JP4965178B2 - 高空隙率土木・建築材料及び堤体用ドレーン材料 - Google Patents

Description

本発明は、改質硫黄と特定の粒状骨材を利用した、高空隙率を有する土木・建築材料及び河川の堤防等に使用することが可能な堤体用ドレーン材料に関する。

従来から、防波堤基礎の地盤改良材、漁礁、藻礁、各種ブロック等に利用可能な多孔性コンクリートを利用した土木・建築用構造物が、例えば特許文献１等を含め数多く提案されている。
一方、近年、コンクリートに代わる土木・建築材料として、耐酸性、機械的強度、遮水性等に優れる硫黄含有材料が多数提案され、利用されはじめている。
このような硫黄含有材料は、該材料中の硫黄又は改質硫黄の溶融温度が通常１２０℃以上であるため、１２０〜１６０℃程度に保持した溶融硫黄含有物を、所定の型枠に流し込み成型固化させることにより製造されている。また、硫黄含有材料を利用した多孔体として、特許文献２には、硫黄材料と骨材とを含み、透水性を示す連続空隙を有し、空隙率が５〜４０容量％である多孔質硫黄材料が提案されている。
ところで、特許文献３には、下層路盤材や盛土材等の地盤材料として有用な石炭灰に特定割合の電炉還元スラグやベントナイトを添加した混合体に水分を加えて混練し、粒状体に加工した石炭灰粒状材が記載されている。
しかし、このような石炭灰粒状材と改質硫黄とを利用した空隙率に優れた土木・建築材料は従来知られていない。
特開平５−８５８５１号公報 特開２００４−１８９５３８号公報 特開２００１−４８６３３号公報

本発明の課題は、改質硫黄と略球状の特定な石炭灰粒状材を利用した、優れた透水性を発揮しうる高空隙率や、高圧縮強度等の耐久性を必要とする、土木・建築構造物に利用可能な、高空隙率土木・建築材料を提供することにある。
本発明の別の課題は、改質硫黄と略球状の特定な石炭灰粒状材を利用した、河川等の堤体への浸透水を速やかに排水することが可能な高空隙率を有し、且つ高圧縮強度等の耐久性にも優れた堤体用ドレーン材を提供することにある。

本発明によれば、石炭灰１００質量部と、電炉還元スラグ１０〜１００質量部とを含む、直径２〜５０ｍｍの石炭灰粒状材の各々を、粒径１ｍｍ以下の微粉末１００質量部及び改質硫黄３０〜４００質量部を含む改質硫黄含有流動材料によって、被覆、接着固化した、空隙率２５〜５０％である高空隙率土木・建築材料又は堤体用ドレーン材料が提供される。

本発明の高空隙率土木・建築材料又は堤体用ドレーン材料は、略球状である特定の石炭灰粒状材の各々を、特定の改質硫黄含有流動材料によって、被覆、接着固化した高空隙率の構造を有するので、優れた透水性を発揮しうる高空隙率や、高圧縮強度等の耐久性を必要とする、土木・建築構造物に利用可能であり、特に、河川等の堤体への浸透水を速やかに排水することが可能な堤体用ドレーン材として使用することができる。

以下、本発明を更に詳細に説明する。
本発明の高空隙率土木・建築材料又は堤体用ドレーン材料(以下、本発明の材料と総称する)は、特定の石炭灰粒状材の各々を、特定の改質硫黄含有流動材料によって、被覆、接着固化した、空隙率２５〜５０％、好ましくは３０〜４５％の構造体である。
本発明の材料に用いる特定の石炭灰粒状材は、石炭灰及び電気還元スラグを含む材料を、直径２〜５０ｍｍ、好ましくは５〜３０ｍｍの略球状に成形した成形物である。特に、本発明のドレーン材料の場合には、石炭灰粒状材の直径は、５〜３０ｍｍがドレーン材料としての機能が発揮し易く好ましい。
本発明の材料において、各々の石炭灰粒状材の粒径は、空隙率を高くするためには略同程度の粒径とすることが好ましい。

石炭灰粒状材に含まれる電炉還元スラグは、電炉操業時に発生する粉体品をそのまま利用できる。しかし、石炭灰との混合により充分な強度発現効果を得るために、また、石炭灰との粒状化に際して、該粒状化を容易にするために、電炉還元スラグの粒径を、石炭灰の粒径と同程度に調整することが好ましい。従って、塊状の電炉還元スラグは、粉化し、好ましくは石炭灰の粒径と同程度の粒径となるように粉化することが好ましい。
電炉還元スラグは、石炭灰粒状材の製造に際して、脱水処理した状態で用いることができる他、各成分のバインダー機能を発揮させるために、電炉還元スラグ調製時に脱水処理した廃棄汚泥と共に用いることもできる。
石炭灰粒状材は、前記石炭灰、電炉還元スラグの他に、石炭灰粒状材の製造時における各成分の接着性を向上させるためにベントナイト等を含有させることもできる。

石炭灰粒状材において、電炉還元スラグの含有割合は、石炭灰１００質量部に対して、１０〜１００質量部、好ましくは２５〜７５質量部である。電炉還元スラグの含有割合が、石炭灰１００質量部に対して１０質量部未満では、得られる石炭灰粒状材の強度が低下する。一方、電炉還元スラグの含有割合が、石炭灰１００質量部に対して１００質量部を超える場合には、石炭灰粒状材を調製する際の粒状化が困難である。
石炭灰粒状材において、前記ベントナイトを用いる場合の含有割合は、石炭灰１００質量部に対して、通常１〜５質量部である。ベントナイトの含有割合が、石炭灰１００質量部に対して１質量部未満では、ベントナイトの接着性作用が充分得られない恐れがある。一方、ベントナイトの含有割合が、石炭灰１００質量部に対して５質量部を超える場合には、得られる石炭灰粒状材の強度が低下するおそれがある。

石炭灰粒状材の製造は、前記特許文献３を参照して得ることができる。基本的には、石炭灰と、電炉還元スラグと、必要によりベントナイトとを、混合・混練機で混合した混合体を、パンペレタイザー等のパン型造粒機等を用いて、加湿のために散水しながら所望の大きさに造粒し、乾燥する方法等により得ることができる。

本発明の材料に用いる改質硫黄含有流動材料は、粒径１ｍｍ以下の微粉末及び改質硫黄とを特定割合で含む。
前記改質硫黄は、通常の硫黄、例えば、天然産又は、石油や天然ガスの脱硫によって生成した硫黄等を硫黄改質剤により重合したものであって、硫黄と硫黄改質剤との反応物である。

硫黄改質剤としては、例えば炭素数４〜２０のオレフィン系炭化水素又はジオレフィン系炭化水素、具体的には、リモネン、ピネン等の環状オレフィン系炭化水素、スチレン、ビニルトルエン、メチルスチレン等の芳香族炭化水素、ジシクロペンタジエン及びそのオリゴマー、シクロペンタジエン、テトラヒドロインデン、ビニルシクロヘキセン、ビニルノルボルネン、エチリデンノルボルネン、シクロオクタジエン等のジエン系炭化水素等の１種又は２種以上の混合物が挙げられる。
前記改質硫黄は、硫黄と硫黄改質剤とを溶融混合することにより得ることができる。この際、硫黄改質剤の使用割合は、硫黄と硫黄改質剤との合計量に対して、通常０．１〜３０質量％、特に、１．０〜２０質量％の割合が好ましい。

前記溶融混合は、例えば、インターナルミキサー、ロールミル、ドラムミキサー、ポニーミキサー、リボンミキサー、ホモミキサー、スタティックミキサー等を用いて行うことができる。
前記改質硫黄の調製にあたり、溶融混合方法は、例えば、硫黄と硫黄改質剤とを１２０〜１６０℃の範囲、硫黄が効率よく改質するように好ましくは１３０〜１５５℃、より好ましくは１４０〜１５５℃の範囲で溶融混合し、１４０℃における粘度が０．０５〜３．０Pa・sになるまで滞留させる方法等により行うことができる。

前記改質硫黄含有流動材料において、前記改質硫黄の含有割合は、後述する微粉末１００質量部に対して、通常３０〜４００質量部、好ましくは５０〜３００質量部である。３０質量部未満では、微粉末との均一混合が十分でなく、４００質量部を超えると、改質硫黄と微粉末とが分離して均一な改質硫黄含有流動材料が得られ難い。

前記改質硫黄含有流動材料に用いる微粉末は、粒径１ｍｍ以下、好ましくは１００μｍ以下の微粉末である。前記微粉末の粒径が１ｍｍを超えると改質硫黄含有流動材料の流動状態の維持が困難である。このような微粉末の粒径調整は公知技術が利用でき、例えば、ふるい等で調整することができる。粒径はJIS標準ふるいを使用して規定できる。
微粉末としては、上記特定粒度を有するものであれば特に限定されないが、例えば、粒経分布の調整が容易で均一なものを大量に入手しやすい点で、石炭灰、硅砂、シリカヒューム、石英粉、砂、ガラス粉末、前記石炭灰粒状材及び電気集塵灰からなる群より選択される１種又は２種以上が好ましく挙げられる。

前記改質硫黄含有流動材料は、流動状態の改質硫黄、即ち、改質硫黄溶融物と微粉末とを混合し、該改質硫黄の溶融状態を維持することにより得ることができる。この際、予め、改質硫黄溶融物と微粉末とを混合し、適当な大きさ、形態に固化したものを、使用時に溶融状態とし、改質硫黄含有流動材料とすることもできる。ここで、改質硫黄含有流動材料が、前記微粉末を含有しない場合には、最終的に得られる本発明の材料の機械的強度が著しく低下する恐れがある。

本発明の材料を製造するには、まず、一方の開口が前記石炭灰粒状材及び前記改質硫黄含有流動材料の両方が通過しうる開口であり、他方の開口が、前記改質硫黄含有流動材料が通過し、前記石炭灰粒状材が通過しない開口である、両端に開口を有する型枠を準備する。該型枠は、通常、改質硫黄含有流動材料の流動状態を維持しうる加温装置を備える。次いで、該型枠に、両方の材料が通過しうる開口から所望量の前記石炭灰粒状材を充填した後、前記改質硫黄含有流動材料を同じ開口から型枠内に導入することにより、充填された石炭灰粒状体に充分に接触、被覆させて、他方の開口から余剰分を流出させる。続いて、型枠内の改質硫黄含有流動材料を冷却して固化させ、脱型する方法により得ることができる。また、前記型枠に、予め、前記石炭灰粒状材及び前記改質硫黄含有流動材料の両方を混合してから、両方の材料が通過しうる開口から型枠内に導入し、他方の開口から改質硫黄含有流動材料の余剰分を流出させた後、冷却固化する方法を採用することもできる。

前記型枠の形態は特に限定されず、例えば、円柱、角柱、平板、ブロック状等が挙げられ、その大きさや容量は最終的に得られる本発明の材料の用途や所望する性能等に応じて適宜選択することができる。
前記型枠の加熱装置は、熱源としては、例えば、型枠の周囲を被覆しうる被覆体内部に熱線ヒーター、面状発熱体、熱媒体流通機構を有するものが挙げられるがこれに限定されない。
前記冷却固化は、型枠全体の自然冷却又は強制冷却により行うことができる。この際、型枠内の改質硫黄が急激な冷却により表面等における不具合な収縮が生じないように、前記型枠が備える加熱装置を利用してその温度を段階的に徐々に下げることが好ましい。このような熱履歴は、型枠の容量、形態等に応じて適宜決定することができる。このような操作を行うことにより、目的とする本発明の材料を最終的に脱型して製造した場合の該材料の外表面を滑らかに仕上げることができる。

本発明の材料は、前述の製造方法等を採用することにより、石炭灰粒状材の各々により形成される空隙を最大限維持して、改質硫黄含有流動材料により石炭灰粒状材を被覆、接着させることができるので、高空隙率を示すと共に、改質硫黄による耐酸性等の耐久性を有し、更には、特定の改質硫黄含有流動材料を用いることにより、優れた圧縮強度も有する。

本発明の堤体用ドレーン材料は、河川等の提体のドレーン工法に用いるドレーン材料として用いることができる。本発明の堤体用ドレーン材料は、上述の高空隙率及び圧縮強度を有するので、堤体の川裏のり尻の透水性を向上させ、堤体内の浸潤面の上昇を抑制し、堤体のせん断抵抗力の低下を充分抑制することができる。
本発明の堤体用ドレーン材料は、新たな堤体の建設のみならず、堤体の改修にも利用することができる。

以下、本発明を実施例及び比較例により更に詳細に説明するが本発明はこれらに限定されない。
実施例１
（石炭灰粒状材の調製）
２００メッシュ以下の石炭灰１００質量部に、粉状化した電炉還元スラグ５０質量部を添加し、更に、ベントナイト１．５質量部を混合して、直径約３０ｍｍの球形の成形物を１月自然乾燥させ、石炭灰粒状材を調製した。
（改質硫黄含有流動材料の調製）
密閉式撹拌混合槽中に、固体硫黄４．８ｋｇを入れ、１２０℃で加温して溶解後１３０℃に保持した。続いて、常温のテトラヒドロインデン０．２ｋｇをゆっくりと添加し、約１０分間静かに撹拌して、温度が安定したことを確認してから、１４０℃まで昇温した。反応が開始され、次第に粘度が上昇し、約１時間で粘度が０．１Pa・sに達したところで硫黄改質を終了した。
次いで、得られた改質硫黄に、１４０℃に予熱した粒径５０μｍ以下の石炭灰２．５ｋｇを投入・攪拌して改質硫黄含有流動材料を調製した。

（本発明の材料の調製）
前記改質硫黄含有流動材料を１３０℃に保持した状態の中に、前記石炭灰粒状材１０ｋｇを投入し、該流動材料により各石炭灰粒状材を被覆するように１分間混合した。この作業は、改質硫黄含有流動材料が冷えないように、１３０℃に加温した恒温槽中で行った。続いて、底面が、余剰の改質硫黄含有流動材料のみを排出しうる５ｍｍメッシュの金網で形成された、直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円柱状の型枠２本を、予め１００℃に加温し、振動をかけながら、前記改質硫黄含有流動材料で被覆した石炭灰粒状材を流し込んだ。この際、余剰の改質硫黄含有流動材料が、底面のメッシュから流れ出た。
型枠内に詰め込めずに上部に余った石炭灰粒状材は、型枠の上部開口の面一になるだけを残して破壊した。その後、放置して室温まで徐々に冷却して改質硫黄を冷却固化して直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの本発明の材料に係る検体を２本調製した。
得られた２本の検体(検体１及び２とする)材料について、空隙率を水量法により実測し、更に固化体の両端面を改質硫黄でキャッピングした後、一軸圧縮強さをJIS A1108に従って測定した。これらの結果を検体の見かけ比重と共に表１に示す。

比較例１
実施例１における改質硫黄含有流動材料の代わりにセメントモルタルを用いて、ポーラスセメントコンクリートを調製した。即ち、セメントモルタル５ｋｇに、実施例１と同様の石炭灰粒状材１０ｋｇを投入し、該流動材料により各石炭灰粒状材を被覆するように１分間混合した。続いて、底面が、余剰のセメントモルタルのみを排出しうる５ｍｍメッシュの金網で形成された、直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円柱状の型枠２本に、振動をかけながら、前記セメントモルタルで被覆した石炭灰粒状材を流し込んだ。この際、余剰のセメントモルタルが、底面のメッシュから流れ出た。
型枠内に詰め込めずに上部に余った石炭灰粒状材は、型枠の上部開口の面一になるだけを残して破壊した。その後、充分湿った環境下において７日間放置して、直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍのポーラスセメントコンクリートの検体を２本を調製した。
得られた２本の検体(検体３及び４とする)について、空隙率を水量法により実測し、更に両端面を改質硫黄でキャッピングした後、一軸圧縮強さをJIS A1108に従って測定した。これらの結果を検体の見かけ比重と共に表１に示す。

Claims (3)

1. 石炭灰１００質量部と、電炉還元スラグ１０〜１００質量部とを含む、直径２〜５０ｍｍの石炭灰粒状材の各々を、粒径１ｍｍ以下の微粉末１００質量部及び改質硫黄３０〜４００質量部を含む改質硫黄含有流動材料によって、被覆、接着固化した、空隙率２５〜５０％である高空隙率土木・建築材料。
2. 石炭灰粒状材が、ベントナイトを１〜５質量部含む請求項１記載の土木・建築材料。
3. 石炭灰１００質量部と、電炉還元スラグ１０〜１００質量部とを含む、直径２〜５０ｍｍの石炭灰粒状材の各々を、粒径１ｍｍ以下の微粉末１００質量部及び改質硫黄３０〜４００質量部を含む改質硫黄含有流動材料によって、被覆、接着固化した、空隙率２５〜５０％である堤体用ドレーン材料。