JP6529821B2 - 地盤安定化用粉体混和剤、地盤安定化材料、及びそれを用いた地盤安定化工法 - Google Patents
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Description
本発明は、地中にセメントを注入又は混合し、地盤を硬化、安定化させる地盤安定化用粉体混和剤、地盤安定化材料、及び地盤安定化工法に関する。
軟弱地盤のような不安定な地盤を改良するためには、軟弱な地盤を硬化、安定化させなければならない。この際、セメント系固化材を地盤に混合して固化させる方法がある。このような工法として、地盤改良工法、山留め工法、基礎杭工法、埋め戻し工法などがある。地盤改良工法としては、深層混合処理工法または浅層混合処理工法が代表例であり、山留め工法はソイルセメント柱列壁工法、ソイルセメント地中壁工法、基礎杭工法の代表例は鋼管ソイルセメント杭工法や鋼管の代わりにＰＨ Ｃ杭などの既製杭を使用する合成杭工法などである。
これらの工法は、セメントを地盤に注入又は混合するとセメント粒子と土の粒子とが電気的作用により互いに凝集するために、粘性が上昇し、施工しずらい課題がある。また、粘性が高いと、注入又は混合したセメントと同体積の地盤と混入したスライムを排泥できず、地盤中で圧力がかかり地盤が隆起し地表面が盤膨れしてしまうという課題があった（非特許文献１参照）。
混合土の粘性を低下させるものとして、ナフタレンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、メラミンスルホン酸塩ホルマリン縮合物、及び／又はポリカルボン酸系化合物等を含有する超高圧噴流注入工法用セメント添加剤が知られている（特許文献１参照）。
しかしながら、これらの超高圧噴流注入工法用セメント添加剤は、砂質土や砂分の多いシルト地盤では、その結果がある程度認められるが、粘性土地盤においては、粘性低下の効果が小さいために多量に添加する必要があり、強度発現性が向上しにくいという課題があった。
さらに、混合土の粘性を低下させるものとして、リン酸塩、アルカリ金属含有物（硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩、重炭酸塩等）、有機酸、およびアンモニウム塩等を含有する物質を組み合わせたものが知られている（特許文献２〜７参照）。
しかしながら、これらの超高圧噴流注入工法用セメント添加剤は、砂質土や砂分の多いシルト地盤では、その結果がある程度認められるが、粘性土地盤においては、粘性低下の効果が小さいために多量に添加する必要があり、強度発現性が向上しにくいという課題があった。
さらに、混合土の粘性を低下させるものとして、リン酸塩、アルカリ金属含有物（硫酸塩、亜硫酸塩、炭酸塩、重炭酸塩等）、有機酸、およびアンモニウム塩等を含有する物質を組み合わせたものが知られている（特許文献２〜７参照）。
また、近年、セメント産業が各方面の産業副産物を原料に受け入れており、産業副産物に由来する微量成分が、セメントの品質に大きな影響を及ぼし、六価クロムの溶出量などにも大きな違いが出てくる。特許文献８は、ＣａとＳを含む化合物である多硫化カルシウムに生石灰などの固定化材に担持させて、改良処理土の強度の低下をもたらすことなく、有害重金属溶出を著しく抑制する機能を付加した地盤改良材を提供することを目的としている。この文献には、固定化材である生石灰に担持させた後、セメントやセッコウと混合する技術が開示されている。
特許文献９は、Ｃａ８Ｓ５（Ｓ２Ｏ３）（ＯＨ）１２・２０Ｈ２Ｏ及び水酸化カルシウムを主成分とする重金属固定化剤であり、多硫化カルシウムとして市販の石灰硫黄合剤を用いることが記載されている。
しかしながら、これら文献では、混合土の粘性を低下させる効果が少なかった。
しかしながら、これら文献では、混合土の粘性を低下させる効果が少なかった。
坪井 直道著、薬液注入工法の実際、第５〜９頁、昭和５６年３月２５日、鹿島出版会、改訂版第２刷発行
本発明は、前記課題を解決すべく種々検討を行った結果、高い粘性低減効果の付与と六価クロムの溶出量を抑えることが可能となる、地盤安定化用粉体混和剤、地盤安定化材料、及びそれを用いた地盤安定化工法を提供する。
すなわち、本発明は、（１）亜硫酸カルシウムを含有する石灰硫黄合剤の副産物と、粉体減水剤を有する地盤安定用粉体混和材であり、該粉体減水剤はナフタレン類、メラミン類、アミノスルホン酸類、ポリカルボン酸類またはポリエーテル類からなる群の中から選ばれた１種または２種である、ｐＨが９．０以上、酸化還元電位（ＯＲＰ）が５０ｍｖ以下、ＭｇＯ含有量が０．５％以上である地盤安定化用粉体混和剤、（２）セメント１００質量部に対し地盤安定化用混和剤を０.０１〜１０質量部使用する（１）の地盤安定化用粉体混和剤、（３）（１）または（２）の地盤安定化用粉体混和剤とセメントを混合してなる地盤安定化用材料、（４）（３）の地盤安定化材料を、土と混合して粘性を低下させる地盤安定化工法、である。
本発明の地盤安定化用粉体混和剤、地盤安定化材料及び地盤安定化工法により、流動化によって施工性が改善し、さらに、重金属が低減できるといった効果を奏する。
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
本発明で使用する部や％は特に規定のない限り質量基準である。
本発明で云う亜硫酸カルシウムとは、亜硫酸カルシウム無水和物、亜硫酸カルシウム半水和物を総称するものである。
本発明で使用する亜硫酸カルシウムは、ｐＨは９．０以上である。ｐＨは９．０以上の亜硫酸カルシウムとしては、石灰硫黄合剤を製造する際の副産物がある。
農薬の１種である石灰硫黄合剤は、主に果樹の農薬として用いられ、生石灰と硫黄と水を原料とし、オートクレーブで反応させる。固液分離した液体が石灰硫黄合剤となる。石灰硫黄合剤を製造する際の副産物として亜硫酸カルシウム半水和物があり、ｐＨは９．０以上であることが知られている。
一方、試薬の亜硫酸カルシウム半水和物のｐＨは８．０以下の中性塩であり、石炭火力発電の排煙脱硫工程から生成する亜硫酸カルシウム半水和物を含む石膏が得られるが、この物質のｐＨは酸性領域にある。
本発明で使用する亜硫酸カルシウムは、ｐＨは９．０以上である。ｐＨは９．０以上の亜硫酸カルシウムとしては、石灰硫黄合剤を製造する際の副産物がある。
農薬の１種である石灰硫黄合剤は、主に果樹の農薬として用いられ、生石灰と硫黄と水を原料とし、オートクレーブで反応させる。固液分離した液体が石灰硫黄合剤となる。石灰硫黄合剤を製造する際の副産物として亜硫酸カルシウム半水和物があり、ｐＨは９．０以上であることが知られている。
一方、試薬の亜硫酸カルシウム半水和物のｐＨは８．０以下の中性塩であり、石炭火力発電の排煙脱硫工程から生成する亜硫酸カルシウム半水和物を含む石膏が得られるが、この物質のｐＨは酸性領域にある。
本発明で使用する石灰硫黄合剤を製造する際の副産物の亜硫酸カルシウムのｐＨがアルカリ性領域であることは、極めて重要である。ｐＨが９．０未満では、本発明の効果、すなわち、流動性の向上や六価クロムの還元効果、さらには強度発現性が十分に得られない場合がある。
なお、本発明で云うｐＨとは、石灰硫黄合剤の副産物などの亜硫酸カルシウムを含有するセメント添加剤１０ｇに純水１００ｍｌを加え、撹拌した後の上澄み液のｐＨを意味し、イオン電極式ｐＨ計を用いることで測定することが出来る。
なお、本発明で云うｐＨとは、石灰硫黄合剤の副産物などの亜硫酸カルシウムを含有するセメント添加剤１０ｇに純水１００ｍｌを加え、撹拌した後の上澄み液のｐＨを意味し、イオン電極式ｐＨ計を用いることで測定することが出来る。
本発明で使用する石灰硫黄合剤を製造する際の副産物の亜硫酸カルシウムの酸化還元電位（ＯＲＰ）が、５０ｍｖ以下の範囲にある。試薬の亜硫酸カルシウムのＯＲＰは、ほぼ１００ｍｖである。酸化還元電位が５０ｍｖ以下の範囲にないと、本発明の効果、すなわち、流動性の向上や六価クロムの還元効果、さらには強度発現性が十分に得られない場合がある。
なお、本発明で言うＯＲＰとは、石灰硫黄合剤の副産物１０ｇに純水１００ｍｌを加え、撹拌した後の上澄み液のＯＲＰを意味する。
なお、本発明で言うＯＲＰとは、石灰硫黄合剤の副産物１０ｇに純水１００ｍｌを加え、撹拌した後の上澄み液のＯＲＰを意味する。
本発明の石灰硫黄合剤を製造する際の副産物の亜硫酸カルシウムには、ＭｇＯ換算で０．５〜２．０％の範囲でＭｇが含まれる。Ｍｇの含有量がＭｇＯ換算で０．５％未満であると、本発明の効果、すなわち、流動性の向上や六価クロムの還元効果、さらには強度発現性が十分に得られない場合がある。
地盤安定化用粉体混和剤の使用量は、特に限定されるものではないが、通常、セメント１００部に対して０．０１〜１０部が好ましく、０．１〜５部がより好ましい。地盤安定化用粉体混和剤の使用量が少ないと、本発明の効果、すなわち、流動性の向上や六価クロムの還元効果、さらには強度発現性が十分に得られない場合がある。
本発明の地盤安定化用粉体混和剤は、あらかじめ一部あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
本発明の地盤安定化用粉体混和剤は、あらかじめ一部あるいは全部を混合しておいても差し支えない。
さらに、ナフタレン類、メラミン類、アミノスルホン酸類、ポリカルボン酸類またはポリエーテル類からなる群の中から１種または２種の粉体減水剤を併用することでさらなる流動性の向上を図ることができる。
ナフタレン類、メラミン類、アミノスルホン酸類、ポリカルボン酸類またはポリエーテル類としては、分子量や重合度など特に限定されるものではない。
ナフタレン類、メラミン類、アミノスルホン酸類、ポリカルボン酸類またはポリエーテル類としては、分子量や重合度など特に限定されるものではない。
さらに、粘性を低下させるものとしてリン酸塩、アルカリ金属炭酸塩、オキシカルボン酸類があり、これらを併用することも可能である。
本発明では、本発明の地盤安定化用粉体混和剤とセメントと水とを混合して地盤安定化材料を調製する。
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱などの各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ又はシリカを混合した各種混合セメント、石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント、並びに、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント（エコセメント）などのポルトランドセメント、並びに、市販されている微粒子セメントなどが挙げられ、が挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上が使用可能である。また、通常セメントに使用されている成分（例えば石膏等）量を増減して調整されたものも使用可能である。
本発明で使用する水の使用量は、土の含水比や工法によって異なり、特に限定されるものではない。
本発明で使用するセメントとしては、普通、早強、超早強、低熱、及び中庸熱などの各種ポルトランドセメントや、これらポルトランドセメントに、高炉スラグ、フライアッシュ又はシリカを混合した各種混合セメント、石灰石粉末や高炉徐冷スラグ微粉末などを混合したフィラーセメント、並びに、都市ゴミ焼却灰や下水汚泥焼却灰を原料として製造された環境調和型セメント（エコセメント）などのポルトランドセメント、並びに、市販されている微粒子セメントなどが挙げられ、が挙げられ、これらのうちの１種又は２種以上が使用可能である。また、通常セメントに使用されている成分（例えば石膏等）量を増減して調整されたものも使用可能である。
本発明で使用する水の使用量は、土の含水比や工法によって異なり、特に限定されるものではない。
本発明の地盤安定化用粉体混和剤は、粘性土に限らず、砂質土や腐食土等の土に対しても優れた効果がある。
本発明の地盤安定化工法として、深層混合処理工法または浅層混合処理工法が代表例であり、山留め工法はソイルセメント柱列壁工法、ソイルセメント地中壁工法、基礎杭工法の代表例は鋼管ソイルセメント杭工法や鋼管の代わりにＰＨＣ杭などの既製杭を使用する合成杭工法などである。例えば、セメントミルクを、高圧で地中深くに噴射し、土と混合して硬化させ安定化する工法が挙げられ、この工法について以下に記載する。
この工法は、地中にセメントミルクを噴射する管を挿入し、管を回転させながら管先端付近からセメントミルクを高圧噴射し、地中の土を切削すると同時に、切削された土とセメントミルクとが混合された混合土を別の管内を通して地上へ排出しながら、一定速度で管を上昇させ、地中を、セメントミルクと土との混合物で置換して硬化させ、地盤を安定化させる工法である。
本発明における混合や攪拌の条件は、地中に高圧噴射する前に本発明の粉体混和剤と水とが混合されていれば特に限定するものではないが、本発明の粉体混和剤と水とを、回転数１０〜１０００rpm 程度で回転するグラウトミキサーにより混合するバッチ混合方式や、管内に羽根を設置しているラインミキサーにより混合する連続混合方式等により混合や攪拌が可能である。
本発明の地盤安定化工法として、深層混合処理工法または浅層混合処理工法が代表例であり、山留め工法はソイルセメント柱列壁工法、ソイルセメント地中壁工法、基礎杭工法の代表例は鋼管ソイルセメント杭工法や鋼管の代わりにＰＨＣ杭などの既製杭を使用する合成杭工法などである。例えば、セメントミルクを、高圧で地中深くに噴射し、土と混合して硬化させ安定化する工法が挙げられ、この工法について以下に記載する。
この工法は、地中にセメントミルクを噴射する管を挿入し、管を回転させながら管先端付近からセメントミルクを高圧噴射し、地中の土を切削すると同時に、切削された土とセメントミルクとが混合された混合土を別の管内を通して地上へ排出しながら、一定速度で管を上昇させ、地中を、セメントミルクと土との混合物で置換して硬化させ、地盤を安定化させる工法である。
本発明における混合や攪拌の条件は、地中に高圧噴射する前に本発明の粉体混和剤と水とが混合されていれば特に限定するものではないが、本発明の粉体混和剤と水とを、回転数１０〜１０００rpm 程度で回転するグラウトミキサーにより混合するバッチ混合方式や、管内に羽根を設置しているラインミキサーにより混合する連続混合方式等により混合や攪拌が可能である。
以下、実施例、比較例を挙げてさらに詳細に内容を説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
「実験例１」
セメント１００部に対して水１５０部、Ａ〜Ｋに調製した地盤安定化用粉体混和剤をセメント１００部に対して２部混合してセメントスラリーを作製する。そのセメントスラリー０．５リットルに対して土１リットルをモルタルミキサで低速１分間混合して得られたスライムの粘度、六価クロム溶出量、圧縮強度を測定した。結果を表１に示す。
セメント１００部に対して水１５０部、Ａ〜Ｋに調製した地盤安定化用粉体混和剤をセメント１００部に対して２部混合してセメントスラリーを作製する。そのセメントスラリー０．５リットルに対して土１リットルをモルタルミキサで低速１分間混合して得られたスライムの粘度、六価クロム溶出量、圧縮強度を測定した。結果を表１に示す。
「使用材料」
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
土：東京都町田市産粘性土、密度１.４７ｇ/ ｃｍ3、含水比８５％
地盤安定化用粉体混和剤Ａ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量８２％、ｐＨが１０．５、酸化還元電位３０ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｂ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量８０％、ｐＨが１０．０、酸化還元電位３５ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｃ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量７９％、ｐＨが９．５、酸化還元電位４５ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｄ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量８８％、ｐＨが９．０、酸化還元電位５０ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｅ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量７６％、ｐＨが１０．０、酸化還元電位３５ｍｖ、ＭｇＯ含有量が０．５％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｆ：試薬１級の亜硫酸カルシウム半水和物、ｐＨが７．７、酸化還元電位１００ｍｖ、ＭｇＯ含有量が０．１％未満。
地盤安定化用粉体混和剤Ｇ：ナフタレンスルホン酸塩系粉体減水剤、ＳＫＷイーストアジア社製商品名「ＰＯＷＥＲＣＯＮ−１００」。
地盤安定化用粉体混和剤Ｈ：ポリカルボン酸塩系粉体減水剤、ライオン社製商品名「レオパックＧ−１００」。
地盤安定化用粉体混和剤Ｉ：地盤安定化用粉体混和剤ＡとＧを同量混合した物。
地盤安定化用粉体混和剤Ｊ：地盤安定化用粉体混和剤ＡとＨを同量混合した物。
地盤安定化用粉体混和剤Ｋ：地盤安定化用粉体混和剤Ｉを７０％にトリポリリン酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、クエン酸ナトリウムを１０％ずつ混合したもの。
セメント：普通ポルトランドセメント、市販品
土：東京都町田市産粘性土、密度１.４７ｇ/ ｃｍ3、含水比８５％
地盤安定化用粉体混和剤Ａ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量８２％、ｐＨが１０．５、酸化還元電位３０ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｂ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量８０％、ｐＨが１０．０、酸化還元電位３５ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｃ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量７９％、ｐＨが９．５、酸化還元電位４５ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｄ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量８８％、ｐＨが９．０、酸化還元電位５０ｍｖ、ＭｇＯ含有量が１．０％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｅ：石灰硫黄合剤の副産物、亜硫酸カルシウム半水和物の含有量７６％、ｐＨが１０．０、酸化還元電位３５ｍｖ、ＭｇＯ含有量が０．５％。
地盤安定化用粉体混和剤Ｆ：試薬１級の亜硫酸カルシウム半水和物、ｐＨが７．７、酸化還元電位１００ｍｖ、ＭｇＯ含有量が０．１％未満。
地盤安定化用粉体混和剤Ｇ：ナフタレンスルホン酸塩系粉体減水剤、ＳＫＷイーストアジア社製商品名「ＰＯＷＥＲＣＯＮ−１００」。
地盤安定化用粉体混和剤Ｈ：ポリカルボン酸塩系粉体減水剤、ライオン社製商品名「レオパックＧ−１００」。
地盤安定化用粉体混和剤Ｉ：地盤安定化用粉体混和剤ＡとＧを同量混合した物。
地盤安定化用粉体混和剤Ｊ：地盤安定化用粉体混和剤ＡとＨを同量混合した物。
地盤安定化用粉体混和剤Ｋ：地盤安定化用粉体混和剤Ｉを７０％にトリポリリン酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、クエン酸ナトリウムを１０％ずつ混合したもの。
「試験方法」
粘度：混合したスライムの直後と３０分後の粘度をＢ型粘度計で測定。
六価クロム溶出量：混合したスライムをφ５×１０ｃｍの型枠に詰めて、水が飛ばないようにビニール袋で封緘にして２０℃で材齢７日まで養生する。その後、環境庁第４６号法に従って測定。
圧縮強度：混合したスライムをφ５×１０ｃｍの型枠に詰めて、水が飛ばないようにビニール袋で封緘にして２０℃で材齢２８日まで養生後に耐圧試験機にて測定。
粘度：混合したスライムの直後と３０分後の粘度をＢ型粘度計で測定。
六価クロム溶出量：混合したスライムをφ５×１０ｃｍの型枠に詰めて、水が飛ばないようにビニール袋で封緘にして２０℃で材齢７日まで養生する。その後、環境庁第４６号法に従って測定。
圧縮強度：混合したスライムをφ５×１０ｃｍの型枠に詰めて、水が飛ばないようにビニール袋で封緘にして２０℃で材齢２８日まで養生後に耐圧試験機にて測定。
表１より、石灰硫黄合剤を製造する際の副産物の亜硫酸カルシウムを含有してなる地盤安定化用粉体混和剤を添加することで、六価クロム溶出量を減らしながら、粘性を低減させ、さらに圧縮強度に悪影響を及ぼさないことがわかる。
「実験例２」
地盤安定化用粉体混和剤Ａを使用し、使用量を表２に示すように変化したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
地盤安定化用粉体混和剤Ａを使用し、使用量を表２に示すように変化したこと以外は実験例１と同様に行った。結果を表２に示す。
表２より、本発明の地盤安定化用粉体混和剤を使用することにより、粘度が低減し、六価クロム溶出量を減らしながら、粘性を低減させ、さらに圧縮強度に悪影響を及ぼさないことがわかる。
本発明の地盤安定化用粉体混和剤を使用することにより、流動化によって施工性が改善し、そのうえ、重金属が低減することで、環境に配慮した材料を提供することが可能となるため、土木分野に好適である。
Claims (4)
- 亜硫酸カルシウムを含有する石灰硫黄合剤の副産物と、粉体減水剤を有する地盤安定用粉体混和材であり、該粉体減水剤はナフタレン類、メラミン類、アミノスルホン酸類、ポリカルボン酸類またはポリエーテル類からなる群の中から選ばれた１種または２種である、ｐＨが９．０以上、酸化還元電位（ＯＲＰ）が５０ｍｖ以下、ＭｇＯ含有量が０．５％以上である地盤安定化用粉体混和剤。
- セメント１００質量部に対し地盤安定化用混和剤を０.０１〜１０質量部使用する請求項１に記載の地盤安定化用粉体混和剤。
- 請求項１または２に記載の地盤安定化用粉体混和剤とセメントを混合してなる地盤安定化用材料。
- 請求項３に記載の地盤安定化材料を、土と混合して粘性を低下させる地盤安定化工法。
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