(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼スラグ100質量部に対し、セメント2〜10質量部、水30〜100質量部及びベントナイト3〜10質量部を含み、
気泡量が10〜40体積％の範囲であり、
前記鉄鋼スラグは、水砕スラグ及び製鋼スラグからなり、該水砕スラグに対する該製鋼スラグの質量比が0.1〜1.5であることを特徴とする充填材。
【請求項２】
鉄鋼スラグ100質量部に対し、セメント2〜10質量部、水30〜100質量部、ベントナイト3〜10質量部、及び、起泡剤0.05〜2質量部を含み、
前記鉄鋼スラグは、水砕スラグ及び製鋼スラグからなり、該水砕スラグに対する該製鋼スラグの質量比が0.1〜1.5であることを特徴とする充填材。
【請求項３】
前記鉄鋼スラグは、粒径10mm以下とする請求項１又は２に記載の充填材。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の充填材を用いる地盤の補修方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、低コストで製造できると共に、優れた流動性・圧送性及び適度な強度を有する充填材、並びに、該充填材を用いた地盤の補修方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地盤の圧密沈下や地震に伴い発生する液状化によって、表層地盤の沈下、道路の陥没が起きたり、建物の基礎と地盤の間に空洞（空隙とも称する。）ができることで、土間コンクリート床に亀裂や陥没が発生するなど問題が生じている。【０００３】
上述の問題を解決する手段として、ミクロサンドエアモルタルなどの充填材を用いることが挙げられる。しかしながら、充填材については、セメントによる硬化が速いため、施工時間がかかる場合など圧送が困難となる点や、セメント等の材料を多く使用するためにコストが高騰するという点について改善が望まれていた。加えて、天然の砂よりもリサイクル材料を用いる方が、地球環境保護やコスト削減の点から有用であると考えられており、天然砂に代えて鉄鋼スラグ等を採用した充填材が提案されている。【０００４】
スラグを利用した充填材として、例えば特許文献１には、最大粒径2.380mm、ふるい目1.190mm通過量95％以上、ふるい目0.590mm通過量70％以上、ふるい目0.279mm通過量40％以上、ふるい目0.149mm通過量15％以上に粒度調整した水砕スラグとセメント、水からなるスラリーに起泡剤、減水剤、粘性剤を添加して空気を加えることで軽量起泡充填材を調整する技術が開示されている。この技術を用いれば、セメント、ベントナイト、砂及び水からなるベントナイトモルタルなどに比べて、流動性がよく、軽量で、ブリージングが少なく、安価であるという特徴がある。【０００５】
また、特許文献２には、基礎下空隙充填材として用いるグラウト材料で、粒径13mm以下の転炉滓又は造塊滓の重量比が38〜65％、粒径10mm以下の水滓の重量比が16〜29％、粒径1mm以下のベントナイトの重量比が8〜17％、及び水の重量比が12〜20％と配合し、単位体積が1.8〜2.8g/cm2となるようにしたグラウト材料が開示されている。ポンプによる圧送が可能となるため、エアーモルタルのような閉塞による機器トラブルがなく、セメント混入がないことから短期的自硬性がなく、エアーモルタルに比べて材料費が約４割程度低くなるという特徴がある。【０００６】
さらに、特許文献３には、高炉スラグ、セメント、ベントナイト及び水で構成し、高炉スラグ100重量部に対し、セメントの配合量が20重量部以下である注入材が開示されている。この注入材は、初期の流動性が高く、比較的短時間内に所望の可塑性を得ることができ、製造コスト及び施工コストを低下させることができ、また施工の省力化も可能となるという特徴がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公昭６３−６１３５５号公報
【特許文献２】特開昭５８−１９５６３３号公報
【特許文献３】特開２００２−１５５２７７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１〜３の技術には、以下の問題があった。
特許文献１の技術は、従来技術より安価に軽量起泡充填材を得られるが、セメント量が1m3あたり100kg程度と量が多いため、コストが高騰するという問題があった。さらに、起泡剤、減水剤及び粘性剤といった多品種の薬品を混合させることは、室内実験レベルでは良い配合結果を示すが、現場施工ではばらつきが大きく、想定どおりの性能を発揮させるのは非常に難しいことから、薬品を多用するには高度な技術が必要となり、施工に手間がかかるという問題があった。【０００９】
特許文献２の技術は、セメントを混入しておらず短期的に自硬性がないため施工トラブルが発生しにくいが、転炉滓と水滓に対してアルカリ刺激剤が無いことから、固化しない場合もあり、周囲地盤よりも弱いグラウト材になるおそれがあった。さらに、単位体積あたりの重量が1.8g/cm3以上と大きく、さらなる圧密沈下を引き起こすおそれがあった。【００１０】
特許文献３の技術は、高炉スラグ、セメント、ベントナイト及び水という単純な構成であることから、施工の省力化を図ることはできるが、特許文献３の実施例に示されているように、20分でフロー値が初期の半分以下となり、硬化性が早すぎるという問題があった。実際の現場では、トラブルなどによって打設が止まる場合も多々あることから、流動性がある程度（２〜４時間）確保できない本技術は、適用が困難となるおそれがあった。【００１１】
以上の問題を鑑み、本発明は、低コストで製造できると共に、優れた流動性・圧送性及び適度な強度を有する充填材を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明者らは、上記目的を達成すべく検討を重ねた結果、鉄鋼スラグ、セメント、水及びベントナイトを特定量含有するとともに、気泡量を10〜40体積％の範囲とすることによって、優れた流動性及び圧送性を実現できることに加え、前記セメントの量を低減できるため、製造コストの低減、硬化速度の最適化を図れることを見出し、本発明を完成するに到った。
また、鉄鋼スラグ、セメント、水及びベントナイトに加えて、起泡剤を特定量含むことによって、上記気泡量の適正化を図った場合と同様の効果が得られることを見出した。【００１３】
本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。
（１）鉄鋼スラグ100質量部に対し、セメント2〜10質量部、水30〜100質量部及びベントナイト3〜10質量部を含み、気泡量が10〜40体積％の範囲である充填材。【００１４】
（２）鉄鋼スラグ100質量部に対し、セメント2〜10質量部、水30〜100質量部、ベントナイト3〜10質量部、及び、起泡剤0.05〜2質量部を含む充填材。【００１５】
（３）前記鉄鋼スラグは、水砕スラグ及び製鋼スラグのうちの少なくとも一種を含む上記（１）又は（２）に記載の充填材。【００１６】
（４）前記鉄鋼スラグは、水砕スラグ及び製鋼スラグからなり、該水砕スラグに対する該製鋼スラグの質量比が0.1〜1.5である上記（３）に記載の充填材。【００１７】
（５）上記（１）〜（４）のいずれかに記載の充填材を用いる地盤の補修方法。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、鉄鋼スラグとベントナイトの量を調整することで、スラグ量に対するセメント量を従来技術に比べて減らすことができるため、（Ａ）硬化速度を遅らせ、現場でのトラブル発生を低減すること、（Ｂ）材料分離を抑えて適度な強度発現を可能とすること、及び、（Ｃ）トータルコストを低減する、ことが可能となる。
さらに、充填材の気泡量について適正化を図ることで、（Ｄ）充填材の強度調整及び圧送性の向上が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】気泡量を変化させた場合の、フロー値（mm）及び単位体積重量（kN／m3）の変化を示したものである。
【図２】水砕スラグの粒径加積曲線を示したものである。
【図３】実施例における現場施工試験の状態を模式的に示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明による第１の充填材は、鉄鋼スラグ100質量部に対し、セメント2〜10質量部、水30〜100質量部及びベントナイト3〜10質量部を含み、気泡量が10〜40体積％の範囲であることを特徴とする。
本発明による第２の充填材は、鉄鋼スラグ100質量部に対し、セメント2〜10質量部、水30〜100質量部、ベントナイト3〜10質量部、及び、起泡剤0.05〜2質量部を含むことを特徴とする。
【００２１】
（鉄鋼スラグ）
前記鉄鋼スラグは、モルタルの細骨材等として用いられる材料である。本発明の充填材中に鉄鋼スラグを配合することで、本発明の充填材の低コスト化に寄与する。
【００２２】
前記鉄鋼スラグについては、潜在水硬性を有し、セメント量を削減できる点から、水砕スラグ及び製鋼スラグの内の少なくとも一種を含むことが好ましい。
【００２３】
また、前記鉄鋼スラグは、異種スラグの混合により、より強固な強度発現が期待できる点から、水砕スラグ及び製鋼スラグからなり、該水砕スラグに対する該製鋼スラグの質量比が0.1〜1.5であることがより好ましい。前記質量比が0.1未満の場合、確実な強度発現が不可となるおそれがあり、一方、前記質量比が1.5を超えると、水砕スラグと製鋼のスラグの重量差で分離しやすくなるおそれがある。
【００２４】
さらに、前記鉄鋼スラグは、粒径10mm以下のものが好ましい。あまり大きな粒径が混入するとポンプ圧送時に大きな圧力が必要になるので、粒径5mm以下のものがより好ましいが、近年の機械能力の向上により、従来に比べればポンプ圧送能力は大きくなっているため、多少大きな粒径（10mm程度）が混入しても大きな問題とはならない。
【００２５】
なお、前記鉄鋼スラグが水砕スラグの場合、時間が経過すると潜在水硬性により固まることも考えられるが、ミキサーの混練作業で砕けて適度な大きさになるので、製造して間もない水砕スラグだけでなく、長期保存されてある程度固まった水砕スラグでも本発明への適用は可能である。
【００２６】
また、前記鉄鋼スラグが製鋼スラグの場合、水砕スラグより重量が重くなるため、本発明の充填材を圧送するために用いるポンプの圧力は多少大きくする必要がある。ただし、その場合も流動性はほとんど変わらないため、本発明の充填材の施工性に影響は少ない。
【００２７】
なお、前記鉄鋼スラグの含水量については、特に限定はされず、考慮することなく充填材としての効果を得ることが可能である。本発明の充填材は、後述するように水の含有を必須とするため、水の含有量を調整することで、前記鉄鋼スラグの含水量が変化した場合であっても、充填材全体として所望の含水量を確保できるためである。
【００２８】
（セメント）
前記セメントは、前記鉄鋼スラグ100質量部に対して、2〜10質量部混合され、好ましくは4〜7質量部混合される。前記セメントの量が2質量部未満の場合、セメントが少なすぎるため、十分な充填材の強度を得ることができず、一方、前記セメントの量が10質量部を超えると、セメントが多すぎるため、硬化速度が速くなることに加えて、製造コストの高騰を招くため、現場での使用が難しくなるからである。
【００２９】
また、前記セメントの種類については、例えば、普通ポルトランドセメント、高炉セメント等を用いることができる。また、少量の普通ポルトランドセメントと高炉スラグ微粉末との混合物を用いることもできる。少量のセメントは、アルカリ刺激剤として作用し、スラグ類の潜在水硬性反応を起こし、硬化現象が期待できるからである。前記高炉スラグ微粉末も、粉末分としてベントナイトとともに材料分離を抑制する効果もある。
【００３０】
（水）
前記水は、前記セメントとの水和反応のために用いられる。前記水は、前記鉄鋼スラグ100質量部に対して、30〜100質量部配合され、好ましくは50〜80質量部配合される。前記水の量が30質量部未満の場合、施工に必要な流動性を得ることが困難となり、一方、前記水の量が100質量部を超えると水が多くなるため、材料分離を引き起こすことや、充填材の強度が十分に得られないことがあるからである。
【００３１】
（ベントナイト）
前記ベントナイトは、本発明の充填材を構成する材料の分離を抑制すること、及び、充填材の強度が大きくなりすぎることを抑制するために用いられる。前記ベントナイトは、前記鉄鋼スラグ100質量部に対して、3〜10質量部混合され、好ましくは4〜7質量部混合される。前記ベントナイトの量が3質量部未満の場合、十分に材料分離を抑制することができず、適度な充填材強度を得ることができない。一方、前記ベントナイトの量が10質量部を超えると、粘性が過剰となり流動性が悪くなることや、強度が発現しにくく制御できないことに加えて、材料費がかかるため製造コストが高騰するためである。
なお、本発明で用いられるベントナイトについては、市販のものを使用することができる。
【００３２】
（気泡量、起泡剤）
本発明による第１の充填材は、気泡量が10〜40体積％の範囲、好ましくは10〜30体積％である。その理由としては、充填材中の気泡量を上記範囲とすることで、所望の強度を確保するとともに、圧送するためのパイプ内の摩擦抵抗も低減することができるため、小さな圧力で充填材を圧送することが可能となるからである。ここで、前記気泡量を10〜40体積％の範囲としたのは、気泡量が40体積％を超えると、単位体積重量が10kN／m3を下回ることが考えられ、水中での施工では充填材が浮いてしまい、使用することができず、一方、前記気泡量が10体積%を下回ると、フロー値が低下するため、圧送時の圧力も大きくなり、所望の圧送性が得られないからである。
【００３３】
ここで、図１は、鉄鋼スラグ100質量部に対し、セメント6.5質量部、水72質量部及びベントナイト6.5質量部を含む充填材において、気泡量を変化させた場合の、フロー値（mm）及び単位体積重量（kN/m3）の変化を示したものである。図１では、棒グラフがフロー値、折れ線グラフが単位体積重量を示す。
図１からもわかるように、気泡量を10〜40体積％の範囲とすることで、所望のフロー値及び単位体積重量が得られることがわかる。
【００３４】
ここで、充填材中の気泡量は、例えば、旧日本道路公団規格JHS A313-1992「エアモルタル及びエアミルクの試験方法」の空気量試験方法のシリンダー法に準拠して行われる。具体的には、500mlのメスシリンダーに試料200mlを取り、水200mlを加えた後、十分にメスシリンダーを振って静置する。気泡分離後、局方アルコール100mlを計量し、気泡の上に徐々に滴下して消泡し、完全に消泡した後、試料、加えた水及びアルコールの全量をメスシリンダーの目盛りで読み取り、下記式により空気量（気泡量）を算定する。
【数１】
0005862676.tif 000002
または、単位体積重量を測定し、以下の式によって気泡量を算定することができる。
【数２】
0005862676.tif 000003
【００３５】
また、本発明による第２の充填材は、前記鉄鋼スラグ100質量部に対して、0.05〜2質量部含有し、好ましくは0.08〜1.2質量部含有する。
この起泡剤については、界面活性剤の一種で、気泡を発生し、前記鉄鋼スラグやセメント、水等と混合した際に、均質に分散し、材料の分離を抑制する効果を発揮する。前記起泡剤の含有量が0.05質量部未満の場合、充填材の強度が大きくなりすぎることがあり、一方、前記起泡剤の含有量が2質量部を超えると、充填材の単位体積重量が小さくなりすぎることがある。
【００３６】
なお、前記起泡剤の種類については、特に限定はしない。市販されているものを使用することができる。
また、前記起泡剤を用いた発泡については、公知の方法によって行うことができる。例えば、希釈水を用いて前記起泡剤を希釈し、圧縮空気を送り込むことで、所望の倍率に発泡させることができる。具体的には、発泡装置や、ハンドミキサーを用いた攪拌による発泡が挙げられる。
【００３７】
（充填材）
本発明による充填材は、低コストで製造できると共に、優れた流動性・圧送性及び適度な強度を有していることから、基礎下の空洞充填、裏込め注入、地盤強化等に用いることができる。
【００３８】
なお、上述した、鉄鋼スラグ、セメント、水及びベントナイトについては、例えば、モルタルとして用いられる。モルタルは、前記起泡剤と混合して、本発明による充填材を構成するための材料であり、前記鉄鋼スラグと、前記セメントと、前記水と、前記ベントナイトとを攪拌混合してなる。攪拌混合の条件については、特に限定はされず、例えば、ベントナイトと水を先に混ぜてから鉄鋼スラグとセメントを混合しても良いし、全部の材料を同時に混合することも可能であるが、品質を管理する上ではバッチ式のミキサーを用いて攪拌混合することが望ましい。また、固定プラントを用いても、移動式プラントを用いても構わない。
【００３９】
なお、本発明の充填材の適用先に高い強度が要求される場合には、前記モルタル中のセメント量を増やし、ベントナイトを減らす配合とする。ブリージングが大きくなる場合は、粉末分の量を適度にバランスさせることにより、抑止することができる。
また、各材料の配合条件によって、モルタルの固結が早期に開始される場合には、遅延剤等をさらに配合することで、硬化時期を制御することも可能である。
【００４０】
本発明による充填材の強度は、適用先によって要求値が異なる。床下の空洞の場合、杭周囲に充填されることとなるが、強度が高いと付着力も大きくなり、杭と充填材が一体化することになる。さらなる圧密沈下や液状化による地盤の沈下が発生したとき、一体化していると地盤に追随しなくなり、硬い充填材は掘削が困難となるため、充填材と地盤の間の空洞に充填ができなくなる。強度が高いと配管などの付帯施設のメンテナンスも困難となる。さらに、杭頭部の質量が増すので、地震時の慣性力で杭体を破損しかねない。
そのため、床下充填などの場合は、強度の弱い充填材を適用するのが望ましい。強度は、0.05〜1.5N／mm2程度が望ましい。また、圧密が進行中の地盤では圧密促進をしてしまうおそれがあるので、単位体積重量もあまり大き過ぎないほうが望ましく、おおむね10〜20kN／m3程度が望ましい。
【００４１】
さらに、本発明の充填材の良否の判定は、練りあがり後のフロー値、ブリージング、単位体積重量によって行うことができる。200m程度の圧送を考えた場合、フロー値200mm以上であることが好ましい。前記ブリージング率は5%以下を目安として判断するのが良い。
【００４２】
床下充填などの地中の空間では、地下水や雨水が混入して水がたまっていることがある。そこで、本発明の充填材の単位体積重量を、10kN／m3以上となるようにすることで、水中施工時に確実に充填できるようにする。
【００４３】
なお、前記鉄鋼スラグは硬化後、膨張などの挙動を示す場合があるが、前述した起泡剤により生成したエアーを含んでいるので、それがクッション的な役割を果たし、構造物へ悪い影響をもたらすことはない。さらに、このエアーは、流動性や圧送性をさらに改善する効果もある。
【００４４】
（地盤の補修方法）
本発明による地盤の補修方法は、上述した本発明の充填材を用いることを特徴とする。本発明の充填材は、低コストで製造できると共に、優れた流動性・圧送性及び適度な強度を有するため、比較的低コストで、確実な地盤補修を可能とする。ここで、「地盤補修」とは、地上だけでなく、水中も含んだ全ての地盤の補修を意味する。
【００４５】
また、本発明の充填材を用いて、空洞充填、裏込め注入、地盤強化を行う場合、充填材はポンプにより圧送されるが、圧送の方法については特に限定されず、通常用いられる条件によって圧送を行うことができる。
【実施例】
【００４６】
次に、実施例および比較例により本発明の効果を説明するが、本実施例はあくまで本発明を説明する一例に過ぎず、本発明を限定するものではない。【００４７】
＜サンプル１〜５＞
表１に示す配合で、充填材を作製した。
なお、配合した水砕スラグについては、粒径1mm通過量を50%以上、最大粒径9.5mmのものであり、図２に示す粒径加積曲線を有する。なお、高炉セメントは高炉B種を使用した。【００４８】
【表１】
0005862676.tif 000004
【００４９】
＜評価＞
（１）室内試験
また、各実施例及び比較例において作製された充填材の、フロー値、ブリージング率、強度（7日経過時、28日経過時）及び単位体積重量について測定を行い、測定結果を目標値とともに表２に示す。
なお、前記フロー値とは、長距離圧送（200m以上）が可能であり、隙間なく確実に充填できる流動性を示す値のことであり、旧日本道路公団規格JHS A313-1992「エアモルタル及びエアミルクの試験方法」のコンシステンシー試験方法のシリンダー法に準拠して測定した。
ブリージング率とは、施工時の材料分離の度合を示す指標であり、土木学会規格JSCE F522-2007「プレパックドコンクリートの注入モルタルのブリージング率および膨張率試験方法（ポリエチレン袋方法）」に準拠して測定した。
強度とは、一軸圧縮強度であり、地盤の沈下に追従し杭に付着しないかどうかを見極める指標であり、日本工業規格JIS-A1216「土の一軸圧縮試験方法」に準拠して測定した。
単位体積重量は、水中施工が可能かどうかを見極める指標であり、日本工業規格JIS-A1171「ポリマーセメントモルタルの試験方法」の単位容積重量試験に準拠して測定した。【００５０】
（２）施工試験
さらに、表１のサンプルNo.1,2,8に示す配合の充填材を、図３に示すような実際の現場で用いることによって充填材の性能を評価した。具体的には、サンプルの充填材を200mの配管によって打設場所までポンプ圧送を行うことができたか、及び、水中施工時に分離することなく打設できたか否かの確認を行い，いずれの配合においても問題なく施工できたことを確認した。
なお、固定プラントから遠距離位置への移送には、アジテート車を使用することとなり、充填材の経時的な変化を調査する必要があるため、モルタルミキサーに充填材を投入し、回転させて2時間後のフロー値についても確認した。その結果、本発明例の各サンプルについては練りあがり直後の値とほぼ同等であり、プラントからの移送には練り返しをおこなえば施工性に問題ないことを確認した。【００５１】
【表２】
0005862676.tif 000005
【００５２】
室内試験及び施工試験の結果、各本発明例の充填材については、いずれも目標値よりも良好な値となっており、得られた充填材の性能が優れることがわかった。
一方、比較例については、いずれかの項目で目標値を下回ることがあり、十分な性能を得られていないことがわかった。
【産業上の利用可能性】
【００５３】
本発明によれば、低コストで製造できると共に、優れた流動性・圧送性及び適度な強度を有する充填材、並びに、該充填材を用いた地盤の補修方法の提供が可能となる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
0005862676.tif 000008