JP2014162696A

JP2014162696A - セメント系固化材

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Publication number: JP2014162696A
Application number: JP2013036661A
Authority: JP
Inventors: Yoshifumi Ogi; 嘉史扇; Hideyuki Sugaya; 秀幸菅谷
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】一軸圧縮強さに優れた固化改良土を得ることができるセメント系固化材の提供。
【解決手段】リートベルト法で測定したＣ₃Ｓ量が５０質量％以上であるセメントと、石膏を含むセメント系固化材。該セメント系固化剤に含まれる石膏が、０２０面結晶選択配向度が２．３以下の無水石膏、及び１−４−１面結晶選択配向度が４．７以下の二水石膏の少なくとも一種であってもよい。また、上記セメント系固化材が高炉スラグ微粉末を含んでもよい。
【選択図】なし

Description

本発明は、一軸圧縮強さに優れた固化改良土を得ることができるセメント系固化材に関する。

従来、土壌の改良方法として、土壌にセメント等の固化材を添加、混合し、これを水和硬化させることで、土壌と固化材の混合物（固化改良土）の強度を発現させる方法が用いられている。
例えば、特許文献１には、強度発現性に優れた固化材として、セメントと、水硬率が１．０〜３．５、珪酸率が０．１〜０．８および鉄率が５〜２５であって無水石膏を４０〜７０質量％含有する無水石膏含有焼成物を含む固化材が記載されている。

特開２０１１−１１１３７７号公報

従来、セメント系固化材の構成材料であるセメント（少量混合成分以外の混合材を含まないセメント。以下、「基材セメント」ともいう。）に基づいて、固化改良土の物性（例えば、一軸圧縮強さ）を高い精度で簡易に予測することは困難であった。
本発明は、一軸圧縮強さに優れた固化改良土を、確実に得ることができるセメント系固化材を提供することを目的とする。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、リートベルト法で測定した３ＣａＯ・ＳｉＯ₂（エーライト；以下、「Ｃ₃Ｓ」ともいう。）量が５０質量％以上である基材セメントと、石膏（基材セメントに含有される石膏とは異なる石膏。以下、「添加石膏」ともいう。）を含むセメント系固化材によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［７］を提供するものである。
［１］リートベルト法で測定したＣ₃Ｓ量が５０質量％以上であるセメントと、石膏を含むセメント系固化材。
［２］さらに、上記セメント系固化材が高炉スラグ微粉末を含む、前記［１］に記載のセメント系固化材。
［３］上記石膏が、０２０面結晶選択配向度が２．３以下の無水石膏、及び１−４−１面結晶選択配向度が４．７以下の二水石膏の少なくとも一種である、前記［１］または［２］に記載のセメント系固化材。
［４］土壌と、前記［１］に記載のセメント系固化材とを混合する土壌の処理方法。
［５］さらに、上記セメント系固化材が高炉スラグ微粉末を含む、前記［４］に記載の土壌の処理方法。
［６］上記セメント系固化材に含まれる石膏が、０２０面結晶選択配向度が２．３以下の無水石膏、及び１−４−１面結晶選択配向度が４．７以下の二水石膏の少なくとも一種である、前記［４］または［５］に記載の土壌の処理方法。
［７］セメント中のＣ₃Ｓ量をリートベルト法で測定し、該Ｃ₃Ｓ量が５０質量％以上である場合、該セメントと石膏を含むセメント系固化材と土壌の混合物の一軸圧縮強さが良好になりうるとして、セメント系固化材の性能を良好であると判断する、セメント系固化材の性能の判定方法。

本発明のセメント系固化材によれば、一軸圧縮強さに優れた固化改良土を得ることができる。

ボーグ式によって算出された基材セメントのＣ₃Ｓ量と固化改良土の一軸圧縮強さの関係を示す図である。リートベルト法によって測定した基材セメントのＣ₃Ｓ量と固化改良土の一軸圧縮強さの関係を示す図である。添加石膏の無水石膏の０２０面結晶選択配向度と一軸圧縮強さの関係を示す図である。添加石膏の二水石膏の１−４−１面結晶選択配向度と一軸圧縮強さの関係を示す図である。

本発明のセメント系固化材は、リートベルト法で測定したＣ₃Ｓ量が５０質量％以上であるセメントと、石膏を含む。
以下、本発明のセメント系固化材について詳しく説明する。
本発明で用いられるセメント（基材セメント）の、リートベルト法で測定したＣ₃Ｓ（エーライト）量は５０質量％以上、好ましくは５２質量％以上、より好ましくは５４質量％以上、さらに好ましくは５８質量％以上、特に好ましくは６２質量％以上である。
上記Ｃ₃Ｓ量が５０質量％未満の場合、セメント系固化材の強度発現性が悪くなる。
本発明で用いられるセメントの、リートベルト法で測定した２ＣａＯ・ＳｉＯ₂（ビーライト；以下、「Ｃ₂Ｓ」ともいう。）量は、特に限定されるものではないが、好ましくは４〜２５質量％であり、より好ましくは５〜２３質量％である。上記Ｃ₂Ｓ量が２５質量％を超えると、セメント系固化材の強度発現性が悪くなる場合がある。上記Ｃ₂Ｓ量が４質量％未満であるとセメントクリンカの易焼成性が悪くなり、後述するフリーライム量が増加する場合がある。
本発明で用いられるセメントの、リートベルト法で測定した３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（アルミネート相；以下、「Ｃ₃Ａ」ともいう。）量は、特に限定されるものではないが、好ましくは１２質量％以下、より好ましくは１０質量％以下である。上記Ｃ₃Ａ量が１２質量％を超えると、スラリー状の固化材の流動性や固化改良土のフレッシュ性状（流動性・作業性）が悪くなる。
本発明で用いられるセメントの、リートベルト法で測定した４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・Ｆｅ₂Ｏ₃（フェライト相；以下、「Ｃ₄ＡＦ」ともいう。）量は、特に限定されるものではないが、好ましくは５〜２０質量％、より好ましくは１０〜１５質量％である。上記Ｃ₄ＡＦ量が２０質量％を超えると、セメントクリンカの製造時に使用する鉄原料の原単位が増加するため、鉄原料中に存在し易い重金属成分のセメント含有量が増加して、固化改良土から重金属が溶出するリスクが増大する。
また、本発明で用いられるセメントのフリーライム量は、セメント系固化材の強度発現性の観点から、好ましくは１．５質量％以下、より好ましくは１．０質量％以下である。
また、本発明で用いられるセメントの石膏の含有量は、セメントクリンカの粉砕物１００質量部に対して、強度発現性の観点から、好ましくはＳＯ_３換算で１〜１２質量部、より好ましくは２〜６質量部である。
また、本発明で用いられるセメントは、ＪＩＳＲ５２０１：２００９「ポルトランドセメント」に規定する少量混合成分を含んでもよい。

リートベルト法による鉱物組成の測定は、セメントの粉末Ｘ線回析チャートを用いて、リートベルト解析を利用した鉱物組成の分析をすることによって行われる。粉末Ｘ線回析は、慣用の粉末Ｘ線回析装置を用い、慣用の方法によって行うことができる。リートベルト解析は、セメントのＣ₃Ｓ、Ｃ₂Ｓ、Ｃ₃Ａ、Ｃ₄ＡＦ、ＭｇＯ、フリーライム、二水石膏、半水石膏および石灰石の各鉱物の理論プロファイルを、さらに、高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカフューム等のセメント混合材と成り得る非晶質材料については、各材料を実際にＸ線回折測定して得られた実測プロファイルを、前記粉末Ｘ線回析の結果得られたセメントの実測プロファイルにフィッティングすることにより行われるものであり、市販のリートベルト回析ソフトを利用して行うことができる。

本発明のセメント系固化材で用いられる添加石膏は、特に限定されるものではないが、例えば、フッ酸無水石膏、リサイクル無水石膏、天然無水石膏、リン酸石膏、チタン石膏、精錬石膏、半水石膏、無水石膏、排脱二水石膏、リン酸二水石膏、及び天然二水石膏等が挙げられる。これらは１種を単独で用いてもよいし、２種以上を混合して用いてもよい。
中でも、得られる固化改良土の一軸圧縮強さを向上させる観点から、好ましい添加石膏として、０２０面結晶選択配向度が、好ましくは２．３以下、より好ましくは２．２以下、さらに好ましくは２．０以下、特に好ましくは１．８以下の無水石膏、及び、１−４−１面結晶選択配向度が好ましくは４．７以下、より好ましくは３．０以下、さらに好ましくは２．０以下、さらに好ましくは１．０以下、特に好ましくは０．８以下の二水石膏が挙げられる。これらは一種を単独で用いてもよいし、複数を組み合わせて用いてもよい。
なお、結晶選択配向度は、Ｍａｒｃｈ−Ｄｏｌｌａｓｅ選択配向関数に準拠することで、測定することができる。
また、添加石膏の比表面積は、強度発現性の観点から好ましくは２，０００ｃｍ^２／ｇ以上、より好ましくは２，５００〜２０，０００ｃｍ^２／ｇである。
さらに、添加石膏の含有量は、基材セメント１００質量部に対し、強度発現性の観点から、好ましくはＳＯ_３換算で１．０〜１２．０質量部、より好ましくは２．０〜６．０質量部である。

本発明のセメント系固化材は、さらに高炉スラグ微粉末を含んでもよい。
高炉スラグ微粉末を含むことで、固化改良土の六価クロムの溶出を抑制することができる。
高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積は、好ましくは３，０００〜８，０００ｃｍ^２／ｇ、より好ましくは３，５００〜７，０００ｃｍ^２／ｇ、特に好ましくは４，０００〜６，０００ｃｍ^２／ｇである。上記ブレーン比表面積が３，０００ｃｍ^２／ｇ未満であると、セメント系固化材の強度発現性が低くなる。上記ブレーン比表面積が８，０００ｃｍ^２／ｇを超える高炉スラグ微粉末は入手が困難であり、コストが高くなる。
セメント系固化材中の高炉スラグ微粉末の含有量は、基材セメント１００質量部に対し、好ましくは２５〜２３０質量部、より好ましくは４０〜１００質量部である。高炉スラグ微粉末の含有量が２３０質量部を超えると、セメント系固化材の強度発現性が悪くなる場合がある。高炉スラグ微粉末の含有量が２５質量部未満であると、六価クロムの溶出抑制効果が低くなる場合がある。
また、基材セメントの、リートベルト法で測定したＣ₃Ｓ量が多ければ多いほど、高炉スラグ微粉末を添加した場合のセメント系固化材の強度発現性が向上する。
具体的には、高炉スラグ微粉末を含む場合の基材セメントのＣ₃Ｓ量の好ましい範囲は、５０質量％以上、好ましくは５４質量％以上、より好ましくは５８質量％以上、特に好ましくは６２質量％以上である。
また、本発明のセメント系固化材は、基材セメント、添加石膏、高炉スラグ微粉末以外の材料として、セメント系固化材に用いられる一般的な材料（例えば、石灰（生石灰、消石灰）等）を用いてもよく、該材料の配合量はセメント系固化材１００質量％に対して、好ましくは５０質量％以下、より好ましくは２５質量％以下である。

上記セメント系固化材の製造方法は特に制限されず、例えば、セメントクリンカと石膏（添加石膏を含む）を同時に混合及び粉砕しても良く、セメントを粉砕した後に、予め粉砕した添加石膏を混合しても良い。また、セメント系固化材に高炉スラグ微粉末が含まれる場合、該高炉スラグ微粉末は、セメント又は粉砕した添加石膏に予め混合した後、残りの材料（添加石膏又はセメント）と混合してもよく、セメントクリンカと石膏と高炉スラグを同時に混合及び粉砕して高炉セメントを製造した後に添加石膏を混合してもよく、さらに、セメントクリンカと石膏（添加石膏を含む）と高炉スラグを同時に混合及び粉砕しても良い。

セメント系固化材を用いた土壌の改良は、固化処理の対象となる土壌にセメント系固化材を添加することで行われる。具体的には、土壌にセメント系固化材を粉体のまま添加して混合するドライ添加方法や、セメント系固化材に水を加えてスラリーとした後に、該スラリーを土壌に添加して混合するスラリー添加方法等が挙げられる。なお、上記スラリーの水／粉体の質量比は、土壌の性状によっても異なるが、好ましくは０．４〜３．０、より好ましくは０．７〜１．４である。該質量比が０．４未満では、施工性が低くなる。該質量比が３．０を超えると、ブリーディングが生じ易くなり、また強度発現性が低下する。
また、セメント用固化材の添加量は、土壌１ｍ^３に対し、好ましくは２０〜６００ｋｇである。

また、セメント系固化材に用いられるセメント中のＣ₃Ｓ量をリートベルト法で測定することで、セメント系固化材の性能を判断することができる。具体的には、セメント系固化材に用いられる基材セメント中のＣ₃Ｓ量が５０質量％以上、好ましくは５２質量％以上、より好ましくは５４質量％以上、さらに好ましくは５８質量％以上、特に好ましくは６２質量％以上である場合、該セメントと石膏を含むセメント系固化材と土壌の混合物の一軸圧縮強さが良好になりうると判断することができる。

［実施例１〜４６、比較例１〜５］
表１に示される、鉱物組成の異なる試製セメントと天然無水石膏（タイ国産、比表面積３，７００ｃｍ^２／ｇ）を、質量比が９３／７（試製セメント／天然無水石膏）となるように混合してセメント系固化材を作製した。
表１中、ボーグ式によって算出されるＣ₃Ｓ、Ｃ₂Ｓ、Ｃ₃Ａ、Ｃ₄ＡＦの各量は、試製セメント１００質量％中の割合（質量％）として、下記のボーグの計算式を用いて算出した。
Ｃ₃Ｓ（％）＝（４．０７×ＣａＯ（％））−（７．６０×ＳｉＯ₂（％））−（６．７２×Ａｌ₂Ｏ₃（％））−（１．４３×Ｆｅ₂Ｏ₃（％））−（２．８５×ＳＯ_３（％））
Ｃ₂Ｓ（％）＝（２．８７×ＳｉＯ₂（％））−（０．７５４×Ｃ₃Ｓ（％））
Ｃ₃Ａ（％）＝（２．６５×Ａｌ₂Ｏ₃（％））−（１．６９×Ｆｅ₂Ｏ₃（％））
Ｃ₄ＡＦ（％）＝３．０４×Ｆｅ₂Ｏ₃（％）
また、表１中、リートベルト法によって算出されるＣ₃Ｓ、Ｃ₂Ｓ、Ｃ₃Ａ、Ｃ₄ＡＦの各量は、星野等（セメント・コンクリート論文集，Ｎｏ．５９，ｐｐ．１４−２１（２００５））の方法に準拠した。計算にはブルカー・エイエックス株式会社製Ｘ線回析装置Ｄ８ＡＤＶＡＮＣＥおよび解析ソフトウェアＤＩＦＦＲＡＣ^ｐｌｕｓＴＯＰＡＳ（Ｖｅｒ．３）を使用した。

得られたセメント系固化材と水を、質量比１／１（水／セメント系固化材）の割合で混合し、得られたスラリーを土壌（関東ローム、粘性土）に添加、混合して固化改良土を作製した。各土壌に対するセメント系固化材の添加量は、関東ロームは１６０ｋｇ／ｍ^３、粘性土は１２０ｋｇ／ｍ^３とした。
得られた固化改良土の材齢７日、２８日における一軸圧縮強さをＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定した。結果を表１に示す。
表１より、リートベルト法によって算出されるＣ₃Ｓ量が５０．０質量％以上の場合、良好な一軸圧縮強度を有する固化改良土（具体的には、対象土壌として関東ロームを用いた場合、好ましくは固化改良土の材齢７日の一軸圧縮強さが１００ｋＮ／ｍ^２以上であり、かつ、材齢２８日の一軸圧縮強さが１５０ｋＮ／ｍ^２以上、対象土壌として粘性土を用いた場合、好ましくは固化改良土の材齢７日の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ^２以上であり、かつ、材齢２８日の一軸圧縮強さが７５ｋＮ／ｍ^２以上。）を得ることができる。

表１のＣ₃Ｓ量と一軸圧縮強さから線形近似式、及び決定係数（相関係数の二乗値）を求めた。結果を表２、図１、および図２に示す。
決定係数は、ボーグ式を用いてＣ₃Ｓ量を算出した比較例よりもリートベルト法を用いて測定した実施例の方が高い。このことから、リートベルト法を用いて測定したセメント中のＣ₃Ｓ量を用いることで、一軸圧縮強さに優れた固化改良土を得ることができるセメント系固化材を製造することのできる構成材料である基材セメントを正確に選択することができる。

［実施例４７］
実施例１９で用いた試製セメント及び天然無水石膏と、高炉スラグ微粉末（比表面積４，６８０ｃｍ^２／ｇ）を、質量比が５６／３７／７（試製セメント／高炉スラグ微粉末／石膏）となるように混合してセメント系固化材を作製した。得られたセメント系固化材と水を、質量比１／１（水／セメント系固化材）の割合で混合し、得られたスラリーを土壌（関東ローム、粘性土）に添加、混合して固化改良土を作製した。各土壌に対するセメント系固化材の添加量は、関東ロームは４００ｋｇ／ｍ^３、粘性土は２００ｋｇ／ｍ^３とした。
得られた固化改良土の材齢７日、２８日における一軸圧縮強さをＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定した。また、得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含むセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さと、実施例１９で得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含まないセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さとの比率（高炉スラグ微粉末を含む場合／高炉スラグ微粉末を含まない場合）を求めた。結果を表３に示す。

［実施例４８］
実施例１９で用いた試製セメントの代わりに、実施例１で用いた試製セメントを用いる以外は実施例４７と同様にして、固化改良土を作製した。得られた固化改良土の材齢７日、２８日における一軸圧縮強さを実施例４７と同様に測定した。また、得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含むセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さと、実施例１で得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含まないセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さとの比率（高炉スラグ微粉末を含む場合／高炉スラグ微粉末を含まない場合）を求めた。結果を表３に示す。
［実施例４９］
実施例１９で用いた試製セメントの代わりに、実施例２８で用いた試製セメントを用いる以外は実施例４７と同様にして、固化改良土を作製した。得られた固化改良土の材齢７日、２８日における一軸圧縮強さを実施例４７と同様に測定した。また、得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含むセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さと、実施例２８で得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含まないセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さとの比率（高炉スラグ微粉末を含む場合／高炉スラグ微粉末を含まない場合）を求めた。結果を表３に示す。
［比較例６］
実施例１９で用いた試製セメントの代わりに、比較例４で用いた試製セメントを用いる以外は実施例４７と同様にして、固化改良土を作製した。得られた固化改良土の材齢７日、２８日における一軸圧縮強さを実施例４７と同様に測定した。また、得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含むセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さと、比較例４で得られた固化改良土（高炉スラグ微粉末を含まないセメント系固化材を使用したもの。）の一軸圧縮強さとの比率（高炉スラグ微粉末を含む場合／高炉スラグ微粉末を含まない場合）を求めた。結果を表３に示す。

表３の結果から、セメント系固化材が高炉スラグ微粉末を含むことで一軸圧縮強さは向上したが、その向上の度合いはリートベルト法を用いて測定したＣ₃Ｓ量が多くなるにつれて、大きくなることがわかる。

［実施例５０〜５７］
実施例２８で用いた試製セメント（リートベルト法を用いて測定したＣ₃Ｓ量は５５．０質量％）と、表４に示される添加石膏を、質量比が９３／７（試製セメント／石膏）となるように混合してセメント系固化材を作製した。得られたセメント系固化材と水を、質量比１／１（水／セメント系固化材）の割合で混合し、得られたスラリーを土壌（関東ローム、粘性土）に添加、混合して固化改良土を作製した。各土壌に対するセメント系固化材の添加量は、関東ロームは１９５ｋｇ／ｍ^３、粘性土は１７０ｋｇ／ｍ^３とした。
得られた固化改良土の材齢７日、２８日における一軸圧縮強さをＪＩＳＡ１２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定した。結果を表４に示す。
表４中、各石膏の結晶選択配向度は、Ｍａｒｃｈ−Ｄｏｌｌａｓｅ選択配向関数に準拠して測定した。実際の測定は、ブルカー・エイエックスエス株式会社製Ｘ線回析装置「Ｄ８ＡＤＶＡＮＣＥ」、及び解析ソフトウェアＤＩＦＦＲＡＣ^ｐｌｕｓＴＯＰＡＳ（ｖｅｒ３）を使用した。
なお、表４中、実施例５２で用いられた天然無水石膏は、上述した実施例１〜４９及び比較例１〜６で用いられた石膏である。

表４の結晶選択配向度と一軸圧縮強さから線形近似式、及び決定係数（相関係数の二乗値）を求めた。結果を表５、図３、及び図４に示す。表４、及び表５の結果から、無水石膏の場合、０２０面の結晶選択配向度が小さくなるにつれて、該無水石膏を含むセメント系固化材を用いた固化改良土の一軸圧縮強さが大きくなることがわかる。また、二水石膏の場合、１−４−１面の結晶選択配向度が小さくなるにつれて、該二水石膏を含むセメント系固化材を用いた固化改良土の一軸圧縮強さが大きくなることがわかる。
また、表５に示される線形近似式から、固化改良土の一軸圧縮強さの目標値を満足する石膏の結晶選択配向度を求めることができる。例えば、対象土壌として関東ロームを、セメント系固化材として実施例２８で用いた試製セメント（リートベルト法を用いて測定したＣ₃Ｓ量は５５．０質量％）を用いた場合、材齢７日における固化改良土の一軸圧縮強さの目標値を１２５ｋＮ／ｍ^２とした場合、該目標値を満足するセメント系固化材の無水石膏の０２０面の結晶選択配向度は１．９０以下である。同様に、表５に示される線形近似式から導き出される、目標とする一軸圧縮強さを満足する結晶選択配向度を表６に示す。

Claims

リートベルト法で測定したＣ₃Ｓ量が５０質量％以上であるセメントと、石膏を含むセメント系固化材。
さらに、上記セメント系固化材が高炉スラグ微粉末を含む、請求項１に記載のセメント系固化材。
上記石膏が、０２０面結晶選択配向度が２．３以下の無水石膏、及び１−４−１面結晶選択配向度が４．７以下の二水石膏の少なくとも一種である、請求項１または２に記載のセメント系固化材。
土壌と、請求項１に記載のセメント系固化材とを混合する土壌の処理方法。
さらに、上記セメント系固化材が高炉スラグ微粉末を含む、請求項４に記載の土壌の処理方法。
上記セメント系固化材に含まれる石膏が、０２０面結晶選択配向度が２．３以下の無水石膏、及び１−４−１面結晶選択配向度が４．７以下の二水石膏の少なくとも一種である、請求項４または５に記載の土壌の処理方法。
セメント中のＣ₃Ｓ量をリートベルト法で測定し、該Ｃ₃Ｓ量が５０質量％以上である場合、該セメントと石膏を含むセメント系固化材と土壌の混合物の一軸圧縮強さが良好になりうるとして、セメント系固化材の性能を良好であると判断する、セメント系固化材の性能の判定方法。