JP6331514B2 - 土の弱酸性固化処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、浚渫土や建設汚泥などの軟弱泥土の固化処理による安定化技術に関する。より詳しくは、固化処理土のｐＨを弱酸性に調整して固化処理する、軟弱土の固化処理方法に関する。

土木工事等により発生する建設汚泥や建設発生土ならびに港湾等の浚渫工事で発生する浚渫土砂等はセメント系固化材を用いて固化処理し安定化される例が多い。この場合、固化処理土のｐＨは１１〜１２程度の高いアルカリ性を示し、動／植物への影響が懸念され土としての再利用が制限される場合がある。

例えば、固化処理土への直接の植栽や生活井、農地、湖沼、ため池など近くの施工ではアルカリ対策を求められることがある。この他、固化対象土がアンモニウム塩を含有する場合、アルカリ性になった固化処理土からアンモニアガスが発生する場合がある。また、固化対象土が酸性の強い土ではセメントのアルカリ成分が中和反応で消費され、十分な固化強度が得られない場合もある。

これらの課題を解決するため固化処理土が中性（排水基準：ｐＨ５．８〜８．６）、もしくは中性に近い、所謂、中性固化材が求められている。これまでの中性固化材は半水石膏を主成分とするタイプが主流であり、この系の固化材は固化強度が不十分な場合が多く、また反応性が高すぎて施工中にこわばり等が生じる場合があり、施工に支障をきたすこともあった。これに加えて、最近では六価クロムなどの有害物質が溶出しないことも求められている。
既述の通り、この種の固化材で半水石膏を主成分とする石膏系固化材があり、セメント、石膏双方を成分とし、両系の長所を活かそうとする中性固化材も幾つか提案されている。例えば、特許文献１および特許文献２には、半水石膏、セメントおよび石灰、高炉スラグ等の混合材よりなる固化材が開示され、特許文献３には石膏、ポルトランドセメントおよび硫酸アルミニウムより成る固化材が開示されている。

特許文献４には、無水または半水石膏、セメントおよび硫酸基を有する無機塩よりなる固化材が開示されている。さらに特許文献５および特許文献６には、半水石膏、アルミナセメント、またはアルミナセメントとポルトランドセメントの混合セメントと硫酸アルミニウムまたは硫酸鉄より成る固化材が開示されている。

特開平８−３０２３４６号公報 特開平８−３１１４４６号公報 特開平６−２２０４５１号公報 特開平７−１７９８５４号公報 特開平１０−２７３６６０号公報 特開平１０−２７３６６３号公報

しかしながら、上記のセメントと半水石膏を主材とする固化材による固化処理方法では固化処理土の強度が比較的低く、また、その速硬性ゆえに、土との混合処理中に硬化反応が進行し、施工性が問題となる場合がある。

そこで、本発明は、軟弱土を固化処理する工法において、強度の高い改良土が得られることは勿論のこと、適当な時期に硬化することにより優れた施工性を示し、固化処理土が中性に近く環境負荷の小さい固化処理方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、上記課題に関し鋭意検討した結果、硫酸アルミニウムとアルミナセメントとを、固化処理土のｐＨが弱酸性の条件下で、適切な割合で混合した固化処理方法が、従来の半水石膏系の中性固化材に比較して非常に高い固化強度が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、固化処理対象土の一部を採取した試料土と、アルミナセメント及び硫酸アルミニウムとを含む固化材とを混合し、ｐＨが４．０を超え６．０以下の条件下で所定の強度が得られるように、前記固化処理対象土に対する前記固化材の混合割合を決定する混合割合決定工程と、前記固化処理対象土と前記固化材とを、前記混合割合で混合する固化処理工程と、を含む土の弱酸性固化処理方法に関する。この処理方法によれば、固化処理土のｐＨ値が弱酸性領域であるため環境に優しく、また、利用用途の広い固化処理を行うことが可能となるとともに、ふっ素汚染土の不溶化が可能となる。

本発明は、また、前記ｐＨが、５．０〜６．０である、土の弱酸性固化処理方法に関する。ｐＨをこの範囲とすることで、強度面やふっ素溶出抑制面の両者で十分な効果が得られる。

本発明は、また、前記固化材が、アルミナセメントを３０〜８０質量％及び無水硫酸アルミニウムを２０〜７０質量％含む、土の弱酸性固化処理方法に関する。固化材にこれら材料を使用することで、より一層、環境に優しく、また、利用用途の広い固化処理を行うことが可能となるとともに、ふっ素汚染土の不溶化が可能となる。

本発明は、また、前記アルミナセメントが、アルミナ含有量が５０〜７０質量％である、土の弱酸性固化処理方法に関する。アルミナセメントのアルミナ含有量を上記範囲とすることで、高い固化強度が得られる。

本発明によれば、固化処理土のｐＨ値が弱酸性領域であるため環境に優しく、また、建設発生土利用技術マニュアルに規定されている、コーン指数が２００ｋＮ／ｍ^２以上の第４種改良土、コーン指数が４００ｋＮ／ｍ^２以上の第３種改良土さらにコーン指数８００ｋＮ／ｍ^２以上の第２種改良土に改良可能で、利用用途の広い固化処理を行うことが可能となるとともに、ふっ素汚染土の不溶化が可能となる。

粘土を固化した固化処理土のｐＨとコーン指数の関係を示した図である。 シルトを固化した固化処理土のｐＨとコーン指数の関係を示した図である。 ふっ素模擬汚染土を固化した固化処理土のｐＨとふっ素溶出量の関係を示した図である。

以下、本発明の好適な実施形態を以下に説明する。
本発明の土の弱酸性固化処理方法は、固化処理対象土の一部を採取した試料土と、アルミナセメント及び硫酸アルミニウムとを含む固化材とを混合し、ｐＨが４．０を超え６．０以下の条件下で所定の強度が得られるように、前記固化処理対象土に対する前記固化材の混合割合を決定する混合割合決定工程を有する。

固化処理土のｐＨは、４．０を超え６．０以下が好ましく、より好ましくは、４．５〜６．０、更に好ましくは５．０〜６．０である。これらの範囲であれば、所定の強度を得ることが可能である。固化処理土のｐＨが、５．０〜６．０であれば、固化対象土がふっ素汚染土の場合、その固化処理土からのふっ素溶出量を土壌環境基準以下（０．８ｍｇ／Ｌ以下）とすることも可能である。ｐＨが５．２〜５．８あれば、複数種の処理土に対し強度面で十分な効果が得られ、更に、ふっ素溶出抑制面でも十分な効果が得られる。

固化処理対象土は、細粒土として粘土、シルト、有機質土、火山灰質粘性土等が挙げられ、粗粒土として砂質土等が挙げられる。含水比は、細粒土の場合、２０〜１００％が好ましく、より好ましくは２５〜８０％、更に好ましくは３０〜７０％である。
粗粒土の場合、５〜４０％が好ましく、より好ましくは８〜３０％、更に好ましくは１０〜２５％である。ここで含水比とは、１１０±５℃の炉乾燥によって失われる土中水の質量の、土の炉乾燥質量に対する比を質量百分率で表した値を意味する。これらの範囲であれば、所定の強度を得ることが可能である。

上述した所定の強度は、材齢７日のコーン指数で６００〜４０００ｋＮ／ｍ^２であることが好ましく、より好ましくは６５０〜３０００ｋＮ／ｍ^２、更に好ましくは６８０〜２５００ｋＮ／ｍ^２である。これらの強度であれば、建設発生土利用技術マニュアルに規定され、固化処理土を再利用するための所要強度（材齢７日のコーン指数２００（第４種改良土）ｋＮ／ｍ^２〜８００（第２種改良土）ｋＮ／ｍ^２以上）を満たすことが可能である。

アルミナセメントは、耐火用、建材用など、いくつかの種類があり、いずれも配合調整で使用可能であるが、施工性や固化強度面でアルミナ分５０〜７０質量％含有物を使用するのが好ましく、より好ましくは５１〜６０質量％、更に好ましくは５２〜５５質量％である。

アルミナ分が５０質量％より少ない場合、同一強度を得るための固化材所要量が多くなる。また、アルミナ分が７０質量％より多いと、処理コストが大幅に高くなる可能性がある。アルミナセメントは硫酸アルミニウムの中和剤として作用するだけでなく、硫酸アルミニウムとの反応により各種の水和物を生成し、強固に固化する。

硫酸アルミニウムは、無水品の他にアルミナ分の少ない含水結晶１８水塩の粉末品、アルミナ分８％の水溶液がある。無水品は粉末状で高い強度が得られるため好ましい材料である。その他のグレードも使用出来るが、いずれも、無水塩に比較して同一強度を得るための所要量が多くなる。

固化材は、アルミナセメントを３０〜８０質量％、好ましくは３５〜６０質量％、より好ましくは４０〜５０質量％、及び無水硫酸アルミニウムを２０〜７０質量％、好ましくは４０〜６５質量％、より好ましくは５０〜６０質量％、含む。これらの範囲であれば、上述したように適度な強度を得ることが可能で、また、処理土のｐＨも弱酸性のため環境に優しい。

また、本発明の土の弱酸性固化処理方法は、固化処理対象土と固化材とを、混合割合決定工程で決定した割合で混合する固化処理工程を含む。
この混合割合は、固化処理対象土１ｍ^３に対し固化材が５０〜２００ｋｇ／ｍ^３であることが好ましく、より好ましくは７０〜１５０ｋｇ／ｍ^３、更に好ましくは９０〜１００ｋｇ／ｍ^３である。５０ｋｇ／ｍ^３より少ないと土との混合が均一にできず、２００ｋｇ／ｍ^３より多いと処理コストが大幅に高くなる可能性がある。これらの範囲であれば、上述したように適度な強度を得ることが可能で、また、処理土のｐＨも弱酸性のため環境に優しい。

固化処理対象土と固化材とを混合する場合、一般的な粉体混合装置が問題なく使用できる。すなわち、無水硫酸アルミニウムとアルミナセメント系の弱酸性固化材を調製するには、両材料とも一般的な粉体であることから、特別な機器、手段を必要とせず、高速ミキサー、ロッキングミキサー等、通常の粉体混合用の機器を使った粉体混合方法が適用できる。混合の際は、可能な限り土に余分な水を加えないことが好ましい。このためにも、粉末状態で混合するのが望ましい。軟弱土との混合にはプラント混合法やバックホウやスタビライザー等を用いる通常の方法が適用できる。

以下、実施例により本発明の内容を具体的に説明する。なお、本発明はこれらの例によって限定されるものではない。

（１）固化材の調製
無水硫酸アルミニウム（大明化学（株）製）とアルミナセメント（旭ガラス（株）製１号）を用いた。無水硫酸アルミニウムの化学組成を表１、アルミナセメントの化学組成を表２に示す。無水硫酸アルミニウムのｐＨは、ＪＩＳ Ｚ ８８０２：２０１１「ｐＨ測定方法」、不溶分および鉄は、ＪＩＳ Ｋ １４２３−１９７０「硫酸アルミニウム」に示される方法で測定し、アルミナセメントの化学組成はＪＩＳ Ｒ ５２０２「セメントの化学分析方法」に従って測定した。これらの材料を、所定量計りとり、Ａ４サイズのポリエチレン袋中で約３分間手混合して供試固化材を調製した。固化材の配合比は表４〜６に示す。

（２）試料土の調製
建設現場で採取した粘土（含水比３８．０％、）およびシルト（含水比２４．０％）を、粘土では含水比７０％、シルトでは含水比３０％になるように加水してソイルミキサーで３分間低速で混合して試料土を調製した。試料土の土質性状をＪＩＳ Ａ １２０２：２００９「土粒子の密度試験方法」、ＪＩＳ Ａ １２０４：２００９「土の粒度試験方法」、ＪＩＳ Ａ １２０５：２００９「土の液性限界・塑性限界試験方法」に従って測定した。結果を表３に示す。

（３）模擬汚染土の調製
次に、固化処理土からのふっ素の溶出抑制効果を調べるために、予めふっ素を添加した模擬汚染土を調製した。模擬汚染土には、上記（２）のシルトを用いた。まず、含水比２４．０％のシルトを自然乾燥により含水比１１．２％に調整した。その後、含水比３０％にするための必要な水にふっ化カリウム二水和物（和光純薬工業（株）製、試薬、和光１級）をシルトの乾土分１ｋｇ当たり１．３５ｇとなる量を溶解した。この水溶液をシルトに添加してソイルミキサーで低速２．５分間練り混ぜた後、容器やパドルに付着した土を掻き落とし、さらに低速で２．５分間練り混ぜてふっ素模擬汚染土を調製した。その後、２０℃の恒温室内で密封して７日間養生後、実験に供した。

（４）固化処理
上記（１）で調製した固化材を（２）および（３）で調製した試料土に１００ｋｇ／m^３添加した後、ホバート型ミキサーで３分間混合した。混合後の土を、φ１０×１２．５ｃｍのモールドにタッピング法で充填し、２０℃の恒温槽内で７日間密封養生した。

（５）コーン指数測定
上記（４）で得られた固化処理土の材齢７日のコーン指数をＪＩＳ Ａ １２２８：２００９「締固めた土のコーン指数試験方法」に準拠して測定した。

（６）ｐＨ測定
上記（４）で得られた成形前の固化処理土について、地盤工学会基準ＪＧＳ−０２１１−２００９「土懸濁液のｐＨ試験方法」に則り、ｐＨを測定した。

（７）ふっ素溶出量測定
上記（３）で調製した模擬汚染土および上記（４）で得られた固化処理土を材齢７日で解砕し、バットに広げて風乾（温度２０℃、２４時間）した後、２ｍｍふるいを全通させた。その後、風乾試料を純水に固液比１：１０で投入し、６時間振とうした。振とう後の液を０．４５μｍメンブレンフィルターを用いて減圧濾過し、得られた濾液のふっ素濃度をＪＩＳ Ｋ ０１０２「工業排水試験方法」に準拠して測定した。

（８）粘土の試験結果（実施例２〜４、比較例１〜６）
粘土を固化処理した場合の試験結果を表４に、固化処理土のｐＨとコーン指数の関係を図１に示す（Ｎｏ．１〜９）。なお、比較のために、従来の半水石膏系固化材の場合（Ｎｏ．１０）についても併せて示す。
図１に示すように、ｐＨを４．０を超え６．０以下の弱酸性領域に調整することで、コーン指数が急激に増加し、本発明の範囲にある実施例２〜４（Ｎｏ．３〜５）では、固化処理土はいずれもコーン指数６００ｋＮ／ｍ^２以上の強度が得られている。その中でも、実施例２ではさらにコーン指数１２００ｋＮ／ｍ^２以上の強度が得られることがわかる。
これに対して、Ｎｏ．１、６、７の配合では固化強度が低い（比較例１〜３）。また、Ｎｏ．８、９の配合では、コーン指数６００ｋＮ／ｍ^２以上の強度が得られるが、ｐＨが１１を超過し、強アルカリ性であるため環境への影響上好ましくないことがわかる（比較例４、５）。

また、従来の半水石膏系の中性固化材（比較例６、Ｎｏ．１０）と比較すると、本発明の処理方法に関わる固化材は、弱酸性とすることで高い固化強度が得られることがわかる。

（９）シルトの試験結果（実施例７〜１０、比較例７〜８）
シルトを固化処理した場合の試験結果を表５に、固化処理土のｐＨとコーン指数の関係を図２に示す（Ｎｏ．１１〜１８）。
図２に示すように、ｐＨを４．０を超え６．０以下の弱酸性領域に調整することで、コーン指数が急激に増加し、本発明の範囲にある実施例７〜１０（Ｎｏ．１３〜１６）では、固化処理土はいずれもコーン指数１２００ｋＮ／ｍ^２以上の強度が得られている。その中でも、実施例７、８ではさらにコーン指数２５００ｋＮ／ｍ^２以上の強度が得られることがわかる。
これに対して、Ｎｏ．１７の配合では固化強度が低い（比較例７）。また、Ｎｏ．１８の配合では、ｐＨが１１を超過し、強アルカリ性であるため環境への影響上好ましくないことがわかる（比較例８）。

以上のように試料土の種別が変わっても、固化処理土のｐＨが４．０を超え６．０以下の弱酸性領域に調整することで、コーン指数が急激に増加することがわかる。

（１０）模擬汚染土の試験結果（実施例１１、比較例９〜１０、参考例１）
ふっ素模擬汚染土を固化処理した場合の試験結果を表６に、固化処理土のｐＨとふっ素溶出量の関係を図３に示す（Ｎｏ．１９〜２１）。なお、参考までに、未処理土のｐＨとふっ素溶出量を併記した。
図３に示すように、ｐＨを５．０〜６．０の弱酸性領域に調整することで、固化処理土からのふっ素溶出量が未処理土に比べて急激に低下し、本発明の範囲にある実施例１１（Ｎｏ．２０）では、固化処理土からのふっ素溶出量は、土壌環境基準の０．８ｍｇ／Ｌ以下に不溶化されていることがわかる。
これに対して、Ｎｏ．１９の配合では固化処理土からのふっ素溶出量が、未処理土に比べて低くなるものの、土壌環境基準（０．８ｍｇ／Ｌ以下）を超過している。（比較例９）。また、Ｎｏ．２１の配合では、固化処理土からのふっ素溶出量が未処理土に比べて低くなるものの、土壌環境基準（０．８ｍｇ／Ｌ以下）を超過し、さらに、ｐＨが１１近くに達して強アルカリ性であるため、環境への影響上好ましくないことがわかる（比較例１０）。

以上、（８）〜（１０）の結果を総合的に判断すると、ｐＨが５．２〜５．８あれば、粘土やシルトといった複数種の処理土に対し強度面で十分な効果が得られ、更に、ふっ素溶出抑制面でも十分な効果が得られる。

Claims (6)

1. 固化処理対象土の一部を採取した試料土と、アルミナセメント及び硫酸アルミニウムとを含む固化材とを混合し、ｐＨが５．０〜６．０で所定の強度が得られるように、前記固化処理対象土に対する前記固化材の混合割合を決定する混合割合決定工程と、
   前記固化処理対象土と前記固化材とを、前記混合割合で混合する固化処理工程と、を含 み、
   前記固化材は、アルミナセメントを３０〜８０質量％及び無水硫酸アルミニウムを２０ 〜７０質量％含み、
   前記固化処理対象土からのふっ素溶出量を０．８ｍｇ／Ｌ以下に不溶化することを特徴とする土の弱酸性固化処理方法。
2. 前記アルミナセメントは、アルミナ含有量が５０〜７０質量％である、請求項１記載の土の弱酸性固化処理方法。
3. 前記混合割合は、前記固化処理対象土１ｍ^３に対し前記固化材が５０〜２００ｋｇ／ｍ^３である、請求項１叉は２記載の土の弱酸性固化処理方法。
4. 前記固化処理対象土が細粒土であり、含水比が２０〜１００％である、請求項１〜３の何れか１項記載の土の弱酸性固化処理方法。
5. 前記細粒土は、粘土、シルト、有機質土及び火山灰質粘性土からなる群より選ばれる１種以上である、請求項４記載の土の弱酸性固化処理方法。
   
6. 前記所定の強度が、材齢７日のコーン指数で６００〜４０００ｋＮ／ｍ^２である、請求項１〜５の何れか１項記載の土の弱酸性固化処理方法。

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