JP2018017022A - 膨張性鉱物を含有する路盤材の膨張抑制剤 - Google Patents

Abstract

【課題】通常エージング処理や促進エージング処理を行なわなくても、ＣａＯやＭｇＯ等の膨張性鉱物を含有する鉄鋼スラグのような路盤材の膨張を長時間に亘って実用上充分に抑えることができる膨張抑制剤を提供する。【解決手段】膨張性鉱物を含有する路盤材の膨張抑制剤として、水溶性のアクリル酸系重合体を用いた。【選択図】なし

Description

本発明は、膨張性鉱物を含有する路盤材の膨張抑制剤に関する。道路や駐車場等に用いられる路盤材には、天然砕石のほかに、鉄鋼スラグや再生材料等がある。これらの路盤材にＣａＯやＭｇＯ等の膨張性鉱物が含まれると、それらが水分と反応してＣａＯ水和物やＭｇＯ水和物を形成する。これらの水和物は元の鉱物に比べて単位物質量あたりの体積が大きいため、体積膨張し、路盤等の隆起や破壊を引き起こし、更には舗装に隣接した構造物等を破壊することがある。本発明は、ＣａＯやＭｇＯ等の膨張性鉱物を含有する例えば鉄鋼スラグのような路盤材の膨張を実用上充分に抑えることができる膨張抑制剤に関する。尚、本発明において、路盤材には、未舗装道路や未舗装の駐車場、広場、資材置き場などの整地等に使用される土工用材も含まれる。

従来、鉄鋼スラグを路盤材として用いる場合、鉄鋼スラグに含まれる膨張性鉱物の水和反応を進行させる通常エージング処理や、温水又は蒸気による促進エージング処理が行なわれている。しかし、かかる通常エージング処理や促進エージング処理では実際のところ、かかる処理を行なった鉄鋼スラグを路盤材として用いたときに、路盤材の膨張を充分に抑えることができない場合が生じるという問題がある。

前記のような問題は、ＣａＯの水和反応は速いが、ＭｇＯの水和反応は遅いことに起因することが指摘され（例えば、非特許文献１参照）、またＣａＯは水中２０℃において３日で水和率が１００％に到達するが、ＭｇＯは水中２０℃において１８０日で水和率が５７％に留まり、ＭｇＯの水和速度はＣａＯの１／１００程度と非常に遅いことに起因することが指摘されている（例えば、非特許文献２参照）。

Ｊｕｒｇｅｎ Ｇｅｉｓｅｌｅｒ，Ｒｕｔｈ Ｓｃｈｌｏｓｓｅｒ，Ｒｕｄｉｇｅｒ Ｓｃｈｅｅｌ，Ｋｌａｕｓ Ｋｏｃｈ ａｎｄ Ｄｉｅｔｅｒ Ｊａｎｋｅ：Ｓｔｅｅｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ ５８（１９８７），ｐ．２１０ ＧＡＯ Ｐｅｉｗｅｉ， ＬＵ Ｘｉａｏｌｉｎ， ＧＥＮＧ Ｆｅｉ， ＬＩ Ｘｉａｏｙａｎ， ＨＯＵ Ｊｉｅ，ＬＩＮ Ｈｕｉ，ＳＨＩ Ｎａｎｎａｎ．Ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＭｇＯ−ｔｙｐｅ ｅｘｐａｎｓｉｖｅ ａｇｅｎｔｉｎ ｄａｍ ｃｏｎｃｒｅｔｅ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ｂｙ−ｐｒｏｄｕｃｔｓ，Ｂｕｉｌｄ Ｅｎｖｉｒｏｎ，Ｖｏｌ．４３ Ｎｏ．４ Ｐａｇｅ．４５３−４５７ （２００８．０４）

本発明が解決しようとする課題は、通常エージング処理や促進エージング処理を行なわなくても、ＣａＯやＭｇＯ等の膨張性鉱物を含有する鉄鋼スラグのような路盤材の膨張を長時間に亘って実用上充分に抑えることができる膨張抑制剤を提供する処にある。

本発明者らは、前記の課題を解決するべく研究した結果、ＣａＯやＭｇＯ等の膨張性鉱物を含有する鉄鋼スラグのような路盤材に用いる膨張抑制剤として、水溶性のアクリル酸系重合体が正しく好適であることを見出した。

すなわち本発明は、膨張性鉱物を含有する路盤材用の膨張抑制剤であって、水溶性のアクリル酸系重合体から成ることを特徴とする膨張性抑制剤に係る。

本発明において、膨張抑制剤として用いる水溶性のアクリル酸系重合体は、アクリル酸及び／又はその塩から形成された構成単位を主構成単位とするものであるが、なかでも水溶性のアクリル酸系重合体としては、全構成単位中に下記の化１で示される構成単位Ａを６０モル％以上有するものが好ましく、７０モル％以上有するものがより好ましい。

化１において、
Ｍ：水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム又は有機アミン

構成単位Ａを形成することとなる単量体としては、１）アクリル酸、２）アクリル酸ナトリウム、アクリル酸カリウム、アクリル酸リチウム等のアクリル酸アルカリ金属塩、３）アクリル酸カルシウム、アクリル酸マグネシウム等のアクリル酸アルカリ土類金属塩、４）アクリル酸アンモニウム塩、５）アクリル酸トリエタノールアミン、アクリル酸ジエタノールアミン等のアクリル酸有機アミン塩が挙げられる。構成単位Ａには、単量体としてアクリル酸を用いて重合した後、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム又は有機アミンで中和して得られるアルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、アンモニウム塩、有機アミン塩が含まれる。なかでも構成単位Ａを形成することとなる単量体としては、アクリル酸及び／又はアクリル酸ナトリウムが好ましい。

前記の水溶性のアクリル酸系重合体は、構成単位Ａ以外に、他の構成単位を有することができる。かかる他の構成単位を形成することとなる単量体としては、メタクリル酸、メタクリル酸の塩、クロトン酸、クロトン酸の塩、マレイン酸、マレイン酸の塩、無水マレイン酸、フマル酸、フマル酸の塩、アクリル酸アルキル、メタクリル酸アルキル、アクリル酸ヒドロキシアルキル、メタクリル酸ヒドロキシアルキル、アクリルアミド、アリルスルホン酸、アリルスルホン酸の塩、メタリルスルホン酸、メタリルスルホン酸の塩、スチレンスルホン酸、スチレンスルホン酸の塩、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸の塩、スチレン、酢酸ビニル、エチレン、イソプレン及びイソアミレン等から選ばれる一つ又は二つ以上が挙げられる。なかでも、他の構成単位を形成することとなる単量体としては、マレイン酸、マレイン酸の塩、無水マレイン酸、メタクリル酸、メタクリル酸の塩が好ましい。

前記の水溶性のアクリル酸系重合体は、その質量平均分子量が特に制限されるというものではないが、質量平均分子量が３０００〜２０００００００のものが好ましく、１００００〜１０００００００のものがより好ましい。

前記の水溶性のアクリル酸系重合体それ自体は、公知の方法で合成できる。これには例えば、特開平５−１１７３０６号公報に記載の方法が挙げられる。より具体的には、ステンレス製圧力反応容器に、まずアクリル酸水溶液と水酸化ナトリウム水溶液とを加えてアクリル酸を部分中和し、次に窒素雰囲気下に過硫酸塩を加えた後、加温下に重合反応を行うことにより合成できる。

路盤材の膨張抑制剤として用いる水溶性のアクリル酸系重合体は、膨張性鉱物を含有する路盤材、例えば鉄鋼スラグの質量に対して０．１〜４質量％となるように用いるのが好ましく、０．５〜３質量％となるように用いるのがより好ましい。水溶性のアクリル酸系重合体は、単独で使用しても、あるいは必要に応じ２種類以上を併用しても構わない。また水溶性のアクリル酸系重合体の本来的機能を損なわない限り、水不溶性の高吸水性樹脂、オキシカルボン酸やその塩、単糖類、多糖類、消泡剤、起泡剤、ポゾラン物質、水硬性物質等と併用しても構わない。水溶性のアクリル酸系重合体は、膨張性鉱物を含有する路盤材にそのまま添加しても、又は水に溶解してから添加してもよく、双方を併用してもよい。膨張性鉱物を含有する路盤材は、既に施工されている膨張性鉱物を含有する路盤材を取出し、これに水溶性のアクリル酸系重合体を加えた後に、再度路盤材として用いてもよい。以上説明したような水溶性のアクリル酸系重合体の市販品としては、日本触媒社製の商品名でアクアリックＬやアクアリックＨ、東亞合成社製の商品名でアロンやジュリマー等が挙げられる。

本発明の膨張性鉱物を含有する路盤材の膨張抑制剤は、時間のかかる通常エージング処理や、コストのかかる促進エージング処理をわざわざ行なわなくても、膨張性鉱物を含有する鉄鋼スラグのような路盤材の膨張を長期間に亘って実用上充分に抑えることができるという効果がある。

以下、本発明の構成及び効果をより具体的にするため、実施例等を挙げるが、本発明がこれら実施例に限定されるものではない。尚、以下の実施例及び比較例において、部は質量部を、また％は質量％を意味する。

試験区分１（アクリル酸系重合体の合成）
・アクリル酸系重合体（Ｐ−１）の合成
反応容器に、アクリル酸７２ｇ、３−メルカプトプロピオン酸３．５ｇ及び水７４２ｇを仕込んで混合し、濃度３０％の水酸化ナトリウム水溶液６６ｇを撹拌しながら加えて中和した。雰囲気を窒素置換した後、反応系の温度を温水浴にて６０℃に保ち、濃度２０％の過硫酸ナトリウム水溶液１０ｇを滴下して重合を開始し、４時間重合反応を行なって、アクリル酸系重合体（Ｐ−１）の１０％水溶液を得た。このアクリル酸系重合体（Ｐ−１）の質量平均分子量は４２００であった。

・アクリル酸系重合体（Ｐ−２）の合成
アクリル酸系重合体（Ｐ−１）の場合と同様にして、表１に記載したアクリル酸系重合体（Ｐ−２）の１０％水溶液を得た。このアクリル酸系重合体（Ｐ−２）の質量平均分子量は２７０００であった。

・アクリル酸系重合体（Ｐ−３）の合成
反応容器に、無水マレイン酸４９ｇ及び水３０３ｇを仕込んで混合し、雰囲気を窒素置換した後、反応系の温度を９０℃に保ち、アクリル酸８４ｇとイオン交換水１４０ｇの混合液及び濃度２０％の過硫酸ナトリウム水溶液２０ｇを４時間かけて滴下して重合反応を行なった後、濃度３０％の水酸化ナトリウム水溶液１９ｇを添加し、イオン交換水にて１０％水溶液となるよう希釈して、アクリル酸系重合体（Ｐ−３）の１０％水溶液を得た。このアクリル酸系重合体（Ｐ−３）の質量平均分子量は３６０００であった。

・アクリル酸系重合体（Ｐ−４）の合成
反応容器に、イオン交換水２６０ｇを仕込み、撹拌しながら雰囲気を窒素置換し、反応系の温度を６０℃に保った。次にアクリル酸３５ｇ、ポリプロピレングリコール０．３ｇ、アセトン１４ｇ及び重合開始剤として２，２−アゾビス（２，４−ジメチルバレロニトリル）０．０１ｇを添加した。白濁による反応が始まってからアクリル酸１２０ｇ及びアセトン３６ｇの混合液１５６ｇと前記の重合開始剤０．０５ｇを分割して添加した。全量仕込みが終わった後、更に６０℃の温度下で２時間熟成して、重合体の懸濁液を得た。この懸濁液を濾過し、濾別した固形分を乾燥した後、水酸化ナトリウムでｐＨ６に調整したイオン交換水水溶液を加えて、アクリル酸系重合体（Ｐ−４）の１０％水溶液を得た。このアクリル酸系重合体（Ｐ−４）の質量平均分子量は３０００００であった。

・アクリル酸系重合体（Ｐ−５）の合成
アクリル酸系重合体（Ｐ−４）の場合と同様にして、表１に記載したアクリル酸系重合体（Ｐ−５）を合成し、水酸化ナトリウムにて中和を行ない、乾燥してアクリル酸系重合体（Ｐ−５）を得た。このアクリル酸系重合体（Ｐ−５）の質量平均分子量は５００００００であった。以上で合成したアクリル酸系重合体の内容を表１にまとめて示した。

試験区分２（評価その１：１０日における水浸膨張比）
試験に供した路盤材としての鉄鋼スラグの組成はＣａＯが３６〜３９％、ＭｇＯが３．５〜５．７％で、クラッシャラン鉄鋼スラグのＣＳ−４０に粒度調整したもの。これをＪＩＳ Ａ ５０１５にしたがって８０℃で１０日間（８０℃での保持時間は１日６時間）における水浸膨張比を測定した。結果を表２にまとめて示した。各比較例及び実施例に供した鉄鋼スラグは下記の通りである。
比較例１：エージングを行なっていない鉄鋼スラグ。
比較例２：通常（大気）エージングを８ヶ月行なった鉄鋼スラグ。
比較例３：促進エージングである蒸気エージングを４８時間行なった鉄鋼スラグ。
実施例１：エージングを行なっていない鉄鋼スラグに、膨張抑制剤として試験区分１で合成したアクリル酸系重合体（Ｐ−１）の１０％水溶液をアクリル酸系重合体（Ｐ−１）として０．５％となるよう添加した。
実施例２〜６：膨張抑制剤の種類や添加量を表２記載のように変えて実施例１と同様に行なった。

表２において、
Ｐ−１〜Ｐ−５：試験区分１で合成したアクリル酸系重合体
添加量：アクリル酸系重合体としての添加量

表２の結果からも明らかなように、ＭｇＯの含有量が少ない鉄鋼スラグの場合でも、エージングを行なわなければ、水浸膨張比は２．５％に達するが、通常エージングや促進エージングを行なうことにより、ＪＩＳの基準を満足する水浸膨張比となることがわかる。また膨張抑制剤として水溶性のアクリル酸系重合体を用いる本発明によれば、わざわざエージングを行なわなくても、ＪＩＳの基準を満足する水浸膨張比となることがわかる。

試験区分３（評価その２：１０日と９０日における水浸膨張比）
試験に供した路盤材としての鉄鋼スラグの組成はＣａＯが４０〜４３％、ＭｇＯが１２〜１８％で、クラッシャラン鉄鋼スラグのＣＳ−４０に粒度調整したもの。これをＪＩＳＡ５０１５にしたがって８０℃で１日６時間保持の１０日間における水浸膨張比に加え、８０℃で９０日間連続保持したときの水浸膨張比を測定した。結果を表３にまとめて示した。各比較例及び実施例に供した鉄鋼スラグは次の通りである。
比較例４：通常（大気）エージングを８ヶ月行なった鉄鋼スラグ。
実施例７〜１２：エージングを行なっていない鉄鋼スラグに、膨張抑制剤として試験区分１で合成した水溶液のアクリル酸系の重合体を表２記載のように添加した。

表３において、
Ａ−１〜Ａ−５：試験区分１で合成したアクリル酸系重合体
添加量：アクリル酸系重合体としての添加量

表３の結果からも明らかなように、ＭｇＯの含有量が多い鉄鋼スラグの場合でも、通常エージングを行なうことにより、８０℃で１０日間の水浸膨張比（８０℃±３℃で６時間保持した後に養生装置内で放冷するという操作を１日１回行ない、これを１０日間繰り返した場合の水浸膨張比）が基準の１．５％以下を達成できている。しかし、８０℃で９０日間連続保持したときの水浸膨張比を測定すると、１０％を超える値となっていて、ＭｇＯの含有量の多い鉄鋼スラグの場合、通常エージングでは長期間に亘る充分な膨張抑制効果は期待できない。これに対して各実施例では、ＭｇＯの含有量が多い鉄鋼スラグの場合に、わざわざ通常エージングを行なわなくても、８０℃で１０日間の水浸膨張比はすべて０．１〜０．２％となっていて、また膨張抑制剤の種類や添加量によっては８０℃で９０日間連続保持したときの水浸膨張比を１％未満に抑制できている。

Claims (4)

1. 膨張性鉱物を含有する路盤材の膨張抑制剤であって、水溶性のアクリル酸系重合体から成ることを特徴とする膨張抑制剤。
2. アクリル酸系重合体が、全構成単位中に下記の化１で示される構成単位Ａを６０モル％以上有するものである請求項１記載の膨張抑制剤。
   

   

   （化１において、
   Ｍ：水素原子、アルカリ金属、アルカリ土類金属、アンモニウム又は有機アミン）
3. アクリル酸系重合体が、質量平均分子量３０００〜２０００００００のものである請求項１又は２記載の膨張抑制剤。
4. アクリル酸系重合体が、質量平均分子量１００００〜１０００００００のものである請求項１〜３のいずれか一つの項記載の膨張抑制剤。