JP5047745B2 - 地盤改良材 - Google Patents

Description

本発明は、地盤改良に必要な固化性能を有するとともに、土壌の環境保全に適した地盤改良材に関するものである。

従来、セメントや石灰を主材とした固化材が、主要な土木資材として広く認知され、広範囲に普及している。また、土木施工業者による施工技術の改善などにより、環境対策も進歩している。ここで言う環境対策とは、固化材中の高カルシウム含有物質（セメント、石灰）による改良土の高ｐＨ化および改良土からの高ｐＨ水漏出、セメント系固化材の使用時にみられる未固化時の６価クロムの溶出、などに対するものである。一般に、前者については適切な覆土と固化材使用量の削減などが、後者については高炉水砕スラグ微粉末の還元能の利用などが、広く行われている。

しかしながら、セメントや石灰を主材とした固化材を用い、例えば、一般の小規模宅地造成などで砂質シルト（地盤土質の分類）を改良する場合、固化材使用量が５０〜１５０ｋｇ／ｍ^３程度であっても、改良土のｐＨは１２を超えてしまい、植生に適する状態とは言えなくなる。また、高有機質で高含水比地盤（例えば、高含水腐植土、高含水ローム土など）を改良する場合は、固化材使用量が３００ｋｇ/ｍ^３を超え、さらに固化が遅いことも加わり、６価クロムやその他重金属類の溶出が懸念される。

したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、地盤改良に必要な固化性能を有するとともに、改良土のｐＨを低く抑えることができ、また、未固化時の６価クロムの溶出も確実に防止することができる地盤改良材を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は以下を要旨とするものである。
［1］高炉スラグ微粉末：５０〜８０mass％、石膏：５〜２５mass％、ポルトランドセメントまたは／および石灰：１０〜３０mass％を含有し、
高炉スラグ微粉末はブレーン比表面積が３０００〜５０００ｃｍ ^２ /ｇであり、
高炉スラグ微粉末の一部が結晶相からなるとともに、その結晶相量（ｘ）がポルトランドセメントまたは／および石灰量の１５〜２０mass％であり、
高炉スラグ微粉末は高炉水砕スラグと高炉徐冷スラグからなり、
高炉スラグ微粉末の結晶相は、（i）高炉徐冷スラグ、（ii）高炉水砕スラグの製造時に析出した結晶相と高炉徐冷スラグ、のいずれかからなることを特徴とする地盤改良材。

［2］上記［1］の地盤改良材おいて、高炉スラグ微粉末のガラス化率が８０mass％以上であることを特徴とする地盤改良材。
［3］上記［1］又は［2］の地盤改良材を、山土または風化花崗岩からなる地盤の改良材として用いることを特徴とする地盤改良方法。
［4］上記［1］又は［2］の地盤改良材を、有機物質の比率が１０mass％以下、含水比が５０mass％以下であって、地盤土質の分類が粘土質シルト〜礫質砂である地盤の改良材として用いることを特徴とする地盤改良方法。

本発明の地盤改良材は、既存のセメント系固化材と同等の優れた固化性能を有するとともに、改良土のｐＨを低く抑えることができ、また、未固化時の６価クロムの溶出も確実に防止することができる。

本発明の地盤改良材は、高炉スラグ微粉末を５０〜８０mass％、好ましくは６５〜８０mass％、石膏を５〜２５mass％、好ましくは１０〜２５mass％、ポルトランドセメントまたは／および石灰を１０〜３０mass％、好ましくは１０〜２０mass％含有する粉末状混合物である。
本発明の地盤改良材は、高炉スラグ微粉末と石膏を主成分とし、高カルシウム含有物質（ポルトランドセメントまたは／および石灰）の配合量を抑えることで、改良土の高ｐＨ化を防止している。高カルシウム含有物質（ポルトランドセメントまたは／および石灰）の配合量が３０mass％以下である本発明の地盤改良材を用い、砂質シルト改良時の平均的な使用量（１２０ｋｇ／ｍ^３前後）で地盤改良を行い、一般的な改良目標である７日養生後の一軸圧縮強度（ＪＩＳ−Ａ−１２１６に準拠）が１．２〜１．５Ｎ／ｍｍ^２となった改良土のｐＨ測定（ＪＧＳ−０２１１に準拠）を行い、既存のセメント系固化材を用いた場合と比較した結果、既存のセメント系固化材を用いた場合のｐＨが１２．１であったのに対し、本発明の地盤改良材を用いた場合のｐＨは１０．７であり、カルシウムイオン濃度を１／１０以下にできることが判った。

一方、高カルシウム含有物質（ポルトランドセメントまたは／および石灰）の配合量を抑えたことにより、対象土に対する脱水反応が少なくなり、ごく初期の固化性能の低下が懸念されるが、石膏を５mass％以上、好ましくは１０mass％以上配合し、且つポルトランドセメントや石灰よりも粒径の細かい高炉スラグ微粉末（通常、ブレーン比表面積３０００〜５０００ｃｍ^２/ｇ程度）を５０mass％以上、好ましくは６５mass％以上配合することにより、十分な強度を確保できることが判った。特に、石膏を５mass％以上配合することで、膨張性水和物（エトリンガイト）の形成量が既存のセメント系固化材の５倍程度になることが、Ｘ線回折法による測定で明らかになった。エトリンガイトは結合水を多く持つ微細な針状物質であり、土粒子の空隙を埋めて緻密化させる効果と若干の脱水効果を有することが知られている。以上の点から、本発明の地盤改良材は、高カルシウム含有物質の配合量が抑えられているにもかかわらず、既存のセメント系固化材と同等の初期強度を発現できる。

本発明の地盤改良材を用い、砂質シルト改良時の平均的な使用量（１２０ｋｇ／ｍ^３前後）で地盤改良を行い、改良土の湿潤密度を測定した（ＪＩＳ−Ａ−１２２５に準拠）ところ、現土の湿潤密度が１．８９１ｇ／ｃｍ^３であったのに対し、本発明の地盤改良材を使用した場合の湿潤密度は１．９８２ｇ／ｃｍ^３、既存のセメント系固化材を使用した場合の湿潤密度は１．９２２ｇ／ｃｍ^３となった。このように本発明の地盤改良材により高い湿潤密度が得られるのは、セメントよりも粒径の細かい高炉スラグ微粉末を５０mass％以上配合することで、セメントを多用した既存のセメント系固化材に比べて、砂質シルトに対する粒度改善効果が大きくなるためである。

高炉スラグ微粉末は、ブレーン比表面積３０００〜５０００ｃｍ^２/ｇ程度のものが好ましい。ブレーン比表面積が３０００ｃｍ^２/ｇ未満では硬化不良を生じやすく、一方、５０００ｃｍ^２/ｇを超えると経済的でない。また、高炉スラグ微粉末は、水和硬化性を確保するためガラス化率が８０mass％以上であることが好ましく、このためは、少なくとも高炉スラグ微粉末の主体は高炉水砕スラグであることが必要である。
地盤改良材中での高炉スラグ微粉末の配合量が５０mass％未満では、ポルトランドセメントの配合量を増やさざるを得なくなるため、強度向上以上に改良土のｐＨが高くなる問題を生じる。一方、高炉スラグ微粉末の配合量が８０mass％を超えると、他の成分の配合量が確保できなくなる。

石膏の形態は、無水、半水、二水を問わない。地盤改良材中での石膏の配合量が５mass％未満ではエトリンガイト生成量が少なく、強度発現が十分でない。一方、石膏の配合量が２５mass％を超えても未水和の石膏が残るだけで、配合量に見合う強度向上効果は得られず、却って他の成分の配合量を減少させることにより、地盤改良材としての性能が低下する。
ポルトランドセメントまたは／および石灰は、強度発現に寄与することおよび潜在水硬性を有する高炉スラグ微粉末のアルカリ刺激剤として機能することを期待して配合される。地盤改良材中でのポルトランドセメントまたは／および石灰の配合量が１０mass％未満では強度の発現が不十分であり、一方、３０mass％を超えると改良土のｐＨが高くなる。

また、高炉スラグ微粉末には、ガラス質の高炉水砕スラグ微粉末よりも高い還元能を有する結晶相が含まれることが好ましく、これにより未固化時の６価クロムの溶出を確実に防止し、６価クロムをほぼ完全に無害化できることが判った。この結晶相は、（a）高炉水砕スラグ製造時に析出したもの、（b）高炉徐冷スラグ、のいずれか若しくは両方であってもよい。これらの結晶相は、抽出水中の未酸化硫黄による還元作用により６価クロムを還元し、無害化する。
高炉スラグ微粉末の一部として高炉徐冷スラグを用いる場合、反応性と経済性の面から、高炉徐冷スラグはブレーン比表面積２５００〜５５００ｃｍ^２/ｇ程度のものが好ましい。

また、本発明では高炉スラグ微粉末の結晶相と同様の効果を期待して、硫化カルシウム含有スラグである脱硫スラグを配合してもよい。この脱硫スラグは、溶銑予備処理の脱硫工程で発生するスラグであり、６価クロムの還元能を有する。反応性と経済性の面から、脱硫スラグはブレーン比表面積２５００〜５５００ｃｍ^２/ｇ程度のものが好ましい。
脱硫スラグは、高炉スラグ微粉末の結晶相に代えて配合してもよいし、高炉スラグ微粉の結晶相と併存するように配合してもよい。

ポルトランドセメント量が１０〜３０mass％である本発明の地盤改良材において、６価クロムの溶出を防止するために必要な高炉スラグ微粉末中の結晶相量および脱硫スラグの配合量について検討した。その結果、まず、高炉スラグ微粉末中の結晶相量については、地盤改良材中での割合で１．５〜６mass％、すなわちポルトランドセメント量の１５〜２０mass％が好適であることが判った。一方、脱硫スラグについては、地盤改良材中での割合で０．７５〜３mass％（＝上記結晶相量の１／２の量）、すなわちポルトランドセメント量の７．５〜１０mass％が好適であることが判った。これは、高炉スラグ微粉末中の結晶相と脱硫スラグがそれぞれ含有する硫化カルシウム量が、約１：２の関係にあるためである。
したがって、本発明の地盤改良材は、下記（ａ）および／または（ｂ）を満足し、下記（ｂ）の脱硫スラグ量（ｙ）を２倍した値と下記（ａ）の結晶相量（ｘ）の合計［（ｘ）＋（ｙ）×２］がポルトランドセメント量の１５〜２０mass％であることが好ましい。
（ａ）高炉スラグ微粉末の一部が結晶相からなる。
（ｂ）地盤改良材が、さらに脱硫スラグを含有する。

高炉スラグ微粉末の一部として高炉徐冷スラグを配合する場合や、地盤改良材に脱硫スラグを配合する場合は、それらを個別に粉末状に粉砕した後に高炉水砕スラグ微粉末と混合してもよいし、高炉水砕スラグと混合した状態で粉末状に粉砕してもよい。
本発明の地盤改良材は、高炉スラグ微粉末（高炉水砕スラグ、さらに必要に応じて高炉徐冷スラグ）、石膏、ポルトランドセメントまたは／および石灰を含有し、さらに必要に応じて脱硫スラグを含有するものであるが、さらに、これら以外の成分を適量配合することができる。この添加成分としては、例えば、Ａｌ、Ｍｇ、Ｃａなどの硫酸塩などが挙げられ、通常、これらの添加成分の１種以上を合計で３mass％以下の範囲で配合してもよい。

次に、本発明の地盤改良材の好ましい使用形態について説明する。
地盤改良材は、その使用（施工）形態も性能を大きく左右するので、本発明の地盤改良材を施工する際の水／固化材（地盤改良材）比の影響を調査した。その結果、地盤改良材使用量が８０ｋｇ／ｍ^３以下の場合、水／固化材比が１５０％を超えると初期の強度発現が低下すること、また、地盤改良材使用量が１２０ｋｇ／ｍ^３以上の場合、水／固化材比が１００％未満では水和反応量が少なく、地盤改良材添加量を増加したことによる効果が十分に現れないことが判った。したがって、本発明の地盤改良材を施工する際は、水／固化材比を１００〜１５０％とすることが好ましい。

本発明の地盤改良材を適用する地盤としては、山土または風化花崗岩（いわゆるマサ土）からなる地盤が好ましい。これは、客土として宅地造成に用いられることが多く、ｐＨやクロム溶出などの点についての要求も厳しいためである。また、そのなかでも、有機物質の比率が１０mass％以下、含水比が５０mass％以下であって、地盤土質の分類が粘土質シルト〜礫質砂である地盤の改良材として好適である。セメント系高Ｃａ含有物の少ない本発明の地盤改良材は、このような地盤において特に有利に働く。

［実施例１］
表１に、参考例と比較例（既存のセメント系固化材に相当する比較例）の地盤改良材の原料配合割合を示す。なお、参考例では、結晶相の割合が３〜５mass％程度の高炉スラグ微粉末を用いた。室内試験において、これら地盤改良材（参考例、比較例）を水／固化材比＝１００％の条件で加水添加し、自然含水比１５mass％前後の標準的な砂質シルトを対象土として、一般的な改良目標である７日養生後の一軸圧縮強度（ＪＩＳ−Ａ−１２１６に準拠）が１．２〜１．５Ｎ／ｍｍ^２となるように添加した。その地盤改良材添加量（試験土の湿潤体積に対する添加量）を表１に併せて示す。

また、表２に、参考例と比較例の地盤改良材による改良土の特性として、７日養生後の改良土の一軸圧縮強度（ＪＩＳ−Ａ−１２１６に準拠して測定）、ｐＨ（ＪＧＳ−０２１１に準拠して測定）および６価クロム溶出量（環境庁告示４６号に準拠して測定）の各測定値を示す。図１に、改良土のｐＨと一軸圧縮強度の関係を示すが、参考例では強度の増加に伴うｐＨの上昇はみられない。これは、強度発現にエトリンガイト生成の水和反応を利用したことによるものである。
また、参考例は、比較例１〜７に比べて地盤改良材添加量が多いにもかかわらず、未固化時（養生７日後）の６価クロムの溶出はほぼ検出限界以下となった。

比較例１〜７は、既存のセメント系固化材相当の地盤改良材であり、ポルトランドセメント量が多すぎるため、改良土のｐＨが高く、また、土壌環境基準（≦０．０５ｍｇ／Ｌ）以下ではあるが、未固化時の６価クロムの溶出が認められる。また、比較例１５は、石膏量が少なすぎ且つポルトランドセメント量が多すぎるため、同様に改良土のｐＨが高く、且つ未固化時の６価クロムの溶出が認められる。
比較例８，９，１３は、石膏が配合されていないか若しくは石膏量が少なすぎる例であり、これらは強度確保のために地盤改良材添加量が多くなるが、ポルトランドセメント量に対する高炉スラグ微粉末量の相対的な割合の多寡により、比較例８，１３では改良土のｐＨが高く、且つ未固化時の６価クロムの溶出が認められ、一方、比較例９では改良土の一軸圧縮強度が低い。

比較例１０，１１は、高炉スラグ微粉末量が多すぎ且つ石膏が配合されていない例であり、改良土の一軸圧縮強度がかなり低い。
比較例１２は、ポルトランドセメント量が少なすぎるため、改良土の一軸圧縮強度が低い。
比較例１４は、ポルトランドセメント量を下げてその分石膏量を多くした例であるが、ポルトランドセメント量に対する高炉スラグ微粉末量の相対的な割合が少ないこと、さらには強度確保のために地盤改良材添加量が多くなることにより、改良土のｐＨが高く、且つ未固化時の６価クロムの溶出が認められる。

比較例１６は、高炉スラグ微粉末量が少なすぎる例であり、ポルトランドセメント量に対する高炉スラグ微粉末量の相対的な割合が少ないため、改良土のｐＨが高く、且つ未固化時の６価クロムの溶出が認められる。
比較例１７は、高炉スラグ微粉末量が多すぎる例であり、改良土の一軸圧縮強度が低い。
なお、詳細は省略するが、養生６３日ではいずれの供試体からも６価クロムは検出されなかった。
以上の試験結果から明らかなように、参考例の地盤改良材は、既存のセメント系固化材に較べて所定の強度を得るための添加量はやや増えるものの、ｐＨの上昇および６価クロムの溶出は見られない。

［実施例２］
地盤改良材を構成する高炉スラグ微粉末中の結晶相量（ここでは、高炉徐冷スラグの配合量）および脱硫スラグ（硫化カルシウム含有スラグ）の配合量と、６価クロムの溶出挙動について検討した。
表３に、本発明例と参考例の地盤改良材の原料配合割合を示す。なお、本発明例および参考例は、いずれも高炉スラグ微粉末と石膏を本発明範囲で含有している。

室内試験において、これら地盤改良材（本発明例、参考例）を水／固化材比＝１００％の条件で加水添加し、自然含水比１５mass％前後の標準的な砂質シルトを対象土として、一般的な改良目標である７日養生後の一軸圧縮強度（ＪＩＳ−Ａ−１２１６に準拠）が１．５Ｎ／ｍｍ^２または６Ｎ／ｍｍ^２となるように添加した。その改良土の７日養生後の６価クロム溶出量（環境庁告示４６号に準拠して測定）の測定値を、地盤改良材添加量（試験土の湿潤体積に対する添加量）などとともに表３に示す。

表３によれば、高炉徐冷スラグ量（Ｂ）と脱硫スラグ量（Ｓ）による［（Ｓ）×２＋（Ｂ）］がポルトランドセメント量の１５〜２０mass％であれば、改良土の目標強度６Ｎ／ｍｍ^２を達成するために地盤改良材を多量に添加した場合（地盤改良材目標添加量：３００ｋｇ／ｍ^３）であっても、未固化時の６価クロムの溶出はほぼ検出限界以下であり、しかも、地盤改良材の目標添加量の範囲内で目標とする改良土の一軸圧縮強度が確保されている。これに対して、高炉徐冷スラグ量（Ｂ）と脱硫スラグ量（Ｓ）による［（Ｓ）×２＋（Ｂ）］がポルトランドセメント量の１５mass％未満であると（参考例１〜４，１０）、地盤改良材を多量に添加した場合（地盤改良材目標添加量：３００ｋｇ／ｍ^３）には、未固化時の６価クロムの溶出が認められる。

表４に、参考例１１の地盤改良材、高炉セメント（Ｂ種）、普通ポルトランドセメントによる砂質シルト改良の施工結果を示す。改良土の特性として、７日養生後の改良土の一軸圧縮強度（ＪＩＳ−Ａ−１２１６に準拠して測定）、ｐＨ（ＪＧＳ−０２１１に準拠して測定）および６価クロム溶出量（環境庁告示４６号に準拠して測定）の各測定値を示した。

実施例１における室内試験改良土のｐＨと７日養生後の一軸圧縮強度との関係を示すグラフ

Claims (4)

1. 高炉スラグ微粉末：５０〜８０mass％、石膏：５〜２５mass％、ポルトランドセメントまたは／および石灰：１０〜３０mass％を含有し、
   高炉スラグ微粉末はブレーン比表面積が３０００〜５０００ｃｍ ^２ /ｇであり、
   高炉スラグ微粉末の一部が結晶相からなるとともに、その結晶相量（ｘ）がポルトランドセメントまたは／および石灰量の１５〜２０mass％であり、
   高炉スラグ微粉末は高炉水砕スラグと高炉徐冷スラグからなり、
   高炉スラグ微粉末の結晶相は、（i）高炉徐冷スラグ、（ii）高炉水砕スラグの製造時に析出した結晶相と高炉徐冷スラグ、のいずれかからなることを特徴とする地盤改良材。
2. 高炉スラグ微粉末のガラス化率が８０mass％以上であることを特徴とする請求項１に記載の地盤改良材。
3. 請求項１又は２に記載の地盤改良材を、山土または風化花崗岩からなる地盤の改良材として用いることを特徴とする地盤改良方法。
4. 請求項１又は２に記載の地盤改良材を、有機物質の比率が１０mass％以下、含水比が５０mass％以下であって、地盤土質の分類が粘土質シルト〜礫質砂である地盤の改良材として用いることを特徴とする地盤改良方法。

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