(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
砂礫、結合材、水が混合された単位結合材量５０〜１００ｋｇ／ｍ3の混合物（ＣＳＧ）を敷均し、締め固める工程を繰り返すことにより前記ＣＳＧを層状に積み上げていく堤体の構築工法において、結合材１００質量部に占める高炉スラグ微粉末量を７１.０〜９９.０質量部、且つセメント量を１.０質量部以上とする堤体構築工法。
【請求項２】
ＣＳＧは混和材料が添加されたものである請求項１に記載の堤体構築工法。
【請求項３】
下記ｐＨ試験によるｐＨが８.０以上である砂礫に対して、結合材１００質量部に占める高炉スラグ微粉末量を９０.０〜９９.０質量部、且つセメント量を１.０質量部以上とする請求項１または２に記載の堤体構築工法。
〔ｐＨ試験〕ｐＨ７.０±０.１の水１Ｌに対し砂礫１０ｇを浸漬し、２０±２℃で２４ｈ静置後、液のｐＨを測定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、砂礫に結合材などを混合して、敷均し、締め固める工程を繰り返すことにより堤体を構築するＣＳＧ（Ｃｅｍｅｎｔｅｄ  Ｓａｎｄ  ａｎｄ  Ｇｒａｖｅｌ）工法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ダムをはじめとする堤体の構築工法として、超硬練りのゼロスランプコンクリートを層状に敷均して転圧しながら積み上げていくＲＣＤ（Ｒｏｌｌｅｒ  Ｃｏｍｐａｃｔｅｄ  Ｄａｍ−ｃｏｎｃｒｅｔｅ）工法がある。ＲＣＤ工法は施工の合理化を図った工法であり、大・中規模ダムの建設では主流となっている。しかし、近年の社会情勢において、よりコスト削減効果の高いダムの構築工法が望まれるようになってきた。そのようなニーズに対応しうる工法として上記のＣＳＧ工法が開発され、実用化も始まっている。
【０００３】
ＣＳＧ工法は、堤体の強度においてＲＣＤ工法に劣るが、台形の断面形状とすることにより必要な強度を確保できる。また、現地の砂礫をほとんど分別せずに使用することができ、結合材との混合も連続練りミキサーなどを用いて連続的に行うことができるので、工期の短縮を含めコストメリットが大きい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平９−２６８５４２号公報
【特許文献２】特開２００１−１９２２５４号公報
【特許文献３】特開２００２−３４８８５３号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】「台形ＣＳＧダム施工・品質管理技術資料」、財団法人ダム技術センター、平成１９年９月、ｐ.２０〜２４
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
コンクリートダムの建設では温度応力ひび割れの対策が極めて重要である。ＲＣＤコンクリートの場合は貧配合の超硬練りコンクリートを採用しているので内部の発熱は比較的緩和されるが、それでも、内部発熱が過大とならないように１層あたりのリフト厚さは通常１ｍ以内に制限される。このため、大規模ダムでは何十層ものリフトを繰り返す必要があり、これが工期の長期化を招く要因となっている。また夏期には、内部コンクリートの温度が過大とならないように高価なチラー設備などを用いてコンクリートの冷却を行っており、ダム建設のコストを押し上げている。
【０００７】
これに対しＣＳＧ工法によるダムの場合は、単位セメント量が少ないことから、内部発熱はＲＣＤ工法よりもさらに軽減される。また、コンクリートダムは弾性体に近い物性を有すると考えられるが、ＣＳＧ（礫を結合材等と混合した材料）を用いたダムは弾塑性体と考えることができる。これらのことから、ＣＳＧ工法によるダムは、ＲＣＤ工法によるコンクリートダムと比べ、本質的に温度応力ひび割れの問題は少ないとされている。
【０００８】
しかしながら、ＣＳＧダムの建設例はまだ数が少なく、温度応力ひび割れの問題がどの程度回避できるのか十分に実証されていないのも事実である。ＣＳＧダムは弾塑性体であると考えられることから、仮にひび割れが発生したとしても連続した割れには至らないとされている。ただし、河床砂礫の粒度、品質が良好で、かつ品質管理を入念に行うことによってＲＣＤダムに近い密実性を有するＣＳＧダムを構築することも可能と考えられる。その場合には、弾性体に近づく可能性があり、貫通ひび割れの発生に対する対策を怠るわけにはいかない。
【０００９】
一方、最近では産業界において環境負荷低減の要請が高まっている。ダム建設には大量のセメントが使用されるが、セメント１ｔを製造すると約７５０ｋｇのＣＯ2が排出されるとされ、今後はダム建設においてもできるだけ環境負荷の小さい材料に切り替えていく対策が望まれる。
【００１０】
本発明は、大規模ダムをはじめとする堤体の建設において、建設コスト低減、温度応力ひび割れの抑止、および環境負荷の低減を一挙に実現することが可能な技術を提供しようというものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的は、砂礫、結合材、水が混合された単位結合材量５０〜１００ｋｇ／ｍ3の混合物（ＣＳＧ）を敷均し、締め固める工程を繰り返すことにより前記ＣＳＧを層状に積み上げていく堤体の構築工法において、結合材１００質量部に占める高炉スラグ微粉末量を７１.０〜９９.０質量部、且つセメント量を１.０質量部以上とする堤体構築工法によって達成される。
【００１２】
ここで、セメント量の上限は、結合材中における高炉スラグ微粉末の残部がすべてセメントである場合の２９.０質量部となる。ただし、ＣＳＧには、セメント１.０質量部以上を確保したうえで混和材料が添加されていても構わない。
【００１３】
また、特に下記ｐＨ試験によるｐＨが８.０以上である砂礫を用いて、結合材１００質量部に占める高炉スラグ微粉末量を９０.０〜９９.０質量部、且つセメント量を１.０質量部以上とすることが効果的である。
〔ｐＨ試験〕ｐＨ７.０±０.１の水１Ｌに対し砂礫１０ｇを浸漬し、２０±２℃で２４ｈ静置後、液のｐＨを測定する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば以下のようなメリットが得られる。
（i）本発明の工法はＣＳＧ工法であるから従来のＲＣＤ工法等によるコンクリート堤体に比べ建設コストが低廉である。
（ii）高炉操業で不可避的に発生する副産物を有効活用でき、且つセメント使用量が大幅に低減されるので、これまで行われてきたＣＳＧ工法と比べても更なるコスト低減が可能となる。
（iii）高炉スラグ微粉末を多量に使用することによる強度レベルの低下は、ひし形理論（非特許文献１）に基づく配合調整（例えば単位結合材量の調整、砂礫粒度の調整、砂礫のｐＨ管理）、あるいは堤体設計の適正化によって十分補うことができる。
（iv）セメントを多量の高炉スラグ微粉末で置換することにより堤体内部の水和反応熱が軽減されるので、ＣＳＧダムにおいて懸念される温度応力ひび割れに対する抵抗力が高い。
（v）セメントを多量の高炉スラグ微粉末で置換することにより、セメント使用量が大幅に低減される。このため、セメント製造に伴うＣＯ2発生量が大幅に削減できる。特に大規模ダムの建設においてその効果は極めて大きい。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
セメントの一部を高炉スラグ微粉末で置換したコンクリートは知られているが、７０％を超えるような多量の高炉スラグ微粉末で置換すると種々の弊害が生じることから、一般的にそのようなコンクリートは採用されない。また、ＣＳＧの結合材としてセメントの大部分を高炉スラグ微粉末で置換した実例もない。発明者らは詳細に検討した結果、ＣＳＧのセメントを高炉スラグ微粉末で多量置換することの可能性について以下のような知見を得た。
【００１６】
（１）一般的なコンクリートにおいてセメントを高炉スラグ微粉末で多量に置換すると、自己収縮ひずみが大きくなるため、ひび割れが発生しやすくなる。
しかしＣＳＧはコンクリートと異なり弾塑性体であるから、自己収縮ひずみの問題は回避される。
【００１７】
（２）一般にコンクリートのセメントを高炉スラグ微粉末で多量に置換すると、材齢２８日強度が低くなる。
しかし、発明者らの検討によれば、セメントを高炉スラグ微粉末で多量に置換（例えば置換率７１.０〜９９.０％）した場合、材齢２８日強度は低下するものの、材齢２８日以降には強度が着実に増大することがわかった。そして、材齢９１日の圧縮強度は１.０Ｎ／ｍｍ2以上の値となる。ＣＳＧダムの場合、ＲＣＤダムと同様、強度保証は２８日ではなく、より長期の材齢（例えば９１日）で行うことが望ましい。材齢９１日の圧縮強度が１.０Ｎ／ｍｍ2以上となるＣＳＧを用いることを条件とすれば、十分な強度を呈する台形ＣＳＧダムを設計することが可能である。材齢９１日の圧縮強度が１.５Ｎ／ｍｍ2以上、あるいはさらに２.０Ｎ／ｍｍ2以上のＣＳＧを用いる場合には、ダムの設計自由度が拡がり、一層好ましい。なお、ＣＳＧの強度レベルが過剰に高い配合では、ＣＳＧダムが弾性体に近づき、自己収縮や温度応力に起因するひび割れの対策を強化する必要が生じ、ＣＳＧ工法のメリットが相殺される。したがって材齢９１日の圧縮強度が５.０Ｎ／ｍｍ2以下となるＣＳＧ配合とすることが望ましく、４.０Ｎ／ｍｍ2以下となる配合に管理してもよい。
【００１８】
（３）一般にコンクリートのセメントを高炉スラグ微粉末で多量に置換すると、中性化の進行が早くなる傾向がある。
しかしＣＳＧ工法では堤体内部には鉄筋が配置されないので、中性化の問題は生じない。
【００１９】
これらの知見に基づいて、発明者らは詳細な検討を行った。その結果、高炉スラグ微粉末でセメントの大部分を置換するＣＳＧ工法においても、水結合材比、粗骨材最大寸法、単位水量、単位結合材量などについては、「ひし形理論」に基づいて定まるＣＳＧの基本的な配合を適用できることがわかった。以下、本発明をより具体的に説明する。
【００２０】
本発明は、堤体の建設現場に比較的近い場所で採取される砂礫を有効に利用するという、従来からのＣＧＳ工法の思想に従うものである。砂礫は骨材に相当する粒状物であり、種々の粒径を有する粒子で構成される。採取された礫に対して必要に応じて破砕を行い、オーバーサイズ（例えば長径による粒径８０ｍｍ超え）の粒子を除去する等、簡単な砂礫の分別を行う。それ以外は基本的には特段の分級を行わずに使用することができる。
【００２１】
結合材としては、セメント、フライアッシュなど、従来のＣＳＧに適用されるものに加え、本発明では高炉スラグ微粉末を使用する。
セメントは普通ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメントなどが適用できる。さらに早強ポルトランドセメントを用いることができる。高炉スラグ微粉末は、比表面積が２０００〜８０００ｃｍ2／ｇの範囲にある、従来からコンクリート用に使用されているものが適用できる。
【００２２】
結合材に占めるセメントの割合は、１.０質量％以上確保することが必要である。それよりセメントが少ないと、アルカリ量が不足して、高炉スラグ微粉末の潜在水硬性が十分に発揮されない恐れがある。
【００２３】
高炉スラグ微粉末の割合（置換率）は最大９９.０質量％とすることができる。それより多いとセメント量１.０質量％以上を確保できない。高炉スラグ微粉末による置換率があまり低いと、温度応力ひび割れ抑止効果および環境負荷低減効果が十分に発揮されない。種々検討の結果、結合材に占める高炉スラグ微粉末の割合を７１.０質量％以上とすれば、従来のＣＳＧ工法に比べ、顕著な温度応力ひび割れ抑止効果および環境負荷低減効果が得られる。
【００２４】
使用する砂礫のｐＨが比較的高い場合には、高炉スラグ微粉末の潜在水硬性がより一層発揮されやすくなる。種々検討の結果、前記ｐＨ試験によるｐＨ値が８.０以上である砂礫を適用すると、高炉スラグ微粉末の置換率を９０.０〜９９.０％と高くした場合でも材齢９１日の圧縮強度が例えば２.０Ｎ／ｍｍ2以上といった優れた強度発現性を安定して得ることが容易となる。この場合、温度応力ひび割れ抑止効果および環境負荷低減効果と、強度発現効果とを高い水準で両立させることが容易となり、ＣＳＧの品質管理において有利となる。
【００２５】
ＣＳＧの単位結合材量は５０ｋｇ／ｍ3以上を確保する必要がある。５０ｋｇ／ｍ3より少ないと堤体の強度が不十分となりやすい。６０ｋｇ／ｍ3以上とすることがより好ましい。一方、単位結合材量が多くなると、堤体は弾塑性体から次第に弾性体に近づき、温度応力ひび割れの問題が顕在化するようになる。その場合、コンクリート堤体と同様にひび割れ対策が別途必要となり、ＣＳＧ工法に特有の建設コスト削減効果が希釈される。種々検討の結果、本発明ではＣＳＧの単位結合材量を１００ｋｇ／ｍ3以下とする。９０ｋｇ／ｍ3以下とすることがより好ましく、８０ｋｇ／ｍ3以下とすることが更に一層好ましい。
【００２６】
ＣＳＧの配合は、砂礫、結合材、水を混合したシンプルな配合とすることができるが、必要に応じて混和材料を添加しても構わない。例えば、ＡＥ減水剤（好ましくは促進型）や、凝結促進剤などコンクリート用混和材料が使用できる。凝結促進剤としては亜硝酸ソーダやアルミン酸ソーダが挙げられる。ＡＥ減水剤を添加する場合は０.１％以上の添加量を確保することが効果的であり、その添加量上限は２.０％程度とすればよい。凝結促進剤を添加する場合は０.５％以上の添加量を確保することが効果的であり、その添加量上限は３.０％程度とすればよい。
【００２７】
ＣＳＧの製造は、従来と同様、堤体建設現場の近くに設けた混合設備によって、砂礫、結合材、水を混合することによって行うことができる。これらの材料の配合は、ひし形理論を適用して定めることができる。すなわち予備実験により、当該砂礫の最も細かい粒度と最も粗い粒度の間で、単位水量とＣＧＳ強度（材齢９１日圧縮強度）の関係を種々求めておき、それらデータに基づいて当該堤体の設計強度が安定して得られる範囲の配合を採用することができる。材料の混合は、コンクリートの場合とは異なり、連続処理によって行うことができる。例えば連続練りミキサーに、砂礫と、セメント＋水の混合物とを連続的に供給する手法が適用できる。
【００２８】
ＣＳＧの打設は基本的には従来と同様の手法で実施すればよい。すなわち、得られたＣＳＧはダンプトラックにより現場に運ばれ、ブルドーザやホイールローダによって敷均される。標準的には、１層あたりのリフト高さを７５ｃｍ程度として「敷均→締め固め」の工程が繰り返され、堤体が構築される。締め固めには振動ローラが使用できる。従来のＲＣＤ工法においては温度応力ひび割れを抑制するために打上がり速度、打込み温度、目地切り間隔などの規制が設けられているが、ＣＳＧ工法によればこれらの規制を緩和あるいは撤廃することができる。
【実施例】
【００２９】
実施工が行われているＣＳＧダムのＣＳＧ配合（結合材が普通ポルトランドセメント１００％であるもの）をベースとして、種々の置換率でセメントの大部分を高炉スラグ微粉末で置換したＣＳＧを作製し、これらの硬化体について材齢７日、２８日、９１日の圧縮強度を測定した。一部の配合では凝結促進剤を添加した。
【００３０】
〔使用材料〕
・砂礫：  実施工されたＣＳＧダムに使用された砂礫、最大粒径８０ｍｍ、前記ｐＨ試験によるｐＨ値＝８.０
・セメント：  普通ポルトランドセメント、ブレーン比表面積３４００ｃｍ2／ｇ
・高炉スラグ微粉末：  ブレーン比表面積約４０００ｃｍ2／ｇ、ＳｉＯ2；３３％、Ａｌ2Ｏ3；１６％、Ｆｅ2Ｏ3；１％、ＣａＯ；４３％、ＭｇＯ；６％
凝結促進剤：  亜硝酸ソーダ
【００３１】
いずれの配合も、単位結合材量（セメント＋高炉スラグ微粉末の総量）は８０ｋｇ／ｍ3、単位水量は１２５ｋｇ／ｍ3である。凝結促進剤を添加したものは、その添加量を２％とした。各材料を混合してＣＳＧを作製し、型枠に打設して直径３００ｍｍ、高さ６００ｍｍの硬化体を得た。各硬化体についてＪＩＳ Ａ１１０８に規定される一軸圧縮試験を行った。
結果を表１に示す。
【００３２】
【表１】
0005430434.tif 000002
【００３３】
従来例（ベース配合）であるＢ０において、温度応力ひび割れによる問題が生じないことが現場実績により確認されている。したがって、大量の高炉スラグ微粉末で置換した本発明例のものは水和反応熱がＢ０よりも少ないことが明らかであることから、温度応力ひび割れによる問題は発生しないと評価される。硬化体の圧縮強度は、大量の高炉スラグ微粉末の置換率が高くなるに従って材齢２８日強度が大きく低下する。しかし、材齢２８日から９１日にかけて圧縮強度が大きく増大することがわかる。これは高炉スラグ微粉末の潜在水硬性が発揮されたことによる。いずれも材齢９１日の圧縮強度は１.０Ｎ／ｍ2を上回っており、ＣＳＧダムの構築に適用できるものであると評価される。また、凝結促進剤を添加したＢ９５Ｓでは、無添加のＢ９５と比べ、材齢２８日強度が向上していることがわかる。本発明例のものは大量の高炉スラグ微粉末でセメントを置換しているので、ベース配合Ｂ０に比べ環境負荷が大幅に低減される。