JP6536215B2 - 地盤改良材及び地盤改良方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤改良材及びこれを用いた地盤改良方法に関する。

従来、一般的なセメント系地盤改良材（「固化材」又は「セメント系固化材」と称される場合もある。）は、ポルトランドセメントクリンカーを含むポルトランドセメントをベースに製造されている。特許文献１，２は、固化処理土からの六価クロムの溶出量を低減可能な固化材を開示する。特許文献３は、１１ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３・ＣａＸ_２（Ｘはハロゲン）や、ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３、１２ＣａＯ・７Ａｌ_２Ｏ_３、４ＣａＯ・３Ａｌ_２Ｏ_３・ＳＯ_３といったカルシウムアルミネートを主成分とする水硬性材料を含む地盤改良材を開示する。

特開２０１０−２０２４６３号公報 特開２０１１−１９５７１４号公報 特公平６−７８５２４号公報

しかし、従来の地盤改良材は、処理対象の土壌の種類によっては強度発現性が不十分となる場合があった。例えばロームや有機質土は、従来の地盤改良材による固化処理では強度が出にくく、十分な強度を確保するには地盤改良材の使用量を比較的多くしなければならなかった。

本発明は、従来の地盤改良材では十分な固化強度を確保しにくかった土壌に対しても十分な強度発現性を有する地盤改良材及びこれを用いた地盤改良方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題を解決すべく、地盤改良材に配合すべき成分について鋭意検討した。その結果、アルミン酸カルシウム水和物が強度の出難い土壌に対して有用であることを見出し、以下の本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明に係る地盤改良材は、セメントクリンカーと、石膏と、アルミン酸カルシウム水和物を含む無機系粉末とを含む。

上記地盤改良材は、従来の地盤改良材では十分な固化強度を確保しにくかった土壌（例えばロームや有機質土）に対しても十分な強度発現性を発揮できる。この主因は必ずしも明らかではないが、一般に地盤改良材が水和するとアルミン酸カルシウム水和物が多く生成し強度発現に寄与しており、本発明の地盤改良材に含まれているアルミン酸カルシウム水和物は、そのような水和物の生成を好適に促進すると考えられる。ここで、無機系粉末におけるアルミン酸カルシウム水和物の含有量は、好ましくは２０質量％以上であり、より好ましくは５０質量％以上であり、更に好ましくは７０質量％以上である。なお、無機系粉末が実質的にアルミン酸カルシウム水和物の粉末からなることが特に好ましい。

上記地盤改良材は、産業副産物の利用及び重金属の溶出量低減の観点から、適度な量の高炉スラグを更に含むことが好ましい。地盤改良材において、当該地盤改良材１００質量部に対する高炉スラグの含有量は５〜８０質量部であればよい。また、強度発現性の観点から、上記地盤改良材のＳＯ_３量は、当該地盤改良材の全質量１００質量部に対して１．５〜１５．０質量部であればよい。

上記地盤改良材の水和活性を適度な程度とするため、セメントクリンカーと石膏との合計量１００質量部に対するアルミン酸カルシウム水和物の含有量は好ましくは０．１〜５．０質量部である。地盤改良材が高炉スラグを含む場合は、セメントクリンカーと石膏と高炉スラグの合計量１００質量部に対するアルミン酸カルシウム水和物の含有量が０．１〜５．０質量部であればよい。上記無機系粉末はアルミン酸カルシウム水和物としてエトリンガイトを含むことが好ましい。地盤改良材がアルミン酸カルシウム水和物（特にエトリンガイト）を含むことで、水和反応において核生成のサイトが増え、水和反応が促進される。アルミン酸カルシウム水和物におけるエトリンガイト含有量は、粉末Ｘ線回折パターンのリートベルト解析による定量値で５０質量％以上であることが好ましい。

上記セメントクリンカーは、水硬率（ＨＭ）が１．７５〜２．２０、ケイ酸率（ＳＭ）が１．５０以上２．５０未満、鉄率（ＩＭ）が３．０〜１０．０であり且つボーグ式にて算定されるＣ_３Ａ量が１５質量％以上、Ｃ_４ＡＦ量が０．５〜１０質量％であることが好ましい。つまり、上記セメントクリンカーは、従来のポルトランドセメントクリンカーと比較して水硬率及びケイ酸率が低めであり且つ鉄率が高めであることが好ましい。これらの諸率（水硬率、ケイ酸率及び鉄率）を上記範囲に設定することで、焼成温度を低温化することによって製造過程におけるＣＯ_２発生量を低減するとともに、原料の一部に例えば産業副産物である石炭灰（フライアッシュ、ボトムアッシュなど）を比較的多く使用することができる。なお、間隙相の量（Ｃ_３Ａ量及びＣ_４ＡＦ量）を比較的高めに設定することも焼成温度の低温化に寄与する。

地盤改良材の調製に使用されるセメントクリンカーは、ポルトランドセメントの調製に使用されるセメントクリンカーと比較し、遊離石灰（ｆ．ＣａＯ）を多く含有してもよい。例えば、本発明の地盤改良材に含まれるセメントクリンカーは、遊離石灰含有量（ｆ．ＣａＯ量）が８．０質量％未満であればよい。

上記セメントクリンカーは、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３ 量が１０質量％以上、ＳｉＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３質量比が５．０以下である廃棄物又は副産物を２５０〜６００ｋｇ／ｔ−ｃｌ’と、Ｆｅ_２Ｏ_３量が３０質量％以上である鉄原料を３０ｋｇ／ｔ−ｃｌ’以下とを原料とし、当該原料を１２００〜１４５０℃の焼成温度で焼成する工程を経て製造することができる。鉄原料の使用量を３０ｋｇ／ｔ−ｃｌ’以下（鉄原料を使用しない場合（０ｋｇ／ｔ−ｃｌ’）も含む）とすることで、鉄原料（例えば銅カラミ）に含まれる重金属がクリンカーに持ち込まれる量を十分に低減できる。例えば、上記セメントクリンカーにおいて、モリブデン含有量は３０ｍｇ／ｋｇ以下であることが好ましく、全クロム含有量は１００ｍｇ／ｋｇ以下であることが好ましく、鉛含有量は１００ｍｇ／ｋｇ以下であることが好ましい。

本発明は上記地盤改良材を用いる地盤改良方法を提供する。上記地盤改良材を用いた地盤改良方法によれば、従来の地盤改良材では十分な固化強度を確保しにくかった土壌に対しても十分な強度発現性を発現できる。

本発明によれば、従来の地盤改良材では十分な固化強度を確保しにくかった土壌に対しても十分な強度発現性を有する地盤改良材及びこれを用いた地盤改良方法が提供される。

アルミン酸カルシウム水和物粉末のＸ線回折パターンの一例である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

＜地盤改良材＞
本実施形態の地盤改良材は、セメントクリンカーと、石膏と、アルミン酸カルシウム水和物を含む無機系粉末とを含む。この地盤改良材は、従来の地盤改良材では十分な固化強度を確保しにくかった土壌（例えばロームや有機質土）に対しても十分な強度発現性を発揮できる。

（セメントクリンカー）
セメントクリンカーとして、例えば普通ポルトランドセメントクリンカー、早強ポルトランドセメントクリンカー等の各種セメントクリンカーが挙げられる。これらのセメントクリンカーとともに又は代わりに以下の環境負荷低減クリンカーを使用してもよい。環境負荷低減クリンカーを使用することで、原料の一部として廃棄物や産業副産物を十分に有効利用できるとともに製造過程におけるＣＯ_２発生量を十分に低減できる。

上記環境負荷低減クリンカーは、水硬率（ＨＭ）が１．７５〜２．２０、ケイ酸率（ＳＭ）が１．５０以上２．５０未満、鉄率（ＩＭ）が３．０〜１０．０であり且つボーグ式にて算定されるＣ_３Ａ量が１５質量％以上、Ｃ_４ＡＦ量が０．５〜１０質量％である。

環境負荷低減クリンカーの水硬率（ＨＭ）は、以下の式（１）で算出される。環境負荷低減クリンカーの水硬率は、１．７５〜２．２０（１．７５以上２．２０以下）である。水硬率が１．７５未満であると地盤改良材の水硬性が低下し強度発現性が不十分となりやすい。他方、水硬率が２．２０を超えると環境負荷低減クリンカーの製造プロセスにおける焼成温度を十分に低温化できない。環境負荷低減クリンカーの水硬率は、好ましくは１．８５〜２．２０であり、より好ましくは１．９５〜２．２０であり、更に好ましくは２．００〜２．２０である。
ＨＭ＝ＣａＯ／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）・・・（１）

環境負荷低減クリンカーのケイ酸率（ＳＭ）は、以下の式（２）で算出される。環境負荷低減クリンカーのケイ酸率は、１．５０以上２．５０未満である。ケイ酸率が１．５０未満であると適正な組成の環境負荷低減クリンカーが得られ難い。他方、ケイ酸率が２．５０以上であると従来のポルトランドセメントクリンカーと比較して廃棄物使用量を高めることが難しく、環境負荷低減クリンカーの製造原価が上がってしまう。環境負荷低減クリンカーのケイ酸率は、好ましくは１．６０〜２．３０であり、より好ましくは１．８０〜２．０５である。
ＳＭ＝ＳｉＯ_２／（Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）・・・（２）

環境負荷低減クリンカーの鉄率（ＩＭ）は、以下の式（３）で算出される。環境負荷低減クリンカーの鉄率は、３．０〜１０．０である。鉄率が３．０未満であると従来のポルトランドセメントクリンカーと比較して廃棄物又な産業副産物の使用量を高めることが難しく、環境負荷低減クリンカーの製造原価が上がってしまう。他方、鉄率が１０．０を超えると環境負荷低減クリンカーを含む地盤改良材に水を添加して得られるスラリーの流動性が悪化する。環境負荷低減クリンカーの鉄率は、好ましくは３．５〜９．０であり、より好ましくは４．０〜８．５であり、更に好ましくは５．０〜８．０である。
ＩＭ＝Ａｌ_２Ｏ_３／Ｆｅ_２Ｏ_３・・・（３）

セメントクリンカーは、Ｃ_３Ａ、Ｃ_４ＡＦ、Ｃ_３Ｓ及びＣ_２Ｓを含有するものであり、その組成は、ボーグ式により算出することができる。ボーグ式は、セメントクリンカー中の主要な四鉱物の含有量を求める計算式である。セメントクリンカーの場合のボーグ式は、下記のように表される。
Ｃ_３Ｓ量＝（４．０７×ＣａＯ）−（７．６０×ＳｉＯ_２）−（６．７２×Ａｌ_２Ｏ_３）−（１．４３×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_２Ｓ量＝（２．８７×ＳｉＯ_２）−（０．７５４×Ｃ_３Ｓ）
Ｃ_３Ａ量＝（２．６５×Ａｌ_２Ｏ_３）−（１．６９×Ｆｅ_２Ｏ_３）
Ｃ_４ＡＦ量＝３．０４×Ｆｅ_２Ｏ_３

式中の「ＣａＯ」、「ＳｉＯ_２」、「Ａｌ_２Ｏ_３」及び「Ｆｅ_２Ｏ_３」は、それぞれ、セメントクリンカーにおけるＣａＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３及びＦｅ_２Ｏ_３のセメントクリンカー全体質量に対する含有割合（質量％）である。これらの含有割合は、ＪＩＳ Ｒ ５２０２（２０１０）「ポルトランドセメントの化学分析方法」により測定することができる。

環境負荷低減クリンカーは、ボーグ式にて算定されるＣ_３Ａ量が１５質量％以上である。Ｃ_３Ａ量が１５質量％未満であるとセメント組成物の強度発現性が不十分になるとともに環境負荷低減クリンカーの製造プロセスにおける焼成温度を十分に低温化できない。環境負荷低減クリンカーのＣ_３Ａ量は、好ましくは１５〜４０質量％であり、より好ましくは１６〜４０質量％であり、更に好ましくは２０〜３５質量％であり、特に好ましくは２１〜３５質量％である。なお、環境負荷低減クリンカーのＣ_３Ａ量が４０質量％を超えると環境負荷低減クリンカーを含む地盤改良材に水を添加して得られるスラリーの流動性が悪化しやすい。

環境負荷低減クリンカーは、ボーグ式にて算定されるＣ_４ＡＦ量が０．５〜１０質量％である。Ｃ_４ＡＦ量が０．５質量％未満であると環境負荷低減クリンカーの製造プロセスにおける焼成温度を十分に低温化できない。他方、Ｃ_４ＡＦ量が１０質量％を超えると地盤改良材の強度発現性が低下するほか、環境基準に定められる六価クロム等の重金属含有量が増加する。Ｃ_４ＡＦ量は、好ましくは１〜８．５質量％であり、より好ましくは３〜８質量％であり、更に好ましくは５〜７．５質量％であり、特に好ましくは６〜７．５質量％である。

環境負荷低減クリンカーのＣ_３Ａ量及びＣ_４ＡＦ量の合計量は２１〜３５質量％であることが好ましい。この合計量が２１質量％未満であるとセメントクリンカー原料として使用する粘土代替廃棄物の量が少なくなり、資源循環型社会への貢献が小さくなる。他方、この合計量が３５質量％を超えると地盤改良材の強度発現性及び流動性が低下するほか、環境負荷低減クリンカーの融液量が多くなり、通常のロータリーキルンで安定的に製造することが難しくなる。Ｃ_３Ａ量及びＣ_４ＡＦ量の合計量は、より好ましくは２４〜３２質量％であり、更に好ましくは２７〜３０質量％である。

環境負荷低減クリンカーのＣ_２Ｓ量は好ましくは１０〜５０質量％であり、より好ましくは１１〜４５質量％であり、更に好ましくは１５〜４０質量％である。Ｃ_２Ｓ量が１０質量％未満であると長期的な強度発現性が不十分となりやすく、他方、５０質量％を超えると短期的な強度が低下する恐れがある。Ｃ_３Ｓ量は好ましくは２０〜７０質量％であり、より好ましくは３０〜６０質量％であり、更に好ましくは３５〜６０質量％である。Ｃ_３Ｓ量が２０質量％未満であると中長期的な強度発現性が不十分となりやすく、他方、７０質量％を超えると発熱量の増加に伴う収縮が大きくなり、強度発現性が不十分となるばかりか、間隙相量が十分でなくなることで焼成温度が上がる恐れがある。

セメントクリンカーにおける遊離石灰含有量（ｆ．ＣａＯ量）は、強度発現性の観点から、なるべく少ないことが好ましい（例えば１質量％以下）。ただし、環境負荷低減クリンカーを地盤改良材の調製に使用する場合、ポルトランドセメントの調製に使用する場合と比較し、環境負荷低減クリンカーは遊離石灰を多く含有してもよい。環境負荷低減クリンカーの遊離石灰含有量の上限値は好ましくは８．０質量％であり、より好ましくは６．０質量％であり、更に好ましくは５．０質量％であり、特に好ましくは４．５質量％である。他方、環境負荷低減クリンカーの遊離石灰含有量の下限値は好ましくは０質量％であり、より好ましくは１．０質量％であり、更に好ましくは３．０質量％である。環境負荷低減クリンカーの遊離石灰含有量が８．０質量％以下であれば、環境負荷低減クリンカーを地盤改良材として使用した場合に従来品と同等以上の強度発現性を確保できるとともに、その製造過程において十分に低い温度で焼成することができ、ＣＯ_２発生量を低減できる。

環境負荷低減クリンカーにおけるモリブデン含有量は可能な限り少ないことが好ましく、例えば３０ｍｇ／ｋｇ以下であることが好ましい。モリブデン含有量が３０ｍｇ／ｋｇを超えると環境負荷低減クリンカーを地盤改良材として使用した場合に固化処理条件によっては固化処理土からのモリブデン溶出量が増大する恐れがある。なお、環境負荷低減クリンカーにおけるモリブデン含有量を例えば５ｍｇ／ｋｇ未満にしようとすると廃棄物及び産業副産物のセメントクリンカー原料としての調合量が少なくなり、環境負荷低減クリンカーの製造原価が上がってしまう。十分に低い製造原価及び十分に低いモリブデン溶出量を両立させる観点から、環境負荷低減クリンカーにおけるモリブデン含有量は好ましくは６〜２８ｍｇ／ｋｇであり、より好ましくは１２〜２４ｍｇ／ｋｇである。

環境負荷低減クリンカーにおける全クロム含有量は可能な限り少ないことが好ましく、例えば１００ｍｇ／ｋｇ以下であることが好ましい。ここで、全クロム含有量とは、環境負荷低減クリンカー中に含まれる三価クロムや六価クロム等の価数の異なる全てのクロムの合計含有量をいう。環境負荷低減クリンカーにおける全クロム含有量が１００ｍｇ／ｋｇを超えると、環境負荷低減クリンカーを地盤改良材として使用した場合に固化処理条件によっては固化処理土からの六価クロム溶出量が増大する恐れがある。なお、環境負荷低減クリンカーにおける全クロム含有量を例えば３０ｍｇ／ｋｇ未満にしようとすると廃棄物及び産業副産物のセメントクリンカー原料としての調合量が少なくなり、環境負荷低減クリンカーの製造原価が上がってしまう。十分に低い製造原価及び十分に低い六価クロム溶出量を両立させる観点から、環境負荷低減クリンカーにおける全クロム含有量は好ましくは４０〜６５ｍｇ／ｋｇであり、より好ましくは４３〜６２ｍｇ／ｋｇである。

環境負荷低減クリンカーにおける六価クロム含有量は、２０〜４５ｍｇ／ｋｇであることが好ましい。全クロム含有量と同様に、六価クロム含有量はできるだけ少ないことが好ましいが、環境負荷低減クリンカーにおける六価クロム含有量が２０ｍｇ／ｋｇ未満では、セメントクリンカー原料に使用できる廃棄物及び産業副産物の量が少なくなり、製造原価が上がる傾向がある。一方、環境負荷低減クリンカーにおける六価クロム含有量が４５ｍｇ／ｋｇを超えると、環境負荷低減クリンカーを地盤改良材として使用した場合に固化処理土からの六価クロム溶出量が増大する傾向がある。十分に低い製造原価及び十分に低い六価クロム溶出量を両立させる観点から、環境負荷低減クリンカーにおける六価クロム含有量は好ましくは２５〜４０ｍｇ／ｋｇであり、より好ましくは３０〜３５ｍｇ／ｋｇである。

環境負荷低減クリンカーにおける鉛含有量は可能な限り少ないことが好ましく、例えば１００ｍｇ／ｋｇ以下であることが好ましい。環境負荷低減クリンカーにおける鉛含有量が１００ｍｇ／ｋｇを超えると、環境負荷低減クリンカーを地盤改良材として使用した場合に固化処理条件によっては固化処理土からの鉛溶出量が増大する恐れがある。なお、環境負荷低減クリンカーにおける鉛含有量を例えば１０ｍｇ／ｋｇ未満にしようとすると廃棄物及び産業副産物のセメントクリンカー原料としての調合量が少なくなり、環境負荷低減クリンカーの製造原価が上がってしまう。十分に低い製造原価及び十分に低い鉛溶出量を両立させる観点から、環境負荷低減クリンカーにおける鉛含有量は好ましくは１０〜１００ｍｇ／ｋｇであり、より好ましくは３０〜７０ｍｇ／ｋｇである。

上述のとおり、環境負荷低減クリンカーは、鉄率（ＩＭ、Ａｌ_２Ｏ_３／Ｆｅ_２Ｏ_３）が比較的高く（３．０〜１０．０）且つＣ_３Ａ量（（２．６５×Ａｌ_２Ｏ_３）−（１．６９×Ｆｅ_２Ｏ_３）が比較的多い（１５質量％以上）。つまり、環境負荷低減クリンカーは原燃料から持ち込まれるＡｌ_２Ｏ_３の量がＦｅ_２Ｏ_３の量と比較して多いといえる。特に、Ｃ_３Ａ（アルミネート相）は急速に水和反応が進むため、Ｃ_３Ａ量が多い環境負荷低減クリンカーに含む地盤改良材に水を添加してスラリーを調製する場合、スラリーの流動性が不十分となる場合がある。スラリーの流動性の十分に確保するため、換言すると、環境負荷低減クリンカーに含まれるＣ_３Ａの水和活性を適度に抑制するため、環境負荷低減クリンカーを意図的に風化させる処置を施してもよい。この処置は環境負荷低減クリンカーを対象に実施してもよいし、地盤改良材を製造する過程において実施してもよい（後述の「粉砕工程」参照）。

（石膏）
地盤改良材における石膏の質量割合は、セメントクリンカー１００質量部に対し、好ましくは５〜３０質量部であり、より好ましくは１０〜２５質量部であり、更に好ましくは１５〜２０質量部である。地盤改良材における石膏の質量割合が５質量部未満であると固化処理土の強度発現性が不十分となりやすい。なお、地盤改良材における石膏の質量割合が増えるほど、固化処理土の強度発現性は向上する傾向があるが、３０質量部を超えると添加効果が飽和する。

上記地盤改良材に使用される石膏の形態は、特に限定されるものでなく、二水塩、半水塩、無水塩のいずれも使用可能である。石膏の具体例としては、天然石膏や排煙脱硫処理によって副生する副産石膏、天然無水石膏、ふっ酸の製造過程で副産するふっ酸無水石膏等が挙げられる。地盤改良材をスラリー工法で使用する場合には、半水石膏の使用量をなるべく低減し、主に二水塩又は無水塩を用いることが好ましい。例えば、地盤改良材に含まれる全石膏に対する半水石膏の割合は好ましくは４０質量％以下であり、より好ましくは０．１〜３０質量％であり、更に好ましくは０．５〜２０質量％である。半水石膏の割合を４０質量％以下にすることで、地盤改良材に水を加えてスラリーを調製する際、スラリーに強張りが生じることを抑制できる。

上記地盤改良材におけるＳＯ_３量は、強度発現性の観点から地盤改良材１００質量部に対して好ましくは１．５〜１５．０質量部であり、より好ましくは１．８〜１４．５質量部であり、更に好ましくは３〜１４．０質量部であり、特に好ましくは８〜１３．０質量％である。地盤改良材のＳＯ_３量が上記範囲となるように石膏の配合量を調整すればよい。

（無機系粉末）
無機系粉末はアルミン酸カルシウム水和物を含有する。アルミン酸カルシウム水和物としては、市販あるいは天然に存在するもの、液相法、水熱合成法によって合成したもの、およびこれらの混合物および粉砕物などを使用することができる。上述のとおり、無機系粉末のアルミン酸カルシウム水和物含有量は、好ましくは２０質量％以上であり、より好ましくは５０質量％以上であり、更に好ましくは７０質量％以上である。無機系粉末が実質的にアルミン酸カルシウム水和物の粉末からなることが特に好ましい。地盤改良材の水和活性を適度な程度とするため、セメントクリンカーと石膏と高炉スラグの合計量１００質量部に対するアルミン酸カルシウム水和物の含有量は好ましくは０．１〜５．０質量部であり、より好ましくは０．１〜４．０質量部であり、更に好ましくは０．１〜３．０質量部である。地盤改良材におけるアルミン酸カルシウム水和物の質量割合が０．１質量部未満であると無機系粉末の配合効果が不十分となりやすく、５．０質量部を超えると長期的な強度発現性が低下しやすくなる。

無機系粉末はアルミン酸カルシウム水和物としてエトリンガイトを含むことが好ましい。アルミン酸カルシウム水和物におけるエトリンガイト含有量は、Ｃｕ−ｋα線を用いた粉末Ｘ線回折パターンのリートベルト解析による定量値で好ましくは５０質量％以上であり、より好ましくは６５質量％以上であり、更に好ましくは８０質量％以上であり、特に好ましくは９０質量％以上である。

上記無機系粉末は、あらかじめ液体（水など）と混合したスラリーとしておくことも可能である。例えば、深層混合処理工法などにおいて地盤改良材をスラリー化して使用する場合には、無機系粉末の一部または全量を除いた地盤改良材と、無機系粉末の一部又は全量を含んだスラリーとを混合して使用してもよい。

（高炉スラグ）
上記地盤改良材は、適度な量の高炉スラグを更に含むことが好ましい。高炉スラグの具体例として、高炉水砕スラグ、高炉徐冷スラグ等が挙げられる。地盤改良材における高炉スラグの含有量は、地盤改良材１００質量部に対して好ましくは５〜８０質量部であり、より好ましくは１０〜７０質量部であり、更に好ましくは２０〜５０質量部である。地盤改良材における高炉スラグの質量割合が５質量部未満では産業副産物（高炉スラグ）の有効利用が不十分となりやすく、また関東ロームのような火山灰質粘性土を処理する場合、固化処理条件によってはクロムなどの重金属の溶出量の低減効果が不十分となりやすい。他方、地盤改良材における高炉スラグの質量割合が８０質量部を超えると、固化処理土の強度が不十分となりやすい。

＜地盤改良材の製造方法＞
上記地盤改良材の製造方法について説明する。この製造方法は、原料調合工程と、焼成工程と、粉砕工程とをこの順序で含む。原料調合工程と焼成工程を経ることによってセメントクリンカーが製造され、その後の粉砕工程を経ることで地盤改良材が製造される。ここでは、環境負荷低減クリンカーを製造し、これをセメントクリンカーとして使用する場合を例示するが、これに代わりに例えば購入した各種ポルトランドセメントを使用してもよい。

（原料調合工程）
原料調合工程は、諸率（水硬率、ケイ酸率及び鉄率）が上記範囲であり且つボーグ式によって算定される構成化合物量（Ｃ_３Ａ量及びＣ_４ＡＦ量）が上記範囲である環境負荷低減クリンカーが得られるように原料を調合する工程である。つまり、この工程では、所望の物性（諸率及び構成化合物量）の環境負荷低減クリンカーが得られるように原料を選択するとともにその使用量（原料原単位）を調整する。

環境負荷低減クリンカーの原料として石灰石、珪石、粘土系廃棄物等を主に使用する。粘土系廃棄物としては石炭灰、建設発生土、スラグ等が挙げられる。ここで、通常のポルトランドセメントクリンカーで使用される銅カラミや鉄精鉱等の鉄原料は極力使用量を抑える。鉄原料の使用量をなるべく少なくすることで、鉄原料に含まれる重金属が環境負荷低減クリンカーに持ち込まれることを十分に抑制できる。

環境負荷低減クリンカー１トン当たりの原料原単位は以下の範囲であることが好ましい。
・石灰石：８００〜１３００ｋｇ、より好ましくは９００〜１２００ｋｇ、更に好ましくは１０００〜１１５０ｋｇ。
・珪石：０〜１００ｋｇ、より好ましくは０〜５０ｋｇ、更に好ましくは０〜２０ｋｇ。
・粘土系廃棄物：２５０〜６００ｋｇ、より好ましくは３００〜５００ｋｇ、更に好ましくは３５０〜４５０ｋｇ。
・鉄原料：０〜３０ｋｇ、好ましくは０〜２０ｋｇ、更に好ましくは０〜１０ｋｇ、特に好ましくは０ｋｇ。

粘土系廃棄物（粘土系産業副産物も含む。）のＡｌ_２Ｏ_３量は、好ましくは１０質量％以上であり、より好ましくは１０〜７０質量％であり、更に好ましくは２０〜６５質量％であり、特に好ましくは２５〜６０質量％である。粘土系廃棄物のＳｉＯ₂／Ａｌ₂Ｏ₃ 質量比は、好ましくは５．０以下であり、より好ましくは１．０〜４．０であり、更に好ましくは２．０〜３．０である。かかる粘土系廃棄物の具体例としては、石炭灰（例えば、フライアッシュ、ボトムアッシュ）、などが挙げられる。なお、粘土系廃棄物として、Ｆｅ_２Ｏ_３を３質量％以上（より好ましくは４〜６質量％）含む石炭灰等を選択して用いることが好ましく、これによって鉄原料を使用しなくても、環境負荷低減クリンカーの造粒を容易にし、環境負荷低減クリンカーの粉化を抑制することができる。これにより、クーラーでの熱交換効率やダストの集塵効率を高めることができるため、より省エネで且つ安定して環境負荷低減クリンカーを製造することができる。

鉄原料のＦｅ_２Ｏ_３量は、好ましくは３０質量％以上であり、より好ましくは３０〜９０質量％であり、更に好ましくは４０〜８０質量％であり、特に好ましくは５０〜７０質量％である。かかる鉄原料の具体例としては、銅カラミ、鉄精鉱、転炉滓などが挙げられる。

（焼成工程）
焼成工程は、原料調合工程を経て得られた原料を焼成することによって環境負荷低減クリンカーを得る工程である。この工程を実施するための設備としては、ＮＳＰキルン、ＳＰキルンなどが挙げられる。これらの設備は、焼成温度を測定する焼点温度測定機と、ｆ．ＣａＯ量測定機（もしくはｆ．ＣａＯ量分析装置）とを有していることが好ましい。

焼成温度は、好ましくは１２００〜１４５０℃であり、より好ましくは１２５０〜１４００℃であり、更に好ましい範囲としては１３００〜１４００℃であり、特に好ましくは１３５０〜１４００℃である。焼成温度が１２００℃未満であると地盤改良材の強度発現性が不十分となりやすく、他方、１４５０℃を超えると焼成工程におけるＣＯ_２排出量削減効果が不十分となりやすい。なお、焼成された環境負荷低減クリンカーを１〜１２時間毎に採取し、そのｆ．ＣａＯ量を測定することが好ましい。ｆ．ＣａＯ量をモニタリングし、その値が所定の条件（例えば８．０質量％未満）を満たすように、焼成条件（温度、時間、ロータリーキルンであれば回転速度など）を調整してもよい。

（粉砕工程）
粉砕工程は、環境負荷低減クリンカーと、石膏と、無機系粉末と、必要に応じて高炉スラグとを含む混合物を粉砕することによって地盤改良材を得る工程である。この工程を実施するための設備としては、ボールミル、竪型ローラーミルなどが挙げられる。セメントクリンカーに石膏を添加する際に、高炉スラグや石炭灰を添加してもよい。

粉砕工程を経て得られる地盤改良材のブレーン比表面積は、地盤改良材の適度な反応性の観点から、好ましくは３０００〜５０００ｃｍ^２／ｋｇであり、より好ましくは３５００〜５０００ｃｍ^２／ｋｇであり、更に好ましくは４０００〜５０００ｃｍ^２／ｋｇである。

地盤改良材を使用して調製されるスラリーの流動性を十分に確保する観点から、地盤改良材の反応性を抑制する処理を粉砕工程において実施してもよい。例えば、粉砕工程において環境負荷低減クリンカーに対して所定の粉砕助剤（有機系粉砕助剤及び／又は水）を添加して粉砕することにより、地盤改良材を風化させればよい。有機系粉砕助剤として、ジエチレングリコール、トリエタノールアミンなどが挙げられる。粉砕助剤として、有機系粉砕助剤及び水をそれぞれ単独で使用してもよいし、これらを併用してもよい。粉砕工程において、粉砕助剤を使用することで粉砕時の温度を所定の温度以下（例えば１２０℃以下）に抑えることができるという効果も奏される。なお、粉砕工程における風化処理の代わりに、あるいは、これとともにサイロ内において地盤改良材をエージングすることによって地盤改良材を風化させてもよい。

粉砕処理すべき混合物において、環境負荷低減クリンカーと石膏と高炉スラグとの合計量１００質量部に対する有機系粉砕助剤の含有量は好ましくは０〜１．０質量部であり、より好ましくは０．００１〜０．１質量部であり、更に好ましくは０．０１〜０．０５質量部である。有機系粉砕助剤の含有量（添加量）が１．０質量部を超えるとセメント組成物の強度発現性が低下する恐れがある。

粉砕処理すべき混合物において、環境負荷低減クリンカーと石膏と高炉スラグとの合計量１００質量部に対する水の含有量は好ましくは０．５〜５．０質量部であり、より好ましくは０．３〜３．０質量部であり、更に好ましくは０．５〜２．０質量部である。水の含有量（添加量）が０．５質量部未満であるとセメント組成物のスラリー流動性ならびに強度発現性が低下する恐れがあり、他方、５．０質量部を超えた場合も、セメント組成物のスラリー流動性及び強度発現性が低下する恐れがある。

地盤改良材の風化の程度は、地盤改良材の水蒸気吸着量を測定することによって把握することができる。より具体的には、本実施形態の地盤改良材は、吸着過程における相対圧０．９２６５での水蒸気吸着量が当該地盤改良材１００ｇに対して４．９ｇ以下（より好ましくは０．１〜４．９ｇ）であり且つ相対圧０．１０００における吸着等温線と脱着等温線との水蒸気吸着量の差異（ヒステリシス）が当該地盤改良材１００ｇに対して１．９ｇ以下（より好ましくは０．１〜１．９ｇ）であることが好ましい。ここで、相対圧０．９２６５での水蒸気吸着量は地盤改良材における水との反応性が高い成分の含有量（Ｃ_３Ａ量及びｆ．ＣａＯ量）が反映される。一方、相対圧０．１０００における吸着等温線と脱着等温線との水蒸気吸着量の差異（ヒステリシス）は水蒸気吸着前の地盤改良材の水和活性が反映される。つまり、これらの二つの値が上記条件を満たすように地盤改良材を意図的に風化させることで、地盤改良材を含むスラリーの流動性を十分に確保することができる。

本実施形態の製造方法は、粉砕工程後、地盤改良材の水蒸気吸着量を測定する工程を更に含むことが好ましい。この工程を実施することで、製造されたセメント組成物の風化の程度が反応性の観点から適度な範囲であるか否かを把握することができ、製品管理上、有用な情報を得ることができる。水蒸気吸着量の測定は、高精度全自動ガス吸着装置（日本ベル社製、ＢＥＬＳＯＲＰ１８）にて地盤改良材を４０℃（真空下）で１２時間脱気し、２５℃で水蒸気吸着試験を行えばよい。これにより、相対圧０．９２６５における水蒸気吸着量と、相対圧０．１０００における吸着等温線と脱着等温線の水蒸気吸着量のヒステリシス（差異）を求めることができる。なお、地盤改良材に吸着した水蒸気量の体積から質量への換算には、以下の式を用いればよい。
Ｂ＝Ｃ／（２２．７×１０００）×１８×１００
Ｂ：地盤改良材１００ｇあたりの水蒸気吸着量（ｇ／１００ｇ）
Ｃ：地盤改良材１ｇあたりの水蒸気吸着量（ｃｍ^３（ＳＴＰ）／ｇ）

本実施形態の製造方法は、地盤改良材の製造に使用する石膏における半水石膏の割合（半水石膏化率）を測定する工程を更に含むことが好ましい。半水石膏化率が４０質量％以下の石膏を使用することで、地盤改良材に水を加えてスラリーを調製する際、スラリーに強張りが生じることを抑制できる。半水石膏化率の測定は、粉末Ｘ線回折測定による二水石膏ならびに半水石膏の定量、あるいは熱重量測定・示差熱分析（ＴＧ−ＤＴＡ）装置による脱水温度、脱水量の測定により実施することができる。

＜地盤改良方法＞
本実施形態の地盤改良方法は、上記の地盤改良材と、土壌とを混合する工程を備える。対象の土壌として、ローム、粘土、砂質土、有機質土などが挙げられる。本実施形態の地盤改良方法は従来の地盤改良材では十分な固化強度を確保しにくかったロームや有機質土に対しても十分な強度発現性を有する。土壌１ｍ^３にする地盤改良材の混合量は、土壌の固化強度を十分に高める観点から、好ましくは３０〜５００ｋｇであり、より好ましくは５０〜４５０ｋｇであり、更に好ましくは２００〜４００ｋｇである。土壌と地盤改良材の混合方法は、従来の地盤改良材と同様に、粉体として土壌に添加して混合する、あるいは水を混ぜてスラリーとして土壌に混合することが可能である。

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。

［１．セメントクリンカーの製造］
表１に示す化学組成の原料と、以下の試薬とを準備した。

（試薬）
・二水石膏：和光純薬株式会社製、試薬特級、純度９８．０％
・炭酸ナトリウム（Ｎａ_２ＣＯ_３）：和光純薬株式会社製、試薬特級、純度９９．８％
・炭酸カリウム（Ｋ_２ＣＯ_３）：和光純薬株式会社製、試薬特級、純度９９．５％

表２に示す割合で各成分を調合して得られたクリンカー原料を以下のようにして電気炉で焼成することによってセメントクリンカーを得た。すなわち、１０００℃の電気炉にクリンカー原料を投入し、最高焼成温度まで１０℃／分で昇温した。最高焼成温度では３０分間保持した後、電気炉から取り出した試料を空冷した。なお、表２に記載の「焼成温度」はここでいう最高焼成温度を意味する。

得られたセメントクリンカーについて、ＪＩＳ Ｒ５２０２：２０１０「セメントの化学分析方法」に準じて化学成分を測定し、クリンカーの諸率及び鉱物組成を以下の式により算出した。また、Ｃｕｋα線により測定したクリンカーの粉末エックス線回折パターンをリートベルト解析することで鉱物組成（参考値）及びｆ．ＣａＯ量を算出し、ｆ．ＣａＯ量から易焼成性を評価した。表３〜５にセメントクリンカーの化学成分、諸率及び鉱物組成を示す。
ＨＭ＝ＣａＯ／（ＳｉＯ_２＋Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）
ＳＭ＝ＳｉＯ_２／（Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）
ＩＭ＝Ａｌ_２Ｏ_３／Ｆｅ_２Ｏ_３
Ｃ_３Ｓ＝４．０７×ＣａＯ−７．６０×ＳｉＯ_２−６．７２×Ａｌ_２Ｏ_３−１．４３×
Ｆｅ_２Ｏ_３
Ｃ_２Ｓ＝２．８７×ＳｉＯ_２−０．７５×Ｃ_３Ｓ
Ｃ_３Ａ＝２．６５×Ａｌ_２Ｏ_３−１．６９×Ｆｅ_２Ｏ_３
Ｃ_４ＡＦ＝３．０４×Ｆｅ_２Ｏ_３

［２．セメント組成物の製造］
セメントクリンカー（Ｋ１，Ｋ３，Ｋ４，Ｋ７）に以下の石膏、高炉スラグ及び／又はアルミン酸カルシウム水和物粉末を加え、表６及び表７に示す配合の地盤改良材を得た。粉砕処理にはボールミルを使用し、有機系粉砕助剤としてジエチレングリコール（ＤＥＧ）を使用した。表６，７に示すとおり、有機系粉砕助剤の添加量は、セメントクリンカーと石膏と高炉スラグの合計量を基準（外割質量）とした。地盤改良材の粉末度はいずれもブレーン比表面積で４５００±５０ｃｍ^２／ｇとした。
・石膏：フッ酸無水石膏（セントラル硝子製、ＳＯ_３量：５８．１％、ブレーン比表面積：３７００ｃｍ^２／ｇ）
・高炉スラグ：高炉水砕スラグ微粉末（千葉リバーメント株式会社製、ＳＯ_３量：０．１質量％、硫化物硫黄含有量：０．８６１質量％、ブレーン比表面積：３４６０ｃｍ^２／ｇ）
・アルミン酸カルシウム水和物粉末（無機系粉末）：ＲＥＭＯＮＤＩＳ社製

図１は、実施例で使用したアルミン酸カルシウム水和物粉末のＸ線回折パターンである。得られたＸ線回折パターンのリートベルト解析結果から、該アルミン酸カルシウム水和物粉末はエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を９９質量％含んでいた。また化学組成から、残り１質量％は水酸化アルミニウムと推測された。

［３．セメント組成物を用いた固化処理土の作製］
対象土はローム（自然含水比：１３２．６％、湿潤密度：１．３６１ｇ／ｃｍ^３、礫分：０．１％、砂分：１１．０％、細粒分：８８．９％）とし、ローム１ｍ^３あたり地盤改良材の配合量が３００ｋｇとなるようにロームと地盤改良材を配合し、ホバートミキサーで３分間よく混合した後、円柱形の型枠に詰めて固化処理土供試体を作製した。

［４．固化処理土の強度試験］
固化処理土について、２０℃で７日間及び２８日間の養生後、針貫入試験機（丸東製作所製、ＳＨ−７０）にて針の貫入量が１０ｍｍとなるときの貫入力を測定し、貫入勾配を算出した。更に、貫入勾配から固化処理土の強度を算出した。なお、固化処理土の強度算出には以下の式を用いた。
Ａ＝９４．２４８Ｘ^{１．２５６７}
Ａ：固化強度（Ｎ／ｍｍ^２）
Ｘ：針貫入勾配（Ｎ／ｍｍ）＝貫入力（Ｎ）／貫入量（ｍｍ）

［５．試験結果］
表８及び表９に固化処理土の固化強度試験結果を示す。表８は表６に示す地盤改良材（高炉スラグの配合なし）の結果を示し、表９は表７に示す地盤改良材（高炉スラグの配合あり）の結果を示している。

実施例１〜４の地盤改良材（高炉スラグの配合なし）では、アルミン酸カルシウム水和物粉末を含有しない比較例１〜４の地盤改良材と比較して７日材齢、２８日材齢共に固化強度が向上している。特に実施例２の地盤改良材では、一般的な地盤改良材（比較例１）と同等以上の固化強度が得られている。更に、実施例２〜４の地盤改良材は、通常のクリンカーよりも多量の廃棄物を使用し低温で焼成された環境負荷低減クリンカーを使用していることから、廃棄物利用の拡大とＣＯ_２排出量の削減によって環境負荷を低減することができる。

実施例６〜８の地盤改良材（高炉スラグの配合あり）では、アルミン酸カルシウム水和物粉末を含有しない比較例６〜８と比較して７日材齢の固化強度が４〜１３％向上しており、短期材齢の強度発現が良好となっている。実施例６の地盤改良材では、一般的な地盤改良材（比較例５）と同等の２８日材齢の固化強度が得られている。一方、実施例５の地盤改良材（普通ポルトランドセメントクリンカーを使用）では、アルミン酸カルシウム水和物粉末を含有しない比較例５と比較して２８日材齢の固化強度が３７％向上し、長期材齢の強度発現性が良好となっている。更に、実施例６〜８の地盤改良材は通常のクリンカーよりも多量の廃棄物を使用し低温で焼成された環境負荷低減クリンカーを使用していることから、廃棄物利用の拡大とＣＯ_２排出量の削減によって環境負荷を低減することができる。

Claims (8)

1. セメントクリンカーと、
   石膏と、
   アルミン酸カルシウム水和物を含む無機系粉末と、
   を含み、
   前記アルミン酸カルシウム水和物がエトリンガイトを含み、
   前記セメントクリンカーと前記石膏との合計量１００質量部に対する前記アルミン酸カルシウム水和物の含有量が０．１〜５．０質量部であり、
   前記アルミン酸カルシウム水和物のエトリンガイト含有量が粉末Ｘ線回折パターンのリートベルト解析による定量値で５０質量％以上である、地盤改良材。
2. セメントクリンカーと、
   石膏と、
   アルミン酸カルシウム水和物を含む無機系粉末と、
   高炉スラグと、
   を含み、
   前記アルミン酸カルシウム水和物がエトリンガイトを含み、
   前記セメントクリンカーと前記石膏と前記高炉スラグの合計量１００質量部に対する前記アルミン酸カルシウム水和物の含有量が０．１〜５．０質量部であり、
   前記アルミン酸カルシウム水和物のエトリンガイト含有量が粉末Ｘ線回折パターンのリートベルト解析による定量値で５０質量％以上である、地盤改良材。
3. 当該地盤改良材１００質量部に対する前記高炉スラグの含有量が５〜８０質量部であり、
   当該地盤改良材１００質量部に対するＳＯ_３量が１．５〜１５．０質量部である、請求項２に記載の地盤改良材。
4. 前記セメントクリンカーは、水硬率（ＨＭ）が１．７５〜２．２０、ケイ酸率（ＳＭ）が１．５０以上２．５０未満、鉄率（ＩＭ）が３．０〜１０．０であり且つボーグ式にて算定されるＣ_３Ａ量が１５質量％以上、Ｃ_４ＡＦ量が０．５〜１０質量％である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の地盤改良材。
5. 前記セメントクリンカーの遊離石灰（ｆ．ＣａＯ）含有量が８．０質量％未満である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の地盤改良材。
6. 前記セメントクリンカーのモリブデン含有量が３０ｍｇ／ｋｇ以下である、請求項１〜５のいずれか一項に記載の地盤改良材。
7. 前記セメントクリンカーは、全クロム含有量が１００ｍｇ／ｋｇ以下であり且つ鉛含有量が１００ｍｇ／ｋｇ以下である、請求項１〜６のいずれか一項に記載の地盤改良材。
8. 請求項１〜７のいずれか一項に記載の地盤改良材を用いる地盤改良方法。