JP5002368B2

JP5002368B2 - 高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材及びその製造方法

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Publication number: JP5002368B2
Application number: JP2007209823A
Authority: JP
Inventors: 晴彦篠崎; 雅夫中川; 喜昭菊池; 健永留
Original assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INSTITUTION PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE; Nippon Steel Corp; Toa Corp
Current assignee: INDEPENDENT ADMINISTRATIVE INSTITUTION PORT AND AIRPORT RESEARCH INSTITUTE; Nippon Steel Corp; Toa Corp
Priority date: 2007-08-10
Filing date: 2007-08-10
Publication date: 2012-08-15
Anticipated expiration: 2027-08-10
Also published as: JP2009040661A

Description

本発明は、岸壁等のように水中施工を伴う工事で使用される水中施工用裏込め・裏埋め材及びその製造方法に関し、特に、高炉水砕スラグを主成分とし、施工後に周囲に存在する水と反応して硬化する、高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材及びその製造方法に関する。

従来、岸壁用裏込め材として使用される地盤材料に関しては、液状化防止のために、浚渫砂及び天然砂等の砂にセメントを混合したものが使用されている。この裏込め材は、水中に投入された後、周囲に存在する水によってセメント水和物が生成し、このセメント水和物を介して砂の粒子同士が固結して全体が硬化する。また、近年、砂の代わりに、鉄鋼スラグを使用した土木材料が提案されている（例えば、特許文献１〜３参照。）。一般に、鉄鋼スラグを使用した土木材料は、砂とセメントとを混合した土木材料に比べて、硬化が遅いという問題点がある。そこで、特許文献１に記載の埋戻・裏込材では、５ｍｍ以下に粉砕した転炉スラグ砕砂と高炉水砕スラグとを混合使用することにより、石灰分が多い転炉スラグをアルカリ刺激剤として作用させて、高炉水砕スラグの潜在水硬性を発現させ、全体の硬化を促進している。

また、特許文献２には、サンドコンパクション材料及び路盤材等に使用される土木材料として、０．０７５ｍｍ以下の微粒分を５質量％以上含む粉状製鋼スラグと、粒状高炉水砕スラグ、高炉水砕スラグ粉、各種セメント又はフライアッシュ等からなる結合材とを混合し、０．０２Ｎ／ｍｍ^２以上の圧力で加圧して製造された土木材料が記載されている。図５は特許文献２に記載の従来の土木材料における製鋼スラグと結合材との反応を示す図である。図５に示すように、特許文献２に記載の土木材料では、０．０７５ｍｍ以下の微粒分（微粒製鋼スラグ）１０１を含む粉状製鋼スラグと結合材１０２とを混合したものを、山積みして圧密した後、養生させることによりケイ酸カルシウム水和物（ＣＳＨゲル）及びカルシウムアルミネート水和物（ＣＡＨゲル）等の水和ゲル１０３を生成させて粗粒化している。

更に、特許文献３に記載の造粒物では、海洋埋め立て材への適用を考慮し、０．０７５ｍｍ以下の微粒分を５質量％以上含む粉状製鋼スラグ、高炉水砕スラグ粉及び水、又はこれらにフライアッシュ等を添加したものをミキサーにより造粒し、施工時の海水の白濁防止を図っている。

特開昭５８−４９６５５号公報特開２００５−１５４１７５号公報特開２００５−３１４１５５号公報

しかしながら、前述した従来の技術には、以下に示す問題点がある。即ち、浚渫砂及び天然砂等の砂を使用した従来の裏込め・裏埋め材は、水中に投入した際に砂とセメントが分離してしまう。そこで、従来の裏込め・裏埋め材では、水中施工に適用する場合は、水中での材料分離を防止するために、施工前に界面活性剤等の分離防止剤を添加しているが、分離防止剤は他の材料に比べて高価であり、製造コストが増加するという問題点がある。また、このような従来の裏込め・裏埋め材を水中施工に適用すると、水中投入時に周囲の水域のｐＨが上昇するという問題点もある。

また、特許文献１に記載の埋戻・裏込材は、陸上での使用しか想定しておらず、水中施工に適用すると硬化途中で材料が分離して、周辺水域に濁りが発生すると共に、硬化不良が生じるという問題点がある。同様に特許文献２に記載の土木材料も陸上での使用を想定しているため、水中施工において、硬化不良及び周辺水域でのにごりの発生が生じる虞がある。一方、特許文献３に記載の土木材料は、水中施工を想定して海水の白濁防止を図っているが、この土木材料ではセメントに含まれるＣａ（ＯＨ）_２に起因する白濁しか考慮されておらず、材料分離については何ら検討がなされていない。また、特許文献２及び３に記載の土木材料は、製鋼スラグを主成分としているため、固結品質のばらつきが非常に大きく、固結制御が困難な製鋼スラグの影響が支配的になるため、目的とする固結強度が得られない虞がある。

本発明は、上述した問題点に鑑みて案出されたものであり、水中施工においても、周辺水域の濁り及び硬化不良の発生を防止できると共に、短期間で固結可能な高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材及びその製造方法を提供することを目的とする。

本発明に係る高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材は、水中施工を伴う工事で使用される水中施工用裏込め・裏埋め材であって、高炉水砕スラグと高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉とを混合した後、養生させることにより、前記高炉水砕スラグの表面に前記高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を固着させたことを特徴とする。

また、この高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材では、前記高炉水砕スラグの含水率が５〜２０％であってもよい。

更に、前記製鋼スラグ粉は、最大粒径が５ｍｍ以下であり、かつ粒径が２．５ｍｍ以下の粉末を７５質量％以上含有していてもよい。

更にまた、前記高炉水砕スラグの質量に対して、前記高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を２．５〜１５％含有することができる。

本発明に係る高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法は、水中施工を伴う工事で使用される水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法であって、高炉水砕スラグと高炉スラグ微粉末又は粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉とを混合した後、２〜６０日間養生し、前記高炉水砕スラグの表面に前記高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉を固着させることを特徴とする。

本発明に係る他の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法は、水中施工を伴う工事で使用される水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法であって、高炉水砕スラグと製鋼スラグ粉とを混合した後、２〜６０日間養生し、前記高炉水砕スラグの表面に製鋼スラグ粉を固着させることを特徴とする。

これらの高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法において、前記高炉水砕スラグは、含水率が５〜２０％であってもよい。

また、前記製鋼スラグ粉は、最大粒径が５ｍｍ以下であり、かつ粒径が２．５ｍｍ以下の粉末を６０質量％以上含有していてもよい。

更に、前記高炉水砕スラグの質量に対して、前記高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を２．５〜１５％混合することができる。

本発明によれば、高炉水砕スラグの表面に、アルカリ刺激材として作用する高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を固着しているため、水中投入時の材料分離を抑制することができるため、水中施工においても周辺水域の濁り及び硬化不良の発生を防止でき、更には、施工後に均質な混合状態が得られるため、固結が促進されて短期間での固結が可能となる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の裏込め・裏埋め材を模式的に示す図である。図１に示すように、本発明の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材（以下、単に裏込め・裏埋め材という）１は、岸壁等のように水中施工を伴う工事において裏込め材又は裏埋め材として使用される材料であり、高炉水砕スラグ２と高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３とを混合した後、養生させることにより、高炉水砕スラグ２の表面に高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３を固着させたものである。

本発明で使用する高炉水砕スラグ２は、高炉スラグの一種であり、高炉から取り出された溶融スラグを、加圧水を噴射する等して急激に冷却することで得られるガラス質（非結晶）の粒状スラグである。また、この高炉水砕スラグ２の含水率は、５〜２０質量％であることが好ましい。高炉スラグ２の含水率が５質量％未満の場合、施工後に粒子同士が固着するために必要な反応が生じにくくなる。一方、高炉水砕スラグ２の含水率が２０質量％を超えると、高炉水砕スラグ２がそれ以上水分を保水できなくなり、刺激材である高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３の一部が水分と共に流出してしまうことがある。なお、高炉水砕スラグ２の含水率は、ＪＩＳＡ１２０３に基づき乾燥前の質量をｍ_１、１１０℃の炉の中で１８〜２４時間乾燥した後の質量をｍ_２として、下記数式（１）により求めることができる。

この高炉水砕スラグ２の表面に固着させる高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３としては、以下に示すようなものを使用することができ、いずれも高炉水砕スラグ２の固結促進のためのアルカリ刺激材として作用する。高炉スラグ微粉末は、高炉水砕スラグを粉砕したものであり、ＪＩＳＡ６２０６に規定されているコンクリート用高炉スラグ微粉末等が挙げられる。また、粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉としては、例えば、高炉水砕スラグをコンクリート用骨材として処理するための水洗又は研磨工程で生成する微粉末等が挙げられる。なお、高炉スラグ微粉末及び粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉は、夫々単独で使用することができるが、これらを混合して使用してもよい。

更に、製鋼スラグ粉は、鋼を製造する過程において発生する鉄鋼副産物であり、転炉スラグ、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、造塊スラグ等がある。本発明の裏込め・裏埋め材において、高炉水砕スラグ２の表面に固着させる製鋼スラグ粉は、最大粒径が５ｍｍ以下であり、かつ粒径が２．５ｍｍ以下の粉末を６０質量％以上含有しているものであることが望ましい。粒径が５ｍｍより大きい製鋼スラグ粉は、高炉水砕スラグ２から分離しやすく、更に、高炉水砕スラグ２よりも沈降速度が速いため、施工時に高炉水砕スラグ２から分離すると下層に堆積してしまうためである。なお、粒径が１ｍｍ以下の製鋼スラグ粉は、高炉水砕スラグと沈降速度が同等であるため、仮に高炉水砕スラグ２から分離したとしても、高炉水砕スラグ２と共に堆積する。よって、製鋼スラグ粉の粒径は１ｍｍ以下であることがより好ましい。

また、粒径が２．５ｍｍを超える製鋼スラグ粉は、高炉水砕スラグ２よりも沈降速度が速いため、その含有量が多いと、施工時に高炉水砕スラグ２から分離した製鋼スラグ粉が下層に堆積し、製鋼スラグ粉のみの層が形成されてしまう。しかしながら、粒径が２．５ｍｍを超えるものの含有量が４０％未満であれば、裏込め層・裏埋め層の下部に製鋼スラグ粉層が形成されていても、地震時の液状化による最大沈下ひずみを５％とした場合に、深さ１０ｍの裏込め層の沈下量を５ｃｍ以下に抑制することができる。よって、高炉水砕スラグ２の表面に固着させる製鋼スラグ粉は、粒径が２．５ｍｍ以下のものを６０質量％以上含有していることが望ましい。

更に、本発明の裏込め・裏埋め材１においては、高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３の質量が、高炉水砕スラグ２の質量に対して、２．５〜１５％であることが好ましい。高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３の量が高炉水砕スラグ２の２．５質量％未満の場合、高炉水砕スラグ２の固結促進効果が十分得られないことがあり、また１５％程度で高炉水砕スラグの表面に固着させることができる。

次に、本発明の裏込め・裏埋め材を製造する方法について説明する。図２（ａ）〜（ｃ）は本発明の裏込め・裏埋め材の製造方法をその工程順に示す模式図である。本発明の裏込め・裏埋め材の製造方法においては、先ず、図２（ａ）に示すように、高炉水砕スラグ２と高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３とを混合する。その後、図２（ｂ）に示すように、高炉水砕スラグ２と高炉スラグ微粉末又は粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉とを混合した場合は２〜６０日間養生し、高炉水砕スラグ２と製鋼スラグ粉とを混合した場合は２〜６０日間養生する。これにより、高炉水砕スラグ２の表面に高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３を固着させる。このとき、養生期間が上記範囲より短い場合、高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３の高炉水砕スラグ２への固着が十分でなく、施工時にこれらが分離するため、施工後に均質な混合状態が得られず、固結促進効果が得られない。また、水中投入時に、周辺水域に濁りが発生する。また、養生期間が上記範囲より長くても高炉水砕フラグ粉又は製鋼スラグ紛３の高炉水砕フラグへの固着が格別向上することが期待できない。

そして、本発明の裏込め・裏埋め材は、上記期間養生し、高炉水砕スラグ２の表面に高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３は固着しているが、高炉水砕スラグ２同士は固結していない状態で使用される。具体的には、図２（ｃ）に示すように、例えば、海送等により施工場所に輸送され、水中に投入される。このとき、本発明の裏込め・裏埋め材１においては、高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３は、高炉水砕スラグ２の表面に固着しているため、水中投入時に材料分離に伴う周辺水域の濁りは生じない。

次に、本発明の裏込め・裏埋め材の固結のメカニズムについて説明する。図３（ａ）及び（ｂ）は本発明の裏込め・裏埋め材の固結メカニズムをその工程順に示す模式図である。本発明の裏込め・裏埋め材１は、水中に投入されると、図３（ａ）に示すように、高炉水砕スラグ２からイオンが溶出し、更にこのイオンが周囲の水（間隙水）５と反応して、高炉水砕スラグ２の表面に溶解度が小さい水和物（Ｃ−Ｓ−Ｈ，Ｃ−Ａ−Ｈ等のセメント水和物）４が生成する。これにより、図３（ｂ）に示すように、高炉水砕スラグ２が接触している部分において、水和物４を介して高炉水砕スラグ２同士が結合し、更には全体が固結する。なお、高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉３は、高炉水砕スラグ２の表面への水和物４生成を促進する。

上述の如く、本発明の裏込め・裏埋め材は、主成分に自硬性がある高炉水砕スラグを使用すると共に、その表面に、アルカリ刺激材として作用する高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を固着しているため、固結を促進することができると共に、水中投入時の材料分離を抑制することができる。その結果、水中施工においても周辺水域に濁りは発生せず、硬化不良の発生も防止できる。更に、施工後に均質な混合状態が得られるため、固結促進効果が高く、短期間での効果が可能となる。

以下、本発明の実施例及び本発明の範囲から外れる比較例を挙げて、本発明の効果について具体的に説明する。本実施例においては、高炉水砕スラグに高炉スラグ微粉末を５質量％混合したもの（試料Ａ）と、高炉水砕スラグに製鋼スラグ粉（最大粒径：５ｍｍ、粒径２．５ｍｍ以下のものの含有量６８質量％）を５質量％混合したもの（試料Ｂ）とについて、養生期間と濁り発生との関係を調べた。具体的には、養生期間が異なる複数の裏込め・裏埋め材について沈降試験を行い、夫々のＳＳ（浮遊物質量）を測定した。沈降試験は、１リットルの水道水に乾燥した試料を落下させ、３０秒後の濁り状況を目視により確認すると共に、落下直後のものについて上澄み液のＳＳを測定した。そして、海洋汚染防止法の余水吐きから流出する海水の水質についての基準を定める省令（昭和５２年８月２６日の総理府令第３８号）に基づき、ＳＳが６０ｍｇ／リットルのものを合格とした。

図４は横軸に養生期間をとり、縦軸に投入３０秒後のＳＳをとって、養生期間と沈降試験によるＳＳの変化を示すグラフ図である。図４に示すように、高炉水砕スラグに製鋼スラグ粉を混合した試料Ａでは、２日間以上養生したものはいずれもＳＳは６０ｍｇ／以下となっており、濁りもほとんど見られなかった。また、高炉水砕スラグに高炉スラグ微粉末を混合した試料Ａは、２日間以上養生したものはいずれもＳＳは６０ｍｇ／以下となり、濁りもほとんど見られなかった。以上の結果から、本発明の範囲で作製した裏込め・裏埋め材は、水中投入時の材料分離がなく、施工時に周辺水域に濁を発生させないことが確認された。

本発明の裏込め・裏埋め材を模式的に示す図である。（ａ）〜（ｃ）は本発明の裏込め・裏埋め材の製造方法をその工程順に示す模式図である。（ａ）及び（ｂ）は本発明の裏込め・裏埋め材の固結メカニズムをその工程順に示す模式図である。横軸に養生期間をとり、縦軸にＳＳをとって、養生期間と沈降試験によるＳＳの変化を示すグラフ図である。特許文献２に記載の従来の土木材料における製鋼スラグと結合材との反応を示す図である。

符号の説明

１裏込め・裏埋め材
２高炉水砕スラグ
３高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉
４水和物
５間隙水
１０１微粒製鋼スラグ
１０２結合材
１０３水和ゲル

Claims

水中施工を伴う工事で使用される水中施工用裏込め・裏埋め材であって、
高炉水砕スラグと高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉とを混合した後、養生させることにより、前記高炉水砕スラグの表面に前記高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を固着させたことを特徴とする高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材。
前記高炉水砕スラグは、含水率が５〜２０％であることを特徴とする請求項１に記載の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材。
前記製鋼スラグ粉は、最大粒径が５ｍｍ以下であり、かつ粒径が２．５ｍｍ以下の粉末を６０質量％以上含有することを特徴とする請求項１又は２に記載の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材。
前記高炉水砕スラグの質量に対して、前記高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を２．５〜１５％含有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材。
水中施工を伴う工事で使用される水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法であって、
高炉水砕スラグと高炉スラグ微粉末又は粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉とを混合した後、２〜６０日間養生し、前記高炉水砕スラグの表面に前記高炉スラグ微粉末又は粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉を固着させることを特徴とする高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法。
水中施工を伴う工事で使用される水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法であって、
高炉水砕スラグと製鋼スラグ粉とを混合した後、２〜６０日間養生し、前記高炉水砕スラグの表面に製鋼スラグ粉を固着させることを特徴とする高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法。
前記高炉水砕スラグは、含水率が５〜２０％であることを特徴とする請求項５又は６に記載の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法。
製鋼スラグ粉は、最大粒径が５ｍｍ以下であり、かつ粒径が２．５ｍｍ以下の粉末を６０質量％以上含有することを特徴とする請求項６又は７に記載の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材。
前記高炉水砕スラグの質量に対して、前記高炉スラグ微粉末若しくは粒径が０．２５ｍｍ以下の高炉水砕スラグ粉又は製鋼スラグ粉を２．５〜１５％混合することを特徴とする請求項５〜８のいずれか１項に記載の高炉水砕スラグを使用した水中施工用裏込め・裏埋め材の製造方法。