JP7497116B2 - 土壌用固化剤 - Google Patents
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Description
本発明は、土壌用固化剤に関し、詳しくは土木工事等により発生する含水土壌（軟弱土壌や汚泥）の強度を向上させることのできる土壌用固化剤に関する。
従来より、含水土壌の強度向上を図るための固化剤として、セメント系材料や石灰系材料又はこれらの混合材料が主に用いられている。
例えば、特許文献１には、セメント成分と石膏又はこれに加えてスラグを一定量含むセメント系固化材が記載されている。また、特許文献２には、セメント成分に対して生石灰と石膏又はこれに加えてスラグを一定量含むセメント石灰系固化材が記載されている。これら特許文献１及び特許文献２に係る固化材は、含水土壌に対して改良処理を施した場合の強度発現性に優れるとされている。
ところが、これら従来の土壌用固化剤では、含水土壌の土質（例えば、火山灰質粘性土）によっては、固化処理後の土壌（改良土壌）として十分な強度を安定的に得ることができなかった。これをふまえ、本発明者は、処理対象となる含水土壌の土質を問わずに、従来よりも高い固化強度を得ることの可能な土壌用固化剤を見出している（特許文献３を参照）。この土壌用固化剤は、７００℃～１０００℃で焼成し、粉末度４０００ｃｍ２／ｇ以上となるように調整された酸化マグネシウムを用いたものである。
しかし、特許文献３に開示の土壌用固化剤では、含水土壌の土質によってばらつきはあるものの、改良土壌として必要十分な強度を得るのに少なくとも数時間程度を要していた。また、特許文献３に開示の土壌用固化剤では、改良土壌のｐＨ値を中性範囲（日本国環境省が定める排水基準値ｐＨ５．８～ｐＨ８．６を指標とする）に安定的に制御することが困難であった。改良土壌のｐＨが高い場合（ｐＨ値が８.６を超えてアルカリ性となる場合）、植物の生育に障害が生じる等して環境破壊を起こす恐れがある。
そこで、本発明では、上述の問題に鑑み、含水土壌の土質を問わずに、改良土壌として必要十分な強度を従来よりも短時間で得ることができ、且つアルカリ公害の恐れがない土壌用固化剤を提供することを目的とする。
本件の発明者等は、鋭意研究の結果、以下の発明に想到した。
すなわち、本発明は、土壌に混入させ固化させるための土壌用混合固化剤であって、７００℃～１０００℃で焼成して粉末度４０００ｃｍ２／ｇ以上となるように調整された酸化マグネシウムと、固化強度推進剤とを含有し、当該酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と当該固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが０．３８～０．９７であることを特徴とする。
また、本発明に係る土壌用固化剤において、前記固化強度推進剤は、硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、及び塩化マグネシウムから選択される一種以上であることが好ましい。
また、本発明に係る土壌用固化剤は、高分子凝集剤を、総量に対して０．１重量部～４．０重量部の割合で更に含有したことが好ましい。
本発明に係る土壌用固化剤は、従来のセメント材料や石灰系材料に代わる材料であり、これらセメント材料等では十分な固化強度が得られ難かった土質の含水土壌であっても、改良土壌として必要十分な強度にまで従来よりも短時間で向上させることができる。また、本発明に係る土壌用固化剤は、改良土壌の高強度化を図りながらも、改良土壌のｐＨ値を従来よりも中性（ｐＨ７）に近いものとすることができる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。
本発明に係る土壌用固化剤は、７００℃～１０００℃で焼成し、粉末度４０００ｃｍ２／ｇ以上となるように調整された酸化マグネシウムと固化強度推進剤とを含有する。そして、当該酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と当該固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが０．３８～０．９７となるものである。酸化マグネシウムは土中の水と反応すると、水酸化マグネシウムを生じる。この水酸化マグネシウムは難溶性であるが、土に対して硬化物としての強度をもたらすものではなく、土壌中のシリカ成分等と反応して、その反応生成物が含水土壌の固化に寄与すると考えられる。その結果、改良土壌として必要十分な強度を得ることが可能となる。
ここで用いる酸化マグネシウムは、７００℃～１０００℃で焼成して粉末度４０００ｃｍ２／ｇ以上となるように調整されたもの（所謂「軽焼マグネシア」）である。酸化マグネシウムを７００℃～１０００℃で焼成するのは、後に焼成後の酸化マグネシウムを解砕し粉砕することで、粉末度４０００ｃｍ２／ｇ以上となるようにするために最も良好な焼成温度範囲だからである。ここで焼成温度が７００℃未満の場合には、焼成不良を起こしやすく酸化マグネシウムの細粒化が困難となり、活性度に優れた良好な酸化マグネシウム粉末を得ることができない。一方、焼成温度が１０００℃を超える場合には、焼成後の酸化マグネシウムが強固に凝集し易くなり、後の解砕作業が困難となり、低温焼成品に比べて固化速度が遅くなる傾向が強くなる。
また、上述した温度範囲で焼成を行う場合の時間は、大気雰囲気中で４時間～５時間の範囲とすることが好ましい。ここで、焼成時間が４時間未満の場合には、焼成後のミル装置を用いての粉末化作業が困難となる。一方、焼成時間が５時間を超える場合には、得られた焼成後の酸化マグネシウムの活性度が低下し、固化反応を迅速に行わせることができなくなる。
一般的に酸化マグネシウム（ＭｇＯ）には、低温焼成品（１０００℃以下での焼成）と高温焼成品（１０００℃を超える温度での焼成）とがあるが、反応性の点からみて低温焼成品（軽焼マグネシア）の使用が望ましい。そして、酸化マグネシウムの粉末度は４０００ｃｍ２／ｇ以上が好ましい。粉末度が、４０００ｃｍ２／ｇ以下のものを用いると、低温焼成品を用いても、土壌の固化速度が遅くなり、土壌の固化に適さなくなるからである。なお、ここで言う粉末度とは、所謂粉体として捉えたときの比表面積であり、本発明では、実測した値であり、酸化マグネシウム粉２．００ｇを７５℃で１０分間の脱気処理を行った後、モノソーブ（カンタクロム社製）を用いてＢＥＴ１点法で測定した結果として得られる比表面積のことである。
更に言えば、上述した温度範囲で酸化マグネシウムを焼成すると、粉体化するため現在の技術レベルのミル処理をしたときに、経験的に４０００ｃｍ２／ｇ～８５００ｃｍ２／ｇの粉末度の酸化マグネシウム粉にできることが判明している。ちなみに、粉末度が大きくなる程、固化反応の速度は上昇する傾向となり好ましい。
なお、上述した酸化マグネシウムは、固化処理対象となる含水土壌１ｍ３に対して１０ｋｇ～３００ｋｇを添加することが望ましい。ここで、酸化マグネシウムの添加量が３０ｋｇ未満の場合には、土質を問わず当該含水土壌を安定して速やかに固化させることは困難となる。一方、酸化マグネシウム添加量が３００ｋｇを超える場合には、当該含水土壌の固化が進行し過ぎて、得られる改良土壌に微小な亀裂や肌荒れを生じ美観が損なわれると共に脆くなる。
そして、上述した固化強度推進剤は、硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、及び塩化マグネシウムから選択される一種以上であることが好ましい。本発明の固化強度推進剤は、ｐＨ調整剤としても作用する。当該固化強度推進剤は、酸化マグネシウムよりも弱酸性であり、得ようとする改良土壌のｐＨの上昇を抑制することができる。
本発明に係る土壌用固化剤は、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙを０．３８～０．９７としたものである。本発明に係る土壌用固化剤は、上述した酸化マグネシウム及び固化強度推進剤をこの比率で共に含むことで、従来困難であった、改良土壌の高強度化を図りつつｐＨを中性に近いものとすることが可能となる。ここで、当該比率Ｘ／Ｙが０．３８未満の場合には、従来よりも短時間で固化処理対象となる含水土壌を、改良土壌として必要十分な強度にまで向上させることが困難となる。一方、当該比率Ｘ／Ｙが０．９７を超える場合には、得られる改良土壌のｐＨが高くなる傾向がある。その結果、改良土壌のｐＨ値を中性範囲（ｐＨ５．８～ｐＨ８．６）に安定的に制御することが困難となる。さらに、この場合、上述した酸化マグネシウムの添加量とのバランスを欠き、弾力性のない脆い固化状態の改良土壌となりやすい。なお、本発明に係る土壌用固化剤において、当該比率Ｘ／Ｙは、改良土壌の高強度化を図ると共に、改良土壌のｐＨを中性範囲に制御する上で０．４３～０．６７とすることがより好ましい。
ちなみに、改良土壌について必要十分とされる強度は、コーン指数２００ｋＮ／ｍ２以上であり、より好ましくはコーン指数４００ｋＮ／ｍ２以上である。日本国国土交通省が定める土質区分基準によれば、コーン指数が２００ｋＮ／ｍ２以上であれば第４種改良土の区分に分類され、コーン指数が４００ｋＮ／ｍ２以上であれば第３種改良土の区分に分類され、コーン指数が８００ｋＮ／ｍ２以上であれば第２種改良土の区分に分類される。第１種改良土には、コーン指数の規定は存在しない。第１種～第４種改良土は、十分な強度を有することから、工作物の埋戻し、建築物の埋戻し、土木構造物の裏込め、道路用盛土、河川築堤、土地造成、鉄道盛土、空港盛土等としても好適に使用することが可能となる。なお、ここで言うコーン指数は、「ＪＧＳ Ｔ ７１６（締固めた土のコーン指数試験方法）」に準拠して測定した値である。
そして、本発明に係る土壌用固化剤は、高分子凝集剤を、当該土壌用固化剤の総量に対して０．１重量部～４．０重量部の割合で更に含有したことが好ましい。固化処理対象となる含水土壌が水分を多く含んだものである場合に、高分子凝集剤を加えることで、土壌が凝縮し、当該水分が吸収されて固化強度に優れた土壌固化物を得ることができる。ここで、高分子凝集剤の含有量が土壌用固化剤の総量に対して０．１重量部未満の場合には、当該含水土壌に含まれる水分を十分に排除することができず、含有効果を得ることができない。一方、高分子凝集剤の含有量が土壌用固化剤の総量に対して４．０重量部を超える場合には、固化強度の点で好ましくない。
上述した高分子凝集剤としては、例えば、ポリアクリル酸ソーダ、ポリアクリルアミド、アクリル酸ソーダ、アクリルアミド共重合体、ポリエチレンオキサイド等の合成高分子凝集剤やグアガム、キサンタンガム、アルギン酸等の天然高分子凝集剤が挙げられる。このうち、吸水性剤としての機能を得ようとする場合には、ポリアクリル酸ソーダを好適に用いることができる。
ところで、本発明に係る土壌用固化剤は、固化処理対象となる含水土壌に添加する前に全成分を混合し、その後、当該含水土壌に添加してもよく、また各成分を個々に当該含水土壌に添加してもよい。さらに、成分のうちの２種以上を予め混合しておいて当該含水土壌に添加してもよい。また、本発明に係る土壌用固化剤は、粉末状で当該含水土壌に添加してもよく、また水等の溶媒に溶解してスラリー状にして当該含水土壌に添加してもよい。
本発明に係る土壌用固化剤の含水土壌に対する添加量は、土質、含水量等によって適宜調節される。一般に有機質を多く含む土質の場合には、添加量は多くする必要があり、有機質の少ない土質の場合には、添加量は少なくてよい。また、含水量の多い土壌の場合には、添加量を多くする必要があり、含水量の少ない土壌の場合には、添加量は少なくてよい。一般的に言えば、含水比１００％未満の土壌の場合には、本発明に係る土壌用固化剤は、土壌１ｍ３当たり、３０ｋｇ～１００ｋｇ程度添加され、含水比１００％～４００％の土壌の場合には、本発明に係る土壌用固化剤は、土壌１ｍ３当たり、５０ｋｇ～３００ｋｇ程度添加される。
以上に、本発明に係る土壌用固化剤について説明したが、以下に本発明の実施例を示し、本発明をより詳細に説明する。なお、本発明はこれらの例により何ら限定されるものではない。
実施例１は、本発明に係る土壌用固化剤について、含水土壌の強度を短時間でどれだけ向上させることができるか、また、ｐＨ値をどれだけ中性に近いものとすることができるかを実証するための実施例であり、以下に述べる比較例１～３と対比するためのものである。
この実施例１では、土壌用固化剤として、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが、本発明で規定する条件を満たす「０．４５」となるものを用い、所定時間経過後に得られる改良土壌の強度及びｐＨ値の確認を行った。具体的には、災害発生した粘土質の試料土壌（含水率：３２．７重量％、コーン指数：５７ｋＮ／ｍ２、ｐＨ：７．３）１０００ｃｃに対して、軽焼マグネシア９ｇ、硫酸アルミニウム２０ｇ、ポリアクリル酸ソーダ１ｇからなる土壌用固化剤３０ｇを添加し、混練機で混練し、モールドに充填して１時間後に湿潤養生して、「直後、１日後、２日後、３日後」のそれぞれについて「コーン指数」及び「ｐＨ値」を測定した。その結果を、後述する比較例１～３との対比が可能なように以下の表１に示す。
実施例２では、実施例１と同様の実証確認を行った。この実施例２では、土壌用固化剤として、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが、本発明で規定する条件を満たす「０．３８」となるものを用い、所定時間経過後に得られる改良土壌の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。その結果を、後述する比較例１～３との対比が可能なように以下の表１に示す。
実施例３では、実施例１と同様の実証確認を行った。この実施例３では、土壌用固化剤として、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが、本発明で規定する条件を満たす「０．９７」となるものを用い、所定時間経過後に得られる改良土壌の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。その結果を、後述する比較例１～３との対比が可能なように以下の表１に示す。
（比較例１）
比較例１は、実施例１～３と対比するための比較例であり、土壌用固化剤を添加しない原土の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。原土に関しては、実施例１と同じ試料土壌を用い、且つ実施例１と同様に混練を施した。その結果を以下の表１に示す。
比較例１は、実施例１～３と対比するための比較例であり、土壌用固化剤を添加しない原土の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。原土に関しては、実施例１と同じ試料土壌を用い、且つ実施例１と同様に混練を施した。その結果を以下の表１に示す。
（比較例２）
比較例２は、実施例１～３と対比するための比較例であり、土壌用固化剤として、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが「０．３」となるものを用い、所定時間経過後に得られる改良土壌の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。その結果を以下の表１に示す。
比較例２は、実施例１～３と対比するための比較例であり、土壌用固化剤として、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが「０．３」となるものを用い、所定時間経過後に得られる改良土壌の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。その結果を以下の表１に示す。
（比較例３）
比較例３は、実施例１～３と対比するための比較例であり、土壌用固化剤として、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが「１．１」となるものを用い、所定時間経過後に得られる改良土壌の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。その結果を以下の表１に示す。
比較例３は、実施例１～３と対比するための比較例であり、土壌用固化剤として、酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが「１．１」となるものを用い、所定時間経過後に得られる改良土壌の「コーン指数」及び「ｐＨ値」を実施例１と同じ条件で測定した。その結果を以下の表１に示す。
（実施例と比較例との対比）
表１に示す結果から、実施例１～３では、試料土壌に固化処理を施した直後からコーン指数が全て２００ｋＮ／ｍ２以上となり、改良土壌として適切な強度にまで極めて短時間で到達することが分かる。また、固化処理を施して３日経過後の改良土壌のコーン指数が全て８００ｋＮ／ｍ２以上となり、改良土壌の強度が大きく向上していることが分かる。そして、ｐＨ値に関しては、僅かな上昇が見受けられるものの全て中性範囲（ｐＨ５．８～ｐＨ８．６）に制御され、問題のないレベルである。
表１に示す結果から、実施例１～３では、試料土壌に固化処理を施した直後からコーン指数が全て２００ｋＮ／ｍ２以上となり、改良土壌として適切な強度にまで極めて短時間で到達することが分かる。また、固化処理を施して３日経過後の改良土壌のコーン指数が全て８００ｋＮ／ｍ２以上となり、改良土壌の強度が大きく向上していることが分かる。そして、ｐＨ値に関しては、僅かな上昇が見受けられるものの全て中性範囲（ｐＨ５．８～ｐＨ８．６）に制御され、問題のないレベルである。
一方、表１に示す結果から、比較例１～３では、改良土壌について必要十分とされる強度（コーン指数２００ｋＮ／ｍ２以上）を得ることと、改良土壌のｐＨ値を中性範囲（ｐＨ５．８～ｐＨ８．６）に制御することとの両立を図ることが困難であることが分かる。具体的に、比較例１では、原土を混練機で混練した直後から３日経過後にかけてコーン指数が５７ｋＮ／ｍ２であり、土壌の強度が適切な強度（２００ｋＮ／ｍ２以上）を満足していない。また、比較例２では、固化処理を施して３日経過後の改良土壌のコーン指数が１９８ｋＮ／ｍ２以下であり、改良土壌について必要十分とされる強度（２００ｋＮ／ｍ２以上）を満足していない。そして、比較例３では、固化処理を施して１日経過後から３日経過後にかけて改良土壌のｐＨ値が８．９となり、中性範囲（ｐＨ５．８～ｐＨ８．６）に制御されていない。
以上より、本発明に係る土壌用固化剤を用いた場合には、コーン指数が著しく大きくなり、含水土壌の強度を向上させる上で極めて有効であることが分かった。特に、本発明に係る土壌用固化剤によれば、含水土壌を改良土壌として求められる適切な強度にまで従来よりも短時間で向上させられることができる。そして、本発明に係る土壌用固化剤を用いた場合には、得られる改良土壌についてｐＨ値の上昇が十分に抑制されて、改良土壌の高強度化を図りつつも、改良土壌のｐＨ値を中性範囲（ｐＨ５．８～ｐＨ８．６）に安定的に制御可能であることが分かった。
以上の通り、本発明に係る土壌用固化剤によれば、含水土壌の土質を問わず、改良土壌として必要十分な強度を従来よりも短時間で得ることができる。また、ｐＨ値に関しても、中性範囲（ｐＨ５．８～ｐＨ８．６）に安定的に制御可能である。従って、本発明に係る土壌用固化剤は、強度とｐＨ値とのトータルバランスの点から地盤改良等の種々の用途に好適に用いられる。さらに、本発明に係る土壌用固化剤は、含水土壌の土質を問わずコーン指数２００ｋＮ／ｍ２以上とすることができるため、従来産業廃棄物として埋め立て処分されていた建設汚泥等を盛土用材料や埋立用材料等として再利用することが可能となる。
Claims (2)
- 土壌に混入させモールドに充填してから１時間後のコーン指数を２００ｋＮ／ｍ ２ 以上且つｐＨを５．８～７．７とするために用いる、土壌を固化させるための土壌用固化剤であって、
７００℃～１０００℃で焼成して粉末度４０００ｃｍ２／ｇ～８５００ｃｍ ２ ／ｇとなるように調整された酸化マグネシウムと、固化強度推進剤とを含有し、
当該酸化マグネシウムの含有量（Ｘ重量部）と当該固化強度推進剤の含有量（Ｙ重量部）との比率Ｘ／Ｙが０．３８～０．６７であり、
ポリアクリル酸ソーダ、アクリル酸ソーダ、ポリエチレンオキサイド、グアガム、キサンタンガム及びアルギン酸の何れかからなる高分子凝集剤を、当該土壌用固化剤の総量に対して０．１重量部～４．０重量部の割合で更に含有することを特徴とする土壌用固化剤。 - 前記固化強度推進剤は、硫酸アルミニウム、硫酸第一鉄、ポリ塩化アルミニウム、塩化第二鉄、及び塩化マグネシウムから選択される一種以上である請求項１に記載の土壌用固化剤。
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