(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
火山灰質粘性土の地盤改良方法であって、
生石灰を主成分として土を固化する原料で、かつセメント焼成キルンに投入される直前のセメント原料を仮焼するサスペンションプレヒータから分取される、８００〜９００℃に加熱された仮焼原料に、二水石膏を内割りで１５〜４０％添加することにより、石灰石膏系固化材を作製し、この石灰石膏系固化材を、火山灰質粘性土に混合することにより、混合されたこの火山灰質粘性土の固化強度を調整する火山灰質粘性土の固化処理方法。
【請求項２】
前記二水石膏が、廃石膏ボードの粉砕物である請求項１に記載の火山灰質粘性土の固化処理方法。
【請求項３】
前記火山灰質粘性土が黒ボクまたは関東ロームである請求項１または請求項２に記載の火山灰質粘性土の固化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は火山灰質粘性土の固化処理方法、詳しくは黒ボクまたは関東ロームなどの火山灰質粘性土の地盤を改良する場合に好適な石灰石膏系固化材およびこれを用いた火山灰質粘性土の固化処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地盤改良材として、生石灰を主成分とした石灰系地盤改良材と、セメントを主成分としたセメント系地盤改良材とが知られている。このうち、石灰系地盤改良材はセメント系地盤改良材に比べて、粘性土、特に火山灰質粘性土、有明粘土に対する強度発現性が高い。これは、生石灰が地中の水分と水和反応して消石灰を生成するとき、脱水作用により土の含水率が低下するとともに、イオン交換反応により土粒子の凝集および団粒化が発生し、さらにはポゾラン反応により土粒子が結合するためである。
イオン交換反応とは、水和反応により生成した消石灰が土水中でイオン化し、Ｃａイオンが土粒子の表面に吸着されてその帯電状態が変化する反応である。また、ポゾラン反応とは、土水中に溶解した石灰のアルカリ雰囲気により、微細な土鉱物に含まれる可溶性シリカ、アルミナ成分が反応し、アルミン酸カルシウム水和物（ＣＡＨ系水和物）、またはアルミン酸カルシウムシリケート水和物（ＣＳＡＨ系水和物）を生成する反応である。
【０００３】
しかしながら、石灰系地盤改良材はセメント系地盤改良材に比較して高価で、経済的ではなかった。そこで、これを解消するため、例えば特許文献１の「地盤改良材」が開発されている。
特許文献１の地盤改良材は、セメント焼成用のロータリーキルンの原料投入口に連通され、キルン投入直前のセメント原料を仮焼するサスペンションプレヒータから分取された仮焼原料を主原料としている。仮焼原料は、生石灰に比べて強度発現性が劣るものの廉価である。低強度対策としては、土の固化強度を高める(1) 天然石膏、排煙脱硫石膏、燐酸石膏、フッ酸石膏などの硫酸カルシウム含有物質、その他、(2) 生石灰、スラグ、ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメントなどの無機系硬化材を添加することが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−１８１４２４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、従来の地盤改良材によると、火山灰質粘性土に対する土の固化強度は、例えば仮焼原料（１００重量部）に排煙脱硫石膏を２５重量部添加した地盤改良材、または、仮焼原料に排煙脱硫石膏を３３．３重量部、セメントを３３．３重量部添加した地盤改良材を用いたときにおいて、土の固化強度は、生石灰単味の地盤改良材を基準とした強度比で、いずれも７４％未満であった。これは、仮焼原料単味の地盤改良材を使用した際（３２％）の最大で２．３倍程度しかないことを意味する。
【０００６】
この発明は、生石灰単味の石灰系地盤改良材と略同等、もしくはそれより高い土の固化強度を得ることができる火山灰質粘性土の固化処理方法を提供することを、その目的としている。
また、この発明は、低コスト化を図ることができる火山灰質粘性土の固化処理方法を提供することを、その目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
請求項１に記載の発明は、火山灰質粘性土の地盤改良方法であって、生石灰を主成分として土を固化する原料で、かつセメント焼成キルンに投入される直前のセメント原料を仮焼するサスペンションプレヒータから分取される、８００〜９００℃に加熱された仮焼原料に、二水石膏を内割りで１５〜４０％添加することにより、石灰石膏系固化材を作製し、この石灰石膏系固化材を、火山灰質粘性土に混合することにより、混合されたこの火山灰質粘性土の固化強度を調整する火山灰質粘性土の固化処理方法である。
【０００８】
請求項１の発明によれば、主原料である仮焼したセメント原料に所定量の補助原料（二水石膏）を添加した石灰石膏系固化材を、火山灰質粘性土中に加えて混合する。これにより混合された火山灰質粘性土の固化強度を、主原料単味の地盤改良材を使用したときの固化強度より、最大で３．５倍程度までの任意の値に調整することができる。
粘性土と固化材との混合時、主原料に含まれる生石灰が地中の水分と水和反応して消石灰が生成される。このとき、脱水作用により土の含水率が低下するとともに、イオン交換反応により土粒子の凝集および団粒化が発生する。さらには、ポゾラン反応により土粒子が結合する。また、補助原料による所定の固化反応が起きる。その結果、生石灰単味の石灰系地盤改良材と略同等、もしくはそれより高い土の固化強度を得ることができる。
【０００９】
主原料は、サスペンションプレヒータから分取された仮焼原料である。
また、補助原料としては二水石膏を使用する。
前記主原料は、セメント焼成キルンに投入される直前のセメント原料を仮焼するサスペンションプレヒータから分取された仮焼原料である。
主原料として仮焼原料を採用したので、固化材の低コスト化を図ることができる。
【００１０】
セメント焼成キルンとしては、例えばロータリーキルンを採用することができる。
サスペンションプレヒータは、セメント焼成キルンのセメント原料投入口に連通され、上下配列された複数段のサイクロンにより構成される。サイクロンの下流に仮焼炉を配置してもよい。セメント原料は、石灰石、粘土、珪石、鉄原料などから組成される。セメント原料は、原料貯蔵場から原料乾燥機、原料粉砕機、原料タンクを経由してサスペンションプレヒータの最上段の前記サイクロンに供給される。
セメント原料の仮焼時、セメント焼成キルン内の高温の排気ガスが最下段のサイクロンから順に上段のサイクロンに流れ込む。これにより、セメント原料が８００〜９００℃に仮焼される。その後、仮焼原料はセメント焼成キルンに投入され、このキルン内で焼成されることでセメントクリンカとなる。サスペンションプレヒータからの仮焼原料の分取は、所定のサイクロンに設けられた分取ダンパーを利用して行われる。仮焼原料は、ＣａＯ、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、Ｆｅ2Ｏ３、ＭｇＯなどを含む。仮焼原料中の生石灰分は、最大で４０％程度である。
【００１１】
前記仮焼原料は、前記セメント原料を８００〜９００℃に加熱したものである。
仮焼原料として、セメント原料を８００〜９００℃に加熱したものを採用したので、生石灰分や活性のシリカ・アルミナ成分を含有し、消化反応、イオン交換反応、ポゾラン反応など、これだけで土を固化することができる。
８００℃未満では生石灰をほとんど生成しない。また、サスペンションプレヒータの構造上、９００℃を超えることはほとんどない。
【００１２】
前記補助原料は、前記仮焼原料中のアルミナ成分およびまたは土中のアルミナ成分と反応し、エトリンガイトを生成するエトリンガイト生成物質である二水石膏である。
補助原料としてエトリンガイト生成物質である二水石膏を使用する。これにより、二水石膏が仮焼原料中のアルミナ成分およびまたは土中のアルミナ成分と反応し、エトリンガイトが生成する。その結果、石灰石膏系固化材の混入初期の強度発現性が高まり、効果的にかつ高い強度で土を固化することができる。
補助原料と反応するアルミナ成分は、仮焼原料中に含まれるものでもよいし、土中に含まれるものでもよい。また、仮焼原料中と土中との両方に含まれる成分でもよい。
上記によれば、仮焼原料中の生石灰、活性なアルミナ成分と添加石膏との水和反応による消石灰およびエトリンガイトを生成する。
【００１３】
請求項１に記載の発明によれば、火山灰質粘性土と石灰石膏系固化材とを混合すると、エトリンガイトを生成する。主原料である上記仮焼原料に対する二水石膏の添加割合は、内割りで１５〜４０％である。また、特に好ましくは内割りで２５％程度である。二水石膏は無水石膏などの他の石膏に比べて強度発現性が高い。これは、二水石膏の方が無水石膏よりも溶解性が高く、エトリンガイトを生成しやすいからである。このような現象は、土に黒ボクまたは関東ロームを採用した際に顕著となる。
また、二水石膏として廃石膏ボードの粉砕物を利用すれば、補助原料の低コスト化を図ることができる。
【００１４】
請求項１に記載の発明では、主原料に対する二水石膏の添加割合は、内割りで１５〜４０％である。この理由は、二水石膏の添加割合が１５％未満では、エトリンガイトの生成が少ない。また、４０％を超えると生石灰とアルミナ成分との量が不足し、エトリンガイトの生成が十分ではないからである。
二水石膏の添加割合が１５〜４０％のうちでも、２５％前後を下回った場合、または、２５％程度を上回った場合には、土の固化強度が若干低下する。
【００１５】
請求項２に記載の発明は、前記二水石膏が、廃石膏ボードの粉砕物である請求項１に記載の火山灰質粘性土の固化処理方法である。
廃石膏ボードの粉砕は、例えば公知の粉砕装置により行う。粉砕物の粒度は強度発現に影響するため限定される。例えば、５ｍｍアンダー程度である。
【００１６】
請求項３に記載の発明は、前記火山灰質粘性土が黒ボクまたは関東ロームである請求項１または請求項２に記載の火山灰質粘性土の固化処理方法である。
黒ボクとは、火山灰および軽石を母材とした黒色の土壌である。関東ロームとは、関東地方の台地および丘陵を覆った赤褐色を有する粘土化した火山灰の土壌である。
【発明の効果】
【００１７】
この発明によれば、石灰石膏系固化材により、生石灰単味の石灰系地盤改良材と略同等、もしくはそれより高い火山灰質粘性土の固化強度を得ることができる。
特に、主原料として仮焼原料を採用したので、石灰石膏系固化材の低コスト化を図ることができる。
また、仮焼原料として、セメント原料を８００〜９００℃に加熱したものを採用したので、生石灰分や活性のシリカ・アルミナ成分を含有し、消化反応、イオン交換反応、ポゾラン反応など、これだけで土を固化させることができる。
そして、補助原料としてエトリンガイト生成物質である二水石膏を使用したので、地盤改良材の混入初期の強度発現性が高まり、効果的に土を固化することができる。
さらに、石膏として二水石膏を採用したので、他の石膏に比べて土の固化強度を高めることができる。
さらにまた、主原料に対する二水石膏の添加割合を、内割りで１５〜４０％としたため、土の固化強度を高めることができる。特に、添加割合を内割りで２５％程度とすれば、石膏中で最も高い固化強度を得ることができる。
【００１８】
請求項２に記載の発明によれば、二水石膏として廃石膏ボードの粉砕物を採用することで、補助原料の低コスト化を図ることができる。
【００１９】
請求項３に記載の発明によれば、火山灰質粘性土として黒ボクまたは関東ロームを採用することで、他の土の場合より、地盤改良材による強度発現性が顕著に高まる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、この発明の実施例を参照して説明する。
【実施例１】
【００２１】
以下、この発明の実施例をグラフを参照して説明する。
〈参考例１，試験例２〜４，比較例１〉
各試験例では、地盤改良材として主原料の仮焼原料に、補助原料である無水石膏（参考例１）、純薬の二水石膏（試験例２）、廃石膏ボード１（試験例３）、廃石膏ボード２（試験例４）を所定の割合で混合したものについて、石膏の添加率１５〜４０％（内割り）の範囲で、材齢７日および材齢２８日の強度比による評価をそれぞれ行った。一方、比較例１では、主原料の仮焼原料単味の地盤改良材について、同様の強度比による評価を行った。強度比の基準は、生石灰単味の地盤改良材である。廃石膏ボード１，２は何れも二水石膏を主成分とする。評価方法は、公知の一軸圧縮試験法による。地盤改良される土は、火山灰質粘性土の黒ボクである。黒ボクの採取場所は熊本県高森町である。
【００２２】
仮焼原料は、ロータリーキルンのセメント原料投入口に連通されたサスペンションプレヒータのうち、加熱温度が８２５℃となるサイクロンから分取されたものである。仮焼原料の組成は１ｇ・ｌｏｓｓ（３．７％）、ＣａＯ（５９．１％）、ＳｉＯ2（２０．８％）、Ａｌ2Ｏ3（５．１％）、Ｆｅ2Ｏ3（２．８％）、ＭｇＯ（１．１％）、ＳＯ3（５．８％）である。仮焼原料の密度は２．９５ｇ／ｃｍ3、ブレーン値は４０２０ｃｍ2／ｇである。これに対して補助原料の無水石膏は、密度２．３１ｇ／ｃｍ3、ブレーン値４５００ｃｍ2／ｇである。また、純薬二水石膏は密度２．３１ｇ／ｃｍ3、ブレーン値３５００ｃｍ2／ｇである。廃石膏ボード１は密度２．３１ｇ／ｃｍ3、ブレーン値４３８０ｃｍ2／ｇである。廃石膏ボード２は密度２．３２ｇ／ｃｍ3、ブレーン値５８３０ｃｍ2／ｇである。図１のグラフに材齢７日の試験結果を報告する。また、図２のグラフに材齢２８日の試験結果を報告する。
【００２３】
図１，図２のグラフから明らかなように、参考例１，試験例２〜４では、生石灰単味の地盤改良材の場合と略同等、もしくはそれより高い土の固化強度がそれぞれ得られた。特に、二水石膏を使用した試験例２〜４にあっては、材齢７日および材齢２８日の何れの場合でも、二水石膏の添加率が２５％の際に最高の強度比が得られた。これに対して、比較例１では、材齢７日および材齢２８日の何れでも、強度比は３２％であった。
【００２４】
〈参考例５，試験例６〜８，比較例２〉
ここでは、地盤改良される土として、火山灰質粘性土の一種である関東ロームを採用した。そのときの参考例１と同様の強度比試験を、図３，図４のグラフを参照して報告する。採取場所は埼玉県新座市である。
補助原料としては、参考例５が無水石膏、試験例６が純薬の二水石膏、試験例７が廃石膏ボード１、試験例８が廃石膏ボード２を採用した。比較例２では、比較例１と同じように主原料の仮焼原料単味の地盤改良材を採用した。
【００２５】
図３，図４のグラフから明らかなように、参考例５，試験例６〜８では、何れも生石灰単味の地盤改良材の場合と略同等、もしくはそれより高い土の固化強度がそれぞれ得られた。特に、二水石膏を使用した試験例６〜８にあっては、材齢７日および材齢２８日の何れの場合でも、二水石膏の添加率が２０〜２５％のときに、最高の強度比が得られた。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施例の火山灰質粘性土の固化処理方法において、石灰石膏系固化材の黒ボクに対する材齢７日の石膏添加率と強度比との関係を示すグラフである。
【図２】この発明の実施例の火山灰質粘性土の固化処理方法において、石灰石膏系固化材の黒ボクに対する材齢２８日の石膏添加率と強度比との関係を示すグラフである。
【図３】この発明の実施例の火山灰質粘性土の固化処理方法において、石灰石膏系固化材の関東ロームに対する材齢７日の石膏添加率と強度比との関係を示すグラフである。
【図４】この発明の実施例の火山灰質粘性土の固化処理方法において、石灰石膏系固化材の関東ロームに対する材齢２８日の石膏添加率と強度比との関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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