セメント組成物及び土壌改良方法
【課題】高炉スラグの有効利用を図りつつ、土壌からの重金属の溶出抑制に有効で、軟弱地盤に対しても強度発現性の良い低セメントの環境負荷低減型セメント組成物及び該セメント組成物を対象土に混和することによる土壌改良方法を提供する。
【解決手段】改良土用のセメント組成物について、ポルトランドセメント２０〜４０質量％と、高炉スラグ５０〜８０質量％と、必要に応じ無水石膏を１５質量％以下含み、セメント組成物中のマグネシウム分がＭｇＯ換算で３〜１５質量％となるようにする。
【解決手段】改良土用のセメント組成物について、ポルトランドセメント２０〜４０質量％と、高炉スラグ５０〜８０質量％と、必要に応じ無水石膏を１５質量％以下含み、セメント組成物中のマグネシウム分がＭｇＯ換算で３〜１５質量％となるようにする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染土壌や軟弱地盤の改良に好適に用いることができる環境負荷低減型のセメント組成物、及び該セメント組成物を前記土壌や地盤に混和して重金属の溶出を抑制したり強度を改善したりする土壌改良方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高炉を用いて鉄鉱石から金属鉄を製造する際に副産物として得られる高炉スラグは、潜在水硬性を有するなどセメントに類似した性能を有するとともに大量に生成するため、高炉セメントの原材料、セメント混和材などとして広く土木・建築分野での利用が図られてきているが、地盤改良材や土壌改良材の構成材料としても種々利用されている。
【０００３】
軟弱地盤の強度改良材としては、例えば、特許文献１には「セメント系固化材、無水石膏、高炉水砕スラグ及びアルミナスラッジからなる固化材」が、特許文献２には「Ｃ3Ｓ含有量が３５〜６５重量％、Ｃ3Ａ含有量が１０〜２０重量％の鉱物組成を有し、かつ、Ｆｅ2Ｏ3の含有量が２重量％以下で、Ａｌ2Ｏ3／Ｆｅ2Ｏ3の重量比が３以上であるセメント組成物１００重量部、石膏１０〜３００重量部、高炉スラグ１０〜３００重量部からなる地盤改良材」が記載されている。
【０００４】
また、汚染土壌からの６価クロム等の重金属の溶出を抑制する改良材（不溶化剤）としては、特許文献３に「スラグ含有量３１〜７０％の高炉セメントからなる不溶化剤」が記載されている。更に、前記重金属の溶出抑制と強度発現性の両方に配慮したものとして、特許文献４には「水硬性材料、高炉スラグ及び石膏を含んでなる地盤改良材」が記載されている。
【０００５】
一方、２００５年２月に発行された京都議定書、２００９年７月のＧ８サミットの決議に基づく温室効果ガス排出量の削減を受け、セメント業界や建設業界も温室効果ガスの一つである二酸化炭素の排出抑制に取組む必要が生じてきている。
【０００６】
そのような中で、セメント製造時の二酸化炭素の原単位は７８８ｋｇ／ｔであり、高炉スラグ生成時に発生する同原単位２４．１ｋｇ／ｔと比べ極めて大きい。したがって、最近では、上記のような環境問題を考慮して、地盤改良や土壌改良に用いられるセメント系固化材においても脱セメント化、低セメント化、高炉スラグの増量化等が更に図られつつある。
【０００７】
そのような中で、特許文献５に示されるような「高炉スラグ１００重量部に対し、ポルトランドセメント又は石灰を１〜４２重量部含有する重金属溶出抑制剤」といった高炉スラグを主体としたセメント系固化材も開発されてきている。
【０００８】
また、一方、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９などに示されるように、従来から、軽焼マグネシア、酸化マグネシウム、焼成ドロマイト等のマグネシウム含有物を含む種々の土壌改良材（重金属の溶出抑制剤）も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０５−３１１１７０号公報
【特許文献２】特開２００５−１０５２３４号公報
【特許文献３】特開２００１−３２１７５６号公報
【特許文献４】特開２００１−３４８５７１号公報
【特許文献５】特開２００５−１６２８６２号公報
【特許文献６】特開２００３−０１３０６３号公報
【特許文献７】特開２００４−２９２５６８号公報
【特許文献８】特開平０９−２７９１４２号公報
【特許文献９】特開２００９−１５５４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１〜特許文献３に示されるように、従来から、高炉スラグを含むセメント系の「軟弱地盤の強度改良材」や「汚染土壌からの６価クロム等の重金属の溶出を抑制する改良材（不溶化剤）」が種々開発されてきているが、いずれも、強度と重金属の溶出抑制の両方を考慮したものではなく、また、上記環境問題を考慮したものでもない。
【００１１】
特許文献４に示されるものは、強度と重金属の溶出抑制の両方を考慮したものではあるものの、上記環境問題については何ら考慮されていない。
【００１２】
特許文献５に示されるものは、強度と重金属の溶出抑制の両方を考慮しており、また、高炉スラグを主体としたものであるため、一応、上記環境問題にも対応するものと見れるが、重金属溶出抑制剤中の含有セメント量が少なかったり土壌へのこの重金属溶出抑制剤の添加量が少なかったりすると、重金属の溶出抑制効果が十分に発揮されなかったり十分な強度が得られなかったりする。
【００１３】
特許文献６〜９に示されるものは、上記環境問題については何ら考慮されていない。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高炉スラグの有効利用を図りつつ、土壌や地盤への混和量が少なくても汚染土壌からの重金属の溶出抑制に有効で軟弱地盤に対して強度改善が図れる低セメントの環境負荷低減型セメント組成物及び該セメント組成物を対象土に混和することによる土壌改良方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、セメントの使用量を減らし高炉スラグの使用量を増やすことにより低セメント化し高炉スラグを主体とした系でも、マグネシウム分の含有量を制御しつつ、必要に応じて、適量の無水石膏と適量のマグネシウム含有物を併用すれば、混和量が少なくても汚染土壌からの重金属（特に６価クロム）の溶出抑制が可能で、かつ、強度発現性の良い改良土が得られる環境負荷低減型のセメント組成物を見出し、本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、本発明の一つは、特定量のセメントと特定量の高炉スラグからなり特定量のマグネシウム分を含むセメント組成物であって、必要に応じて、特定量の無水石膏と特定量のマグネシウム含有物を含む環境負荷低減型のセメント組成物であり、他の一つは該セメント組成物を対象土に特定量混和する土壌改良方法である。より詳細には、請求項１〜６に示される発明である。
【００１７】
請求項１に係る発明は、「改良土用のセメント組成物であって、ポルトランドセメント２０〜４０質量％と、高炉スラグ５０〜８０質量％を含み、前記セメント組成物中のマグネシウム分がＭｇＯ換算で３〜１５質量％であることを特徴とするセメント組成物」である。
【００１８】
このように、重金属の溶出抑制に有効なマグネシウム分の含有量を制御しつつ、セメントと高炉スラグとマグネシウム含有物とを特定の配合で組み合わせることにより、混和量が少なくても汚染土壌からの重金属の溶出抑制が可能で強度発現性の良い改良土が得られる、低セメントの環境負荷低減型セメント組成物となる。
【００１９】
また、大量に高炉スラグを使用するので、高炉スラグの有効利用が拡大できる。なお、本発明でいう「環境負荷低減型」とは、二酸化炭素の排出抑制や産業廃棄物の廃棄処分低減といった環境問題に貢献するタイプのものである。
【００２０】
請求項２に係る発明は、さらに、「無水石膏を１５質量％以下含むことを特徴とする請求項１記載のセメント組成物」である。
セメントと高炉スラグに、さらに必要に応じて添加される無水石膏を特定の配合で組み合わせることにより、汚染土壌からの重金属の溶出抑制の効果、強度発現性を高めることができる
【００２１】
請求項３に係る発明は、上記セメント組成物であって、「前記ポルトランドセメントと高炉スラグと無水石膏の合量１００質量部に対し、マグネシア含有物を１〜５０質量部混和してなることを特徴とする請求項１または２に記載のセメント組成物」である。
【００２２】
マグネシア含有物は重金属の溶出抑制効果の向上を目的として、セメント組成物中のマグネシウム分が不足する場合に、必要に応じて添加されるものであるが、概して、上記配合設計をすることにより本発明の目的が達成し易い。
【００２３】
請求項４に係る発明は、「前記マグネシア含有物がドロマイト焼成物であることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物」である。
【００２４】
高炉スラグのアルカリ刺激剤となるＣａＯやＭｇＯを含むドロマイト焼成物はマグネシウム含有物の中でも好ましいものの一つであり、これを用いることによって、上記配合設計で本発明の目的が容易に達せられる。なお、本発明で言うドロマイト焼成物とは、一般的に、仮焼ドロマイト、軟焼ドロマイト、軽焼ドロマイト、焼成ドロマイトなどと言われるものである。
【００２５】
請求項５に係る発明は、「前記マグネシア含有物が軽焼マグネシアであることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物」である。
【００２６】
上記ドロマイト焼成物と同様に高炉スラグのアルカリ刺激剤となり重金属の溶出抑制効果も高い軽焼マグネシアもマグネシウム含有物の中でも好ましいものの一つであり、これを用いることによって、上記配合設計で本発明の目的が容易に達せられる。
【００２７】
請求項６に係る発明は、「改良の対象とする土（対象土）１ｍ3に対し、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセメント組成物を５０〜４５０ｋｇ混和してなる土壌改良方法」である。
【００２８】
このように、本発明の土壌改良方法は、上記本発明のセメント組成物を汚染土や軟弱土等の対象土に所定量混和して、重金属の溶出を抑制したり強度面での補強をしたりする方法であり、特に対象土１ｍ3に対し１００ｋｇ以下の比較的少量混和した場合でも、ある程度の強度を確保しつつ重金属の溶出抑制を図ることができる。
【００２９】
なお、本発明で言う上記対象土とは、重金属（特に６価クロム）による汚染土、火山灰質粘性土、砂質土、腐植土、高含水土、その他の軟弱土、有機質土、高有機質土、黒ぼく、シルト、粘性土等などである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のセメント組成物によれば、土壌や地盤への混和量が比較的少なくても汚染土壌からの重金属（特に６価クロム）の溶出抑制に有効で、軟弱地盤に対して強度改善が図れる土壌改良や地盤改良用のセメント組成物が容易に得られる。
【００３１】
また、本発明のセメント組成物は、高炉スラグの有効利用を図るべく高炉スラグ主体で低セメントの環境負荷低減型のものであり、二酸化炭素の排出抑制や産業廃棄物の有効利用といった昨今の環境問題の解決にも寄与するものである。
【００３２】
また、本発明の土壌改良方法によれば、対象土に本発明のセメント組成物を混和するだけで強度と重金属（特に６価クロム）溶出抑制の両面の改善が図れる。そして、本発明のセメント組成物を対象土１ｍ3に対し１００ｋｇ以下の比較的少量混和した場合でも、ある程度の強度を確保しつつ重金属の溶出抑制ができ、環境に優しい。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明のセメント組成物と土壌改良方法について、より具体的に説明する。
【００３４】
本発明のセメント組成物は、少量のセメントと多量の高炉スラグとを含み、必要に応じて適量の無水石膏と適量のマグネシア含有物を含むものである。
【００３５】
セメントは、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメントなどの市販のポルトランドセメントである。価格や供給面から、普通ポルトランドセメントが好ましい。
【００３６】
これらポルトランドセメント中には、通常、ＭｇＯ換算で１〜２．５％のマグネシウム分が含まれる。このマグネシウム分も僅かではあるが重金属の溶出抑制効果に影響すると見られる。
【００３７】
高炉スラグは、従来から高炉セメントやセメント混和材の一材料として使用されている市販の高炉水砕スラグ粉末である。粉末度は特に限定されないが、ブレーン値が３０００〜８０００ｃｍ2／ｇのものが好ましい。この範囲のものであれば手頃な価格で入手し易く、本発明の目的が十分達成できる。
【００３８】
高炉スラグはアルカリ刺激剤により水硬する潜在水硬性を有する製鉄の際の産業廃棄物であり、強度発現と重金属の溶出抑制の両方に寄与する。特に、重金属の溶出抑制の観点から、マグネシウム分の多い高炉スラグ（高炉スラグ中にＭｇＯ換算で５〜８％）を用いることは好ましい。
【００３９】
無水石膏（ＣａＳＯ4）は、従来からセメント混和材の一材料として種々使用されており、これらのものが使用できる。無水石膏を９０重量％以上含むものであれば、他の石膏類が少し含まれていても良い。廃石膏ボードあるいはこれの焼成物といった廃材を使用することは、環境面から好ましい。無水石膏の粉末度は粉であれば特に限定されない。
【００４０】
無水石膏はエトリンガイト形成による初期強度発現に寄与し、上記セメントと上記高炉スラグだけでは、必要強度が確保できない場合に添加される。
【００４１】
マグネシア含有物はＭｇＯを１０〜１００％含むものであり、セメント組成物中のマグネシア分がセメントと高炉スラグだけでは不足する場合に添加される。マグネシア含有物としては、ドロマイト焼成物、軽焼マグネシア、マグネシアセメント、マグネシアクリンカー、などが挙げられるが、中でもドロマイト焼成物と軽焼マグネシアが好ましい。
【００４２】
マグネシア含有物の粉末度は特に限定されないが、重金属の溶出抑制、高炉スラグに対するアルカリ刺激剤の両方の役割を効率よく果たすためには少なくとも粒径５ｍｍ以下の粉粒が好ましい。
【００４３】
ドロマイト焼成物は、ドロマイト（ＣａＭｇ(ＣＯ3)2）を７５０〜１０００℃で焼成してドロマイトを脱炭酸させたものである。１０００℃を超えて焼成したいわゆる堅焼のドロマイト焼成物は重金属を固定できない場合がある。ドロマイト焼成物は、ＣａＣＯ3とＭｇＣＯ3を脱炭酸させた焼成ドロマイトとＭｇＣＯ3のみを脱炭酸させた半焼成ドロマイトがある。焼成ドロマイトの他、仮焼ドロマイト、軟焼ドロマイト、軽焼ドロマイトといったものも含まれる。成分は、例えば、ＣａＯ：６５．６％、ＭｇＯ：３２．１％であり、若干のシリカ分や炭酸カルシウム等の不純物が含まれる。
【００４４】
ＣａＯとＭｇＯとの合量が９５％以上であれば、市販のものを使用しても良い。ドロマイト焼成物は、重金属の溶出抑制、高炉スラグに対するアルカリ刺激剤の両方の役割を効果的に果たすことができ、比較的低価格で安定供給できるので好ましい。
【００４５】
軽焼マグネシアは、水酸化マグネシウム等の原材料を３００〜４００℃で焼成して得られるＭｇＯからなるものである。上記ドロマイト焼成物と同様、重金属の溶出抑制、高炉スラグに対するアルカリ刺激剤の両方の役割を効果的に果たすことができるが、特に重金属の溶出抑制効果を高めたい場合に用いることが好ましい。
【００４６】
本発明では、セメント組成物の主構成となる上記ポルトランドセメントと高炉スラグのセメント組成物中における割合は高炉スラグの方が多くなるようにして限定する必要がある。高炉スラグがポルトランドセメントより多いとＭｇＯによる強度増進も期待できる。
【００４７】
ポルトランドセメントは、セメント組成物中２０〜４０質量％である。２０質量％未満では、セメントが少なすぎて強度発現性が悪くなる。４０質量％を超えると高炉スラグの含有量が減るので重金属の溶出抑制効果が悪くなるとともに、環境負荷低減型のセメント組成物にはなり難くなる。
【００４８】
高炉スラグは、セメント組成物中５０〜８０質量％である。５０質量％未満では、重金属の溶出抑制効果が悪くなるとともに、セメント量を増やすことになるので環境負荷低減型のセメント組成物にはなり難くなる。また、８０質量％を超えるとセメント量が減りすぎて強度発現性が悪くなる。
【００４９】
無水石膏は、セメント組成物中０〜１５質量％であり、セメント組成物中に必ずしも含まれる必要はない。ポルトランドセメントと高炉スラグと必要に応じて添加されるマグネシア含有物とだけでは強度発現が不十分となる場合に添加される。
【００５０】
添加量の上限は１５質量％とする必要がある。１５質量％を超えると、重金属の溶出抑制効果が悪くなったり長期強度の発現性が悪くなったり異常膨張を起こしたりして、安定した性能のセメント組成物が得られ難くなる。
【００５１】
本発明のセメント組成物は、上記の配合割合において、セメント組成物中のマグネシウム分の含有量をＭｇＯ換算で３〜１５質量％とする必要がある。３質量％未満では、重金属の溶出抑制効果が悪くなる場合がある。１５質量％を超えると対象土によっては十分な強度を確保し難くなる。上記範囲にすることにより、重金属の溶出抑制効果と良好な強度発現性の両方が安定して得られ易くなる。ポルトランドセメントと高炉スラグだけでは上記範囲のＭｇＯが得られない場合は、マグネシア含有物を添加する。
【００５２】
マグネシア含有物は重金属の溶出抑制効果を高めたい場合に混和されるが、その混和量はポルトランドセメントと高炉スラグと必要に応じて添加される無水石膏（混合物をＥＣＭセメントと称す）の合量１００質量部に対し１〜５０質量部とするのが好ましい。
【００５３】
１質量部未満では混和効果が得られ難くなる。５０質量部を超えると混和量を増やしても効果の増大は見られず、逆に、強度発現性が悪くなる場合がある。例えば、ドロマイト焼成物や軽焼マグネシアを上記のようにして混和すれば、マグネシウム分の含有量がＭｇＯ換算で３〜１５質量％のセメント組成物が簡単に得られる。
【００５４】
本発明のセメント組成物は、上記ポルトランドセメントと高炉スラグを主成分とし、必要に応じて添加される無水石膏とマグネシア含有物とからなるものであり、これらをプレミックスしたプレミックス品として使用しても良いが、ポルトランドセメントと高炉スラグ、あるいは、ポルトランドセメントと高炉スラグと無水石膏とをプレミックスしておき（ベースとなる数種類のＥＣＭセメントを作製しておき）、マグネシア含有物は施工時にこれらに混和して使用しても良い。
【００５５】
このようにすることで、対象土や使用目的に応じて、マグネシア含有物の種類や混和量を調整できるので、本発明のセメント組成物の使用範囲が広げられ、使用し易くなる。
【００５６】
本発明のセメント組成物の製造方法は特に限定されない。従来の方法で上記材料を適宜プレミックスしておくか、施工時に混合して使用すればよい。配合割合は、対象土の種類やセメント組成物の使用目的に応じて決められる。例えば、重金属の溶出抑制を主たる目的とする場合は、無水石膏の添加量やマグネシウム分の含有量が多くなる配合に、軟弱地盤の強度改善やソイルセメントの製造を目的とする場合は、ポルトランドセメントや無水石膏の含有量が多くなる配合にしておく。
【００５７】
いずれにしろ、少なくとも上記各材料中のアルミニウム分、硫酸分、マグネシウム分は事前に分析して把握しておくとともに、サンプリングした対象土と本発明のセメント組成物による配合決定のための予備試験を従来の方法で行っておくことは好ましい。
【００５８】
本発明の土壌改良方法は、上記本発明のセメント組成物を改良の対象とする土（対象土）１ｍ3に対し、対象土の種類により適切な添加量が異なるが、５０〜４５０ｋｇ混和してなるものである。
【００５９】
対象土としては、前述の通り、重金属（特に６価クロム）による汚染土、火山灰質粘性土、砂質土、腐植土、高含水土、その他の軟弱土、有機質土、高有機質土、黒ぼく、シルト、粘性土等が挙げられる。
【００６０】
これら対象土に本発明のセメント組成物を混和する。対象土の種類により適切な添加量が異なるが、対象土１ｍ3に対し５０〜４５０ｋｇを混和する。たとえば、砂質土、シルトでは、５０〜２００ｋｇ、粘性土では、１００〜３００ｋｇ、火山灰質粘性土、腐植土、黒ぼく、高有機質土では、２５０〜４５０ｋｇの添加が好ましい。
【００６１】
強度改善を目的とする場合は、(a)セメント含有量の多いセメント組成物を用いる、(b)セメント組成物中に無水石膏を含ませる、(c)対象土に対してセメント組成物の混和量を増やすなどの策をとればよい。
【００６２】
重金属の溶出抑制を目的とする場合は、(a)高炉スラグ含有量の多いセメント組成物を用いる、(b)セメントの混和量を増加させ、セメント水和物量を増加することにより重金属の固定量を増加させる、(c)セメント組成物中にマグネシア含有物を含ませセメント組成物中のマグネシウム分の含有量を多くするなどの策をとればよい。
【００６３】
強度改善と重金属の溶出抑制の両方を目的とする場合は、上記策の中間の配合とする。上記両方を目的とする土壌改良における改良土の好ましい配合例は、対象土１ｍ3に対し、ポルトランドセメント２０〜３０質量％、高炉スラグ７０〜６０質量％、無水石膏１０質量％からなるこれらの混合物（ＥＣＭセメント）を２００〜３００ｋｇ混和するとともに、焼成ドロマイトを２０〜５０ｋｇ混和してなるものである。
【００６４】
なお、対象土に混和するセメント組成物量が少ないところでは重金属溶出抑制効果のある高炉スラグの対象土への混和量が少なくなるので、マグネシア含有物を併用して補った方がよい。
【００６５】
地盤改良の方法は、地面からの深さにより浅層改良、深層改良があり、添加方法として粉体による添加、スラリーによる添加方法がある。地盤改良の方法は、土壌に混和する従来のセメント系固化材の場合と同じであり、特に限定されない。
【００６６】
例えば、所定配合のポルトランドセメントと高炉スラグと無水石膏からなるプレミックス材（Ｐ）と水（Ｗ）とでＷ／Ｐ＝１（重量比）のセメントミルクを作製し、これに攪拌しながら所定量の焼成ドロマイト粉を添加して本発明のセメント組成物からなるセメントミルクを作製する。
【００６７】
このセメントミルクの所定量を所定量の対象土と機械撹拌方式、噴射撹拌方式により混和して、土壌を改良する。本発明の土壌改良方法による対象土は建設発生土等の建設廃棄物にも拡大でき、得られる改良土は、ソイルセメント柱、土嚢、耐震補強、地盤沈下防止等の様々な分野で補強材や充填材として利用できる。
【００６８】
次に、本発明のセメント組成物を用いた試製改良土の性能を、試験例Ａ〜Ｄで示す。
【００６９】
〔試験例Ａ〕
(1) 使用材料
セメント：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
高炉スラグ：セラメント（デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ品）
無水石膏：デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ
焼成ドロマイト：吉澤石灰社製（ＭｇＯ：３２．１％）
対象土：シルト（含水比率：４１．１％、湿潤密度は１７１６ｋｇ／ｍ3）
【００７０】
(2) 試製改良土の製造
セメントと高炉スラグ、セメントと高炉スラグと無水石膏とをそれぞれ混合して表１に示す所定配合の混合物（ＥＣＭセメント）を得た。これに水を、水／ＥＣＭセメント＝１（質量比）の割合で添加してホバートミキサーにより攪拌混合してセメントスラリーを得た。
【００７１】
表１に示す配合割合になるように調整して、上記セメントスラリーと必要に応じて混和される焼成ドロマイトを対象土に混和してソイルミキサーで混練し、得られた混練物を５φ×１０ｃｍに成形して一軸圧縮強度試験用の供試体を得た。
【００７２】
なお、表１に示す焼成ドロマイトとＥＣＭセメントの混和量（単位量：ｋｇ／ｍ3）は、対象土１ｍ3当たりのｋｇ量である。
また、表１中におけるセメント組成物中のマグネシウム分含有量はＪＩＳ Ｒ ５２０２により求めた。
【００７３】
【表１】
【００７４】
(3) 性能試験
(i) 一軸圧縮強度試験
ＪＩＳ Ａ １２１６の規定に準じて、材令７日と２８日で一軸圧縮強度試験を行った。
(ii)６価クロムの溶出試験
上記一軸圧縮強度試験後の破砕片を用い、環境庁告示第４６号法の規定に準じて、６価クロムの溶出試験を行った。
【００７５】
(4) 試験結果
試験結果を表１に示す。試験Ｎｏ．１〜６と試験Ｎｏ．１３〜１８あるいは試験Ｎｏ．７〜１２と試験Ｎｏ．１３〜１８を比較してわかるとおり、本発明のセメント組成物を用いれば、低セメントでも従来の高炉セメント並の強度が得られる。また、シルトへのセメント組成物の混和量が比較的少なくても（セメント混和量が比較的少なくても）強度改善が図れる。
【００７６】
更に、従来の高炉セメントでは重金属の溶出抑制に有効なマグネシウム含有量が増える（焼成ドロマイトを混和する）と強度は低下するが、本発明のセメント組成物では逆に向上するので、本発明のセメント組成物を用いることにより重金属の溶出抑制が効果的にできるとともに強度改善も図れる。
【００７７】
〔試験例Ｂ〕
(1) 使用材料
対象土以外は試験例Ａと同じである。対象土は、関東ローム（含水比率：１３４．３％、湿潤密度は１３５０ｋｇ／ｍ3）を用いた。
【００７８】
(2) 試製改良土の製造
表２に示す配合割合になるように調整して、試験例Ａと同様にして製造した。
【００７９】
【表２】
【００８０】
(3) 性能試験
試験例Ａと同じである。
【００８１】
(4) 試験結果
試験結果を表２に示す。本発明の範囲をはずれるものは、試験Ｎｏ．２２に示すようにマグネシウム分含有量が少ないところでは強度は確保できても６価クロムの溶出抑制が不十分となる場合がある。
【００８２】
また、試験Ｎｏ．２３、２４に示すように、マグネシウム分含有量の多いところでは、６価クロムの溶出抑制はできたとしても本発明のもの（試験Ｎｏ．２０、２１）に比べて強度は低い。
【００８３】
本発明のセメント組成物を用いれば、マグネシウム分含有量の多少（バラツキ）によらず、安定して強度確保と重金属の溶出抑制ができる。
【００８４】
〔試験例Ｃ〕
(1) 使用材料
対象土以外は試験例Ａと同じである。対象土は、砂質土（含水比率：３４．０％、湿潤密度は１８４４ｋｇ／ｍ3）を用いた。
【００８５】
(2) 試製改良土の製造
セメントと高炉スラグと無水石膏とをそれぞれ混合して表３に示す所定配合の混合物（ＥＣＭセメント）を得た。この混合物の粉と必要に応じて混和される焼成ドロマイトの粉を対象土に混和してソイルミキサーで混練し、得られた混練物を５φ×１０ｃｍに成形して一軸圧縮強度試験用の供試体を得た。その他は試験例Ａと同様である。
【００８６】
【表３】
【００８７】
(3) 性能試験
試験例Ａと同じである。
【００８８】
(4) 試験結果
試験結果を表３に示す。本発明のセメント組成物を用いれば、試験Ｎｏ．２７、２９、３０に示すように、対象土への混和量が１００ｋｇ／ｍ3程度と比較的少ないところでも、強度確保が図れる。
【００８９】
〔試験例Ｄ〕
(1) 使用材料
セメント：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
高炉スラグ：セラメント（デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ品）
無水石膏：デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ
焼成ドロマイト：吉澤石灰社製（ＭｇＯ：３２．１％）
軽焼マグネシア：武井工業所社製（ＭｇＯ：４９．０％）
対象土：粘土（含水比率：５４．５％）と６号ケイ砂（含水比率：０．０５％）とを質量比１：１で混合した試製対象土（含水比率：２７．３％、湿潤密度：２００２ｋｇ／ｍ3）
【００９０】
なお、この試製対象土は、１級試薬ＣａＣｒＯ4・２Ｈ2Ｏにより６価クロムをセメント中に３００ｍｇ／ｋｇとなるように含ませ、６価クロムによる汚染土とした。
【００９１】
(2) 試製改良土の製造
セメントと高炉スラグ、セメントと高炉スラグと無水石膏とをそれぞれ混合して表４、表５に示す所定配合の混合物（ＥＣＭセメント）を得た。これに水を、水／ＥＣＭセメント＝１（質量比）の割合で添加してホバートミキサーにより攪拌混合してセメントスラリーを得た。
【００９２】
表４、表５に示す配合割合になるように調整して、上記セメントスラリーと必要に応じ
て混和される焼成ドロマイトもしくは軽焼マグネシアを試製対象土に混和してソイルミキ
サーで混練し、得られた混練物を５φ×１０ｃｍに成形して一軸圧縮強度試験用の供試体
を得た。
【００９３】
【表４】
【００９４】
【表５】
【００９５】
(3) 性能試験
試験例Ａと同じである。
【００９６】
(4) 試験結果
焼成ドロマイトを用いた試験結果を表４に、軽焼マグネシアを用いた試験結果を表５に示す。表４の試験Ｎｏ．３１〜３８と試験Ｎｏ．４７〜５４、もしくは試験Ｎｏ．３９〜４６と試験Ｎｏ．４７〜５４を比較してわかるように、本発明のセメント組成物を用いたものは、低セメントであるにもかかわらず、高炉セメント配合のもの以上の強度発現をし、６価クロムの溶出も抑制される。６価クロムによる汚染土に対しても有効であることがわかる。
【００９７】
また、試験Ｎｏ．４７〜５４に示すようにセメント量が本発明の範囲をはずれ高いところでは、マグネシウム分の含有量が増えると強度発現は悪くなるが、本発明のセメント組成物では、試験Ｎｏ．３１〜４６に示すように、高炉セメント配合のものほど低下はしない。
【００９８】
また、表５の試験Ｎｏ．５５〜６２からわかるように、本発明のセメント組成物において、マグネシア含有物を上記焼成ドロマイトに変えて軽焼マグネシアにした場合も、良好な強度発現、６価クロムの溶出抑制は達成される。そして、焼成ドロマイトを用いた場合と同様に、マグネシウム分の含有量が増えても強度発現は悪くならなず、若干良くなる。
【００９９】
上記の通り、本発明のセメント組成物は、環境負荷低減型の低セメント含有量のものであるにもかかわらず、従来の高炉セメント以上の強度発現効果を有するとともに、重金属（６価クロム）の溶出抑制効果も高い。
【０１００】
また、高セメント含有量の従来の高炉セメント配合のものでは、マグネシウム分が多くなると強度発現が悪くなったりして、マグネシウム分の含有量により強度発現が不安定となるが、本発明のセメント組成物では、マグネシウム分の含有量の影響を大きく受けることはなく、強度が安定して確保できる。
【０１０１】
更に、対象土によっては、比較的少ない混和量で目的が達成でき、経済的な面でメリットが生ずる場合もある。
【０１０２】
〔試験例Ｅ〕
Ｃｒ6+濃度１０ｐｐｍの水溶液と表６のセメント組成物を水粉体比１０で混合し、材齢７日でＣｒ6+濃度を測定した。なお、ドロマイト焼成物はＥＣＭセメントに対し、外割で混和した。
【０１０３】
使用したドロマイト焼成物は、ドロマイト原石(宇部マテリアル社製苦土石灰)を坩堝に蓋をして（炭酸ガス分圧０．１ａｔｍ）、電気炉で７５０℃で4時間焼成した主成分がＭｇＯ、ＣａＣＯ3の半焼成ドロマイト（ＣａＯ＝４２．４％、ＭｇＯ＝２３．０％、ig.loss＝３３．９％）である。何れもＣｒ6+濃度の濃度が定量限界以下まで固定された。
【０１０４】
【表６】
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明のセメント組成物は、土壌からの重金属の溶出抑制効果、良好で安定した強度発現性能を併せ持つ新規な高炉スラグ−マグネシア系固化材であり、汚染土壌や軟弱地盤の改良に有効であり、該セメント組成物を対象土に混和するだけで土壌改良ができる。また、このセメント組成物を建設発生土等に混和して作製した改良土は、ソイルセメント柱、土嚢等に利用できる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、汚染土壌や軟弱地盤の改良に好適に用いることができる環境負荷低減型のセメント組成物、及び該セメント組成物を前記土壌や地盤に混和して重金属の溶出を抑制したり強度を改善したりする土壌改良方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
高炉を用いて鉄鉱石から金属鉄を製造する際に副産物として得られる高炉スラグは、潜在水硬性を有するなどセメントに類似した性能を有するとともに大量に生成するため、高炉セメントの原材料、セメント混和材などとして広く土木・建築分野での利用が図られてきているが、地盤改良材や土壌改良材の構成材料としても種々利用されている。
【０００３】
軟弱地盤の強度改良材としては、例えば、特許文献１には「セメント系固化材、無水石膏、高炉水砕スラグ及びアルミナスラッジからなる固化材」が、特許文献２には「Ｃ3Ｓ含有量が３５〜６５重量％、Ｃ3Ａ含有量が１０〜２０重量％の鉱物組成を有し、かつ、Ｆｅ2Ｏ3の含有量が２重量％以下で、Ａｌ2Ｏ3／Ｆｅ2Ｏ3の重量比が３以上であるセメント組成物１００重量部、石膏１０〜３００重量部、高炉スラグ１０〜３００重量部からなる地盤改良材」が記載されている。
【０００４】
また、汚染土壌からの６価クロム等の重金属の溶出を抑制する改良材（不溶化剤）としては、特許文献３に「スラグ含有量３１〜７０％の高炉セメントからなる不溶化剤」が記載されている。更に、前記重金属の溶出抑制と強度発現性の両方に配慮したものとして、特許文献４には「水硬性材料、高炉スラグ及び石膏を含んでなる地盤改良材」が記載されている。
【０００５】
一方、２００５年２月に発行された京都議定書、２００９年７月のＧ８サミットの決議に基づく温室効果ガス排出量の削減を受け、セメント業界や建設業界も温室効果ガスの一つである二酸化炭素の排出抑制に取組む必要が生じてきている。
【０００６】
そのような中で、セメント製造時の二酸化炭素の原単位は７８８ｋｇ／ｔであり、高炉スラグ生成時に発生する同原単位２４．１ｋｇ／ｔと比べ極めて大きい。したがって、最近では、上記のような環境問題を考慮して、地盤改良や土壌改良に用いられるセメント系固化材においても脱セメント化、低セメント化、高炉スラグの増量化等が更に図られつつある。
【０００７】
そのような中で、特許文献５に示されるような「高炉スラグ１００重量部に対し、ポルトランドセメント又は石灰を１〜４２重量部含有する重金属溶出抑制剤」といった高炉スラグを主体としたセメント系固化材も開発されてきている。
【０００８】
また、一方、特許文献６、特許文献７、特許文献８、特許文献９などに示されるように、従来から、軽焼マグネシア、酸化マグネシウム、焼成ドロマイト等のマグネシウム含有物を含む種々の土壌改良材（重金属の溶出抑制剤）も知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開平０５−３１１１７０号公報
【特許文献２】特開２００５−１０５２３４号公報
【特許文献３】特開２００１−３２１７５６号公報
【特許文献４】特開２００１−３４８５７１号公報
【特許文献５】特開２００５−１６２８６２号公報
【特許文献６】特開２００３−０１３０６３号公報
【特許文献７】特開２００４−２９２５６８号公報
【特許文献８】特開平０９−２７９１４２号公報
【特許文献９】特開２００９−１５５４１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
上記特許文献１〜特許文献３に示されるように、従来から、高炉スラグを含むセメント系の「軟弱地盤の強度改良材」や「汚染土壌からの６価クロム等の重金属の溶出を抑制する改良材（不溶化剤）」が種々開発されてきているが、いずれも、強度と重金属の溶出抑制の両方を考慮したものではなく、また、上記環境問題を考慮したものでもない。
【００１１】
特許文献４に示されるものは、強度と重金属の溶出抑制の両方を考慮したものではあるものの、上記環境問題については何ら考慮されていない。
【００１２】
特許文献５に示されるものは、強度と重金属の溶出抑制の両方を考慮しており、また、高炉スラグを主体としたものであるため、一応、上記環境問題にも対応するものと見れるが、重金属溶出抑制剤中の含有セメント量が少なかったり土壌へのこの重金属溶出抑制剤の添加量が少なかったりすると、重金属の溶出抑制効果が十分に発揮されなかったり十分な強度が得られなかったりする。
【００１３】
特許文献６〜９に示されるものは、上記環境問題については何ら考慮されていない。
【００１４】
本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、高炉スラグの有効利用を図りつつ、土壌や地盤への混和量が少なくても汚染土壌からの重金属の溶出抑制に有効で軟弱地盤に対して強度改善が図れる低セメントの環境負荷低減型セメント組成物及び該セメント組成物を対象土に混和することによる土壌改良方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意検討した結果、セメントの使用量を減らし高炉スラグの使用量を増やすことにより低セメント化し高炉スラグを主体とした系でも、マグネシウム分の含有量を制御しつつ、必要に応じて、適量の無水石膏と適量のマグネシウム含有物を併用すれば、混和量が少なくても汚染土壌からの重金属（特に６価クロム）の溶出抑制が可能で、かつ、強度発現性の良い改良土が得られる環境負荷低減型のセメント組成物を見出し、本発明を完成させた。
【００１６】
すなわち、本発明の一つは、特定量のセメントと特定量の高炉スラグからなり特定量のマグネシウム分を含むセメント組成物であって、必要に応じて、特定量の無水石膏と特定量のマグネシウム含有物を含む環境負荷低減型のセメント組成物であり、他の一つは該セメント組成物を対象土に特定量混和する土壌改良方法である。より詳細には、請求項１〜６に示される発明である。
【００１７】
請求項１に係る発明は、「改良土用のセメント組成物であって、ポルトランドセメント２０〜４０質量％と、高炉スラグ５０〜８０質量％を含み、前記セメント組成物中のマグネシウム分がＭｇＯ換算で３〜１５質量％であることを特徴とするセメント組成物」である。
【００１８】
このように、重金属の溶出抑制に有効なマグネシウム分の含有量を制御しつつ、セメントと高炉スラグとマグネシウム含有物とを特定の配合で組み合わせることにより、混和量が少なくても汚染土壌からの重金属の溶出抑制が可能で強度発現性の良い改良土が得られる、低セメントの環境負荷低減型セメント組成物となる。
【００１９】
また、大量に高炉スラグを使用するので、高炉スラグの有効利用が拡大できる。なお、本発明でいう「環境負荷低減型」とは、二酸化炭素の排出抑制や産業廃棄物の廃棄処分低減といった環境問題に貢献するタイプのものである。
【００２０】
請求項２に係る発明は、さらに、「無水石膏を１５質量％以下含むことを特徴とする請求項１記載のセメント組成物」である。
セメントと高炉スラグに、さらに必要に応じて添加される無水石膏を特定の配合で組み合わせることにより、汚染土壌からの重金属の溶出抑制の効果、強度発現性を高めることができる
【００２１】
請求項３に係る発明は、上記セメント組成物であって、「前記ポルトランドセメントと高炉スラグと無水石膏の合量１００質量部に対し、マグネシア含有物を１〜５０質量部混和してなることを特徴とする請求項１または２に記載のセメント組成物」である。
【００２２】
マグネシア含有物は重金属の溶出抑制効果の向上を目的として、セメント組成物中のマグネシウム分が不足する場合に、必要に応じて添加されるものであるが、概して、上記配合設計をすることにより本発明の目的が達成し易い。
【００２３】
請求項４に係る発明は、「前記マグネシア含有物がドロマイト焼成物であることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物」である。
【００２４】
高炉スラグのアルカリ刺激剤となるＣａＯやＭｇＯを含むドロマイト焼成物はマグネシウム含有物の中でも好ましいものの一つであり、これを用いることによって、上記配合設計で本発明の目的が容易に達せられる。なお、本発明で言うドロマイト焼成物とは、一般的に、仮焼ドロマイト、軟焼ドロマイト、軽焼ドロマイト、焼成ドロマイトなどと言われるものである。
【００２５】
請求項５に係る発明は、「前記マグネシア含有物が軽焼マグネシアであることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物」である。
【００２６】
上記ドロマイト焼成物と同様に高炉スラグのアルカリ刺激剤となり重金属の溶出抑制効果も高い軽焼マグネシアもマグネシウム含有物の中でも好ましいものの一つであり、これを用いることによって、上記配合設計で本発明の目的が容易に達せられる。
【００２７】
請求項６に係る発明は、「改良の対象とする土（対象土）１ｍ3に対し、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセメント組成物を５０〜４５０ｋｇ混和してなる土壌改良方法」である。
【００２８】
このように、本発明の土壌改良方法は、上記本発明のセメント組成物を汚染土や軟弱土等の対象土に所定量混和して、重金属の溶出を抑制したり強度面での補強をしたりする方法であり、特に対象土１ｍ3に対し１００ｋｇ以下の比較的少量混和した場合でも、ある程度の強度を確保しつつ重金属の溶出抑制を図ることができる。
【００２９】
なお、本発明で言う上記対象土とは、重金属（特に６価クロム）による汚染土、火山灰質粘性土、砂質土、腐植土、高含水土、その他の軟弱土、有機質土、高有機質土、黒ぼく、シルト、粘性土等などである。
【発明の効果】
【００３０】
本発明のセメント組成物によれば、土壌や地盤への混和量が比較的少なくても汚染土壌からの重金属（特に６価クロム）の溶出抑制に有効で、軟弱地盤に対して強度改善が図れる土壌改良や地盤改良用のセメント組成物が容易に得られる。
【００３１】
また、本発明のセメント組成物は、高炉スラグの有効利用を図るべく高炉スラグ主体で低セメントの環境負荷低減型のものであり、二酸化炭素の排出抑制や産業廃棄物の有効利用といった昨今の環境問題の解決にも寄与するものである。
【００３２】
また、本発明の土壌改良方法によれば、対象土に本発明のセメント組成物を混和するだけで強度と重金属（特に６価クロム）溶出抑制の両面の改善が図れる。そして、本発明のセメント組成物を対象土１ｍ3に対し１００ｋｇ以下の比較的少量混和した場合でも、ある程度の強度を確保しつつ重金属の溶出抑制ができ、環境に優しい。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明のセメント組成物と土壌改良方法について、より具体的に説明する。
【００３４】
本発明のセメント組成物は、少量のセメントと多量の高炉スラグとを含み、必要に応じて適量の無水石膏と適量のマグネシア含有物を含むものである。
【００３５】
セメントは、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメントなどの市販のポルトランドセメントである。価格や供給面から、普通ポルトランドセメントが好ましい。
【００３６】
これらポルトランドセメント中には、通常、ＭｇＯ換算で１〜２．５％のマグネシウム分が含まれる。このマグネシウム分も僅かではあるが重金属の溶出抑制効果に影響すると見られる。
【００３７】
高炉スラグは、従来から高炉セメントやセメント混和材の一材料として使用されている市販の高炉水砕スラグ粉末である。粉末度は特に限定されないが、ブレーン値が３０００〜８０００ｃｍ2／ｇのものが好ましい。この範囲のものであれば手頃な価格で入手し易く、本発明の目的が十分達成できる。
【００３８】
高炉スラグはアルカリ刺激剤により水硬する潜在水硬性を有する製鉄の際の産業廃棄物であり、強度発現と重金属の溶出抑制の両方に寄与する。特に、重金属の溶出抑制の観点から、マグネシウム分の多い高炉スラグ（高炉スラグ中にＭｇＯ換算で５〜８％）を用いることは好ましい。
【００３９】
無水石膏（ＣａＳＯ4）は、従来からセメント混和材の一材料として種々使用されており、これらのものが使用できる。無水石膏を９０重量％以上含むものであれば、他の石膏類が少し含まれていても良い。廃石膏ボードあるいはこれの焼成物といった廃材を使用することは、環境面から好ましい。無水石膏の粉末度は粉であれば特に限定されない。
【００４０】
無水石膏はエトリンガイト形成による初期強度発現に寄与し、上記セメントと上記高炉スラグだけでは、必要強度が確保できない場合に添加される。
【００４１】
マグネシア含有物はＭｇＯを１０〜１００％含むものであり、セメント組成物中のマグネシア分がセメントと高炉スラグだけでは不足する場合に添加される。マグネシア含有物としては、ドロマイト焼成物、軽焼マグネシア、マグネシアセメント、マグネシアクリンカー、などが挙げられるが、中でもドロマイト焼成物と軽焼マグネシアが好ましい。
【００４２】
マグネシア含有物の粉末度は特に限定されないが、重金属の溶出抑制、高炉スラグに対するアルカリ刺激剤の両方の役割を効率よく果たすためには少なくとも粒径５ｍｍ以下の粉粒が好ましい。
【００４３】
ドロマイト焼成物は、ドロマイト（ＣａＭｇ(ＣＯ3)2）を７５０〜１０００℃で焼成してドロマイトを脱炭酸させたものである。１０００℃を超えて焼成したいわゆる堅焼のドロマイト焼成物は重金属を固定できない場合がある。ドロマイト焼成物は、ＣａＣＯ3とＭｇＣＯ3を脱炭酸させた焼成ドロマイトとＭｇＣＯ3のみを脱炭酸させた半焼成ドロマイトがある。焼成ドロマイトの他、仮焼ドロマイト、軟焼ドロマイト、軽焼ドロマイトといったものも含まれる。成分は、例えば、ＣａＯ：６５．６％、ＭｇＯ：３２．１％であり、若干のシリカ分や炭酸カルシウム等の不純物が含まれる。
【００４４】
ＣａＯとＭｇＯとの合量が９５％以上であれば、市販のものを使用しても良い。ドロマイト焼成物は、重金属の溶出抑制、高炉スラグに対するアルカリ刺激剤の両方の役割を効果的に果たすことができ、比較的低価格で安定供給できるので好ましい。
【００４５】
軽焼マグネシアは、水酸化マグネシウム等の原材料を３００〜４００℃で焼成して得られるＭｇＯからなるものである。上記ドロマイト焼成物と同様、重金属の溶出抑制、高炉スラグに対するアルカリ刺激剤の両方の役割を効果的に果たすことができるが、特に重金属の溶出抑制効果を高めたい場合に用いることが好ましい。
【００４６】
本発明では、セメント組成物の主構成となる上記ポルトランドセメントと高炉スラグのセメント組成物中における割合は高炉スラグの方が多くなるようにして限定する必要がある。高炉スラグがポルトランドセメントより多いとＭｇＯによる強度増進も期待できる。
【００４７】
ポルトランドセメントは、セメント組成物中２０〜４０質量％である。２０質量％未満では、セメントが少なすぎて強度発現性が悪くなる。４０質量％を超えると高炉スラグの含有量が減るので重金属の溶出抑制効果が悪くなるとともに、環境負荷低減型のセメント組成物にはなり難くなる。
【００４８】
高炉スラグは、セメント組成物中５０〜８０質量％である。５０質量％未満では、重金属の溶出抑制効果が悪くなるとともに、セメント量を増やすことになるので環境負荷低減型のセメント組成物にはなり難くなる。また、８０質量％を超えるとセメント量が減りすぎて強度発現性が悪くなる。
【００４９】
無水石膏は、セメント組成物中０〜１５質量％であり、セメント組成物中に必ずしも含まれる必要はない。ポルトランドセメントと高炉スラグと必要に応じて添加されるマグネシア含有物とだけでは強度発現が不十分となる場合に添加される。
【００５０】
添加量の上限は１５質量％とする必要がある。１５質量％を超えると、重金属の溶出抑制効果が悪くなったり長期強度の発現性が悪くなったり異常膨張を起こしたりして、安定した性能のセメント組成物が得られ難くなる。
【００５１】
本発明のセメント組成物は、上記の配合割合において、セメント組成物中のマグネシウム分の含有量をＭｇＯ換算で３〜１５質量％とする必要がある。３質量％未満では、重金属の溶出抑制効果が悪くなる場合がある。１５質量％を超えると対象土によっては十分な強度を確保し難くなる。上記範囲にすることにより、重金属の溶出抑制効果と良好な強度発現性の両方が安定して得られ易くなる。ポルトランドセメントと高炉スラグだけでは上記範囲のＭｇＯが得られない場合は、マグネシア含有物を添加する。
【００５２】
マグネシア含有物は重金属の溶出抑制効果を高めたい場合に混和されるが、その混和量はポルトランドセメントと高炉スラグと必要に応じて添加される無水石膏（混合物をＥＣＭセメントと称す）の合量１００質量部に対し１〜５０質量部とするのが好ましい。
【００５３】
１質量部未満では混和効果が得られ難くなる。５０質量部を超えると混和量を増やしても効果の増大は見られず、逆に、強度発現性が悪くなる場合がある。例えば、ドロマイト焼成物や軽焼マグネシアを上記のようにして混和すれば、マグネシウム分の含有量がＭｇＯ換算で３〜１５質量％のセメント組成物が簡単に得られる。
【００５４】
本発明のセメント組成物は、上記ポルトランドセメントと高炉スラグを主成分とし、必要に応じて添加される無水石膏とマグネシア含有物とからなるものであり、これらをプレミックスしたプレミックス品として使用しても良いが、ポルトランドセメントと高炉スラグ、あるいは、ポルトランドセメントと高炉スラグと無水石膏とをプレミックスしておき（ベースとなる数種類のＥＣＭセメントを作製しておき）、マグネシア含有物は施工時にこれらに混和して使用しても良い。
【００５５】
このようにすることで、対象土や使用目的に応じて、マグネシア含有物の種類や混和量を調整できるので、本発明のセメント組成物の使用範囲が広げられ、使用し易くなる。
【００５６】
本発明のセメント組成物の製造方法は特に限定されない。従来の方法で上記材料を適宜プレミックスしておくか、施工時に混合して使用すればよい。配合割合は、対象土の種類やセメント組成物の使用目的に応じて決められる。例えば、重金属の溶出抑制を主たる目的とする場合は、無水石膏の添加量やマグネシウム分の含有量が多くなる配合に、軟弱地盤の強度改善やソイルセメントの製造を目的とする場合は、ポルトランドセメントや無水石膏の含有量が多くなる配合にしておく。
【００５７】
いずれにしろ、少なくとも上記各材料中のアルミニウム分、硫酸分、マグネシウム分は事前に分析して把握しておくとともに、サンプリングした対象土と本発明のセメント組成物による配合決定のための予備試験を従来の方法で行っておくことは好ましい。
【００５８】
本発明の土壌改良方法は、上記本発明のセメント組成物を改良の対象とする土（対象土）１ｍ3に対し、対象土の種類により適切な添加量が異なるが、５０〜４５０ｋｇ混和してなるものである。
【００５９】
対象土としては、前述の通り、重金属（特に６価クロム）による汚染土、火山灰質粘性土、砂質土、腐植土、高含水土、その他の軟弱土、有機質土、高有機質土、黒ぼく、シルト、粘性土等が挙げられる。
【００６０】
これら対象土に本発明のセメント組成物を混和する。対象土の種類により適切な添加量が異なるが、対象土１ｍ3に対し５０〜４５０ｋｇを混和する。たとえば、砂質土、シルトでは、５０〜２００ｋｇ、粘性土では、１００〜３００ｋｇ、火山灰質粘性土、腐植土、黒ぼく、高有機質土では、２５０〜４５０ｋｇの添加が好ましい。
【００６１】
強度改善を目的とする場合は、(a)セメント含有量の多いセメント組成物を用いる、(b)セメント組成物中に無水石膏を含ませる、(c)対象土に対してセメント組成物の混和量を増やすなどの策をとればよい。
【００６２】
重金属の溶出抑制を目的とする場合は、(a)高炉スラグ含有量の多いセメント組成物を用いる、(b)セメントの混和量を増加させ、セメント水和物量を増加することにより重金属の固定量を増加させる、(c)セメント組成物中にマグネシア含有物を含ませセメント組成物中のマグネシウム分の含有量を多くするなどの策をとればよい。
【００６３】
強度改善と重金属の溶出抑制の両方を目的とする場合は、上記策の中間の配合とする。上記両方を目的とする土壌改良における改良土の好ましい配合例は、対象土１ｍ3に対し、ポルトランドセメント２０〜３０質量％、高炉スラグ７０〜６０質量％、無水石膏１０質量％からなるこれらの混合物（ＥＣＭセメント）を２００〜３００ｋｇ混和するとともに、焼成ドロマイトを２０〜５０ｋｇ混和してなるものである。
【００６４】
なお、対象土に混和するセメント組成物量が少ないところでは重金属溶出抑制効果のある高炉スラグの対象土への混和量が少なくなるので、マグネシア含有物を併用して補った方がよい。
【００６５】
地盤改良の方法は、地面からの深さにより浅層改良、深層改良があり、添加方法として粉体による添加、スラリーによる添加方法がある。地盤改良の方法は、土壌に混和する従来のセメント系固化材の場合と同じであり、特に限定されない。
【００６６】
例えば、所定配合のポルトランドセメントと高炉スラグと無水石膏からなるプレミックス材（Ｐ）と水（Ｗ）とでＷ／Ｐ＝１（重量比）のセメントミルクを作製し、これに攪拌しながら所定量の焼成ドロマイト粉を添加して本発明のセメント組成物からなるセメントミルクを作製する。
【００６７】
このセメントミルクの所定量を所定量の対象土と機械撹拌方式、噴射撹拌方式により混和して、土壌を改良する。本発明の土壌改良方法による対象土は建設発生土等の建設廃棄物にも拡大でき、得られる改良土は、ソイルセメント柱、土嚢、耐震補強、地盤沈下防止等の様々な分野で補強材や充填材として利用できる。
【００６８】
次に、本発明のセメント組成物を用いた試製改良土の性能を、試験例Ａ〜Ｄで示す。
【００６９】
〔試験例Ａ〕
(1) 使用材料
セメント：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
高炉スラグ：セラメント（デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ品）
無水石膏：デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ
焼成ドロマイト：吉澤石灰社製（ＭｇＯ：３２．１％）
対象土：シルト（含水比率：４１．１％、湿潤密度は１７１６ｋｇ／ｍ3）
【００７０】
(2) 試製改良土の製造
セメントと高炉スラグ、セメントと高炉スラグと無水石膏とをそれぞれ混合して表１に示す所定配合の混合物（ＥＣＭセメント）を得た。これに水を、水／ＥＣＭセメント＝１（質量比）の割合で添加してホバートミキサーにより攪拌混合してセメントスラリーを得た。
【００７１】
表１に示す配合割合になるように調整して、上記セメントスラリーと必要に応じて混和される焼成ドロマイトを対象土に混和してソイルミキサーで混練し、得られた混練物を５φ×１０ｃｍに成形して一軸圧縮強度試験用の供試体を得た。
【００７２】
なお、表１に示す焼成ドロマイトとＥＣＭセメントの混和量（単位量：ｋｇ／ｍ3）は、対象土１ｍ3当たりのｋｇ量である。
また、表１中におけるセメント組成物中のマグネシウム分含有量はＪＩＳ Ｒ ５２０２により求めた。
【００７３】
【表１】
【００７４】
(3) 性能試験
(i) 一軸圧縮強度試験
ＪＩＳ Ａ １２１６の規定に準じて、材令７日と２８日で一軸圧縮強度試験を行った。
(ii)６価クロムの溶出試験
上記一軸圧縮強度試験後の破砕片を用い、環境庁告示第４６号法の規定に準じて、６価クロムの溶出試験を行った。
【００７５】
(4) 試験結果
試験結果を表１に示す。試験Ｎｏ．１〜６と試験Ｎｏ．１３〜１８あるいは試験Ｎｏ．７〜１２と試験Ｎｏ．１３〜１８を比較してわかるとおり、本発明のセメント組成物を用いれば、低セメントでも従来の高炉セメント並の強度が得られる。また、シルトへのセメント組成物の混和量が比較的少なくても（セメント混和量が比較的少なくても）強度改善が図れる。
【００７６】
更に、従来の高炉セメントでは重金属の溶出抑制に有効なマグネシウム含有量が増える（焼成ドロマイトを混和する）と強度は低下するが、本発明のセメント組成物では逆に向上するので、本発明のセメント組成物を用いることにより重金属の溶出抑制が効果的にできるとともに強度改善も図れる。
【００７７】
〔試験例Ｂ〕
(1) 使用材料
対象土以外は試験例Ａと同じである。対象土は、関東ローム（含水比率：１３４．３％、湿潤密度は１３５０ｋｇ／ｍ3）を用いた。
【００７８】
(2) 試製改良土の製造
表２に示す配合割合になるように調整して、試験例Ａと同様にして製造した。
【００７９】
【表２】
【００８０】
(3) 性能試験
試験例Ａと同じである。
【００８１】
(4) 試験結果
試験結果を表２に示す。本発明の範囲をはずれるものは、試験Ｎｏ．２２に示すようにマグネシウム分含有量が少ないところでは強度は確保できても６価クロムの溶出抑制が不十分となる場合がある。
【００８２】
また、試験Ｎｏ．２３、２４に示すように、マグネシウム分含有量の多いところでは、６価クロムの溶出抑制はできたとしても本発明のもの（試験Ｎｏ．２０、２１）に比べて強度は低い。
【００８３】
本発明のセメント組成物を用いれば、マグネシウム分含有量の多少（バラツキ）によらず、安定して強度確保と重金属の溶出抑制ができる。
【００８４】
〔試験例Ｃ〕
(1) 使用材料
対象土以外は試験例Ａと同じである。対象土は、砂質土（含水比率：３４．０％、湿潤密度は１８４４ｋｇ／ｍ3）を用いた。
【００８５】
(2) 試製改良土の製造
セメントと高炉スラグと無水石膏とをそれぞれ混合して表３に示す所定配合の混合物（ＥＣＭセメント）を得た。この混合物の粉と必要に応じて混和される焼成ドロマイトの粉を対象土に混和してソイルミキサーで混練し、得られた混練物を５φ×１０ｃｍに成形して一軸圧縮強度試験用の供試体を得た。その他は試験例Ａと同様である。
【００８６】
【表３】
【００８７】
(3) 性能試験
試験例Ａと同じである。
【００８８】
(4) 試験結果
試験結果を表３に示す。本発明のセメント組成物を用いれば、試験Ｎｏ．２７、２９、３０に示すように、対象土への混和量が１００ｋｇ／ｍ3程度と比較的少ないところでも、強度確保が図れる。
【００８９】
〔試験例Ｄ〕
(1) 使用材料
セメント：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
高炉スラグ：セラメント（デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ品）
無水石膏：デイ・シイ社製：ブレーン値４０００ｃｍ2／ｇ
焼成ドロマイト：吉澤石灰社製（ＭｇＯ：３２．１％）
軽焼マグネシア：武井工業所社製（ＭｇＯ：４９．０％）
対象土：粘土（含水比率：５４．５％）と６号ケイ砂（含水比率：０．０５％）とを質量比１：１で混合した試製対象土（含水比率：２７．３％、湿潤密度：２００２ｋｇ／ｍ3）
【００９０】
なお、この試製対象土は、１級試薬ＣａＣｒＯ4・２Ｈ2Ｏにより６価クロムをセメント中に３００ｍｇ／ｋｇとなるように含ませ、６価クロムによる汚染土とした。
【００９１】
(2) 試製改良土の製造
セメントと高炉スラグ、セメントと高炉スラグと無水石膏とをそれぞれ混合して表４、表５に示す所定配合の混合物（ＥＣＭセメント）を得た。これに水を、水／ＥＣＭセメント＝１（質量比）の割合で添加してホバートミキサーにより攪拌混合してセメントスラリーを得た。
【００９２】
表４、表５に示す配合割合になるように調整して、上記セメントスラリーと必要に応じ
て混和される焼成ドロマイトもしくは軽焼マグネシアを試製対象土に混和してソイルミキ
サーで混練し、得られた混練物を５φ×１０ｃｍに成形して一軸圧縮強度試験用の供試体
を得た。
【００９３】
【表４】
【００９４】
【表５】
【００９５】
(3) 性能試験
試験例Ａと同じである。
【００９６】
(4) 試験結果
焼成ドロマイトを用いた試験結果を表４に、軽焼マグネシアを用いた試験結果を表５に示す。表４の試験Ｎｏ．３１〜３８と試験Ｎｏ．４７〜５４、もしくは試験Ｎｏ．３９〜４６と試験Ｎｏ．４７〜５４を比較してわかるように、本発明のセメント組成物を用いたものは、低セメントであるにもかかわらず、高炉セメント配合のもの以上の強度発現をし、６価クロムの溶出も抑制される。６価クロムによる汚染土に対しても有効であることがわかる。
【００９７】
また、試験Ｎｏ．４７〜５４に示すようにセメント量が本発明の範囲をはずれ高いところでは、マグネシウム分の含有量が増えると強度発現は悪くなるが、本発明のセメント組成物では、試験Ｎｏ．３１〜４６に示すように、高炉セメント配合のものほど低下はしない。
【００９８】
また、表５の試験Ｎｏ．５５〜６２からわかるように、本発明のセメント組成物において、マグネシア含有物を上記焼成ドロマイトに変えて軽焼マグネシアにした場合も、良好な強度発現、６価クロムの溶出抑制は達成される。そして、焼成ドロマイトを用いた場合と同様に、マグネシウム分の含有量が増えても強度発現は悪くならなず、若干良くなる。
【００９９】
上記の通り、本発明のセメント組成物は、環境負荷低減型の低セメント含有量のものであるにもかかわらず、従来の高炉セメント以上の強度発現効果を有するとともに、重金属（６価クロム）の溶出抑制効果も高い。
【０１００】
また、高セメント含有量の従来の高炉セメント配合のものでは、マグネシウム分が多くなると強度発現が悪くなったりして、マグネシウム分の含有量により強度発現が不安定となるが、本発明のセメント組成物では、マグネシウム分の含有量の影響を大きく受けることはなく、強度が安定して確保できる。
【０１０１】
更に、対象土によっては、比較的少ない混和量で目的が達成でき、経済的な面でメリットが生ずる場合もある。
【０１０２】
〔試験例Ｅ〕
Ｃｒ6+濃度１０ｐｐｍの水溶液と表６のセメント組成物を水粉体比１０で混合し、材齢７日でＣｒ6+濃度を測定した。なお、ドロマイト焼成物はＥＣＭセメントに対し、外割で混和した。
【０１０３】
使用したドロマイト焼成物は、ドロマイト原石(宇部マテリアル社製苦土石灰)を坩堝に蓋をして（炭酸ガス分圧０．１ａｔｍ）、電気炉で７５０℃で4時間焼成した主成分がＭｇＯ、ＣａＣＯ3の半焼成ドロマイト（ＣａＯ＝４２．４％、ＭｇＯ＝２３．０％、ig.loss＝３３．９％）である。何れもＣｒ6+濃度の濃度が定量限界以下まで固定された。
【０１０４】
【表６】
【産業上の利用可能性】
【０１０５】
本発明のセメント組成物は、土壌からの重金属の溶出抑制効果、良好で安定した強度発現性能を併せ持つ新規な高炉スラグ−マグネシア系固化材であり、汚染土壌や軟弱地盤の改良に有効であり、該セメント組成物を対象土に混和するだけで土壌改良ができる。また、このセメント組成物を建設発生土等に混和して作製した改良土は、ソイルセメント柱、土嚢等に利用できる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良土用のセメント組成物であって、ポルトランドセメント２０〜４０質量％と、高炉スラグ５０〜８０質量％を含み、前記セメント組成物中のマグネシウム分がＭｇＯ換算で３〜１５質量％であることを特徴とするセメント組成物。
【請求項２】
さらに、無水石膏を１５質量％以下含むことを特徴とする請求項１記載のセメント組成物。
【請求項３】
前記ポルトランドセメントと前記高炉スラグと無水石膏の合量１００質量部に対し、マグネシア含有物を１〜５０質量部混和してなることを特徴とする請求項１または２記載のセメント組成物。
【請求項４】
前記マグネシア含有物がドロマイト焼成物であることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物。
【請求項５】
前記マグネシア含有物が軽焼マグネシアであることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物。
【請求項６】
改良の対象とする土１ｍ3に対し、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセメント組成物を５０〜４５０ｋｇ混和することを特徴とする土壌改良方法。
【請求項１】
改良土用のセメント組成物であって、ポルトランドセメント２０〜４０質量％と、高炉スラグ５０〜８０質量％を含み、前記セメント組成物中のマグネシウム分がＭｇＯ換算で３〜１５質量％であることを特徴とするセメント組成物。
【請求項２】
さらに、無水石膏を１５質量％以下含むことを特徴とする請求項１記載のセメント組成物。
【請求項３】
前記ポルトランドセメントと前記高炉スラグと無水石膏の合量１００質量部に対し、マグネシア含有物を１〜５０質量部混和してなることを特徴とする請求項１または２記載のセメント組成物。
【請求項４】
前記マグネシア含有物がドロマイト焼成物であることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物。
【請求項５】
前記マグネシア含有物が軽焼マグネシアであることを特徴とする請求項３記載のセメント組成物。
【請求項６】
改良の対象とする土１ｍ3に対し、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセメント組成物を５０〜４５０ｋｇ混和することを特徴とする土壌改良方法。
【公開番号】特開２０１１−２３６０７３（Ｐ２０１１−２３６０７３Ａ）
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１０７９４３（Ｐ２０１０−１０７９４３）
【出願日】平成２２年５月１０日（２０１０．５．１０）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５９２０３７９０７）株式会社デイ・シイ (36)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１１月２４日（２０１１．１１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年５月１０日（２０１０．５．１０）
【出願人】（３０４０２１４１７）国立大学法人東京工業大学 (1,821)
【出願人】（５９２０３７９０７）株式会社デイ・シイ (36)
【Ｆターム（参考）】
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