(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024032499
(43)【公開日】2024-03-12
(54)【発明の名称】地盤改質材
(51)【国際特許分類】
C09K 17/06 20060101AFI20240305BHJP
C09K 17/08 20060101ALI20240305BHJP
C09K 17/02 20060101ALI20240305BHJP
E02D 3/12 20060101ALI20240305BHJP
【FI】
C09K17/06 P
C09K17/08 P
C09K17/02 P
E02D3/12 102
【審査請求】未請求
【請求項の数】3
【出願形態】OL
(21)【出願番号】P 2022136179
(22)【出願日】2022-08-29
(71)【出願人】
【識別番号】000003296
【氏名又は名称】デンカ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100207756
【弁理士】
【氏名又は名称】田口 昌浩
(74)【代理人】
【識別番号】100119666
【弁理士】
【氏名又は名称】平澤 賢一
(74)【代理人】
【識別番号】100135758
【弁理士】
【氏名又は名称】伊藤 高志
(72)【発明者】
【氏名】齋藤 誠
(72)【発明者】
【氏名】佐々木 崇
【テーマコード(参考)】
2D040
4H026
【Fターム(参考)】
2D040AA01
2D040CA10
4H026CA06
4H026CB03
4H026CB05
4H026CB06
4H026CC02
4H026CC05
(57)【要約】
【課題】適度な作業時間を確保することが可能で、かつ、良好な早期強度発現性を発揮できる地盤改質材を提供する。
【解決手段】カルシウムアルミネート粉末と、アルミナ成分が0.05~5質量%であり、シリカ成分が0.05~5質量%である水酸化カルシウム系粉末とを含む地盤改質材である。
【選択図】なし
【特許請求の範囲】
【請求項1】
カルシウムアルミネート粉末と、アルミナ成分が0.05~5質量%であり、シリカ成分が0.05~5質量%である水酸化カルシウム系粉末とを含む地盤改質材。
【請求項2】
前記カルシウムアルミネートのガラス化率が70%以上である請求項1に記載の地盤改質剤。
【請求項3】
前記水酸化カルシウム系粉末の平均粒子径(D50)が5~150μmである請求項1又は2に記載の地盤改質剤。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、地盤改質材に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、軟弱な土壌や浚渫廃土等で構成される地盤上に、道路や建築物を構築する際に、これらの土壌等を地盤改良材で固化して、必要な支持力を確保する地盤改良工法が行われている。このような地盤改良材としては、例えば、カルシウムアルミネートを主成分とする速硬性材料を固化材とした地盤改良材が提案されている(特許文献1,2参照)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特開平6-298553号公報
【特許文献2】特開平7-292356号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
しかしこれらの地盤改良材は、土粒子と反応し、混練後、徐々に流動性が低下し、充分な作業時間が得られないことがあった。そこで、作業時間を長期化するためには、凝結遅延剤等の凝結調整剤の併用が必要となる。しかしながら、凝結調整剤の使用は、早期の強度発現性を損なうことが多かった。すなわち、適度な作業時間を確保することが可能で、かつ、良好な早期強度発現性を発揮できる地盤改良材があれば、効率的な作業性が得られるため、非常に有意である。
【0005】
以上から、本発明は、適度な作業時間を確保することが可能で、かつ、良好な早期強度発現性を発揮できる地盤改質材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明者は鋭意研究を行った結果、カルシウムアルミネート粉末と、特定の成分を含む水酸化カルシウム系粉末との組み合わせにより上記課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。
すなわち、本発明は下記のとおりである。
【0007】
[1] カルシウムアルミネート粉末と、アルミナ成分が0.05~5.0質量%であり、シリカ成分が0.05~5.0質量%である水酸化カルシウム系粉末とを含む地盤改質材。
[2] 前記カルシウムアルミネートのガラス化率が70%以上である[1]に記載の地盤改質剤。
[3] 前記水酸化カルシウム系粉末の平均粒子径(D50)が5~150μmである[1]又は[2]に記載の地盤改質剤。
【発明の効果】
【0008】
本発明によれば、適度な作業時間を確保することが可能で、かつ、良好な早期強度発現性を発揮できる地盤改質材を提供することができる。
【発明を実施するための形態】
【0009】
以下、本発明の一実施形態(本実施形態)について詳細に説明する。本明細書で使用する部や%は特に規定のない限り質量基準である。
【0010】
本実施形態の地盤改良材材料は、カルシウムアルミネート粉末と、アルミナ成分が0.1~3質量%であり、シリカ成が0.1~3質量%である水酸化カルシウム系粉末とを含む。所定割合のアルミナ成分及びシリカ成分のそれぞれが水酸化カルシウムのCaイオンと吸着することで水酸化カルシウム系粉末による瞬結性が抑えられ、適度な作業時間が得られやすくなると推測される。また、カルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末により良好な早期強度発現性を発揮される。すなわち、本実施形態の地盤改良材材料により、二律背反的な関係にある適度な作業時間及び良好な早期強度発現性を両立することができる。
【0011】
(カルシウムアルミネート)
本実施形態に係るカルシウムアルミネートは、水硬性材料の技術分野において、酸化アルミニウム(Al2O3)と酸化カルシウム(CaO)を主成分として含み、水和活性を有する物質を総称するものである。ここで、「主成分」とは、カルシウムアルミネート全体中の酸化アルミニウムと酸化カルシウムの合計含量が、例えば50質量%以上、好ましくは70質量%以上、より好ましくは90質量%以上であることを意味する。
【0012】
カルシウムアルミネートは、典型的には、酸化アルミニウムと酸化カルシウム(場合によってはさらにシリカ(SiO2)等)を混合して混合物とし、その混合物を焼成および/または溶融し、そして冷却することで得ることができる。焼成や溶融には、ロータリーキルンや電気炉等を用いることができる。CaO原料としては、例えば、石灰石や貝殻等の炭酸カルシウム、消石灰等の水酸化カルシウム、および生石灰等の酸化カルシウムを挙げることができる。Al2O3原料としては、例えば、ボーキサイト、アルミ残灰と呼ばれる産業副産物、アルミ粉等を挙げることができる。
【0013】
カルシウムアルミネートとしては、結晶質、非晶質のいずれも使用可能である。地盤への注入後の硬化性をより高める観点からは、非晶質のもの、例えば、焼成や溶融後に急冷して製造した非晶質カルシウムアルミネートが好ましい。
【0014】
カルシウムアルミネート中のCaO/Al2O3モル比は、好ましくは1.0~2.7、より好ましくは1.7~2.5である。このモル比を適切に調整することで、硬化物の初期強度を高める、また、早期に地盤改良効果を得ることができる。
【0015】
カルシウムアルミネート中の不純物(CaOとAl2O3以外の成分)の含有率は、好ましくは15質量%以下、より好ましくは10質量%以下である。不純物が15質量%以下であることで、硬化物の初期強度を高める、また、より早期に地盤改良効果を得やすい。ここで、不純物としては、酸化ケイ素、酸化マグネシウム、酸化硫黄などが代表的に挙げられる。その他、有機物、アルカリ金属酸化物、アルカリ土類金属酸化物、酸化チタン、酸化鉄、アルカリ金属ハロゲン化物、アルカリ土類金属ハロゲン化物、アルカリ金属硫酸塩、これらがCaOやAl2O3の一部に置換又は固溶したものなども不純物として挙げられる。もちろん、不純物はこれらのみに限定されない。
カルシウムアルミネート中の不純物の含有率は、蛍光X線分析により測定して求めることができる。
【0016】
カルシウムアルミネートのガラス化率は、反応活性の面で70%以上が好ましく、90%以上がより好ましい。また、ガラス化率を適切とすることで、より早期に地盤改良効果が得られやすくなる。ガラス化率は、測定サンプルについて、粉末X線回折法により結晶鉱物のメインピーク面積Sを予め測定し、その後1000℃で2時間加熱後、(1~10℃)/分の冷却速度で徐冷し、粉末X線回折法による加熱後の結晶鉱物のメインピーク面積S0を求め、これらのS0およびSの値を用い、次の式を用いてガラス化率χを算出する。
ガラス化率χ(%)=100×(1-S/S0)
【0017】
カルシウムアルミネートの粒度は、初期強度発現性の面で、ブレーン比表面積値(JIS R 5201)で3000cm2/g以上が好ましく、4500cm2/g以上がより好ましい。上限は、例えば9000cm2/g以下である。この値を適度に大きくすることで、硬化物の初期強度を高める、また、より早期に地盤改良効果若しくは防草効果が得られやすくなる。
【0018】
(水酸化カルシウム系粉末)
本実施形態に係る水酸化カルシウム系粉末は、試薬としての水酸化カルシウム粉末よりも純度が低く、不純物が比較的多く存在する水酸化カルシウムを主成分(80~95%)とした粉末である。
当該水酸化カルシウム系粉末はアルミナ成分が0.05~5.0%であり、シリカ成分が0.05~5.0%である。アルミナ成分及びシリカ成分が上記範囲外であると、水酸化カルシウム系粉末の瞬結性抑制効果が得られにくくなったり、硬化に要する時間がかかりすぎたりすることがある。アルミナ成分は0.1~4.0%であることが好ましく、0.5~3%であることがより好ましい。シリカ成分は0.1~4.0%であることが好ましく、0.5~3%であることがより好ましい。
水酸化カルシウム系粉末中のアルミナ成分(Al2O3)及びシリカ成分(SiO2)の含有量は、蛍光X線測定によって測定することができる。
【0019】
上記のような水酸化カルシウム系粉末としては、副生消石灰が挙げられるが、市販の消石灰、シリカ、アルミナを混合し、焼成、粉砕等して使用することができる。
【0020】
副生消石灰としては、カルシウムカーバイド法によるアセチレンガスの製造工程で副生される副生消石灰、カルシウムカーバイド電気炉の湿式集塵工程で捕獲されるダスト中に含まれる副生消石灰といったアセチレン副生消石灰等が挙げられる。
【0021】
レーザ回折/散乱式粒子径分布測定装置(体積基準)で測定する水酸化カルシウム系粉末の平均粒子径(D50)は5~150μmであることが好ましく、10~100μmであることがより好ましい。D50が5~150μmであることで、適切な硬化時間を確保し、土壌舗装効果や防草効果をより高めることができる。
【0022】
地盤改質剤中のカルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末との合計は、これらの相乗効果を良好に発揮させる観点から、骨材及びセメントを含有する場合は、3%以上であることが好ましく、5%以上であることがより好ましい。
骨材及びセメントを含有しない場合は、50%以上であることが好ましく、80%以上であることが好ましく、100%であることがさらに好ましい。上記の場合で地盤改質剤中のカルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末との合計が100%でない場合、本発明の効果を維持できる範囲で、石膏、凝結調整剤等を含有させることができる。
石膏を含有する場合は、カルシウムアルミネート粉末100質量部に対して、50~200質量部が好ましく、70~150質量部がより好ましい。
【0023】
また、地盤改質剤におけるカルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末との質量比(カルシウムアルミネート粉末/水酸化カルシウム系粉末)は、0.1~10であることが好ましく、0.5~2であることがより好ましい。0.1~10であることで、硬化時間と強度のバランスを保つことができる。
【0024】
以上のような本発明の地盤改質剤は、軟弱な土壌や浚渫廃土等で構成される地盤の改良、トンネル掘削時等で構成される軟弱地山の改良、防草材、土壌舗装材といった用途に好適であるが、なかでも、軟弱な土壌の改良や舗装道路の改良や防草を目的とし工事等で使用される土壌舗装材とすることが好ましい。
【0025】
本発明の地盤改質剤が土壌舗装材である場合は、土壌と併用することが好ましい。すなわち、当該土壌舗装材は、カルシウムアルミネート粉末と、アルミナ成分が0.1~3質量%であり、シリカ成が0.1~3質量%である水酸化カルシウム系粉末と、土壌を含む。当該土壌は、砂利、砂、礫、粘土のいずれか1種又は2種以上を含むものでは特に限定されるものではない。山砂、川砂、海砂等のサンド質土壌やシルト質土壌、クレイ質土壌、工事から発生する残土、軽量骨材、再生骨材、スラグ骨材、防草処理を行う箇所の土をそのまま用いるなど、いずれも使用できる。一般には、天然土である真砂土、赤玉土、鹿沼土や乾燥砂は品質が安定しておりより好ましい。
【0026】
地盤改質材中には凝結調整剤を混和することも可能である。凝結調整剤は特に限定されるものではなく、その具体例としては、例えば、クエン酸、酒石酸、リンゴ酸、グルコン酸、及びコハク酸等のオキシカルボン酸又はそれらのナトリウム、カリウム、カルシウム、マグネシウム、アンモニウム、及びアルミニウムなどの塩等の有機酸類、炭酸リチウム、炭酸ナトリウム、炭酸カリウム、炭酸アンモニウム、重炭酸リチウム、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウム、及び重炭酸アンモニウムなどのアルカリ炭酸塩などが挙げられる。これらの凝結調整剤は1種を単独で、又は2種以上を組み合わせて使用することができる。これらの凝結調整剤の中で、充分な作業時間と短時間強度発現性の双方を満足する観点から、有機酸類及びアルカリ炭酸塩が好ましく、クエン酸がより好ましい。
凝結調整剤の使用量は特に限定されるものではないが、カルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末の合計100質量部に対して、0.01~3質量部が好ましく、0.05~2質量部がより好ましい。
【0027】
土壌の使用量は、特に限定されるものではないが、カルシウムアルミネート粉末100質量部に対して、通常、200~7000質量部が好ましく、300~5000質量部がより好ましく、300~1000質量部がさらに好ましい。土壌が200質量部以上であると、高い強度発現性と経済性を両立できる。一方、7000質量部以下であると良好な強度とともに、耐初期凍害性が得られたり、凹み発生を抑制したりすることができる。
【0028】
地盤改質剤と土壌の混合装置としては、既存のいかなる装置も使用可能であり、例えば、傾胴ミキサ、オムニミキサ、ヘンシェルミキサ、V型ミキサ、及びナウタミキサなどの使用が可能である。
【0029】
土壌舗装材の使用方法は特に限定されるものではない。例えば、地面の雑草を草刈し、刈り取った雑草を取り除いた上に土壌舗装材を敷き詰めて散水し被覆する方法、あるいは、練混ぜた土壌舗装材を吹き付けて被覆する方法等が挙げられる。草刈後に除草剤を散布してから、土壌舗装材を被覆することがより好ましい。
【0030】
土壌舗装材を草刈した地面に敷き詰めて、その上に散水して表面を固化させて被覆する場合、地面に防草材を敷き詰めてならし、その上にジョウロ等で散水する方法が好ましい。敷き詰める厚さは特に限定されるものではないが、地面の凸部で1~3cmの厚さが好ましい。
【0031】
本発明の土壌舗装材から土壌を除いたものを、地面に敷設し、地面の土と混合攪拌させて被覆する場合は、バックホウやスタビライザーなどを用いて混合攪拌させることが可能である。さらに転圧をすることで硬い地盤とすることも可能である。
【実施例0032】
本発明の実施態様を、実施例および比較例に基づき詳細に説明する。なお、本発明は実施例に限定されるものではない。
【0033】
「実験例1」
表1の配合量で、カルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末に凝結調整剤をカルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末合計100質量部に対して0.5質量部添加してなる地盤改質材に、さらに土壌を混合して土壌舗装材を調製した。調製した土壌舗装材を用いて、下記のような各種評価を行った。結果を表1に示す。
【0034】
<使用材料>
カルシウムアルミネート粉末:炭酸カルシウムと酸化アルミニウムのCaO/Al2O3モル比を変え、さらにシリカを加えて1650℃で溶融、急冷し、粉砕してブレーン比表面積5000cm2/gとした。なお、急冷の速度によって、カルシウムアルミネート粉末のガラス化率を変化させた。
水酸化カルシウム系粉末:副生消石灰(アルミナ成分及びシリカ成分の含有量、D50は表1参照)
土壌:糸魚川産石灰砂、2.5mm篩下
【0035】
・硬化時間:4×4×16cmの3連型枠の1本分に試料(土壌舗装材)466gを敷き詰め、水70gを散水した。散水後より、JIS A 1147に準拠し、始発時間を測定し、その始発時間を硬化時間とした。
・圧縮強度:4×4×16cmの3連型枠の1本分に試料(土壌舗装材)466gを敷き詰め、水70gを散水した。材齢1日後に脱型し、その圧縮強度を測定した。
・初期凍害抵抗性:20℃、相対湿度60%の環境下で、安定処理混合物の一軸圧縮試験方法(舗装試験法便覧 日本道路協会)に準拠し、土壌舗装材からなる供試体寸法を直径100mm、高さ127mmの円柱状とし、供試体は3層にわけて詰め、各層25回突き棒でつき、作製した。供試体を作製後、直ちに、-10℃の環境下で材齢7日まで養生した。その後、材齢28日まで20℃、相対湿度60%の環境下で気乾養生した後、圧縮強度を測定した。初期凍害抵抗性は、20℃、相対湿度60%の環境下で気乾養生した供試体の28日圧縮強度に対する、強度残存割合とした。
・収縮量:JIS A 6202の膨張コンクリートの拘束膨張及び収縮試験方法に準拠した。温度20℃、相対湿度60%の環境下で4×4×16cmの土壌舗装材からなる供試体を作製し、材齢1日後に脱型、材齢30日後の収縮量を測定した。
・防草試験、ひび割れ試験:30cm×40cmのトレーに田畑の土を15cm敷きならし、芝生の種であるトールフェスク、ケンタッキーブルーグラス、ペレニアルライグラスの混合品を40g/m2撒き、その上に土壌舗装材を基礎面上に均一に厚み3cmに敷設した後、土壌舗装材100質量部に対して水を15質量部散水した。材齢1日後、1日間-10℃の恒温室に入れた後、1日間20℃の恒温室に入れ、これを10サイクル繰り返した後、屋外に置き、100日後のひび割れの本数(ひび割れ試験)、土壌舗装材表面からの生えた芝の本数(防草試験)を測定した。
【0036】
【0037】
「実験例2」
表2の配合量とした以外は、実験例1と同様にして、カルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末からなる地盤改質材、又は、カルシウムアルミネート粉末と水酸化カルシウム系粉末と石膏とからなる地盤改質材、及び土壌を混合して土壌舗装材を調製した。調製した土壌舗装材を用いて、既述の各種評価を行った。結果を表2に示す。
なお、石膏は天然無水石膏(ブレーン比表面積値5000cm2/g)を使用した。
【0038】