JP7118342B2 - 地盤改良材及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、地盤改良材及び地盤改良方法に関する。

セメントクリンカーは、石灰石、粘土、硅石、酸化鉄等を主原料として製造される。セメントクリンカーの製造には、これらの主原料のほか、各種産業副産物や産業廃棄物が原燃料として有効利用されている。このため、原材料の選択によっては、セメントクリンカー中に、各種原燃料に由来するカドミウム、クロム、鉛、モリブデン等の重金属類が少量混入することがある。

このように重金属類を含むセメントクリンカーを用いたセメントをモルタル硬化体やコンクリート硬化体の原料として使用する場合、これらの硬化体からの重金属の溶出量は極めて少なく、問題となる可能性は低い。しかしながら、重金属類を含むセメントクリンカーを用いたセメントを地盤改良材（「固化材」、「セメント系固化材」又は「不溶化材」と称される場合もある。）の原料として使用する場合は、土の種類、配合条件及び地盤改良材の性状や種類によって、地盤改良土（「固化処理土」又は「不溶化処理土」と称される場合もある。）からの六価クロム等の重金属類の溶出量が多くなってしまうことがある。

重金属類の中でも、六価クロム［Ｃｒ（ＶＩ）］は、他の重金属類とは異なり、クロム酸イオン（ＣｒＯ_４ ^２－）等の安定なオキソ陰イオンの状態で存在し、高ｐＨ条件下であっても難溶性の水酸化物を形成しないため、その溶出対策が比較的難しいといえる。六価クロムの溶出量は、特に関東ローム等の火山灰質粘性土を地盤改良の対象とした場合に多くなることが知られている。

これまで、地盤改良土からの六価クロムの溶出対策としては、セメント系固化材に種々の還元性物質（第一鉄塩、高炉スラグ又は硫黄化合物等）を添加し、固化処理土から溶出しやすい六価クロムを三価クロムに還元して無害化する技術が提案されている（例えば、特許文献１）。その中でも、高炉スラグ微粉末を還元性物質として使用する方法は、高炉スラグ微粉末の入手が容易である点、高炉スラグ微粉末が比較的安価である点及び長期にわたって六価クロムの溶出を抑制する点で実用上優れている。

特開２０１６－７４７６３号公報

本発明者らは、還元性物質として高炉スラグを含む地盤改良材の高性能化を鋭意検討した結果、地盤改良対象の土種によっては材齢初期における六価クロムの溶出量がこれ以降の材齢と比較すると多く、この点において改善の余地があることを見出した。

本発明は、セメントクリンカーのクロム含有率が比較的高く且つ六価クロムが溶出しやすい土種が地盤改良対象であっても、六価クロムの溶出量を材齢初期から長期にわたって十分に低いレベルに維持することができる地盤改良材及び地盤改良方法を提供することを目的とする。

本発明に係る地盤改良材は、セメントクリンカーと、高炉スラグと、亜硫酸カルシウムと、石膏とを含む。地盤改良材が高炉スラグを含むことで、六価クロムを三価クロムに還元して無害化する作用が長期にわたって維持され、このため、長期にわたって六価クロムの溶出を抑制できる。しかし、本発明者らの検討によると、地盤改良対象の土種によっては、材齢が早いうちは高炉スラグのクロム還元効果が必ずしも十分ではない。これを改善するため、地盤改良材に亜硫酸カルシウムを更に配合した結果、材齢初期においても六価クロムの溶出量を十分に低減することができた。つまり、高炉スラグと亜硫酸カルシウムを併用することで、六価クロムの溶出量を材齢初期から長期にわたって十分に低いレベルに維持することができる。

本発明の地盤改良材の全質量基準で、亜硫酸カルシウムの含有率は、例えば、０．０１～２０質量％である。同基準で、高炉スラグの含有率は、例えば、１～８０質量％である。六価クロムの溶出量低減の観点から、本発明の地盤改良材の全質量基準で高炉スラグ及び亜硫酸カルシウムの合計量は２～８０質量％であることが好ましい。同様の観点から、本発明の地盤改良材における高炉スラグの含有量を１００質量部とすると、亜硫酸カルシウムの含有量は０．１～１００質量部であることが好ましい。

本発明の地盤改良材の全質量基準で、セメントクリンカーの含有率は、例えば、１０～９８質量％である。セメントクリンカーは、全クロム量が５０～２５０ｍｇ／ｋｇであってもよく、水溶性六価クロム量が３～４０ｍｇ／ｋｇであってもよい。なお、セメントクリンカーの全クロム量はＪＩＳ Ｒ５２０２：２０１０に記載の方法に準拠して測定され、水溶性六価クロム量はセメント協会標準試験方法Ｉ-５１－１９８１に記載の方法に準拠して測定される。

本発明の地盤改良材の全質量基準で、石膏の含有率は、例えば、２～３０質量％である。石膏としては、無水石膏及び二水石膏の少なくとも一方を含むものであればよい。

本発明に係る地盤改良方法は、地盤改良対象土と、セメントクリンカーと、高炉スラグと、亜硫酸カルシウムと、石膏とを混合する工程を含む。地盤改良対象土として、火山灰質粘性土（例えば、関東ローム）が挙げられる。

本発明によれば、セメントクリンカーのクロム含有率が比較的高く且つ六価クロムが溶出しやすい土種が地盤改良対象であっても、六価クロムの溶出量を材齢初期から長期にわたって十分に低いレベルに維持することができる地盤改良材及び地盤改良方法が提供される。

以下、本発明の実施形態について説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。

＜地盤改良材＞
本実施形態に係る地盤改良材は、セメントクリンカーと、高炉スラグと、亜硫酸カルシウムと、石膏とを含む。この地盤改良材は、高炉スラグ及び亜硫酸カルシウムの両方を含むことで、六価クロムの溶出量を材齢初期から長期にわたって十分に低いレベルに維持することができる。

（亜硫酸カルシウム）
亜硫酸カルシウムとして、化学合成された市販品又は天然に存在するもの、あるいは、排煙脱硫工程等で発生する石膏に含まれる亜硫酸カルシウム無水物及び／又は亜硫酸カルシウム半水和物等を使用することができる。亜硫酸カルシウムは粉状であることが好ましい。粉状の亜硫酸カルシウムは、レーザー回折式粒度分布計で測定されるメディアン径が０．１～２０μｍであることが好ましく、０．２～１０μｍであることがより好ましく、１～６μｍであることが更に好ましい。亜硫酸カルシウムの粒径がこの範囲にあることで、初期材齢で優れた六価クロムの還元効果を示す。

地盤改良材の全質量基準で、亜硫酸カルシウムの含有率は、例えば、０．０１～２０質量％であり、好ましくは０．０２～１５質量％であり、より好ましくは０．１０～１０質量％であり、更に好ましくは０．２５～１．００質量％である。亜硫酸カルシウムの含有率が上記範囲にあることで地盤改良土の初期材齢における六価クロムの溶出を十分に抑制できる。

（高炉スラグ）
高炉スラグは高炉で発生するスラグを水冷したものである。高炉スラグは微粉末であることが好ましい。高炉スラグ微粉末の具体例として、市販されている高炉水砕スラグが挙げられる。高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積は３０００ｃｍ^２／ｇ以上であることが好ましく、３５００～６０００ｃｍ^２／ｇであることがより好ましい。高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積はＪＩＳ Ｒ５２０１：２０１５「セメントの物理試験方法」に記載の方法に準拠して測定される。

高炉スラグ微粉末は、ＪＩＳ Ｒ５２０２：２０１０「セメントの化学分析方法」により規定される硫化物硫黄の含有量が０．５質量％以上であることが好ましく、０．６質量％以上であることがより好ましく、０．７５質量％以上であることが更に好ましい。高炉スラグ微粉末の硫化物硫黄の含有量がこの範囲であることで、高炉スラグ微粉末に含まれる硫化物硫黄の六価クロムの還元効果により、地盤改良土からの六価クロムの溶出を抑制できる。

地盤改良材の全質量基準で、高炉スラグの含有率は、例えば、１～８０質量％であり、好ましくは２～７０質量％であり、より好ましくは５～６０質量％であり、更に好ましくは１０～３０質量％である。高炉スラグの含有率が上記範囲にあり且つ上記亜硫酸カルシウムを併用することで地盤改良土の初期材齢から長期材齢にわたって六価クロムの溶出を十分に抑制できる。

上述のとおり、亜硫酸カルシウムと高炉スラグを併用することで、地盤改良土の初期材齢から長期材齢にわたって六価クロムの溶出を十分に抑制できる。六価クロムの溶出量の低減及び固化処理土の強度発現性の観点から、地盤改良材の全質量基準で高炉スラグ及び亜硫酸カルシウムの合計量は、好ましくは２～８０質量％であり、より好ましくは２～７０質量％であり、更に好ましくは５～３０質量％である。同様の観点から、地盤改良材における高炉スラグの含有量を１００質量部とすると、亜硫酸カルシウムの含有量は好ましくは０．１～１００質量部であり、より好ましくは０．５～７０質量部であり、更に好ましくは３～１０質量部である。

六価クロムの溶出量の低減をより一層高度に達成する観点から、亜硫酸カルシウム及び高炉スラグの含有率（地盤改良材の全質量基準、単位：質量％）は以下の不等式で表される条件を満たすことが好ましい。
亜硫酸カルシウムの含有率≧２．０－０．０５×高炉スラグの含有率

（セメントクリンカー）
セメントクリンカーとして、ＪＩＳ Ｒ５２１０：２００３「ポルトランドセメント」に規定の各種ポルトランドセメントが好適に使用できる。その中でも、入手のしやすさや初期強度を考慮すると普通ポルトランドセメント又は早強ポルトランドセメントが好ましい。セメントクリンカーの全クロム量は、例えば、５０～２５０ｍｇ／ｋｇであり、１００～２００ｍｇ／ｋｇ又は１１０～１６０ｍｇ／ｋｇであってもよい。セメントクリンカーの水溶性六価クロム量は、例えば、３～４０ｍｇ／ｋｇであり、５～３０ｍｇ／ｋｇ又は１０～２０ｍｇ／ｋｇであってもよい。

地盤改良材の全質量基準で、セメントクリンカーの含有率は、例えば、１０～９８質量％であり、好ましくは２０～９０質量％であり、より好ましくは４０～８０質量％であり、更に好ましくは５０～７０質量％である。セメントクリンカーの含有率が１０質量％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く、他方、９８質量％を越えると六価クロムの溶出低減効果が不十分となりやすい。

石膏として、無水石膏、二水石膏、半水石膏のいずれの形態のものを使用してもよい。固化処理土の強度発現性の観点から二水石膏又は無水石膏を用いることが好ましく、二水石膏と無水石膏を混合した石膏も使用可能である。固化処理土の強度発現性の観点から、地盤改良材の全質量基準で石膏の含有率は、例えば、２～３０質量％であり、好ましくは３～２０質量％であり、より好ましくは５～１５質量％であり、更に好ましくは７～１１質量％である。

＜地盤改良方法＞
本実施形態に係る地盤改良方法は、地盤改良対象土と、セメントクリンカーと、高炉スラグと、亜硫酸カルシウムと、石膏とを混合する工程を含む。例えば、上述の地盤改良材を準備し、地盤改良対象土と地盤改良材とを混合すればよい。地盤改良対象土１ｍ^３に対して、地盤改良材の配合量は、例えば、２０～５００ｋｇであり、好ましくは５０～４５０ｋｇであり、より好ましくは５０～４００ｋｇであり、更に好ましくは１００～３５０ｋｇである。

地盤改良対象土としては、特に限定されないが、六価クロムの溶出抑制が比較的難しい火山灰質粘性土（例えば、関東ローム）が地盤改良対象土であっても、本実施形態に係る地盤改良方法によれば、六価クロムの溶出を十分に低いレベルとすることができる。

対象土に対する地盤改良材の配合量の調整及び地盤改良材の組成の調整をすることにより、地盤改良土の六価クロム溶出量は材齢７日及び材齢２８日において以下の範囲とすることが好ましい。すなわち、材齢７日の地盤改良土の六価クロム溶出量は０．０５ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、０．０３ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましい。材齢２８日の地盤改良土の六価クロム溶出量は０．０５ｍｇ／Ｌ以下であることが好ましく、０．０３ｍｇ／Ｌ以下であることがより好ましい。

対象土に対する地盤改良材の配合量の調整及び地盤改良材の組成の調整をすることにより、地盤改良土の一軸圧縮強さは材齢２８日において以下の範囲とすることが好ましい。すなわち、材齢２８日の地盤改良土の一軸圧縮強さは２００Ｎ／ｍ^２以上であることが好ましい。

以下、実施例、参考例及び比較例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

１．実験方法
[使用原材料]
（１）普通ポルトランドセメントクリンカーＡ：
・全クロム量＝１４９ｍｇ／ｋｇ
・水溶性六価クロム量＝１５．９ｍｇ／ｋｇ
（２）普通ポルトランドセメントクリンカーＢ：
・全クロム量＝１５６ｍｇ／ｋｇ
・水溶性六価クロム量＝１１．２ｍｇ／ｋｇ
（３）排脱二水石膏(宇部興産株式会社製)
（４）天然無水石膏：
・ブレーン比表面積＝３７９０ｃｍ^２／ｇ
（５）高炉スラグ微粉末：
・ブレーン比表面積＝４７００ｃｍ^２／ｇ
・硫化物硫黄量＝０．８３９％
（６）亜硫酸カルシウム半水和物（和光純薬工業株式会社、試薬）

[地盤改良材の調製]
(参考例１及び比較例１～３)
表１に示す配合で、普通ポルトランドセメントクリンカーＡ、亜硫酸カルシウム半水和物、排脱二水石膏及び天然無水石膏をボールミルに投入した。ボールミルでブレーン比表面積が３２００±１５０ｃｍ^２／ｇとなるように粉砕した後、高炉スラグ微粉末と混合し、参考例１及び比較例１～３の地盤改良材を調製した。

(実施例２～４、比較例４，５)
表２及び表３に示す配合で、普通ポルトランドセメントクリンカーＢ、亜硫酸カルシウム半水和物及び排脱二水石膏をボールミルに投入した。ボールミルでブレーン比表面積が４０００±１５０ｃｍ^２／ｇとなるように粉砕した後、高炉スラグ微粉末と混合し、実施例２～４及び比較例４，５の地盤改良材を調製した。

[地盤改良土からの六価クロム溶出試験及び一軸圧縮試験]
地盤改良材の配合量が対象土１ｍ^３あたり２５０ｋｇ／ｍ^３となるように対象土に対して実施例、参考例及び比較例の各地盤改良材を配合し、ホバートミキサーで５分間よく混合した。その後、直径５０ｍｍ×高さ１００ｍｍの円柱型枠にランマーを用いて三層詰めした後、２０℃で材齢７日、材齢２８日及び材齢９１日まで密封養生した。

上記材齢の地盤改良土について、環境庁告示４６号(平成３年８月２３日)に則って溶出試験を行い、六価クロムの溶出量を求めた。六価クロムの溶出量は、浸とう後のろ液中の六価クロム濃度をジフェニルカルバジド吸光光度法にて定量することにより求めた。また、材齢２８日の地盤改良土の一軸圧縮強さをＪＩＳ Ａ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定した。

（１）表１に示す評価結果について
高炉スラグ微粉末及び亜硫酸カルシウムを含む参考例１は、亜硫酸カルシウムを含まない比較例１に比べて、材齢７日(初期)における六価クロム(Ｃｒ(ＶＩ))の溶出量が少なく、六価クロムの土壌溶出量基準値（０．０５ｍｇ／Ｌ）よりも少なかった。これに加え、参考例１の六価クロム溶出量は材齢２８日においても土壌溶出量基準値より少なく、初期から長期において、優れた六価クロム低減効果を有することを確認した。なお、高炉スラグ微粉末及び亜硫酸カルシウムを含む比較例２の六価クロム溶出量は、土壌溶出量基準値よりも多かったが、亜硫酸カルシウムを含まない比較例３の材齢７日(初期)及び材齢２８日の溶出量よりも少なかった。

（２）表２，３に示す評価結果について
高炉スラグ微粉末及び亜硫酸カルシウムを含む実施例２～４は、亜硫酸カルシウムを含まない比較例５に比べて、材齢７日(初期)における六価クロム(Ｃｒ(ＶＩ))の溶出量が少なく、六価クロムの土壌溶出量基準値（０．０５ｍｇ／Ｌ）よりも少なかった。これに加え、実施例２～４の六価クロム溶出量は材齢２８日においても土壌溶出量基準値より少なく、初期から長期において、優れた六価クロム低減効果を有することを確認した。一方、比較例４の六価クロム溶出量は土壌溶出量基準値よりも多かった。

Claims (11)

1. セメントクリンカーと、
   高炉スラグと、
   亜硫酸カルシウムと、
   石膏と、
   を含む地盤改良材であって、
   当該地盤改良材の全質量基準で、高炉スラグの含有率が２～２０質量％である 、地盤改良材。
2. セメントクリンカーと、
   高炉スラグと、
   排煙脱硫工程で発生する石膏並びに当該石膏に含まれる亜硫酸カルシウム無水物及び亜硫酸カルシウム半水和物の少なくとも一方と、
   を含む地盤改良材であって、
   当該地盤改良材の全質量基準で、高炉スラグの含有率が２～２０質量％である、地盤改良材。
3. 前記石膏が排脱二水石膏である、請求項１又は２に記載の地盤改良材。
4. 当該地盤改良材の全質量基準で、亜硫酸カルシウムの含有率が０．０１～２０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. 当該地盤改良材の全質量基準で、セメントクリンカーの含有率が１０～９８質量％であり、石膏の含有率が２～３０質量％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. 当該地盤改良材の全質量基準で、高炉スラグ及び亜硫酸カルシウムの合計量が２～８０質量％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. 当該地盤改良材における高炉スラグの含有量を１００質量部とすると、亜硫酸カルシウムの含有量が０．１～１００質量部である、請求項１～６のいずれか一項に記載の地盤改良材。
8. セメントクリンカーの全クロム量が５０～２５０ｍｇ／ｋｇである、請求項１～７のいずれか一項に記載の地盤改良材。
9. セメントクリンカーの水溶性六価クロム量が３～４０ｍｇ／ｋｇである、請求項１～８のいずれか一項に記載の地盤改良材。
10. 地盤改良材の製造方法であって、
    セメントクリンカーと、高炉スラグと、亜硫酸カルシウムと、石膏とを混合する工程を備え、
    前記工程において、当該地盤改良材の全質量基準で、高炉スラグの含有率が２～２０質量％となるように、セメントクリンカーと高炉スラグと亜硫酸カルシウムと石膏とを混合する、地盤改良材の製造方法。
11. 地盤改良材の製造方法であって、
    セメントクリンカーと、高炉スラグと、排煙脱硫工程で発生する石膏並びに当該石膏に含まれる亜硫酸カルシウム無水物及び亜硫酸カルシウム半水和物の少なくとも一方とを混合する工程を備え、
    前記工程において、当該地盤改良材の全質量基準で、高炉スラグの含有率が２～２０質量％となるように、セメントクリンカーと高炉スラグと排煙脱硫工程で発生する石膏並びに当該石膏に含まれる亜硫酸カルシウム無水物及び亜硫酸カルシウム半水和物の少なくとも一方とを混合する、地盤改良材の製造方法。