JP4991489B2 - 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

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）を満足する粒度であり、かつ均等係数Ｕｃ＝Ｄ ₆₀ ／Ｄ ₁₀ ≧５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。

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％（Ｄ_１０）以下（Ｄ_１０≧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％（Ｄ_２０）以下（Ｄ_２０≧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％（Ｄ_３０）以下（Ｄ_３０≧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＝Ｄ_６０／Ｄ_１０≧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_２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_３として、１００ｋＮ／ｍ^２、２００ｋＮ／ｍ^２、４００ｋＮ／ｍ^２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^２）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Ｄ_１０と６０％通過粒径Ｄ_６０を調べ、Ｄ_１０とＤ_６０との比を計算して、均等係数Ｕｃ（＝Ｄ_６０／Ｄ_１０）を求め、均等係数Ｕｃに対するせん断抵抗角φ_０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_０＝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_０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_０）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_０）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_０法で計算し、図４に示すように、軸差応力（σ_１―σ_３）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％（Ｄ_１０）、２０％（Ｄ_２０）、３０％（Ｄ_３０）、５０％（Ｄ_５０）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、Ｄ_１０、Ｄ_２０、Ｄ_３０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％（Ｄ_５０）以外の１０％（Ｄ_１０）、２０％（Ｄ_２０）、３０％（Ｄ_３０）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％（Ｄ_１０）では０．８ｍｍ、通過百分率（％）が２０％（Ｄ_２０）では２．４ｍｍ、通過百分率（％）が３０％（Ｄ_３０）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％（Ｄ_１０）以下であること、すなわち、Ｄ_１０≧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％（Ｄ_１０）以下であること、すなわち、Ｄ_１０≧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、Ｄ_１０≧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％（Ｄ_２０）以下であること、すなわち、Ｄ_２０≧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％（Ｄ_３０）以下であること、すなわち、Ｄ_３０≧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_０との関係を示すグラフである。 せん断抵抗角φ_０を求めるための説明図である。

Claims (3)

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り、かつ均等係数Ｕｃ＝Ｄ ₆₀ ／Ｄ ₁₀ ≧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。
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。

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