第3章 固化処理土の工学的性質
3-1

軟弱土固化のしくみ合物が水和して発現する強度は他の化合物よりも大きく、セメントの中長期強度を支配している。

3-1-1

セメントの水和機構

一方、その他の化合物であるアルミネート相（アルミン酸三カルシウム、C3A）とフェライト相

我が国で初めてセメントが製造されてから既に（鉄アルミン酸カルシウム、C4AF）は、エーライ

125年余りが経過し、この間、製造方式の改良なト・ビーライトの間隙を埋めるように存在する物

らびに各種セメントに関する品質企画の制定がな質であるが、特にアルミネート相は水和反応の速され、今日では目的に応じて多種類のセメントが度が極端に速いため、ごく初期の凝結を促進する製造されており、セメントは建設産業の主要基材ために欠かせない成分である。となっている。

ちなみに、セメント組成鉱物の水和の速さを図

セメントを水と混合すると、セメントの主成分

3-1に、クリンカー鉱物の強度発現速度を図3-2にである各種の化合物結晶が水中で分解し、水を結示す。

晶水とする新しい水和物結晶を析出し、これらが3-1-2互いに結びついて強固な構造体を形成する。骨材

軟弱土固化用セメントの特徴として砂またはレキを加えた場合、これらを糊着・結合して、堅牢なモルタルまたはコンクリー

普通ポルトランドセメントを用いて軟弱土を固トが形成される。

化しようとすると、対象土の成分の影響により強代表的なセメントである普通ポルトランドセメ度発現がしにくいことがあり、使用セメント量

ントの主要な化合物の含有量の一例と諸特性を表の増加に伴って不経済となることがある。その3-1に示す。表に示すように、セメント中の化合ため、比較的少量で固化し、化学的にも有害物

物の主体は、エーライト（ケイ酸三カルシウム、質を固定できる安定した固化機能を有する、軟C3S）とビーライト（ケイ酸二カルシウム、C2S）
で弱土固化に適したセメント系固化材の開発が求あり、この2種の化合物の含有量は一般に75％〜められた。
セメントに含まれている化合物の水和速度は、80％と化合物の大部分を占めている。これらの化表3-1
クリ

普通ポルトランドセメントの主要化合物含有量の一例および諸特性

ンカーの合物化

学組

成 ・ 名化称平均略記

強度発現

含有量（％）

短期

長期

水和熱

化学抵抗性

乾燥収縮

エーライト（Alite)

3 CaO・SiO3（ケイ酸三カルシウム）

C3S50

大大大中中

ビーライト（Belite)

2 CaO・SiO2（ケイ酸二カルシウム）

C2S25

小大小大

小

アルミネート相 3 CaO・Al2O3（Aluminate)（アルミン酸三カルシウム）

C3A

9中

小極めて大小大

フェライト相（Ferrite)

C4AF

9小小中中

大

4 CaO・Al2O3・Fe2O3（鉄アルミン酸カルシウム）

2100
8060(x10 )
800

C3A

3CaO·SiO3C4AF

700

圧縮強さ（kN/m2）

水和率（％）

40C3S2010864C2S600

2CaO·SiO2500
400300200

3CaO·Al2O324CaO·Al2O3·Fe2O3100

1123 4 510020 30 4050
100200 300400 500 1000
（1d）（3d） （7d）（14d）（28d）

水和時間（h）

図3-1

7 2850180360

養生日数（日）セメント組成鉱物の水和の速さ

図3-219クリンカー鉱物の強度発現速度

海域ヘドロ500
静岡県田子の浦港ヘドロ
ρt ＝ 1.266g/cm3
ω ＝ 203.6％
養生日数7日アルミネート相がエーライト・ビーライトに比べqu（kN/m2）て非常に速い。このため、軟弱土用固化材としては水和速度の速いアルミネート相の組成物を多くすることが望ましい。これは、水和速度の早い化

一軸圧縮強さ合物は、液相中に溶出したカルシウムイオンが有機酸類と反応して不溶性の塩を析出する前に水和物結晶を析出し、有機物による水和反応の阻害を回避するためである。

400300セメント系固化材
200100

表3-1に示したように、主要化合物の中で高強普通セメント度を発現するのはエーライト・ビーライトである。アルミネート相の発現強度は低いものの、混50100

合物中に水和物結晶を析出することにより、混合表面積を拡大し、対象土中の固相を固定する効果

250

淡水ヘドロ
千葉県印旗沼ヘドロ
ρt ＝ 1.397g/cm3
ω ＝ 165.0％
養生日数7日結晶の表面に吸着されるため、水和反応の阻害要
qu（kN/m2）

因は相対的に減少されることになる。
なお、一般的に使用されているセメント系固化材は、一般軟弱土用・特殊土用・高有機質土

一軸圧縮強さ用・産業廃棄物処理用であるが、対象土により普通ポルトランドセメントや高炉セメントB種も使われる。
固化処理土の強度に影響する要因

400300セメント系固化材200
普通セメント100

軟弱土を固化した処理土の評価法である力学的

50

100

150

200250固化材添加量（kg/m3）試験の代表的なものが一軸圧縮試験であるが、そこから得られる一軸圧縮強さの強度発現に作用す

図3-3 ヘドロに対する固化材添加量と一軸圧縮強さ（普通セメントとセメント系固化材の対比）る要因として、400

固化材の種類と添加量
qu（kN/m2）

原地盤の土質性状
混合条件及び養生条件
養生温度

一軸圧縮強さ水セメント比などが考えられる。
3-2-1

200500が生じる。また、液相中の有機物は新しく生じた

3-2

150

固化材添加量（kg/m3）

固化材添加量と一軸圧縮強さ

上層
中下層300セメント系固化材
200100（室内配合試験）
0100

海域ヘドロと淡水域ヘドロを、セメント系固化

150

200

固化材添加量（kg/m3）

材と普通ポルトランドセメントで固化した処理土図3-420固化材添加量と強度の関係250

の一軸圧縮強さの対比例を図 3-3 に示す。図によω＝160％

養生日数7日河床軟弱土の上層と中下層をセメント系固化材で固化した処理土の一軸圧縮強さの対比例を、図3-4 に示す。この場合の上層とは河床から 0.5m で含水比は200％、また、下層は河床から3.5〜5.5m

17ωω200

ω

＝

390％

100メ
普通セで含水比は 150％であった。
03-2-2セメント系固化材＝

3000％とがわかる。

21

べてセメント系固化材の方が強度発現が大きいこ＝一軸圧縮強さ qu（kN/m2）

ると、同一セメント量の場合、普通セメントに比5％

400ント

ω＝150

100％
175

200

250

固化材添加量（kg/m3）

原地盤の土質性状
図3-6

処理土の一軸圧縮強さに対しては、含水比と有有機質土の改良強さの一例

機物含有量が特に大きく関係する。有機質土やヘドロに含まれていてセメントの水和反応を阻害す

4000

400

300

例＞

％
13＝
ω＝

ω

＝

38

21％

％

ωス

ー

いケ

き大1000改

特殊セメント
HPC
HPC・石膏（9：1）
HPC・石膏（8：2）
HPC・石膏（7：3）
消石灰
消石灰・石膏（8：2）
消石灰・石膏（7：3）
消石灰・石膏（6：4）

050

良効

果のいさ
小ケ

100ー

150

200

固化材添加量（kg/m3）

改良材添加量5％3000
qu（kN/m2）

養生日数7日

200

100

0

図3-5

一軸圧縮強さ

一軸圧縮強さ qu（kN/m2）＜凡ス

図3-7である。

2000の一軸圧縮強さ低下を生じていることを示しているのが図3-6、

果

また、改良対象土が高含水比になるほど強度の3000効示したものである。

砂質土
養生日数7日良る。図3-5はフミン酸含有量と改良強度の関係を改qu（kN/m2）

る有機物の代表的な有害成分に「フミン酸」があ1234
フミン酸含有率（％）

シルト
養生日数7日

2000
ω

24％

6
ω＝

1000

5＝

ω＝ 9050

1002％

3％

150

200

固化材添加量（kg/m3）

フミン酸含有量と一軸圧縮強さの関係

図3-721

含水比の一軸圧縮強さに対する影響

3-2-33-2-4

混合条件および養生条件

処理土の養生温度

図3-8および図3-9は、室内強度qul（室内試験でセメント系固化材は、気温の高いとき水和反応得られる固化強度）と現場強度quf（現地での施工が活発になり、温度が低くなるに従って緩慢になによって得られる固化強度）との差を、混合の程ることは普通ポルトランドセメントと同様であ度と養生方法（養生温度）の相違に着目して調査しり、0 ℃以下になると強度の発現は期待できなた表層固化処理の結果である。

い。セメント系固化材による安定処理土の養生温

図中に示す〜度と一軸圧縮強さの関係の一例を表3-2に示す。の強度を比較すると、いずれのセメント添加量でも強度順位は＞養生温度が5℃のときの強さおよび標準養生温＞である。強度の発現性は、現地混合よりも完度20℃のときの強さを比較すると、固化材添加率全混合の方が、また現地養生よりも室内養生の方の少ない（5％以下）範囲でより影響が大きく、まが高い、という結果を示している（現地養生外気温

た、養生日数の初期（3日）において大きく影響を度10℃）。

受ける傾向が見られる。

＞

表3-21︵処現 理
船地 に混 よる
合 混合︶

採
完 取
し
全 再混 度
手合 混合

室 20℃
内 で
恒養 温
器
生 中23現地
養生

4

セメント系固化材による改良土の養生温度と一軸圧縮強さ
強固化材添加率％

処
理
地
表層に埋
込
みさ

比

5/20℃

35/20℃

3日

7日

28日

3日

7日

28日

50.65

0.84

0.84-

--

70.82

0.85

0.94---

10

0.85

0.95

1.02

1.00

1.17

1.02

3-2-5

スラリーの水セメント比(w/c)

スラリーの水セメント比（w/c）によっても改良強度は異る（図3-10参照）。w/cが大きくなると平図3-8

室内強度と現場強度の差に関する試験フロー

均強度は小さくなり、変動係数が大きくなってくる。w/cを大きくしすぎると改良強度のバラツキ300が大きくなる。そのため実用的にw/c=1.0を用い（ 1 〜 4 は図3-8による）ることが多い。また、処理土の含水比も改良体の234と強度発現が低くなるともいえる。
20060100057.510

変動係数v

40500
200 1.0

セメント添加量（％）

図3-9

平均強度qu1000

混合条件および養生条件の相違が固化強度に及ぼす影響

図3-10221.25
1.5
水・セメント比W/C

変動係数V（％）

改良強さ平均値 qul（kN/m2）

一軸圧縮強さσ28（kN/m2）

強度発現に大きな影響を及ぼすが、含水比が高い
12.0w/cと改良土の平均強度、変動係数の関係

固化処理土の強度と他の指数との関係

3-3-1

200

曲げ引張強さσb（kN/m2）

3-3

一軸圧縮強さと曲げ引張強さ

一軸圧縮強さquと曲げ引張強さσbの関係を図3-11に示す。σbはquの0.33〜0.75倍程度である。
3-3-2

一軸圧縮強さと変形係数

150

10050
内田小泉吉田図3-12に処理地盤のサンプリング試料による0qufと変形係数E 50 の関係を示した。両者の関係

100200300400
一軸圧縮強さqu（kN/m2）

500

は、ほぼE50 = 50〜150quに分布しているが、E50
図3-11＜ 50quとなるデータもいくつかみられる。一般にセメント系固化材による改良土の例をみると、一軸圧縮強さと曲げ引張強さの関係

20配合供試体のデータであり、単純に比較はできな
いが、今回の処理土の変形係数は、深層混合処理のデータに比べて小さい値となっており、高含水比の軟弱土を対象とした処理土の特徴と考えられ

150・

15100＝はE50 = 100qu等が報告されている。どちらも室内E5

変形係数E50（MN/m2）

リー系）の例ではE50 = 400〜600qu、また粉体系でqu

粘性土地盤を中心とした深層混合改良土（スラqu・

500＝E55る。
03-3-3

一軸圧縮強さとコーン指数
図3-12

図3-13はFAM工法で処理した処理杭体のサンプ

500
1000
1500
2000
一軸圧縮強さqu（kN/m2）

2500

一軸圧縮強さと変形係数の関係（大阪正蓮寺川の例）

リング試料による一軸圧縮強さqufと、同一処理
2000

杭体で実施したqcとの関係を示したものである。
一軸圧縮強さqu（kN/m2）

各々の値は同一深度で比較するため、一軸圧縮試
験用供試体高さ15cm間のqc値を平均し、その供試体深度におけるquf値と対比して評価した。
水上からの貫入試験による測定深度の誤差や処
理杭体強度のばらつき等があり、両者の関係はかなりばらついているものの、回帰分析の結果、

1500

1000

qc

1/9

qu＝
500

1
quf = 9 qc（相関係数：0.77）0の関係が得られ、概ねqc = 10 qufと考えて良さそうである。

図3-13

23

2000

4000
6000
8000
先端抵抗qc（kN/m2）

10000

qcとqufの関係 （大阪正蓮寺川の例）

1000処理土の長期強度

一軸圧縮強さqu（kN/m2）

3-3-4

セメントを用いて改良した地盤の強度は、セメント中の水和生成物とポゾラン反応によって得られ、原理的には超長期材令においても安定した強さが保たれる。図3-14は軟弱な浚渫土を改良したものの一例である。

固化材：120kg/m3
固化材：210kg/m3

7日後
3日後
ベース

500

3300

728材

令（日）

200

固化材：120kg/m3
固化材：210kg/m3

一軸圧縮強さqu（kN/m2）

qu（kN/m2）0

一軸圧縮強さベース

含水比300％100

01

7 1014 28100

1000（15年）10000

養生日数（日）図3-14

改良土の長期強度の例

500

含水比500％
ベース

400
7日後
300

3日後
ベース

200
100
0

3-3-5

3

処理土の有効利用

728材

図3-15

軟弱土は、固化処理することによって再利用す

令（日）

湖沼ヘドロの再転圧による強度発現例

ることができる。

3-4

例えば、「道路土工指針」等に従って適用すれ固化処理土の化学的特性

ば、埋戻しや裏込めあるいは道路用盛土に使用が軟弱土固化処理の実施に伴う対象土の化学的特可能である。固化処理を行った軟弱土を再利用す性の改善効果には、主として次の3点がある。

る場合は、搬出時に砕いたうえ、再利用現場で締固めて（転圧）使用することが多い。

対象土中の有害物質の固定効果

図3-15に湖沼ヘドロの再転圧による強度発現の室内配合試験結果例を示す。これは、湖沼ヘドロ

対象土の有害細菌類、BOD、 COD、リン分（砂分13％、シルト分53％、粘土分34％）の含水比などの水質汚濁物質の除去・低減効果を300％、500％に調整したものを、地盤工学会基

悪臭の防止ないし低減効果

準「安定処理土の締固めをしない供試体作製方法」
3-4-1 対象土中の有害物質の固定効果（無害化）に基づき作製した試料の一軸圧縮試験結果、また同様に固化処理した試料を3日、7日養生後、「土質試験のため乱した試料の調整法」により調整・対象土の重金属イオン含有量が比較的低い場

突き固め成形した供試体を再養生したものの一軸合、一般に水酸化物沈殿効果として知られている圧縮強さ測定例である。

有害物の固定効果は、石灰類やセメント類に共通して以下のようである。

用途により制約はあるが、この例からもわかる

セメント系固化材は、水と反応して水和物を生ように軟弱土は固化処理をすることによって再利成する際、解離によって液相中にCa2+イオンと共用が可能となる。

24

にOH−イオンが溶出する。水中に水酸イオン〔OH成し、これらは難溶性であるため、安全に固定・−除去される。対象土中に含まれているリン酸根〕が増大すると、液相が強いアルカリ性（pH=12+H2PO4は、可溶性塩が液相中に解離して生じたも〜13）を呈し水中に溶存している金属イオン〔M 〕+-

は、M ＋OH →MOHの反応によって、水酸化物のであるが、これにCa2+が添加されれば、下式にを生成して沈殿する。このようにして生成した水よりカルシウム・ヒドロキシ・アパタイトとなっ酸化物は溶解度が低いため、液相中に溶け出す金て沈殿し、再び溶け出すことはない。

属イオンの濃度は大幅に低減して無害化される。
5Ca2＋+3H2PO4−+7OH−→CaOH（PO4）3

なお、セメント系固化材の固定効果を期待とおりに発揮するためには、十分な強度をもつ固化体とすることが必要である。

図3-16に廃液中のカルシウム濃度と残留リン濃また、問題点としてアルミン酸カルシウム塩水度の関係を示す。

和物は炭酸化作用によって分解される傾向がある
ので、処理土は転圧等によってしっかり締固め、7湿潤状態に保つことに留意する必要がある。このような処理土は、物理的・化学的に信頼度の高い

6

残留リンPO4（mg/l）

安定性を長期間保つことができる。
3-4-2 対象土中の有害細菌類、BOD、 COD、リン分などの水質汚濁物質の除去・低減効果

5432

この効果も石灰類と共通した効果であって、pH12に及ぶ高いアルカリ性の雰囲気で多くの細1菌類は死滅する。例えば、サルモネラ菌はpH1108.5のとき２時間で消滅する。
BOD、COD等の汚濁物質にかかわる指標値も9.09.510.010.511.0pH

カルシウムによるアルカリによって大幅に低減で

図3-16きる。石灰分〔Ca（OH2）〕の解離によって生ずるア
ルカリ性で、pH10までにBODは60％除去されたとする報告がある。
リンPの除去は、特に淡水系ヘドロについて問題となる。Pはいろいろな形で存在するが、大部分は正リン酸塩MH 2 PO 4 、MHPO 4 、MPO 4 である。またポリリン酸塩類があり、これらは洗剤のビルダーとして用いられ、河川汚染や湖沼富栄養化・赤潮の原因となる。リン酸塩類は、無機・有機を問わず時間の経過と共に加水分解して、正リン酸塩になる。この場合、アルカリ金属との化合物NaH2PO4、KH2PO4は水に易溶性であるが、カルシウム、マグネシウムなどのアルカリ土類金属とは、CaHPO4、MgHPO4などの正リン酸塩を生

25

廃液中の残留リンとpHとの関係

11.5

3-4-3100

悪臭の防止ないし低減効果

HS-H2S

軟弱土（汚泥）は類型別にそれぞれ特有の臭気が80
S2硫化物の総計（％）

あるが、その原因は主として対象土中の細菌の作用によって有機物が嫌気的に分解され、硫化水素、メルカブタン類などのイオウ化合物のガスを発生するためである。セメント系固化材によって固化する過程では、カルシウムによるアルカリ化によってpH12程度になることにより、悪臭物質

6040のうち最も多量に発生する硫化水素は、下式に20

よって硫化カルシウムを生じ、pH9以上では全く発生しなくなる。

0

軟弱土（汚泥）の液相中でのH2Sの解離

67

図3-17

H2S→H＋+HS−2HS−→2H＋+2S2−、8910 pH

pH―硫化物（H2S）平衡

石灰の作用
2＋−＋2＋Ca（OH）
2+H2S→Ca +2OH +2H +2S→CaS+2H2O+S2−
この間の硫化物―pH平衡関係を図3-17に示す。

【参考文献】
1)セメント協会編：「セメント系固化材による地盤改良マニュアル」，第二版、技報堂（1994）
2）江原 武、他：阪神道路公団，「正蓮寺川工区におけるヘドロ改良について」， 第1回地盤改良シンポジウム発表論
文集、日本材料学会、平成6年6月、pp47
3)芳沢秀明、細谷芳巳、山田哲司、奥村良介、須藤先二：「改良土の品質に影響を与える施工要因について」、セメン
ト系安定処理土に関するシンポジウム発表論文集、地盤工学会、平成8年2月、pp83
4)細谷芳巳、木幡行宏、日比義彦、牧原依夫、奈須徹夫、
荻野拓哉：「セメント系改良材による現場改良土の品質評価」セメント系安定処理土に関するシンポジウム発表論文集、地盤工学会、平成8年2月、pp455) 馬場先亮一、鈴木健夫、川村政史、寺師昌明、前川淳、深沢栄造：「安定処理土の強度に及ぼす影響因子」、セメント系安定処理土に関するシンポジウム発表論文集、地盤工学会、平成8年2月、pp21
6) 山田哲司、中沢重一、新田喜宣、中村幾夫：「セメント系固化材による浅層改良地盤の特性について」、第1回地盤改良シンポジウム発表論文集、日本材料学会、平成6年6月、pp44
7) 建設産業調査会編：「コンクリート工事ハンドブック」 19968) 土木学会編：「土木工学ハンドブック」 198926