JP6345864B1

JP6345864B1 - 土壌固化材

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Publication number: JP6345864B1
Application number: JP2017231664A
Authority: JP
Inventors: 琢哉佐藤; 竜矢新里
Original assignee: Tomoe Engineering Co Ltd
Current assignee: Tomoe Engineering Co Ltd
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-12-01
Publication date: 2018-06-20
Anticipated expiration: 2037-12-01
Also published as: JP2019014868A

Abstract

【課題】土壌の強度を早期に発現させる土壌固化材を提供する。【解決手段】硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムの総和含有量が少なくとも６５質量％以上であって、かつ、質量基準で、シリカの含有量が酸化アルミニウムの含有量の１．３倍よりも少ない土壌固化材であって、酸化カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される酸化カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、少なくとも１．２以上であり、硫酸カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される硫酸カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、少なくとも０．６以上であることを特徴とする。【選択図】なし

Description

本発明は軟弱な土壌等を固化するために用いられる土壌固化材に関するものである。

従来、軟弱地盤の強度を高める方法として、セメント系固化材を土壌に添加・混合することが行われている。特許文献１には、フッ素を含有する廃石膏ボードを破砕・加熱処理して得られる半水石膏を軟弱土壌と混合して固化処理する廃石膏を用いた軟弱土壌の固化処理方法において、前記半水石膏に対してアルミナと酸化カルシウムを含有する添加材として高炉セメントを所定量添加する第一の工程と、この第一の工程で添加材である高炉セメントを添加した半水石膏を軟弱土壌と混合して固化処理する第二の工程とから成り、前記第二の工程時には半水石膏と、添加材である高炉セメントに含まれるアルミナと酸化カルシウムとを、軟弱土壌中の水分を利用して水和反応させてエトリンガイトを生成させ、半水石膏から溶出するフッ素イオンを前記エトリンガイトのＳＯ_４ ^２−と置換させて固定し、土壌中へのフッ素の溶出量が環境基準を超えないように抑制しながら軟弱土壌を固化処理する方法が提案されている。

特許第４８３２４７４号明細書

軟弱土壌（例えば、河川、湖沼に堆積したヘドロ、高有機質土、腐植土）の処理方法として、土壌に固化材を添加して、所定強度を満足する固形物に変化させてから、トラック等で搬出する処理が行われている。セメント系の土壌固化材としてジオセット２００等が広く知られているが、これらと同程度の強度を有する石灰系固化材が求められている。

本発明者は、特許文献１に記載された「軟弱土壌の固化処理方法」では、高炉セメントに含まれるＳｉＯ_２等によって、エトリンガイトの早期生成が阻害されるため、早期に強度発現させることができないことを発見した。

また、セメント系固化材には、六価クロムが含まれていることがあり、環境問題が懸念される。

本発明は石灰系固化材の優位点を活かし、セメント系固化材と同程度以上の強度を有する土壌固化材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本願発明に係る土壌固化材は、（１）硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムの総和含有量が少なくとも６５質量％以上であって、かつ、質量基準で、シリカの含有量が酸化アルミニウムの含有量の１．３倍よりも少ない土壌固化材であって、酸化カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される酸化カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、少なくとも１．２以上であり、硫酸カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される硫酸カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、少なくとも０．６以上であることを特徴とする土壌固化材。

（２）上記（１）の構成において、硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムの総和含有量は少なくとも７０質量％以上、かつ、シリカの含有量は酸化アルミニウムの含有量よりも少ないことが好ましい。これにより、土壌固化材が添加される土壌の強度をより高めることができる。

（３）上記（１）又は（２）の構成において、前記酸化カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、４．０以下に設定するのが好ましい。これにより、エトリンガイトの生成に寄与しない酸化カルシウムが少なくなるため、酸化カルシウムが土壌中でイオン化（Ｃａ^２＋）して、２ＯＨ⁻が生成されることにより、土壌がアルカリ化することを抑制できる。

（４）上記（１）乃至（３）のうちいずれか一つの構成において、前記酸化アルミニウムを含有する礬土頁岩を有するように土壌固化材を構成することが好ましい。礬土頁岩は、シリカの含有量が酸化アルミニウムの含有量よりも少ないため、本発明の土壌固化材の成分調整を容易に行うことができる。

本願発明によれば、酸化カルシウム及び硫酸カルシウムの酸化アルミニウムに対する其々の比率が１．２及び０．６以上に高められており、かつ、シリカの含有量が制限されているため、エトリンガイトが早期に生成され、土壌強度を早期に高めることができ、かつ長期的に強度が安定である。また、酸化カルシウム／酸化アルミニウムが４．０以下に抑制されることにより、エトリンガイトの生成に寄与しない酸化カルシウムが少なくなる。これにより、酸化カルシウムが土壌中でイオン化（Ｃａ^２＋）することによって２ＯＨ⁻が生成され、土壌がアルカリ化することを抑制できる。

本発明の実施形態に係る土壌固化材について説明する。本実施形態の土壌固化材は、一般軟弱土用固化材、高含水土用固化材、超高有機質土用固化材及び超軟弱地盤改良材として用いることができる。これらの一般軟弱土用固化材等は、例えば、「月刊建物物価（一般財団法人建設物価調査会発行）」において規格されているため、詳細な説明を省略する。

本実施形態の土壌固化材は、少なくとも硫酸カルシウム、酸化アルミニウム、酸化カルシウムを含有する。本実施形態の土壌固化材を土壌に添加すると、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）が生成され、軟弱地盤の強度を早期に所定強度まで高めることができる。ここで、「早期」とは、例えば、土壌固化材を添加してから、７日間のことである。「所定強度」は、土壌改良の目的に応じて変わるため、本明細書では特に限定しない。また、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）のＰＨは、中性〜弱アルカリ性であるため、従来の石灰系固化材と比べて、土壌が強アルカリ化することを抑制できる。

土壌固化材全体を１００質量％としたとき、硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムの総和含有量は、６５質量％以上であり、好ましくは７０質量％以上である。これらの総和含有量が少なくなると、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を十分に生成することができない。

硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムを除いた土壌固化材の残部は、配合調整に用いられる原料によって異なるため、特に限定しない。後述するように、硫酸カルシウムの供給源として、半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）、二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）を用いた場合には、残部の一部が水分子によって構成される。また、酸化アルミニウムの供給源として、礬土頁岩（バンドケツガン）を用いた場合には、残部の一部が酸化鉄によって構成される。なお、本実施形態の土壌固化材には、六価クロムが含まれていない。これにより、六価クロムによる環境上の問題を無くすことができる。以下、土壌固化材に含まれる成分について詳細に説明する。

（硫酸カルシウムについて）
硫酸カルシウムは、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の必須成分である。硫酸カルシウムは、例えば、水和物として土壌固化材の中に含有させることができる。水和物は、半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）、二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）であってもよい。

ここで、特許文献１には、「二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）のままでは加水処理しても水和反応が起こらず硬化しないため、一旦加熱処理して二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）の状態から半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）の状態に転位させておく必要がある」と記載されていることから、半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）の状態で使用することが前提条件となっている。

しかしながら、本実施形態の土壌固化材が適用される土壌は、酸性からアルカリ性であり、本実施形態の土壌固化材が添加されることによりアルカリ化するため、二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）のままでも、水和反応が起こり、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を生成することができる。

したがって、硫酸カルシウムの供給源として、半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）に限らず、二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）を用いることもできる。なお、硫酸カルシウムの供給源として、硫酸カルシウムそのもの、つまり、無水石膏（ＣａＳＯ_４）を用いることもできる。

ここで、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）には、必須成分として水分子が含まれているが、この水分子は、土壌固化材が添加される土壌由来の水分子であってもよいし、半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）、二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）由来の水分子であってもよい。本実施形態の土壌固化材が添加される土壌は、水分子を十分に含有しているため、無水石膏（ＣａＳＯ_４）を用いた土壌固化材であっても、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を生成することができる。

（酸化アルミニウムについて）
酸化アルミニウムは、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の必須成分である。ここで、特許文献１では、酸化アルミニウムの供給源として、高炉セメント、高炉スラグ、石炭灰が用いられている。本発明者は、これらの高炉セメント、高炉スラグ、石炭灰をそれぞれ半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）とともに土壌に添加して、一軸圧縮強さを測定したところ、強度が早期に発現しないことを発見した。強度発現が遅くなると、土壌固化材を添加してからトラック等で搬出するまでの時間が長くなるため、効率的な処理が妨げられる。

本発明者は、この問題を鋭意検討し、高炉セメント、高炉スラグ、石炭灰に含まれるシリカ（ＳｉＯ_２）によって、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の早期生成が阻害されることを発見した。すなわち、これらの高炉セメント等は、一般的にシリカ（ＳｉＯ_２）の含有量が過度に高いため、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の早期生成と長期安定が阻害される。これに対して、本願発明の土壌固化材は、シリカ（ＳｉＯ_２）の含有量が少ないため、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を早期に生成することができる。ここで、土壌固化材に含まれるシリカ及び酸化アルミニウムの含有量を夫々Ｘ（質量％）及びＹ（質量％）としたときに、Ｘ（質量％）＜１．３Ｙ（質量％）であり、好ましくはＸ（質量％）＜Ｙ（質量％）である。

上述の条件を満足する酸化アルミニウムの供給源として、本実施形態では、例えば、礬土頁岩、ムライト、カオリン、水酸化アルミニウムを用いることができる。これらは、酸化アルミニウムリッチな原料であるとともに、シリカ（ＳｉＯ_２）の含有量が極めて少ないため、高炉セメント、高炉スラグ、石炭灰よりもエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を早期に生成することができ、かつ長期的に安定である。礬土頁岩は、酸化アルミニウムの含有量が８０質量％以上であるため、特に好適である。また、礬土頁岩には、２質量％以下の酸化鉄が含まれることがあるが、極めて少量であるため、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の生成の妨げとならない。

（酸化カルシウム）
酸化カルシウムは、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の必須成分である。ここで、酸化カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される酸化カルシウム及び酸化アルミニウムの比率をＡとしたとき、質量基準で、比率Ａの下限値は１．２であり、好ましくは１．６である。比率Ａが１．２未満に低下すると、酸化カルシウムが過度に少なくなるため、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を十分に生成することができない。

また、比率Ａの上限値は、好ましくは、４．０である。比率Ａが４．０を超過すると、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の生成に寄与しない酸化カルシウムが増加する。この酸化カルシウムは含水率の高い土壌中でイオン化（Ｃａ^２＋）して、２ＯＨ⁻が生成されるため、土壌がアルカリ化し易くなる。

また、硫酸カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される硫酸カルシウム及び酸化アルミニウムの比率をＢとしたとき、質量基準で、比率Ｂの下限値は０．６であり、好ましくは０．９である。比率Ｂが０．６未満に低下すると、硫酸カルシウムが過度に少なくなるため、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を十分に生成することができない。

本実施形態の土壌固化材によれば、土壌固化材に含まれる半水石膏（ＣａＳＯ_４・１／２Ｈ_２Ｏ）、二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）が、化学的に安定なエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）に早期に変化して、軟弱土壌の強度発現を早めるとともに、長期的に土壌強度を高い強度に維持することができる。土壌中の水分は、エトリンガイト生成の際、結晶水に利用されるため、土壌中の水分量が減少し、その結果、強度発現に寄与するものと考えられる。

本実施形態の土壌固化材は、強度向上効果が高いため、添加量が少なくても、土壌強度を所定強度に高めることができる。したがって、添加量の削減により、コスト低減を図ることができる。

本発明について、実施例を示しながら詳細に説明する。
（実施例１）
成分が異なる複数の土壌固化材１〜５、生石灰およびジオセット２００をそれぞれ田んぼの土に添加してビニル袋に封入した後、ビニル袋内の空気を排気して、ｐｈ値を測定した。土壌固化材を添加する前における田んぼの土の含水率及びｐｈ値はそれぞれ７９．８質量％及び６．１６であった。各土壌固化材の添加量は、１００（ｋｇ／ｍ^３）とした。ｐｈ値の測定後に、２０℃の暗室で７日間保管・養生した。養生後に１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）を測定した。ジオセット２００を基準として、１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）が基準値よりも低い場合には、土壌強度が低いとして×で評価した。１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）が基準値超５０（KN／ｍ^２）以下の場合には、土壌強度が良好として△で評価した。１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）が５０（KN／ｍ^２）超の場合には、土壌強度が極めて良好として◎で評価した。その結果を表１に示す。

土壌固化材２は、硫酸カルシウム／酸化アルミニウムが０．６未満で、硫酸カルシウムの含有量が過度に少なかったため、評価が×になった。また、土壌固化材２は、酸化カルシウム／酸化アルミニウムが４.０を超過しており、エトリンガイトの生成に寄与しない酸化カルシウムが増加したため、ｐｈ値がジオセット２００と比べて非常に高くなった。なお、土壌固化材４及び５は、土壌固化材１及び３よりも酸化カルシウム／酸化アルミニウムの値が低いため、ｐｈ値を測定しなかった。土壌固化材５は、酸化カルシウム／酸化アルミニウムが１．６未満で、酸化カルシウムの含有量が若干少なく、また、シリカの含有量が若干多かったため、評価が△になった。

（実施例２）
成分が異なる複数の土壌固化材６〜１０およびジオセット２００をそれぞれ田んぼの土に添加してビニル袋に封入した後、２０℃の暗室で７日間保管・養生した。土壌固化材を添加する前の田んぼの土の含水率は、６３．５質量％であった。各土壌固化材の添加量は、５０（ｋｇ／ｍ^３）とした。養生後に１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）を測定した。ジオセット２００を基準として、１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）が基準値よりも低い場合には、土壌強度が低いとして×で評価した。１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）が基準値超３０（KN／ｍ^２）以下の場合には、土壌強度が良好として△で評価した。１軸圧縮強さ（KN／ｍ^２）が３０（KN／ｍ^２）超の場合には、土壌強度が極めて良好として◎で評価した。その結果を表２に示す。

土壌固化材６，７は、酸化カルシウム／酸化アルミニウムが１．２未満で、酸化カルシウムの含有量が過度に少なかったため、評価が×になった。

以上の実施例から、硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムの総和含有量が少なくとも６５質量％以上であって、かつ、質量基準で、シリカの含有量が酸化アルミニウムの含有量の１．３倍よりも少ない土壌固化材において、酸化カルシウム／酸化アルミニウムが１．２以上、硫酸カルシウム／酸化アルミニウムが０．６以上に配合調整された土壌固化材を用いることにより、ジオセット２００と同程度以上の強度発現効果が７日間の養生期間で得られることがわかった。

Claims

硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムの総和含有量が少なくとも６５質量％以上であって、かつ、質量基準で、シリカの含有量が酸化アルミニウムの含有量の１．３倍よりも少ない土壌固化材であって、
酸化カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される酸化カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、少なくとも１．２以上であり、硫酸カルシウム／酸化アルミニウムによって規定される硫酸カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、少なくとも０．６以上であり、前記酸化アルミニウムを含有する礬土頁岩を有することを特徴とする土壌固化材。
硫酸カルシウム、酸化アルミニウム及び酸化カルシウムの総和含有量が少なくとも７０質量％以上であって、かつ、シリカの含有量が酸化アルミニウムの含有量よりも少ないことを特徴とする請求項１に記載の土壌固化材。
前記酸化カルシウム及び酸化アルミニウムの比率は、質量基準で、４．０以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の土壌固化材。