JP2008239693A - 土系固化材及び土系固化材の舗装方法 - Google Patents

土系固化材及び土系固化材の舗装方法 Download PDF

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Abstract

【課題】道路や歩道、運動場や競技場などの表層部を舗装する土系舗装の固化材において、カルシウムアルミネート系スラグそのものを固化材として提供し、また土系固化材を用いて舗装する方法を提供する。
【解決手段】土に水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材およびこの土系固化材に水を加えて敷き均し、或いは/及び敷き均した後に水を加えて締め固めることを特徴とした土系舗装方法である。カルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:20〜40%、CaO:30〜60%、SiO2:3〜15%含有する。また、カルシウムアルミネート系スラグが、Al23:25〜45%、(CaO+CaF2)/Al23:1.1〜2.0、CaF2:2〜6含有する。これにより、少ない混合量でより安価に土系固化材を提供することができる。
【選択図】なし

Description

本発明は土系の固化材及びその舗装方法に関する。
道路や歩道では通行に伴い轍や凹みが生じて快適な運転や安全な歩行ができなくなるばかりでなく、雨天時には轍や凹み部に水溜りができるため、道路にアスファルト舗装をするようになってきた。しかしアスファルト舗装は透水性が悪く水溜りが生じ、また夏季には舗装面が熱をためやすく、ヒートアイランド現象を引き起こす欠点があった。そこで、アスファルトの透水性を改善した透水性アスファルト舗装、保水性を有した保水性アスファルト舗装が広まりつつあるが、自然環境が好まれる居住区内や公園などの道路では歩道のアスファルトは人工的な景観になり、路面が硬く反発が強いため足に負担がかかっている。そこで、近年真砂土舗装などより自然に近く、人に優しい舗装が取り入れられつつある。
真砂土舗装などの土系舗装では自然の土を利用して固化材と混合して土の強度をもたせるものである。その固化材として、従来はセメントを主原料としたセメント系固化材と石灰を主原料とした石灰系が主流であったが、近年スラグを使用した固化材も見られる。
特許文献1では土と固化材を混合して舗装場所に敷き均した後、転圧及び養生する土系舗装において、土系固化材が多孔質材料を含まず、消石灰とスラグを含むことを開示している。消石灰及びスラグを含む混合土は、常温下で固化が進行し、従来のアスファルト等からなるものほど高くなく、自然の土だけからなるものほど低くない強度及び硬度を有して固化するものである。実施例1によれば、消石灰を100質量部、粘土を50質量部、高炉スラグを50質量部混合して土系舗装固化材とし、舗装現場で舗装施工した結果、充分な強度を有し、透水性を確保している。
特開2004−52536号公報
真砂土舗装などの土系舗装では自然の土を利用して固化材と混合して土の強度を増加すると共に、透水性を確保している。この固化材はセメント系或いはスラグに消石灰などの刺激剤を混合したものを用いていた。
本発明は、強度の低い土や透水性の悪い土に混合して強度と透水性を有する土に改良できる土系固化材を安価に提供することができ、またこの土系固化材を用いて道路や歩道、運動場や競技場などの表層部を舗装する方法を提供することを目的とする。
本発明はカルシウムアルミネート系スラグそのものを固化材として用いることができるので、少ない混合量でより安価に土系の固化材を提供することができ、また土系固化材を用いて道路や歩道、運動場や競技場などの表層部を舗装する方法を提供するものである。
即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
(1)土に水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合したことを特徴とする土系固化材。
(2)水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:20〜40%、CaO:30〜60%、SiO2:3〜15%含有することを特徴とする上記(1)に記載の土系固化材。
(3)水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:25〜45%、(CaO+CaF2)/Al23:1.1〜2.0、CaF2:2〜6%含有することを特徴とする上記(1)に記載の土系固化材。
(4)土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材に水を加えて敷き均し、及び/又は敷き均した後に水を加えて締め固めることを特徴とした土系舗装方法。
(5)水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:20〜40%、CaO:30〜60%、SiO2:3〜15%含有することを特徴とする上記(4)に記載の舗装方法。
(6)水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:25〜45%、(CaO+CaF2)/Al23:1.1〜2.0、CaF2:2〜6%含有することを特徴とする上記(4)に記載の舗装方法。
本発明において水硬性を有するとは、水との化学反応で水和物を形成し、凝結し硬化する性質をいう。また本発明においてカルシウムアルミネート系スラグとは、鋼の製造工程において副産される鉄鋼スラグであり、溶鋼の脱酸剤としてアルミニウムを使用した時に生成するアルミナ高含有スラグであって、スラグの主成分が12CaO・7Al23、11CaO・7Al23・CaF2、3CaO・Al23、CaO・Al23などのカルシウムアルミネートであるという特徴を有するスラグである。
本発明は、強度の低い土や透水性の悪い土に混合して強度と透水性を有する土に改良できる土系固化材を安価に提供することができ、またこの土系固化材を用いて道路や歩道、運動場や競技場などの表層部を舗装する方法を提供するものである。
本発明の土系固化材は、水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを用いる。カルシウムアルミネート系スラグを用いる理由は、鉄鋼スラグにおいて特に強い水硬性を有する成分範囲がカルシウムアルミネート系スラグに存在するからである。一般の鉄鋼スラグの多くがカルシウムシリケート系スラグであり、これらはスラグの成分における酸化カルシウムと二酸化珪素の含有比率である塩基度が高い場合には水硬性があるものの強度(1軸圧縮強さ)が低く、石膏などを混合するか、また、スラグをセメントと同程度まで微粉(例えば比表面積で2,500cm2/g程度)にすることにより強度を向上させる必要があった。一方、カルシウムアルミネート系スラグは鉄の製造工程において副産される鉄鋼スラグを特定の成分範囲に選別することでスラグをそのまま使用することができ経済的である。該スラグは、水硬性を有するので土に混合して水を加えると硬化し、強度を発する。予め土と該スラグを土の特性に合わせて適量の割合で混合したものを土系固化材として提供でき、水を加えるだけで舗装することができる。
ここで土とは、日本で多く採れる花崗岩などが風化してできた真砂土と呼ばれるものなどで、天然に採取される土である。これらは歩道、公園、グランド、敷地内の庭や駐車場に多く使われている。また、これら採取された土に砂や砕石、スラグ骨材を混合したもの、瓦、ガラス、木材チップ、ゴムなど破砕して粒度調整した材料を混合して色調、質感、景観などの特性を活かした混合した土を含む。
本発明は、予め土とカルシウムアルミネート系スラグを土の特性に合わせて適量に混合した土系固化材を使用し、或いは現地で土にカルシウムアルミネート系スラグを混合して土系固化材となし、水を加えて敷き均し適度に転圧して敷き固めて舗装することができる。土系固化材と水を混合する際にコンクリート用のミキサーがあれば容易に水と均一に混合できるが、混合機が無い場合、人力で混合するには負担が大きいため、土系固化材を敷き均した後、表面から均一に散水して水を加えた後、敷き固めて舗装することもできる。
舗装するに当り、車両などの重量物が載る場合には、表層の舗装の下に砕石などの下層路盤材を敷き詰めるとよい。下層路盤の敷き詰める厚さ、及び表層の舗装敷き詰める厚さは用途に応じて決定する。例えば歩道などでは、下層の路盤厚さは50〜100mmを敷き固めた後、表層部に土系固化材を50mm程度敷き固めて舗装するとよい。
土とカルシウムアルミネート系スラグの混合割合は、使用用途と土の特性を勘案して決定することができる。歩道など足に負担のかからない路面の強度でよい場合、或いは駐車場などで路面強度が必要な場合などその用途に応じて適切な強度があるため、強度に応じた配合を決定することが望ましい。また、土の産地により品質が異なるので、現に使用する土の特性により同じ割合のカルシウムアルミネート系スラグを混合しても強度が異なる。従って、予め配合試験を行い適切な強度に適合する土とカルシウムアルミネート系スラグの配合及び添加水分量を求めておくことが必要である。
鋼の製造工程における溶鋼の溶製において、溶鋼の脱酸剤にアルミニウムを使用して脱酸した場合には、スラグ中にAl23が生成される。そのAl23を含めたスラグの組成は、例えばステンレス鋼の溶製において、質量%で CaO:45%、SiO2:4%、Al23:30%、その他MgOを含むカルシウムアルミネート系スラグが形成される。これらのスラグ組成は、溶製方法などの操業条件により大きく変化する。また、条件によっては、フッ化カルシウム(CaF2)を多量に含有するホタル石を使用する場合もある。本発明においては、このようにして生成したカルシウムアルミネート系スラグを用いることができる。
本発明の水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグは、第1の成分組成として、質量%で Al23:20〜40%、CaO:30〜60%、SiO2:3〜15%含有するものとすると好ましい。このようなカルシウムアルミネート系スラグはアルミニウムを使用して脱酸した溶製工程で発生するスラグを用いることができる。
本発明者は、上記組成を有するカルシウムアルミネート系スラグが強い水硬性を持ち、かつ従来の普通ポルトランドセメントに比較して同等以上の水硬性を持つ成分系が存在することを見出した。この組成範囲では、鉄鋼スラグの鉱物組成として、12CaO・7Al23(以下「C127」ともいう。)が主体的に発生し、3CaO・SiO2(以下「C3S」ともいう。)が生成する。これらが水と混合された場合、水和反応が促進され、早い反応速度でかつ強い水硬が生じる。
本発明の第1の成分組成において、Al23成分については、Al23が20%未満ではC127を生成するためのAl23が不足し、40%超ではC3Sの生成量が不足する。そこで、Al23の範囲を20〜40%とした。CaO成分については、CaOが30%未満ではC127を生成するためのCaOが不足し、60%超ではC127の生成量が不足する。そこでCaOの範囲を30〜60%とした。SiO2成分については、SiO2が3%未満ではC3Sを生成するためのSiO2が不足し、15%超ではC127の生成量が不足する。そこで、SiO2の範囲を3〜15%とした。
これらのスラグ組成においてCaO/Al23が1〜2、及びCaO/SiO2が10以下の領域で特に強い水硬性を示す。CaO/Al23が1より小さい領域ではCaO/SiO2に関わらずC3Sが全く発生せず、CaO/Al23が2より大きい領域ではCaO/SiO2に関わらずC127が生成しない。CaO/SiO2が10以上の領域ではC3Sが全く発生しない。CaO/Al23が1〜2、及びCaO/SiO2が10以下の領域でC127とC3Sが最も多く生成する。スラグ中にC3Sが生成すると、スラグの冷却中に鉱物の変態に起因してスラグが崩壊して75μm程度の微細粉まで粉化する。この粉化スラグが普通ポルトランドセメントと同等以上の水硬性を有しているため、スラグの粉砕工程を必要とせず、必要に応じて篩い分けして粒度を揃えて、水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグとして提供できる。また、スラグは水冷などの処理を行わないので、水分は全く含まない。
溶製方法などの操業条件によりスラグ組成中のMgOその他の成分が含まれるが、Al23が20%以上含まれる本発明範囲内ではMgOその他の成分によるカルシウムアルミネート系スラグの鉱物組成に大きな変化が無く、スラグの性質に与える影響は小さい。
本発明の水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグは、第2の成分組成として、質量%で Al23:25〜45%、(CaO+CaF2)/Al23:1.1〜2.0、CaF2:2〜6%含有するものとすると好ましい。このようなカルシウムアルミネート系スラグはアルミニウムを使用して脱酸した溶製工程で発生するスラグを用いることができる。
鋼の溶製において造滓剤にホタル石を使用し、アルミニウム脱酸を行った際に発生するカルシウムアルミネート系スラグについて、スラグの水硬性の評価を行ったところ、上記のスラグ成分範囲において強い水硬性を持ち、かつ従来の普通ポルトランドセメントに比較して同等以上の水硬性を持つ成分系が存在することを見出した。また、水硬性を発揮するスラグについてその鉱物組成を調査したところ、上記組成範囲のスラグについては11CaO・7Al23・CaF2(以下「C117・CaF2」ともいう。)とCaOを含有していることが明らかになった。これらが水と混練された場合、水和反応が促進され、早い反応速度でかつ強い水硬が生じる。
本発明の第2の成分組成において、Al23成分については、Al23が25%未満ではC117・CaF2を生成するためのAl23が不足し、45%超ではCaOの生成量が不足する。そこで、Al23の範囲を25〜45%とした。
CaO+CaF2成分とAl23成分との比(CaO+CaF2)/Al23については、1.1未満では必要とするCaOが不足し、2.0を超えるとCaOが増え相対的にC117・CaF2が少なく、水硬性作用を充分発揮できなくなる。そこで、(CaO+CaF2)/Al23を1.1〜2.0とした。
CaF2が2%未満では、C117・CaF2が少なく、C127と混在するようになり水硬性が発揮できなくなる。一方、CaF2が6%を越えると、過剰のCaF2が含有されることになり好ましくない。そこで、CaF2の組成範囲を2〜6%とした。
カルシウムアルミネート系スラグには、成分としてCaO、Al23、CaF2のほかSiO2、MgOなどが含有されるが、本発明の第2のCaF2を含有する成分組成においては、Al23、CaO、CaF2成分の総量が75%以上で水硬性を充分に発揮することができる。
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
本発明の第1、第2の成分組成を有するカルシウムアルミネート系スラグについて、成分組成と水硬性との関係について評価した。
水硬性の評価方法は、水硬性組成物に水を25%加えて混練し、JIS A 1108(コンクリートの圧縮強度試験方法)に従って1軸圧縮強度を測定した。水硬性組成物の本来の強度を把握するため、骨材などを配合しないで評価した。1軸圧縮強度が10N/mm2以上あれば固化材としての機能を有すると判断した。
本発明の第1の成分組成を有するスラグを表1に、第2の成分組成を有するスラグを表2に示す。
表1の本発明例1〜6のスラグの鉱物組成を確認した結果、いずれもC127が主体で、C3Sの存在が確認できた。一方、比較例1ではC3Sの存在が確認できないほど少なく、比較例2ではCaO−SiO2系スラグが主体であり、C127の存在が少ない。比較例3ではC127の存在が確認できない。
表1の本発明例1〜6は、成分範囲が本発明の範囲に入っているので、1軸圧縮強度は良好な値であった。特に、本発明例4〜6はCaO/Al23が1〜2、及びCaO/SiO2が10以下の好適範囲を満たしており、良好な1軸圧縮強度を実現することができた。一方、比較例1〜3はいずれも1軸圧縮強度が低く不適であった。
表2の本発明例1〜4のスラグの鉱物組成を確認した結果、いずれもC117CaF2が主体で、CaOの存在が確認できた。一方、比較例1ではC117CaF2が少なく、比較例2ではCaOが多く、C117CaF2が少ない。比較例3ではCaOの存在が確認できない。
表2の本発明例1〜4は、成分範囲が本発明の範囲に入っているので、1軸圧縮強度は良好な値であった。一方、比較例1〜3はいずれも1軸圧縮強度が低く不適であった。
表1及び表2に示す本発明の水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグ及び比較例に固化材No.を付与して、これらの固化材を用いた土系固化材及び土系固化材を用いた舗装の実施例を表3に示す。
Figure 2008239693
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(実施例1)
真砂土を13mmで篩い分けして粒度調整した後、110℃で乾燥し水分を除去した調整真砂土100質量%と表1の本発明例6(固化材No.F)を2mmで篩い分けしたカルシウムアルミネート系スラグを50質量%とを均一に混合した土系固化材を製造した。この土系固化材をJIS A 1216(土の1軸圧縮試験方法)に従い、水を10%添加混合した試験体を成形し、材齢28日における1軸圧縮強さを測定した。1軸圧縮強さは14.3N/mm2と土系舗装に必要な5N/mm2以上を充分確保できた。表3の実施例比較1は、上記に記載の実施例1と同じ種類の土と表1に示す比較例1(固化体No.G)とを用いて上記記載と同じ条件で調整・配合した材料の1軸圧縮強さを比較した結果、2.3N/mm2と低く、本発明の実施例1の優位を明確に評価できる。
本土系固化材は土とカルシウムアルミネート系スラグを適切に配合した材料を袋詰めにしておくと、施工場所での混合が不要であり、水を加えるだけで施工できるため、例えば家回りの敷地などの比較的小さな施工場所で舗装する材料の提供に適する。
(実施例2)
公園内の歩道がアスファルト舗装してあったが、自然景観を活かしかつ人に優しい歩道とするため、土系舗装に改造工事を行った。アスファルトを除去した後、下層路盤としてJIS A 5001(道路用砕石)のC−30の砕石を100mm敷き固めた上に、土とカルシウムアルミネート系スラグの混合した土系固化材を50mm敷き固めた土系舗装を行った。土は真砂土を使用し、カルシウムアルミネート系スラグは表1の本発明例4(固化体No.D)と同じ成分のスラグを用い、真砂土100質量%に対し、カルシウムアルミネート系スラグを20質量%の割合で配合した。施工現場にてミキサー車に水を5〜10%加えて均一に混合した後、舗装部に敷き均し、ロードローラーにて50mm厚みに転圧した。施工後、天候による乾燥状況を見ながら必要に応じて散水し、表面に防水シートを被せ5日間養生した。翌日には歩行が可能な程度に固化していたが、より強度が安定するまで養生した。この土系舗装の7日後の1軸圧縮強さ(JIS A 1216)は6.8N/mm2、透水係数(JIS A 1218)は10−4〜10−5であり、歩道に充分な強度が得られ、ほどよく水はけの良い舗装が得られた。同時に自然に調和した景観の良い舗装に仕上がった。
実施例比較2では、比較として表2に示す比較例2(固化材No.O)を用いて、上記記載の実施例2と全く同じ条件・方法で調査した1軸圧縮強さは1.5N/mm2と必要な強度が得られず、本発明の優位性が確認できた。
(実施例3)
自然道に粘土質の土を用いて、土を100質量%と固化材を20質量%を配合して舗装を行った。実施例3の固化材は表2に示す本発明例1(固化材No.J)を用い、実施例比較は表2の比較例3(固化材No.P)を用いて比較した。実施例比較の1軸圧縮強さは1.9N/mm2と低く、路面に容易に凹みなどが生じるため不適である。本発明では7.8N/mm2と足に負担の無い適度な強度が得られた。
(実施例4)
駐車場に土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材を用いて舗装を行った。駐車場の施工場所を200mm掘り下げて、下層路盤にC−40の砕石を150mm敷き固めた後、表層部に土系固化材を50mm敷き詰めた。土系固化材は真砂土100質量%に対し、表2の本発明3と同じ成分(固化材No.L)のカルシウムアルミネート系スラグを40質量%配合したものを用いた。この土系固化材に瓦を破砕して5〜13mmに粒度調製したリサイクル骨材を20質量%と顔料と水を加えて混練した。施工場所に混練した土系固化材を敷き均した後、振動ローラーで敷き固めた。施工後、表面に防水シートを被せ5日間養生した。この土系舗装の7日後の1軸圧縮強さは11〜13N/mm2、透水係数は10−4〜10−5であり、駐車場として充分な強度が得られ、程よい水はけの良い舗装が得られた。同時に、リサイクル骨材と顔料により変化の富んだ仕上がりとなった。
(実施例5)
グランドに土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材を用いて舗装を行った。グランドを200mm掘り下げて、下層の地盤層に40mm以下の砕石を100mm敷き固めた後、表層部に土系固化材を50mm敷き詰めた。土系固化材は真砂土100質量%に対し、表1の本発明3(固化材No.C)と同じ成分のカルシウムアルミネート系スラグを30質量%と珪砂を10質量%を配合したものを用い、水を加えて混練した。施工場所に混練した土系固化材を敷き均した後、ロードローラーで敷き固めた。施工後、表面に防水シートを被せ5日間養生した。この土系舗装の7日後の1軸圧縮強さは8.6N/mm2、透水係数は10−3〜10−4であり、砂を10%配合することにより、強度が増加し、水はけの良いグランド舗装が得られた。
(実施例6)
敷地内に土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材を用いて舗装を行った。土系固化材は真砂土100質量%に対し、表2の本発明4(固化材No.M)と同じ成分のカルシウムアルミネート系スラグを20質量%と13mm以下の砕石を20質量%を配合したものを用い、水を加えて混練した。施工場所に混練した土系固化材を100mm敷き均した後、ロードローラーで敷き固めた。施工後、表面に防水シートを被せ5日間養生した。この土系舗装の7日後の1軸圧縮強さは9.8N/mm2と充分な強度が得られた。

Claims (6)

  1. 土に水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合したことを特徴とする土系固化材。
  2. 水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:20〜40%、CaO:30〜60%、SiO2:3〜15%含有することを特徴とする請求項1に記載の土系固化材。
  3. 水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:25〜45%、(CaO+CaF2)/Al23:1.1〜2.0、CaF2:2〜6%含有することを特徴とする請求項1に記載の土系固化材。
  4. 土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材に水を加えて敷き均し、及び/又は敷き均した後に水を加えて締め固めることを特徴とした土系舗装方法。
  5. 水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:20〜40%、CaO:30〜60%、SiO2:3〜15%含有することを特徴とする請求項4に記載の舗装方法。
  6. 水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量%でAl23:25〜45%、(CaO+CaF2)/Al23:1.1〜2.0、CaF2:2〜6%含有することを特徴とする請求項4に記載の舗装方法。
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