JP6984192B2 - 固結性材料 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼スラグを構成要素とした固結性材料に関する。

鉄の精錬工程で副生成する製鋼スラグは締固めしやすく、水硬性の発現により粘着力成分が付加されてｃ−φ材としての強度特性を有することから、その特性を生かして地盤改良材として有効利用されている。製鋼スラグは、たとえば、液状化対策として実施されるサンドコンパクションパイル（ＳＣＰ）工法などで用いられる。

特開２００７−３０９０９１号公報

ところで特許文献１には、製鋼スラグと高炉徐冷スラグとの混合資材を用いたサンドコンパクションパイル工法用材料が開示されている。

しかしながら、サンドコンパクションパイル工法においては、水平応力がかかるため、これらの材料を用いたとしても連続でパイルを打設すると破損してしまうなどの問題がある。

具体的には、ＳＣＰ施工時、先行して打設したパイルには、後から施工するパイルを打設する際に生じる水平土圧が作用する。したがって、先行打設したパイルが硬化した後に、その近傍で後段パイルを打設すると、先行打設したパイルが水平土圧により破損し、粘着力成分にロスが生じることが懸念される。なお、水平土圧の及ぶ範囲は、パイルの最下端から鉛直上向きに対して４５°の広がりを持つ逆円錐の範囲といわれている。

また、エージングされていない製鋼スラグには膨張性があるとともに、材料表面に脆弱部があり、材料自体に強度低下要因を抱えている。スラグが水と反応して膨張してしまうと、硬化した結合物質の構造が壊れてしまうからである。しかしながら、エージングには長期間を要したり、スラグ粒子内部まで完全にエージングさせるのは困難であるなどの課題を有する。

そこで、本発明は、スラグ自体の膨張を防ぐとともに、硬化が開始するまでにタイムラグ（４週間程度）を確保できる、すなわち、その間にパイル打設をすすめることによって、上記したような水平土圧の影響による先行打設パイルの破損を防止することができる、固結性材料を提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、出願人は、鋭意検討の結果、本発明にいたった。

すなわち本発明は、溶銑予備処理スラグと、高炉水砕スラグとを含有する固結性材料であって、前記高炉水砕スラグは、前記溶銑予備処理スラグ１００重量部に対して、２．５〜１０．０重量部の割合で含有することを特徴とする、固結性材料である。

上記固結性材料は、ｐＨが１１．０以下であることが好ましい。

また、本発明の固結性材料は、サンドコンパクションパイル（ＳＣＰ）工法に好適に用いられる。

さらに、本発明は、上記の固結性材料を用いた、新規な硬化開始時期の制御方法である。

本発明にかかる固結性材料を用いることによって、労力をかけてエージングすることなくスラグ自体の膨張を防ぐとともに、硬化が開始するまでにタイムラグ（４週間程度）を確保できる。すなわち、その間にパイル打設をすすめることによって、上記したような水平土圧の影響による先行打設パイルの破損を防止することができる。

各スラグの膨張比の経時試験結果を表すグラフ。 各供試体の一軸圧縮強さの経時試験結果を表すグラフ。

以下、本発明の形態について説明するが、本発明の範囲は、実施例を含めた当該記載に限定されるものではない。

まず、鉄鋼スラグは、鉄鋼製造工程において副産物として発生するものである。鉄鋼スラグは、高炉スラグと製鋼スラグとを含む。これらのスラグは例えば以下のような工程で生じる。

＜高炉スラグ＞
まず、高炉で鉄鉱石をコークスで溶融・還元する際に、銑鉄と共に高炉スラグが発生する。この高炉スラグは、鉄鉱石に含まれるシリカやアルミナ、酸化カルシウムなどの鉄以外の成分を主とする。

また、上記高炉スラグは、さらに水砕スラグと徐冷スラグに分類される。水砕スラグは、溶融状態の高炉スラグが多量の圧力水を用いて急激に冷却されることによって製造される砂状の非晶質のスラグである。徐冷スラグは、溶融状態の高炉スラグが空冷や適度の散水によってゆっくり冷却されて塊状となった結晶質のスラグである。

＜製鋼スラグ＞
製鋼スラグには、転炉から生成する転炉系スラグと、電気炉製鋼工程で生成される電気炉系スラグとがある。ここでは転炉系スラグのみについて述べる。

（溶銑予備処理スラグ）
高炉スラグから分離された銑鉄は、ケイ素、リン、硫黄などの不純物を多く含み靱性に乏しいため、これらの不純物を取り除く必要がある。転炉製錬の前工程として、銑鉄に脱ケイ素剤や脱リン剤を添加する予備処理の工程で生じるスラグが、溶銑予備処理スラグである。

（転炉スラグ）
予備処理された銑鉄を、転炉において酸素ガスで酸化し、不純物を取り除く処理を行う。この際、炭素、リン、硫黄、ケイ素、およびマンガンが酸素ガスにより酸化され、二酸化炭素および転炉スラグとなり、鉄鋼と分離される。この転炉スラグの主成分はＣａＯ−ＦｅＯ−ＳｉＯ_２であり、これにＭｇＯ、ＭｎＯ、Ｐ_２Ｏ_５が少量含まれる、塩基性の高いものである。

しかしながら、転炉スラグでは、ｐＨは１２を上回るほど塩基性が高く、ＣａＯの量が多すぎることから、水と反応して膨張する結果、固結性材料が自己崩壊してしまうおそれがある。このことについては、実施例の＜膨張比測定試験＞で述べる。

表１に、溶銑予備処理スラグと転炉スラグとのサンプル比較を示す。なお、ｐＨについては、地盤工学会の方法に準拠し、スラグを水と１：５の質量比で混合し、６０分程度静置した試料液の測定を行ったものである。また、遊離石灰量は、粉末蛍光Ｘ線法による定量分析で測定を行ったものである。

本発明の固結性材料においては、上記溶銑予備処理スラグと、高炉水砕スラグとを含有するものであり、さらに、前記高炉水砕スラグは、前記溶銑予備処理スラグ１００重量部に対して、２．５〜１０．０重量部の割合で含有するものである。上記溶銑予備処理スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２の重量比）は２以下であることが、遊離石灰含有量は１％以下であることが好ましい。

溶銑予備処理スラグのみでは、ケイ素の量が比較的少ないことから、固結性材料が固まりにくい傾向にある。そこで、溶銑予備処理スラグと、高炉水砕スラグとを併用することにより、カルシウムとケイ素によって水和物を生成し、固まりやすくなる効果がある。

高炉水砕スラグは、溶銑予備処理スラグ１００重量部に対して２．５〜１０．０重量部の割合、より好ましくは２．５〜５．０重量部の割合で添加する。高炉水砕スラグの添加量が２．５重量部を下回ると、十分な硬化性が発揮できないおそれがある。一方で、高炉水砕スラグの添加量が１０．０重量部を上回ると、過度に硬化してしまい、強度が出過ぎてしまうので作業上好ましくないおそれがある。

上記高炉水砕スラグは、その比表面積が高い方が好ましい。たとえば、３０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましい。

上記割合で溶銑予備処理スラグと高炉水砕スラグとを併用することによって、硬化が開始するまでに４週間程度の適度なタイムラグを確保できる。そのタイムラグの間であれば、水平土圧の影響を受けることなく、１〜２ｍ程度の近接距離でパイル打設をすすめることができ、その結果、十分な強度を出すことが可能である。

本発明の固結性材料においては、発明の効果を妨げない限りにおいて、他の添加剤等を使用することも可能である。

次に、実施例により本発明を説明するが、本発明の範囲はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜膨張比測定試験＞
圧密試験機の圧密容器内に、上記表１で示したＮｏ．１−Ｎｏ．３の各鉄鋼スラグの＃２ｍｍふるい通過分を突き棒にて充填し、地盤内における有効応力５０、１００、２００ｋＮ／ｍ^２を想定した載荷を行い、２０℃にて供試体高さを測定した。すなわち供試体高さの経時変化から、初期値を基準として膨張比を求めた。結果を図１に示す。なお、圧密容器の形状は、直径５ｃｍ、厚み２ｃｍの円柱である。

図１の結果から、遊離石灰含有量の最も大きい試料Ｎｏ．３では、膨張比が大きく、９０日経過後も膨張比が増大傾向にある。試料Ｎｏ．２も、膨張比が増大傾向にあり、９０日経過時点では収束していない。スラグが膨張すると、上記したように、硬化した結合物質の構造が壊れて、強度低下してしまう懸念がある。したがって、本発明においては、膨張による悪影響を排除するため、Ｎｏ．１のような溶銑予備処理スラグを用いることとした。

＜一軸圧縮強さの経時変化＞
供試体ｓ１−ｓ８を作製し、それらを水浸養生後、一軸圧縮試験を行った結果を図２に示す。各供試体の組成については、以下の通りである。まず摩砕処理については、供試体ｓ１−ｓ４は摩砕処理を行ったが、ｓ５−ｓ８は行っていない。次に、添加剤については、供試体ｓ１は添加しておらず、供試体ｓ２は、添加剤としてコンクリートシリカフューム（ＳＦ）を、溶銑予備処理スラグに対して（以下同じ。）２．５ｗｔ％添加した。供試体ｓ３は、添加剤として高炉セメントＢ種（ＢＢ）を２．５ｗｔ％添加した。供試体ｓ４およびｓ５は、添加剤としてコンクリート用高炉スラグ微粉末（ＧＢＦＳ）を２．５ｗｔ％添加した。供試体ｓ６およびｓ８は、上記コンクリート用高炉スラグ微粉末（ＧＢＦＳ）の添加量を５．０ｗｔ％、供試体ｓ７は、１０．０ｗｔ％と振ったものである。最後にアルカリ刺激剤については、供試体ｓ１−ｓ７は添加しておらず、ｓ８は消石灰を０．５ｗｔ％添加したものである。上記組成をまとめたものが表２である。

具体的には、製鋼スラグ材料の含水比を調整し、各種添加剤を加えて人力で５分間混合し、これをモールド（ψ５０ｍｍ、ｈ１００ｍｍ）に３層に分けて投入して突き固めて供試体を作製した。なお、含水比は、突固めによる締固め試験により求めた最適含有比に調整した。締固め条件は、ＳＣＰ工法の締固めエネルギーを想定して、１．５ｋｇ×７２回×３層とした。作製した供試体は、２０℃で水浸養生し、７、２８、５６、９１、および１８０日後に一軸圧縮試験を実施した。

なお、添加剤としては、カルシウムシリケート等の結合物質の生成促進のため、ケイ素を含有する資材として、上述の通りコンクリートシリカフューム（ＳＦ）、高炉セメントＢ種（ＢＢ）、コンクリート用高炉スラグ微粉末（ＧＢＦＳ）を使用した。ＳＦは、フェロシリコン、金属シリコンを製造する際の副産物であり、非晶質のＳｉＯ_２を主成分とする。ＢＢは、セメントと高炉スラグとを混合したものである。ＧＢＦＳについては、高炉水砕スラグを乾燥、微粉砕したものである。

アルカリ刺激剤としては、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）を用いた。これは、上記したような、ｐＨの高い転炉スラグを模したものである。

図２の結果が示す通り、一軸圧縮強さ（ｑｕ）の増加に対しては、高炉セメントＢ種（ＢＢ）およびコンクリート用高炉スラグ微粉末（ＧＢＦＳ）が有効である。

具体的には、スラグとして、溶銑予備処理スラグと、高炉水砕スラグとを、高炉水砕スラグが溶銑予備処理スラグ１００重量部に対して２．５〜１０．０重量部の割合で含有する固結性材料をモデルとしたｓ４−７は、徐々に強度が立ち上がり、また十分な強度を有することがわかる。すなわち、４週間程度の硬化の発現のタイムラグを確保することができ、施工時の強度低下を防止する効果を奏する。

これに対して、添加剤を含まない（即ち溶銑予備処理スラグのみの）ｓ１、およびコンクリートシリカフューム（ＳＦ）を添加したｓ２では、磨砕を行っているものの、ｓ１については一軸圧縮強さが２８日材齢で３３ｋＮ／ｍ^２、ｓ２については９１日材齢で７９ｋＮ／ｍ^２であり、他のケースに比べて強度が出なかった。

一方で、高炉セメントＢ種（ＢＢ）を添加したｓ３では、７日経過時には既に強度がほぼ立ち上がってしまっている。すなわち、十分なタイムラグを確保することができない懸念がある。

ｐＨの高い転炉スラグを模したものであるｓ８においても、７日経過時には既に強度がほぼ立ち上がってしまっている。これは、高ｐＨのＣａ（ＯＨ）_２が、ＧＢＦＳの強度発現性を早めたためである。

なお、供試体作成直後において、ｓ４およびｓ５のｐＨは１０．０、ｓ６のｐＨは１０．５、ｓ７のｐＨは１０．７、ｓ８のｐＨは１２．２である。

また、磨砕処理には、一軸圧縮強さを大きくする効果が認められた。磨砕処理が可能な場合は、コンクリート用高炉スラグ微粉末（ＧＢＦＳ）の添加と組み合わせることにより、合理的な地盤改良仕様を決定することが可能である。

なお、従来技術においては、上記したような水平応力等の問題を克服できなかったため、６０ｋＮ／ｍ^２程度しか強度を出すことができなかった。

上記実施形態、実施例及び比較例は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定するものではない。上記の構成は、適宜組み合わせて実施することが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。上記実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれると同様に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

Claims (4)

1. 溶銑予備処理スラグと、高炉水砕スラグとを含有する固結性材料であって、前記高炉水砕スラグは、前記溶銑予備処理スラグ１００重量部に対して、２．５〜５重量部の割合で含有し、前記溶銑予備処理スラグと、前記高炉水砕スラグとを混合して６０分間後に測定したｐＨが１１．０以下であることを特徴とする、固結性材料。
2. コンクリート用高炉スラグ微粉末を更に含有する、請求項１に記載の固結性材料。
3. サンドコンパクションパイル（ＳＣＰ）工法に用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の固結性材料。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の固結性材料を用いることを特徴とする、硬化開始時期の制御方法。

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