JP6760642B2 - 土固化モルタル施工方法 - Google Patents

Description

本発明は、凍結融解防止強化剤及びそれを用いた土固化モルタル施工方法に関し、単位水量の多い土砂を打設した場合であっても、土砂の硬化を確保することができるようにした凍結融解防止強化剤及びそれを用いた土固化モルタル施工方法に関する。

従来、土砂にセメントを混合して硬化体を製造する土舗装工法及びその工法としては、以下のものがある。
（ａ）トース土工法（透水性保水型工法）
この工法は、土に添加物を混合し土を立体網目状の団粒構造に改良する事により、透水性と保水性という相反する性能を向上させる工法である。
団粒構造に改良した土は微粒子が結合し塊を作るため水の通りが良くなり、降雨後も舗装材の硬度や強度変化が少ないので、泥濘化やひび割れの発生を軽減することができるという特徴がある。
現場の発生土を用いて施工することが可能なため残土処理の必要がないという利点がある。
（ｂ）酸化マグネシウム系土舗装固化剤（ジオベスト）を用いる工法
この工法は、酸化マグネシウムを、土壌中の水分と水和して水和酸化マグネシウムとし、さらに炭酸ガスと反応させて塩基性炭酸マグネシウムを形成させることにより、土粒子同士の接着をもたらし、さらに、土中のシリカ成分やアルミナ成分と反応させ硬化を促進させる土舗装固化工法である。
長期間にわたり低アルカリ域で耐久性のある硬化体が生成され固化するので、適度な硬度で、浸透性と保水性を保つことができるという特徴を有する。
現場の発生土を用いて施工することが可能なため残土処理の必要がない。
また、土中の養分を固定化することにより、植物が根から養分を摂取できなくなるので、他の植木や環境に付加を与えず雑草を防止することができる。
土の状態による選択は必要だが、日本の主な土は全て固める事ができる。
上記のように、土を固める技術は種々提案されているが、いずれの工法においても凍結融解の問題を解決できてはいない。
また、コンクリート用の凍結防止剤及び耐寒剤も存在し一定の効果を発揮してはいるが、コンクリートの構造体の問題もあり完璧ではなく、現在のところ土への転用等は行われていない。
すなわち、寒冷地で凍結が生じるような時期にかかってしまう工事に対して行える対策としては、上記技術では解決できていない。
寒冷地での凍結対策としては、
（ｉ）気温が低下する前になるべく早く施工を終了させる。
（ｉｉ）施工時の水分を極力少なくする。
（ｉｉｉ）材料にダスト分の少ない材料を使用する。
といった対症療法しかなく、抜本的な解決策がないのが現状である。
このような問題を解決するため、例えば、特許文献１には、低級アルコールのアルキレンオキシド付加物の、エチレンオキシドとプロピレンオキシドの共重合比率を最適化することで、収縮低減を図った収縮低減剤が記載されている。

特開２００１−１６３６５３号公報

しかしながら、特許文献１の収縮低減剤は、セメント硬化体の収縮低減や硬度の低下を抑制することを目的とするものであって、硬化体の凍結、融解によって硬化体表面に網目状や亀甲模様状のひびが発生し、その後のさらなる凍結、融解作用によってひびの開きが拡大し、ついには硬化体全体の強度低下につながることから、寒冷地などにおいては、凍結、融解防止も重要な課題になっている。
そこで、本発明の課題は、土固化舗装における凍結融解防止強化技術を提供することであり、凍結と融解を繰り返すことにより起きる爆裂を防止し、これらを防止するための特別なステップを踏むことなく工事を行うことができる工法を提供することである。
また、本発明の他の課題は、寒冷地公共工事の問題点を解決するため、凍結融解を防止する凍結融解防止強化剤を提供することである。
すなわち、寒冷地の土木建築工事分野で長年課題となっている凍結融解問題を解決するため、寒冷地において土を硬化させる土固化モルタル施工方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の土固化モルタル施工方法は、硬化モルタルの施工方法であって、トータル１０００質量部に対して、
二酸化珪素：４〜６質量部、
酸化アルミニウム：５〜２０質量部、
酸化マグネシウム：１〜３質量部、
塩化マグネシウム：１〜３質量部、
水酸化カルシウム：１〜３質量部、
ケイ酸ナトリウム：１〜５０質量部、
酸化ナトリウム：０．５〜５０質量部、
ポリカルボン酸：５〜２０質量部、
残：水又は海水、を混合してスラリー状の凍結融解防止強化剤とするともに、
さらに水を加えて希釈凍結融解防止強化剤を作成し、
この希釈凍結融解防止強化剤にセメントを加えてセメントペーストとし、
このセメントペーストを、アルカリ性・酸性・水分量を勘案して配合割合を調整した土砂に、撹拌しながら混合して、土固化したモルタル硬化体を製造することを特徴とする。

本発明の凍結融解防止強化剤は、マイナス温度でも凝固しない性質を有しており、マイナス２０℃の中にあっても、水のままの状態をキープでき、凍害を起こさない。
すなわち、以下の効果を有する。
（ｉ）セメント混和剤としての効果
セメント・骨材に練り混ぜることで、モルタル・コンクリートの強度・耐久性を向上させることが可能となる。
（ｉｉ）下地コンクリート調整剤としての効果
新規コンクリート打設時に問題になるのが、養生期間である。
日本では原則として２８日間の養生期間を必要としており、どれだけ短縮したとしても２週間は仕上げ施工が困難な状態となる。
しかし、コンクリートを新規打設し、翌日脱型し本発明の凍結融解防止強化剤を施工すると、翌日、翌々日には、２８日間の養生を経たものと同様の表面圧縮強度を発現するため、２８日間を数日にまで短縮可能である。

評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。 評価試験の報告書である。

以下、本発明の実施形態について説明する。
＜凍結融解のメカニズム＞
凍結融解のメカニズムを以下に示す。
地盤の凍上は、気温の低下によって地盤の表面温度が低下し、地盤中に凍結面（０℃等温面）ができる。
このとき、土中の未凍土側から水分が凍結面に向かって移動していき、凍結面に集まった水分が凍結するときに、土粒子表面から氷が分離する。
この氷が薄い層を成長させて地盤を押し上げることからおきる現象である。
（国立研究開発土木研究所寒地地盤チーム「凍上および凍結融解に耐久性のある道路のり面構造に関する研究」レポートより抜粋）

本発明に用いる凍結融解防止強化剤としては下記の成分が配合されている。
すなわち、二酸化珪素、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、塩化マグネシウム、水酸化カルシウム、ケイ酸ナトリウム、酸化ナトリウム、ポリカルボン酸である。
これらの各成分をそれぞれ所定の割合で配合したものを、特定の順番で混合した後、水又は海水を加えてスラリー状の凍結融解防止強化剤とする。
各成分は好ましくは下記の範囲とする。すなわち、
二酸化珪素：４〜６質量部、酸化アルミニウム：５〜２０質量部、酸化マグネシウム：１〜３質量部、塩化マグネシウム：１〜３質量部、水酸化カルシウム：１〜３質量部、ケイ酸ナトリウム：１〜５０質量部、酸化ナトリウム：０．５〜５０質量部、ポリカルボン酸：５〜２０質量部、残部：水又は海水を加えて、
トータル１０００質量部のスラリー状の凍結融解防止強化剤とする。

＜凍結融解防止強化剤の成分の特性＞
次に、各成分の役割及び範囲について説明する。
二酸化珪素及び酸化アルミニウムは、非溶解性の安定な酸化物であり凍結融解防止強化剤の主たる成分のひとつとして含有される。

＜二酸化珪素＞
二酸化珪素は、スラリー粘性などの調整や強度向上に寄与し、４質量部より少ないとスラリー粘性が足りず、６質量部を超すと硬化強度の低下懸念がある。

＜酸化アルミニウム＞
酸化アルミニウムは、硬化モルタルを形成させる際に緻密で強固な結晶化構造に変性させる役割がある。
５質量部より少ないと結晶構造が緻密化が困難になり、２０質量部を超えると硬化速度の減少傾向が増す。

酸化マグネシウム、塩化マグネシウム、水酸化カルシウムは、第１層の緻密化、安定化に加えて、耐薬品性の向上、膨張収縮率の低減、接着力の向上、硬化前の流動性の向上等に寄与することが挙げられる。

＜酸化マグネシウム＞
酸化マグネシウムが１質量部より少ないと、施工性が悪くなることがあり、逆に３質量部を超えると、モルタルの硬化強度などが劣化するような問題が生じることもあるので好ましくない。

＜塩化マグネシウム＞
塩化マグネシウムが１質量部より少ないと、スラリー粘性などの調整が困難となる傾向が生じ、逆に３質量部を超えると、溶出するマグネシウムイオンが過剰になって、種々の弊害を生じることがあるので好ましくない。

＜水酸化カルシウム＞
水酸化カルシウムが１質量部より少ないと、モルタルの硬化強度が低下する傾向が生じ、逆に３質量部を超えて添加しても、硬化強度は一定となってそれ以上の強度向上は望めずコストアップに繋がるので好ましくない。

＜ケイ酸ナトリウム＞
ケイ酸ナトリウムは、ブリージング水のアルカリ成分との反応性に優れ、これによって高強度のモルタルを得るための機能を有する。
また、ケイ酸ナトリウムがセメントの成分の石灰分と反応してガラス質のケイ酸カルシウムに変化し、セメントの硬化強度が向上する。
ケイ酸ナトリウムは、１〜５０質量部を混合して用いることことが好ましい。
１質量部より少ないと、アルカリ水との反応を有効に発揮させることが困難であり、逆に５０質量部を超えると、他の成分と反応が顕著になる上に、原料費のアップにも繋がるので好ましくない。

＜酸化ナトリウム＞
酸化ナトリウムは、水分と反応して水酸化ナトリウムとなる。
酸化ナトリウムは、０．５〜５０質量部を混合して用いることことが好ましい。
０．５質量部より少ないと、水との反応を有効に発揮させることが困難であり、逆に５０質量部を超えると、他の成分と反応が顕著になる上に、原料費のアップにも繋がるので好ましくない。

＜ポリカルボン酸＞
ポリカルボン酸は、セメントペーストの粘度を低下させ流動性を良好にする成分である。
セメント粒子を凝集系から分散系に移行させることができ、モルタルの流動性は格段に向上する。
流動化剤の主成分としては、ポリカルボン酸塩系が好ましく挙げられ、ナフタリンスルホン酸塩系、メラミンスルホン酸塩系、リグニン系の分散剤も好適である。
ポリカルボン酸は、５〜２０質量部を混合して用いることことが好ましい。
５質量部より少ないと、セメントペーストの粘度を低下させる有効に発揮させることが困難であり、逆に２０質量部を超えると、他の成分と反応が顕著になる上に、原料費のアップにも繋がるので好ましくない。

＜土砂＞
土砂としては、山土、川砂、川砂利、山砂、山砂利、砕石、高炉スラグなどが挙げられる。
土砂の粒径は、約０．３ｍｍ〜３ｍｍ程度のものが好ましい。

＜セメント＞
スラリー状の凍結融解防止強化剤に加えるセメントとしては、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント或いは超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、など各種ポルトランドセメント、高炉セメント、シリカセメント、フライアッシュセメント、メーソンリーセメント、白色セメント、鉄セメント、ジェットセメント、膨張セメント、コロイドセメント、エコセメント又はアルミナセメントなどを用いることができる。

＜硬化モルタルの施工方法＞
硬化モルタルの施工は、上記配合により、スラリー状の凍結融解防止強化剤（濃縮液）を作成した後、この凍結融解防止強化剤のさらに水を加えて５０〜７０倍に希釈し、希釈凍結融解防止強化剤として用いる。
まず、予め、上記スラリー状の凍結融解防止強化剤にセメントを加えたセメント凍結融解防止強化剤を用意し、土及び砂を混合したもの（土砂）に、撹拌しながら加えて仕上げる。
スラリー状の凍結融解防止強化剤に対するセメントや土砂の配合量は、特に指定するものではなく、土砂の性質（例えば、アルカリ性、酸性、水分量など）によって適宜調整される。

通常は、上記希釈凍結融解防止強化剤（例えば１０００質量部）に対し、セメント（例えば１０００質量部）を加え、セメントペースト（例えば２０００質量部）を加えるが、先に、砂（例えば１０００質量部）と土（例えば６０００質量部）とを混合して土砂を作成しておき、上記土砂（例えば７０００質量部）と上記セメントペースト（例えば２０００質量部）とを撹拌混合して、土固化したモルタル硬化体（例えば８０００質量部）を製造する。

上記配合割合での施工により、モルタル硬化体は、合理的な水和反応が促進され、モルタル内部の隙間や毛管を凝固結晶体で埋めつくした緻密な構造となり、その結果、モルタルの透水性が極めて低くなり、水分はもちろん水蒸気のような微細な水分も、シャットダウンする事ができる。
さらに、モルタル中に含まれる凍結融解防止強化剤の化学反応で強固な凝固結晶体を形成し、モルタル自体の緻密な構造を形成できる。
また、モルタル形成において、セメントとの水和反応凝結硬化を利用するので、セメント中のカルシウム等の結晶化を促進させ、超微細で凝密性の高い、高強度で質量変化の小さいモルタルを作りだせることができるとともに、長時間に亘って進行していくセメント硬化プロセスを短時間で進行させることができ、モルタル中に形成される隙間を埋めていくことができる。

なお、硬化モルタルを施工する環境としては、一般のコンクリート打設方法においては、打設場所には屋根乃至壁を取り付けるのが好ましいが、本発明では特にその必要はない。
また、一般の施工方法においては、冬季の施工時には低温になる恐れがあるため採暖による保温を行うのが好ましいが、本発明では特にその必要がない。
本発明の土固化モルタル施工方法においては、凍結融解防止強化剤とアルカリ水との反応を利用するので低温での施工が可能だからである。

次に、本発明の土固化モルタル施工方法の実施例について説明する。
［実施例１］
二酸化珪素：６質量部、
酸化アルミニウム：２０質量部、
酸化マグネシウム：３質量部、
塩化マグネシウム：３質量部、
水酸化カルシウム：３質量部、
ケイ酸ナトリウム：４０質量部、
酸化ナトリウム：５０質量部、
ポリカルボン酸：２０質量部、
残部：水を加えて、
トータル１０００質量部のスラリー状の凍結融解防止強化剤を作成した。
この凍結融解防止強化剤のさらに水を加えて５０倍に希釈し、希釈凍結融解防止強化剤を作成した。
この、希釈凍結融解防止強化剤１０００質量部に、セメント１０００質量部を加え、セメントペースト２０００質量部を作成した。
そして、先に、砂１０００質量部と土６０００質量部とを混合し、土砂７０００質量部を作成しておき、上記土砂７０００質量部と上記セメントペースト２０００質量部とを撹拌混合して、硬化モルタル８０００質量部を作成した。
こうして作成した硬化モルタルを、後述する建材試験センターでの評価資料とした（記号５０−１）

［実施例２］
二酸化珪素：５質量部、
酸化アルミニウム：２０質量部、
酸化マグネシウム：２質量部、
塩化マグネシウム：２質量部、
水酸化カルシウム：２質量部、
ケイ酸ナトリウム：４０質量部、
酸化ナトリウム：４０質量部、
ポリカルボン酸：２０質量部、
残部：水を加えて、
トータル１０００質量部のスラリー状の凍結融解防止強化剤を作成した。
この凍結融解防止強化剤のさらに水を加えて５０倍に希釈し、希釈凍結融解防止強化剤を作成した。
この、希釈凍結融解防止強化剤１０００質量部に、セメント１０００質量部を加え、セメントペースト２０００質量部を作成した。
そして、先に、砂１０００質量部と土６０００質量部とを混合し、土砂７０００質量部を作成しておき、上記土砂７０００質量部と上記セメントペースト２０００質量部とを撹拌混合して、硬化モルタル８０００質量部を作成した。
こうして作成した硬化モルタルを、後述する建材試験センターでの評価資料とした（記号５０−２）

［実施例３］
二酸化珪素：６質量部、
酸化アルミニウム：１５質量部、
酸化マグネシウム：３質量部、
塩化マグネシウム：３質量部、
水酸化カルシウム：３質量部、
ケイ酸ナトリウム：４０質量部、
酸化ナトリウム：２０質量部、
ポリカルボン酸：１５質量部、
残部：水を加えて、
トータル１０００質量部のスラリー状の凍結融解防止強化剤を作成した。
この凍結融解防止強化剤のさらに水を加えて５０倍に希釈し、希釈凍結融解防止強化剤を作成した。
この、希釈凍結融解防止強化剤１０００質量部に、セメント１０００質量部を加え、セメントペースト２０００質量部を作成した。
そして、先に、砂１０００質量部と土６０００質量部とを混合し、土砂７０００質量部を作成しておき、
上記土砂７０００質量部と上記セメントペースト２０００質量部とを撹拌混合して、
硬化モルタル８０００質量部を作成した。
こうして作成した硬化モルタルを、後述する建材試験センターでの評価資料とした（記号５０−３）

［実施例４］
二酸化珪素：５質量部、
酸化アルミニウム：１０質量部、
酸化マグネシウム：２質量部、
塩化マグネシウム：２質量部、
水酸化カルシウム：２質量部、
ケイ酸ナトリウム：１０質量部、
酸化ナトリウム：５質量部、
ポリカルボン酸：１０質量部、
残部：水を加えて、
トータル１０００質量部のスラリー状の凍結融解防止強化剤を作成した。
この凍結融解防止強化剤のさらに水を加えて５０倍に希釈し、希釈凍結融解防止強化剤を作成した。
この、希釈凍結融解防止強化剤１０００質量部に、セメント１０００質量部を加え、セメントペースト２０００質量部を作成した。
そして、先に、砂１０００質量部と土６０００質量部とを混合し、土砂７０００質量部を作成しておき、上記土砂７０００質量部と上記セメントペースト２０００質量部とを撹拌混合して、硬化モルタル８０００質量部を作成した。
こうして作成した硬化モルタルを、後述する建材試験センターでの評価資料とした（記号５０−４）

［実施例５］
二酸化珪素：４質量部、
酸化アルミニウム：５質量部、
酸化マグネシウム：１質量部、
塩化マグネシウム：１質量部、
水酸化カルシウム：１質量部、
ケイ酸ナトリウム：１質量部、
酸化ナトリウム：０．５質量部、
ポリカルボン酸：５質量部、
残部：水を加えて、
トータル１０００質量部のスラリー状の凍結融解防止強化剤を作成した。
この凍結融解防止強化剤のさらに水を加えて５０倍に希釈し、希釈凍結融解防止強化剤を作成した。
この、希釈凍結融解防止強化剤１０００質量部に、セメント１０００質量部を加え、セメントペースト２０００質量部を作成した。
そして、先に、砂１０００質量部と土６０００質量部とを混合し、土砂７０００質量部を作成しておき、上記土砂７０００質量部と上記セメントペースト２０００質量部とを撹拌混合して、硬化モルタル８０００質量部を作成した。
こうして作成した硬化モルタルを、後述する建材試験センターでの評価資料とした（記号５０−５）

＜評価＞
上記実施例１〜５の硬化モルタルにつき、２００ｍｍ×１００ｍｍ×６０ｍｍの試験体を作成し、３０日のサイクルで凍結融解試験を行った（一般財団法人建材試験センターに依頼）。
試験体は、５体（５０−１、５０−２、５０−３、５０−４、５０−５）を作成した。
３０回のサイクルで試験を行った方法及びその結果を図１〜図１２に示す。

以上説明したように、本発明の凍結融解防止強化剤は、寒冷地で冬期に行う土木工事でおきる凍結融解問題に対しては抜本的な解決策となり、極めて産業上の利用可能性が大きいものである。
例えば、本発明を道路等も固化に用いれば、
・現場の発生土を用いて施工することが可能なため、残土処理の必要がない。
・現場の発生土を用いて施工するため、自然の風合いを損なわない。
・雑草などが生えないことによる造園費用が削減できる。
・水溜りを極力減らすことにより、デング熱の発生源となる蚊の成育を抑えることができる。
・コンクリート舗装道路より、ヒートアイランド現象による温度上昇幅を抑えられる。
また、
凍結融解による道路等の爆裂といった問題を抱える工事や、
公園整備、土手や崖などの法面の補強工事、
頻発する集中豪雨に対する治水・治山対策の強化、
を請け負う土木工事施工会社などが、用いることができる。
すなわち、本発明を土固化による舗装として用いれば、
現地発生土を再利用するので環境の負荷を低減するだけでなく、自然な土の風合いを生かした景観性の高さという点でも受け入れられやすい。
また、固化により土地の強度が増すので、法面での使用に用いた場合に、
がけ崩れや土砂災害を予防し、集中豪雨時には集中流出抑制効果も期待できる。
よって、本発明は、今までの寒冷地の土木工事のあり方を根底から覆すことができる技術であり、特に、寒冷地の土木工事業者にとっては非常にメリットがあり、産業上利用価値が高い。

Claims (1)

1. 硬化モルタルの施工方法であって、トータル１０００質量部に対して、
   二酸化珪素：４〜６質量部、
   酸化アルミニウム：５〜２０質量部、
   酸化マグネシウム：１〜３質量部、
   塩化マグネシウム：１〜３質量部、
   水酸化カルシウム：１〜３質量部、
   ケイ酸ナトリウム：１〜５０質量部、
   酸化ナトリウム：０．５〜５０質量部、
   ポリカルボン酸：５〜２０質量部、
   残：水又は海水、を混合してスラリー状の凍結融解防止強化剤とするともに、
   さらに水を加えて希釈凍結融解防止強化剤を作成し、
   この希釈凍結融解防止強化剤にセメントを加えてセメントペーストとし、
   このセメントペーストを、アルカリ性・酸性・水分量を勘案して配合割合を調整した土砂に、撹拌しながら混合して、土固化したモルタル硬化体を製造することを特徴とする土固化モルタル施工方法。