JP6270567B2 - 遮水性土木材料 - Google Patents

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Description

この発明は、鉄鋼スラグを主材料とする遮水性土木材料に関する。
鉄鋼の製造工程で発生する鉄鋼スラグは、近年では土木分野での再資源化が図られている。例えば、特許文献1には、コンクリートの代替材として利用可能であり且つ高炉スラグを用いたジオポリマー組成物が記載されている。このジオポリマー組成物は、フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末から構成されるフィラーと、水ガラス(珪酸ナトリウム)から構成されるアルカリ溶液と、砂、砂利、砕石等の骨材とを混練し、養生して硬化させることによって生成される。ジオポリマー組成物は、製造時に二酸化炭素を多量に生じるポルトランドセメントを使用することなく、セメントコンクリートと同等の圧縮強度及び性状を得ることができ、環境への負荷が小さい材料である。
特開2013−1580号公報
上述のような環境への負荷が小さいジオポリマー組成物は、多様な用途に用いられることが好ましい。例えば、ため池の堤体における遮水機能を有する刃金土として従来から用いられてきた高価な天然材料(粘土質材料)の代替物として、ジオポリマー組成物を用いることによって、コストを大幅に低減することができる。しかしながら、刃金土には、ため池内の水の外部への流出を阻止する遮水機能に加え、地震等の外力によって亀裂を生じないような弾性が必要とされる。しかしながら、特許文献1のジオポリマー組成物には、上述のような遮水機能及び弾性が備わっていないという問題がある。
この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、鉄鋼スラグを主材料とすると共に固化後に遮水機能及び強度、さらには弾性を備えた遮水性土木材料を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために、この発明に係る遮水性土木材料は、潜在水硬性を有する鉄鋼スラグと固体の珪酸ナトリウムと水とを混合して生成され、鉄鋼スラグに対する固体の珪酸ナトリウムの割合が20〜90質量%であり、固体の珪酸ナトリウムに対する水の割合が10〜40質量%であり、鉄鋼スラグは、1700〜4000cm/gの比表面積を有する微粉末である。
上記遮水性土木材料は、鉄鋼スラグ、固体の珪酸ナトリウム及び水の混合物に対して土質材料が加えられて生成され、混合物及び土質材料の全体における土質材料の割合が80質量%以下であってよい。
この発明に係る遮水性土木材料によれば、鉄鋼スラグを主材料としつつ固化後に遮水機能、強度及び弾性をもたらすことが可能になる。
本発明の実施の形態に係る遮水性土木材料を製造し、遮水性土木材料を用いて構造物を構築する流れを示す図である。 応力と鉛直ひずみとの関係に基づく第一遮水性土木材料の弾性係数の測定例を示す図である。 応力と鉛直ひずみとの関係に基づく第二遮水性土木材料の弾性係数の測定例を示す図である。
実施の形態
以下、この発明の実施の形態における遮水性土木材料100の製造方法について添付図面に基づいて説明する。
図1を参照すると、遮水性土木材料100は、潜在水硬性鉄鋼スラグ(以下、鉄鋼スラグと呼ぶ)1、固体の珪酸ナトリウム2及び水3を混合(第一混合処理11)して生成される第一遮水性土木材料101、並びに、第一混合処理11に加えて土質材料4をさらに添加して混合(第二混合処理12)し生成される第二遮水性土木材料102によって構成される。
第二遮水性土木材料102の生成は、上述のように第一混合処理11の後に第二混合処理12を行ってもよいが、鉄鋼スラグ1、固体の珪酸ナトリウム2、水3及び土質材料4を同時に混合装置に投入して混合する、つまり第一混合処理11及び第二混合処理12を同時に行ってもよい。
鉄鋼スラグ1としては、電気炉スラグ、脱硫処理等の炉外精練処理で生成するスラグ、AOD、転炉、真空脱ガス処理装置等での精練処理で生成するスラグ(これらを総じて「製鋼スラグ」と呼ぶ)、高炉スラグ等の潜在水硬性を有するスラグが用いられる。
土質材料4としては、汚泥及び浚渫土等の泥土、スラッジ、粘性土及びシルト質土等の細粒土などが用いられる。
第一混合処理11では、湿式粉砕又は乾式粉砕によって粒度を700μm以下とし比表面積を1700〜4000cm/gとした微粉状に粒度調整された鉄鋼スラグ1と、固体の珪酸ナトリウム2と、水3とが混合撹拌装置に投入されて均一に分布するように混合・撹拌され、流動性のある第一遮水性土木材料101が生成される。このとき、鉄鋼スラグ1に対する固体の珪酸ナトリウム2の混合割合(固体の珪酸ナトリウム/鉄鋼スラグ)は、20〜90質量%である。固体の珪酸ナトリウム2及び水3の混合物としてはJIS規格の3号珪酸ナトリウム(液体)などが使用される。さらに、固体の珪酸ナトリウム2に対する水3の混合割合(水/固体の珪酸ナトリウム)は、施工方法、用いる土質材料に応じて10質量%〜40質量%程度まで調整される。
潜在水硬性を有する鉄鋼スラグ1は、固体の珪酸ナトリウム2の作用によって水3と水和反応を起こし、生成される鉄鋼スラグの水和物は結合材として機能するようになる。このため、第一遮水性土木材料101は、セメントモルタルのように時間の経過と共に固化する性状を有する。
鉄鋼スラグ1は、上述のような微細な粒子によって構成されるため、結合対象である他の鉄鋼スラグ微粒子との接触面積を大きくすることができる。このため、第一遮水性土木材料101の固化体は、高い強度を備える。さらに、鉄鋼スラグ1の微粒子同士は、粒子間の間隙を埋めるように位置して結合し、さらに、その結合も弾性を有する。このため、第一遮水性土木材料101は、気孔率が低く密な構造を有して高い遮水性を備えると共に、弾性も備える。
第二混合処理12では、鉄鋼スラグ1、固体の珪酸ナトリウム2及び水3が混合・撹拌されて生成された第一遮水性土木材料101に、さらに土質材料4が加えられて均一に分布するように混合・撹拌され、流動性のある第二遮水性土木材料102が生成される。或いは、鉄鋼スラグ1、固体の珪酸ナトリウム2、水3及び土質材料4が一緒に混合撹拌装置に投入されて混合・撹拌され、第二遮水性土木材料102が生成される。なお、土質材料4は、第二遮水性土木材料102における土質材料4の割合(土質材料/第二遮水性土木材料)が約80質量%以下となるように、加えられる。また、土質材料4を含む第二遮水性土木材料102の流動性は、第一遮水性土木材料101よりも低くすることができる。
そして、第二遮水性土木材料102も、結合材としての鉄鋼スラグの水和物の作用によって、時間の経過と共に固化する性状を有する。
微細な粒子からなる鉄鋼スラグ1は、結合対象である他の鉄鋼スラグ微粒子及び土質材料4の粒子との接触面積を大きくすることができるため、第二遮水性土木材料102の固化体も高い強度を備える。さらに、鉄鋼スラグ1の微粒子は、粒子間の間隙を埋めるように分布して粒子を結合するため、第二遮水性土木材料102も、気孔率が低く密な構造を有して高い遮水性を備えると共に、弾性も備える。
上述のようにして生成された第一遮水性土木材料101及び第二遮水性土木材料102の固化体はいずれも、1.0×10−8〜1.0×10−6cm/秒の透水係数、1000kPa以上の一軸圧縮強度(材齢28日強度)、及び、50〜500kg/cmの弾性係数を有する。例えば、農業土木学会の土地改良事業設計指針「ため池整備」では、ため池を形成する堤体及び底地盤に1.0×10−5cm/秒以下の透水係数が要求されているが、第一遮水性土木材料101及び第二遮水性土木材料102の固化体の透水係数の値は、安全を考慮して自主基準としてさらに厳しく定めた5.0×10−6cm/秒以下を十分満足する。第一遮水性土木材料101及び第二遮水性土木材料102の固化体は、ため池の堤体及び底地盤に要求される遮水性よりもはるかに高い遮水性を有している。また、例えばセメントコンクリートの固化体の場合、その弾性係数は、約2100kg/cm程度であり、第一遮水性土木材料101及び第二遮水性土木材料102の固化体の弾性係数の上限値は、セメントコンクリートの固化体の弾性係数の1/4以下である。第一遮水性土木材料101及び第二遮水性土木材料102の固化体は、セメントコンクリートの固化体と比べて、非常に高い弾性を有している。
流動性が高く液状をした第一遮水性土木材料101は、例えば建設工事において、地盤中に構築される改良杭の杭体材料、型枠内に打設されて構造物を形成する材料などとして使用することができる。
杭体材料として使用される場合、アースオーガー等の掘削機械で掘削した地盤の孔内に第一遮水性土木材料101を注入して孔内の掘削土と共に混合・撹拌する。これにより、第一遮水性土木材料101が掘削土と共に固化し、地盤中に強度が高められた柱状の改良体が形成される。さらに、改良体を互いにラップさせて連続的に形成することによって、地盤中に壁体が形成される。改良体及び壁体は、遮水性及び弾性を有する。
構造物の形成材料として使用される場合、構造物の型枠内に第一遮水性土木材料101が流し込まれ、所定の強度が得られるまでの養生期間の経過後に、型枠が取り外される。これにより、第一遮水性土木材料101からなり遮水性及び弾性を有する構造物が形成される。
流動性を有するが液体のように流れて拡散することのない固さにすることができる第二遮水性土木材料102は、例えば建設工事において、型枠内に打設されて構造物を形成する材料、地盤上に層状に敷設される地盤材料などとして使用することができる。
構造物の形成材料として使用される場合、第二遮水性土木材料102は、構造物の型枠内に投入され、場合によってはバイブレータ等の締固め装置によって締め固められる。所定の強度が得られるまでの養生期間の経過後に型枠が取り外され、第二遮水性土木材料102からなり遮水性及び弾性を有する構造物が形成される。第一遮水性土木材料101のように流動性が高くない第二遮水性土木材料102は、傾斜面上の構造物や傾斜した構造物の形成に用いることができる。
地盤材料として使用される場合、第二遮水性土木材料102は、地盤上に所定の厚さで敷き均され、さらに、転圧機械によって締め固められる。これにより、第二遮水性土木材料102からなり且つ強度、遮水性及び弾性を有する層が形成される。第二遮水性土木材料102によって形成すべき層厚が大きい場合には、第二遮水性土木材料102による層を複数積層するようにしてもよい。土質材料4を含む第二遮水性土木材料102は、第一遮水性土木材料101よりも早くに強度を発現し、その上での施工を可能にする。
(実施例)
以下、本実施の形態の遮水性土木材料100の実施例と、本実施の形態の遮水性土木材料100と異なる配合を有する土木材料の比較例とを比較検証する。
実施例及び比較例では、鉄鋼スラグとして製鋼スラグを使用した。使用した製鋼スラグには、ステンレス鋼の製鋼工程で発生するスラグを徐却・固化させて破砕及び地金の除去した後に得られる砂状のスラグを用い、さらに砂状のスラグを縦型ローラミルで微粉状に粉砕したものを使用した。使用した製鋼スラグは、CaO(酸化カルシウム)を35〜65質量%、SiO(二酸化ケイ素)を20〜55質量%、Al(アルミナ)を4〜9質量%、MgO(酸化マグネシウム)を5〜10質量%で含有するものである。製鋼スラグは、700μm以下の粒度及び1700〜4000cm/gの比表面積を有するものである。
また、固体の珪酸ナトリウム及び水の混合物としては、3号珪酸ナトリウムを使用した。
実施例並びに比較例の配合条件及び評価の一覧表を表1に示す。
実施例1−1〜1−3では、土質材料として溜め池の浚渫土を使用した。製鋼スラグ、3号珪酸ナトリウム(液体)及び浚渫土の混合物に3号珪酸ナトリウムとは別途の水を添加して混合し遮水性土木材料(第二遮水性土木材料)を生成した。このとき、製鋼スラグに対する固体の珪酸ナトリウムの混合割合(固体の珪酸ナトリウム/製鋼スラグ)は、20〜70質量%とした。固体の珪酸ナトリウムに対する水の割合(水/固体の珪酸ナトリウム)は、10〜25質量%とした。遮水性土木材料における浚渫土の割合(浚渫土/遮水性土木材料)は、60〜80質量%とした。そして、生成した遮水性土木材料を型枠内に打設し、28日間の養生後の型枠を取り外した遮水性土木材料の固化体から供試体を採取し、一軸圧縮試験及び透水試験を実施した。
一軸圧縮試験は、JIS A 1216の「土の一軸圧縮試験」に記載される方法に基づき、材齢28日の供試体の一軸圧縮応力を測定することによって実施した。さらに、供試体の一軸圧縮応力の測定時に得られる鉛直ひずみ−応力曲線における原点から供試体の破壊点に向かう傾きから弾性係数を求めた。例えば、図2に土質材料を含まない遮水性土木材料(第一遮水性土木材料)の材齢28日の供試体に対する弾性係数の測定例が示され、図3に土質材料を含む遮水性土木材料(第二遮水性土木材料)の材齢28日の供試体に対する弾性係数の測定例が示されている。
透水係数は、供試体への圧密荷重を10〜1200kPaの範囲で変化させて透水性を測定する変水位透水試験による室内透水試験によって測定した。
そして、供試体の一軸圧縮強度の目標数値範囲として1000kPa(材齢28日)以上とした。これは、ため池の堤体及び底地盤に使用される締固め後の土質材料に要求される経験上の数値範囲である。
さらに、供試体の弾性係数の目標数値範囲として50〜500kg/cmとした。これは、地震等の外力によって破損しないような構造物に要求される経験上の数値範囲である。これは、本発明の遮水性土木材料が使用される場所、構造の規模、施工方法によって最適に決められるべきものであるが、従来の天然土質材料に近い物性としてこの範囲が望ましい。この範囲より低すぎると弾性変形を起こしやすく強度不足であり、高すぎると弾性変形を起こしにくいため周辺土壌の変形に耐えられずに破壊し、漏水を起こす危険性がある。
また、供試体の透水係数の目標数値範囲として5.0×10−6cm/秒以下とした。これは、農業土木学会の土地改良事業設計指針「ため池整備」でため池を形成する堤体及び底地盤に要求される透水係数をさらに厳しく設定した数値範囲である。
実施例3では、土質材料として溜め池の堤体の粘性土を使用した。製鋼スラグ、3号珪酸ナトリウム(液体)、粘性土、及び、3号珪酸ナトリウムとは別の水を混合して遮水性土木材料(第二遮水性土木材料)を生成するようにした。製鋼スラグに対する固体の珪酸ナトリウムの混合割合(固体の珪酸ナトリウム/製鋼スラグ)は、70質量%とした。固体の珪酸ナトリウムに対する水の割合(水/固体の珪酸ナトリウム)は、40質量%とした。遮水性土木材料における粘性土の割合(粘性土/遮水性土木材料)は、40質量%となるようにした。実施例3では、遮水性土木材料は堤体中に改良杭を形成することによって生成した。まず、製鋼スラグ、3号珪酸ナトリウム及び水を混合し、高流動の混合物(第一遮水性土木材料)を生成した。生成した混合物を堤体に形成した掘削孔内に注入し孔内の掘削土と共に混合・撹拌した。このとき、混合物の注入量は、混合物と混合されて遮水性土木材料を形成する粘性土(掘削土)が遮水性土木材料において40質量%の割合となるように調整した。そして、生成した遮水性土木材料からなる改良杭に対して、28日間の養生後に供試体を採取し、実施例1と同様に一軸圧縮試験及び透水試験を実施した。
実施例4では、土質材料を添加せず。製鋼スラグ、3号珪酸ナトリウム(液体)、及び3号珪酸ナトリウムとは別の水を混合して遮水性土木材料(第一遮水性土木材料)を生成した。このとき、製鋼スラグに対する固体の珪酸ナトリウムの混合割合(固体の珪酸ナトリウム/製鋼スラグ)は、40質量%とした。固体の珪酸ナトリウムに対する水の割合(水/固体の珪酸ナトリウム)は、20質量%とした。そして、生成した遮水性土木材料を型枠内に打設し、28日間の養生後の型枠を取り外した遮水性土木材料の固化体から供試体を採取し、実施例1と同様に一軸圧縮試験及び透水試験を実施した。
実施例1、3及び4のいずれの遮水性土木材料も、1000kPa以上の一軸圧縮強度(材齢28日強度)、1.0×10−8〜1.0×10−6cm/秒の範囲内の透水係数、及び、50〜500kg/cmの範囲内の弾性係数を有していた。
比較例1−1〜1−3では、0〜5mmの粒度の砂状の製鋼スラグを使用し、土質材料として溜め池の堤体の粘性土を使用した。製鋼スラグ、3号珪酸ナトリウム(液体)、粘性土、及び3号珪酸ナトリウムとは別の水を混合して土木材料を生成した。このとき、製鋼スラグに対する固体の珪酸ナトリウムの混合割合(固体の珪酸ナトリウム/製鋼スラグ)は、20〜80質量%とした。固体の珪酸ナトリウムに対する水の割合(水/固体の珪酸ナトリウム)は、10〜25質量%とした。土木材料における粘性土の割合(粘性土/土木材料)は、30〜50質量%とした。そして、生成した土木材料を型枠内に打設し、28日間の養生後の型枠を取り外した土木材料の固化体から供試体を採取し、実施例1と同様に一軸圧縮試験及び透水試験を実施した。
比較例1−1〜1−3のいずれの土木材料も、1000kPa以上の一軸圧縮強度(材齢28日強度)及び50〜500kg/cmの範囲内の弾性係数を有していたが、1.5×10−5cm/秒以上の透水係数を有していた。比較例1−1〜1−3の土木材料は、農業土木学会の土地改良事業設計指針「ため池整備」で要求されるため池を形成する堤体及び底地盤の透水係数1.0×10−5cm/秒を超える透水係数を有しており、十分な遮水性を備えているとはいえない。比較例1−1〜1−3における遮水性の欠落は、製鋼スラグの比較的大きい粒度に起因すると考えられる。
比較例2−1〜2−4では、実施例と同様に微粉状の製鋼スラグを使用し、土質材料として溜め池の堤体の粘性土を使用した。製鋼スラグ、3号珪酸ナトリウム(液体)、粘性土、及び3号珪酸ナトリウムとは別の水を混合して土木材料を生成した。このとき、製鋼スラグに対する固体の珪酸ナトリウムの混合割合(固体の珪酸ナトリウム/製鋼スラグ)は、95〜200質量%とした。固体の珪酸ナトリウムに対する水の割合(水/固体の珪酸ナトリウム)は、10〜15質量%とした。土木材料における粘性土の割合(粘性土/土木材料)は、20〜50質量%とした。そして、生成した土木材料を型枠内に打設し、28日間の養生後の型枠を取り外した土木材料の固化体から供試体を採取し、実施例1と同様に一軸圧縮試験及び透水試験を実施した。
比較例2−1〜2−4のいずれの土木材料も、5.0×10−6cm/秒以下の透水係数を有していたが、1000kPa未満の一軸圧縮強度(材齢28日強度)を有していた。また、比較例2−1及び2−2の土木材料は、50〜500kg/cmの範囲内の弾性係数を有していたが、比較例2−3及び2−4の土木材料は、50kg/cm未満の弾性係数を有していた。比較例2−1〜2−4では、土木材料に含まれる製鋼スラグの量が少なく、土木材料の流動性を確保するために多量の水の添加が必要であり水分過多となるため、一軸圧縮強度が低くなったと考えられる。さらに、土木材料に含まれる製鋼スラグの量が少ないことで、弾性も低くなったと考えられる。また、3号珪酸ナトリウムの使用量が多いため、コストが上昇する。
上述の結果より、実施例1、3及び4の遮水性土木材料は、一軸圧縮強度、遮水性及び弾性のいずれについても満足のいく結果を得ることができ、比較例1〜2の土木材料は、一軸圧縮強度、遮水性及び弾性のいずれかで満足のいく結果を得ることができなかった。
このように、この発明の実施の形態に係る遮水性土木材料100(第一遮水性土木材料101)は、潜在水硬性を有する鉄鋼スラグ1と珪酸ナトリウム2と水3とを混合して生成され、鉄鋼スラグ1に対する固体の珪酸ナトリウム2の割合が20〜90質量%であり、固体の珪酸ナトリウム2に対する水3の割合が10〜40質量%であり、鉄鋼スラグ1は、1700〜4000cm/gの比表面積を有する微粉末である。
このとき、鉄鋼スラグ1は、固体の珪酸ナトリウム2及び水3と共に水和反応を起こし、結合材として機能し、第一遮水性土木材料101を固化させることができる。また、鉄鋼スラグ1は、微細な粒子によって構成されるため、他の鉄鋼スラグ粒子等の結合対象との接触面積を大きくすることができる。このため、第一遮水性土木材料101の強度を向上させることができる。さらに、微細な粒子からなる鉄鋼スラグ1は、第一遮水性土木材料101内で他の粒子同士の間隙を埋めるように存在し、第一遮水性土木材料101の気孔率を低くして密な構造としに、遮水性を向上させることができる。また、鉄鋼スラグ1の水和物による結合は弾性を有するため、第一遮水性土木材料101も弾性を有することができる。
また、遮水性土木材料100(第二遮水性土木材料102)は、鉄鋼スラグ1、固体の珪酸ナトリウム2及び水3の混合物101に対して土質材料4が加えられて生成され、混合物101及び土質材料4の全体における土質材料の割合が80質量%以下である。これにより、鉄鋼スラグ1及び固体の珪酸ナトリウム2の使用量を低減してコスト低減を図ることができる。土質材料4を使用することによって、第二遮水性土木材料102の流動性を低下させ、その用途を拡大することができる。また、土質材料4の割合の上限を設定することによって、土質材料4の割合が大きくなり鉄鋼スラグ1の含有量が低下することによる第二遮水性土木材料102の強度及び弾性の低下を抑えることができる。
また、実施例では、鉄鋼スラグとして製鋼スラグを用いて遮水性土木材料を生成する例を挙げて説明したが、鉄鋼スラグとして高炉スラグ等の他の鉄鋼スラグから遮水性土木材料を生成してもよい。鉄鋼スラグは、潜在水硬性を有し且つ1700〜4000cm/gの比表面積を有するものであればよい。
また、実施例では、固体の珪酸ナトリウム及び水の混合物として液体の3号珪酸ナトリウムが用いられていたが、固体の珪酸ナトリウムと別個の水とを用いて、鉄鋼スラグ等と混合するようにしてもよい。
1 鉄鋼スラグ、2 固体の珪酸ナトリウム、3 水、4 土質材料、100 遮水性土木材料、101 第一遮水性土木材料、102 第二遮水性土木材料。

Claims (2)

  1. 潜在水硬性を有する鉄鋼スラグと固体の珪酸ナトリウムと水とを混合して生成され、
    前記鉄鋼スラグに対する前記固体の珪酸ナトリウムの割合が20〜90質量%であり、
    前記固体の珪酸ナトリウムに対する前記水の割合が10〜40質量%であり、
    前記鉄鋼スラグは、1700〜4000cm/gの比表面積を有する微粉末である遮水性土木材料。
  2. 前記鉄鋼スラグ、前記固体の珪酸ナトリウム及び前記水の混合物に対して土質材料が加えられて生成され、
    前記混合物及び前記土質材料の全体における前記土質材料の割合が80質量%以下である請求項1に記載の遮水性土木材料。
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