JP7401962B2 - 土質材料、土質材料の製造方法および地盤造成方法 - Google Patents
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Description
本発明は、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料、土質材料の製造方法、および土質材料を用いた地盤造成方法に関する。
従来、液状化を抑制し、遮水性能を有する地盤材料として、現地発生土にセメント等の固化材を混合したセメント改良土、または、港湾工事等で発生する浚渫土に製鋼スラグ等のカルシア改質材を混合したカルシア改質土が知られている（特許文献１，２参照）。
非特許文献１によれば、火山灰は、日本国内に広く分布し採取可能な天然ポゾランであり、防波堤コンクリートに使用されるなど、コンクリートの長期的な耐久性向上が期待されている。
「火山灰の反応性と火山灰を用いたコンクリートの特性」寒地土木研究所月報 No.729 2014年2月
従来のセメント改良土は、水中に投入されて使用される場合には、セメント分のみが水に洗われて分離し易いという問題がある。また、浚渫土と製鋼スラグを混合したカルシア改質土は、沿岸域から遠く離れた場所での工事では浚渫土の調達が難しいことが多いこと、浚渫土は粘性が高いため、粒度の細かい製鋼スラグやセメント等との混合には長時間を要し、作業効率が低下してしまう、といった問題がある。
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、浚渫土を使用せずに所定の強度と遮水性能とを有する土質材料、土質材料の製造方法および地盤造成方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため本発明者等の調査・実験・検討によれば、浚渫土の代わりに、適度な細粒分を有する火山灰土を用い、適度な含水比の火山灰土にアルカリ度の高い製鋼スラグを混合することで、一軸圧縮強さが高く、液状化を抑制でき、遮水性能に優れる土質材料を得ることが可能なことが判明し、本発明に至ったものである。
上記目的を達成するための土質材料は、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料であって、前記火山灰土と前記水との混合時の含水比が４０～６０重量％であり、前記混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２１６３．３ｋＮ／ｍ２以下であり、前記混合９１日後の透水係数が３．７×１０－１０ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である。
この土質材料によれば、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料は、火山灰土と水との混合時の含水比が４０～６０重量％であることで、混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２１６３．３ｋＮ／ｍ２以下であり、混合９１日後の透水係数が３．７×１０－１０ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である土質材料とすることができる。
上記土質材料において、前記火山灰土の細粒分含有率が２０％以上であることが好ましい。また、前記製鋼スラグはｐＨ１２以上であることが好ましい。
上記目的を達成するためのもう１つの土質材料は、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料であって、セメントと高炉スラグ微粉末と高炉セメントとのうちのいずれか１つをさらに混合し、前記火山灰土と前記水との混合時の含水比が６０～８０重量％であり、前記混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２９７８ｋＮ／ｍ２以下であり、前記混合２８日後の透水係数が３．６×１０－１１ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である。
この土質材料によれば、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合し、セメントと高炉スラグ微粉末と高炉セメントとのうちのいずれか１つをさらに混合した土質材料は、火山灰土と水との混合時の含水比が６０～８０重量％であることで、混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２９７８ｋＮ／ｍ２以下であり、混合２８日後の透水係数が３．６×１０－１１ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である土質材料とすることができる。
上記目的を達成するための土質材料の製造方法は、火山灰土と水と製鋼スラグとを混合し、前記火山灰土と前記水との混合時の含水比を４０～６０重量％に調整し、前記混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２１６３．３ｋＮ／ｍ２以下であり、前記混合９１日後の透水係数が３．７×１０－１０ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である。
この土質材料の製造方法によれば、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合し、火山灰土と水との混合時の含水比を４０～６０重量％に調整することで、混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２１６３．３ｋＮ／ｍ２以下であり、混合９１日後の透水係数が３．７×１０－１０ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である土質材料を得ることができる。
上記目的を達成するための地盤造成方法は、上述の土質材料、または、上述の製造方法により製造された土質材料を打設することで地盤を造成するものである。
この地盤造成方法によれば、上述の土質材料、または、上述の製造方法により製造された土質材料を用いることで、一軸圧縮強さが高く、液状化を抑制でき、遮水性能に優れる地盤を造成することができる。
上記地盤造成方法において、前記土質材料を埋め立てまたは埋め戻しのために打設するようにできる。
本発明によれば、浚渫土を使用せずに所定の強度と遮水性能とを有する土質材料、土質材料の製造方法および地盤造成方法を提供することができる。
以下、本発明を実施するための形態について説明する。本実施形態による土質材料は、細粒分の含有率が20％以上の火山灰土と、アルカリ度が高い製鋼スラグと、水とを混合し、火山灰土と水との混合時の含水比が４０～６０重量％であることで、混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ2以上であり、混合９１日後の透水係数が１．０×１０-7ｍ／ｓ以下である。
火山灰土とは、火山灰が堆積して形成された地盤で、一般的に可溶性シリカを多く含み、アルカリ環境下で水酸化カルシウムと反応して、カルシウム・シリケート水和物を生成し固化するポゾラン反応性を有している土である。北海道などでは、現在活動中の火山が多数あり、火山灰土は安価で大量に調達することが可能である。
なお、コンクリート用混和剤としてのポゾラン材の規格として、ASTM C618があるが、この規格には、Class N（天然ポゾランは、SiO2＋Al2O3＋Fe2O3が70％以上、SO3が4.0％以下、強熱減量が10％以下と規定されている（非特許文献１参照）。また、火山灰のポゾラン性評価方法の規格としては、BS EN 196-5:2005（Pozzolanicity test for pozzolanic cements）がある。
火山灰土の細粒分の含有率を20％以上としたのは、同様のメカニズムで固化するカルシア改質土の原材料である浚渫土の条件と同様であると考えられるからである。
製鋼スラグとして、溶銑予備処理、転炉吹錬、鋳造などの工程で発生する製鋼系スラグ等を用いることができる。アルカリ度の高い製鋼スラグは、pHが12以上、または、遊離CaO:f-CaOを0.5％以上、好ましくは1.0％以上含有するものをいう。f-CaOを0.5％以上、好ましくは1.0％以上含有する製鋼スラグとしたのは、同様のメカニズム（Caの溶出による固化反応）で固化するカルシア改質土に適用する製鋼スラグの条件と同様と考えられるためである（特許文献１，２，沿岸技術研究センター「港湾・空港・海岸等におけるカルシア改質土利用技術マニュアル」附2-5頁、2017）参照）。
また、製鋼スラグのアルカリ度が低い場合、セメント、高炉スラグ微粉末、または、高炉セメントをさらに混合して一軸圧縮強さおよび透水性の調整を行うことができる。高炉スラグ微粉末は、高炉水砕スラグを粉砕したものまたはこれに石膏を添加したもの等を用いることができる。高炉セメントは高炉スラグ微粉末からなる。火山灰土にセメントを混合した改良土は、混合28日以降の一軸圧縮強さ上昇や透水性低下がほとんどみられないのに対し、本実施形態による火山灰土とセメントと製鋼スラグと水とを混合した改良土（土質材料）は、混合28日以降の長期強度の伸びが大きく、透水性も低下する。これは、製鋼スラグと火山灰土とでポゾラン反応が生じて長期的に強度が向上し透水性が低下するためと考えられる。このため、セメント、高炉スラグ微粉末、または、高炉セメントをさらに混合した土質材料では、火山灰土と水との混合時の含水比の上限は80重量％であってよい。
次に、本実施形態による土質材料の製造方法の主要な工程について図１のフローチャートを参照して説明する。土質材料の製造プラント等において、火山灰土をバックホウにより投入ホッパーに貯留し（Ｓ０１）、製鋼スラグをバックホウにより別の投入ホッパーに貯留し（Ｓ０２）、水をタンクに貯留する（Ｓ０３）。このようにして、火山灰土と製鋼スラグと水とを用意してから、投入ホッパーからの火山灰土を計量ベルトコンベア等で計量し（Ｓ０４）、投入ホッパーからの製鋼スラグを計量ベルトコンベア等で計量し（Ｓ０５）、タンクからポンプにより送られた水を流量計等で計量し（０６）、これらの計量された各材料を運搬し連続式2軸パドルミキサ等で混合し（Ｓ０７）、混合された土質材料を施工場所へと運搬し打設し（Ｓ０８）、所定期間養生する（Ｓ０９）。
上述の製造方法により、混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ2以上であり、混合９１日後の透水係数が１．０×１０-7ｍ／ｓ以下である土質材料を得ることができる。また、必要に応じて、セメント、高炉スラグ微粉末、または、高炉セメントを混合する場合は、水と混合してセメントミルクとしてから流量計等で計量して所定量を混合する。
火山灰土は、浚渫土と比べて自然含水比が低く、粘性も小さいため、細粒分を含む製鋼スラグと混合するときには、本実施形態のように連続式2軸パドルミキサ等を用いることが好ましい。これにより、短時間で混合できるため、施工時間が短縮可能で、施工コストの低減を実現できる。
なお、図１の火山灰土と製鋼スラグと水との計量工程（Ｓ０４～Ｓ０６）は、次のように行う。火山灰土と水とについては、火山灰土と水との混合時の含水比が４０～６０重量％になるように火山灰土と水とを計量する（Ｓ０４，Ｓ０６）。製鋼スラグについては火山灰土に関して所定の容積率αとなるように計量する（Ｓ０５）。容積率αは、湿潤単位容積質量より算出される火山灰土の容積Ｖｓと、表乾密度より算出される製鋼スラグの実容積Ｖｃとから、次式(1)で求めることができる。
α＝Ｖｃ／（Ｖｃ＋Ｖｓ） (1)
また、セメント、高炉スラグ微粉末、または、高炉セメントをさらに加える場合は、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料に外割りで添加して混合する。
α＝Ｖｃ／（Ｖｃ＋Ｖｓ） (1)
また、セメント、高炉スラグ微粉末、または、高炉セメントをさらに加える場合は、火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料に外割りで添加して混合する。
次に、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
次の表１のように、実施例として火山灰（細粒分含有率33.3％、自然含水比21.3％）に加水して火山灰の含水比を40％、50％、60％の3段階に調整し、f-CaOの異なる３種類の製鋼スラグＡ，Ｂ，Ｃと混合した９種類（A-1～3,B-1～3,C-1～3）の土質材料を一定期間養生した後、一軸圧縮試験と透水試験を実施した。また、比較例としてf-CaOの異なる製鋼スラグＤ（D-1～3）を用いた以外は、同様にして同試験を実施した。それらの結果を表１にあわせて示す。なお、一軸圧縮試験は、JIS A1216：2009(土の一軸圧縮試験方法)に基づいて行い、透水試験は、JIS A 1218：2009（土の透水試験方法）に基づいて行った。また、表や図面では、冪の指数を、Eを用いて表す場合があり、たとえば、7.8E-08は、7.8×10-8を意味する。
図２は、表１の実施例、比較例の結果のうち、混合28日後、混合91日後の一軸圧縮強さをケース（A-1～D-3）毎に示すグラフである。図３は、表１の実施例、比較例の結果のうち、混合91日後の透水係数と含水比との関係を示すグラフである。表１、図２，図３から、土質材料の養生期間が長くなるにつれて一軸圧縮強さが増加すること、および、透水係数が小さくなることがわかる。また、実施例の３種類の製鋼スラグＡ，Ｂ，Ｃの各ケース（A-1～C-3）についてはいずれも、混合28日後の一軸圧縮強さが50kN/m2を超えるとともに、混合91日後の透水係数が1.0×10-7m/s以下となった。
比較例の製鋼スラグＤでは、含水比50％と60％のケース（D-1、D-2）について混合28日後の一軸圧縮強さが50kN/m2に到達せず、含水比40％のケース（D-3）では50kN/m2を超えたが、図３のように、混合91日後の透水係数が全ての含水比について1.0×10-7m/s以下にならなかった。これは、製鋼スラグＤは、後述のように、f-CaOが少なく、pHが小さく、アルカリ度が小さいためと考えられる。なお、本実施形態のような土質材料は含水比が低い程強度が大きくなるが、表１のケース以外の実験において、含水比を30％とした場合には材料の混練ができなかった。また、含水比80％の場合には供試体が自立しなかった。
表１と同じ火山灰と製鋼スラグＤを使用し、加水して含水比を60％に調整した火山灰に製鋼スラグＤを容積率35％になるように混合し、さらに高炉セメントを混合し、高炉セメントの添加量を30kg/m３、100kg/m３とした実施例（D-5、D-6）について表１と同様の試験を行った。その結果を次の表２に示す。
表１の比較例（D-1）は、高炉セメントを混合せず、混合後28日一軸圧縮強さが50kN/m2に満たず、透水係数が1.0×10-7m/sを超えているが、表２の高炉セメントを混合した実施例（D-5、D-6）は、混合28日後の一軸圧縮強さが50kN/m2を大きく越えるとともに、透水係数は混合28日後の段階で1.0×10-7m/s以下となった。透水係数は、製鋼スラグと火山灰土とでポゾラン反応が生じて長期的に透水性が低下すると考えられる。また、含水比が80％と高い実施例（D-7）においても、高炉セメントを添加することにより、50kN/m2以上の一軸圧縮強さと1.0×10-7m/s以下の透水係数を達成することができた。
次に、表１，表２の製鋼スラグＡ～Ｄについてf-CaOとpHの測定を行った結果を次の表３に示す。表３の各製鋼スラグのpHの測定結果と、表１の含水比60％，50％，40％の場合の混合91日後の透水係数との関係を図４に示す。図４から透水係数が1.0×10-7m/s以下となる条件を求めると、pHが11.9以上となることがわかる。
また、表３の製鋼スラグのpHの測定結果と、表１の含水比60％，50％，40％の場合の混合28日後の一軸圧縮強さとの関係を図５に示す。図５からpHが11.9以上であると、混合28日後の一軸圧縮強さが50kN/m2を大きく越えることがわかる。なお、f-CaOの測定は、エチレングリコール抽出-ICP発光分光分析法（鉄鋼協会法）により行い、pHの測定は、環境省告示46号による検液作成-ガラス電極法により行った。
本実施形態による土質材料では製鋼スラグからCaが溶出して固化反応が進むが、このCaの溶出に伴いpHが上昇する。表３からわかるように、製鋼スラグＤは、製鋼スラグＡ～Ｃよりもf-CaOが少なく、pHが小さいため、表１の結果のように、一軸圧縮強さが小さく透水係数が大きくなった。ただし、上述のように、製鋼スラグのpHやf-CaOが不足する場合には、セメント、高炉スラグ微粉末、または、高炉セメントを添加することにより目標強度や目標透水係数を満たすことが可能である。
次に、火山灰・製鋼スラグ・高炉セメント・水を連続式2軸パドルミキサ（100m3/h）により混合して土質材料を作製し、この土質材料をグラブにより岸壁の鋼矢板背面に投入し、遮水対策層・液状化対策層とした地盤造成例について説明する。この岸壁の鋼矢板背面構造の断面模式図を図６に示す。図６の岸壁の鋼矢板背面構造は、海水に接する鋼矢板の背面（陸側）に裏込石が配置され、そのさらに陸側に本実施例の土質材料が打設されて配置されたものである。なお、土質材料は、図１のように、各材料の混合後に運搬され打設されてから、所定期間養生される。
図６の岸壁の鋼矢板背面構造に用いた土質材料は、火山灰（細粒分含有率35％程度、平均自然含水比26.6％）に火山灰の含水比が65％になるように水を加え、製鋼スラグを容積率35％になるように加え、高炉セメントを50kg/m3分添加し混合し作製された。この地盤造成施工時に採取した試料（９箇所から採取）を一定期間養生した後、一軸圧縮試験および透水試験を実施した結果を図７，図８に示す。図７のように、混合後期間の経過とともに一軸圧縮強さが増加し、混合28日後の一軸圧縮強さが50kN/m2を超えた。液状化しない一軸圧縮強さは50～100kN/m2以上とされているが（「事前混合処理工法技術マニュアル」沿岸技術研究センター，2008）、この試験結果はこれを大きく超えている。また、図８のように、混合後期間の経過とともに透水係数が低下し、混合91日後には全てのケースにおいて、透水係数が1.0×10-7m/s以下となった。このように、図６の岸壁の鋼矢板背面構造は、本実施例による土質材料からなる遮水対策層・液状化対策層を備えることができた。
次に、本実施例の土質材料において用いた火山灰と、コンクリートの混和剤として火山灰を使用する場合の各条件の文献値（ASTM C618）との比較を次の表４に示す。表４からわかるように、本実施例で使用した火山灰は、コンクリートの混和剤としても適用可能である。なお、強熱減量の試験は、JIS R 5202に基づいて行った。
以上のように本発明を実施するための形態および実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。たとえば、図４の鋼矢板背面構造は岸壁に限定されず、護岸にも適用可能であることはもちろんである。また、本発明による土質材料は、岸壁や護岸の鋼矢板背面構造への使用に限定されず、他の地盤造成にも使用できることはもちろんであり、たとえば、地盤の埋め立てや埋め戻しのために使用できる。
本発明の土質材料、土質材料の製造方法および地盤造成方法によれば、火山灰土を用いることで、浚渫土を使用せずに所定の強度と遮水性能とを有する土質材料を得ることができ、この土質材料を用いることで地盤造成において遮水対策や液状化対策を有効に施すことができる。
Claims (7)
- 火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料であって、
前記火山灰土と前記水との混合時の含水比が４０～６０重量％であり、
前記混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２１６３．３ｋＮ／ｍ２以下であり、
前記混合９１日後の透水係数が３．７×１０－１０ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である、土質材料。 - 前記火山灰土の細粒分含有率が２０％以上である請求項１に記載の土質材料。
- 前記製鋼スラグはｐＨ１２以上である請求項１または２に記載の土質材料。
- 火山灰土と製鋼スラグと水とを混合した土質材料であって、
セメントと高炉スラグ微粉末と高炉セメントとのうちのいずれか１つをさらに混合し、
前記火山灰土と前記水との混合時の含水比が６０～８０重量％であり、
前記混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２９７８ｋＮ／ｍ２以下であり、
前記混合２８日後の透水係数が３．６×１０－１１ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である、土質材料。 - 火山灰土と水と製鋼スラグとを混合し、前記火山灰土と前記水との混合時の含水比を４０～６０重量％に調整し、
前記混合２８日後の一軸圧縮強さが５０ｋＮ／ｍ２以上、２１６３．３ｋＮ／ｍ２以下であり、
前記混合９１日後の透水係数が３．７×１０－１０ｍ／ｓ以上、１．０×１０－７ｍ／ｓ以下である、土質材料の製造方法。 - 請求項１乃至４のいずれか１項に記載の土質材料、または、請求項５に記載の製造方法により製造された土質材料を打設することで地盤を造成する地盤造成方法。
- 前記土質材料を埋め立てまたは埋め戻しのために打設する請求項６に記載の地盤造成方法。
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