JPS5829985B2 - 製鉄スラグを用いた有機質軟弱土の改良方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は有機質軟弱土の改良方法に関するものである。

従来から、改良材料を用いた混合処理による無機質軟弱
土の改良方法に関しては、セメント系、石灰系等の改良
材料を用いた方法が多数提案されている。

これらの方法は軟弱土の特性に応じて改良材料の種類と
混合量を調節し、適切な強度を発揮させるもので無機質
軟弱土の改良方法としては簡便でしかも効果が大きいと
して最近普及している地盤改良方法である。

しかし、これらの方法は有機質を多量に含む軟弱土に対
しては、土中に含まれるフミン酸（腐植酸）などの有機
酸の影響で硬化機能が著しく阻害されるため、改良材料
を大量に用いないと期待する強度が得られないし、大量
の改良材料を地盤中で混合することは施工上困難である
。

本発明は有機質軟弱土特有のフミン酸を含有する地盤に
対して高炉急冷スラグ微粉末を主材料として、ポルトラ
ンドセメントあるいは水酸化カルシウム（又は酸化カル
シウム）と水溶性の三価の鉄の塩からなる改良材料を用
いて混合処理を行なうことにより、改良強度を任意に調
節できて、しかも施工が容易な地盤改良方法を提供する
ものである。

有機質を多量に含む軟弱土は、いろいろな種類のものが
地上に存在するが、土壌中の有機質および石灰質の大部
分はフミン酸である。

このフミン酸は低分子のフルボ酸とよばれる水溶性部分
と高分子の水に不溶な残炭部分とを有しており、分子量
の相当大きな互いに類似した一連の物質群からなってい
る。

フミン酸の特性としてキレート結合力を有しており、キ
レート結合を形成する部分は芳香核に結合するカルボキ
シル基及び水酸基が隣接して存在することに起因する。

このキレート結合力を有することがセメント、石灰系材
料の硬化には大きな障害となる。

すなりちフミン酸を含有する有機質軟弱土中にセメント
あるいは石灰系材料が注入されると、これらの成分中の
カルシウムイオンが水に溶出して、フミン酸と反応して
カルシウムキレート化合物を形成するために硬化作用を
阻害する。

そのためセメント、石灰系材料を用いる場合には、フミ
ン酸と反応するに必要な余分な量を使用するために経済
的に大きな損失となる。

＊＊ さらにセメント
では硬化した後も土中のフミン酸によって徐々にカルシ
ウムが溶出して硬化体が侵食される等の問題も発生する
。

本発明で対象とする有機質軟弱土の例としては、腐食し
た植物遺体が堆積して生成した泥炭地盤がある。

泥炭は有機質分を５０％以上含む高有機質土で、含水比
も高くさらにｐＨ４〜５の弱酸性を呈するのが一般的で
ある。

泥炭の特性の一例を第１表に示す。

本発明の方法を検討する過程において、これらの地盤及
び土質改良上障害となる泥炭の特性の中で、高含水比に
起因する問題の解決法として泥炭を強制脱水して含水比
を下げること、吸水性の高い材料例えばポーラスな火山
灰を使用して見かけの含水比を下げること、改良材料を
多量に投入して含水量１改良材料比を下げること等の処
理法は効果があるが、泥炭に多量の無機質土砂を添加し
て見掛けの強熱減量を小さくする方法は効果が顕著でな
いことが判明した。

特に無線質土砂の添加は実際の施工においては、無機質
土砂を含んだ改良材料の地盤内圧入量が多量になり、施
工面で圧入不可能または地盤の大きな隆起等の問題が発
生する。

本発明の方法はこれらの条件を考慮して、容易にしかも
安価に泥炭のような有機質軟弱土を改良する方法である
。

すなわち、本発明は高炉急冷スラグ微粉末を主材料とし
、これにポルトランドセメントあるいは水酸化カルシウ
ムもしくは酸化カルシウムを加えた材料に、水溶性の三
価の鉄の塩を添加した改良材料、あるいは前記改良材料
にさらに石膏を配合した改良材料を有機質軟弱土と混合
処理することを特徴とする有機質軟弱土の改良方法であ
る。

本発明者は、有機質軟弱土にセメント系、石灰系の材料
を混入した時に、硬化しない主原因として、これら材料
の表面にカルシウムのキレート化合物の膜が出来ること
をつきとめた。

さらに、セメント系、石灰系の材料を有効に硬化させる
には、これら材料の表面にカルシウムのキレート化合物
の膜が出来るまでに、他の物質によってキレート化合物
をよりすみやかに生成させ、フミン酸を固定することが
必要であることを明らかにした。

また以下の現象に着目し、新しい改良材料を開発するに
到った。

すなわち、カルシウムなどのアルカリ土類金属塩に対し
、三価の鉄の塩は、フミン酸と反応して金属キレート化
合物を生成する際、三価の金属イオンは６配位として働
く、したがってカルシウムやマグネシウムなどの二価の
金属イオンの４配位で結合するのに比較して、等モルの
金属塩であればより多い量のフミン酸と反応し、配位子
であるフミン酸を多く固定することが可能であり、経済
性に優れている。

またキレート化反応における安定度常数を比較すると配
位子の相違によらず一般にカルシウムやマグネシウムな
どより鉄やアルミニウムの方が大きいことは公知であり
、したがってアルカリ金属あるいはアルカリ土類金属な
どの金属塩を用いるよりもはるかに効果が太きい。

本発明で使用する主材料の高炉スラグの化学成分の主な
ものは、酸化カルシウム二酸化けい素、酸化アルミニウ
ム、酸化マグネシウム、硫化物、いおう、酸化鉄などで
ある。

高炉急冷スラグとは高温溶融状態の高炉スラグを多量の
水または空気で急冷して製造される粒状のもので、容積
の６０％以上が非晶質けい酸塩（ガラス）になっている
。

高炉急冷スラグは周知のように潜在水硬性を有しており
、けい酸塩のネットワークを切るアルカリなどの刺激剤
が存在するとガラス成分が水へ溶出し、結晶水を多量に
取り込むカルシウムシリケート水和物、エトリンガイド
などの水和物を生威し硬化する。

高炉スラグ単体では急速に硬化しないので刺激剤的作用
を有するものとして、ポルトランドセメントあるいは水
酸化カルシウムあるいは酸化カルシウムが副材料として
必要である。

副材料の配合量は高炉スラグの活性度によって変るもの
であり、高炉スラグの活性度はスラグの塩基度、ガラス
化率、スラグの粒子径などで決まる。

通常の高炉操業ではスラグの塩基度は１，２前後で大幅
に変化することがないため、重要なのはガラス化率とス
ラグの粒子径である。

有機質軟弱土に対しては、ガラス化率は７０％程度は必
要で好ましくは９０％以上が望まれる。

ガラス化率の低い場合には、後述するように石膏の添加
が必要である。

スラグ粒子の大きさは、製造のままでは活性度が小さい
ために、比表面積を２０００ｃｔｉｔ／ 、！ｉ’以上
好ましくは３０００ｄ／７以上に微粉砕したものが良い
。

高炉スラグ微粉末とポルトランドセメントあるいは水酸
化カルシウムもしくは酸化カルシウムの配合割合（重量
％）の好ましい範囲は第２表に示す通りで、前記のよう
に、スラグ粒径が小さいほど、ガラス化率が大きいほど
高炉スラグ微粉末の混合割合を増すことができる。

高炉スラグとポルトランドセメントあるいは水酸化カル
シウムあるいは酸化カルシウムだけでは、有機質軟弱土
特有のフミン酸環境では、先に本発明の主要点として述
べたように、これら材料粒子表面にカルシウムのキレー
ト化合物が土族するため硬化しないかまたは硬化が非常
に遅くなり、硬化体の強度も小さなものとなる。

そこで高炉スラグあるいはポルトランドセメントあるい
は水酸化カルシウムあるいは酸化カルシウムより溶出す
るカルシウムよりも効果的にキレート化合物を作りフミ
ン酸を固定する化合物をさらに添加することによって、
有機質軟弱土が急速に硬化し硬化体の強度も十分なもの
が得られるように検討した結果、水溶性の三価の鉄の塩
が経済性、安全性、安定性などより有効であることを見
出した。

本発明において使用可能な三価の鉄の塩は、塩化物、硫
酸塩、硝酸塩などで水溶性の化合物である。

具体的には、塩化第二鉄、硫酸第二鉄、硫酸第二鉄アン
モニウムなどであるが、このうち塩化第二鉄が特に好ま
しい。

第１図に、高炉急冷スラグ（ガラス化率９１％、比表面
積３７００ｃｖｔ／９ ） ７０％と普通ポルトランド
セメント３０％を基本とし、普通ポルトランドセメント
の一部を塩化第二鉄で代えた改良材料を水で混練しペー
スト状となし、有機質軟弱土と混合処理した際の一軸圧
縮強度の測定結果を示した。

本改良材料の場合、三価の鉄の塩の配合量は、０．５〜
２％で強度の発現が最大となり、０．１％より少ないと
強度の発現は非常に小さいか、硬化し難くなる。

従って三価の鉄またはアルミニウム塩の添加量としては
０．１〜５％が適正範囲である。

塩化物の他に、三価の鉄の硫酸塩、硝酸塩などを同様に
配合した実験を行なったが、いずれの場合も０．１〜５
％の範囲で塩化物と同様の強度の発現が認められた。

なお、今回は改良材料をあらかじめ混練しペースト状と
なした場合を示したが、改良材料を直接有機質軟弱土と
混合処理しても効果は変るものではない。

また、改良材料としては第２表に示した配合割合をくず
さない限り、市販の高炉セメントなどのセメントで置換
してもよいし、ポルトランドセメントと水酸化カルシウ
ムもしくは酸化カルシウムの一部を置換してもよい。

また高炉急冷スラグのガラス化率が７０〜８０％程度の
低いものはアルカリ刺激作用による水和物の生成が少な
く強度の発現が低下する。

ガラス化率の低いものを使用する場合は、第３図に示す
とおり水和物を生成させるため高炉急冷フラグのガラス
化率に応じ石膏を改良材料全重量を基準として２〜１０
％添加すると良い。

石膏は大量に添加すると強度の発現を阻害するので１０
％以下に押えることが好ましい。

なお２％以下であるとその効果は期待できなくなる。

改良材料の形成に当り主材料と幅材料の添加順序は一般
に随意であるが、 改良材料を有機質軟弱土と混合処理するに際して使用す
る改良材料の性状は、第３表に示すようなモルタル、ペ
ースト、粉または粒状のものを用いるが含水比の高い有
機質軟弱土に対しては粉あるいは粒状の性状で使用する
のが好ましい。

本発明方法は通常の意味での有機質軟弱土そのものの改
良のみならず改良材料を有機質軟弱土と混合処理するこ
とにより構造体、例えば固結パイルとして基礎杭等を構
築する場合及び建設工事に伴い発生する掘さく残土も同
様の処理をすることにより良質土として再利用する場合
も本件改良方法の適用の範囲に含まれる。

本発明による有機質軟弱土の混合処理による改良方法を
行なうための具体的工法例を以下に説明する。

（１）ボーリングマシンにより処理すべき有機質軟弱地
盤の所定位置で、所要の深さまでポーリングを行ない、
改良材料に水を加えて所定の濃度のミルク状にした改良
材料を高圧ポンプを用いて地盤中へ圧入する方法。

（２）第３図は具体的方法として深層混合処理工法を用
いる場合の説明図である。

深層混合処理機械１は、上下方向に１本又は複数の撹拌
軸２及び改良材料注入管３並びに撹拌軸の下端には撹拌
翼４を装着し撹拌軸の上端は撹拌駆動部５に連結されて
いる。

さらに改良材料注入管３は圧送ホース６を介し改良材料
混合プラント７に連結されている。

深層混合処理機械１の撹拌駆動部５を始動することによ
り撹拌軸２及びその下端に装着している撹拌翼４を回転
させ改良材料を添加して混合処理すべき有機質軟弱地盤
の所定の深さまで貫入せしめ撹拌翼４を混合処理する地
盤の最深部に位置せしめる。

次に改良材料混合プラント７により所定の割合で混合さ
れたモルタル、ペースト、あるいは粉、粒状の改良材料
を圧送ホース６及び改良材料注入管３を介し改良材料注
入管の下端に装着している吐出口から噴出せしめ撹拌翼
４を回転させることにより地盤と混合しつつ深層混合処
理機械１全体を徐々に地表面まで引きあげ改良パイル８
が形成される。

（３）表層混合処理機械を使用して、有機質軟弱地盤の
所定の深さまで、下端に撹拌翼を装着した撹拌軸を貫入
せしめた後改良材料を圧送ホースを介して送り込み撹拌
翼を回転させることにより地盤と混合しつつ、表層混合
処理機械を徐々に移動させる表層地盤の改良方法。

さらに混合処理する工法としては上記の方法に限定され
るものではなく、ペースト状あるいは粉状などの改良材
料と有機質軟弱土とを混合させるには従来の工法を適用
することができる。

以下に実施例を説明する。

実施例 １ 第４表に示す高炉急冷スラグ微粉末Ａと第５表に示す普
通ポルトランドセメントに塩化第二鉄（ＦｅＣＡ！８０
６Ｈ２０）を添加した第６表に示す改良材料を用いて、
泥炭と混合した。

改良材料はあらかじめ水／改良材料−０，３２ｇ／ｇの
水分で混練してペースト状とし、第１表に示した北海道
泥炭を２〜３ＣｒＩＬに切断して混合し、５０關〆Ｘ１
００ｍｍの型に３回に分けて流し込み、よくつき固めて
湿ったムシ口をのせて大気中で養生した。

なお、改良材料１泥炭の比は０．４ ｍ３／ ７７１”
とした。

本試料を所定の期間養生した後−軸圧縮強度を測定した
。

材◆３週以降は強度の大きなのびは認められなかったの
で、１週後と３週後の一軸圧縮強度を第１図に示した。

いずれも優れた強度発現効果のあることがわかる。

実施例 ２ 第４表に示した高炉急冷スラグ微粉末Ａまたは第８表に
示したガラス化率の低い高炉急冷スラグ微粉末Ｂ６９％
と、普通ポルトランドセメント３０％および塩化第二鉄
（ＦｅＣ１３・６Ｈ２０）１％を基本組成として、普通
ポルトランドセメントの一部を石膏に代えて、石膏の重
量割合を１，２゜４．８，１０，１２，１５％とした改
良材料を準備した。

北海道泥炭との混合処理は実施例１と同様に行なった。

材４＞３週後の一軸圧縮強度の測定結果を第２図に示し
たが、ガラス化率の低い高炉急冷スラグを使用しても約
５〜６ｋｇ／ｉの一軸圧縮強度を得ることができる。

＊実施例 ３ 第４表に示した高炉急冷スラグ微粉末Ａと水酸化カルシ
ウムおよび塩化第二鉄（ＦｅＣ１３・６Ｈ２０）１％か
らなる第９表に示した組成の改良材料を用いて実施例１
と同様の手順で供試体を作成した。

材片１週後と３週後の一軸圧縮強度の測定結果を第９表
中に示した。

普通ポルトランドセメントのかわりに水酸化カルシウム
を使った場合にも軟弱地盤の改良に有効であることがわ
かる。

酸化カルシウムを使用しても水酸化カルシウムを使用し
た場合と実質的に同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は改良材料に塩化第二鉄を添加した場合の材４−
１週後３週後の一軸圧縮強度の測定結果である。 第２図は、改良材料に石膏を添加した場合の説明図であ
る。 第３図は、有機質軟弱地盤を改良するための具体的工法
例を示す説明図である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 高炉急冷スラグ微粉末を主材料とし、副材料として
   ポルトランドセメントあるいは水酸化カルシウムもしく
   は酸化カルシウムと、全改良材料中にしめる重量割合が
   ０．■〜５％の水溶性の三価の鉄の塩よりなる改良材料
   を使用して、該改良材料と有機質軟弱土とを混合処理す
   ることを特徴とする製鉄スラグを用いた有機質器上の改
   良方法。 ２ 改良材料として、さらに石膏を全改良材料中にしめ
   る重量割合として２〜１０％加えて使用する特許請求の
   範囲第１項記載の方法。