JP6683965B1 - 建設材料、その製造方法、補強された地盤構造、および補強地盤の敷設方法 - Google Patents

建設材料、その製造方法、補強された地盤構造、および補強地盤の敷設方法 Download PDF

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Abstract

【課題】重機走行性、施工性を確保し、重金属溶出させず、簡便で速やかに高強度の補強地盤を敷設および除去できる技術を提供する。【解決手段】平均粒径0.02〜0.1mm、比表面積1200cm2/g以上、土粒子密度2.9〜3.2g/cm3である多孔質微粒フェロニッケルスラグからなる建設材料。主成分SiO2として、以下重量%でMgO:40%以下、重量%比でMgO/SiO2:0.32〜0.80、全鉄分FeOとしてFeO:6〜30%、CaO:0.2〜6.0%、Al2O3:0.1〜4.5%、Ni:0.8〜3.2%、C:5〜20%であるフェロニッケル原料をロータリーキルンに投入し、半溶融状態にして含まれる炭素分をガス化して内部に多数の空隙を形成し、原料をキルンの出口から冷却水に投入して冷却し、粉砕し、フェロニッケル分とスラグ分とに分離し、スラグ分から250μm以下のものを選別する建設材料の製造方法。【選択図】図1

Description

本発明は、軟弱地盤上で施工を行う場合の原地盤を補強する技術に係り、特に、地盤を補強するための建設材料、その製造方法、補強された地盤構造、および補強地盤の敷設方法に関する。
軟弱地盤上で施工を行う場合、重量物である施工機械が沈下せずに走行可能となるように、まず最初に軟弱地盤の表層を補強することが一般的である。その補強方法としては、従来、セメントやセメント系固化剤、鉄鋼スラグなどを現地に搬送し、バックホウやスタビライザー等の施工機械を用いて攪拌混合し、軟弱地盤上に敷設し、強度が発現するまで養生しながら待ち、初めて施工基盤としての使用が可能となっていた。
例えば、特許文献1には、フェロニッケルスラグと消石灰とからなり、原地盤と混ぜ込むことによって強度が得られる土質改良用水硬性組成物が開示されている。また、特許文献2には、高炉水砕スラグと生石灰とを有し、原地盤と混ぜ込むことによって強度が得られる地盤改良材が開示されている。
特開平06−1975号公報 特開2011−162590号公報
しかしながら、特許文献1および2を含む従来技術においては、下記の諸問題があった。
(1)地盤改良材を原地盤と混合攪拌することにより強度発現がもたらされるため、攪拌混合という施工工程と、そのための施工機械が必要となる。
(2)セメント等の強度発現には時間を要するため、養生期間を置いた後でなければ本施工に着手できない。
(3)セメントの水和反応や鉄鋼スラグの水硬性により固化した盤ができるため、本施工後にこれを撤去する際に、多大な労力とコストを要する。
(4)セメント系固化剤や鉄鋼スラグの一部では、鉛や水銀、カドミウム等の重金属溶出のリスクを有し、特に、環境中の石灰分や酸性雨、黄鉄鉱等により敷設箇所がアルカリ性雰囲気や酸性雰囲気に傾いた際に重金属溶出リスクが顕著になる。そのため、著しく使用場所の制限を受ける。
本発明は、上記状況に鑑みてなされたものであり、軟弱地盤を補強するにあたり、簡便な工程で実施することができ、速やかに補強地盤の強度を発現させることができ、施工終了後の補強地盤の除去が容易であり、かつ、重金属溶出のリスクの無い、地盤の補強を可能にする技術を提供することを目的としている。
本発明の建設材料は、主成分をSiO として、MgO:40%以下で、MgO/SiO :0.32〜0.80、全鉄分をFeOとして、FeO:6〜30%、CaO:0.2〜6.0%、Al :0.1〜4.5%、Ni:0.8〜3.2%、C:5〜20%であるフェロニッケルの原料を用いて製造した多孔質の微粒フェロニッケルスラグからなる建設材料であって、微粒フェロニッケルスラグは、主成分をSiO として、以下重量%にて、MgO:40%以下で、重量%比でMgO/SiO :0.32〜0.80、全鉄分をFeOとして、FeO:13%以下、CaO:0.2〜6.5%、Al :0.1〜5%、Ni:0.50%以下、C>0.20%であり、平均粒径が0.02〜0.1mm、比表面積が1200cm/g以上、土粒子比重が2.9〜3.2g/cmであり、微粒フェロニッケルスラグの空隙が20μm以下かつ粒径の1/4以下であることを特徴としている。
本発明においては、微粒フェロニッケルスラグの空隙が20μm以下かつ粒径の1/4以下であることを好ましい態様としている。
また、建設材料の製造方法は、上記本発明の建設材料を製造する方法であって、主成分をSiOとして、MgO:40%以下で、MgO/SiO:0.32〜0.80、全鉄分をFeOとして、FeO:6〜30%、CaO:0.2〜6.0%、Al:0.1〜4.5%、Ni:0.8〜3.2%、C:5〜20%の成分を含有したフェロニッケルの原料をロータリーキルンに投入し、原料を半溶融状態にして内部に含まれる炭素分をガス化して内部に多数の空隙を形成し、 半溶融状態の原料をロータリーキルンの出口から冷却水に投入して冷却し、冷却した原料を粉砕し、粉砕した原料をフェロニッケル分とスラグ分とに分離し、スラグ分を分級して250μm以下のものを選別することを特徴としている。
本発明においては、半溶融状態の原料の温度を1200〜1450℃とすることを好ましい態様としている。
本発明においては、冷却水の量が20Nm/(hr・スラグ1t)以上であることを好ましい態様としている。
また、本発明の地盤構造は、多量の水分を含む軟弱地盤と、軟弱地盤上に敷き詰められ上から圧縮された補強地盤とからなる地盤構造であって、補強地盤は、上記本発明の建設材料および水のみからなり、含水比は15〜25%であることを特徴としている。




本発明においては、室内でJIS A1210−A法により突固められた補強地盤材料のコーン指数が3500kN/m以上であることを好ましい態様としている。
また、本発明の補強地盤の敷設方法は、多量の水分を含む軟弱地盤の上に上記本発明の建設材料を敷き詰め、建設材料の上から汎用土工機械により踏み固めて圧縮した現地でのコーン指数が1200kN/m以上の補強地盤とすることを特徴としている。
本発明においては、建設材料を敷き詰める前の軟弱地盤のコーン指数は200kN/m以下であることを好ましい態様としている。
本発明においては、地盤に段差を生ずる可能性がある場合は、軟弱地盤の表層の土砂を除去し、除去した後にできた窪みに建設材料を敷き詰めることを好ましい態様としている。
本発明においては、軟弱地盤の元々の含水比が低い場合、建設材料を敷き詰めた上から散水することを好ましい態様としている。
本発明においては、建設材料の含水比を15〜25%とすることを好ましい態様としている。
本発明においては、建設材料を敷き詰める前のコーン指数が200kN/m以下の軟弱地盤の場合、軟弱地盤の表層に建設材料を散布し、混合攪拌し、建設材料の吸水作用によりいったん軟弱地盤のコーン指数を増加せしめた後に、その上から建設材料を敷設することを好ましい態様としている。
本発明によれば、原地盤と混合することを要さず、原地盤上に直接建設材料を被覆して転圧するだけで、建設材料の微粒子どうしが密実化、噛み合い、サクションを形成し、強固な補強地盤が得られるという効果を奏する。また、転圧後すぐに強度が確保できるので、補強地盤の構築に養生期間を要さない。また、補強地盤は、セメントの水和反応や鉄鋼スラグの水硬性による固化とは異なり、物理的な粒子間の噛み合いやサクションによる結合によるものであるため、本施工が終了した後は、容易に補強地盤を撤去することができる。さらに、建設材料の製造工程においてロータリーキルンで半溶融状態で熱処理されるため、重金属成分が揮発しており、環境中への重金属溶出リスクが無く、著しく広い使用場所の選択が可能である。
本発明の建設材料の粒子の顕微鏡写真である。 通過質量百分率と粒径の関係を示すグラフである。 乾燥密度と含水比の関係を示すグラフである。 コーン指数と含水比の関係を示すグラフである。 本発明の建設材料と比較材料のサクションと飽和度の関係を示すグラフである。 現地盛土実験の模式図である。 サイトCにおける経過時間とサクションと24時間雨量の関係を示すグラフである。 サイトCにおけるコーン指数と転圧回数の関係を示すグラフである。 サイトCにおける現場CBR値と転圧回数の関係を示すグラフである。 コーン貫入抵抗値と乾燥密度の関係を示すグラフである。 一軸圧縮強度と材令の関係を示すグラフである。 乾燥密度と含水比の関係を示すグラフである。
以下、本発明の建設材料、その製造方法、補強された地盤構造、および補強地盤の敷設方法を詳細に説明する。なお、以下の説明において、含水比とは、質量に関する比であり、
土全体の質量m=土粒子実質部質量m+間隙水質量m+間隙空気質量m
の関係が成立する場合において、間隙空気質量mを0と仮定し、残りの土粒子実質部質量mに対する間隙水質量mの比(m/m×100)である。
また、飽和度とは、体積に関する指標であり、
土全体の体積V=土粒子実質部体積V+全間隙体積V
全間隙体積V=間隙水体積Vおよび間隙空気体積V
の関係が成立する場合において、全間隙体積Vに対する間隙水体積Vの比(V/V×100)である。すなわち、全間隙が水で満たされれば100、全間隙が空気で満たされれば0である。
本発明らは、ニッケル鉱石と還元剤を高温還元してフェロニッケルを得るフェロニッケル製錬において副生するスラグを、特定条件下で形成することにより、建設材料として優れた効果を発揮することを見出し、本発明を完成させたものである。すなわち、フェロニッケル製錬においてスラグを凝固させる際に、凝固物に空隙を多量に生成させて多孔質とし、次の工程で微粉砕し、平滑な凝固面から凹凸を有する破面を形成させる。この空隙と表面凹凸による微粒子の噛み合い強化と、空隙および噛み合い部に保持される水分とによりサクション力と吸引力を持たせた材料であって、本材料を撒き出して汎用的な軽重機で数回転圧するだけで、施工基面として十分な強度を発現できる。
このため、本材料を用いれば、攪拌混合の工程やそのための施工機械を必要とせず、水分を多量に含む軟弱地盤上に本材料を散布、転圧すると、即時に強固な施工基盤が造成され、本施工に待ち時間なく移行できる。
また、粒子の密実化、噛み合い、サクション形成という物理的機構による基盤造成であるため、水和特性や水硬性などを有しておらず、化学的な変化も経ていないため、本施工後の撤去は容易である。
また、環境影響についても、後述するロータリーキルン内にて重金属成分を揮発除去しているため、有害物質溶出のリスクを有さない。
(1.建設材料の製造工程)
以下、本発明の建設材料の製造工程を説明する。
公知のフェロニッケル製錬工程に従い、まずニッケル鉱石を含むフェロニッケル原料を乾式または湿式の粉砕機で粉砕し、混練機、団鉱機を経て、ロータリーキルンに移送する。ローターリーキルンでは、バーナーを用いて加熱し、金属分とスラグ分が完全溶融して分離する状態に至るより低い温度に維持し、フェロニッケル原料を半溶融状態、すなわちスラグ分が固形と液体が混合した状態とする。
この状態を維持することにより、半溶融のスラグ分に含有される炭素の一部が完全な固体に凝固する時点でCOガスとなり放出されることにより、空隙を形成し、多孔質体となる。この時の温度は、好ましくは1200〜1450℃である。下限温度未満であると還元反応が進行せず、上限温度超であるとスラグが溶融してしまう。
続いて、形成した多孔質のスラグを含む半溶融のフェロニッケル原料を冷却水に投入して冷却を行って完全に固化させる。このときの冷却水の量は、20Nm/(hr・スラグ1t)以上であることが好ましい。20Nm/(hr・スラグ1t)未満であると、冷却に十分な水量が確保できず、水蒸気爆発のおそれがある。
フェロニッケル原料を冷却後、これを粉砕機で粉砕し、比重選鉱機で重い金属分と軽いスラグ分に分離する。スラグ分はさらに磁力選鉱機に掛けられ、残留する金属分を分離した後、分級機によって250μm以下の微粒子を回収して、本発明の建設材料が得られる。
(2.建設材料の物性)
上記で得られた本発明の建設材料の物性を説明する。
(2−1.粒径)
本建設材料の差渡し最外径は、分級機により250μm以下とされる。この粒度であれば、非常に多くの微粒子間にサクションが形成され、補強地盤として十分な強度を確保することができる。なお、差渡し最外径250μm超の粒子も分級で除き切れない程度の微量は含まれる。差渡し最外径は、好ましくは、100μm以下であり、さらに好ましくは、一般にシルト質として分類される75μm以下である。本建設材料の好ましい態様の粒度分布は、粒径加積曲線において、シルト質(5〜75μm)の含有率が97%である。
本建設材料が補強地盤として十分な強度を確保するためには、JIS A1204「土の粒度試験方法」により測定した平均粒径(D50、50%粒径)=0.02〜0.1mmであることが必要である。平均粒径が0.02mmより小さい場合は、空隙の比率が下がるため、保持される水分が少なくなり、十分な強度が得られない。図2に示すように、本発明の建設材料は、複数製造ロットの物を比較しても、0.02〜0.1mmの狭い範囲に粒度が揃っていることが分かる。好ましくは、平均粒径D50=0.03〜0.08mmの範囲にあるとより高い強度が得られる。
(2−2.比表面積)
本建設材料の比表面積は、1200cm/g以上であると好ましい。比表面積が1200cm/g未満であると、多孔質体としての空隙および表面凹凸が不十分であり、十分に含水やサクションを発揮することができない。また、その空隙は、20μm以下かつ粒径の1/4以下である。
(2−3.密度)
本建設材料の土粒子比重は、JIS A1202に規定された「土粒子の密度試験方法」による値で2.9〜3.2g/cmであるか、またはJIS A1210−Aに規定された「突固めによる土の締固め試験方法」で締固めた時の乾燥単位体積重量(乾燥密度)が1.57g/cm以上が好ましい範囲である。
(2−4.含水比)
本建設材料の含水比は、JIS A1203に規定された「土の含水比試験方法」による値で15〜25%が好ましい範囲である。なお、図3および4に、含水比と乾燥密度との関係、含水比とコーン指数の関係を示す。このように、含水比が15〜25%であると、良好な結果をもたらす。
(2−5.コーン指数)
本建設材料のコーン指数は、上記乾燥密度と上記含水比との組み合わせにおいて、JIS A1228に規定された「締固めた土のコーン指数試験方法」による値で3500kN/m以上が好ましい範囲である。
(2−6.非塑性)
本建設材料は、JIS A1205に規定された「土の液性限界・塑性限界試験方法」による値で、NP(非塑性)である。
(2−7.化学成分)
本建設材料を構成する微粒フェロニッケルスラグは、主成分をSiOとして、以下重量%にて、MgO:40%以下で、重量%比でMgO/SiO:0.32〜0.80、全鉄分をFeOとして、FeO:13%以下、CaO:0.2〜6.5%、Al:0.1〜5%、Ni:0.50%以下、C>0.20%を含有している。なお、フェロニッケル原料から金属分を分離して本建設材料を得る前段階、すなわちロータリーキルン内での半溶融状態のフェロニッケルスラグ原料の化学成分は、主成分をSiOとしてMgO:40%以下で、MgO/SiO:0.32〜0.80、全鉄分をFeOとして、FeO:6〜30%、CaO:0.2〜6.0%、Al:0.1〜4.5%、Ni:0.8〜3.2%、C:5〜20%である。
(3.補強地盤の敷設方法、地盤構造)
(3−1.建設材料の必要量の算出方法)
本発明における補強地盤の敷設方法は、軟弱地盤の上に本発明の建設材料を直接撒き出し、汎用施工機械で敷きならして施工基盤を造成するものである。従って、必要量Vは、
V(m)=A(m)×h(m)
(ここで、A:施工面積、h:基盤層厚(撒き出し厚−5センチ程度))
にて算出される。基盤層厚hは、軟弱地盤の原地盤強度(コーン指数qc(kN/m))と施工重機の接地圧p(kN/m)の組み合わせに応じて2層系の応力伝播式と地盤の短期許容支持力式を用いて算出される。算定式は公知技術であり、例えば、コーン指数100kN/mの軟弱地盤上でバックホウを走行させるための必要層厚は25cmとなる。
本建設材料の敷設厚の試算例を下記表1に示す。必要層厚は、重機と原地盤強度の組み合わせで異なるが、重機走行性確保のために最低30cmを確保すると好ましい。表中、「−」は適用対象外を示す。また、「表層50cm+敷設20cm」は、軟弱地盤の表層50cmに本建設材料を混合し、その上から建設材料単独で20cm敷設することを意味する。
なお、原地盤がかなり軟弱な場合に限って、本建設材料を原地盤に混合攪拌して含水比wを低下させることによって原地盤表層強度の向上を図ることも可能である。これにより基盤層厚hを現実的な値とする。この場合、原地盤のコーン指数の目標値(例えば100〜200kN/m)に対応する目標含水比をw目標とすると
目標=α・w建設材料+(1−α)・w
α:本建設材料の混合比率(0〜1:乾燥重量比)
を満足する混合比率相当の量の本建設材料をさらに必要とする。
(3−2.地盤構造におけるサクションの計測(室内模型実験))
本発明の建設材料のサクション計測は、室内模型実験および現地盛土実験で実施した。
使用した建設材料は次の通りである。ニッケル鉱石と還元剤を高温還元するフェロニッケル製錬において、ロータリーキルン内の溶融成分が、以下重量%にて、SiO:35.7%、MgO:20.0%、塩基度MgO/SiO:0.56、全鉄分をFeOとして、FeO:12.6%、CaO:3.1%、Al:2.1%、Ni:1.78%、C:8.5%のフェロニッケル原料にて、製錬を行った。凝固温度は1350℃とした。続いて原料を冷却水25Nm/(hr・スラグ1t)に対して落下させて冷却凝固物を製造し、これをボールミルで2.0mm以下に粉砕し、エーキンス型重選機にて75μm以下に分級して微粒フェロニッケルスラグを得た。その成分を分析したところ、SiO:49.4%、MgO:28.6%、塩基度MgO/SiO:0.58、全鉄分をFeOとして、FeO:5.7%、CaO:4.9%、Al:3.0%、Ni:0.26%、C:2.0%、であった。
室内試験では、本建設材料と硅砂8号(比較材料)を、直径15cm、高さ12.5cmのモールドに詰め,中心にテンシオメータ(大起理化工業株式会社製の「ポット用pFメータ」)を、先端検知部の深度が10cmとなるよう埋設した。本建設材料の供試体作製はJIS A1210の室内突き固め試験方法に準じ、層数を3層、1層当りの突き固め回数を9回とし,含水比を5点変えて作成した。
硅砂8号の供試体についても層数は3層で,乾燥密度を本建設材料に合わせて実施した。テンシオメータの設置に際しては、事前にテンシオメータの測定部を2〜3時間水に浸した後、キャップを外し、内部に脱気水を注ぎ,空気が入らないようにキャップを閉めるなど先端検知部の飽和化に留意した。
計測結果を図5に示す。図5は、供試体の飽和度とサクションの関係を示すが、類似粒径の珪砂8号に比べて、本建設材料は大きなサクションを有しており、これが粒子間の結合力を高めることを示している。図1は本建設材料の顕微鏡写真(1000倍、3D処理)であるが、本建設材料の粒子表面には無数のキズや凹凸が観察され、このような表面粗度が図5のサクションをもたらす原因であると考えられる。
(3−3.地盤構造におけるサクションの計測(現地盛土実験))
現地盛土実験では、屋外にて次の3種類のサイトを用意した。サイトAは、建設材料を沈殿池に水搬した後、重力排水によって含水率を低下させたのみの地盤であり、水中落下状態での非常に緩い堆積地盤である。サイトBは、十分な含水比低下を図った後、陸上堆積させた。入念な転圧は行っていないが、地表面を重機が走行したことによりある程度圧縮されている。サイトCは、乾燥側(含水比=19.5%)と湿潤側(含水比=23.8%)の2種類の建設材料を用意し、図6に示すように、事前に転圧済みの強固な基盤上に5m×4mずつの範囲に撒き出し厚さ30cmで敷設し、パワーショベル(BH)を用いて転圧した。転圧1〜8回までは0.45m級BHを使用し、9〜16回までは0.7m級BHによる追加転圧を行った。
以降の現地盛土実験では、サクションの計測は、室内模型実験と同一のテンシオメータをサイトCに埋設して同様に行った。
図7に、サイトCにおけるサクションの計測結果を示す。図7には、24時間雨量を併記し、降雨とサクションの関係が分かるようになっている。模型実験と同様、現地の地盤でもサクションの発生が確認され、図5と図7の比較から分かるように、その値は室内試験と整合的である。また、図7からは本建設材料を敷設した地盤内のサクションが降雨に対応しながら発生し、次第に累積的に増加する傾向も見て取れる。このようなサクションの蓄積が、本建設材料地盤の経時的な強度増加をもたらすものと考えられる。
(3−4.本建設材料のコーン指数・CBRについて)
本建設材料をサイトCにて撒き出し、敷き均し走行した時のコーン指数とCBRを現地確認した結果を図8および図9に示す。ここで、CBRとは、路床や路盤の支持力の大きさを表わす指標である貫入強度であり、CBRの値が高いほど支持力が大きいことを意味する。
公益社団 法人日本道路協会による建設機械が走行可能な地盤のコーン指数の一覧では、ダンプトラック走行に必要なコーン指数は1200kN/mであるが、図8より、汎用の小型機械で2回(1往復)走行する程度でこの値をクリアしていることが分かる。図6より、CBRも5〜10と、道路基盤(路床や路体)に要求される強度水準をクリアしている。このことから、本建設材料の転圧地盤は建設機械が走行するための基盤としては十分な強度を有することが示される。
図8には本建設材料の乾燥密度とコーン指数の関係を示す。このように、乾燥密度を調整することで、コーン指数を自在にコントロール可能である。
(3−5.セメントや石灰混合による強度増加(水和反応・ポゾラン反応))
従来技術で軟弱地盤の上に施工機械の走行基盤を造成する場合、主としてセメントや石灰を原地盤に混合攪拌するが、これにより、セメント成分のクリンカーの水和反応による水和物の生成による土粒子の硬化である水和反応や、セメントの水和反応で生じる消石灰と土粒子との長期にわたるポゾラン反応により、安定的な反応物の折出による強度の改善が進む。
そのため、ポゾラン反応による強度増加の発揮を待つ必要が生じ、養生と待ち時間が発生する。一方、本建設材料はフェロニッケルスラグの多孔質微粒子であり、単体ではこのような化学的反応による自硬性がなく、前述の粒子間サクションによる物理的な強度増加により支持力を発揮するため、このような化学的反応を待つ必要がない。すなわち、敷き均し後にすぐに補強地盤が完成し、本施工が可能となる。
また、セメント添加のように強固な固結地盤が生成されることはないので、セメント添加の場合に発生するピッキングによる小割なども生じず、本施工終了後の補強地盤の撤去は容易である。図11に本建設材料の自硬性とセメント添加時の強度増加を調べた結果を示すが、セメントを添加しない場合(無添加のプロット)は時間が経過しても強度の増加はなく、水浸後には崩壊する。つまり、化学的作用による固結力はなく、締固めによる物理的な固結が生じていることの証左である。
一方、図11に併記するように、本建設材料に重量比数%程度の少量の普通Pセメント、消石灰、高炉セメントを混合すると、顕著な強度発現が生じ、こちらは水浸等によっても消失しない。本建設材料の適用先が、例えば道路基盤や擁壁など高強度を要求される場合、セメントを3%〜5%程度添加(重量比)することで、強度を自在にコントロールすることが可能である。
(4.重機の走行基盤以外の一般の建設材料としての利点)
ここまで、本発明の建設材料を「軟弱地盤上に重機走行基盤を迅速かつ容易に造成するための材料」として説明してきた。これが可能となる理由は、本材料が独自の精製過程に起因する粒子硬度の高さ、表面の凹凸、これによる粒子の噛み合い強化、微細な噛み合い部に保持される水分が発揮する高いサクションと吸着性等の性質により、材料を撒き出して汎用的な軽重機で数回転圧するだけで、十分な強度を発現することにある。このような性質が有するメリットは重機の走行基盤造成に限定したものではなく、より一般的な土工材料として、管路の埋め戻し、擁壁背面の裏込め、土地造成、道路基盤造成等に適用可能である。従来の土工では、粘土、シルト、砂、礫などの自然材料を用いた施工が行われてきたが、これらに対する本発明の建設材料のメリットを列挙すると、以下のようになる(特に4−1.と4−2.が優位)。
(4−1.材料粒度および含水比の均一性)
本発明の建設材料は、自然材料ではなく、工場で生産される材料であるため、図2に示すとおり、出荷時の粒度と含水比のばらつきは、自然材料に比べて極めて小さい。複数の実線で示す通り、本建設材料は、製造時期に差異があってもほぼ同様の粒度分布であることが分かる。
一般の土質材料は、粘土から礫まで広範囲な粒度と含水比の幅を有しており、土を採取する場所や季節により大きく変動し、予測することは困難である。材料が変動すると、これを用いて造成した地盤の物性も大きくばらつき、これを一定の範囲に収めることは相当に難しい。結果として出来上がった地盤の不均一性を避けがたい。本建設材料は粒度と含水比がある一定の範囲内にあるため、例えば図10のような締固め密度とコーン指数の関係は普遍的なものとなり、材料が一定なので強度のコントロールが自在にでき施工管理が容易で、かつ地盤の物性の均一性が担保される。前述のようにより高い強度が要求されれば数%のセメント添加により強度をコントロールできる。このメリットは、変動の大きな土質材料に比べて、非常に有利な点である。
(4−2.細粒の割に高い強度を発揮、かつ汎用の施工機械で強度を発揮)
図12に、本発明の建設材料よりも粗粒側の粒度を持つ砂質ロームとのCBRの比較結果を示す。砂質ロームは、一般社団法人 日本建設機械施工協会が転圧重機の締固め性能試験の標準材料として用いているものであり、この標準材料は、土の中でも転圧重機により締固まりやすい材料として採用されている(粒度は図2で比較)。
図12には、締固め密度と含水比の座標上に非水浸CBR(5、10、20、30、40、50)の等値線を描いているが、同じ密度・含水比の組み合わせで比較してみると、本建設材料のCBRはこの標準材料に比べてかなり大きく、その理由は前述の粒子特性やサクション、噛み合いにある。また、本建設材料は図8に示したように汎用の油圧ショベル等で転圧するだけで十分な強度を発揮しており、特殊な施工機械を要しない。一般に土質材料で同等の強度を出そうとすると、
・砂や礫などの良質材の購入あるいは現場土とこの良質土との混合による土の改質
・現場での含水比調整
・大型特殊重機による施工
・セメント、石灰等の混合による強度確保
等が必要となる。本建設材料は均一な品質を担保したうえで、上記の煩雑かつ高コストな対処を不要とする。
(4−3.細粒の割には高い透水性、かつ多孔質なため高い吸水性)
本発明の建設材料の透水係数は10−4cm/secのオーダーにあり、同じ粒径の土に比べて透水性が1オーダー高い。その理由は、粒子自体が非塑性の鉱物であり粘着力を持たないためである。よって管路の埋め戻しや擁壁背面の裏込めなど排水性を要求される適用シーンでは、一般の土に比べて有利となる。一般の土で同等な排水性を確保するためには良質砂などを購入する必要がある。なお、本建設材料に、同材料の製造で発生し分級した粒度の大きいもの(粒度のより大きいフェロニッケルスラグや造粒材)を混合すると、透水係数はさらに1オーダー向上し10−3cm/secのオーダーとなる。そのため、排水性が重要となる場合は、本建設材料と、同材料の大粒度のものあるいは本建設材料の造粒材とを混合することで、自在に透水性をコントロールできる。
また、本建設材料の表面粗度が粗いために保水性が高いため、サクションが大きくなる。この性質から、軟弱かつ高含水な土を早急に改質する必要がある場合などに、本建設材料を含水比低下のための改質剤として用いることが可能となる。従来は生石灰の混合が行われているが、コストや材料のハンドリングの面で、本建設材料は有利である。
以上の4−1.〜4−3.で言えるのは、「工場出荷製品であるため、自然の土質材料に比べて品質の変動が少なく、強度や透水性なども、同じ工場製品を組み合わせて、かなり自在・高精度に品質をコントロールできる」ことが、本建設材料の大きな強みであり、普通の土質材料では、決してこうはいかないことを再度強調しておく。
(4−4.高比重)
本発明の建設材料の比重は3を超え、一般の土(2.6〜2.7)よりもかなり大きい。このことは、管路やマンホールの埋め戻しなど構造物の浮き上がりに対する抑え荷重として土が機能する場合、設計上有利となることを意味する。ただし、この特性は斜面や擁壁背面の裏込めなど、抑えではなく構造物に加わる荷重側となる場合は逆効果となるため、留意が必要である。
建設現場において速やかに高強度の補強地盤を敷設および撤去することができるので、工期の短縮、コストの削減に寄与する。




Claims (12)

  1. 主成分をSiO として、MgO:40%以下で、MgO/SiO :0.32〜0.80、全鉄分をFeOとして、FeO:6〜30%、CaO:0.2〜6.0%、Al :0.1〜4.5%、Ni:0.8〜3.2%、C:5〜20%であるフェロニッケルの原料を用いて製造した多孔質の微粒フェロニッケルスラグからなる建設材料であって、
    前記微粒フェロニッケルスラグは、主成分をSiO として、以下重量%にて、MgO:40%以下で、重量%比でMgO/SiO :0.32〜0.80、全鉄分をFeOとして、FeO:13%以下、CaO:0.2〜6.5%、Al :0.1〜5%、Ni:0.50%以下、C>0.20%であり、
    平均粒径が0.02〜0.1mm、
    比表面積が1200cm/g以上、
    土粒子密度が2.9〜3.2g/cm
    であり、
    前記微粒フェロニッケルスラグの空隙が20μm以下かつ粒径の1/4以下であることを特徴とする建設材料。
  2. 請求項に記載の建設材料の製造方法であって、
    前記フェロニッケルの原料をロータリーキルンに投入し、
    前記原料を半溶融状態にして内部に含まれる炭素分をガス化して内部に多数の空隙を形成し、
    半溶融状態の前記原料をロータリーキルンの出口から冷却水に投入して冷却し、
    冷却した前記原料を粉砕し、
    粉砕した前記原料をフェロニッケル分とスラグ分とに分離し、
    前記スラグ分を分級して250μm以下のものを選別することを特徴とする建設材料の製造方法。
  3. 半溶融状態の前記原料の温度を1200〜1450℃とすることを特徴とする請求項に記載の建設材料の製造方法。
  4. 前記冷却水の量が20Nm/(hr・スラグ1t)以上であることを特徴とする請求項2または3に記載の建設材料の製造方法。
  5. 多量の水分を含む軟弱地盤と、
    前記軟弱地盤上に敷き詰められ上から圧縮された補強地盤とからなる地盤構造であって、
    前記補強地盤は、請求項に記載の建設材料および水のみからなり、含水比は15〜25%であることを特徴とする地盤構造。
  6. 室内でJIS A1210−A法により突固められた前記補強地盤材料のコーン指数が3500kN/m以上であることを特徴とする請求項に記載の地盤構造。
  7. 多量の水分を含む軟弱地盤の上に請求項に記載の建設材料を敷き詰め、
    前記建設材料の上から汎用土工機械により踏み固めて圧縮した現地でのコーン指数が1200kN/m以上の補強地盤とすることを特徴とする補強地盤の敷設方法。
  8. 前記建設材料を敷き詰める前の軟弱地盤のコーン指数は200kN/m以下であることを特徴とする請求項に記載の補強地盤の敷設方法。
  9. 前記軟弱地盤の表層の土砂を除去し、
    除去した後にできた窪みに前記建設材料を敷き詰めることを特徴とする請求項7または8に記載の補強地盤の敷設方法。
  10. 前記建設材料を敷き詰めた上から散水することを特徴とする請求項7〜9のいずれかに記載の補強地盤の敷設方法。
  11. 前記建設材料の含水比を15〜25%とすることを特徴とする請求項10に記載の補強地盤の敷設方法。
  12. 前記建設材料を敷き詰める前のコーン指数が200kN/m以下の軟弱地盤の表層に前記建設材料を散布し、混合攪拌し、前記軟弱地盤のコーン指数を増加せしめた後に、その上から前記建設材料を敷設することを特徴とする請求項に記載の補強地盤の敷設方法。
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