JP4696851B2

JP4696851B2 - 簡易舗装用スラグ及び簡易舗装体、並びに、土木工事用スラグ及び土木工事施工体

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Publication number: JP4696851B2
Application number: JP2005314822A
Authority: JP
Inventors: 克則高橋; 正文池田; 達人高橋
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2025-10-28
Also published as: JP2007120184A

Description

本発明は、簡易舗装用スラグ及び簡易舗装体、並びに、土木工事用スラグ及び土木工事施工体に関し、詳しくは、トラックなどの通行や駐車に支障のある軟弱地盤に対して、強度の高い簡易舗装体及び土木工事施工体を提供しうる簡易舗装用スラグ及び土木工事用スラグに関し、また、これを使用して施工した簡易舗装体及び土木工事施工体に関するものである。

鉄鋼を生産するプロセスでは、スラグが副生物として発生する。そのスラグは、鉄鋼のプロセスに合わせて、大きく高炉スラグと製鋼スラグとに分類されている。高炉スラグは、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂ ）が低いことから、徐冷した場合でも高い形態安定性を有し、路盤材などに活用されている。また、急冷した場合にはガラス質となり、砂代替材料として、或いは粉砕して高炉スラグ微粉末と呼ばれるセメント混和材として使用されている。一方、製鋼スラグは、生産する鋼種や精錬の条件などによって様々な組成のスラグが発生し、各々のスラグの特性に合わせた用途が検討されており、その代表的な用途は道路用材料及び土木工事用材料である。

しかし、製鋼スラグのうちの塩基度が高いスラグでは、例えば路盤材に使用した場合には、未滓化のＣａＯ分が周囲の水分或いは雨水を吸収して膨張または崩壊し、安定した路盤材としての支持力を保てないという問題点がある。このようなスラグの利用方法としては、スラグを改質して膨張現象を事前に抑制するか、或いは、膨張しても問題とならない用途への適用が検討されてきた。特に、後者の利用方法は、スラグの本来持つ特性を生かし、また追加の処理プロセスを必要としないため、より経済的な方法と考えられている。

その代表的な用途が簡易舗装体や土間の駐車場や資材置き場などの土木工事施工体、或いは埋め立て造成地用の土木工事施工体である。これらは、一般の自動車に限らず、資材運搬や仮設構造物を構築するためのダンプトラックやショベルカーなどの建設用重量車両を通行させる必要があり、重量車両の通行をも可能とするべく、このような簡易舗装体や土木工事施工体を軟弱地盤において施工するには、従来、土状地盤にセメントや地盤強固剤を混ぜて固化させて地盤改良を行うか、或いは砕石を敷きつめるのが一般的であり、それでも不十分な場合には、その上に更に鉄板などを敷いて供用していた。

製鋼スラグは、砕石などの代替材料としてこれらの用途に利用されてきた。スラグを簡易舗装用材料や土木工事用材料として用いることによって、経済的に施工できること及び天然資源の保護ができることなどの利点があり、しかも、路盤のような半恒久的構造物ではなく、且つ上部に別の構造物を構築するという条件ではないことから、膨張などの影響が小さく、高塩基度スラグの活用として有用性の高い用途の１つである。

しかし、製鋼スラグを簡易舗装用材料、土木工事用材料などに用いる場合、締め固めが難しい場合があったり、固結に長時間を費やすなどしたりして、本来期待される特性が発揮されない場合が多かった。尚、このような用途では、路面或いは施工面が荒れたり破損したりした場合には、単純に補修をすればよいと考えられることが多いが、その補修の期間は、その部位が供用できなくなるため、経済的な損失が発生する。加えて、実際にそこを通行する車両に対しては、不慮の事故が発生する危険性もある。特に、軟弱地盤における簡易舗装体や土木工事施工体は、路面の崩落や雨水による泥状化が生じるため、これらを防止する必要がある。

上記の問題を解決するべく、例えば特許文献１では、転炉スラグに高炉水砕スラグ及び高炉水砕スラグ粉末を混合することにより、締め固め性と固結時間の短縮を実現している。しかしながら、この方法でも、転炉スラグ、高炉水砕スラグ及び高炉水砕スラグ粉末を混合する必要があり、均質に混合できない場合には、特性のばらつきが発生する恐れがあった。
特開平１−２０７５０１号公報

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、製鋼スラグを簡易舗装用材料や土木工事用材料として用いて簡易舗装体或いは土木工事施工体を施工するに当たり、固結時の強度が高く且つ締め固め性に優れる簡易舗装用スラグ及び土木工事用スラグを提供することであり、更に、これらを用いた強度の高い簡易舗装体及び土木工事施工体を提供することである。

本発明は、前記課題を解決するべく、製鋼スラグの締め固め性と固結性について鋭意試験・調査した結果から見出されたものである。

即ち、第１の発明に係る簡易舗装用スラグは、２週間以上の大気暴露処理、または蒸気エージング処理の施された、スラグの表面に存在する遊離ＣａＯが水和され、内部に遊離ＣａＯを含有する塩基度が１．７超えの製鋼スラグからなる砕石代替材料であることを特徴とするものである。

第２に発明に係る簡易舗装体は、第１の発明に記載の簡易舗装用スラグを用いて施工された簡易舗装体であって、前記簡易舗装用スラグを地盤に敷き、水和反応を促進させるための散水を行った後に転圧して形成されることを特徴とするものである。

第３の発明に係る簡易舗装体は、第２の発明において、前記地盤が軟弱地盤であることを特徴とするものである。

第４の発明に係る簡易舗装体は、第３の発明において、前記軟弱地盤がシルト、廃棄物処理地盤、残土処理地盤のうちの何れか１種であることを特徴とするものである。

第５の発明に係る土木工事用スラグは、２週間以上の大気暴露処理、または蒸気エージング処理の施された、スラグの表面に存在する遊離ＣａＯが水和され、内部に遊離ＣａＯを含有する塩基度が１．７超えの製鋼スラグからなる砕石代替材料であることを特徴とするものである。

第６の発明に係る土木工事施工体は、第５の発明に記載の土木工事用スラグを用いて施工された土木工事施工体であって、前記土木工事用スラグを地盤に敷き、水和反応を促進させるための散水を行った後に転圧して形成されることを特徴とするものである。

第７の発明に係る土木工事施工体は、第６の発明において、前記地盤が軟弱地盤であることを特徴とするものである。

第８の発明に係る土木工事施工体は、第７の発明において、前記軟弱地盤がシルト、廃棄物処理地盤、残土処理地盤のうちの何れか１種であることを特徴とするものである。

本発明に係る簡易舗装用スラグ及び土木工事用スラグは、塩基度が１．７越えであるので固結強度が高く、また２週間以上の大気暴露処理または蒸気エージング処理を施しているので、未滓化のＣａＯによる急激な膨張反応が抑制されると同時に、部分的に膨張が起こり、スラグの一部が粉化することによって充填性が向上して締め固め性に優れている。また、本発明に係る簡易舗装体及び土木工事施工体は、このようにして調製した製鋼スラグを敷設した後に散水し、散水した後に転圧して施工されるので、従来に比べて格段に強度が高くなる。従って、地盤が軟弱地盤であっても、強度の高い、耐久性に優れた簡易舗装体及び土木工事施工体を形成することが可能となる。

以下、本発明を具体的に説明する。

製鋼スラグは、プロセスや製造する鋼種により塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂ ）が大きく異なるが、簡易舗装体、或いは土間の駐車場や資材置き場、更には埋め立て造成地用の土木工事施工体として施工した場合に、固結時の強度を発現させるためには、スラグの塩基度が重要であることが分かった。ここにおけるスラグの塩基度は、スラグ中のＣａＯ濃度（質量％表示）とＳｉＯ₂濃度（質量％表示）との濃度比で表示したものである。スラグの塩基度が低い場合、スラグ中のＣａＯ成分は、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂ やＣａＯ・Ｆｅ₂Ｏ₃ などの化合物を形成する。これらは大気中でも安定なため、固結強度を大きくするのに寄与しない。一方、塩基度が高くなると、未滓化のＣａＯ（これを「遊離ＣａＯ」或いは「フリーライム」とも呼ぶ）がスラグ中に存在し、これが大気に晒されることによって、Ｃａ（ＯＨ）₂やＣａＣＯ₃ に徐々に変化していく。これらのうち、ＣａＯやＣａ（ＯＨ）₂ は、水と接触するとアルカリ性を呈することとなる。このアルカリ化によって、スラグの水和反応が起こり、生成した水和物がスラグ個体間の結合剤となり、固結強度が発現するものと考えられる。

本発明者等は、この反応に寄与するＣａＯ或いはＣａ（ＯＨ）₂ が発現する条件について鋭意調査した。その結果、ＣａＯ或いはＣａ（ＯＨ）₂による水和反応を安定して発生させるためには、つまり固結強度を高めるためには、スラグの塩基度が１．７を超えることが必要であることを見出した。図１に、塩基度の異なる転炉スラグ及び脱燐スラグに対して蒸気エージング処理または大気暴露処理を施した後、水を１０質量％加えて締め固めを行い、４週間経過した後の一軸圧縮強度の調査結果を示す。図１に示すように、塩基度が１．７を超えると固結強度が上昇することが分かった。

即ち、本発明において簡易舗装用スラグ及び土木工事用スラグとして使用する製鋼スラグは、その塩基度が１．７越えであることが必要と分かった。この場合、高強度の施工体を得る観点からみれば、好ましくは塩基度が１．８以上の製鋼スラグを用いること、より好ましくは塩基度が２．５以上の製鋼スラグを用いることである。また、塩基度の上限は特に規定する必要はないが、製鋼スラグであることから６．０以下で十分である。尚、本発明の製鋼スラグとは、転炉スラグ、予備処理スラグ、二次精錬スラグの全てであり、これらを単独で使用しても、また混合して使用してもどちらでも構わない。

また、転炉などの処理容器から発生した直後の製鋼スラグを用いて施工した場合、遊離ＣａＯが多すぎ、締め固めをした後に急激に膨張反応が進む可能性があり、その場合には、路面として固結するよりも、崩壊する力のほうが勝ることが分かった。これを回避して、強固な結合を実現するためには、２週間以上の大気暴露処理をするか、或いは、蒸気エージング処理することが必要であることが分かった。これは、２週間以上の大気暴露処理または蒸気エージング処理により、スラグの表面に存在する遊離ＣａＯが水和され、これにより、急激な反応と体積膨張を抑制できるためと考えられる。加えて、これらの大気暴露処理または蒸気エージング処理を施すことによって部分的に膨張が起こり、スラグの一部が粉状になる現象が起こる。スラグの一部が粉化することにより、単純に角張ったスラグのみの場合に比べて、充填性が向上し、締め固め性が改善されるものと推定される。尚、蒸気エージング処理は、２〜４日間程度の処理が好ましい。

本発明においては、このようにして調製した製鋼スラグからなる簡易舗装用スラグを用いて簡易舗装体を形成し、また、このようにして調製した製鋼スラグからなる土木工事用スラグを用いて駐車場や資材置き場、更には埋め立て造成地用の土木工事施工体を形成する。但し、その際に、締め固め性を改善し、簡易舗装体及び土木工事施工体の強度を高めるために、製鋼スラグを地盤に敷いた後、スラグに散水する必要がある。散水により、スラグ個体間の流動性が向上し、締め固め性が改善される。加えて、スラグ個体間の固結を推進するのは、前述したように水和反応によるものであり、散水することにより水和反応が進行しやすくなると推定される。

つまり、固結に寄与する水和反応は、ＣａＯ、ＳｉＯ₂ 及びＨ₂ Ｏの反応物に、一部Ａｌ₂ Ｏ₃ などが化合した状態になって起こる。その場合、水を介して反応が進行する。スラグに散水することによって、この水和反応が進行しやすくなり、スラグの固結が速やかに起こると考えられる。従来の製鋼スラグを用いて施工した簡易舗装体や土木工事施工体では、部分的に固結が起こったり、また固結が遅延する現象が見られたりしたが、これは、スラグ表面に存在する吸着した水分のみでは水和反応が進みにくく、雨水も全体を満遍なく通ることはないため、固結が不安定になり、強度が低下したと考えられる。

散水の量としては、スラグに対し、１質量％以上であればよく、より望ましくは５質量％から１５質量％である。散水量の上限は、過剰の水分は施工体の下部に抜けることから特に規定する必要は無いが、無駄な散水を防止するために２５質量％以下とすることが好ましい。

また、本発明においては、散水した後に転圧する必要がある。ブルドーザーやローラなどによる転圧により、地盤に敷かれ且つ散水されたスラグは、締め固められて簡易舗装体或いは土木工事施工体となる。簡易舗装用スラグ及び土木工事用スラグの施工厚みは３０ｃｍ以上とすることが好ましい。

このように、本発明に係る簡易舗装用スラグ及び土木工事用スラグは、塩基度が１．７越えであるので固結強度が高く、また２週間以上の大気暴露処理または蒸気エージング処理を施しているので、未滓化のＣａＯによる急激な膨張反応が抑制されると同時に、部分的に膨張が起こり、スラグの一部が粉化することによって充填性が向上して締め固め性に優れる。また、本発明に係る簡易舗装体及び土木工事施工体は、このようにして調製した製鋼スラグを敷設した後に散水し、散水した後に転圧して施工されるので、従来に比べて格段に強度が高くなる。従って、地盤が軟弱地盤であっても、強度の高い、耐久性に優れた簡易舗装体及び土木工事施工体を形成することが可能となる。

従来のセメントによる地盤改良では、地盤が多量の水を含む所謂「シルト」の場合には、セメントの強度発現効果が得られないが、そのような土壌に対しても本発明は効果を発揮する。この多量の水を含む地盤、つまりシルトは、粒径が７５μｍ未満のシルト分と呼ばれる細粒を５０質量％以上含んだ泥状の地盤である。シルトの例としては、水田の跡地や鉱物を採掘した跡地などがある。

また、一般廃棄物処理地盤のように、様々な物質が積層されている場合には、従来のセメントによる地盤改良は用いることが出来ず、砕石を積む方法があるが、積層が不安定な場合には部分的に陥没が起こったりする恐れがあるが、これに対しても、本発明は効果を発現する。更に、残土処理地盤に対しても本発明は効果を発現する。

製鋼スラグとして、塩基度が２．７〜４．９である転炉スラグ（溶銑の脱炭精錬スラグ）及び塩基度が１．５〜２．７である予備処理スラグ（溶銑の予備脱燐処理スラグ）を用い、エージング処理として、１週間の大気暴露処理を施したもの、１ヶ月間の大気暴露処理を施したもの、６ヶ月間の大気暴露処理を施したもの及び３日間の蒸気エージング処理を施したものを、シルト、廃棄物処理地盤、残土処理地盤、及び通常の転圧した路床に施工して簡易舗装体を形成し、簡易舗装体の特性を評価する試験を実施した（試験Ｎo.１〜２１）。

簡易舗装体の形成に当たり、スラグを施工した後に散水し、散水した後に転圧して簡易舗装体を形成したが、一部の試験（試験Ｎo.１８，１９，２１）では、スラグの施工後に散水せずに直ちに転圧する試験も実施した。全ての試験で、スラグの施工厚みは５０ｃｍとし、転圧は３回とした。つまり、簡易舗装体の特性に及ぼすスラグ塩基度の影響、スラグのエージング処理の影響、及び、施工後の散水の有無の影響を調査した。

また、従来の簡易舗装体との比較を行うために、砕石を用いて簡易舗装体を形成する試験（試験Ｎo.２２）、並びに、セメント処理土を用いて簡易舗装体を形成する試験（試験Ｎo.２３）も実施した。この場合も、施工厚みは５０ｃｍとした。

簡易舗装体の評価方法としては、施工時の締め固め性を、締め固め度（施工後の密度×１００／最大乾燥密度）で評価し、簡易舗装体の強度特性を、施工後７日後及び２８日後にコア抜きサンプル（ｎ＝３）を採取し、このサンプルを用いてＪＩＳＡ１２１６−１９９８に準拠して一軸圧縮強度を測定し、測定した３つのサンプルの平均値で評価し、また、施工３日後にダンプトラックを走行させ、表面の耐轍掘れ性を評価した。ここでは、締め固め度が９０％以上で締め固め性に優れると評価し、施工後７日後の一軸圧縮強度に比べて２８日後の一軸圧縮強度が高くなっていれば、強度特性に優れる、つまり強度発現性があると評価し、轍掘れが発生しない場合を耐轍掘れ性に優れると評価した。

表１に試験条件及び試験結果を示す。表１において、耐轍掘れ性の欄の○印は轍掘れが発生しない場合を表し、△印及び×印は轍掘れが発生した場合を表し、特に、×印は轍掘の発生が著しいことを表している。また、エージング処理方法の欄の「１週間」、「１ヶ月」、「６ヶ月」は大気暴露処理の期間を表し、「蒸気」は蒸気エージング処理を表している。尚、表１の備考欄には本発明の範囲内の試験には「本発明例」と表示し、それ以外の試験には「比較例」と表示している。

表１に示すように、強固な路床に限らず、シルト、廃棄物処理地盤、残土処理地盤においても本発明の簡易舗装体であれば、締め固め性が良く強度の高い施工体が得られることが分かった。また、散水の有無により、特に締め固め性が異なっており、強度発現の速度も異なることが分かった。更に、スラグの塩基度は、締め固め時の締め固め度にはほとんど影響しないものの、強度の発現は、塩基度１．７越えで明確に認められ、塩基度が２．５以上で顕著であり、本発明が有効であることが分かった。また更に、本発明の条件では、軟弱地盤に適用した場合でもダンプトラックの走行が可能であることが確認され、高い耐久性が確認できた。

上記のように、本発明に則り、製鋼スラグを用いて軟弱地盤に施工した場合にも、転圧が確実にでき、固結が速やかに進むことによって、強度の高い簡易舗装体及び土木工事施工体を施工することが可能となることが分かった。特に、表面のスラグ層が安定した強度を発現することから、陥没が起こりにくくなることも分かった。

締め固め後、４週間経過時点の一軸圧縮強度の調査結果を示す図である。

Claims

２週間以上の大気暴露処理、または蒸気エージング処理の施された、スラグの表面に存在する遊離ＣａＯが水和され、内部に遊離ＣａＯを含有する塩基度が１．７超えの製鋼スラグからなる砕石代替材料であることを特徴とする簡易舗装用スラグ。
請求項１に記載の簡易舗装用スラグを用いて施工された簡易舗装体であって、前記簡易舗装用スラグを地盤に敷き、水和反応を促進させるための散水を行った後に転圧して形成されることを特徴とする簡易舗装体。
前記地盤が軟弱地盤であることを特徴とする、請求項２に記載の簡易舗装体。
前記軟弱地盤がシルト、廃棄物処理地盤、残土処理地盤のうちの何れか１種であることを特徴とする、請求項３に記載の簡易舗装体。
２週間以上の大気暴露処理、または蒸気エージング処理の施された、スラグの表面に存在する遊離ＣａＯが水和され、内部に遊離ＣａＯを含有する塩基度が１．７超えの製鋼スラグからなる砕石代替材料であることを特徴とする土木工事用スラグ。
請求項５に記載の土木工事用スラグを用いて施工された土木工事施工体であって、前記土木工事用スラグを地盤に敷き、水和反応を促進させるための散水を行った後に転圧して形成されることを特徴とする土木工事施工体。
前記地盤が軟弱地盤であることを特徴とする、請求項６に記載の土木工事施工体。
前記軟弱地盤がシルト、廃棄物処理地盤、残土処理地盤のうちの何れか１種であることを特徴とする、請求項７に記載の土木工事施工体。