(57)【要約】【課題】改良土の六価クロムの溶出量が環境基準値以下となり、改良地盤の強度が高強度となる地盤改良用固化材を提供する。【解決手段】セメントまたはセメント系固化材で地盤改良を行う工法において、セメントクリンカまたは水硬性材料に石膏を添加する際に、水温２５℃における蒸留水１００ｍＬに対して石膏０．３ｇを添加する試験で、添加後１０分間でカルシウムイオンが２００ｍｇ／Ｌ以上溶解する石膏を使用する。これにより、高強度の改良土を得ることができる。しかも、改良土からの六価クロムの溶出を抑制させることができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
セメントクリンカまたは水硬性材料に添加される石膏として、
水温２５℃の蒸留水１００ｍＬに石膏０．３ｇを添加したとき、添加後１０分でカルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上となるものを使用した地盤改良用固化材。
【請求項２】
前記石膏は、無水石膏および二水石膏のうち、少なくとも１つを含有している請求項１に記載の地盤改良用固化材。
【請求項３】
前記水硬性材料は、ポルトランドセメント、石灰類、混合セメント、土質改良用固化材および特殊セメントのうち、少なくとも１つを含有している請求項１または請求項２に記載の地盤改良用固化材。
【請求項４】
前記セメントクリンカは、普通ポルトランドセメント用クリンカ、早強ポルトランドセメント用クリンカおよび低熱ポルトランドセメント用クリンカのうち、少なくとも１つを含有している請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の地盤改良用固化材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、地盤改良用固化材、詳しくは例えばセメントまたはセメント系固化材を用いた地盤改良工事において、高強度の改良土が得られ、かつ改良土からの六価クロムの溶出を抑制可能な地盤改良用固化材を提供することを目的としている。
【背景技術】
【０００２】
土壌汚染問題が取り沙汰される中、土壌などの条件によっては、セメントおよびセメント系固化材による改良土から、六価クロムが溶出することが判明した。そのため、２０００年３月に旧建設省、旧運輸省、農林水産省などより、「セメントおよびセメント系固化材の地盤改良への使用及び改良土の再利用に関する当面の処置について」の通達が出された。その後は、セメント会社から販売されている特殊土用（六価クロム対策用）セメント系固化材を使用することにより、改良土からの六価クロムの溶出量は低減されるようになった。よって、この問題は発生し難くなっているが、完全に解決されたわけではない。
【０００３】
ところで、一般的な土質改良用固化材は、セメントベースを材料に硫酸塩を添加してエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏ）の結晶を生成させ、土粒子との拘束を高めた材料である。硫酸塩としては、主に無水石膏または二水石膏が採用されている。
従来の地盤改良用固化材としては、例えば特許文献１の「地盤改良材」が知られている。これは、水硬性材料、高炉スラグおよび石膏を含む地盤改良材において、高炉スラグの作用により六価クロムの溶出を低減させるものである。具体的には、水硬性材料１００重量部に対して、高炉スラグ５重量部以上、および石膏を無水石膏換算で２重量部以上含む地盤改良材を作製し、これを用いて改良土からの六価クロムの溶出を抑制しようとしたものである。
【０００４】
また、特許文献２として、粒子径が１０μｍ以下のものを４０〜８０体積％含有し、かつ比表面積が０．５〜１．０ｍ２／ｇの硫酸塩粉末を使用することで、高強度と良好な作業性が得られるものも開発されている。
【特許文献１】特開２００１−３４８５７１号公報
【特許文献２】特開２００４−１３７３２２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、特許文献１においては、高炉スラグの作用により六価クロムの溶出量を抑制しているが、高炉スラグは多量に添加しなければ効果が期待できない。すなわち、高炉スラグを５重量部以上含むことで溶出を抑制することができるとされているが、実施例において、最も少ない高炉スラグの添加量は、セメント１００重量部に対して高炉スラグ４２．９重量部で、それ以下の添加量での効果は不明である。ただし、高炉スラグの添加量が少なくなるに従い、六価クロムの溶出の抑制効果が低下することは容易に予想することができる。
【０００６】
また、特許文献２においては、限定した石膏を使用することで、高強度および良好な作業性が得られるとされているが、六価クロムの溶出については高炉セメントＢ種を用いると記載されている。しかしながら、高炉セメントＢ種を使用すれば、土質の種類によっては、強度が大幅に低下するという問題が生じる。
【０００７】
そこで、発明者は、鋭意研究の結果、セメントクリンカまたは水硬性材料に添加される石膏として、水温２５℃の蒸留水１００ｍＬに石膏０．３ｇを添加したとき、添加後１０分でカルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上となるものを使用すれば、改良土の六価クロムの溶出量が環境基準値以下となり、しかも改良地盤が高強度化することを知見し、この発明を完成させた。
【０００８】
この発明は、改良土の六価クロムの溶出量が環境基準値以下となり、改良地盤が高強度となる地盤改良用固化材を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
請求項１に記載の発明は、セメントクリンカまたは水硬性材料に添加される石膏として、水温２５℃の蒸留水１００ｍＬに石膏０．３ｇを添加したとき、添加後１０分でカルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上となるものを使用した地盤改良用固化材である。
【００１０】
請求項１に記載の発明によれば、セメントクリンカまたは水硬性材料に添加される石膏として、水温２５℃の蒸留水１００ｍＬに石膏０．３ｇを添加したとき、石膏中からカルシウム（イオン）が、１０分間に２００ｍｇ／Ｌ以上溶解する地盤改良用固化材を使用して地盤を改良する。その結果、高強度の改良土が得られるとともに、改良土からの六価クロムの溶出も抑えることができる。
【００１１】
この発明の六価クロムの溶出低減の作用としては、セメントによるカルシウムシリケート水和物およびカルシウムアルミネート水和物を生成し、固化強度を発現するとともに、六価クロムを固定して溶出を低減するということが挙げられる。
しかしながら、火山灰質粘性土などでは、セメントまたはセメント系固化材による改良土からの六価クロムの溶出が比較的多いことが知られている。その原因の一つとして、火山灰質粘性土に多量に含まれるアロフェンが考えられる。アロフェンは、直径５ｎｍ程度の中空球形状を有し、その内部に多量の非自由水を含み、Ｘ線回拆的に顕著なピークを有しない非晶質粘土鉱物である。アロフェンは多量のカルシウムイオンを吸着する性質を有するため、土壌の固化処理時に、固化材中のカルシウムイオンが土中のアロフェンに吸着され、セメント水和物が生成され難くなる。セメントの水和が進行しないことにより、固化強度の発現性が低下し、六価クロムをセメント水和物に固定することができないと考えられる。
【００１２】
地盤改良の際には、改良直後からＣ３Ｓ（３ＣａＯ・ＳｉＯ２）、Ｃ３Ａ（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３）、石膏などの加水分解によりエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏ）が生成されるとともに、Ｃ３Ｓの表面およびＣ３Ａの表面からカルシウムイオンがそれぞれ放出される。
そこで、この発明の要旨であるセメントクリンカまたは水硬性材料に石膏を添加する際に、カルシウムイオンの溶解速度が速い石膏を使用することにより、固化処理の初期に多量のカルシウムイオンを供給可能となる。これにより、固化処理の初期にアロフェンのカルシウムイオン吸着量は飽和状態となり、余剰のカルシウムイオンが強度発現および六価クロムの固定化に寄与する水和物の形成を助長させる。
【００１３】
カルシウムイオンの溶解速度を求める方法としては、水温２５℃において水１００ｍＬに対して石膏０．３ｇを添加し、マグネチックスターラと攪拌子を用いて、カルシウムイオンが１０分間に２００ｍｇ／Ｌ以上溶解する石膏を使用する方法を採用することができる。なお、攪拌子の回転速度は、１００〜６００ｒｐｍ程度であれば、カルシウムイオン濃度に大きな差は生じない。
【００１４】
ここで、水温を２５℃とし、水１００ｍＬに対して石膏０．３ｇを添加するようにしたのは、石膏の影響の差が生じやすく、石膏を差別化できるためである。仮に、添加する石膏の量を３ｇとした場合、カルシウムイオンの溶解速度はほとんどの石膏において、１０分間に２００ｍｇ／Ｌ以上となり、差別化することはできない。
【００１５】
さらに、測定時間を１０分間としたのは、溶解するカルシウムイオンは時間とともに増加して区別できなくなるためである。
そして、カルシウムイオンの溶解量が２００ｍｇ／Ｌ以上としたのは、２００ｍｇ／Ｌ未満では改良土の強度発現が低く、六価クロムの溶出量が多いからである。カルシウムイオンの好ましい溶解量は、２００ｍｇ／Ｌである。この値であれば、改良土の強度発現が高く、六価クロムの溶出量が少ないというさらに良好な効果が得られる。
【００１６】
また、水硬性材料に含まれるカルシウムと、土中のシリカおよびアルミニウム分とのポゾラン反応により、カルシウムシリケート、カルシウムアルミネートなどの水和物が長期的に生成し、地盤改良した部分の強度が増進される。
対象土に対する地盤改良用固化材の添加量は、現場における必要強度に基づく予備試験を行うことで容易に決定することができる。これにより、必要な強度発現を得ることができる。
【００１７】
請求項２に記載の発明は、前記石膏は、無水石膏および二水石膏のうち、少なくとも１つを含有している請求項１に記載の地盤改良用固化材である。
【００１８】
石膏としては、無水石膏、二水石膏を単独またはその２つを組み合わせて使用することができる。
無水石膏および二水石膏は、天然産品、副産品のいずれも使用することができる。粘土鉱物などの不純物が混入されたものでもよい。
【００１９】
請求項３に記載の発明は、前記水硬性材料は、ポルトランドセメント、石灰類、混合セメント、土質改良用固化材および特殊セメントのうち、少なくとも１つを含有している請求項１または請求項２に記載の地盤改良用固化材である。
【００２０】
水硬性材料としては、例えばポルトランドセメント、石灰類、混合セメント、土質改良用固化材、特殊セメントを単独またはその２つ以上を組み合わせて使用することができる。
このうち、ポルトランドセメントとしては、例えば普通ポルトランド、早強ポルトランドセメントおよび低熱ポルトランドなどを採用することができる。
石灰類としては、生石灰、消石灰、石灰石粉末などを採用することができる。
混合セメントとしては、例えば混合セメント、シリカセメント、フライアッシュセメントなどを採用することができる。
特殊セメントとしては、例えばアルミナセメント、マグネシアセメント、石膏セメント（キーンスセメント）などを採用することができる。
【００２１】
請求項４に記載の発明は、前記セメントクリンカは、普通ポルトランドセメント用クリンカ、早強ポルトランドセメント用クリンカおよび低熱ポルトランドセメント用クリンカのうち、少なくとも１つを含有している請求項１〜請求項３のうち、何れか１項に記載の地盤改良用固化材である。
【００２２】
セメントクリンカとしては、普通ポルトランドセメント用クリンカ、早強ポルトランドセメント用クリンカ、低熱ポルトランドセメント用クリンカを単独またはその２つ以上を組み合わせ使用することができる。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に記載された地盤改良用固化材によれば、セメントまたはセメント系固化材で地盤改良を行う工法において、セメントクリンカまたは水硬性材料に石膏を添加する際に、１０分間でカルシウムイオンが２００ｍｇ／Ｌ（水温２５℃における蒸留水１００ｍＬに対して石膏０．３ｇを添加する試験）以上溶解する石膏を使用することで、高強度の改良土を得ることができる。しかも、改良土からの六価クロムの溶出を抑制させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、この発明の実施例を具体的に説明する。ただし、この発明はこれらに限定されるものではない。
【実施例１】
【００２５】
固化処理の対象土としては、火山灰質粘性土（上福岡市採取、湿潤個／ｃｍ２、１．３５ｇ／ｃｍ３、含水比１１４．２％）を採用した。
使用材料（セメントクリンカまたは水硬性材料）としては、普通ポルトランドセメント（宇部三菱セメント株式会社製、記号ＮＣ）、生石灰（菱光石灰工業株式会社製、記号ＣａＯ）、高炉セメントＢ種（宇部三菱セメント株式会社製、記号ＢＢ）、一般軟弱土用セメント系固化材ユースタビラー１０（宇部三菱セメント株式会社製、記号ＵＳ１０）、普通ポルトランドセメント用クリンカ（宇部三菱セメント株式会社製、記号Ｎ）、早強ポルトランドセメント用クリンカ（宇部三菱セメント株式会社製、記号Ｈ）、低熱ポルトランドセメント用クリンカ（宇部三菱セメント株式会社製、記号Ｌ）を採用した。
【００２６】
石膏としては、旭硝子株式会社製ふっ酸無水石膏（密度２．９４ｇ／ｃｍ３、比表面積４４１０ｃｍ２／ｇ、記号Ａｎ−Ａ）、日本軽金属株式会社製ふっ酸無水石膏（密度２．９６ｇ／ｃｍ３、比表面積４４６０ｃｍ２／ｇ、記号Ａｎ−Ｎ）、タイ産天然無水石膏Ｔ（密度２．９４ｇ／ｃｍ３、比表面積４４９０ｃｍ２／ｇ、記号Ａｎ−Ｔ）、別ロットのタイ産天然無水石膏Ｓ（密度２．９２ｇ／ｃｍ３、比表面積３９４０ｃｍ２／ｇ、記号Ａｎ−Ｓ）、ダイキン工業株式会社製ふっ酸無水石膏（密度２．９９ｇ／ｃｍ３、比表面積６２４０ｃｍ２／ｇ、記号Ａｎ−Ｄ）、関東科学株式会社製二水石膏（密度２．３２ｇ／ｃｍ３、比表面積２０８０ｃｍ２／ｇ、記号Ｇ）を採用した。
【００２７】
表１および表２に示す試験によれば、２００ｍＬのビーカに水温２５℃の蒸留水１００ｍＬを入れ、イオン電極を蒸留水に挿入し、前述した石膏を３．０ｇ（表１）、０．３ｇ（表２）それぞれ添加し、マグネチックスターラ（東京製作所株式会社製）と、攪拌子（アズワン株式会社製）を用いて直ちに５００ｒｐｍの速度で、表１および表２に示す所定時間だけ攪拌混合を行った。その後、これらの溶液に溶解したカルシウムイオンの濃度を、イオン電極（東亜電波工業株式会社製、ＨＳ−３０５）により経時的に測定した。
【００２８】
【表１】
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【００２９】
【表２】
2007138102.tif 000003
【００３０】
表１から明らかなように、石膏量３．０ｇの場合、いずれの石膏（Ａｎ−Ａ、Ａｎ−Ｎ、Ａｎ−Ｔ、Ａｎ−Ｓ、Ａｎ−Ｄ、Ｇ）においても、カルシウムイオンの溶解速度が速く、顕著な差異はなかった。全ての石膏が、蒸留水への添加後５分（浸漬時間５分）ではカルシウムイオンの濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上、添加後３０分ではカルシウムイオンの濃度が３００ｍｇ／Ｌ以上となった。なお、理論的な溶解量は、無水石膏の場合で約５００ｍｇ／Ｌ、二水石膏で約５９０ｍｇ／Ｌである。
【００３１】
また、表２から明らかなように、石膏量０．３ｇの場合、カルシウムイオンの溶解速度に差異が確認された。特に、浸漬後１０分では、カルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ未満となるＡｎ−Ａ、Ａｎ−Ｎ、Ａｎ−Ｔと、カルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上となるＡｎ−Ｓ、Ａｎ−Ｄ、Ｇのグループとに分けられた。
【００３２】
表３に示す試験では、固化処理土（対象土）の配合は水固化材比を６０％とし、地盤改良用固化材の添加量は湿潤土１ｍ３に対して３００ｋｇ／ｍ３とした。地盤改良用固化材の配合は、ＮＣと無水石膏の割合とを９０：１０とし、ＮＣと二水石膏との割合は無水石膏換算で１０％添加となるようにした。その後、ＪＧＳ  ０８２１−２０００「安定処理土の締固めをしない供試体作製方法」に従って供試体を作製した。
次に、ＪＩＳ  Ａ  １２１６「土の一軸圧縮試験方法」に従って、材齢７日、材齢２８日において一軸圧縮強さを測定した。一軸圧縮試験終了後の試料について、セメント協会標準試験方法ＪＣＡＳ  Ｌ−０２−２００４「セメント及びセメント系固化材を使用した改良体の六価クロム溶出試験方法」に従って、六価クロムの溶出試験を行った。
【００３３】
【表３】
2007138102.tif 000004
【００３４】
表３から明らかなように、添加後１０分でカルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上となる石膏を使用した地盤改良用固化材では、強度発現性が良好で、六価クロムの溶出量が少ないことを確認することができた。
【００３５】
表４に示す試験では、固化処理土の配合は乾式（水固化材比を０％）添加とし、地盤改良用固化材の添加量は湿潤土１ｍ３に対して２００ｋｇ／ｍ３とした。地盤改良用固化材の配合は、生石灰と無水石膏との割合を９０：１０、高炉セメントと無水石膏との割合を９０：１０、アルミナセメントとＮＣおよび無水石膏との割合を４０：５０：１０、ＵＳ１０と無水石膏との割合を９０：１０とした。その他の試験方法は、表３と同様に実施した。
【００３６】
【表４】
2007138102.tif 000005
【００３７】
表４から明らかなように、添加後１０分でカルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上となる石膏に水硬性材料の種類を変更した地盤改良用固化材を添加した場合、強度発現性が良好で、六価クロムの溶出量が少ないことを確認することができた。
【００３８】
表５に示す試験では、セメントクリンカに無水石膏を添加し、混合粉砕により地盤改良用固化材を作製した。得られた地盤改良用固化材の成分が、無水石膏換算で１０％添加となるような配合とした。その他の試験方法は、表３と同様に実施した。
【００３９】
【表５】
2007138102.tif 000006
【００４０】
表５から明らかなように、添加後１０分でカルシウムイオン濃度が２００ｍｇ／Ｌ以上となる石膏にセメントクリンカを変えて混合粉砕した場合、強度発現性が良好で、六価クロムの溶出量が少ないことを確認することができた。