JP4630655B2 - 土壌用混合固化材 - Google Patents

Description

本発明は、土壌用混合固化材に関し、詳しくは火山灰土を始めとして種々の土壌の強度を向上させることができる土壌用混合固化材に関する。

従来から、土質改良分野において、固化材としてセメント系材料や石灰系材料又はこれらの混合材料が主として用いられており、関東ローム等の火山灰土においても同様の材料が用いられている。

例えば、特許文献１（特開２００４−２９９９７２号公報）には、カルシウムアルミネート系クリンカ鉱物を含有し、かつ該カルシウムアルミネート系クリンカ鉱物に対して一定量の硫化物硫黄を含有されてなるセメント系固化材が記載されている。この特許文献１に係る固化材は、火山灰質粘性度に特に有効であり、六価クロムの溶出を防止でき、しかも十分な強度増進効果が得られるとされている。

また、特許文献２（特開２００２−１３７９５０号公報）には、セメント成分と石膏又はこれに加えてスラグを一定量含むセメント系固化材が記載されている。特許文献３（特開２００２−２９４２３２号公報）には、セメント成分に対して生石灰と石膏又はこれに加えてスラグを一定量含むセメント石灰系固化材が記載されている。これら特許文献２及び特許文献３に係る固化材は、火山灰土を始めとする各種土質の固化、改良処理に使用して強度発現性に優れるとされている。

特許文献４（特開平１０−１８２２１２号公報）には、ポルトランドセメント、石膏、生石灰、及びアルカリ金属塩又はアルカリ土類金属塩を一定割合で有する流動化埋戻用固化材が記載され、さらに特許文献４には該流動化埋戻用固化材を、調整含水比が１６０〜２２０％である火山灰質粘性土に添加した流動化処理土が記載されている。この特許文献４に係る固化材は、流動性と速硬性とを得ることが出来るものの、このようなセメント材料を用いた場合、対象土の種類によっては、固化後の強度が得られにくいことが多い。また、改良土からセメント材料に含まれる六価クロムが土壌環境基準を超えて溶出することが指摘されている。石灰材料は消石灰と生石灰があり、関東ローム等火山灰土に対しては生石灰が効果的である。生石灰は土の水分と急激に反応して消石灰を生じ土の状態を改善するが、反応時に高熱を発生する。生石灰は消防法の規制を受け、建設工事等多量に使用する場合は、その取り扱いに注意が必要である。また石灰改良土は耐水性がなく水に長時間接触すると崩壊するという欠点を有している。

特開２００４−２９９９７２号公報 特開２００２−１３７９５０号公報 特開２００２−２９４２３２号公報 特開平１０−１８２２１２号公報

従って、本発明は、従来のセメント材料や石灰材料に代わる材料であって、関東ローム等火山灰土を固化することのできる材料を提供することを目的とするものである。すなわち、セメント材料で十分な固化強度が得られなかった関東ローム等火山灰土に対して、適切な固化強度をもたらし、改良土からの六価クロムの溶出リスクを除去し、土との反応時に発熱がなくその取り扱いが簡便な材料を提供することを目的とする。

そこで、本件発明者等は、鋭意研究の結果、以下の発明に想到したのである。なお、以下に述べる土壌用混合固化材は、関東ローム等の脆い火山灰土を固化することの可能な材料ではあるが、他の材質の土壌の固化にも有効に使用出来るものである。

本件発明に係る土壌用混合固化材は、７００℃〜１０００℃で焼成し、粉末度４０００ｃｍ^２／ｇ以上となるように調整された酸化マグネシウムからなる土壌用固化剤と火山灰土とからなる。

また、この土壌用固化剤は、ｐＨ調整剤を含有させることも好ましい。

そして、土壌用固化剤に、ｐＨ調整剤を含ませる場合には、上記酸化マグネシウム１００重量部に対して、上記ｐＨ調整剤を１重量部〜１００重量部含有させることが好ましい。

また、この土壌用固化剤は、強度向上剤を含有するものとすることも好ましい。

そして、土壌用固化剤に強度向上剤を含ませる場合には、上記酸化マグネシウム１００重量部に対して、上記強度向上剤を５重量部〜１００重量部含有するものとする事が好ましい。

本件発明に係る土壌用混合固化材は、上記土壌用固化剤１００重量部に対して、火山灰土を５重量部〜３００重量部含有するものとする事が好ましい。

そして、本件発明に係る土壌用混合固化材は、固化させる土壌として、火山灰土に対して有効なものとなる。

また、本件発明に係る土壌用混合固化材は、固化させる土壌として、固化して十分な強度を得ることが困難な沖積土壌又はサンド質土壌に対して有効なものとなる。

本件発明に係る土壌用混合固化材は、従来のセメント材料や石灰系材に代わる材料であり、セメント材料等で十分な固化強度が得られなかった関東ローム等の火山灰土を、十分な強度に固化することのできる材料である。しかも、本件発明に係る土壌用混合固化材を用いることで、土壌の当該混合固化材を添加した改良土から、六価クロムの溶出リスクを無くし、土壌との反応時に発熱がなく、その取り扱いが簡便な材料を提供する。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

（土壌用固化剤）
本件発明に用いられる土壌用固化剤は、上述のように７００℃〜１０００℃で焼成し、粉末度４０００ｃｍ^２／ｇ以上となるように調整された酸化マグネシウムである。酸化マグネシウムは土中の水と反応すると、水酸化マグネシウムを生じる。この水酸化マグネシウムは難溶性であるが、土に対して硬化物としての強度をもたらすものではなく、土壌中のシリカ成分等を反応して、その反応生成物が固化に寄与すると考えられる。その結果、人間の足で踏んだときに適度な弾性を持ち、土を踏みしめる感触を残す程度の固化が可能となる。

ここで用いる酸化マグネシウムは、酸化マグネシウムを７００℃〜１０００℃で焼成し、粉末度４０００ｃｍ^２／ｇ以上となるように調整された酸化マグネシウムである。酸化マグネシウムを７００℃〜１０００℃で焼成するのは、後に焼成後の酸化マグネシウムを解砕し粉砕することで、粉末度４０００ｃｍ^２／ｇ以上となるようにするために最も良好な焼成温度範囲なのである。ここで焼成温度が７００℃未満になると、焼成不良を起こしやすく酸化マグネシウムの細粒化が行えず、活性度に優れた良好な酸化マグネシウム粉末を得ることが出来ない。そして、焼成温度を１０００℃を超えるものとすると、焼成後の酸化マグネシウムが強固に凝集し易くなり、後の解砕作業が困難となり、低温焼成品に比べて固化速度が遅くなる傾向が強くなる。

また、上記温度範囲で焼成を行う場合の時間は、大気雰囲気中で４時間〜５時間の範囲とすることが好ましい。４時間未満の加熱時間の場合には、焼成後のミル装置を用いての粉末化作業が困難となる。そして、５時間を超える焼成時間とすると、得られた焼成後の酸化マグネシウムの活性度が低下し、固化反応を迅速に行わせることが出来なくなるのである。

一般的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）には、低温焼成品（１０００℃以下での焼成）と高温焼成品（１０００℃を超える温度での焼成）とがある。しかしながら、本発明の目的を達成するためには、上述のような７００℃〜１０００℃の範囲での低温焼成品を用いる事が反応性に優れた活性度を維持する観点から好ましい。そして、酸化マグネシウムの粉末度は４０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましい。粉末度が、４０００ｃｍ^２／ｇ以下のものを用いると、低温焼成品を用いても、土壌の固化速度が遅くなり、土壌の固化に適さなくなるのである。ここで言う粉末度とは、所謂粉体として捉えたときの比表面積であり、本件発明では、実測した値であり、酸化マグネシウム粉２．００ｇを７５℃で１０分間の脱気処理を行った後、モノソーブ（カンタクロム社製）を用いてＢＥＴ１点法で測定した結果として得られる比表面積のことである。

更に言えば、上記温度範囲で酸化マグネシウムを焼成することで、酸化マグネシウムを焼成し、粉体化するため現在の技術レベルのミル処理をすると、経験的に４０００ｃｍ^２／ｇ〜９５００ｃｍ^２／ｇの粉末度の酸化マグネシウム粉と出来ることが判明している。そこで、粉末度が８５００ｃｍ^２／ｇ以上とすると、急激に固化反応の速度が上昇する傾向にある。そこで、より好ましくは８５００ｃｍ^２／ｇ〜９５００ｃｍ^２／ｇの粉末度の酸化マグネシウム粉として用いることが好ましいのである。

そして、土壌用固化剤に対しｐＨ調整剤を添加することも好ましい。関東ロームは、セメント系固化剤又は石灰改良土を混合し固化させようとして、アルカリ性になると六価クロムの溶出が顕著になる傾向にある。しかしながら、酸化マグネシウムを添加した土壌のｐＨは、おおむね９〜１０の弱アルカリ性範囲となるが、六価クロムの溶出現象を引き起こさない。このｐＨは、セメントや石灰改良土のｐＨ（１ｌ〜１２）と対比すると弱アルカリ性であると言えるが、さらに中性領域とすることが求められる場合がある。このような場合に、ｐＨ調整剤を用いるのである。そして、ｐＨ調整剤によりｐＨ５．８〜ｐＨ８．６の中性領域に調製する事で、生態系に与える環境的影響を排除出来るのである。ｐＨ調整剤には、例えば硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸第一鉄、硫酸第二鉄、塩化第二鉄、リン酸、第一リン酸ナトリウム、重過リン酸カルシウム、過リン酸カルシウム、スルファミン酸、クエン酸などがあり、これらのｐＨ調整剤は、二種以上を混合して用いることも可能である。

そして、ｐＨ調整剤を用いる場合、上述のようにｐＨ５．８〜ｐＨ８．６の中性領域となるように添加するのであるから、ｐＨ調整剤の含有量は、特に限定を要するものではない。しかしながら、火山灰土の性質と、そこに混合させる酸化マグネシウムの量とを考え、酸化マグネシウム量を基準として、ｐＨ調整剤の量を考えることが好ましい。従って、酸化マグネシウム量１００重量部に対して、上記ｐＨ調整剤を１重量部〜１００重量部の範囲で使用することが好ましい。酸化マグネシウムに対するｐＨ調整剤量が、１重量部未満になると、ｐＨ調整の目的の範囲に入らない。これに対し、酸化マグネシウムに対するｐＨ調整剤量が、１００重量部を超えると、ｐＨが強酸性側になり好ましくない。

また、土壌用固化剤は、強度向上剤を含有するものとすることも好ましい。ここで言う強度向上剤には、２つの種類の強度向上剤を選択的に使用することが可能である。その一つは、硫酸マグネシウムを用いるのである。酸化マグネシウムと硫酸マグネシウムとを併用することにより、改良土に酸性の硫酸マグネシウムを混入させることで、改良土の硬化を促進させる効果と同時にｐＨを低くする作用もあることから望ましい。

もう一つの強度向上剤として、シリカの細粒を用いることも好ましい。土壌用固化剤は、関東ロームの固化に適している。その理由はシリカを大量に含んだアロフェンと酸化マグネシウム（土壌中は水酸化マグネシウム）との反応にある。このアロフェンは、火山灰の風化により化学的な変質を受け、シリカを多量に含む粘度鉱物であり、その形状は中空球で、重金属イオンに対する選択反応性が高いため、マグネシウムとの反応性に富むものと考えられる。従って、関東ロームから抽出したアロフェンを強度向上剤として用いることが好ましいが、アロフェンに替えて、アロフェンの主成分であるシリカを強度向上剤として用いることが可能となる。

そして、土壌用固化剤に強度向上剤を含ませる場合には、上記酸化マグネシウム１００重量部に対して、上記強度向上剤を５重量部〜１００重量部含有するものとする事が好ましい。強度向上剤の添加量が、５重量部未満の場合には、強度向上効果を発揮し得ない。一方、強度向上剤の添加量が、１００重量部を超えると、上述した酸化マグネシウムの添加量とのバランスを欠き、固化後の強度は上昇しても、弾力性のない脆い固化状態となるのである。更に好ましくは、上記酸化マグネシウム１００重量部に対して、上記強度向上剤を５重量部〜５０重量部とするのである。５０重量部を超え、１００重量部以下の範囲は、添加量に応じた顕著な固化強度を得ることが出来ず、緩やかな上昇に止まるためである。

（土壌用混合固化材）
本発明の土壌用混合固化材は、上述の土壌用固化剤と火山灰土とを混合してなるものである。土壌用固化剤は、関東ローム等の火山灰土の固化に最適であり、固化を良好に行うためには、アロフェンの如きシリカ成分を多量に含有することが必要となる。従って、本件発明に用いられる土壌用固化剤を、他のアロフェンの如き成分の少ない火山灰土、沖積土壌、サンド質土壌等に混合して、直接固化させることが困難な場合がある。

そこで、土壌用固化剤と関東ロームと同様の品質の火山灰土とを混合して土壌用混合固化材として用いることで、他の非晶質成分であるアロフェンの如き成分の少ない火山灰土、沖積土壌、サンド質土壌の適正な固化が可能となる。

このとき土壌用混合固化材は、上記土壌用固化剤１００重量部に対して、火山灰土を５重量部〜３００重量部含有するものとする事が好ましい。このときの火山灰土は、入手しやすく、酸化マグネシウムによって大きな強度が得られるものが好ましい。混合する火山灰土の形態は、地山状態、乾燥状態のいずれでもよいが、乾燥後十分に粉砕した方が混合性が向上し、固化強度が得られやすい。火山灰土が５重量部未満の場合には、アロフェンの如きシリカ成分の少ない沖積土壌、サンド質土壌の固化が出来ない。そして、火山灰土を３００重量部を超えて添加すると、沖積土壌又はサンド質土壌の固化進行が著しく、固化後の土壌に微小な亀裂や肌荒れを生じ美観が損なわれると共に脆くなる。

更に、本件発明に係る土壌混合固化材の土壌（火山灰土、沖積土壌、サンド質土壌のいずれか）に対する混合方法としては、地盤改良工事に用いられる混合機を用いることができる。この混合機には、土壌改質を行う原位置で土壌混合固化材と土壌とを混合するタイプの装置と、地上で土壌混合固化材と土壌とを混合するタイプの装置とがある。火山灰土を、地盤材料として再利用する場合は、後者の地上で混合するほうが効果的で高品質の改質土壌を得ることができる。いずれの場合も粉体と水とをスラリー状として用いても良い。そして、そのスラリーに添加する水の量を増やすことで、改質土壌はスラリー状となり、流動化処理土とすることもできる。以下、本件発明を実施例に基づきさらに詳細に説明するが、本件発明に係る技術的思想は、他の具体的実施例として具現化することが可能である。

この実施例１では、強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材を用い、山砂を固化させた場合の、材齢による一軸圧縮強度の測定結果の変化を示した。この実施例１は、以下に述べる比較例１と対比するためのものである。

土壌用固化剤は、酸化カルシウムを９００℃で４.５時間焼成し、粉砕機で解砕処理することで、粉末度８９００ｃｍ ^２ ／ｇとなるように調整した酸化マグネシウム粉である。

ここで言う強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材は、上記土壌用固化剤１００重量部（９００ｋｇ）に対し、関東ローム１１１重量部（約１０００ｋｇ）を混合し改良土とした。この改良土に関して、一軸圧縮強度を測定し、その測定結果を実施例２〜実施例４及び比較例１と共に表１に示した。

そして、一軸圧縮強度の測定は、安定処理混合物の一軸圧縮試験方法（舗装試験法便覧 日本道路協会）に準拠し、供試体寸法を直径１００ｍｍ、高さ１２７ｍｍの円柱状とし、供試体の作成は３層２５回とした。以下、同様である。

この実施例２では、強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材を用い、山砂を固化させた場合の、材齢による一軸圧縮強度の測定結果の変化を示した。この実施例２は、以下に述べる比較例１と対比するためのものである。

ここで言う強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材は、実施例１で用いた土壌用固化剤１００重量部（９００ｋｇ）に対し、関東ローム１１１重量部（約１０００ｋｇ）、強度向上剤としての硫酸マグネシウム１１重量部（約１００ｋｇ）を混合し改良土とした。この改良土に関して、実施例１と同様にして一軸圧縮強度を測定し、その測定結果を、実施例１、実施例３、実施例４及び比較例１と共に表１に示した。

この実施例３では、強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材を用い、山砂を固化させた場合の、材齢による一軸圧縮強度の測定結果の変化を示した。この実施例３は、以下に述べる比較例１と対比するためのものである。

ここで言う強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材は、実施例１で用いた土壌用固化剤１００重量部（９００ｋｇ）に対し、関東ローム１１１重量部（約１０００ｋｇ）、強度向上剤としてのシリカ細粒２０重量部（約１８０ｋｇ）を混合し改良土とした。この改良土に関して、実施例１と同様にして一軸圧縮強度を測定し、その測定結果を、実施例１、実施例２、実施例４及び比較例１と共に表１に示した。

この実施例４では、強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材を用い、山砂を固化させた場合の、材齢による一軸圧縮強度の測定結果の変化を示した。この実施例２は、以下に述べる比較例１と対比するためのものである。

ここで言う強度向上剤を含んだ土壌用混合固化材は、実施例１で用いた土壌用固化剤１００重量部（９００ｋｇ）に対し、関東ローム１１１重量部（約１０００ｋｇ）、強度向上剤としての硫酸マグネシウム１１重量部（約１００ｋｇ）とシリカ細粒２０重量部（約１８０ｋｇ）を混合し改良土とした。この改良土に関して、実施例１と同様にして一軸圧縮強度を測定し、その測定結果を、実施例１〜実施例３、比較例１と共に表１に示した。

比較例

（比較例１）
比較例４は、実施例１〜実施例４と対比するためのものであり、実施例２の本件発明に係る土壌用混合固化剤の関東ローム成分を抜いた点が異なる。その他の条件は、実施例２と同様である。そして、結果を、実施例１〜実施例４と共に表１に示した。

（実施例と比較例との対比）
表１を用いて実施例１〜実施例４と比較例１を対比する。実施例１〜実施例４の土壌用固化剤の一部として関東ロームを加えた場合は、材令とともに酸化マグネシウムと関東ロームに含まれる非晶質成分が反応して硬化物が生成され、固化強度は増加している。これに対し、山砂に対して酸化マグネシウム及び硫酸マグネシウムのみを加え、関東ロームを加えなかった比較例１は、材令初期には大きな強度が得られるが、材令とともに強度が低下している。山砂には、酸化マグネシウムと反応して硬化物を生成する非晶質成分が無いためと考えられる。また、強度向上剤を添加した実施例２〜実施例４が実施例１よりも高い固化強度を発揮する事が分かる。

以上の通り、関東ロームに含まれているような非晶質成分が少ない沖積土や砂質土壌に対しては、酸化マグネシウムと関東ローム等の火山灰土とを混合した土壌用混合固化材とすることにより、高い固化強度が得られ沖積土や砂を対象とした地盤改良に適用できる。

更に、本件発明に係る土壌用混合固化材を用いた、酸化マグネシウム改良土からは、六価クロム溶出量が極めて少なく土壌環境基準を容易に満たすものとなり、地盤改良に際しての環境安全性を確保出来るのである。

Claims (8)

1. 土壌に混入させ固化させるための土壌用混合固化材であって、７００℃〜１０００℃で焼成し、粉末度４０００ｃｍ^２／ｇ以上となるように調整された酸化マグネシウムからなる土壌用固化剤と火山灰土とからなる土壌用混合固化材。
2. 上記土壌用固化剤がｐＨ調整剤を含有する請求項１に記載の土壌用混合固化材。
3. 上記酸化マグネシウム１００重量部に対して、上記ｐＨ調整剤を１重量部〜１００重量部含有する請求項２に記載の土壌用混合固化材。
4. 上記土壌用固化剤が強度向上剤を含有する請求項１〜請求項３のいずれかに記載の土壌用混合固化材。
5. 上記酸化マグネシウム１００重量部に対して、上記強度向上剤を１重量部〜１００重量部含有する請求項４に記載の土壌用混合固化材。
6. 上記土壌用固化剤１００重量部に対して、火山灰土を５重量部〜３００重量部含有する請求項１〜請求項５のいずれかに記載の土壌用混合固化材。
7. 上記土壌が火山灰土である請求項１〜請求項６のいずれかに記載の土壌用混合固化材。
8. 上記土壌が沖積土壌又はサンド質土壌である請求項１〜請求項７のいずれかに記載の土壌用混合固化材。