JP2009114027A - 埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材 - Google Patents

埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材 Download PDF

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Abstract

【課題】鉄鋼スラグ水和固化体を破砕した材料を港湾・空港工事の埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料として利用可能にした鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を提供すること。
【解決手段】鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して製造した人工石材であって、人工石材の粒度は、粒度指標として粒径が0.8mm以下のものが10質量%以下(D10≧0.8mm)を満足する粒度とされている埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。人工石材の粒度は、粒度指標として粒径が2.4mm以下のものが20質量%以下(D20≧2.4mm)を満足する粒度とされている埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。人工石材の粒度は、粒度指標として粒径が4.6mm以下のものが30質量%以下(D30≧4.6mm)を満足する粒度とされている埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。
【選択図】なし

Description

本発明は、港湾・空港工事の埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料として用いる鉄鋼スラグ水和固化体製の人工石材に関する。
砂利、砂等の枯渇する天然材料に代わる環境負荷が少ないリサイクル材として、製鋼スラグとセメントに代わる材料として高炉水砕スラグ微粉末と水を主要材料とし、必要に応じてフライアッシュ、高炉水砕スラグを配合して練り混ぜ、型枠内に打ち込み、養生して製造される鉄鋼スラグ水和固化体が知られている。(例えば、非特許文献1参照)。
前記の鉄鋼スラグ水和固化体は、例えば、港湾工事などに使用される異形ブロック、根固め方塊、捨てブロック、上部コンクリート、捨石代替材などの無筋部材(ただし、補助鉄筋を用いたものは含まれる)として利用され、具体的には、消波ブロック、被覆ブロック、魚礁ブロック、人工石材等の港湾土木材料として使用されている。
一方、港湾・空港工事に用いられる埋め立て材料および裏込め材、傾斜護岸、潜堤等に用いられる捨石材は、必要に応じて想定する地震に対して液状化しないことが要求される。地盤が液状化の予測および判定について、下記(1)(2)により行うことを原則とすることも知られている(例えば、非特許文献2参照)。
(1)地盤が緩く詰まった飽和砂質土等の場合においては、地盤が液状化するか否かの予測および判定を行うこと。
(2)地盤が液状化するか否かの予測および判定は、粒度と標準貫入試験機または繰り返し三軸試験を用いる適切な方法によって行うこと。
(3)また、前記の非特許文献2には、礫分(2mm以上の粒子)側においては、透水係数が3cm/s以上であると確認した場合に液状化しないと判定することができる旨記載されている。
一般的に捨石および代表的な裏込め材である裏込め石は、全て礫分からなるため、液状化の検討は不要である。
港湾・空港工事に用いられる裏込め石、傾斜護岸、潜堤等に用いられる捨石材は、大きなせん断強度を有することが望ましく、また埋め立て材料では必要に応じて所要のせん断強度が必要とされる場合がある。特に、捨石あるいは岸壁背面の裏込め石には、石材の強度によって、せん断抵抗角として35°もしくは40°が用いられている(例えば、非特許文献3参照)。
また、鉄鋼スラグを主体とする水硬性組成物あるいは水和固化体としては、カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグを主成分とする材料も知られている(例えば、特許文献1参照)。
特開2007−112647号公報 鉄鋼スラグ水和固化体 技術マニュアル 製鋼スラグの有効技術マニュアル 財団法人沿岸開発技術開発センター発行 平成15年3月 港湾の施設の技術上の基準・同解説 上巻 P281−282 平成11年4月 港湾の施設の技術上の基準・同解説 上巻 P345−346 平成11年4月
前記のいずれの文献にも、鉄鋼スラグ水和固化体を破砕し、直径300mm程度以下の粒状または10kg/個程度以上の塊状にして、埋め立て材あるいは裏込め石、傾斜護岸、潜堤等に用いられる捨石材として使用する場合において、せん断抵抗角として35°以上を有しかつ液状化しない材料を供給する具体的な方法については示されていない。
本発明は、鉄鋼スラグ水和固化体を破砕した材料を港湾、空港工事用埋め立て材料として利用可能にした埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を提供することを目的とする。
前記の課題を有利に解決するために、第1発明の埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材においては、鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して製造した人工石材であって、前記人工石材の粒度は、粒度指標として、粒径が0.8mm以下のものが10質量%以下(D10≧0.8mm)を満足する粒度とされていることを特徴とする。
また、第2発明では、第1発明の埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材において、さらに前記人工石材の粒度は、粒度指標として、粒径が2.4mm以下のものが20質量%以下(D20≧2.4mm)を満足する粒度とされていることを特徴とする。
また、第3発明では、第1または第2発明において、さらに前記人工石材の粒度は、粒度指標として、粒径が4.6mm以下のものが30質量%以下(D30≧4.6mm)を満足する粒度とされていることを特徴とする。
また、第4発明では、第1発明〜第3発明のいずれかの埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材であって、前記人工石材は、粒度指標として均等係数Uc=D60/D10≧5を満足する粒度とされていることを特徴とする。
本発明によると、次のような効果が得られる。
鉄鋼スラグ水和固化体を破砕した、粒状化鉄鋼スラグ水和固化体を利用した人工石材からなる埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料であるので、製鋼スラグ単体を使用する場合に比べて、膨張抑制されていると共にpH低減された粒状化鉄鋼スラグ水和固化体からなる人工石であり、これを埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料として、海水に投入した場合、周囲水域が懸濁する恐れを排除することができ、また、周囲の海底のpHを低減することができ、また、補助工法を併用使用する必要がなく、経済的な鉄鋼スラグ水和固化体を利用した人工石材を安価に製造することができる。
また、製鋼スラグを使用した鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して製造した人工石材を、埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用として利用する場合に、その粒度と相関した透水係数あるいは所定のせん断強度を有する粒状化鉄鋼スラグ水和固化体にすることができる。
また、所定の強度以上の鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して粒状化された鉄鋼スラグ水和固化を使用すると、埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料として、従来の砂岩ずりと同等以上の性能を有する埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料とすることができ、また、製鋼過程における副産物としての製鋼スラグを利用した人工石材を供給することができる。
また、(1)破砕された粒状化鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材について、粒径0.8mm以下のものの通過百分率(質量%)が10質量%(D10)以下(D10≧0.8mm)であれば、透水係数は3cm/s以上とすることができる。
また、(2)破砕された粒状化鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材について、粒径2.4mm以下のものの通過百分率(質量%)が20質量%(D20)以下(D20≧2.4mm)であれば、透水係数は3cm/s以上とすることができる。
また、(3)破砕された粒状化鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材について、粒径4.6mm以下のものの通過百分率(質量%)が30質量%(D30)以下(D30≧4.6mm)であれば、透水係数は3cm/s以上とすることができる。
また、少なくとも、前記(1)を満たす粒状化鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材であること、より好ましくは、前記(1)および(2)を満たす粒状化鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材であること、さらに、より好ましくは、前記(1)(2)(3)を満たす粒状化鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材であると、より確実に透水係数を3cm/s以上とすることができる。このように、本発明により、粒状化鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材について、透水係数と粒度の関係を具体的に明らかにした材料を埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料として使用すると、埋め立て地の地盤の液状化を確実に防止することができる。
また、均等係数Uc=D60/D10≧5を満足する粒度とされている粒状化鉄鋼スラグ水和固化体からなる人工石材であると、せん断抵抗角を35°以上とすることができる。
次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。
先ず、本発明において利用する鉄鋼スラグ水和固化体とは、製鋼スラグと、高炉水砕スラグ微粉末を水と練り混ぜ、固化(硬化)させたもので、必要に応じ、高炉水砕スラグ、フライアッシュ、および消石灰、セメントのアルカリ刺激材も用いる。
本発明では、前記の人工石材のうち、埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用材料として利用し、かつその上に建築構造物を築造することも可能な石材とするために、所定の範囲の粒度および液状化しない範囲の人工石材を明らかに得るようにしている。
製鋼スラグとは、溶銑、スクラップなどを精錬し、靭性、加工性を有する鋼を製造する製鋼過程で生成するCaO,SiOなどを主成分とする無機物である。一般には、砕石状の外観を呈する。
また、製鋼スラグは、製鋼工程で生じる石灰分を主体とした副産物であり、転炉スラグ、溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ、電気炉還元スラグ、電気炉酸化スラグ、二次精錬スラグ、造塊スラグの1種または2種以上を混合したものである。
高炉水砕スラグは、銑鉄を製造する製銑過程で生成する溶融状態の高炉スラグを水によって、微粒化させ急冷したもので、弱い水硬性を持つものである。
前記のようにして製造された鉄鋼スラグ水和固化体を配合、粒度の異なる8種類の水和固化体製人工石材を製造した。
鉄鋼スラグ水和固化体の破砕は、ジャイアントブレーカーで大割破砕して最大径800mm程度にするか、さらに移動式破砕プラントにより最大径100mm程度に破砕して利用する方法がある。
前記のように、粒状化された鉄鋼スラグ水和固化体を使用する場合には、製鋼スラグを単体で使用した場合に比べて、製鋼スラグの膨張抑制およびpHの低減を図り、海底あるいは水底に投入時において、海水の懸濁の恐れがないので、懸濁防止等の補助工法を必要としない利点を有する。
次に、前記8種類の試験試料(No.1〜No.8)の配合表を下記表1に示す。
前記試料(NO.1〜No.8の内、試料NO.1〜NO.4の4種類についての透水試験をした結果を表2に示す。
また、前記8種類の試料(NO.1〜No.8)について、水中投下により、円柱試験体を作製した。
円柱試験体についての三軸圧縮試験結果を表3に示す。表3では、NO.1〜NO.8の8種類の試料について、等方圧(周圧)σとして、100kN/m、200kN/m、400kN/mの圧力を加えて圧密した後、軸荷重を増加してせん断する2段階の操作を行った。排水状態で試料に圧密圧力を加え、圧密が終わった後、排水状態のままで間隙水圧が残留しないような速度でせん断する試験方法により求められるせん断強度定数として、各圧密圧力における圧縮強さに対して粘着力Cd(kN/m)を0とし、せん断抵抗角φ0(°)を求めた。これらを表3に示す。ここで、圧縮強さとは、三軸圧縮試験におけるピーク時のせん断応力もしくはピーク強度が表れない場合は軸ひずみ15%のせん断応力を示す。
表3の各試料No.3〜試料No.8について、10%通過粒径D10と60%通過粒径D60を調べ、D10とD60との比を計算して、均等係数Uc(=D60/D10)を求め、均等係数Ucに対するせん断抵抗角φを図3にプロットして折れ線Bを得た。図3において、直線Aは、目標とするせん断抵抗角φ=35°として記入した。図3のグラフの折れ線Bと直線Aの交点により求められる均等係数Ucが5であることから、均等係数Ucが5以上である粒状化鉄鋼スラグ水和体が、強度の大きい人工石材となることがわかった。
なお、前記の均等係数Ucは、その上限値として、特に規定はしないが、単位体積重量が大きくなり過ぎないように50程度以下が望ましい。
表3において、試料No.5と試料No.6を除く試料について、せん断抵抗角φが35°以上となり、埋め戻し土として強度の高い材料になることがわかった。ただし、試料No.5と試料No.6であっても、要求される強度が小さい場合もしくは強度を必要としない埋め戻し土として利用する場合には使用可能である。
また、前記のように、本発明により、粒状化された鉄鋼スラグ水和固化体について、せん断強度(せん断抵抗角φ)と粒度の関係を具体的に導き出した。なお、せん断強度(せん断抵抗角φ)については、人工石材は、一般の石材と同様に拘束依存性があり、見かけの粘着力が発生するためφ法で計算し、図4に示すように、軸差応力(σ―σ)とモールの応力円から求めた。
前記の8種類の形態に破砕した粒状化鉄鋼スラグ水和固化体について、それらの粒径(mm)と通過百分率(%)との関係を示す粒度曲線を図1に示す。
前記図1の粒度曲線中に点線で示すように、通過百分率(質量%)が、10%(D10)、20%(D20)、30%(D30)、50%(D50)の場合について、透水係数(cm/s)と粒径(mm)との相関関係について調べた結果を図2に示した。
図2は、D10、D20、D30の場合について、粒径と透水係数との関係を示すグラフである。
図2において、通過百分率(質量%)が、50%(D50)以外の10%(D10)、20%(D20)、30%(D30)の場合は、透水係数(cm/s)と粒径(mm)との相関関係があることがわかり、この相関関係から、透水係数について地盤の非液状化として港湾基準要求品質として求められている3cm/sとした場合の粒径を求めると、通過百分率(質量%)が10%(D10)では0.8mm、通過百分率(%)が20%(D20)では2.4mm、通過百分率(%)が30%(D30)では4.6mmの粒径であることがわかる。
このことから、(1)破砕された粒状化鉄鋼スラグ水和固化体について、粒径0.8mm以下のものの通過百分率(質量%)が10質量%(D10)以下であること、すなわち、D10≧0.8mmであれば、透水係数は3cm/s以上となることがわかる。
より好ましくは、粒径1.0mm以下のものの通過百分率(質量%)が10質量%(D10)以下であること、すなわち、D10≧1.0mmであれば、透水係数は3cm/s以上となることがわかる。すなわち、人工石材の粒度として、D10≧1.0mmに管理することで、港湾基準に示されている液状化しない透水係数3cm/s以上を確実に確保することができる。
同様に、(2)破砕された粒状化鉄鋼スラグ水和固化体について、粒径2.4mm以下のものの通過百分率(質量%)が20質量%(D20)以下であること、すなわち、D20≧2.4mmであれば、透水係数は3cm/s以上となることがわかる。
同様に、(3)破砕された粒状化鉄鋼スラグ水和固化体について、粒径4.6mm以下のものの通過百分率(質量%)が30%(D30)以下であること、すなわち、D30≧4.6mmであれば、透水係数は3cm/s以上となることがわかる。
また、これらのことから、少なくとも、前記(1)を満たす粒状化鉄鋼スラグ水和固化体であること、より好ましくは、前記(1)および(2)を満たす粒状化鉄鋼スラグ水和固化体であること、より好ましくは、前記(1)(2)(3)を満たす粒状化鉄鋼スラグ水和固化体であることが望ましいことがわかる。前記のように、本発明により、粒状化鉄鋼スラグ水和固化体について、透水係数と粒度の関係を具体的に導き出した。
前記のように、資源保護のための天然石材代替利用技術として、本発明の鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して製造される所定の粒度および均等係数にされた人工石材は、液状化しないための透水性を確保することができ、安山岩等の硬岩の天然石に対して母材の強度が小さい鉄鋼スラグ水和固化体を母材にする人工石材でありながら、天然砕石同等のせん断強度を有する人工石材とすることができる。
破砕された鉄鋼スラグ水和固化体の粒径と通過質量百分率(質量%)との関係を示すグラフである。 破砕された鉄鋼スラグ水和固化体の粒径と透水係数との関係を示すグラフである。 均等係数とせん断抵抗角φとの関係を示すグラフである。 せん断抵抗角φを求めるための説明図である。

Claims (4)

  1. 鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して製造した人工石材であって、前記人工石材の粒度は、粒径が0.8mm以下のものが10質量%以下(D10≧0.8mm)を満足する粒度であることを特徴とする埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。
  2. 人工石材の粒度は、粒径が2.4mm以下のものが20質量%以下(D20≧2.4mm)を満足する粒度であることを特徴とする請求項1に記載の埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。
  3. 人工石材の粒度は、粒径が4.6mm以下のものが30質量%以下(D30≧4.6mm)を満足する粒度とされていることを特徴とする請求項1または2に記載の埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。
  4. 請求項1〜3のいずれかに記載の埋め立て工事材料用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材であって、前記人工石材の粒度は、均等係数Uc=D60/D10≧5を満足する粒度であることを特徴とする埋め立て用あるいは、捨石、裏込め用鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。
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