となるように混合する土壌安定処理材の製造方法。
粉体Ａは、生石灰を製造するための焼成キルンで発生した粉塵を一部または全部に利用したものである請求項１に記載の土壌安定処理材の製造方法。
粉体Ａは、平均粒子径が２００μｍ以下のものである請求項１または２に記載の土壌安定処理材の製造方法。
ＪＩＳＡ１２２８：２０００に規定されるコーン指数ｑ_cが１５０ｋＮ／ｍ²以下の軟弱土に、請求項１〜３のいずれかに記載の製造方法で得られた土壌安定処理材を混ぜ込んで、コーン指数ｑ_cが２００ｋＮ／ｍ²以上の改質土とする土壌安定処理工法。