JP7032198B2 - 土壌固化方法 - Google Patents
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例えば、微生物は次式に示されるとおり、代謝活動において栄養源(グルコース)から二酸化炭素を生じる。
C6H12O6+6O2→6CO2+6H2O(好気性条件)
C6H12O6→2CO2+2C2H5OH(嫌気性条件)
このとき地盤中のカルシウムと微生物の代謝作用により生成される二酸化炭素(炭酸イオン)とが反応し、次式のとおり、土粒子間に炭酸カルシウム(炭酸塩)が析出・沈澱し、地盤が硬化する。
Ca2++CO2→H2O→CaCO3+2H+
この場合、カルシウムを含む地盤中に微生物を投入した場合でも地盤が硬化するが(特許文献1参照)、地盤中のカルシウム溶解量が少ない場合や地盤を高強度に改良する場合においては、地盤にカルシウムを注入することにより、炭酸カルシウムの析出量を多くすることができる(特許文献2参照)。
また、微生物の代謝作用(微生物反応)を活性化させるためには、pHを例えば弱酸性から弱アルカリ性付近に保持することが必要であることも知られており、固化対象の地盤にpH調整剤(pH緩衝剤)を注入するようにしている(特許文献3,2参照)。
しかしながら、pH調整剤としてのトリス緩衝剤は、高価である。従って、ある程度の広い範囲の地盤を固化させたい場合等、pH調整剤にかかるコストが高くなりすぎて、当該微生物の代謝作用を利用した土壌固化方法を採用し難いという問題点があった。
本発明は、微生物の代謝作用を利用した土壌固化方法の低コスト化を実現することを目的とする。
また、本発明に係る土壌固化方法は、土壌中で微生物が栄養源を代謝することにより発生する炭酸イオンと土壌中の二価金属イオンとを反応させて土壌の土粒子間に析出される炭酸塩により土壌を硬化させる土壌固化方法であって、固化対象の土壌中の微生物に、当該微生物によって代謝される栄養源と、pH調整手段としての肥料と、二価金属イオンとを供給する土壌固化方法において、肥料として、転炉石灰肥料を用い、当該転炉石灰肥料は、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない固化対象の土壌のpHを8~9に調整する量を、微生物、栄養源、二価金属イオンとともに固化対象の土壌に供給し、固化対象の土壌に供給する当該転炉石灰肥料の量は、固化対象の土壌に対する重量比で、0.1%~0.6%とした。
さらに、本発明に係る土壌固化方法は、土壌中で微生物が栄養源を代謝することにより発生する炭酸イオンと土壌中の二価金属イオンとを反応させて土壌の土粒子間に析出される炭酸塩により土壌を硬化させる土壌固化方法であって、固化対象の土壌中の微生物に、当該微生物によって代謝される栄養源と、pH調整手段としての肥料と、二価金属イオンとを供給する土壌固化方法において、肥料として、鉱さい珪酸質肥料を用い、当該鉱さい珪酸質肥料は、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない固化対象の土壌のpHを8~9に調整する量を、微生物、栄養源、二価金属イオンとともに固化対象の土壌に供給し、固化対象の土壌に供給する当該鉱さい珪酸質肥料の量は、固化対象の土壌に対する重量比で、9%~28%とした。
また、固化対象の土壌に、微生物としてドライイーストを供給した。
以上のようにすることで、pH調整剤として使用する肥料にかかるコストを安価にでき、微生物の代謝作用を利用した土壌固化方法の低コスト化を実現できる。また、微生物反応及び鉱物化反応の両方を促進させることができて、土壌を良好に硬化させることができる。
当該ミネカルの成分値は、石灰(CaO)40.0、ケイ酸(SiO2)14.0、苦土(MgO)1.5、酸化鉄(FeO)18.0、マンガン(MnO)0.5、リン酸(P2O5)1.5、その他24.5(ホウ酸(H3BO3)等)である。
当該ケイカルの成分値は、石灰(CaO)48.0、ケイ酸(SiO2)30.0、苦土(MgO)5.0、その他17.0(マンガン(MnO)等)である。
一方、微生物反応により発生する炭酸イオンと二価金属イオンとが反応する鉱物化反応を促進させるための土壌のpH環境は、pH8~9であることが好ましい。
尚、土壌のpH環境が、pH10程度以上になると、微生物にとって、好ましくない土壌環境となり、微生物反応が促進されない。
また、鉱物化反応のためには、土壌中に二価金属イオンが数千ppm~1万ppm存在していることが好ましい。
さらに、実施形態では、固化対象の土壌に二価金属イオンとして数千ppm~1万ppmのCa2+を供給するために、硝酸カルシウムを供給するようにした。尚、このように、硝酸カルシウムを使用した場合、硝酸カルシウム中の窒素(N)が微生物の栄養源にもなるため、好ましいと考えられる。
即ち、固化対象の土壌中で微生物が代謝作用を行って土壌環境が酸性化するとしても、ミネカルを用いれば、pH値を直ちに上昇させる効果(即効性)及び経時的にpH値を上昇させる効果(遅効性)効果により、土壌のpH環境を所望の状態にできるとともにその所望のpH環境を長時間(例えば1週間以上)維持できると考えられる。
また、固化対象の土壌中で微生物が代謝作用を行って土壌環境が酸性化するとしても、ケイカルを用いれば、土壌のpH環境を所望の状態に安定的に長時間(例えば1週間以上)維持できるようになると考えられる。
即ち、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない固化対象の土壌としての山砂のpHを8~9に調整するために必要なミネカルの量、及び、ケイカルの量を確認する実験を行った。尚、当該実験では、山砂とミネカルとに水を供給してかき混ぜた混合試料、山砂とケイカルとに水を供給してかき混ぜた混合試料のpH及びCa2+を測定した。
従って、実施形態では、肥料としてミネカルを用いる場合には、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない土壌のpH環境をpH8~9にできる量、即ち、固化対象の土壌に対してミネカルの重量比が0.1%~0.5%となるように、ミネカルを固化対象の土壌に供給するようにした。
尚、図5,図6において、混合比率「山砂-M〇%-K〇%」、「山砂-M〇%」、「山砂-K〇%」なる表記の「M〇%」は、山砂に対するミネカルの重量比を示し、「K〇%」は、山砂に対するケイカルの重量比を示している。
従って、実施形態では、肥料としてケイカルを用いる場合には、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない土壌のpH環境をpH8~9にできる量、即ち、固化対象の土壌に対してケイカルの重量比が10%となるように、ケイカルを固化対象の土壌に供給するようにした。
即ち、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない固化対象の土壌としての山砂のpHを8~9に調整するために必要な混合肥料の量を確認する実験を行った。尚、当該実験では、山砂とミネカルとケイカルとに水を供給してかき混ぜた混合試料のpH及びCa2+を測定した。
図6に示すように、山砂に対するミネカルの重量比を0.5%にするとともに、山砂に対するケイカルの重量比を0.5%とすることで、混合試料のpH環境をpH8.07にできることを確認した。
また、山砂に対するミネカルの重量比を0.5%にするとともに、山砂に対するケイカルの重量比を1.0%とすることで、混合試料のpH環境をpH8.09にできることを確認した。
以上から、山砂に対するミネカルの重量比を0.5%にするとともに、山砂に対するケイカルの重量比を0.5%~1.0%とすることで、混合試料のpH環境をpH8~9にできることを確認した。
従って、実施形態では、肥料としてミネカルとケイカルとを混合させた混合肥料を用いる場合には、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない土壌のpH環境をpH8~9にできる量、即ち、固化対象の土壌に対してミネカルの重量比を0.5%とするともに、ケイカルの重量比を0.5%~1.0%となるように、ミネカル及びケイカルを固化対象の土壌に供給するようにした。
・山砂に肥料としてミネカルだけを供給したミネカル混合山砂であって山砂に対するミネカルの重量比を0.5%としたミネカル混合山砂(以下、「山砂-M0.5%」と略す)
・山砂に肥料としてミネカル及びケイカルを供給したミネカルケイカル混合山砂であって山砂に対するミネカルの重量比を0.5%、山砂に対するケイカルの重量比を1.0%としたミネカルケイカル混合山砂(以下、「山砂-M0.5%-K1.0%」と略す)
・再資砂に肥料としてミネカル及びケイカルを供給したミネカルケイカル混合再資砂であって再資砂に対するミネカルの重量比を0.5%、ケイカルの重量比を1.0%としたミネカルケイカル混合再資砂(以下、「再資砂-M0.5%-K1.0%」と略す)
を作製した。
・ドライイースト
・Bacillus属入り腐葉土堆肥(以下、「Bacillus堆肥」と略す)
を使用した。
(1)各資材を乾燥させる(「Bacillus堆肥」は乾燥させない)。
(2)土壌(山砂または再資砂)と肥料とを混合し、合計3000gとなるように上述した各混合土壌を作製する。尚、土壌微生物を用いる場合は、「Bacillus堆肥」を各混合土壌に対して重量比10%となるように各混合土壌に「Bacillus堆肥」を300g混合した。
(3)混合土壌に硝酸カルシウム(硝酸カルシウム四水和物(一級)、和光純薬工業株式会社製(尚、同じ成分である商品名「カル・パック」等を用いても良い))を24g(100mM(4000ppm相当))を混合する。
(4)以上の各混合土壌をバットに敷き詰める
(5)水道水1000mLに対し、グルコース(栄養源)5g及びドライイースト5gを溶解した反応液を作製する。尚、「Bacillus堆肥」を混合させた混合土壌にはドライイーストは添加しない。
(6)各混合土壌3000gに対し、反応液1000mLを散水するように添加する。尚、ドライイーストを使用したSD(セミドライ)方式実験(以下、SD方式(ドライイースト(SD))と言う)の場合は、水道水500mLに対し、グルコース(栄養源)5g及びドライイースト5gを溶解した反応液500mLを各混合土壌3000gに散水するように添加した。
(7)以上のように作製した試料土壌を、30℃恒温槽に設置し、時間経過に伴う、各試料土壌の硬度変化、各試料土壌のpH変化、各試料土壌のCa2+の変化を観測した。
尚、硬度は土壌硬度計、pHは土壌用pHメータ、Ca2+はCaイオンメータで測定した。
図7は各試料土壌の硬度変化実験結果を示し、図8は各試料土壌のpH変化実験結果を示し、図9は各試料土壌のCa2+変化実験結果を示す。
尚、図7乃至図9において、上段左側の数値データ、上段右側のグラフは、混合土壌が「山砂-M0.5%」である場合の実験結果を示し、中段左側の数値データ、中段右側のグラフは、混合土壌が「山砂-M0.5%-K1.0%」である場合の実験結果を示し、下段左側の数値データ、下段右側のグラフは、混合土壌が「再資砂-M0.5%-K1.0%」である場合の実験結果を示す。
微生物が供給されていない試料土壌においては、土壌は当然硬化しない。
また、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌においては、2週間程度経過すると、硬度が250kPa以上となるが、土壌はあまり硬化していない。尚、土壌の硬度を250kPa以上にできれば、液状化地盤を硬化させる液状化対策を行うことが可能になると考えられる。
尚、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌のpH変化は、ドライイーストを供給した試料土壌の場合とほぼ同様であるが、ドライイーストと比べて土壌が硬化していないので、Bacillusによる微生物反応及び鉱物化反応が鈍いと考えられる。
尚、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌においては、2週間程度経過するまでの間に、Ca2+は、8200ppmから4100ppmまで減少しているが、ドライイーストを供給した試料土壌の場合よりは、減少していないため、鉱物化反応が促進されず、土壌があまり硬化しなかったと推測できる。
また、SD方式(ドライイースト(SD))の試料土壌においては、2週間程度経過すると、硬度が10000kPa(10MPa)以上となり、28日経過すると、硬度が21604kPaとなり、土壌を硬化させる効果が非常に高いことが分かった。即ち、SD方式(ドライイースト(SD))の試料土壌の場合、微生物反応及び鉱物化反応が活発に行われ、土壌が硬化したと考えられる。
尚、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌においては、2週間程度経過すると、硬度が236kPa程度にしかならず、土壌はあまり硬化していない。
一方、SD方式(ドライイースト(SD))の試料土壌においては、始めは6台に下がり、6日目からは、ほぼ8以上が維持されている。即ち、最初に有機酸、及び、微生物反応によりpHが下がるが、5日経過頃から、ミネカル及びケイカルの遅効性pH調整剤として効果により、pHが8程度まで上昇し、これにより、鉱物化反応が促進され、土壌が硬化したと考えられる。
尚、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌のpH変化は、ドライイーストを供給した試料土壌の場合とほぼ同様であるが、ドライイーストと比べて土壌が硬化していないので、Bacillusによる微生物反応及び鉱物化反応が鈍いと考えられる。
また、SD方式(ドライイースト(SD))の試料土壌においては、5日経過するまでの間に、Ca2+は、8700ppmから1300ppmまで減少しており、鉱物化反応が非常に促進されて、土壌が非常に硬化したと推測できる。
尚、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌においては、2週間程度経過するまでの間に、Ca2+は、8300ppmから3600ppmまで減少しているが、ドライイーストを供給した試料土壌の場合よりは、減少していないため、鉱物化反応が促進されず、土壌があまり硬化しなかったと推測できる。
また、SD方式(ドライイースト(SD))の試料土壌においては、硬度が、5日経過後に4716kPaとなり、7日経過後に17253kPaとなった後、2週間経過後に50665kPaとなり、さらに、21日経過後に73943kPaとなった。即ち、非常に良好な土壌硬化現象が見られた。
一方、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌においては、5日経過後に硬度が161kPaとなった後は、硬化が見られず、土壌はあまり硬化していない。
また、SD方式(ドライイースト(SD))の試料土壌においても、ドライイーストの場合と同様なpH変化を示し、8日目以後はpH8以上が維持されている。即ち、ミネカル及びケイカルの遅効性pH調整剤として効果により、8日目以後はpHが8程度まで上昇し、これにより、鉱物化反応が促進され、土壌が硬化したと考えられる。
尚、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌のpH変化は、ドライイーストを供給した試料土壌の場合とほぼ同様であるが、ドライイーストと比べて土壌が硬化していないので、Bacillusによる微生物反応及び鉱物化反応が鈍いと考えられる。
また、SD方式(ドライイースト(SD))の試料土壌においては、5日経過するまでの間に、Ca2+は、8100ppmから800ppmまで減少しており、5日経過後に、鉱物化反応が非常に促進されて、土壌が非常に硬化したと推測できる。
尚、「Bacillus堆肥」を供給した試料土壌においては、2週間程度経過するまでの間に、Ca2+は、9900ppmから3900ppmまで減少しているが、ドライイーストを供給した試料土壌の場合よりは、減少していないため、鉱物化反応が促進されず、土壌があまり硬化しなかったと推測できる。
この場合、固化対象の土壌に供給する当該pH調整剤としての混合肥料の量は、図6の値から、固化対象の土壌に対する重量比で、ミネカルが0.5%、ケイカルが1.0%以下とすればよいことがわかる。
また、pH調整剤としての肥料としてミネカルだけを用いる場合においては、固化対象の土壌に供給するミネカルの量は、図5の値から、固化対象の土壌に対する重量比で、0.1%~0.6%とすればよいと推測できる。
また、pH調整剤としての肥料としてケイカルだけを用いる場合においては、固化対象の土壌に供給するケイカルの量は、図5の値から、固化対象の土壌に対する重量比で、9%~28%とすればよいと推測できる。
即ち、本発明では、固化対象の土壌中の微生物、即ち、土壌に供給した微生物又は土壌に元々存在する微生物に、当該微生物によって代謝される栄養源と、pH調整手段としての肥料と、二価金属イオンとを供給すればよい。
Claims (4)
- 土壌中で微生物が栄養源を代謝することにより発生する炭酸イオンと土壌中の二価金属イオンとを反応させて土壌の土粒子間に析出される炭酸塩により土壌を硬化させる土壌固化方法であって、
固化対象の土壌中の微生物に、当該微生物によって代謝される栄養源と、pH調整手段としての肥料と、二価金属イオンとを供給する土壌固化方法において、
肥料として、転炉石灰肥料と鉱さい珪酸質肥料とを混合した混合肥料を用い、
当該混合肥料は、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない固化対象の土壌のpHを8~9に調整する量を、微生物、栄養源、二価金属イオンとともに固化対象の土壌に供給し、
固化対象の土壌に供給する当該混合肥料の量は、固化対象の土壌に対する重量比で、転炉石灰肥料を0.5%、鉱さい珪酸質肥料を1.0%以下としたことを特徴とする土壌固化方法。 - 土壌中で微生物が栄養源を代謝することにより発生する炭酸イオンと土壌中の二価金属イオンとを反応させて土壌の土粒子間に析出される炭酸塩により土壌を硬化させる土壌固化方法であって、
固化対象の土壌中の微生物に、当該微生物によって代謝される栄養源と、pH調整手段としての肥料と、二価金属イオンとを供給する土壌固化方法において、
肥料として、転炉石灰肥料を用い、
当該転炉石灰肥料は、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない固化対象の土壌のpHを8~9に調整する量を、微生物、栄養源、二価金属イオンとともに固化対象の土壌に供給し、
固化対象の土壌に供給する当該転炉石灰肥料の量は、固化対象の土壌に対する重量比で、0.1%~0.6%としたことを特徴とする土壌固化方法。 - 土壌中で微生物が栄養源を代謝することにより発生する炭酸イオンと土壌中の二価金属イオンとを反応させて土壌の土粒子間に析出される炭酸塩により土壌を硬化させる土壌固化方法であって、
固化対象の土壌中の微生物に、当該微生物によって代謝される栄養源と、pH調整手段としての肥料と、二価金属イオンとを供給する土壌固化方法において、
肥料として、鉱さい珪酸質肥料を用い、
当該鉱さい珪酸質肥料は、微生物、栄養源、二価金属イオンが供給されていない固化対象の土壌のpHを8~9に調整する量を、微生物、栄養源、二価金属イオンとともに固化対象の土壌に供給し、
固化対象の土壌に供給する当該鉱さい珪酸質肥料の量は、固化対象の土壌に対する重量比で、9%~28%としたことを特徴とする土壌固化方法。 - 固化対象の土壌に、微生物としてドライイーストを供給したことを特徴とする請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の土壌固化方法。
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