JP5014961B2

JP5014961B2 - 泥土改質材料および改質方法

Info

Publication number: JP5014961B2
Application number: JP2007297468A
Authority: JP
Inventors: 英滋木曽; 雅夫中川; 正人辻井; 公夫伊藤; 正文池田; 等中田; 剛正保; 毅洋則山本
Original assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Sumitomo Metal Industries Ltd; Nisshin Steel Co Ltd
Current assignee: JFE Steel Corp; Kobe Steel Ltd; Nippon Steel Corp; Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2007-11-16
Filing date: 2007-11-16
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-11-16
Also published as: JP2009121167A

Description

本発明は、浚渫工事あるいは建設工事において発生する泥土を改質して、港湾工事や海域環境修復工事用の材料として有効利用を図るための泥土改質材料および泥土改質方法に関し、特に、泥土の強度を改善するための製鋼スラグを含む泥土改質材料および泥土改質方法に関する。

従来、泥土を改善する技術としては、次の（１）〜（４）の技術が知られている。
（１）浚渫土に、水硬性の高い高炉水砕スラグを混合して、浚渫土の強度を改善し、水中動植物の生育・生息に好適な水底基盤を造成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、（２）固化材料として高炉水砕スラグで土壌を固化処理し、２〜３０質量％の製鋼スラグを水砕スラグに対する刺激材として混合し使用することも知られている（例えば、特許文献２参照）。

さらに、（３）製鋼スラグとセメントで軟弱土を固化処理することも知られている（例えば、特許文献３参照）。

さらにまた、（４）製鋼スラグ、もしくは製鋼スラグと高炉スラグ微粉末を用い、これらを、建設汚泥中の水分の体積１に対して、建設汚泥中の土粒子の体積と製鋼スラグの１５０μｍ以下分の体積との合計が０．７以上となるように、製鋼スラグを混合撹拌して、建設汚泥の強度をコーン指数２００ｋＮ／ｍ^２以上の改良土に改善することも知られている（例えば、特許文献４参照）。
特開２００６―２８８３２３号公報特開２００４―１０５７８３号公報特開２００６―２３１２０８号公報特開２００６―３２６４４６号公報

前記（１）の場合は、水硬性が高く、高炉セメントの原料となる高炉水砕スラグのみを利用したものであるので、製鋼スラグの有効利用については開示されていない。
前記（２）の場合は、固化材料として高炉水砕スラグを使用し、その高炉水砕スラグの刺激材として製鋼スラグの利用が目的であるため、固化材料としての製鋼スラグの使用ではなく、またその使用量は少ないという問題がある。
前記（３）の場合には、製鋼スラグを使用することにより、セメント使用量を削減可能にしているが、固化材料の基礎として、セメントを主に使用しているので、経済的でないなどの問題がある。
前記（４）の場合には、泥土粒子と製鋼スラグの粉分の合計と泥土の水分との比が規定されているのみで、製鋼スラグの必要条件は示されていないため、高含水比汚泥に対しては、粒径０ｍｍ超−５ｍｍ以下の製鋼スラグ（一般的に１５０μｍ以下の体積は２０％以下）を使用しても、混合率が５０容積％程度必要（粒径０ｍｍ超−２５ｍｍ以下の場合はさらに必要）となり、相当量のスラグ混合が必要になり、そのため、泥土活用度が低いという問題がある。
前記のように、従来の場合には、製鋼スラグを泥土の固結材料の主体とする技術についは、知られていない。特に、前記従来の場合は、製鋼スラグのフリ−ライム含有率（質量％）に着目した知見は示されていない。
そこで本発明は、製鋼スラグのフリーライム含有率が泥土混合材料の強度と関係し、強度発現の有無の境界値が、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率で、０．５質量％であることを新規に知見し、フリーライムが少なくとも０．５質量％の製鋼スラグの場合、強度が発現しにくい泥土でも、養生期間の長期化により、また高炉水砕スラグもしくは高炉スラグ微粉末の添加により、必要強度の確保が可能になることを知見し、種々検討して本発明を完成させた。

そこで、本発明は、鉄鋼スラグのなかでも、特に製鋼スラグを主体に泥土と混合して、泥土を強度改質することが可能な泥土改質材料および改質方法を提供することを目的とする。

前記の課題を有利に解決するために、第１発明の泥土改質材料では、泥土に混合して泥土の改質をはかる泥土改質材料であって、その泥土改質材料が、製鋼スラグのみからなり、製鋼スラグのフリーライム含有率が、少なくとも０．５質量％であることを特徴とする。
また、第２発明では、第１発明の泥土改質材料において、製鋼スラグの粒径が、３０ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、第３発明の泥土改質方法においては、泥土に混合して泥土の改質をはかる泥土改質方法であって、泥土に、製鋼スラグのみを混合する泥土改質方法であって、製鋼スラグのフリーライム含有率が、少なくとも０．５質量％であることを特徴とする。
また、第４発明では、第３発明の泥土改質方法において、製鋼スラグの粒径が、３０ｍｍ以下であることを特徴とする。
また、第５発明では、第３発明または第４発明の泥土改質方法において、製鋼スラグの混合率が、混合材料としての泥土に対して１０容積％以上、５０容積％以下であることを特徴とする。
第６発明では、第３〜第５発明のいずれかの泥土改質方法において、泥土の含水比が、少なくとも１００％であることを特徴とする。
また、第７発明では、第３〜第６発明のいずれかの泥土改質方法において、泥土の改質強度を、製鋼スラグのフリーライム含有率、混合後の養生期間により調整することを特徴とする。

本発明によると、高含水比の泥土の強度改質を行う場合、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）を含有する製鋼スラグを使用することにより、泥土の強度改質することができ、特に、製鋼スラグのフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率が少なくとも０．５質量％の製鋼スラグを使用するだけで、（１）泥土の強度は経時的に上昇し、（２）また、泥土の強度はフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率に比例して改質することができ、（３）製鋼スラグの一部を高炉水砕スラグや高炉スラグ微粉末に置き換えれば強度が増進するため、混合後の養生期間、使用する製鋼スラグのフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率、高炉水砕スラグや高炉スラグ微粉末添加量の調整により、泥土の混合率が高い場合でも強度改質が可能になる等の効果が得られる。
また、泥土に対する製鋼スラグの使用量を、従来の場合より少なくして、泥土の強度改質を確実に行うことができる。
また、安価な製鋼スラグを使用することができるので、経済的に泥土の強度改質をすることができ、泥土の強度改質も、製鋼スラグのみを混合撹拌したり、これに加えて、高炉水砕スラグを混合撹拌したり、さらには、高炉スラグ微粉末を加えて混合撹拌する簡単な操作でよいので、施工が容易である。

次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。

一般に、建設泥土あるいは浚渫泥土は、高含水比（１００％〜３５０％）であり、その有効利用を図る上で、鉄鋼スラグの中でも、リサイクル材としての製鋼スラグを主体に混合して、製鋼スラグの使用を押えながら、泥土を効率よく強度改善することに関して、種々検討実験して、製鋼スラグのみを泥土に混合しても、高含水比の泥土を効率よく硬化させて、強度改善を図ることができることを知見し、本発明を完成させた。

ここで、製鋼スラグとは、製鋼工程で生じる石灰分を主体とした粉粒状の副産物であり、本発明において使用する製鋼スラグは、転炉スラグ、予備処理スラグ、脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ、電気炉還元スラグ、電気炉酸化スラグ、二次精錬スラグ、造塊スラグのうち、１種または２種以上を混合したものである。

高炉水砕スラグとは、銑鉄を製造する製銑過程で生成する溶融状態の高炉スラグを、水によって、微粒化させ、急冷したもので、弱い水硬性を有する。

高炉スラグ微粉末とは、高炉スラグを微粉砕したものである。これには、例えば、炉前で急冷したスラグを微粉砕したもの、炉外で徐冷したスラグを微粉砕したものもある。

また、泥土は、標準ダンプトラックに山積みできず、またその上を人が歩けない状態の土であり、浚渫工事にて発生し、汚泥に該当する浚渫土と、建設工事等にかかわる掘削工事に伴って排出される建設汚泥とがある。前記の浚渫土と建設汚泥とを含めて、本明細書では泥土という。

本発明者等は、製鋼スラグ中に含有するフリーライム（遊離石灰、ｆ−ＣａＯ）に着目し、その含有率が少なくとも０．５質量％である場合と、フリーライム含有率が０．５％未満の場合では、これを混合撹拌して得られる泥土の改質状態が大きく異なることを知見すると共に、フリーライムの含有率が０．５質量％以上含む製鋼スラグを、高含水比の泥土に混合撹拌した場合は、一軸圧縮強度の改善が可能であることを知見して本発明を完成したものであり、以下に、図または表に基づいて説明する。

まず、図１は、製鋼スラグのフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率（質量％）と、製鋼スラグを泥土に混合撹拌して得られる改良土の一軸圧縮強度の発現関係を示すグラフであり、７質量％未満のフリーライム（遊離石灰）を含有する各種のフリーライム含有率（質量％）の異なる製鋼スラグを、東京湾で採取した各種泥土に所定の割合で混合して、フリーライム含有率の異なる各種製鋼スラグ混合泥土とし、それらの製鋼スラグ混合泥土を７日〜１４日養生して、製鋼スラグ混合泥土の状態を観察すると共に、固化した製鋼スラグ混合泥土の一軸圧縮強度を測定した結果を、グラフに示したものである。なお、図１のグラフに用いた材料は、製鋼スラグ（粒径０ｍｍ超―０．５ｍｍ以下）を３０容積％、浚渫土（東京湾採取、含水比１３６％）を７０容積％混合した製鋼スラグ混合泥土である。

図１から、製鋼スラグのフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率と、これを混合された製鋼スラグ混合泥土の強度との間に強い相関関係があることがわかる。また、製鋼スラグのフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率が０．５質量％以上であれば、強度が発現し出すことも知見した。

また、製鋼スラグ中のフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率が、０．５％未満では、養生期間を１４日とっても強度発現しないこともわかる。

図２には、製鋼スラグ内に含まれるフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率（容積％）が０．５質量％以上で異なる５種類の製鋼スラグを、それぞれ泥土に混合撹拌して、養生日数と一軸圧縮強度（ｋｇ／ｍ^２）との関係を試験した結果をグラフにしたものであって、本発明におけるフリーライムを含有した製鋼スラグを使用すると、養生期間が長くなると、前記５種類の一軸圧縮強度が向上していることからこの図より、製鋼スラグを混合撹拌した泥土の一軸圧縮強度は、養生期間に応じて上昇することがわかる。このことから、製鋼スラグを混合した泥土の強度は養生期間に応じて上昇するとの知見を得た。

前記のような知見を得た上でさらに、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）が０．５質量％未満であるか、０．５質量％以上であるかによる、強度発現の違いを調べる実験を行った。すなわち、東京湾採取の含水比（％）が、１３６％、１００％、１３６％、２２０％、１３６％、２１９％、１３６％と異なる泥土に、粒径０ｍｍを超え３０ｍｍ以下の製鋼スラグで、その製鋼スラグ中に含まれるフリーライム（遊離石灰、ｆ−ＣａＯ）が、０．２質量％、０．４質量％、０．５質量％、０．９質量％、２．７質量％、３．７質量％、４．２質量％、５．５質量％、６．４質量％と、フリーライム含有率の異なる製鋼スラグを混合養生して、フリ−ライムの含有率による製鋼スラグ混合泥土の一軸圧縮強度の変化を実験した。その結果を表１に示す。表１では、粒径０ｍｍ超―０．５ｍｍ以下等を単に０−０．５ｍｍ以下等と記した。

前記表１からわかるように、製鋼スラグのフリーライム（遊離石灰：ｆ−ＣａＯ）の含有率が０．５質量％未満の場合、そのような製鋼スラグを泥土に撹拌混合して養生しても、また、泥土に対する製鋼スラグの混合率を、５０容積％に引き上げても、７日養生あるいは１４日養生時点で、強度発現は見られなかった。また、そのような低フリーライム含有の製鋼スラグを混合撹拌した泥土は、養生後においても、泥状であり、さらに高炉水砕スラグや高炉スラグ微粉末を添加しても強度発現は見られなかった。

一方、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率が、０．５質量％になると、製鋼スラグ添加量を１０％とし、製鋼スラグ粒径が０ｍｍを超え３０ｍｍ以下、さらに泥土の含水比が２２０％の場合でも、強度が発現することがわかった。さらに、高炉水砕スラグや高炉スラグ微粉末の添加により強度増進することが可能であることがわかった。これらのことから、製鋼スラグ中のフリーライム（ｆ−ＣａＯ）の含有率が、０．５質量％以上必要であることがわかる。製鋼スラグ中のフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率質量％の上限値としては、製鋼工程において製鋼スラグを使用すると経済的であるので、製鋼スラグ中のフリーライムは、実用的には、１０質量％以下である。なお、泥土中にシリカが含まれる場合には、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）によるポゾラン反応と、シリカの溶出によるポゾラン反応が生じるが、本発明では、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）にのみ着目して、規定している。

なお、海底浚渫土等の泥土では、珪素が多く含まれており、また、製鋼スラグにも、可溶性シリカあるいは可溶性アルミナが含まれていることから、可溶性シリカによるポゾラン反応、あるいは可溶性アルミナによるポゾラン反応も生じるため、可溶性シリカ（Ｓｉ）の溶出量を、例えば、５．０ｍｇ／Ｌとして、また、可溶性アルミナの溶出量を、例えば０．０５ｍｇ／Ｌとして、本発明においては、製鋼スラグに含まれるフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有量を、少なくとも０．５質量％に設定している。このように製鋼スラグに含まれるフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有量を、少なくとも０．５質量％に設定することにより、陸に近い位置の陽浜部の海底浚渫土および河川における水域浚渫土あるいは建設汚泥における可溶性シリカあるいは可溶性アルミナの有無にかかわらず、泥土の強度改質をすることができる。

なお、泥土としては、その含水比の範囲としては、１００％〜３５０％程度の範囲の泥土を対象とすることができ、好ましくは、１００％〜２２０％の範囲とするとよい。泥土の含水比が、１００％を下回るようになると、製鋼スラグとの混合撹拌が困難になり、また、３５０％以上になると、所望の改質が得られなくなるので、好ましくない。したがって、泥土の含水比は、少なくとも１００％とする。

また、前記表１から、泥土の一軸圧縮強度を改善する上では、（１）フリーライムを含有する製鋼スラグのみでもよく、また、（２）フリーライムを含有する製鋼スラグと、高炉水砕スラグとを含有する材料でもよく、また、（３）フリーライムを含有する製鋼スラグと、高炉スラグ微粉末とを混合した材料でもよく、（４）フリーライムを含有する製鋼スラグと高炉水砕スラグおよび高炉スラグ微粉末を混合した材料でもよく、前記（１）〜（４）のいずれかであれば、泥土の一軸圧縮強度を改質できる材料であることがわかる。

また、製鋼スラグの粒径が、０ｍｍを超え、３０ｍｍ以下の粒径であればよいことがわかるが、製鋼スラグは、通常得られる状態は、大小の粒状物の混合体であるからして、実用的には、０ｍｍを超え、３０ｍｍ以上を超える場合も可能であり、概して、製鋼スラグの粒径の範囲としては、０ｍｍを超え、５０ｍｍ以下の粒径であればよい。しかし、泥土の固化は、泥土中のシリカと、製鋼スラグに含まれるフリーライム（ｆ−ＣａＯ）によるポゾラン反応によることからして、最大粒径は、小さいほうがポゾラン反応の反応性がよいことが考えられるから、例えば、２０ｍｍ以下、より好ましくは、１０ｍｍまたは５ｍｍ以下の製鋼スラグの粒状体あるいは粒状微粉末を使用するのがよい。

また、含水比が３５０％以下の泥土に対する製鋼スラグの混合率が１０容積％以下では、泥土が、主として、製鋼スラグ中のフリーライム（ｆ−ＣａＯ）による水和反応により固まらないので、製鋼スラグの混合率は、１０容積％以上必要になる。また、泥土に対する製鋼スラグの混合率が５０容積％以上になると、例えば、海底土を対象とした場合、製鋼スラグ中のカルシウムが水中に溶け出し、海水中の水と反応して水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２を生じ、これが電離し、ＯＨ^―と、海底土中に含まれるマグネシウムとが結合し、水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）_２）を生じて白濁が顕著になるため、また、製鋼スラグを多量に泥土に混合しても、改質される泥土の量が少なくなり、極力、泥土を多く処理し泥土の有効利用を図ることにならないので、さらに、製鋼スラグは、アルカリ性が強いので、泥土に対する製鋼スラグの混合率を、５０容積％以下にするのが好ましい。なお、製鋼スラグを泥土内に入れると物理的にスラグが泥土に封じ込められて白濁が起こりにくくなるが、製鋼スラグが５０容積％を超えると白濁しやすい。
したがって、製鋼スラグの泥土に対する混合率は、１０容積％以上で、５０容積％以下であるのが好ましい。

また、表１から、泥土に対する製鋼スラグの添加量が多くなるほど、また、製鋼スラグの粒径が小さくなるほど、一軸圧縮強度が高くなることがわかる。

次に、表２について説明する。

表２には、大阪湾採取の泥土で、含水比を１１３％と一定にした泥土に、製鋼スラグ粒径が０ｍｍを超え５ｍｍ以下の場合（表２では、０−５以下と表記）、さらに製鋼スラグの混合率（容積％）を３０容積％〜１９容積％とし、フリーライム含有率（質量％）が、４．２質量％、５．５質量％、６．４質量％、２．７質量％、４．２質量％と異なる製鋼スラグを混合撹拌して、泥土を改質された改質土とする場合、製鋼スラグを混合撹拌された泥土の養生日数と一軸圧縮強度との関係、あるいは高炉水砕スラグや高炉スラグ微粉末の添加によって、改質土の一軸圧縮強度の変化の関係を示したものである。表２では、泥土に応じて、フリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率または高炉スラグまたは高炉スラグ微粉末の添加で、改質される改質土の強度調整が可能であることを示している。

表２から、製鋼スラグ中に含まれるフリーライムの含有率が、４．２質量％、５．５質量％、６．４質量％と、含有率が上昇するにつれて一軸圧縮強度が上昇し、また、養生期間が長くなるにつれて、一軸圧縮強度が上昇していることからして、製鋼スラグのフリーライム（ｆ−ＣａＯ）の含有率（質量％）を調整することにより、これを泥土に混合撹拌して得られる改質土の強度発現を調整可能であることがわかる。また、製鋼スラグに加えて、高炉水砕スラグや高炉スラグ微粉末の添加することにより、また、混合後の養生期間により、強度発現を向上可能であることがわかる。前記の高炉水砕スラグや高炉スラグ微粉末の添加量が多くなると、泥土の一軸圧縮強度が向上することもわかり、また、前記したように、フリーライムの添加量が多くなると、一軸圧縮強度が向上することから、製鋼スラグのフリーライム含有率、高炉水砕スラグおよび高炉スラグ微粉末の混合率、混合後の養生期間により、改質土の一軸圧縮荷重を調整することが可能になる。

特に、高炉微粉末を添加した場合には、一軸圧縮強度を格段に向上させることができること、養生期間が７日から１４日と２倍になると、一軸圧縮強度（ｋＮ／ｍ^２）もほぼ２倍に近い値になっていることがわかる。なお、１４日養生経過後においても、例えば、３ヶ月経過程度まで一軸圧縮強度は向上した。

また、前記のように、強度改質された泥土（改質土）は、主として、水域領域における土工材あるいは盛土材として利用し、例えば、海底あるいは水底敷設土として使用したり、貧酸素水域における穴埋め土として利用したり、矢板壁背面の裏埋土として利用することが可能になる。また、強度の高く改質された材料は、陸上における土工材として利用することも可能になる。

なお、本発明において使用する高炉水砕スラグまたは高炉スラグ微粉末のいずれか一方または両方は、強度発現用の補助材料であり、これらの添加量は、泥土の改質目標強度にあわせ、設計により適宜決定される。

前記実施形態では、海底浚渫土の場合を主に説明したが、本発明は、河川における浚渫土あるいは、その他の建設汚泥に適用に適用するようにしてもよい。

製鋼スラグのフリーライム（ｆ−ＣａＯ）含有率と、これを混合した泥土の一軸圧縮強度の発現関係を示すグラフである。製鋼スラグを含有した泥土の養生日数と一軸圧縮強度との関係を示すグラフである。

Claims

泥土に混合して泥土の改質をはかる泥土改質材料であって、その泥土改質材料が、製鋼スラグのみからなり、製鋼スラグのフリーライム含有率が、少なくとも０．５質量％であることを特徴とする泥土改質材料。
製鋼スラグの粒径が、３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の泥土改質材料。
泥土に混合して泥土の改質をはかる泥土改質方法であって、泥土に、製鋼スラグのみを混合する泥土改質方法であって、製鋼スラグのフリーライム含有率が、少なくとも０．５質量％であることを特徴とする泥土改質方法。
製鋼スラグの粒径が、３０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の泥土改質方法。
製鋼スラグの混合率が、混合材料としての泥土に対して１０容積％以上、５０容積％以下であることを特徴とする請求項３または４に記載の泥土改質方法。
泥土の含水比が、少なくとも１００％であることを特徴とする請求項３〜５のいずれかに記載の泥土改質方法。
泥土の改質強度を、製鋼スラグのフリーライム含有率、混合後の養生期間により調整することを特徴とする請求項３〜６のいずれかに記載の泥土改質方法。