JP5366369B2 - 土系固化材及び土系固化材の舗装方法 - Google Patents

Description

本発明は土系の固化材及びその舗装方法に関する。

道路や歩道では通行に伴い轍や凹みが生じて快適な運転や安全な歩行ができなくなるばかりでなく、雨天時には轍や凹み部に水溜りができるため、道路にアスファルト舗装をするようになってきた。しかしアスファルト舗装は透水性が悪く水溜りが生じ、また夏季には舗装面が熱をためやすく、ヒートアイランド現象を引き起こす欠点があった。そこで、アスファルトの透水性を改善した透水性アスファルト舗装、保水性を有した保水性アスファルト舗装が広まりつつあるが、自然環境が好まれる居住区内や公園などの道路では歩道のアスファルトは人工的な景観になり、路面が硬く反発が強いため足に負担がかかっている。そこで、近年真砂土舗装などより自然に近く、人に優しい舗装が取り入れられつつある。

真砂土舗装などの土系舗装では自然の土を利用して固化材と混合して土の強度をもたせるものである。その固化材として、従来はセメントを主原料としたセメント系固化材と石灰を主原料とした石灰系が主流であったが、近年スラグを使用した固化材も見られる。

特許文献１では土と固化材を混合して舗装場所に敷き均した後、転圧及び養生する土系舗装において、土系固化材が多孔質材料を含まず、消石灰とスラグを含むことを開示している。消石灰及びスラグを含む混合土は、常温下で固化が進行し、従来のアスファルト等からなるものほど高くなく、自然の土だけからなるものほど低くない強度及び硬度を有して固化するものである。実施例１によれば、消石灰を１００質量部、粘土を５０質量部、高炉スラグを５０質量部混合して土系舗装固化材とし、舗装現場で舗装施工した結果、充分な強度を有し、透水性を確保している。

特開２００４−５２５３６号公報

真砂土舗装などの土系舗装では自然の土を利用して固化材と混合して土の強度を増加すると共に、透水性を確保している。この固化材はセメント系或いはスラグに消石灰などの刺激剤を混合したものを用いていた。

本発明は、強度の低い土や透水性の悪い土に混合して強度と透水性を有する土に改良できる土系固化材を安価に提供することができ、またこの土系固化材を用いて道路や歩道、運動場や競技場などの表層部を舗装する方法を提供することを目的とする。

本発明はカルシウムアルミネート系スラグそのものを固化材として用いることができるので、少ない混合量でより安価に土系の固化材を提供することができ、また土系固化材を用いて道路や歩道、運動場や競技場などの表層部を舗装する方法を提供するものである。

即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）土に水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材であって、水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量％でＡｌ₂Ｏ₃：２５〜４５％、（ＣａＯ＋ＣａＦ₂）／Ａｌ₂Ｏ₃：１．１〜２．０、ＣａＦ₂：２〜６％含有することを特徴とする土系固化材。
（２）前記土系固化材をＪＩＳ Ａ １２１６（土の１軸圧縮試験方法）に従い、水を１０％添加混合して成形した試験体において、材齢７日における１軸圧縮強さが５Ｎ／ｍｍ²以上であることを特徴とする上記（１）に記載の土系固化材。
（３）上記（１）又は（２）に記載の土系固化材を準備し、前記土系固化材に水を加えて敷き均し、又は前記土系固化材を敷き均した後に水を加えて締め固め、若しくは前記土系固化材に水を加えて敷き均した後に水を加えて締め固めることを特徴とした土系舗装方法。

本発明において水硬性を有するとは、水との化学反応で水和物を形成し、凝結し硬化する性質をいう。また本発明においてカルシウムアルミネート系スラグとは、鋼の製造工程において副産される鉄鋼スラグであり、溶鋼の脱酸剤としてアルミニウムを使用した時に生成するアルミナ高含有スラグであって、スラグの主成分が１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃、１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂、３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃などのカルシウムアルミネートであるという特徴を有するスラグである。

本発明は、強度の低い土や透水性の悪い土に混合して強度と透水性を有する土に改良できる土系固化材を安価に提供することができ、またこの土系固化材を用いて道路や歩道、運動場や競技場などの表層部を舗装する方法を提供するものである。

本発明の土系固化材は、水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを用いる。カルシウムアルミネート系スラグを用いる理由は、鉄鋼スラグにおいて特に強い水硬性を有する成分範囲がカルシウムアルミネート系スラグに存在するからである。一般の鉄鋼スラグの多くがカルシウムシリケート系スラグであり、これらはスラグの成分における酸化カルシウムと二酸化珪素の含有比率である塩基度が高い場合には水硬性があるものの強度（１軸圧縮強さ）が低く、石膏などを混合するか、また、スラグをセメントと同程度まで微粉（例えば比表面積で２，５００ｃｍ²／ｇ程度）にすることにより強度を向上させる必要があった。一方、カルシウムアルミネート系スラグは鉄の製造工程において副産される鉄鋼スラグを特定の成分範囲に選別することでスラグをそのまま使用することができ経済的である。該スラグは、水硬性を有するので土に混合して水を加えると硬化し、強度を発する。予め土と該スラグを土の特性に合わせて適量の割合で混合したものを土系固化材として提供でき、水を加えるだけで舗装することができる。

ここで土とは、日本で多く採れる花崗岩などが風化してできた真砂土と呼ばれるものなどで、天然に採取される土である。これらは歩道、公園、グランド、敷地内の庭や駐車場に多く使われている。また、これら採取された土に砂や砕石、スラグ骨材を混合したもの、瓦、ガラス、木材チップ、ゴムなど破砕して粒度調整した材料を混合して色調、質感、景観などの特性を活かした混合した土を含む。

本発明は、予め土とカルシウムアルミネート系スラグを土の特性に合わせて適量に混合した土系固化材を使用し、或いは現地で土にカルシウムアルミネート系スラグを混合して土系固化材となし、水を加えて敷き均し適度に転圧して敷き固めて舗装することができる。土系固化材と水を混合する際にコンクリート用のミキサーがあれば容易に水と均一に混合できるが、混合機が無い場合、人力で混合するには負担が大きいため、土系固化材を敷き均した後、表面から均一に散水して水を加えた後、敷き固めて舗装することもできる。

舗装するに当り、車両などの重量物が載る場合には、表層の舗装の下に砕石などの下層路盤材を敷き詰めるとよい。下層路盤の敷き詰める厚さ、及び表層の舗装敷き詰める厚さは用途に応じて決定する。例えば歩道などでは、下層の路盤厚さは５０〜１００ｍｍを敷き固めた後、表層部に土系固化材を５０ｍｍ程度敷き固めて舗装するとよい。

土とカルシウムアルミネート系スラグの混合割合は、使用用途と土の特性を勘案して決定することができる。歩道など足に負担のかからない路面の強度でよい場合、或いは駐車場などで路面強度が必要な場合などその用途に応じて適切な強度があるため、強度に応じた配合を決定することが望ましい。また、土の産地により品質が異なるので、現に使用する土の特性により同じ割合のカルシウムアルミネート系スラグを混合しても強度が異なる。従って、予め配合試験を行い適切な強度に適合する土とカルシウムアルミネート系スラグの配合及び添加水分量を求めておくことが必要である。

鋼の製造工程における溶鋼の溶製において、溶鋼の脱酸剤にアルミニウムを使用して脱酸した場合には、スラグ中にＡｌ₂Ｏ₃が生成される。そのＡｌ₂Ｏ₃を含めたスラグの組成は、例えばステンレス鋼の溶製において、質量％で ＣａＯ：４５％、ＳｉＯ₂：４％、Ａｌ₂Ｏ₃：３０％、その他ＭｇＯを含むカルシウムアルミネート系スラグが形成される。これらのスラグ組成は、溶製方法などの操業条件により大きく変化する。また、条件によっては、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）を多量に含有するホタル石を使用する場合もある。本発明においては、このようにして生成したカルシウムアルミネート系スラグを用いることができる。

本発明の水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグは、第１の成分組成として、質量％で Ａｌ₂Ｏ₃：２０〜４０％、ＣａＯ：３０〜６０％、ＳｉＯ₂：３〜１５％含有するものとすると好ましい。このようなカルシウムアルミネート系スラグはアルミニウムを使用して脱酸した溶製工程で発生するスラグを用いることができる。

本発明者は、上記組成を有するカルシウムアルミネート系スラグが強い水硬性を持ち、かつ従来の普通ポルトランドセメントに比較して同等以上の水硬性を持つ成分系が存在することを見出した。この組成範囲では、鉄鋼スラグの鉱物組成として、１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃（以下「Ｃ₁₂Ａ₇」ともいう。）が主体的に発生し、３ＣａＯ・ＳｉＯ₂（以下「Ｃ₃Ｓ」ともいう。）が生成する。これらが水と混合された場合、水和反応が促進され、早い反応速度でかつ強い水硬が生じる。

本発明の第１の成分組成において、Ａｌ₂Ｏ₃成分については、Ａｌ₂Ｏ₃が２０％未満ではＣ₁₂Ａ₇を生成するためのＡｌ₂Ｏ₃が不足し、４０％超ではＣ₃Ｓの生成量が不足する。そこで、Ａｌ₂Ｏ₃の範囲を２０〜４０％とした。ＣａＯ成分については、ＣａＯが３０％未満ではＣ₁₂Ａ₇を生成するためのＣａＯが不足し、６０％超ではＣ₁₂Ａ₇の生成量が不足する。そこでＣａＯの範囲を３０〜６０％とした。ＳｉＯ₂成分については、ＳｉＯ₂が３％未満ではＣ₃Ｓを生成するためのＳｉＯ₂が不足し、１５％超ではＣ₁₂Ａ₇の生成量が不足する。そこで、ＳｉＯ₂の範囲を３〜１５％とした。

これらのスラグ組成においてＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が１〜２、及びＣａＯ／ＳｉＯ₂が１０以下の領域で特に強い水硬性を示す。ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が１より小さい領域ではＣａＯ／ＳｉＯ₂に関わらずＣ₃Ｓが全く発生せず、ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が２より大きい領域ではＣａＯ／ＳｉＯ₂に関わらずＣ₁₂Ａ₇が生成しない。ＣａＯ／ＳｉＯ₂が１０以上の領域ではＣ₃Ｓが全く発生しない。ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が１〜２、及びＣａＯ／ＳｉＯ₂が１０以下の領域でＣ₁₂Ａ₇とＣ₃Ｓが最も多く生成する。スラグ中にＣ₃Ｓが生成すると、スラグの冷却中に鉱物の変態に起因してスラグが崩壊して７５μｍ程度の微細粉まで粉化する。この粉化スラグが普通ポルトランドセメントと同等以上の水硬性を有しているため、スラグの粉砕工程を必要とせず、必要に応じて篩い分けして粒度を揃えて、水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグとして提供できる。また、スラグは水冷などの処理を行わないので、水分は全く含まない。

溶製方法などの操業条件によりスラグ組成中のＭｇＯその他の成分が含まれるが、Ａｌ₂Ｏ₃が２０％以上含まれる本発明範囲内ではＭｇＯその他の成分によるカルシウムアルミネート系スラグの鉱物組成に大きな変化が無く、スラグの性質に与える影響は小さい。

本発明の水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグは、第２の成分組成として、質量％で Ａｌ₂Ｏ₃：２５〜４５％、（ＣａＯ＋ＣａＦ₂）／Ａｌ₂Ｏ₃：１．１〜２．０、ＣａＦ₂：２〜６％含有するものとすると好ましい。このようなカルシウムアルミネート系スラグはアルミニウムを使用して脱酸した溶製工程で発生するスラグを用いることができる。

鋼の溶製において造滓剤にホタル石を使用し、アルミニウム脱酸を行った際に発生するカルシウムアルミネート系スラグについて、スラグの水硬性の評価を行ったところ、上記のスラグ成分範囲において強い水硬性を持ち、かつ従来の普通ポルトランドセメントに比較して同等以上の水硬性を持つ成分系が存在することを見出した。また、水硬性を発揮するスラグについてその鉱物組成を調査したところ、上記組成範囲のスラグについては１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＦ₂（以下「Ｃ₁₁Ａ₇・ＣａＦ₂」ともいう。）とＣａＯを含有していることが明らかになった。これらが水と混練された場合、水和反応が促進され、早い反応速度でかつ強い水硬が生じる。

本発明の第２の成分組成において、Ａｌ₂Ｏ₃成分については、Ａｌ₂Ｏ₃が２５％未満ではＣ₁₁Ａ₇・ＣａＦ₂を生成するためのＡｌ₂Ｏ₃が不足し、４５％超ではＣａＯの生成量が不足する。そこで、Ａｌ₂Ｏ₃の範囲を２５〜４５％とした。

ＣａＯ＋ＣａＦ₂成分とＡｌ₂Ｏ₃成分との比（ＣａＯ＋ＣａＦ₂）／Ａｌ₂Ｏ₃については、１．１未満では必要とするＣａＯが不足し、２．０を超えるとＣａＯが増え相対的にＣ₁₁Ａ₇・ＣａＦ₂が少なく、水硬性作用を充分発揮できなくなる。そこで、（ＣａＯ＋ＣａＦ₂）／Ａｌ₂Ｏ₃を１．１〜２．０とした。

ＣａＦ₂が２％未満では、Ｃ₁₁Ａ₇・ＣａＦ₂が少なく、Ｃ₁₂Ａ₇と混在するようになり水硬性が発揮できなくなる。一方、ＣａＦ₂が６％を越えると、過剰のＣａＦ₂が含有されることになり好ましくない。そこで、ＣａＦ₂の組成範囲を２〜６％とした。

カルシウムアルミネート系スラグには、成分としてＣａＯ、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＦ₂のほかＳｉＯ₂、ＭｇＯなどが含有されるが、本発明の第２のＣａＦ₂を含有する成分組成においては、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＣａＦ₂成分の総量が７５％以上で水硬性を充分に発揮することができる。

以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

本発明の第１、第２の成分組成を有するカルシウムアルミネート系スラグについて、成分組成と水硬性との関係について評価した。

水硬性の評価方法は、水硬性組成物に水を２５％加えて混練し、ＪＩＳ Ａ １１０８（コンクリートの圧縮強度試験方法）に従って１軸圧縮強度を測定した。水硬性組成物の本来の強度を把握するため、骨材などを配合しないで評価した。１軸圧縮強度が１０Ｎ／ｍｍ²以上あれば固化材としての機能を有すると判断した。

本発明の第１の成分組成を有するスラグを表１に、第２の成分組成を有するスラグを表２に示す。

表１の本発明例１〜６のスラグの鉱物組成を確認した結果、いずれもＣ₁₂Ａ₇が主体で、Ｃ₃Ｓの存在が確認できた。一方、比較例１ではＣ₃Ｓの存在が確認できないほど少なく、比較例２ではＣａＯ−ＳｉＯ₂系スラグが主体であり、Ｃ₁₂Ａ₇の存在が少ない。比較例３ではＣ₁₂Ａ₇の存在が確認できない。

表１の本発明例１〜６は、成分範囲が本発明の範囲に入っているので、１軸圧縮強度は良好な値であった。特に、本発明例４〜６はＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が１〜２、及びＣａＯ／ＳｉＯ₂が１０以下の好適範囲を満たしており、良好な１軸圧縮強度を実現することができた。一方、比較例１〜３はいずれも１軸圧縮強度が低く不適であった。

表２の本発明例１〜４のスラグの鉱物組成を確認した結果、いずれもＣ₁₁Ａ₇ＣａＦ₂が主体で、ＣａＯの存在が確認できた。一方、比較例１ではＣ₁₁Ａ₇ＣａＦ₂が少なく、比較例２ではＣａＯが多く、Ｃ₁₁Ａ₇ＣａＦ₂が少ない。比較例３ではＣａＯの存在が確認できない。

表２の本発明例１〜４は、成分範囲が本発明の範囲に入っているので、１軸圧縮強度は良好な値であった。一方、比較例１〜３はいずれも１軸圧縮強度が低く不適であった。

表１及び表２に示す本発明の水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグ及び比較例に固化材Ｎｏ．を付与して、これらの固化材を用いた土系固化材及び土系固化材を用いた舗装の実施例を表３に示す。

（参考例１）
真砂土を１３ｍｍで篩い分けして粒度調整した後、１１０℃で乾燥し水分を除去した調整真砂土１００質量％と表１の参考例６（固化材Ｎｏ．Ｆ）を２ｍｍで篩い分けしたカルシウムアルミネート系スラグを５０質量％とを均一に混合した土系固化材を製造した。この土系固化材をＪＩＳ Ａ １２１６（土の１軸圧縮試験方法）に従い、水を１０％添加混合した試験体を成形し、材齢７日における１軸圧縮強さを測定した。１軸圧縮強さは１４．３Ｎ／ｍｍ²と土系舗装に必要な５Ｎ／ｍｍ²以上を充分確保できた。表３の実施例比較１は、上記に記載の参考例１と同じ種類の土と表１に示す比較例１（固化体Ｎｏ．Ｇ）とを用いて上記記載と同じ条件で調整・配合した材料の１軸圧縮強さを比較した結果、２．３Ｎ／ｍｍ²と低く、本発明の参考例１の優位を明確に評価できる。

本土系固化材は土とカルシウムアルミネート系スラグを適切に配合した材料を袋詰めにしておくと、施工場所での混合が不要であり、水を加えるだけで施工できるため、例えば家回りの敷地などの比較的小さな施工場所で舗装する材料の提供に適する。

（参考例２）
公園内の歩道がアスファルト舗装してあったが、自然景観を活かしかつ人に優しい歩道とするため、土系舗装に改造工事を行った。アスファルトを除去した後、下層路盤としてＪＩＳ Ａ ５００１（道路用砕石）のＣ−３０の砕石を１００ｍｍ敷き固めた上に、土とカルシウムアルミネート系スラグの混合した土系固化材を５０ｍｍ敷き固めた土系舗装を行った。土は真砂土を使用し、カルシウムアルミネート系スラグは表１の参考例４（固化体Ｎｏ．Ｄ）と同じ成分のスラグを用い、真砂土１００質量％に対し、カルシウムアルミネート系スラグを２０質量％の割合で配合した。施工現場にてミキサー車に水を５〜１０％加えて均一に混合した後、舗装部に敷き均し、ロードローラーにて５０ｍｍ厚みに転圧した。施工後、天候による乾燥状況を見ながら必要に応じて散水し、表面に防水シートを被せ５日間養生した。翌日には歩行が可能な程度に固化していたが、より強度が安定するまで養生した。この土系舗装の７日後の１軸圧縮強さ（ＪＩＳ Ａ １２１６）は６．８Ｎ／ｍｍ²、透水係数（ＪＩＳ Ａ １２１８）は１０−４〜１０−５であり、歩道に充分な強度が得られ、ほどよく水はけの良い舗装が得られた。同時に自然に調和した景観の良い舗装に仕上がった。

実施例比較２では、比較として表２に示す比較例２（固化材Ｎｏ．Ｏ）を用いて、上記記載の実施例２と全く同じ条件・方法で調査した１軸圧縮強さは１．５Ｎ／ｍｍ²と必要な強度が得られず、本発明の優位性が確認できた。

（実施例３）
自然道に粘土質の土を用いて、土を１００質量％と固化材を２０質量％を配合して舗装を行った。実施例３の固化材は表２に示す本発明例１（固化材Ｎｏ．Ｊ）を用い、実施例比較は表２の比較例３（固化材Ｎｏ．Ｐ）を用いて比較した。実施例比較の１軸圧縮強さは１．９Ｎ／ｍｍ²と低く、路面に容易に凹みなどが生じるため不適である。本発明では７．８Ｎ／ｍｍ²と足に負担の無い適度な強度が得られた。

（実施例４）
駐車場に土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材を用いて舗装を行った。駐車場の施工場所を２００ｍｍ掘り下げて、下層路盤にＣ−４０の砕石を１５０ｍｍ敷き固めた後、表層部に土系固化材を５０ｍｍ敷き詰めた。土系固化材は真砂土１００質量％に対し、表２の本発明３と同じ成分（固化材Ｎｏ．Ｌ）のカルシウムアルミネート系スラグを４０質量％配合したものを用いた。この土系固化材に瓦を破砕して５〜１３ｍｍに粒度調製したリサイクル骨材を２０質量％と顔料と水を加えて混練した。施工場所に混練した土系固化材を敷き均した後、振動ローラーで敷き固めた。施工後、表面に防水シートを被せ５日間養生した。この土系舗装の７日後の１軸圧縮強さは１１〜１３Ｎ／ｍｍ²、透水係数は１０−４〜１０−５であり、駐車場として充分な強度が得られ、程よい水はけの良い舗装が得られた。同時に、リサイクル骨材と顔料により変化の富んだ仕上がりとなった。

（参考例５）
グランドに土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材を用いて舗装を行った。グランドを２００ｍｍ掘り下げて、下層の地盤層に４０ｍｍ以下の砕石を１００ｍｍ敷き固めた後、表層部に土系固化材を５０ｍｍ敷き詰めた。土系固化材は真砂土１００質量％に対し、表１の参考例３（固化材Ｎｏ．Ｃ）と同じ成分のカルシウムアルミネート系スラグを３０質量％と珪砂を１０質量％を配合したものを用い、水を加えて混練した。施工場所に混練した土系固化材を敷き均した後、ロードローラーで敷き固めた。施工後、表面に防水シートを被せ５日間養生した。この土系舗装の７日後の１軸圧縮強さは８．６Ｎ／ｍｍ²、透水係数は１０−３〜１０−４であり、砂を１０％配合することにより、強度が増加し、水はけの良いグランド舗装が得られた。

（実施例６）
敷地内に土と水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材を用いて舗装を行った。土系固化材は真砂土１００質量％に対し、表２の本発明４（固化材Ｎｏ．Ｍ）と同じ成分のカルシウムアルミネート系スラグを２０質量％と１３ｍｍ以下の砕石を２０質量％を配合したものを用い、水を加えて混練した。施工場所に混練した土系固化材を１００ｍｍ敷き均した後、ロードローラーで敷き固めた。施工後、表面に防水シートを被せ５日間養生した。この土系舗装の７日後の１軸圧縮強さは９．８Ｎ／ｍｍ²と充分な強度が得られた。

Claims (3)

1. 土に水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグを混合した土系固化材であって、水硬性を有するカルシウムアルミネート系スラグが、質量％でＡｌ₂Ｏ₃：２５〜４５％、（ＣａＯ＋ＣａＦ₂）／Ａｌ₂Ｏ₃：１．１〜２．０、ＣａＦ₂：２〜６％含有することを特徴とする土系固化材。
2. 前記土系固化材をＪＩＳ Ａ １２１６（土の１軸圧縮試験方法）に従い、水を１０％添加混合して成形した試験体において、材齢７日における１軸圧縮強さが５Ｎ／ｍｍ²以上であることを特徴とする請求項１に記載の土系固化材。
3. 請求項１又は２に記載の土系固化材を準備し、前記土系固化材に水を加えて敷き均し、又は前記土系固化材を敷き均した後に水を加えて締め固め、若しくは前記土系固化材に水を加えて敷き均した後に水を加えて締め固めることを特徴とした土系舗装方法。