JPWO2014045583A1

JPWO2014045583A1 - 撥水砂の混合物及び撥水砂構造体

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Abstract

撥水砂（１１）とセメント（１２）を少なくとも含む、セメントの撥水砂に対する重量比が２％以上５％以下である、撥水砂の混合物（１）であり、セメントの水和反応による撥水砂間の凝固が力学的安定性の改善をもたらし、撥水性を有し、砂の表面が滑りにくいためブロック形状を保持できる。

Description

本発明は、撥水性及び一定以上の強度を有する撥水砂の混合物及び撥水砂構造体に関する。

これまでの土木材料の撥水処理技術は、通常のコンクリート、モルタルの成形配合条件下で開発され、気密構造物の撥水性能向上技術に目標があてられてきた。

本発明に近い先行特許としては、空隙の少ない密実なモルタルやコンクリートの撥水技術に関する先行特許として、浸透性吸水防止材として水性有機ケイ素系組成物の開発がある（特許文献１）。また、シリコーンオイルを添加し、石灰質原料と珪酸質原料とを主成分とし、強度低下を引き起こさない、撥水性に優れたモルタル又はコンクリート組成物の開発がある（特許文献２）。さらに、モルタル、セメントの砂骨材表面に撥水処理を行う先行特許として、防水性モルタルを使用した例（特許文献３）、及び、高強度セメント硬化体の製造方法（特許文献４）がある。

特開平４−１１４９７９号公報特開２００５−２２９１３号公報特公平２−１５５０３号公報特開昭５４−１１９３１号公報

農場の土壌改良や道路等の土木工事施工を行う際に、撥水ブロックに比較して、撥水砂は撥水性能が良好で、自由な形状に施工することが可能である反面、撥水砂は、表面の摩擦が小さく滑りやすいため、傾斜形状又は垂直形状に施工する場合に、形態保持が困難である。

従って、本発明の目的は、撥水性及び一定以上の強度を有する撥水砂の混合物及び撥水砂構造体を提供することにある。

本発明の一態様は、撥水砂とセメントとの混合物であって、前記セメントは、２％以上５％以下の前記撥水砂に対する重量比を有する、撥水砂の混合物である。

本発明の別の態様は、前記撥水砂の混合物で構成されかつ設置面に対して起立した撥水砂構造体である。

本発明の一態様に係る撥水砂の混合物及び撥水砂構造体は、撥水性及び一定以上の強度を有する。

本発明のこれらと他の目的と特徴は、添付された図面についての好ましい実施形態に関連した次の記述から明らかになる。この図面においては、
図１は、第１実施形態の混合物の模式図であり、図２は、第２実施形態の構造体の断面図であり、図３は、第２実施形態の構造体の断面図であり、図４は、第１実施形態の構造体において、撥水処理していない砂をさらに含む場合の断面図であり、図５は、第２実施形態の構造体の斜面が破壊しないときの傾斜角を求めるときの説明図である。

本発明の記述を続ける前に、添付図面において同じ部品については同じ参照符号を付している。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する前に、本発明の種々の態様について説明する。

本発明の第１態様によれば、撥水砂とセメントとの混合物であって、前記セメントは、２％以上５％以下の前記撥水砂に対する重量比を有する、
撥水砂の混合物を提供する。

前記態様によれば、撥水性及び一定以上の強度を有する。

本発明の第２態様によれば、前記撥水砂は、表面が撥水処理されている粒子であり、前記撥水砂の砂粒子の平均粒径が５０μｍ以上５００μｍ以下である、
第１態様に記載の撥水砂の混合物を提供する。

本発明の第３態様によれば、撥水処理していない砂をさらに含む、
第１又は２態様に記載の撥水砂の混合物を提供する。

本発明の第４態様によれば、空隙率が３９％以上４６％以下である、
第１〜３態様のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物を提供する。

前記態様によれば、より確実に、撥水性及び力学的安定性の両方を満たすことができつつ、通気性に優れた撥水砂の混合物を凝固物として得ることができる。

本発明の第５態様によれば、前記セメントは、複数の前記撥水砂の間に位置し、かつ、複数の撥水砂を互いに結合する、
第１〜４態様のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物を提供する。

前記態様によれば、セメントにより複数の撥水砂が互いに結合され、高い力学的安定性を有する混合物を得ることができる。

本発明の第６態様によれば、第１〜５態様のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物で構成されかつ設置面に対して起立した撥水砂構造体を提供する。

前記態様によれば、撥水性及び力学的安定性の両方を満たす混合物により、構成された構造体を提供することができる。

本発明の第７態様によれば、下面と側面とを有する撥水砂構造体であって、
前記構造体は、撥水砂とセメントとの混合物で構成され、
前記セメントは、２％以上４％以下の前記撥水砂に対する重量比を有し、
前記下面と前記側面とが形成する角度ｙは、前記撥水砂に対する重量比をｘとしたとき、
０＜ｙ≦２．１５ｘ２−９．３５ｘ＋４３．３を満たす、
撥水砂構造体を提供する。

本発明の第８態様によれば、下面と側面とを有する撥水砂構造体であって、
前記構造体は、撥水砂とセメントとの混合物で構成され、
前記セメントは、５％以下の前記撥水砂に対する重量比を有し、
前記構造体の高さが１０ｍ以下であり、又は、前記構造体の高さが１０ｍより大きいとき、前記下面と前記側面とが形成する角度ｙは、前記構造体の高さをｈとしたとき、０＜ｙ≦１．０８ｈ^２−３０．９９ｈ＋２７３．８１を満たす、
撥水砂構造体を提供する。

なお、第７又は第８態様の撥水砂構造体は、第１〜５態様のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物のみで構成されるようにしてもよいし、又は、第１〜５態様のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物が少なくとも表面の一部に露出するように構成されるようにしてもよい。

以下、図面を参照して本発明における実施形態を詳細に説明する。

まず、本明細書で用いる用語を説明する。

「撥水砂」とは、粒子（砂粒子）の表面が撥水処理されている粒子である。撥水処理された粒子を「撥水砂」とも表記する。「撥水性」とは、液体に対して９０°以上の接触角を有することを意味する。

（知見）
本発明の知見を説明する。本発明者らは、撥水性を有する部材を用いて、農場の土壌改良又は道路を施工することを想定している。従来は、撥水性を有する部材として、特許文献１に示す強度の高い材料（モルタル等）が用いられている。強度の高い材料は、予め決められた形状を変形することが困難である。

しかし、農場の土壌改良又は道路を施工する場合には、撥水性を有する部材は、施工する場所に応じて、形状を変化することが求められる。具体的な構成については、後述する。

本発明者らは、撥水砂を利用することにより、撥水性を有することに加えて、かつ、形状の変化させやすい部材を形成することを試みた。一般的に、砂を積み重ねる場合には、砂に液体を含ませることにより、一定の形状を保つことができる。しかし、撥水砂は液体をはじくため、撥水砂を積み重ねても崩れしまい、形状を維持することが困難である。

そこで、本発明者らは、鋭意研究の結果、撥水砂及びセメントについて、所定の重量比を有する撥水砂の混合物は、撥水性及び一定の形状を維持できる強度を有することを見出した。

以下、図を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

（第１実施形態）
図１に、第１実施形態の撥水砂の混合物１の模式図を示す。撥水砂の混合物１は、撥水処理された多数の粒子１１とセメント１２とを含む。以下、撥水処理された粒子１１を「撥水砂」とも表記する。

図１に示すように、複数の撥水処理された粒子１１は、セメント１２を介して互いに結合されている。

撥水砂の混合物１は、撥水処理された粒子１１に対して、２％以上５％以下の重量比のセメント１２を含むことにより、撥水性及び一定以上の強度を有する。詳細は後述する。

＜撥水砂＞
撥水砂の例は、表面が撥水処理されている粒子である。

例えば、粒子は、クロロシラン系材料、アルコキシシラン系材料、シリコーン系材料、フッ素シリコーン系材料、及びアクリルエマルジョン系撥水剤から選択される、少なくとも１種類を含む撥水剤を用いて、撥水処理される。

クロロシラン系材料の例は、ヘプタデカフルオロ−１、１、２、２−テトラハイドロデシルトリクロロシラン、又はノルマルオクタデシルジメチルクロロシランである。アルコキシシラン系材料の例は、ノルマルオクタデシルトリメトキシシラン、又はノナフルオロヘキシルトリエトキシシランである。

なお、撥水処理された粒子１１に加えて、図４に示すように、撥水処理されていない粒子２２を前記撥水砂の混合物１に含んでいて、撥水砂の混合物２１を構成するようにしても良い。撥水砂の混合物２１が所定以上の割合（後述する重量比）で撥水砂１１を含んでいれば、撥水処理されていない粒子２２が含まれていても、撥水砂の混合物２１は、撥水性及び一定以上の強度を有する。

＜粒子＞
粒子は、一例として、５０μｍ以上５００μｍ以下の平均粒径を有する。

本明細書において、撥水砂の粒子には、礫、砂、シルト、及び粘土を含む。礫とは、２ｍｍより大きく７５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。砂とは、０．０７５ｍｍより大きく２ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。シルトとは、０．００５ｍｍより大きく０．０７５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。粘土とは、０．００５ｍｍ以下の粒子径を有する粒子である。

粒子の例は、土壌、及び、ガラスビーズである。土壌とは、無機物、コロイド状の無機物、粗大有機物、又は、微生物などの分解作用などによって変質して生じる有機物などを含む。

粒子の好適な例は、豊浦砂（豊浦硅石鉱業株式会社製）である。豊浦砂は、１０６μｍ以上４２５μｍ以下の粒径有する粒子の重量割合が大きい。

＜セメント＞
セメントとは、撥水砂又は水と混合することにより、硬化する粉体を意味する。セメントの例は、ポルトランドセメントである。

（製造方法）
以下、第１実施形態の撥水砂の混合物１の製造方法を説明する。

＜Ｓ１：準備工程＞
撥水砂とセメントとを準備する。

＜Ｓ２：混合工程＞
まず、セメントと水とを混合し、「セメントと水との混合物」を生成する。

次に、生成された「セメントとの混合物」と、撥水砂とを混ぜて、撥水砂と「セメントと水との混合物」との混合物を生成する。セメントは、２％以上５％以下の撥水砂に対する重量比を有する。

＜Ｓ３：乾燥工程＞
生成した撥水砂と「セメントと水との混合物」との混合物を、空気中で乾燥することにより、撥水砂とセメントとの混合物（すなわち、撥水砂の混合物）を生成する。セメントは、２％以上５％以下の撥水砂に対する重量比を有する。

（実施例）
以下の実施例により、本発明をより具体的に説明する。

（実施例１）
最初に、（ヘプタデカフルオロ−１、１、２、２−テトラヒドロデシル）トリクロロシラン及びＣＦ_３（ＣＦ_２）_７（ＣＨ_２）_２ＳｉＣｌ_３）を用いて、豊浦砂の表面を撥水処理し、撥水砂を得た。

次に、普通ポルトランドセメント（Ordinary portland cement）と水との混合物を得た。水とセメントとの重量比は、１：２であった。以下、普通ポルトランドセメントと水との混合物を、「セメント混合物」とも表記する。

なお、撥水砂が疎水性を有するため、０．５程度の水とセメントとの重量比を有するように、撥水砂、セメント、及び水を均一に混合した場合、撥水砂の間の凝結が十分行われないことを見出した。水とセメントとの重量比は、０．５と、１と、２とのうち、実用可能な撥水砂の凝結が得られた水とセメントとの重量比を２とした。

次に、セメント混合物と、撥水砂との混合物を混合して、撥水砂とセメントとの混合物を得た。セメント混合物と撥水砂とを充分に混合するために、セメント混合物を撥水砂の表面に擦り込んだ。具体的には、撥水砂の表面に、セメント混合物を手で擦り込んだ。つまり、撥水砂をセメント混合物に所定以上の圧力で、撥水処理された粒子とセメントとが接触するように、混合した。

このような混合作業は、撥水処理された粒子に対してセメントにより剪断応力（shear stress）が加わるように、撥水処理された粒子とセメントとを混合していることになる。その結果、粒子表面の一部において、撥水処理が破れることにより、粒子表面とセメント（セメント粒子）とが直接結合する可能性がある。撥水処理された粒子の一部に結合したセメント（セメント粒子）により、複数の撥水処理された粒子同士が結合したとも考えられる。

その後、所定の力で、撥水砂とセメントとの混合物（すなわち、撥水砂の混合物）を固めた。所定の力は、ＪＩＳ１２１０「突固めによる土の締固め試験」に規定される標準締固めエネルギー（５５０ｋＪ／ｍ^３）であった。

次に、固めた撥水砂とセメントとの混合物を、空気中（気温２０±２（℃）、湿度５０±１０（％）の室内）で、７日間、養生した。

以上のように、作製した混合物（すなわち、撥水砂の混合物）に含まれるセメントは、３％の撥水砂に対する重量比を有していた。

また、混合物の乾燥密度は１．４６２ｇ／ｃｍ^３であり、含水比は０．３であった。撥水砂の粒子密度２．６５ｇ／ｃｍ^３と、セメントの粒子密度３．１３ｇ／ｃｍ^３とを用いて、作製した混合物の空隙率を求めると、４３．８％であった。

光学顕微鏡を用いて作製した混合物を観察すると、微小なセメント粒子が撥水砂に固着し、撥水砂と撥水砂との間を拘束している微視的構造が確認できた。

（撥水性評価）
撥水性評価を説明する。作製した混合物を直径約２ｃｍ、長さ約２ｃｍの円柱状に切断した。両端の平坦面に３μＬの水滴を注射針から滴下し、平坦面上に載った水滴について、固−液界面から気−液界面に向かう接触角を測定し、見かけの接触角とした。１０回測定を行い、接触角の平均値は１１６．４°であった。

（力学的安定性評価）
力学的安定性評価を説明する。力学的安定性とは、混合物の強度を意味している。直径６ｃｍ、高さ２ｃｍの混合物について、一面せん断試験を行い、せん断強度、内部摩擦角、及び粘着力を測定した。

ここでは、土の一面せん断試験（ＪＧＳ０５６０、０５６１）に従って、試験を行った。特に、この試験は、非圧密非排水条件の簡易定圧試験に区分される試験であった。試験結果としては、内部摩擦角は３４．６°であり、粘着力は０．０ｋＮ／ｍ^２であった。

なお、「剪断強度（shear strength）」とは、素材又は構造体などが剪断に耐える限界強度である。「内部摩擦角（internal frictional angle）」とは、物体内部で物体の一部が滑り面を境に移動するとき(地盤に置き換えれば、地滑りを起したとき)、滑り面の摩擦を「内部摩擦」と呼び、その摩擦抵抗を垂直応力(横軸)とせん断抵抗力(縦軸)との関係で表現したときの直線の横軸との角度である。

（実施例２）
セメントが２％の撥水砂に対する重量比を有していたこと以外は、実施例１と同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

（実施例３）
セメントが４％の撥水砂に対する重量比を有していたこと以外は、実施例１と同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

（実施例４）
セメントが５％の撥水砂に対する重量比を有していたこと以外は、実施例１と同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

（実施例５）
撥水砂に標準砂を加えた以外、実施例１と同様に試験が行われた。具体的には、重量比で撥水砂：未処理砂（標準砂）＝９：１で混合した砂を用いた。実施例１と同様に、セメント添加率３％を混合して、撥水砂のみからなり、セメント添加率３％の試料と同じ乾燥密度１．４６５ｇ／ｃｍ^３になるまで突固めて、安定処理した混合物を作製した。

試験結果としては、作製した混合物の接触角が１０５．１°であった。実施例５に係る混合物は、撥水砂のみからなるセメント添加率３％の混合物の接触角が１１６．４°に対して低い接触角を有するが、撥水性を有することが確認できた。

（比較例１）
セメントが含まれていないこと以外は、実施例１と同様に試験が行われた。

スライドガラス上に貼った両面テープ上に、比較例１に係る撥水砂を散布して、平らに固着し、固定されていない余分な撥水砂を落として、評価用試料を作成した。水滴量を３μＬとして試験を行おうとしたが、見かけの接触角は測定できなかった。すなわち、比較例１に係る混合物は、崩れやすく、円柱状の試料を長さ約２ｃｍに切断することができず、接触角の測定ができなかった。

セメント添加率３％の評価用試料と等しい密度になるように１．４６３ｇ／ｃｍ^３になるまで突固めて、力学的安定性評価用の試料を作製した。力学的安定性の測定結果は、空隙率は４４．８％であり、内部摩擦角は２６．１°であり、粘着力は０．０ｋＮ／ｍ^２であった。

（比較例２）
セメントは、１％の撥水砂に対する重量比を有していたこと以外は、実施例１とほぼ同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

なお、比較例２に係る混合物は、比較例１に係る混合物と同様に、接触角の測定ができなかった。すなわち、比較例２に係る混合物上に注射針から水滴を落とそうとして、水滴を混合物に接触させたところ、水滴自体に混合物が付着して滴下できず（すなわち、注射針で水滴を混合物上に落とそうとしても、注射針の水滴に混合物が吸い上げられてしまい）、接触角の測定ができなかった。

セメント添加率が１％の混合物は、セメントにより砂が十分に固着していないため、撥水砂の安定化が不十分であることが分かった。

（比較例３）
セメントが６％の撥水砂に対する重量比を有していたこと以外は、実施例１と同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

（比較例４）
セメントが７％の撥水砂に対する重量比を有していたこと以外は、実施例１と同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

（比較例５）
セメントが９％の撥水砂に対する重量比を有していたこと以外は、実施例１と同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

（比較例６）
撥水砂を、撥水処理していない砂（以下、「標準砂」と表記する。）にしたこと以外は、比較例１と同様に試験が行われた。

比較例６に係る標準砂は、水滴が砂にすぐに浸み込んだため、撥水性を示さなかった。また、セメント無添加の撥水砂と等しい乾燥密度１．４６３ｇ／ｃｍ^３になるまで突固めて、力学的安定性評価用試料を作製した。測定結果は、内部摩擦角は３５．１°であり、粘着力は０．０ｋＮ／ｍ^２であった。

（比較例７）
セメントが３３％の重量比を有していたこと以外は、比較例６と同様の試験が行われた。表１に結果を示す。

実施例１〜５に係る混合物は、セメントは２％以上５％以下の撥水砂に対する重量比を有する。実施例１〜５に係る混合物は、９０°以上の接触角を有し、かつ、所定以上の内部摩擦角を有する。

撥水処理していない砂（標準砂）の内部摩擦角は３５．１°であるのに対して、撥水砂の内部摩擦角は２６．１°であり、撥水処理によって力学的安定性が低下することが示された。しかし、撥水砂へのセメント添加率に応じて内部摩擦角が大きくなり、セメント添加率２％では内部摩擦角が３３．２°となり、撥水砂は標準砂と同程度の力学的安定性を保持するまで回復していることが分かった。

セメント添加率４％の撥水砂の内部摩擦角は、標準砂の内部摩擦角を上回り、力学的に優れた力学的安定性を示すことが分かる。一例として、セメントは４％以上５％以下の撥水砂に対する重量比を有する。

また、セメント添加率が５％以上では、内部摩擦角は４０°程度に収まり、粘着力が発現し、混合物が、一塊のブロックとして、より力学的に安定な振る舞を示すことが明らかとなった。

一方、撥水性については、セメントを添加しない撥水砂が、接触角１３０°であって優れた撥水性を示す。これに対して、セメント添加率が大きくなるにつれて、接触角が低下して、セメント添加率６％以上では撥水性を示さなかった。また、セメント添加率３％の場合に、撥水砂のみでは接触角が１１６．４°であるのに対して、撥水砂に標準砂１０％混合した場合には接触角が１０５．１°であり、撥水性は低下するものの、撥水性を保持していた。

よって、第１実施形態にかかる撥水砂の混合物１は、撥水砂１１とセメント１２との混合物であって、セメント１２は、２％以上５％以下の撥水砂１１に対する重量比を有するようにしている。このような構成にすれば、撥水性と、力学的安定性とを両立させることができる。すなわち、前記重量比の範囲内ならば、撥水処理によって力学的安定性が低下しすぎず、一塊のブロックとして、より力学的に安定な振る舞を示すことができる一方、撥水機能も十分に発揮することができる。

以上の結果から、撥水砂へのセメント添加率と、空隙率及び撥水性と、力学的安定性とを評価した結果を表１に示す。撥水性及び力学的安定性の両方を満たす、撥水砂の混合物は、空隙率は３９％以上４６％以下を有することも明らかになった。

なお、砂粒子を豊浦砂とすることで、豊浦砂の砂粒子の表面を有機分子部で被覆された撥水砂を提供することができ、このような撥水砂からなる、撥水砂を安定化した凝固物は、撥水性と力学的安定性の両方の特性を満たすことができる。

また、撥水砂を安定化した凝固物は、撥水砂をセメントで固着しているため、空隙率が大きく、３９％以上４６％以下の範囲とすることにより、撥水性と力学的安定性との両方の特性を満たしつつ、通気性に優れた撥水砂の混合物を凝固物として得ることができる。

例えば、有機分子と粒子とがＳｉ−Ｏ結合する。Ｓｉは有機分子が結合し、Ｏは砂粒子が結合していることにより、有機分子部と砂粒子とが強固に結合しているため、有機分子部が脱離しにくく、撥水性を長期にわたって維持することが可能となる。

また、有機分子部がフッ化炭素基と炭化水素基からなることで、優れた撥水性能を示す。さらに、前記フッ化炭素基と炭化水素基からなる有機分子部がＣＦ_３（ＣＦ_２）_７（ＣＨ_２）_２−であることで、一層優れた撥水性能を示す。

最後に、本発明者らが特許文献を考察することによって得られた本発明の基礎となった知見を説明する。

農場の土壌改良又は道路等の土木工事施工を行う際に、撥水ブロックに比較して、撥水砂は撥水性能が良好で、自由な形状に施工することが可能である反面、撥水砂は表面の摩擦が小さく滑りやすいため、傾斜形状や垂直形状に施工する場合に形態保持が困難である。

特許文献１は、コンクリート表面にアルキルアルコキシシランをノニオン性乳化剤及びアニオン性乳化剤を塗布するものである。しかし、当技術は表面撥水のための技術である。経年劣化現象により、コンクリート表面に塗布された材料が剥離し、コンクリート表面が露出する場合がある。また、経年劣化現象などにより、コンクリートが割れることにより、割れた部分の表面が露出する。このような露出された面の撥水性を保証できない。また、本発明が示す吸水率は５％程度であり、撥水性を示すものでない。

特許文献２は、モルタル、コンクリート成形物を作製する際に、骨材、セメント、水等とシリコーンオイルを混合して作製するものである。当技術によりモルタルの吸水率は０．４３（％）まで低減できるとしている。しかしながら、撥水剤とするシリコーンオイルを成形体全体に均一に混合することが難しいと考えられる。

特許文献４等では、油性シリコーンを用い撥水処理した砂を用い、これを水性溶剤が含まれない水でモルタル成形した場合、吸水率が４〜５％となる。また、撥水処理しない砂の場合と比べて吸水率が２％〜３％しか低減せず、この値が通常砂の吸水率２％程度にほぼ等しいことが分かる。そのため、この撥水処理は、単に砂粒子内部へ水が浸透しないようにするだけであり、モルタル成形体として防水性があることに疑問が残る。そのため、モルタル成形体として防水性を高めるべく、水性溶剤としてステアリン酸塩を加えた場合、０．５％以上２％以下の吸水率を有する防水性モルタルの技術開発を追記している。また特許文献３等は、シランカップリング剤で表面処理した骨材を５０％以上含み、さらにアクリル系単量体を含有する水性液剤を混合する場合の高強度セメント硬化体を製造することを特徴とする。このため、両先行特許はモルタル成形体の撥水性を砂表面に施されたシランカップリング剤によるというよりはむしろ、同時に混合する水性溶剤に大きく寄与するものと考えられる。つまり、砂に撥水処理する技術のみを生かした撥水性成形物を製品開発したものではないと考えられる。

第１実施形態の混合物は、撥水砂元来の撥水性の発揮は勿論、撥水砂を土壌改良材又は地盤材として用いた場合の施工又は維持管理容易にする力学的安定性を確保できる凝固体を成形するものである。これにより、土壌改良材又は地盤材に要求される撥水性、通気性、堅牢性、及び、耐摩耗性を備えた材料として農業整備対象となる土壌改良又は水利施設への適用が期待される。

また、第１実施形態にかかる、撥水砂とセメントとを少なくとも含み、セメントの撥水砂に対する重量比が２％以上５％以下である、撥水砂の混合物は、セメントの水和反応による撥水砂間の凝固が力学的安定性の改善をもたらし、撥水性を有し、砂の表面が滑りにくいため、ブロック形状を保持できる。

（第２実施形態）
第１実施形態では、粒子１１とセメント１２との撥水砂の混合物１を説明したが、第２実施形態では、撥水処理された粒子１１とセメント１２との撥水砂の混合物１を用いた構造体の例を説明する。

図２に、撥水処理された粒子１１とセメント１２との撥水砂の混合物１を用いた構造体の例を示す。図２は、川等の堤防の断面図である。

図２に示す構造体は、基底部２２と、側面部２３、２４と、堤防２５とを備える。側面部２３、２４は、基底部２２から上部方向に斜めに延びた形状を有している。図２に示す構造体を上下方向沿いの断面から見て、基底部２２、側面部２３、２４、及び堤防２５で、下向き凸形状の凹部を形成している。図２に示す構造物の内部（凹部）に、水が位置するため、構造体（凹部）の表面は、一例として、撥水性を有する。すなわち、ここでの構造体（凹部）の表面とは、基底部２２の上面と、側面部２３、２４の上面と、堤防２５の凹部側の側面である。

第２実施形態に係る構造体は、側面部２３及び堤防２５の少なくとも一部を第１実施形態の撥水物の混合物１で構成する。図２に示す構造体の斜線部分は、第１実施形態の撥水物の混合物１で構成する部分の一例である。

このように、側面部２３及び堤防２５の少なくとも一部を第１実施形態の撥水物の混合物１で構成するためには、構造体の施工中に、所定の形状に形成でき、かつ、所定以上の撥水性及び強度を、撥水物の混合物１が有することが必要になる。

図３に、堤防２５を形成する前の状態を示す。図３に示す材料２６は、堤防２５を形成するための材料である。例えば、材料２６として、セメントを混合していない撥水砂を用いた場合には、（知見）の欄で説明したように、図３に示す材料２６は崩れてしまうため、堤防２５の所定の形状を形成することが困難である。

一方、基底部２２、側面２３、２４、及び堤防２５のような異なる形状を、撥水性を有する混合物で形成することが求められる。そのためには、施工する場所に応じて、形状を変化させることが求められる。このため、セメントの重量比が高いモルタルのような材料の場合には、形状を変化させることが困難になる。

第１実施形態に係る撥水砂の混合物１は、撥水性及び一定以上の強度を有するため、施工する場所に応じて異なる形状が求められ、かつ、一定以上の高さを有する起立した構造体を形成する材料として、使用に適している。よって、撥水砂の混合物１を使用して、側面部２３及び堤防２５の少なくとも一部（図２の斜線部分）を第１実施形態の撥水物の混合物１で構成することができる。さらには、側面部２３及び堤防２５を第１実施形態の撥水物の混合物１のみで構成することもできる。

このとき、堤防２５は、第１実施形態の撥水砂の混合物１のみで構成されかつ設置面に対して台形状断面形状又は矩形状断面形状を有するように起立した撥水砂構造体の一例である。また、第１実施形態の撥水砂の混合物１を、傾斜面（例えば側面部２３）又は大略水平面などに平面的に敷き詰めて、撥水砂が風などで飛びにくいように又は水で流されないようにすることも可能である。

なお、図２及び図３では、構造体として堤防の例を示したが、内部に水等の液体を溜める構造、又は水等の液体の侵入を防ぐための構造体にも適用可能である。

ここで、一例として、図５を基に、前記撥水砂の混合物１で構造体を構成するときの、平行すべりによる構造体の斜面の崩壊について考えてみる。なお、下記の算定値に対して破壊の確率分布を考えた信頼性設計理論をさらに考慮するようにしてもよい。

地表からすべり線までの深さをＨとし、斜面長をＬとし、斜面の傾斜角をαとする。また、５０は、仮定するすべり面であり、土塊５１のせん断抵抗力をＳとし、せん断抵抗力Ｓに対して垂直な垂直抗力をＰとする。

すると、すべり面に対する垂直方向の釣り合いは：
Ｐ＝Ｗ・ｃｏｓα ・・・・・・（１）
となり、
すべり面方向の釣り合いは：
Ｓ＝Ｗ・ｓｉｎα ・・・・・・（２）
となり、
破壊条件式は：
Ｆ＝（Ｐ・ｔａｎφ＋ｃ・Ｌ）／Ｓ・・・・・・（３）
＝（最大限破壊に耐えうる抵抗力）／（すべり面に作用する力）
となる。

ここで、Ｆは安全率とし、φは土の内部摩擦角（表１の内部摩擦角）とし、ｃは土の粘着力（表１の粘着力）とする。

ここで、Ｆ≦１のときは、最大限破壊に耐えうる抵抗力が、すべり面に作用する力以下であるので、破壊することになる。

Ｆ＞１では、最大限破壊に耐えうる抵抗力が、すべり面に作用する力を上回るので、破壊しない。

次に、式（３）に、式（１）及び式（２）を代入すると、
Ｆ＝（Ｗ・ｃｏｓα・ｔａｎφ＋ｃ・Ｌ）／（Ｗ・ｓｉｎα）
＝（ｔａｎφ／ｔａｎα）＋（ｃ・Ｌ／Ｗ・ｓｉｎα）・・・・（４）
となる。

ここで、土塊の単位体積重量をγ（＝表１の内部摩擦角×９．８１）とすると、土塊重量（土塊の自重）Ｗは、斜面長Ｌを用いて、
Ｗ＝γ・Ｈ・Ｌ・ｃｏｓα ・・・・・・（５）
となる。ただし、１ｇｆ／ｃｍ^３＝９．８１ｋＮ/ｍ^３とする。

次に、式（４）に式（５）を代入すると、
Ｆ＝（ｔａｎφ／ｔａｎα）＋｛ｃ・Ｌ／（γ・Ｈ・Ｌ・ｃｏｓα・ｓｉｎα）｝
＝（ｔａｎφ／ｔａｎα）＋｛ｃ／（γ・Ｈ・ｃｏｓα・ｓｉｎα）｝
・・・・・・（６）
＝（内部摩擦角）＋｛粘着力｝
となる。

以下に、前記撥水砂の混合物１であるセメント入り撥水砂層のせん断強度定数を用いたときの、破壊に至らないと考えられる最大の斜面角度を求める。

（ａ）セメント添加率（セメントの撥水砂に対する重量比）が２％のとき、
φ＝３３．２°、ｃ＝０（ｋＮ／ｍ^２）、γ＝１４．６（ｋＮ／ｍ^３）である。

式（６）でＦ＝１のときに破壊が発生するので、これらの値を式（６）に代入すると、
Ｆ＝１＝（ｔａｎ３３．２°／ｔａｎα）＋｛０／（１４．６・Ｈ・ｃｏｓα・ｓｉｎα）｝
となる。

ｃ＝０であるので、斜面の角度＝内部摩擦角となり、傾斜角α＝３３．２°となる。

つまり、前記撥水砂の混合物１であるセメント入り撥水砂層の傾斜角αが３３°程度の斜面ならば、破壊しないことになる。

（ｂ）セメント添加率（セメントの撥水砂に対する重量比）が３４％のとき及び４％のとき
順に、φ＝３４．６°、φ＝４０．３°である。

このとき、何れも、ｃ＝０（ｋＮ／ｍ^２）である。

よって、（ａ）の場合と同様に、ｃ＝０であるので、斜面の角度＝内部摩擦角となり、
順に、α＝３４．６°、α＝４０．３°となる。

よって、セメント３％のときは、前記撥水砂の混合物１であるセメント入り撥水砂層の傾斜角αが３４°ぐらいの斜面であれば、破壊しない。また、セメント４％のときは、前記撥水砂の混合物１であるセメント入り撥水砂層の傾斜角αが４０°ぐらいの斜面であれば、破壊しない。

（ｃ）セメント添加率（セメントの撥水砂に対する重量比）が５％のとき
粘着力があるため、式（６）の右辺の第２項によって、安全率Ｆが大きくなり、より破壊しにくくなる。

φ＝３８．６°、ｃ＝４０．４（ｋＮ／ｍ^２）、γ＝１５．２９（ｋＮ／ｍ^３）である。

また、セメント入り撥水砂層の厚みによって、深さＨが変化する。なお、深さＨは分母であるため、セメント入り撥水砂層の厚みが大きくなるほど、安全率Ｆが小さくなり、破壊しやすくなる。

前記値を式（６）に代入すると、
Ｆ＝１＝（ｔａｎ３８．６°／ｔａｎα）＋４０．４／（１５．２９・Ｈ・ｃｏｓα・ｓｉｎα）・・・・・・（７）
となる。

式（７）より、下記の表２となる。

式（７）より、厚さ１０（ｍ）のセメント撥水砂層は、斜面角が９０°超となるので、垂直壁にしても破壊しないことになる。

したがって、このような破壊しない撥水砂構造体２５の例としては、構造体２５は、撥水砂１１とセメント１２との混合物１で構成され、下面２５ａと側面２５ｂとを有している。セメント１２は、２％以上４％以下の撥水砂１１に対する重量比を有している。下面２５ａと側面２５ｂとが形成する角度ｙは、撥水砂１１に対する重量比をｘとしたとき、ｘ＝２のときα＝３３．２、ｘ＝３のときα＝３４．６、ｘ＝４のときα＝４０．３であることから、これらの値に基づく近似式として、
０＜ｙ≦２．１５ｘ^２−９．３５ｘ＋４３．３が成立し、この式を満たすように構成すればよい。

又は、破壊しない撥水砂構造体２５の別の例としては、構造体２５は、撥水砂１１とセメント１２との混合物１で構成され、下面２５ａと側面２５ｂとを有している。セメント１２は、５％以下（でかつ２％以上）の撥水砂１１に対する重量比を有している。構造体の高さが１０ｍ以下であり、又は、構造体の高さが１０ｍより大きいとき、下面２５ａと側面２５ｂとが形成する角度ｙは、構造体の高さをｈとしたとき、０＜ｙ≦１．０８ｈ^２−３０．９９ｈ＋２７３．８１を満たすように構成すればよい。

なお、上記様々な実施形態又は変形例のうちの任意の実施形態又は変形例を適宜組み合わせることにより、それぞれの有する効果を奏するようにすることができる。

本発明にかかる撥水砂の混合物及び撥水砂構造体は、撥水性及び一定以上の強度を有し、農業整備対象となる土壌改良、又は、水利施設への適用が可能である。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されているが、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形又は修正は明白である。そのような変形又は修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に含まれると理解されるべきである。

Claims

撥水砂とセメントとの混合物であって、前記セメントは、２％以上５％以下の前記撥水砂に対する重量比を有する、
撥水砂の混合物。
前記撥水砂は、表面が撥水処理されている粒子であり、前記撥水砂の砂粒子の平均粒径が５０μｍ以上５００μｍ以下である、
請求項１に記載の撥水砂の混合物。
撥水処理していない砂をさらに含む、
請求項１又は２に記載の撥水砂の混合物。
空隙率が３９％以上４６％以下である、
請求項１〜３のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物。
前記セメントは、複数の前記撥水砂の間に位置し、かつ、複数の撥水砂を互いに結合する、
請求項１〜４のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物。
請求項１〜５のいずれか１つに記載の撥水砂の混合物で構成されかつ設置面に対して起立した撥水砂構造体。
下面と側面とを有する撥水砂構造体であって、
前記構造体は、撥水砂とセメントとの混合物で構成され、
前記セメントは、２％以上４％以下の前記撥水砂に対する重量比を有し、
前記下面と前記側面とが形成する角度ｙは、前記撥水砂に対する重量比をｘとしたとき、
０＜ｙ≦２．１５ｘ２−９．３５ｘ＋４３．３を満たす、
撥水砂構造体。
下面と側面とを有する撥水砂構造体であって、
前記構造体は、撥水砂とセメントとの混合物で構成され、
前記セメントは、５％以下の前記撥水砂に対する重量比を有し、
前記構造体の高さが１０ｍ以下であり、又は、前記構造体の高さが１０ｍより大きいとき、前記下面と前記側面とが形成する角度ｙは、前記構造体の高さをｈとしたとき、０＜ｙ≦１．０８ｈ^２−３０．９９ｈ＋２７３．８１を満たす、
撥水砂構造体。