フジタ技術研究報告㻌第㻡㻟号㻌 㻌 㻞㻜㻝㻣年㻌
㻌㻌

超微粒子セメント混合改良による砂地盤の遮水性向上の検証㻌㻌㻌
堀 田 㻌 崇 由㻌㻌㻌㻌北㻌㻌島明㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌㻌
概㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 㻌 要㻌㻌
超微粒子セメントとは粒径を4μm程度まで粉砕したセメントである。主な用途としては、その浸透性を期待して遮水性・強度増加を目的とした薬液注入工法で用いられ、砂地盤での適用が可能であることが確認されている。一方、砂質土は粘性土に比べて遮水性は低く、混合によるセメント改良を行っても堤体等の遮水材としては期待されない。本稿では超微粒子セメントを使用したセメント改良によって砂質土の遮水性を向上させることが可能かを検証した。㻌
試験結果より、超微粒子セメントは普通セメントよりも高い改良効果があることが分かった。また、混合方法を工夫することで、過剰に強度は発現させずに透水係数を低下させることの可能性が示唆された。㻌
㻌㻌Verification of the improvement in impervious soil material by mixing ultra-fine cement
㻌㻌Abstract
㻌 Ultra-fine cement is cement that has been crushed until its particle size is under approximately 4μm. It ismainly used in chemical grouting to improve imperviousness and strength thanks to its permeability, and its
suitability for sandy soil has been confirmed. While sandy soil is less impervious than cohesive soil, there are noexpectations for the potential of sandy soil as an impervious material, even mixed with improvement materials likecement. In this paper, we verify the effect of improving the imperviousness of sandy soil by mixing it with ultra-finecement.
The results say, firstly, that ultra-fine cement is more effective than ordinary cement. Secondly, there is thepossibility of decreasing the permeability without excessive strength through innovation in the mixing method.

キーワード：㻌

超微粒子セメント、透水係数㻌

㻌㻌㻌
㻌

−19−㻌

㻌

フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻟号㻌§１㻚㻌 はじめに㻌

め試験における標準エネルギー1.0Ec（≒550kJ/m2）とし㻌て い る 。 ま た 、 同 じ 試 料 を 用 い て 直 径 50mm 、 高 さ

1.1 超微粒子セメントとは100mm の供試体も同様の条件でいくつか作製し、透水超微粒子セメントとは平均粒径を 4μm 程度まで粉砕試験の計測と同時に一軸圧縮試験を行っている。

したセメントであり、主にトンネル・ダム・貯水池等の湧試料の条件としては、セメントの種類を 2 種類（普通ポ水・漏水防止、軟弱地盤の補強、砂質地盤の液状化防ルトランドセメント、超微粒子セメント）、セメントの添加量

止における薬液注入工法の注入材として用いられていを 2 種類（Mc =100kg/m3、150kg/m3）で比較・検討してる。最大の特徴はその平均粒径の小ささゆえの、注入いる。超微粒子セメントには太平洋マテリアル株式会社

材としての優れた浸透性と迅速な強度発現である。通のアロフィクス MC 使用し、分散剤にはアロフィクス MC

常、セメントを用いた薬液注入工法では透水係数が 1×用の製品である MC ヘルパーを使用している。

10-1m/s 以上の礫質地盤や割裂を有する地盤を対象とするが、超微粒子セメントは 1×10-3m/s オーダーの細砂

2.2 試験装置・条件
図 1 に試験に使用した透水試験機の概略を示す。試1)

地盤に対しても注入が可能 である。

験装置は三軸セルを用いており、任意の拘束圧力下で1.2 研究の背景と目的の試験が可能となっている 3)。本稿では全ての供試体

一般に、砂質土材料を用いた土構造物は、粘性土をに対して、50kPa の等方圧密下で試験を行っている。透用いた場合に比べて締固めに適しており、乾燥密度・水係数の計測は図 1 中のビュレット A の水をペデスタル強度が大きくなるが、透水係数も大きくなる。セメント混を通じて供試体の下端から上向きに、さらにキャップか合による改良を行うことで透水係数を小さくすることは可らビュレット B に流して行う。両ビュレットの断面積 a が等能であるが、強度増加を目的とした範囲の添加量ではしいため、透水係数は次式から求まる。

堤体等の遮水材としては満足できない。そのため、海k 2.303  hs  a  log10 H1 / H 2  / 2  As  t 2  t1 
供試体は 2 日間気中養生したものを試験機にセットし、岸・河川の堤防や調整池等で砂質土を使用する場合に2)。しか1 日かけて飽和化・圧密を行った後に養生日数 3 日のし、遮水シートの敷設は人力で作業をするため、多くの計測をしている。それ以降の計測は供試体を試験機内工期・人工を要する。

で養生し、所定の日数で行っている。試験結果は気温は遮水シート等を用いて遮水性を付加している

そこで、本稿では薬液注入による地盤改良において15℃での粘性係数に補正した k15 で整理している。

注入材として用いられている超微粒子セメントを、特殊な機材・重機を必要としない混合改良に用いることで、砂質土が遮水材としての機能を有することを室内実験により検証した。

§２㻚㻌 試験方法㻌
㻌2.1 使用した試料・供試体
本稿では、透水係数が 1×10-3m/s 程度の砂質材料を対象として改良効果を検証する。改良母材には豊浦標準砂（以下、豊浦砂）を用いた。過去の研究により豊浦砂の透水係数は 1×10-3m/s オーダーであることが分かっている 3)。その他の物性値としては、土粒子密度s=2.636g/cm3 で、細粒分含有率が 5%以下の極めて粒径が揃った砂である。
試料は含水比を 15%に調整した豊浦砂に、所定の添加量となるセメントを粉体で投入し、ミキサーで均質となるように混合している。透水試験に用いた供試体は直㻌

径 75mm、高さ 50mm でモールドに 3 層に分けてランマ

図㻝㻌 三軸セルを用いた透水試験機概略図㻌

ーで締固めて作製している。締固めエネルギーは締固−20−－㻞－㻌超微粒子セメント混合改良による砂地盤の遮水性向上の検証㻌

§３㻚㻌 試験結果・考察㻌

10-5㻌
3.1 透水係数
図 2 に固化材添加量Mc =100kg/m3 の養生日数と透透水係数, k15 (m/s)

水係数の関係を示す。図より、養生日数 3 日、7 日ともに超微粒子セメントの方が、普通セメントよりも透水係数が小さくなっていることが分かる。また、わずかながらではあるが、3 日から 7 日の透水係数の低下率も超微粒子セメントの方が大きいことが伺える。しかしながら、7 日での透水係数 k15 は普通セメントで k15=6.46×10-5m/s、超微粒子セメントで k15=4.68×10-5m/s であり、有意な差：普通セメント：超微粒子セメントとはいえず、固化材の種類による違いは小さい。
図 3 に固化材添加量Mc =150kg/m3 の養生日数と透10-6水係数の関係を示す。図より、養生日数 3 日では透水37
養生日数(日)係数は同等であるが、7 日では超微粒子セメントの方が、

㻌図㻞㻌 養生日数と透水係数の関係（㻹㼏㻌㻩㻝㻜㻜㼗㼓㻛㼙㻟）㻌

普通セメントよりも透水係数が小さくなっていることが分10かる。養生日数 7 日における超微粒子セメント供試体で-4の透水係数の低下率は顕著であり、透水係数 k15 は普通セメントで k15=1.75×10-6m/s、超微粒子セメントで, k 15 (m /s)

k15=8.58×10-8m/s となり、セメントによる違いが大きく現れている。
次に、図 4 に固化材添加量Mc と透水係数 k15 の関

10-6透水係数係を示す。図より、養生日数 7 日、Mc =150kg/m3 での透水係数の低下が顕著であることが分かる。一方、Mc=100kg/m3 では固化材の種類、養生日数による大きな差はないことから、超微粒子セメントによる透水係数低：普通セメント下に関する優位性は一定以上の添加量と養生日数が：超微粒子セメント必要となることが分かる。固化材添加量と透水係数の関係を調べた他の文献

例えば 4)，5)10によると、固化材添加量の-837
養生日数増加にともない、透水係数は低下し、低下の割合は粘(日 )㻌図㻟㻌 養生日数と透水係数の関係（㻹㼏㻌㻩㻝㻡㻜㼗㼓㻛㼙㻟）㻌

性土より砂質土の方が大きいが、Mc >100kg/m ではそ3れほど大きく低下しないことが分かっている。しかし、本10-510-610-7試験においては、Mc >100kg/m3 かつ 3 日目以降に大きく透水係数が低下している。超微粒子セメントは粒径速度が早いとされている。一方で試験に用いた超微粒子セメント（アロフィクス MC）は普通ポルトランドセメントに比べて SiO2 の含有率が多く、CaO の含有率が少ない
ことから、セメントの早強性に寄与する化合物の C3S が少ないことが推定される。そのため、3 日以降での傾向透水係数, k15 (m/s)

が小さく比表面積が大きいことから、セメントの水和反応：普通セメント(養生3日)：普通セメント（養生7日）：超微粒子セメント（養生3日）：超微粒子セメント（養生7日）

で差が生じたと考えられる。また、超微粒子セメントの本来の用途である薬液注入工法ではセメントを含水比w=300~600%程度のスラリー状で使用するのに対し、本10試験では現場における粉末での混合を想定し、豊浦砂に対する含水比で試料の配合を設定したため、セメント-8501001503固化材添加量，Mc (kg/m )図㻠㻌 固化材添加量と透水係数の関係㻌

量に対する含水量はMc =100kg/m3 では w/c≒270%、−21−－㻟－㻌200㻌フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻟号㻌Mc =150kg/m3 では w/c≒180%となっている。一般にセメントの水和反応に必要な水の量は w=40～50%程度と10-510-610-7されており、それ以上の加水は強度を低下させる要因となるのであるが、供試体内での流動性やセメントの反応透水係数, k15 (m/s)

性という点では、高含水比であるMc =150kg/m3 の方が有利であったと考えられる。これらの考察は供試体の間隙の大きさと固化材の粒子の大きさの関係が影響していることが考えられるが、固化材の粒子の大きさに着目した既往の研究成果は少なく、本稿における試験デー：普通粉体：普通スラリー：超微粒子粉体：超微粒子スラリー

タでも推定の域を出ないため、更なる試験の実施と検討が必要である。
ここで、固化材の混合方法による影響が考えられた

10-83

ため、同じ配合量で先に水を固化材と混合し、スラリー7養生日数(日)化したものを乾燥した豊浦砂に添加する方法で供試体㻌図㻡㻌 養生日数と透水係数の関係㻌を作製した。Mc =150kg/m3 における試験結果を図 5 に（固化材の混合方法による比較、㻹㼏㻌㻩㻝㻡㻜㼗㼓㻛㼙㻟）㻌

示す。図より、普通セメント、超微粒子セメントともにスラ㻌

リー混合の方が透水係数は低下していることが分かる。

5000

また、養生日数の経過による透水係数の低下の傾きは34000
一軸圧縮強さ, qu (kPa)伺える。このことから、混合方法は供試体作製初期の固化材の水和反応に大きく影響していることが分かる。具
体的には、スラリー混合では固化材が水と完全に混ざった後に砂に添加されるため、未反応となることがなく、砂粒子に対する付着も均質になり、より間隙を埋めていることが推測される。

3：普通150kg/m
3：普通100kg/m

混合方法によらず固化材の種類で同程度であることが：超微粒子150kg/m
3：超微粒子100kg/m

3000

2000

1000

3.2 一軸圧縮強さ
図 6 に透水試験と同じ試料を用いて作製した供試体0より求めた一軸圧縮強さ qu と養生日数の関係を示す。

37養生日数(日)

一軸圧縮強さは透水係数と同様に、Mc =100kg/m3 で㻌図㻢㻌 養生日数と一軸圧縮強さの関係㻌

は固化材の種類による大きな差はみられないが、 Mc㻌=100kg/m3 においては超微粒子セメントが養生 7 日で顕5000著に大きくなっている。次に図 7 に固化材添加量と一軸圧縮強さの関係を示す。透水係数と同様に、養生日数

4000

7 日、Mc =150kg/m3 での強度の増加が顕著である。
透水係数, k15 (m/s)

図 8 に固化材の混合方法の違う供試体の養生日数と一軸圧縮強さを比較した結果を示す。透水係数は普通セメント、超微粒子セメントともにスラリー混合の方が 3日養生時点での改良効果が大きく表れ、その後の増加は混合方法によらなかったのに対して、一軸圧縮強さ
は 3 日養生時点では粉末混合、スラリー混合で大きな：普通セメント(養生3日)：普通セメント（養生7日）：超微粒子セメント（養生3日）：超微粒子セメント（養生7日）

3000

20001000差はない。加えて、普通セメントでは 7 日養生強度も混合方法に差はなく、超微粒子セメントでは 7 日養生でス050

ラリー混合での強度が大きくなっている。このことから、混合方法の違いは透水係数と強度で与える影響が異1001503

固化材添加量，Mc (kg/m )図㻣㻌 固化材添加量と一軸圧縮強さの関係㻌

なることが考えられる。
−22−－㻠－㻌

200

超微粒子セメント混合改良による砂地盤の遮水性向上の検証㻌

5000

図 9 に一軸圧縮強さと透水係数の関係を示す。いずれの条件においても一軸圧縮強さが増加にともなって透水係数が小さくなっていることが分かる。一方、超微4000
一軸圧縮強さ, qu (kPa)

粒子セメントの粉体混合の場合のみ、強度の増加にともなう透水係数の低下の傾きが異なっていることが分かる。
これは、混合方法による透水係数への影響を先述した通り、スラリー混合では固化材がより均質に水和反応を起こし、砂粒子の間隙を埋めているという現象が普通セメントよりも超微粒子セメントの方が顕著であることが推

3000

2000

1000

測される。また、図 5、図 8 の超微粒子セメントの混合方法による影響を勘案すると粉体混合では長期的な一軸：普通粉体：普通スラリー：超微粉体：超微スラリー

370

圧縮強さが効果的に発揮されないことが考えられる。しかしながら、スラリー混合の 7 日養生の一軸圧縮強さは養生日数(日)㻌

qu=4478kPa であり、改良土としては強度が大きすぎるた図㻤㻌 養生日数と一軸圧縮強さの関係㻌

め、改良方法を工夫することで強度の発現を制御しな（固化材の混合方法による比較、㻹㼏㻌㻩㻝㻡㻜㼗㼓㻛㼙㻟）㻌

がら透水係数を低下させることができれば有意であり、10-4

この結果はそれが可能であることを示唆している。

：普通粉体：普通スラリー：超微粒子粉体：超微粒子スラリー

透水係数, k15 (m/s)

3.3 供試体の間隙比
本稿における普通セメントと超微粒子セメントおよび混合方法による試験結果の比較は供試体における砂粒子で形成される骨格構造は同等であり、その間隙を埋める固化材の結合の状態によって透水係数及び一軸圧縮強さに差が生じるという前提のもとに行った。それを確認するために、

10-610-8間隙比で試験結果を整理した。図10に固化材添加量と間隙比の関係を示す。固化材の添加量が増加すると間隙比が 小 さ く な っ て い る が 、 こ れ は 土 粒 子 の 密 度 㼟㻌
=2.636g/cm3、普通セメントの密度㼟㻌 =3.15g/cm3、超微粒子
セ メ ン ト の 密 度 㼟㻌 =3.00g/cm な の に 対 し て 間 隙 比 e
3

1000

2000

3000

4000

一軸圧縮強さ, qu (kPa)（=s/d-1）の計算には豊浦砂の密度㼟㻌 =2.636g/cm3を用い㻌図㻥㻌 一軸圧縮強さと透水係数の関係㻌て計算をしているためである。その点を加味すると、砂粒子0.7で形成される骨格構造は固化材の添加量、混合方法によらず、一定であることが確認できた。
㻌間隙比, e0.65

0.60.550.550：普通粉体：普通スラリー：超微粒子粉体：超微粒子スラリー

100150図㻝㻜㻌 供試体の間隙比㻌
−23−－㻡－㻌

3

固化材添加量，Mc (kg/m )200

フジタ技術研究報告㻌 第㻡㻟号㻌§４㻚㻌 まとめ㻌参㻌 考㻌 文㻌 献㻌1)

㻌
本論文では、砂質土に超微粒子セメントを混合するこ

メントの細粒分質砂への浸透性向上に関する考察、太とで、遮水性が向上し、透水係数を低下させることが可能であるかを室内透水試験により検討した。試験結果よ吉田了三、磯田英典、福山誠、渡辺将之：超微粒子セ平洋セメント研究報告、第169号、pp.62-69、2014．

2)

福島伸二, 小島 秋, 北島 明：ベントナイトシートにより得られた知見を以下に示す。

る表面遮水壁型堤体における浸透量特性、第71回土1) 固化材添加量Mc が等しい場合、超微粒子セメント木学会学術年次講演会、Ⅲ-102、pp.203-204、2016.

は普通セメントよりも透水係数の低下、一軸圧縮強3)さの増加において高い改良効果がある。

深い地盤の透水性調査法、土木学会論文集、No.445

2) 固化材添加量Mc>150kg/ｍ3、養生日数 7 日以降
において超微粒子セメントの改良効果は顕著にな

Ⅲ-18、pp.127-133、1992.
4)

る。

pp.31-32、2004.
5)効果がある。

社団法人セメント協会：セメント系固化材による地盤改良マニュアル第３版、第２章セメント系固化材による地

4) 一軸圧縮強さのセメントの混合方法によって改良効

盤改良の原理と改良土の特性、技報堂出版株式会

果は透水係数とは傾向が異なり、混合方法を工夫することで、過剰に強度は発現させずに透水係数を財団法人土木研究センター：陸上工事における深層混合処理工法設計・施工マニュアル改訂版、

3) 透水係数はセメントの混合方法によって改良効果は異なり、粉体混合よりもスラリー混合の方が高い改良

福島伸二、望月美登志、香川和夫：三軸セルを用いた社、pp.19-60、2003.
㻌

低下させることの可能性が示唆された。

ひとこと㻌
本稿における報告は、まだまだ基以上に示したとおり、超微粒子セメントは普通セメントより礎的なところに留まっている。改良しも高い改良効果があることが分かった。しかしながら、本稿

た砂質土の透水係数に関する文献

における試験結果ではそのメカニズムの解明までは至っては意外と少なく、今後も研究を進め、おらず、更なる試験データの蓄積と微視的構造の観察や化泥沼にはまるか大成功を収めるか楽学的観点からの考察が必要となる。㻌

堀田 崇由

㻌
㻌

−24−－㻢－㻌

しみである。