(57)【要約】【課題】コンクリート廃材のリサイクル利用を実現するとともに、従来の現場発生土、搬入土等による埋め戻しによるものに対して安定した品質の人工地盤を造成可能な地盤材料を提供する。【解決手段】コンクリート廃材を加熱、磨砕して分級して再生骨材とともに得られた微粉末に水を添加して得られたスラリーを、対象地盤空間内に充填して人工地盤を造成することで、復旧地盤や構造物の埋め戻し工において、充填固化させて所定の強度、安定を有する地盤を得ることができる。【選択図】　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート廃材を加熱、磨砕して分級して再生骨材とともに得られた微粉末に水を添加して得られたスラリーを、対象地盤空間内に充填して人工地盤を造成することを特徴とする人工地盤材料。
【請求項２】
前記微粉末にセメントを混合して固化材とし、該固化材に水を添加してスラリーを得るようにした請求項１記載の人工地盤材料。
【請求項３】
前記水の前記微粉末あるいは前記固化材に対する質量比が０．５〜１．２５であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の人工地盤材料。
【請求項４】
前記セメントの前記固化材に対する質量比が０．３以下であることを特徴とする請求項２記載の人工地盤材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は人工地盤材料に係り、特にコンクリート廃材から得た微粉末をスラリーとして用い、復旧地盤や構造物の埋め戻し工において、充填固化させて所定の強度、安定を有する地盤を得る材料として用いる人工地盤材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
掘削を伴う建設工事では、図５に複数の構造物例を示したように、地中構造物を構築した後の復旧地盤、擁壁の埋め戻し背面地盤、比較的軽量な建物の荷重を受ける基礎地盤等、原地盤とは異なる恒久的な人工地盤が設計される場合が多い。従来、この種の人工地盤では、復旧地盤や擁壁背面の埋め戻しには現場発生土や仕様に適合した搬入土、さらにそれらに少量のセメント系固化材を粉体混合した地盤材料が用いられてきた。これらの地盤材料で埋め戻す場合、狭隘部への充填不良や粘性土材料の圧密などにより地盤内に空隙が発生して人工地盤が地盤沈下したり亀裂、陥没が発生するおそれがあった。
【０００３】
一方、これらの地盤材料は、支持地盤としての安定性（強度及び剛性）とともに、原地盤との境界での連続性を確保するため、適切な強度（一軸圧縮強さで１００〜４００ｋＮ／ｍ２程度）を有することが必要とされている。通常、埋め戻しの土砂のみでこの程度の強度を得ることができないため、少量のセメント系固化材を添加することが多い。この種のセメント系固化材としては、普通ポルトランドセメント、高炉セメント等を母材とし、固化効果を高めるための各種添加材が併せて使用されている。そして、これらは原位置で混合攪拌され、対象範囲に人工地盤が造成される。
【０００４】
ところで、近年、建設廃棄物処理の問題がクローズアップされており、出願人はコンクリート廃材をコンクリート構造物等へ再度適用するために、コンクリート廃材から、バージン骨材と同等の品質を有する再生骨材や微粉末の再生材料を製造するシステム（コンクリート資源循環システム）を開発し、そのシステムを通じて得られた再生材料を適用可能な技術分野を種々検討している（たとえば非特許文献１参照）。
【０００５】
【非特許文献１】
黒田泰弘他３名，“コンクリート資源循環システムを適用した建築工事−サステイナブルコンクリートの施工−”，「コンクリート工学」，（社）日本コンクリート工学協会，２００２年２月，ｐｐ．６４−７０
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
出願人は、好ましい人工地盤材料の選定の段階で、上述の再生材料を適用することを想定し、以下のような課題を抽出し、その解決手段を求めた。すなわち、地盤材料を選定する際、実施工ではセメント系固化材を粉体供給して混合攪拌により所定強度を確保するが、この場合セメント系固化材を１００ｋｇ／ｍ３程度以上添加しないと均質な地盤が得られない。また、この改良地盤は想定強度の５倍以上の過度な強度が発現することもある。さらに、建物の基礎地盤をセメント系固化材で置換する工法（ラップルコンクリート）でも、その強度は一軸圧縮強さで２０ＭＮ／ｍ２以上となることが多く、人工地盤として過大な強度の地盤材料が提供されていた。このように、人工地盤を構築するのに際し、適正な材料品質（安定性）と施工品質（充填性）を両立することは難しく、セメント系固化材に限られず、対象の地盤材料に適用することで適度の固化性状を実現可能な固化材料とその配合技術を実現することが必要である。
【０００７】
これに対して、上述の再生材料のうちの微粉末は、セメント水和物を主成分とするため、水硬性を有する。また、比表面積が４，０００ｃｍ２／ｇ以上の安定した品質を有している。これに対して出願人は、この微粉末を主材とし、適正な配合と使用態様を定めることにより実用強度の達成、施工性、品質安定性を確保することが可能で、また必要に応じてその他の固化材を適宜所定の割合で用いることで、以下のような人工地盤材料を得ることを見いだした。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明はコンクリート廃材を加熱、磨砕して分級して再生骨材とともに得られた微粉末に水を添加して得られたスラリーを、対象地盤空間内に充填して人工地盤を造成することを特徴とする。
【０００９】
硬化強度の確保のために、前記微粉末にセメントを混合して固化材とし、該固化材に水を添加してスラリーを得るようにすることが好ましい。
【００１０】
施工性、材料品質の観点から前記水の前記微粉末あるいは前記固化材に対する質量比を０．５〜１．２５の範囲とすることが好ましい。
【００１１】
前記セメントを添加する場合、造成する人工地盤の実用強度を考慮して前記セメントの前記固化材に対する質量比を０．３以下とすることが好ましい。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の人工地盤材料の一実施の形態について、添付図面を参照して説明する。
［微粉末の製造］
本発明の人工地盤材料に用いる微粉末の製造工程について説明する。本発明ではコンクリート廃材から、コンクリート材料として利用可能な粗骨材、細骨材等の所望の再生材料を得ることが可能な、公知の再生骨材製造プラントで「加熱すりもみ法」を採用している。この加熱すりもみ法では、まず破砕したコンクリート廃材（いわゆるコンクリートがら）を加熱塔の炉内に投入し、約３００℃程度に加熱する。その後、特殊磨砕設備により物理的にすりもむ（擦り揉む）ことで磨砕し、さらに公知の分級装置を介して分級し、所望の骨材の他、副生成物として微粉末を得ることができる。この加熱すりもみ法によって製造される微粉末は、たとえば平均粒径が０．１０ｍｍ以下で、比表面積が４，０００〜１０，０００ｃｍ２／ｇ程度あり、通常のセメントより極めて細かい粒子である。また組成としてはＣａＯを単位質量当たり１０〜３０％含有することから、使用時において安定した水硬性が得られることが確認されている。
【００１３】
［微粉末の硬化メカニズム］
上述した微粉末を人工地盤材料として用いた場合、微粉末の吸水反応および微粉末の示すポゾラン活性により、所定の硬化メカニズムが確認された。これにより、この微粉末をスラリー化し、埋め戻し工等への充填を経て人工地盤が形成される当該空間（以下、地盤空間と呼ぶ。）が満たされ、一定の時間経過により所定強度を発現する人工地盤を造成することが可能となる。こうして造成された人工地盤は必要な範囲の低強度で、かつ地盤内での強度のばらつきがなく高い構造的安定性を示す。本発明では、通常の対象人工地盤においては、スラリー化した微粉末のみで十分な強度を期待できるが、微粉末のみで所定の地盤強度が確保できない場合や、構造物の目的により高い地盤強度を必要とする場合には、各種のセメント（たとえば高炉セメントＢ種）や、その他のセメント系固化材、固化添加材を所定割合で混合し、人工地盤の所望強度を確保することが好ましい。
【００１４】
［微粉末スラリーの配合］
本発明では、たとえば現場発生土、搬入土との混合は行わず、微粉末のみを利用して対象の地盤空間の充填を行うものとする。ここで微粉末は粉末度が高いため、水との混合により容易にスラリー化する。そこで、本発明では微粉末をスラリーとして取り扱う（以下、微粉末スラリーと呼ぶ。）ことで、施工の容易化、施工適用性の向上を図っている。
【００１５】
（配合）
微粉末スラリーの配合は、水微粉末比Ｗ／Ｐ＝０．５〜１．２５とすることが好ましい。Ｗ／Ｐ＝０．５以下では、スラリーのハンドリングが難しく、施工性が悪くなる。他方、Ｗ／Ｐ＝１．２５より大きくなると硬化時の地盤強度が不足する。また、強度増加を図るためにセメントを添加する場合、セメント（Ｃ）の添加割合は、得られる地盤強度と材料コストの観点からＣ／（Ｐ＋Ｃ）＜３０％とすることが好ましい。添加セメント種類としては、普通ポルトランドセメント、高炉セメントＢ種等が好ましい。
【００１６】
（配合設計）
配合設計は、概略設計フロー（図１）に示したように、まず人工地盤材料を適用する構造物用途、施工条件等から人工地盤としての地盤強度レベル、微粉末スラリーのフロー値等の要求性能を設定する。次に、使用微粉末の配合試験基本データに基づいた配合を決定する。このとき微粉末の硬化性状は、コンクリート資源循環システムに供給されるコンクリート廃材の種類、状態に依存するため、あらかじめ求められている配合試験基本データを参考にすることが好ましい。この基本データとしては水微粉末比−強度（材齢１，３，７，２８日）関係、水微粉末比−フロー値関係が得られているので、まずそれらを基本とした配合設計を行う。現場ごとに想定する配合で室内混合試験を行い、現場に適合した材齢における圧縮強度を、基本データと比較して最終配合を決定する。微粉末スラリーの施工性（充填性及び圧送性）の評価はフロー値（ＪＨＳ　Ａ３１３）を用いて行う。規定フロー値としては、通常の施工の場合、１００〜５００ｍｍの範囲が好ましい。１００ｍｍ以下の場合、充填性に欠けるため、所定の地盤空間内に確実に充填することが困難となる。他方、５００ｍｍ以上のフロー値を示す微粉末スラリーの場合、必要な硬化強度が確保できないおそれがある。特に狭隘部を有するような地盤空間への充填を予定している場合、十分な充填性を確保するためにフロー値３００〜４００ｍｍの微粉末スラリーとすることが好ましい。
（製造、充填計画）
微粉末スラリーの製造は、現場にスラリープラントを設置し、スラリーポンプを用いて微粉末と水とを所定混合比（水微粉末比）で混合して行う。そしてグラウトポンプ等の打設装置により、搬送中の分離を防止できる程度の搬送範囲の地盤空間の充填を行うようにする。
【００１７】
【実施例】
以下の実施例を通じて微粉末を用いた人工地盤材料の性状確認を行う。
［強度試験：材齢と強度との関係］
（使用微粉末の諸特性）
使用する微粉末は、もととなるコンクリート廃材の種類、状態により、その諸特性に多少の幅がある。本実施例では以下の特性を有する微粉末を用い、水微粉末比（Ｗ／Ｐ）をパラメータとして、材齢と強度発現の関係についての確認を行った。
コンクリート廃材：１９７０年代築鉄筋コンクリート造建物の解体廃材
微粉末密度：ρｓ＝２．７３ｇ／ｃｍ３
比表面積　：５６６０ｃｍ２／ｇ
（強度試験）
実用範囲と判断された水微粉末比Ｗ／Ｐ＝０．５〜１．２５のうち、４ケース（０．５，０７５，１．０，１．２５）について、各材齢（３，７，２８日）での一軸圧縮強さ試験を行った。
試験体寸法：φ５０×高さ１００ｍｍ
養生条件　：恒温（２０℃）密封条件
（試験結果）
各水微粉末比ごとの材齢を追って行った圧縮試験結果を図２に示した。同図に示したように、材齢を追って強度発現が進むが、Ｗ／Ｐ＝０．７５以上では材齢７日で２８日強度の５０％の強度が得られ、それ以後の強度の伸びは少ないことが確認された。したがって、硬化強度の管理は材齢７日を目安として行うことができる。
【００１８】
［強度試験：セメント添加率と強度との関係］
（添加セメント種類、添加率）
本実施例では添加セメント種類として、高炉セメントＢ種を使用し、微粉末Ｐに対するセメントＣの添加率Ｐ／（Ｐ＋Ｃ）×１００の５ケース（３，５，１０，２０，３０質量％）について、水固化材比Ｗ／（Ｐ＋Ｃ）の４ケース（０．５，０７５，１．０，１．２５）での一軸圧縮強さ試験を行った。
（試験結果）
高炉セメントＢ種を所定添加率で混合した上記４ケースの水固化材比における微粉末スラリーの材齢２８日強度の圧縮強さ試験結果を図３に示した。同図に示したように、セメント無添加のときに比べ、一軸圧縮強さは、いずれの水固化材比においても添加率２０％で３倍、添加率３０％で５〜６倍程度まで増加する。人工地盤としての実用強度を考慮した場合、セメント添加率３０％以下で、要求硬化強度と施工性とを考慮した水固化材比を設定することが好ましい。
【００１９】
［充填性］
充填時に地盤空間内に密実に充填されるために、スラリーは十分な充填性を有することが必要である。そこで、実用的な充填性を実現するために、水微粉末比Ｗ／Ｐの４ケース（０．５，０．７５，１．０，１．２５）でのフロー値の確認を行った。フロー試験はＪＨ規格（ＪＨＳ　Ａ３１３）に準拠して行った。
（試験結果）
フロー試験結果を図４に示した。同図に示したように、水微粉末比の増加に比例してフロー値もほぼ一定割合で増加する。実施工を考慮した場合、狭隘部においても十分な充填性を示すためには、３００〜４００ｍｍ程度のフロー値を確保できる程度の水微粉末比を選定することが好ましい。
【００２０】
［施工例］
本発明の人工地盤材料を用いて施工した構造物の実施例について図５各図を参照して簡単に説明する。
図５（ａ）は、開削工法で施工されたボックスカルバートの埋め戻し工への適用例を示している。この場合、覆工後に上部が道路等に使用される場合、所定の道路荷重を考慮した地盤強度を確保する配合設計を行う。図５（ｂ）は護岸工の背面裏込め工部分への適用例を示している。この場合には、背面沈下を防止するとともに、地震時の側方流動等に対しても十分な抵抗性を示すような地盤強度を確保する配合設計を行う。図５（ｃ）は仮設山留め工の床付け工、原位置ラップルコンクリート、原位置地中梁等に適用される人工地盤を示した地盤断面図である。同図に示したように、構造物としての断面形状はほぼ同一であるが、その用途に応じて所要強度が異なるため、仕様に適合する配合設計、断面設計を行うことが求められる。また、図５（ｄ）に示したように、既存建物等の解体時に基礎杭を引き抜いた後の杭孔の埋め戻しが必要となる。この埋め戻し作業では地表面から砂や改良土を投入しても十分な充填ができないおそれがある。そこで本発明の人工地盤材料を充填することで確実な埋め戻しを行うことができる。このとき将来の地盤施工を考慮し、材料強度は原位置土と同等とすることが好ましい。
【００２１】
【発明の効果】
以上に述べたように、コンクリート廃材をもとに生成された再生材料のうちの微粉末を主材として人工地盤材料として埋め戻し工等に使用することにより、従来の現場発生土、搬入土等による埋め戻しによるものに対して、安定した品質の人工地盤を提供できるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】微粉末を用いた人工地盤材料の配合設計フローチャート。
【図２】人工地盤材料としての微粉末の材齢と強度との関係を示したグラフ。
【図３】人工地盤材料としてのセメントの添加率と強度との関係を示したグラフ。
【図４】水微粉末比とフロー値との関係を示したグラフ。
【図５】人工地盤材料が適用可能な構造物例を示した模式図。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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