JP6264200B2 - 簡易舗装材料 - Google Patents

Description

本発明は、高炉水砕スラグと製鋼スラグを用いる簡易舗装材料に関する。

製鋼スラグは、通常アスファルトを被覆する道路の上層，下層の路盤材として用いられることが多い。そして、製鋼スラグに高炉水砕スラグを混合すると水硬性により強度の強い路盤ができ、水硬性複合路盤材として活用されてきた。

水硬性複合路盤材を、アスファルトを表面に被覆することなく、林道や駐車場などの簡易舗装体に用いる場合、散水をして締め固めを行い、さらには乾燥しないように加水した後、養生し、１カ月かけて水和反応や炭酸化反応をおこさせて、強度の発現を引き出すことといった工法が従来行われていたが、強度発現の再現性が高くないという問題があった。

上記の課題に対し、製鋼スラグと、粉砕して細粒化した高炉水砕スラグを混合した水硬性路盤材が開示されている。高炉水砕スラグの細粒化物により空隙が充填されて全体の空隙率が減少し強度が向上するとともに、高炉水砕スラグ自身の細粒化に伴い水硬性自体も大幅に向上するものである（特許文献１、特許文献２）。

特開昭６０−２５０１０３号公報 特開昭６２−１２３０４６号公報

特許文献１及び特許文献２に記載の発明は、高炉水砕スラグを粉砕して細粒化することで強度はでるものの、製鋼スラグと細粒化した高炉水砕スラグを混合して簡易舗装材料とした後すぐに、少なくとも５日以内に舗装体を施工しないと強度がでないという問題があった。
これは、高炉水砕スラグの細粒化に伴い水硬性が大幅に向上するため、簡易舗装材料の製造後、時間の経過とともに固結反応が進んでしまい、いざ舗装体を施工しても、その後の固結が不十分となるためである。

したがって、簡易舗装材料の製造から舗装体の施工まで時間的な自由度がなく、使い勝手が悪かった。簡易舗装材料の製造から舗装体の施工まで、保存性のある簡易舗装材料が望まれていた。
本発明の課題は、簡易舗装材料を製造した後、３０日経過した後に簡易舗装体を施工しても強度が発現できる簡易舗装材料を提供することである。

本発明者等は、高炉水砕スラグの大気暴露処理の機能に着目し、製造後３０日が経過した後に簡易舗装体を施工しても必要な強度を発現しうる簡易舗装材料についての知見を得た。
本発明は、かかる知見に基づくものであり、以下を要旨とするものである。
＜１＞ 高炉水砕スラグと、粒径が４０ｍｍ以下の製鋼スラグとを、全量に対する前記高炉水砕スラグの含有量が５質量％以上６０質量％以下となるように混合してなる簡易舗装材料であって、
高炉水砕スラグの強熱減量Ｘ（％）と比表面積Ｙ（ｃｍ^２/ｇ）が下記の式（１）、（２）の関係を満たすことを特徴とする簡易舗装材料。

＜２＞ 前記高炉水砕スラグが、２週間以上１年以下の大気暴露処理を施された高炉水砕スラグであることを特徴とする＜１＞に記載の簡易舗装材料。
＜３＞ 簡易舗装材料を製造後３０日経過後に地盤に敷設し散水した後に転圧して形成した簡易舗装体の２８日後の強度ＣＢＲが６０％以上となることを特徴とする＜１＞又は＜２＞に記載の簡易舗装材料。

本発明によれば、保存性を有する簡易舗装材料を提供することができるため、簡易舗装材料を製造した後少なくとも３０日以内に施工すれば、必要な強度を有する簡易舗装体を得ることができ、アスファルト等で表面を被覆することなく林道や駐車場として使用できる。

高炉水砕スラグの強熱減量（％）を説明する図。 高炉水砕スラグの大気暴露処理と比表面積（ｃｍ^２／ｇ）、強熱減量（％）の関係を示す図。 簡易舗装体の強度ＣＢＲ（％）を発現するための高炉水砕スラグの強熱減量（％）と比表面積（ｃｍ^２／ｇ）を示す図。 高炉水砕スラグの大気暴露処理と簡易舗装体の強度の関係を示す図。 簡易舗装体の高炉水砕スラグ比率（％）と強度ＣＢＲ（％）の関係を示す図。

（本発明に係る簡易舗装材料について）
本発明に係る簡易舗装材料は、一定期間大気暴露処理した高炉水砕スラグと、粒径が４０ｍｍ以下の製鋼スラグから成る。製鋼スラグに高炉水砕スラグを混合すると製鋼スラグのアルカリに刺激され、水硬性を有する高炉水砕スラグが水和物を生成し、強度の強い簡易舗装材料となる。当該簡易舗装材料は、林道や駐車場などの施工に利用されている。

製鋼スラグは、ＪＩＳ Ａ５０１５：２０１３「道路用鉄鋼スラグ」で下層路盤材用のクラッシャラン鉄鋼スラグＣＳ−４０に規定されている０ｍｍ〜４０ｍｍの粒度のものを用いる。
高炉水砕スラグは、２週間以上１年以下の大気暴露処理の後、製鋼スラグと混合して簡易舗装材料を製造する。簡易舗装材料は、ヤードでのストック、運搬の後、施工現場で、打設し、養生後、駐車場等の簡易舗装体となる。

（高炉水砕スラグの大気暴露処理について）
高炉水砕スラグは、高炉で発生するスラグを急速に水冷することにより製造される。通常高炉水砕スラグは水硬性を発揮させるため、製造後１週間以内に使用され、大気中で暴露させる大気暴露処理はされない。本発明者らは、高炉水砕スラグを大気暴露処理することにより「細粒化」と「表面からの不活性化」が起こることを見出した。

「細粒化」は、当初、非晶質である高炉水砕スラグが結晶質に変化することによりおこる。高炉水砕スラグの「細粒化」の程度は比表面積で表すことができる。高炉水砕スラグの製造後１０日以内では、比表面積は１０００（ｃｍ^２／ｇ）以下であるが、大気暴露処理して３ヵ月〜６ヵ月後には３０，０００（ｃｍ^２／ｇ）〜１００，０００（ｃｍ^２／ｇ）、１年以上経過すると３００，００００（ｃｍ^２／ｇ）以上になる。
ここで、比表面積は、ＪＩＳ Ｒ５２０１：１９９７「セメントの物理試験方法」に記載されている方法を用い、高炉セメント（Ａ種、Ｂ種、Ｃ種）に準拠して測定した。但し、１００，０００（ｃｍ^２／ｇ）を超えた場合は、ＪＩＳ Ｚ８８３０：２０１３（ガス吸着による粉体（固体）の比表面積測定方法）によった。ＪＩＳ Ｒ５２０１の測定装置の測定範囲が１００〜１００，０００ｃｍ^２/ｇ であるためである。

「表面からの不活性化」は、高炉水砕スラグのＣａＯ成分が、大気中のＣＯ_２及びＨ_２Ｏを吸収し、スラグ粒子の表面でＣａＣＯ_３及びＣａ（ＯＨ）_２を生成することをいう。不活性化の程度は、高炉水砕スラグの強熱減量（％）（高炉水砕スラグを強熱したときの減量）で表示する。図１に高炉水砕スラグを強熱減量試験したときの現象を示す。強熱減量は、ＪＩＳ Ｒ５２０２：２０１０「セメントの化学分析方法」に記載されている方法で測定した。

高炉水砕スラグの強熱減量（％）は、製造後１０日以内では０質量％以下であったものが、大気暴露処理して３ヵ月〜６ヵ月後には２質量％〜４質量％、１年以上経過すると６質量％以上になり、高炉水砕スラグ粒の内部まで不活性化していく。なお、１０日以内で０質量％以下となるのは、高炉水砕スラグ中に微量に含まれる金属分が強熱処理によって酸化して重量が増えるためである。

図２に高炉水砕スラグの大気暴露処理期間と比表面積（ｃｍ^２／ｇ）と強熱減量（％）の関係の一例を示す。大気暴露処理の経過に従い、比表面積（ｃｍ^２／ｇ）は増加し、強熱減量（％）は、大きくなる。即ち、高炉水砕スラグは、時間の経過とともに、細粒化と表面からの不活性化が起こり、水硬性を喪失していく。

（高炉水砕スラグの比表面積と強熱減量の適正範囲について）
本発明者等は、高炉水砕スラグの大気暴露処理による「細粒化」と「表面からの不活性化」という特性を見出し、施工前は、高炉水砕スラグの表面に不活性層を生成させることで製鋼スラグと混合しても固結反応が進行しにくく簡易舗装材料とした後の保存性を確保でき、施工後は、高炉水砕スラグ粒の表面の不活性層が簡易舗装体の施工時の打設で破壊されることで、固結反応が進み強度を発現させることができると考えた。

粉砕や大気暴露処理を組み合わせて種々の強熱減量（％）と比表面積（ｃｍ^２／ｇ）を有する高炉水砕スラグを作り、製鋼スラグと混合して簡易舗装材料を製造し、製造直後および製造後３０日経過後に簡易舗装体を打設施工し、施工後２８日経った後の簡易舗装体の強度ＣＢＲ（％）を測定した。ＣＢＲ（％）は、キャスポル（簡易支持力測定器，近畿地方整備局開発品）により、打設後、２８日目に測定したものである。簡易舗装材料中の高炉水砕スラグの含有量は、ほぼ４０質量％である。

図３に簡易舗装体の強度を発現するための高炉水砕スラグの強熱減量Ｘ（％）と比表面積Ｙ（ｃｍ^２／ｇ）を示す。
製造直後の打設、製造後３０日の打設のいずれにおいても簡易舗装体の強度ＣＢＲ（％）が６０％以上を確保できたのは、下記の式（１）と式（２）の関係を満たす範囲の高炉水砕スラグであった（○印）。

式（１）の右辺の値（Ｙ１）よりも比表面積Ｙ（ｃｍ^２／ｇ）が大きい領域では、製造直後の打設で、簡易舗装体の強度（ＣＢＲ）が６０％以上を確保できたが、製造後３０日の打設では簡易舗装体の強度（ＣＢＲ）が６０％を確保できなかった（黒三角印）。

式（２）の右辺の値（Ｙ２）よりも比表面積Ｙ（ｃｍ^２／ｇ）が小さい領域では、製造直後の打設でも、簡易舗装体の強度（ＣＢＲ）が６０％以上を確保できなかった（×印）。

（高炉水砕スラグの大気暴露処理期間について）
図４に高炉水砕スラグの大気暴露処理を行った期間と簡易舗装体の強度（以下、ＣＢＲ（％）と記す。）の関係を示す。材料１と材料２を対象に、製造直後に打設した場合と製造３０日後に打設した場合の結果である。
材料１は、製鋼スラグ（８０質量％），高炉水砕スラグ（２０質量％）であり、材料２は、製鋼スラグ（７７質量％），高炉水砕スラグ（１９質量％），高炉水砕微粉末（４質量％）であり、高炉水砕微粉末を配合して、活性化を図ったものである。ここで、高炉水砕微粉末は、高炉水砕スラグを０．１ｍｍ以下に粉砕したものである。
施工は、敷厚１００ｍｍ，振動ローラー６回走行，散水量は材料重量の８質量％ で行った。

図４の材料１の施工において、製造後２週間以上１年以下の大気暴露処理日数であれば、ＣＢＲ（％）は、６０％以上確保できることが分かった。
ここで、製造とは、製鋼スラグと高炉水砕スラグ混合し、簡易舗装材料を製造することをいう。また、ＣＢＲ６０％は、簡易舗装体が必要とする最低の強度である。好ましくは、製造後１ヵ月〜6ヵ月の大気暴露処理を行うこととする。
高炉水砕スラグの大気暴露処理期間が１年を超えると強度の発現がなくなるのは、大気暴露処理期間が長くなり過ぎると、高炉水砕スラグ粒は微粒になり、高炉水砕スラグ粒の内部まで不活性化し、水硬性が失われることが原因であると考えられる。
なお、前述した強熱減量と比表面積を得られる条件であれば、大気暴露処理の代わりに蒸気を加えて反応を促進させる蒸気エージング処理を行っても構わない。

また、高炉水砕微粉末（４質量％）を含有する材料２の施工において、製造直後の打設では、ＣＢＲは、８０％程度で高い値を示すが、製造後３０日打設では、ＣＢＲは、２０％程度で強度が出ていない。高炉水砕微粉末の粒径が小さく、製造直後は活性があるが、製造後３０日経過では、３０日間で表面が不活性化し、水硬性を失ったためと考えられる。高炉水砕微粉末を４質量％以上含有する簡易舗装材料は製造直後に施工しなければならず、保存性が劣り、使い勝手の悪い材料であることが分かる。
なお、後述する実施例で示す通り、高炉水砕微粉末は２質量％以下であれば、保存性への影響が小さく、添加することができることが分かった。

（高炉水砕スラグの含有量について）
簡易舗装材料に含ませる高炉水砕スラグ量について検討した。
図５に簡易舗装体の高炉水砕スラグ含有量とＣＢＲ（％）の関係を示す。施工は、敷厚１００ｍｍ，振動ローラー６回走行，散水量は材料重量の８質量％で行った。ＣＢＲ（％）は、キャスポル（簡易支持力測定器，近畿地方整備局開発品） により、打設後、２８日目に測定したものである。
高炉水砕スラグの含有量が５質量％以上６０質量％以下で、簡易舗装体のＣＢＲが６０％以上を確保できた。好ましくは、２０質量％以上４０質量％以下とする。

表１に示す製鋼スラグと高炉水砕スラグを、表２に示す条件で配合して簡易舗装材料を製造した。簡易舗装材料の製造後５日と３０日経過した後にそれぞれ簡易舗装体を打設、施工した。施工して２８日後の強度ＣＢＲを測定した。その結果を表３に示す。

Ｎｏ．１〜５は発明例であり、製造後５日経過後施工した場合も３０日経過後施工した場合ともにＣＢＲ６０％以上の強度が得られている。Ｎｏ．５は高炉水砕微粉末を２質量％含有したものであるが、保存性への影響は見られなかった。
Ｎｏ．６は高炉水砕スラグの大気暴露処理を実施していないため、比表面積が小さく、強熱減量も小さいため、強度が得られなかった。
Ｎｏ．７は高炉水砕スラグの大気暴露処理期間が長すぎるものであり、比表面積は大きいが、強熱減量も大きく不活性化が進んでおり、製造後５日、製造後３０日経過後ともに強度が得られなかった。
Ｎｏ．８は高炉水砕スラグの配合率が高すぎるものであり、骨材としての製鋼スラグが少なすぎるため、強度が得られなかった。
Ｎｏ．９は高炉水砕微粉末を多量に配合しているため、空隙の充填、水硬性の向上により、製造直後に打設した簡易舗装体は強度が出ているものの、製造後３０日経過して打設したものは強度が得られなかった。

簡易舗装の分野で、必要な強度を発現し、かつ、保存性のある簡易舗装材料として利用することができる。

Claims (3)

1. 高炉水砕スラグと、粒径が４０ｍｍ以下の製鋼スラグとを、全量に対する前記高炉水砕スラグの含有量が５質量％以上６０質量％以下となるように混合してなる簡易舗装材料であって、
   前記高炉水砕スラグの強熱減量Ｘ（％）と比表面積Ｙ（ｃｍ^２／ｇ）が下記の式（１）、（２）の関係を満たすことを特徴とする簡易舗装材料。
   

   
2. 前記高炉水砕スラグが、２週間以上１年以下の大気暴露処理を施された高炉水砕スラグであることを特徴とする請求項１に記載の簡易舗装材料。
3. 製造後３０日経過後に地盤に敷設し散水した後に転圧して形成した簡易舗装体の２８日後のＣＢＲが６０％以上となることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の簡易舗装材料。
   
   

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