(57)【要約】    【課題】  電気化学的な原理を応用し、地盤、多孔材料などの物質を硬化することにある。    【解決手段】  物質４内に陽イオン２を供給する陽極１１と、物質４内に陰イオン３を供給する陰極１２と、陽極１１と陰極１２間に電圧を印加する電源１とを備え、陽極１１と陰極１２の間に電圧を印加して、該物質４内に陽イオン２と陰イオン３を供給し、物質４内で結合して該物質４を硬化する、物質の硬化装置、及び硬化方法。 【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
物質内に陽イオンを供給する陽極と、
物質内に陰イオンを供給する陰極と、
陽極と陰極間に電圧を印加する電源とを備え、
陽極と陰極の間に電圧を印加して、該物質内に陽イオンと陰イオンを供給し、該物質内で結合して物質を硬化する、物質の硬化装置。
【請求項２】
請求項１に記載の物質の硬化装置において、
物質は地盤であり、地盤を硬化する、物質の硬化装置。
【請求項３】
請求項１に記載の物質の硬化装置において、
陽極に接し、陽イオンを供給する溶液と、陰極に接し、陰イオンを供給する溶液とを備える、物質の硬化装置。
【請求項４】
請求項１に記載の物質の硬化装置において、
少なくとも陽極又は陰極は、網構造である、物質の硬化装置。
【請求項５】
請求項３に記載の物質の硬化装置において、
物質と溶液の間にイオンが透過できるフィルタを備える、物質の硬化装置。
【請求項６】
物質に電界を与えて物質内に陽イオンと陰イオンを供給し、物質内で結合して物質を硬化する、物質の硬化方法。
【請求項７】
請求項６に記載の物質の硬化方法において、
物質面に陽イオンを供給する溶液を配置し、物質面に陰イオンを供給する溶液を配置し、物質を硬化する、物質の硬化方法。
【請求項８】
請求項６に記載の物質の硬化方法において、
物質が地盤であり、地盤を硬化する、物質の硬化方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地盤など物質の硬化に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、粘土を含む多孔質材料の改良方法は種々開発されており、実用化されている。例えば、軟弱地盤の改良方法がこれに相当し、これらの方法の多くはセメントなどの固結材を軟弱地盤に添加・混合し、その固結作用により強度の改良を行う方法である。しかしながら、上記の方法は大規模な軟弱地盤の掘削あるいは軟弱地盤と固結材の練混ぜ、置換といった工程を伴うため、不要な土砂の廃棄および施工コストの増大が問題となる。また、従来方法を施工する場合、周辺に存在する既設環境に多大な変位や騒音を与えることも大きな問題となる。また、軟弱地盤の改良方法に地盤中に陰極と陽極を配置し、陰極と陽極との間に電流を流して地盤を改良する地盤安定化工法が知られている（特許文献１参照）。しかし、この方法では十分な強度を得ることは難しい。
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１８０１３５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
（１）本発明は、電気化学的な原理を応用し、物質を硬化することにある。
（２）また、本発明は、軟弱地盤などの地盤を硬化することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
（１）本発明は、物質内に陽イオンを供給する陽極と、物質内に陰イオンを供給する陰極と、陽極と陰極間に電圧を印加する電源とを備え、陽極と陰極の間に電圧を印加して、該物質内に陽イオンと陰イオンを供給し、物質内で結合して該物質を硬化する、物質の硬化装置にある。
（２）また、本発明は、物質に電界を与えて物質内に陽イオンと陰イオンを供給し、物質を硬化する、物質の硬化方法にある。
【発明の効果】
【０００６】
（１）本発明は、電気化学的な原理を応用し、物質を硬化することができる。
（２）また、本発明は、軟弱地盤などの地盤を硬化することができる。
（３）また、本発明は、地盤の掘削、地盤と固結材の混練、置換、又は廃棄といった工程を必要としないで、地盤を硬化することができる。
（４）また、本発明は、周辺に既設構造物が存在する箇所の地盤でも硬化することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（物質の硬化装置）
本発明の実施の形態の硬化装置は、陽イオンと陰イオンを物質内部に入れ、物質内で結合して、物質を硬化するものである。硬化される物質は、イオンが移動できるものであればよく、例えば水を含有する物質がある。物質を硬化するには、陽イオンと陰イオンを例えば物質の反対面から物質内に導入し、両イオンが物質中を移動し、物質内で結合する。この結合により結合物が物質内に留まり、物質が硬化することになる。例えば、物質が地盤の場合、地盤中に陽イオンと陰イオンを注入し、地盤内で結合して、地盤を硬化することができる。陽イオンと陰イオンの移動は、物質中に付与する電界により行うことができる。陽イオンと陰イオンの移動方向は、電荷が反対であるため逆方向に移動することから、物質内で出会い、そこで結合する。陽イオンと陰イオンの移動は、例えば、物質間に電極を設置し、電極間に電圧を付与し、物質内にイオンの電流を形成して行う。物質を硬化するとは、物質の変形をし難くすることであり、例えば、物質を固化或いは強化したり、又は、軟らかい物質を硬くしたりすることである。
【０００８】
このように、物質内にイオンを導入して物質を硬化することができるので、建物の柱、壁面など破壊を避けて補強を必要とする箇所、又は、建物の下方の地盤、危険箇所の壁や地盤など、作業員が近づき難い箇所でも、イオンを導入することができれば、補強することができる。
【０００９】
硬化装置は、例えば図１に示すように、物質４内に陽イオン２を供給する陽極１１と、物質４内に陰イオン３を供給する陰極１２と、陽極１１と陰極１２間に電圧を印加する電源１とを備えている。陽極１１は、例えば溶液Ａに接して、溶液Ａは物質と接して、溶液Ａから陽イオン２を物質４内に供給する。陰極１２は、例えば溶液Ｂに接して、溶液Ｂは物質と接して、溶液Ｂから陰イオン３を物質４内に供給する。このように、溶液をイオン源として用いると、溶液を補充することにより、絶えずイオンを物質４内に供給することができる。陽極１１と陰極１２の少なくとも一方の電極を網構造とかメッシュ状にしてもよい。これにより、電極材料の量を減らせたり、溶液と電極の接触面積を大きく取ることができる。電極は、チタンなど腐食し難いものが好ましい。
【００１０】
硬化装置は、物質４内に陽イオン２と陰イオン３を導入できる構造ならば、どのような構造でもよい。硬化装置は、図１のような構造のほかに、例えば図２に示すように、円筒状（図２（Ａ））又は角柱状（図２（Ｂ））の構造にしてもよい。円筒状又は角柱状の構造は、大きな外側電極１３と、その中に円筒状又は角柱状の小さな内側電極１４が配置され、それらの間に硬化させる物質４が配置される。円筒状の他に楕円にしたり、球形にしたり、角柱の代わりに箱形にしてもよい。これらの構造では、電極１３、１４間に電圧を印加しても、外部に漏れる電界を抑制することができる。硬化装置は、電極と接するようにイオンを供給する溶液を配置する。溶液が物質中に混入することが好ましくない場合、溶液と物質４間にフィルタ５を配置する。硬化装置は、フィルタ５を物質４側に設置して、電極とフィルタ５の間に溶液を注入する。フィルタ５は、イオンを透過するものであり、溶液と物質４の混合を防止し、例えば、物質４が溶液に溶けるのを防止することができる。電極を網構造にして、電極の周囲に溶液を配置してもよい。
【００１１】
（物質の硬化方法）
物質の硬化方法は、当初は離れた位置にある陽イオン２と陰イオン３を多孔材料などの物質４内の望む位置において適量会合させることにより、その位置で固化或いは強化できる。物質４は、粘土、地盤に限らず、イオンが通ずることができる物質４であれば、この硬化方法を適用可能である。
【００１２】
物質４に電界を与えて物質４内に陽イオン２と陰イオン３を供給し、物質４内で結合して物質４を硬化する。陽イオン２と陰イオン３は、電気泳動により、共に物質４内に移動し、物質４内で出会う。物質面に溶液Ａと溶液Ｂを配置し、溶液Ａに陽極１１を配置し、溶液Ｂに陰極１２を配置する。電極に電圧を印加して、溶液Ａから陽イオン２を導入し、溶液Ｂから陰イオン３を導入する。陽イオン２と陰イオン３は、物質４内で結合して、固化し、沈殿して、物質４を硬化する。硬化される物質４、陽イオン２と陰イオン３の結合物質などにより、硬化の状態が変わる。
【００１３】
（実施例１）
実施例１は、図３に示すように硬化装置の円筒状の中央部に硬化対象の物質４を配置した。その両側に溶液Ａ、溶液Ｂを封入した。この際、物質が両側の溶液中に溶解することを防ぐため、フィルタ５として砂の層を用いて保護層を形成した。陽極１１と陰極１２間に電圧を印加して物質４内に直流電流を流した。なお、実施例１に用いた溶液Ａ、Ｂ、および電流密度、通電期間などの条件を表１に示す。また、通電処理後の物質の力学的性質を評価するため針貫入試験を用いて一軸圧縮強度を推定した。針貫入試験は、例えば、針を３ｍｍ／ｍｉｎの速度で、測定対象であるカオリン粘土の中に差し込んで行う。１軸圧縮強度ｙと、差し込む深さと荷重の比ｘとは、１次の関係があり、ｙ＝０．４８３３ｘ−０．００６の関係式が求まる。この関係式を用いて、差し込む深さと荷重の比ｘの測定から、１軸圧縮強度ｙを推定することができる。
【００１４】
硬化装置の構造は、直径２５ｍｍの円筒形をしている。両端部に陽極と陰極の電極を設置する。両電極はチタンメッシュを用いた。陽極側には溶液Ａを配置し、陰極側には溶液Ｂを配置し、両液とも、長さ４０ｍｍの筒内に配置する。メッシュ状電極は、溶液Ａ、Ｂ内に浸すように配置される。２．５ｍｍの厚さの砂のフィルタ５は、溶液Ａ、Ｂに接するように設置される。陽極１１側と陰極１２側のフィルタ５間に硬化対象であるカオリン粘土４を配置する。両電極１１、１２間に直流電源１を接続する。溶液Ａ、Ｂとも、濃度は、１ｍｏｌ／Ｌ（リットル）である。電源１により両電極１１、１２間に電圧を印加して、物質内に電流密度、５Ａ／ｍ２の電流を流す。通電期間は、３日、７日、及び２０日とする。フィルタ５は、カオリン粘土４が溶液に溶けるのを防止している。陽極側の溶液Ａは、酢酸マグネシウム溶液Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２であり、陽イオンは、Ｍｇ＋２となる。陰極側の溶液Ｂは、炭酸ナトリウム水溶液Ｎａ２ＣＯ３であり、陰イオンは、ＣＯ３−２となる。両イオンは、カオリン粘土４内で結合してＭｇＣＯ３となり、固化し、沈殿する。
【００１５】
【表１】
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【００１６】
（実施例１の測定結果）
カオリン粘土４を処理した測定結果を図４に示す。図４の横軸は、陽極１１側のフィルタ５の端面ＯＯ’から陰極１２側への距離（単位ｍｍ）を示し、縦軸は、１軸圧縮強度（ｋＰａ）を示す。３日と７日の通電期間の場合、あまり違いが無く、陰極１２側で強度が大きく、陽極１１側ほど、強度が小さくなっている。このことは、ＣＯ３−２の陰イオン３はＭｇ＋２の陽イオン２より移動速度が小さく、陰極１２側で両イオンが結合する割合が大きく、陽極１１側で結合する割合が小さいと考えられる。２０日の通電期間の場合、陰極１２側から陽極１１側の広い範囲で２００〜２５０ｋＰａ程度と強度が大きくなっている。このことは、２０日の通電期間を経ると、ＣＯ３−２の陰イオンも陽極１１側に移動し、陽極１２側でも両イオンが結合する割合が大きくなったと考えられる。
【００１７】
図５（Ａ）は、溶液Ａと溶液Ｂを用いて、電流を流した図４の実施例１と対比して、電流を流さずに、溶液Ａと溶液Ｂが拡散した例（拡散例、黒三角印）と、実施例１と同様に電流を流して、溶液Ａと溶液Ｂの代わりに水のみを用いた例（水例、黒四角印）を示している。処理期間は、７日間とし、水例の場合の電流密度は５Ａ／ｍ２とする。拡散例も水例も、一部で僅かに硬化しているが、Ｍｇ＋２の陽イオン２とＣＯ３−２の陰イオン３を用いた例に比して、殆ど硬化していないことが示されている。
【００１８】
図５（Ｂ）は、溶液Ａは、Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２であり、図５（Ａ）と同じである。溶液Ｂは、ＮａＯＨ（陰イオン：ＯＨ−１）で図５（Ａ）とは異なっている。拡散のみの例（拡散例）と、溶液Ａと溶液Ｂの代わりに水のみの例（水例）は、図５（Ａ）と同じである。処理期間は、７日間であり、水の場合の電流密度は５Ａ／ｍ２である。溶液ＢがＮａＯＨの場合、陽イオン２と陰イオン３が結合して、Ｍｇ（ＯＨ）２となる。陰極１２側の強度は、溶液ＢがＮａ２ＣＯ３よりは、強度が弱いが、陽極１１側でも強度が出ていることが示されている。このことは、ＯＨ−１の陰イオン３はＣＯ３−２の陰イオン３より移動速度が大きく、処理期間が７日でも、陰イオン３が陽極１１側に移動して、陽極１１側でも結合する割合が大きくなると考えられる。
【００１９】
図６は、物質４中にあるＭｇ＋２の陽イオン２の量を測定したものである。図６（Ａ）では、溶液Ａは、Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２であり、溶液Ｂは、Ｎａ２ＣＯ３である。図６（Ｂ）では、溶液Ａは、図６（Ａ）と同じであり、溶液Ｂは、ＮａＯＨである。図６の通電期間は、７日間である。溶液ＢがＮａ２ＣＯ３の場合、Ｍｇ２＋イオン量が陰極側で大きく、陽極側に向かって小さくなっている。それに伴い、一軸圧縮強度も小さくなっている。溶液ＢがＮａＯＨの場合、溶液ＢがＮａ２ＣＯ３に比べて、Ｍｇ２＋の陽イオン量が大きく陽極側でもあまり少なくなっていない。それに伴い、一軸圧縮強度も、陽極側に向かっても、僅かに小さくなる程度である。これらの測定結果から、両イオンの結合量により強度が大きくなり、また、イオンの種類により強度に違いのあることが知られる。
【００２０】
（実施例２）
実施例２は、実施例１の装置より大きな装置とした。実施例１の図３を利用して実施例２の装置を説明する。実施例２の硬化装置は、断面が正四角形の筒体である。陽極１１側には、長さは５０ｍｍの溶液Ａの領域があり、それと接して、長さ２０ｍｍの砂の保護層であるフィルタ５がある。陰極１２側には、長さは５０ｍｍの溶液Ｂの領域があり、それと接して、長さ２０ｍｍの砂の保護層であるフィルタ５がある。フィルタ５、５の間に長さ６０ｍｍの軟弱粘土４を配置する。筒体の断面形状は、正方形であり、１辺が１００ｍｍである。粘土の種類、測定条件などは、表２に示す。軟弱粘土は、カオリン粘土（０．８重量％：水／粘土比）である。溶液Ａは、Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２であり、溶液Ｂは、Ｎａ２ＣＯ３である。通電期間は、７日間とする。電源１により、電極１１、１２間に電流密度、２０Ａ／ｍ２の電流を流す。実施例２では、通電期間は、７日間であるが、電流密度が実施例１の４倍と大きくなっている。
【００２１】
【表２】
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【００２２】
（実施例２の測定結果）
実施例２の結果を図７に示す。黒の三角印は、陽イオン２と陰イオン３のモル濃度が１ｍｏｌ／Ｌの測定値であり、白の三角印は、２ｍｏｌ／Ｌの測定値である。２ｍｏｌ／Ｌの例では、１軸圧縮強度が、１ｍｏｌ／Ｌの例のほぼ倍と大きくなっている。１ｍｏｌ／Ｌも２ｍｏｌ／Ｌの例でも、粘土の強度が陰極側で少し大きいが、陽極側でも、かなりの強度が出ている。このように電流密度を大きくできると、７日間程度でも、陰極と陽極の間の広い領域で、大きな強度に硬化できることを示している。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】硬化装置の説明図
【図２】硬化装置の他の構造の説明図
【図３】硬化装置の実施例１の説明図
【図４】実施例１の溶液Ａ：Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、溶液Ｂ：Ｎａ２ＣＯ３のグラフ図
【図５】実施例１とイオンを用いない例との対比のグラフ図
【図６】実施例１とＭｇの量と１軸圧縮強度との関係を示す図
【図７】実施例２の溶液Ａ：Ｍｇ（ＣＨ３ＣＯＯ）２、溶液Ｂ：Ｎａ２ＣＯ３のグラフ図
【符号の説明】
【００２４】
１・・・電源
１１・・陽極
１２・・陰極
１３・・外側電極
１４・・内側電極
２・・・陽イオン
３・・・陰イオン
４・・・物質（カオリン粘土）
５・・・フィルタ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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