WO2014045583A1 - 撥水砂の混合物及び撥水砂構造体 - Google Patents

撥水砂の混合物及び撥水砂構造体 Download PDF

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WO2014045583A1
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sand
repellent
cement
mixture
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PCT/JP2013/005539
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田尾本 昭
美濃 規央
正一 木山
村上 章
利彦 河地
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パナソニック株式会社
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    • C04B14/04Silica-rich materials; Silicates
    • C04B14/06Quartz; Sand
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    • A01G24/12Growth substrates; Culture media; Apparatus or methods therefor based on or containing inorganic material containing soil minerals
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    • C04B2111/27Water resistance, i.e. waterproof or water-repellent materials
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    • E02B3/04Structures or apparatus for, or methods of, protecting banks, coasts, or harbours
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    • E02B3/122Flexible prefabricated covering elements, e.g. mats, strips
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    • Y02P60/21Dinitrogen oxide [N2O], e.g. using aquaponics, hydroponics or efficiency measures

Definitions

  • the present invention relates to a water-repellent sand mixture and a water-repellent sand structure having water repellency and a certain level of strength.
  • the conventional water-repellent treatment technology for civil engineering materials has been developed under normal compounding conditions of concrete and mortar, and has been aimed at improving the water-repellent performance of airtight structures.
  • Patent Document 1 As a prior patent close to the present invention, there is a development of an aqueous organosilicon composition as a penetrable water absorption preventing material as a prior patent on solid mortar with few voids and water repellent technology for concrete (Patent Document 1). Moreover, there exists development of the mortar or concrete composition excellent in water repellency which adds a silicone oil, has a calcareous raw material and a siliceous raw material as a main component, and does not cause a strength fall (patent document 2).
  • Patent Document 3 As a prior patent for water-repellent treatment on the surface of mortar and cement sand aggregate, there is an example using a waterproof mortar (Patent Document 3) and a method for producing a high-strength cement hardened body (Patent Document 4). .
  • Water repellent sand has better water repellency than water repellent blocks and can be constructed in any shape when performing soil improvement on a farm or civil engineering work such as roads. Since sand has a small surface friction and is easy to slip, it is difficult to maintain the form when it is applied in an inclined shape or a vertical shape.
  • an object of the present invention is to provide a water repellent sand mixture and a water repellent sand structure having water repellency and a certain level of strength.
  • One embodiment of the present invention is a mixture of water repellent sand and cement, wherein the cement has a weight ratio of 2% to 5% with respect to the water repellent sand.
  • Another aspect of the present invention is a water-repellent sand structure that is composed of the water-repellent sand mixture and stands up with respect to the installation surface.
  • the mixture of water repellent sand and the water repellent sand structure according to one embodiment of the present invention have water repellency and a certain level of strength.
  • FIG. 1 is a schematic view of the mixture of the first embodiment
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the structure according to the second embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the structure according to the second embodiment.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view in the case where the structure of the first embodiment further includes sand that has not been subjected to water repellent treatment.
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for obtaining the inclination angle when the slope of the structure of the second embodiment does not break.
  • a mixture of water repellent sand and cement wherein the cement has a weight ratio of 2% or more and 5% or less to the water repellent sand.
  • the cement has a weight ratio of 2% or more and 5% or less to the water repellent sand.
  • the water-repellent sand is a particle whose surface is subjected to water-repellent treatment, and the average particle size of the sand particles of the water-repellent sand is 50 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • a mixture of water-repellent sand according to the first aspect is provided.
  • the present invention further comprises sand that has not been subjected to water repellent treatment.
  • a mixture of water repellent sand according to the first or second aspect is provided.
  • the porosity is 39% or more and 46% or less.
  • a mixture of water repellent sand according to any one of the first to third aspects is provided.
  • a mixture of water-repellent sand having excellent breathability can be obtained as a coagulated product while satisfying both water repellency and mechanical stability more reliably.
  • the cement is located between the plurality of water repellent sands, and binds the plurality of water repellent sands to each other.
  • a water-repellent sand mixture according to any one of the first to fourth aspects is provided.
  • a plurality of water-repellent sands are bonded to each other by cement, and a mixture having high mechanical stability can be obtained.
  • a water-repellent sand structure which is composed of the water-repellent sand mixture according to any one of the first to fifth aspects and stands up with respect to an installation surface.
  • a water repellent sand structure having a lower surface and a side surface,
  • the structure is composed of a mixture of water repellent sand and cement;
  • the cement has a weight ratio to the water-repellent sand of 2% or more and 4% or less,
  • the angle y formed by the lower surface and the side surface is as follows when the weight ratio to the water-repellent sand is x: 0 ⁇ y ⁇ 2.15x2 ⁇ 9.35x + 43.3 is satisfied,
  • a water repellent sand structure is provided.
  • a water-repellent sand structure having a lower surface and a side surface,
  • the structure is composed of a mixture of water repellent sand and cement;
  • the cement has a weight ratio to the water-repellent sand of 5% or less;
  • the water-repellent sand structure according to the seventh or eighth aspect may be composed of only the water-repellent sand mixture according to any one of the first to fifth aspects, or the first The mixture of water-repellent sand according to any one of the fifth to fifth aspects may be configured to be exposed on at least a part of the surface.
  • Water-repellent sand refers to particles whose surfaces (sand particles) have been subjected to water-repellent treatment.
  • the water-repellent treated particles are also referred to as “water-repellent sand”.
  • Water repellency means having a contact angle of 90 ° or more with respect to a liquid.
  • the present inventors envisage constructing a farm soil improvement or road using a member having water repellency.
  • a member having water repellency a material having high strength (such as mortar) shown in Patent Document 1 has been used.
  • a material having high strength is difficult to deform a predetermined shape.
  • the water-repellent member is required to change its shape depending on the construction site. A specific configuration will be described later.
  • the present inventors have attempted to form a member that is easy to change its shape in addition to having water repellency by utilizing water-repellent sand.
  • a certain shape can be maintained by including a liquid in the sand.
  • the water repellent sand repels liquid, it is broken even if the water repellent sand is stacked, and it is difficult to maintain the shape.
  • FIG. 1 the schematic diagram of the mixture 1 of the water repellent sand of 1st Embodiment is shown.
  • the water repellent sand mixture 1 includes a large number of particles 11 and cement 12 that have been subjected to water repellent treatment.
  • the water-repellent treated particles 11 are also referred to as “water-repellent sand”.
  • the plurality of water-repellent treated particles 11 are bonded to each other via cement 12.
  • the water-repellent sand mixture 1 has a water repellency and a certain strength or more by containing a cement 12 having a weight ratio of 2% to 5% with respect to the water-repellent treated particles 11. Details will be described later.
  • Water repellent sand An example of water-repellent sand is a particle whose surface has been subjected to water-repellent treatment.
  • the particles are treated with a water repellent using a water repellent containing at least one kind selected from a chlorosilane-based material, an alkoxysilane-based material, a silicone-based material, a fluorine silicone-based material, and an acrylic emulsion-based water repellent. Is done.
  • chlorosilane-based material examples include heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyltrichlorosilane or normal octadecyldimethylchlorosilane.
  • alkoxysilane-based material examples include normal octadecyltrimethoxysilane or nonafluorohexyltriethoxysilane.
  • the water-repellent-sand mixture 1 includes particles 22 that are not water-repellent-treated in the water-repellent sand mixture 1. You may do it. If the water-repellent sand mixture 21 contains the water-repellent sand 11 at a predetermined ratio or more (weight ratio described later), the water-repellent sand mixture 21 can be obtained even if the water-repellent particles 22 are included. It has water repellency and a certain level of strength.
  • the particles have an average particle size of 50 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less.
  • the particles of water repellent sand include gravel, sand, silt, and clay.
  • Gravel is a particle having a particle diameter of 2 mm to 75 mm.
  • Sand is a particle having a particle diameter greater than 0.075 mm and 2 mm or less.
  • Silt is a particle having a particle diameter of greater than 0.005 mm and 0.075 mm or less.
  • Clay is a particle having a particle size of 0.005 mm or less.
  • particles are soil and glass beads.
  • the soil includes inorganic substances, colloidal inorganic substances, coarse organic substances, or organic substances generated by alteration due to decomposition action of microorganisms and the like.
  • a suitable example of the particles is Toyoura sand (Toyoura Soseki Mining Co., Ltd.). Toyoura sand has a large weight ratio of particles having a particle size of 106 ⁇ m or more and 425 ⁇ m or less.
  • Cement means a powder that hardens when mixed with water repellent sand or water.
  • An example of a cement is Portland cement.
  • ⁇ S1 Preparation step> Prepare water-repellent sand and cement.
  • ⁇ S2 mixing step> First, cement and water are mixed to produce a “mixture of cement and water”.
  • the cement has a weight ratio with respect to the water-repellent sand of 2% or more and 5% or less.
  • ⁇ S3: Drying process> The mixture of the produced water repellent sand and the “mixture of cement and water” is dried in the air to produce a mixture of water repellent sand and cement (that is, a mixture of water repellent sand).
  • the cement has a weight ratio with respect to the water repellent sand of 2% or more and 5% or less.
  • Example 1 First, the surface of Toyoura sand is subjected to water repellent treatment using (heptadecafluoro-1,1,2,2-tetrahydrodecyl) trichlorosilane and CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 SiCl 3 ). Got water repellent sand.
  • cement mixture a mixture of ordinary Portland cement and water was obtained.
  • the weight ratio of water to cement was 1: 2.
  • a mixture of ordinary Portland cement and water is also referred to as a “cement mixture”.
  • water repellent sand has hydrophobicity
  • water repellent sand, cement, and water are uniformly mixed so as to have a weight ratio of water and cement of about 0.5, It was found that condensation does not take place sufficiently.
  • the weight ratio between water and cement was 0.5, 1, and 2, and the weight ratio between water and cement at which practical water repellent sand condensation was obtained was 2.
  • a cement mixture and a mixture of water repellent sand were mixed to obtain a mixture of water repellent sand and cement.
  • the cement mixture was rubbed against the surface of the water repellent sand.
  • the cement mixture was rubbed by hand onto the surface of the water repellent sand. That is, the water-repellent sand was mixed with the cement mixture at a predetermined pressure or more so that the water-repellent treated particles and the cement were in contact with each other.
  • the water repellent treated particles and the cement are mixed so that shear stress is applied to the water repellent treated particles by the cement.
  • the particle surface and cement (cement particles) are directly bonded to each other by breaking the water-repellent treatment on a part of the particle surface.
  • a plurality of water-repellent treated particles are bonded to each other by cement (cement particles) bonded to a part of the water-repellent treated particles.
  • a mixture of water repellent sand and cement (that is, a mixture of water repellent sand) was hardened with a predetermined force.
  • the predetermined force was the standard compaction energy (550 kJ / m 3 ) defined in JIS 1210 “Soil compaction test by tamping”.
  • the mixture of hardened water repellent sand and cement was cured in the air (in a room with an air temperature of 20 ⁇ 2 (° C.) and a humidity of 50 ⁇ 10 (%)) for 7 days.
  • the cement contained in the prepared mixture (that is, the mixture of water repellent sand) had a weight ratio of 3% to the water repellent sand.
  • the dry density of the mixture was 1.462 g / cm 3 and the water content ratio was 0.3.
  • the porosity of the prepared mixture was 43.8%.
  • the water repellency evaluation will be described.
  • the prepared mixture was cut into a cylindrical shape having a diameter of about 2 cm and a length of about 2 cm. 3 ⁇ L of water droplets were dropped from the injection needle onto the flat surfaces at both ends, and the contact angle from the solid-liquid interface toward the gas-liquid interface was measured for the water droplets placed on the flat surface to obtain an apparent contact angle. The measurement was performed 10 times, and the average value of the contact angle was 116.4 °.
  • Mechanical stability evaluation means the strength of the mixture. A single-surface shear test was performed on the mixture having a diameter of 6 cm and a height of 2 cm, and the shear strength, the internal friction angle, and the adhesive strength were measured.
  • the test was conducted according to a soil single-side shear test (JGS 0560, 0561).
  • this test was classified as a simple constant pressure test under non-consolidation and non-drainage conditions.
  • the internal friction angle was 34.6 °
  • the adhesive strength was 0.0 kN / m 2 .
  • the “shear strength” is the limit strength of a material or structure that can withstand shearing.
  • "Internal friction angle (internal frictional angle)" means that when a part of an object moves inside the object from the sliding surface (when it is replaced with the ground, landslide occurs)
  • the frictional resistance is an angle with a straight horizontal axis when the frictional resistance is expressed by the relationship between the vertical stress (horizontal axis) and the shear resistance (vertical axis).
  • Example 2 A test similar to that of Example 1 was performed except that the cement had a weight ratio to 2% water repellent sand. Table 1 shows the results.
  • Example 3 A test similar to that of Example 1 was performed except that the cement had a weight ratio to 4% water repellent sand. Table 1 shows the results.
  • Example 4 A test similar to Example 1 was performed except that the cement had a weight ratio to 5% water repellent sand. Table 1 shows the results.
  • the contact angle of the prepared mixture was 105.1 °. It was confirmed that the mixture according to Example 5 had water repellency although the contact angle of the mixture consisting of only water repellent sand and having a cement addition rate of 3% had a low contact angle with respect to 116.4 °.
  • the water-repellent sand according to Comparative Example 1 was sprayed on the double-sided tape affixed on the slide glass, and adhered to a flat surface, and excess water-repellent sand that was not fixed was dropped to prepare a sample for evaluation. An attempt was made to perform the test with a water droplet amount of 3 ⁇ L, but the apparent contact angle could not be measured. That is, the mixture according to Comparative Example 1 was easily broken, and the cylindrical sample could not be cut into a length of about 2 cm, and the contact angle could not be measured.
  • a sample for evaluation of mechanical stability was prepared by solidifying until the density was equal to 1.463 g / cm 3 so that the density was equal to that of the evaluation sample having a cement addition rate of 3%.
  • the porosity was 44.8%
  • the internal friction angle was 26.1 °
  • the adhesive strength was 0.0 kN / m 2 .
  • Example 2 A test similar to Example 1 was performed except that the cement had a weight ratio to 1% water repellent sand. Table 1 shows the results.
  • the contact angle of the mixture according to Comparative Example 2 could not be measured. That is, when a water droplet is brought into contact with the mixture in an attempt to drop the water droplet from the injection needle onto the mixture according to Comparative Example 2, the mixture adheres to the water droplet itself and cannot be dropped (that is, the water droplet is placed on the mixture with the injection needle). Even if it tried to drop, the mixture was sucked into the water droplets of the injection needle), and the contact angle could not be measured.
  • Example 3 A test similar to Example 1 was performed except that the cement had a weight ratio to 6% water repellent sand. Table 1 shows the results.
  • Example 4 The same test as in Example 1 was performed except that the cement had a weight ratio to 7% water repellent sand. Table 1 shows the results.
  • Example 5 A test similar to that of Example 1 was performed except that the cement had a weight ratio to 9% water repellent sand. Table 1 shows the results.
  • Comparative Example 6 The test was performed in the same manner as in Comparative Example 1 except that the water-repellent sand was changed to sand that was not subjected to water-repellent treatment (hereinafter referred to as “standard sand”).
  • the standard sand according to Comparative Example 6 did not show water repellency because water droplets immediately soaked into the sand. Also, the sample was evaluated until it had a dry density equal to 1.463 g / cm 3 , which was the same as the water-repellent sand without addition of cement, to prepare a sample for evaluating mechanical stability. As a result of the measurement, the internal friction angle was 35.1 °, and the adhesive strength was 0.0 kN / m 2 .
  • Comparative Example 7 A test similar to Comparative Example 6 was performed except that the cement had a weight ratio of 33%. Table 1 shows the results.
  • the cement has a weight ratio to the water-repellent sand of 2% to 5%.
  • the mixtures according to Examples 1 to 5 have a contact angle of 90 ° or more and an internal friction angle of a predetermined value or more.
  • the internal friction angle of non-water-repellent sand (standard sand) is 35.1 °, while the internal friction angle of water-repellent sand is 26.1 °. Was shown to decrease. However, the internal friction angle increases according to the cement addition rate to the water repellent sand, and the internal friction angle becomes 33.2 ° at the cement addition rate of 2%.
  • the water repellent sand has the same mechanical stability as the standard sand. It turns out that it has recovered until it is held.
  • the internal friction angle of water-repellent sand with a cement addition rate of 4% exceeds the internal friction angle of standard sand and shows mechanically excellent mechanical stability.
  • the cement has a weight ratio of 4% or more and 5% or less to the water-repellent sand.
  • water-repellent sand to which no cement is added has a contact angle of 130 ° and exhibits excellent water repellency.
  • the contact angle decreased as the cement addition rate increased, and water repellency was not exhibited at a cement addition rate of 6% or more.
  • the contact angle is 116.4 ° with water-repellent sand alone, whereas the contact angle is 105.1 ° when 10% of standard sand is mixed with water-repellent sand. The water repellency was lowered, but the water repellency was maintained.
  • the mixture 1 of the water repellent sand according to the first embodiment is a mixture of the water repellent sand 11 and the cement 12, and the cement 12 has a weight ratio with respect to the water repellent sand 11 of 2% or more and 5% or less. I am doing so. With such a configuration, both water repellency and mechanical stability can be achieved. That is, within the above weight ratio range, the water-repellent treatment does not reduce the mechanical stability too much, and can exhibit a more dynamically stable behavior as a block of blocks, but also has a sufficient water-repellent function. Can be demonstrated.
  • Table 1 shows the results of evaluating the cement addition ratio, porosity, water repellency, and mechanical stability to the water repellent sand. It has also been found that a mixture of water repellent sand that satisfies both water repellency and mechanical stability has a porosity of 39% to 46%.
  • Toyoura sand as the sand particles, it is possible to provide water-repellent sand in which the surface of the Toyoura sand is covered with organic molecular parts.
  • the stabilized coagulum can satisfy both water repellency and mechanical stability properties.
  • the water-repellent sand-stabilized solidified product has a large void ratio because the water-repellent sand is fixed with cement, so that the water-repellent and mechanical stability range from 39% to 46%.
  • a mixture of water repellent sand having excellent air permeability can be obtained as a coagulated product while satisfying both of these characteristics.
  • Si—O bonds between organic molecules and particles Since organic molecules are bonded to Si and sand particles are bonded to O, the organic molecular portion and sand particles are firmly bonded, so the organic molecular portion is not easily detached and water repellency is maintained for a long time. It becomes possible to do.
  • the water-repellent performance which was excellent because the organic molecular part consists of a fluorocarbon group and a hydrocarbon group. Furthermore, when the organic molecular part composed of the fluorocarbon group and the hydrocarbon group is CF 3 (CF 2 ) 7 (CH 2 ) 2 —, further excellent water repellency is exhibited.
  • Water repellent sand has better water repellency than water repellent blocks and can be constructed in any shape when performing soil improvement on farms or roads, etc. Since sand has a small surface friction and is slippery, it is difficult to maintain its shape when it is constructed in an inclined shape or a vertical shape.
  • Patent Document 1 applies alkyl alkoxysilane to a concrete surface with a nonionic emulsifier and an anionic emulsifier.
  • this technique is a technique for surface water repellency. Due to the aging phenomenon, the material applied to the concrete surface may be peeled off and the concrete surface may be exposed. Moreover, the surface of the cracked part is exposed when the concrete is cracked due to an aged deterioration phenomenon or the like. The water repellency of such an exposed surface cannot be guaranteed. Moreover, the water absorption rate which this invention shows is about 5%, and does not show water repellency.
  • Patent Document 2 is prepared by mixing aggregate, cement, water, etc. with silicone oil when preparing mortar and concrete moldings. According to this technology, the water absorption rate of mortar can be reduced to 0.43 (%). However, it is considered difficult to uniformly mix the silicone oil as the water repellent agent into the entire molded body.
  • Patent Document 4 when water-repellent-treated sand using oil-based silicone is used and mortar-molded with water containing no aqueous solvent, the water absorption is 4 to 5%. In addition, the water absorption is reduced by only 2% to 3% compared to the case of sand without water repellent treatment, and it can be seen that this value is approximately equal to the water absorption of about 2% of normal sand. Therefore, this water-repellent treatment merely prevents water from penetrating into the sand particles, and it remains doubtful that the mortar molded body is waterproof.
  • Patent Document 3 and the like are characterized by producing a high-strength cement hardened body in the case of mixing an aqueous solution containing 50% or more of an aggregate surface-treated with a silane coupling agent and further containing an acrylic monomer. And for this reason, both prior patents are thought to contribute greatly to the aqueous solvent mixed at the same time, rather than relying on the silane coupling agent applied to the sand surface for the water repellency of the mortar compact. In other words, it is considered that the product was not developed as a water-repellent molded product using only water repellent technology for sand.
  • the mixture of the first embodiment can ensure mechanical stability that facilitates construction or maintenance when the water repellent sand is used as a soil improvement material or a ground material, as well as the original water repellency of the water repellent sand.
  • a solidified body is formed. This is expected to be applied to soil improvement or water use facilities that are subject to agricultural maintenance as materials having water repellency, breathability, robustness, and abrasion resistance required for soil improvement materials or ground materials.
  • the mixture of water-repellent sand according to the first embodiment which contains at least water-repellent sand and cement and the weight ratio of cement to the water-repellent sand is 2% or more and 5% or less, is based on the hydration reaction of cement.
  • the solidification between the water-repellent sands improves the mechanical stability, has water repellency, and the sand surface is difficult to slip, so that the block shape can be maintained.
  • FIG. 2 shows an example of a structure using a water-repellent sand mixture 1 of water-repellent treated particles 11 and cement 12.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a dike such as a river.
  • the structure shown in FIG. 2 includes a base portion 22, side portions 23 and 24, and a dike 25.
  • the side portions 23 and 24 have a shape extending obliquely from the base portion 22 in the upper direction.
  • the base portion 22, the side surface portions 23 and 24, and the bank 25 form a concave portion having a downward convex shape.
  • the surface of the structure (concave part) has water repellency as an example. That is, the surface of the structure (concave portion) here is the upper surface of the base portion 22, the upper surfaces of the side surface portions 23 and 24, and the side surface of the levee 25 on the concave portion side.
  • the side surface portion 23 and the dike 25 is constituted by the mixture 1 of the water repellent material of the first embodiment.
  • the hatched portion of the structure shown in FIG. 2 is an example of a portion configured with the water-repellent mixture 1 of the first embodiment.
  • the water repellent mixture 1 in order to configure at least a part of the side surface portion 23 and the dike 25 with the water repellent mixture 1 of the first embodiment, it can be formed into a predetermined shape during construction of the structure, and It is necessary for the water repellent mixture 1 to have the above water repellency and strength.
  • FIG. 3 shows a state before the embankment 25 is formed.
  • a material 26 shown in FIG. 3 is a material for forming the bank 25.
  • the material 26 shown in FIG. It is difficult to form a shape.
  • the water-repellent sand mixture 1 according to the first embodiment has water repellency and a certain level of strength, a different shape is required depending on the place of construction, and the upright structure has a certain level of height. It is suitable for use as a material for forming. Therefore, by using the mixture 1 of water repellent sand, at least a part (shaded portion in FIG. 2) of the side surface portion 23 and the embankment 25 can be configured with the mixture 1 of the water repellent material of the first embodiment. Furthermore, the side part 23 and the bank 25 can also be comprised only with the mixture 1 of the water repellent of 1st Embodiment.
  • the embankment 25 is an example of the water-repellent sand structure that is composed only of the water-repellent sand mixture 1 of the first embodiment and stands up so as to have a trapezoidal cross-sectional shape or a rectangular cross-sectional shape with respect to the installation surface. It is.
  • the water-repellent sand mixture 1 of the first embodiment is laid flat on an inclined surface (for example, the side surface portion 23) or a substantially horizontal surface so that the water-repellent sand is not easily blown by wind or the like and is not flushed with water. It is also possible to do so.
  • an example of a dike is shown as the structure, but it can also be applied to a structure for storing a liquid such as water inside or a structure for preventing a liquid such as water from entering.
  • Reference numeral 50 denotes an assumed slip surface, in which the shear resistance force of the soil mass 51 is S, and the perpendicular resistance perpendicular to the shear resistance force S is P.
  • F is the safety factor
  • is the soil internal friction angle (internal friction angle in Table 1)
  • c is the soil adhesive strength (Table 1 adhesive strength).
  • 1 gf / cm 3 9.81 kN / m 3 .
  • the maximum slope angle that is considered not to cause breakage when using the shear strength constant of the water-repellent sand layer with cement, which is the mixture 1 of the water-repellent sand, is obtained.
  • the slope angle ⁇ of the water-repellent sand layer containing cement, which is the mixture 1 of the water-repellent sand is about 33 °, it will not break.
  • the cement when the cement is 3%, if the slope angle ⁇ of the water-repellent sand layer with cement, which is the mixture 1 of water-repellent sand, is about 34 °, it will not break. Further, when the cement is 4%, the cemented water-repellent sand layer, which is the mixture 1 of water-repellent sand, is not destroyed if the slope angle ⁇ is about 40 °.
  • the depth H varies depending on the thickness of the water-repellent sand layer containing cement. Since the depth H is the denominator, the greater the thickness of the cemented water-repellent sand layer, the smaller the safety factor F and the easier it is to break.
  • the cement water repellent sand layer having a thickness of 10 (m) has a slope angle of more than 90 °, so that it does not break even if it is a vertical wall.
  • the structure 25 is composed of the mixture 1 of the water-repellent sand 11 and the cement 12, and has a lower surface 25a and a side surface 25b.
  • the cement 12 has a weight ratio with respect to the water repellent sand 11 of 2% or more and 4% or less.
  • the structure 25 is comprised with the mixture 1 of the water repellent sand 11 and the cement 12, and has the lower surface 25a and the side surface 25b.
  • the cement 12 has a weight ratio with respect to the water repellent sand 11 of 5% or less (and 2% or more).
  • the angle y formed between the lower surface 25a and the side surface 25b is 0 ⁇ when the height of the structure is h It may be configured to satisfy y ⁇ 1.08h 2 ⁇ 30.99h + 273.81.
  • the mixture of water-repellent sand and the water-repellent sand structure according to the present invention have water repellency and a certain level of strength, and can be applied to soil improvement or water use facilities that are targets for agricultural maintenance.

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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

撥水砂の混合物及び撥水砂構造体
 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-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(CF(CHSiCl)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、JIS 1210「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)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であり、含水比は0.3であった。撥水砂の粒子密度2.65g/cmと、セメントの粒子密度3.13g/cm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(JGS 0560、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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 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(CF(CH-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=9.81kN/m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)、γ=14.6(kN/m)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)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)、γ=15.29(kN/m)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。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002

  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-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-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 (8)

  1.  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。
  2.  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。
  3.  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。
  4.  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。
  5.  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。
  6.  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。
  7.  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。
  8.  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-30.99h+273.81を満たす、
    撥水砂構造体。
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