(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融状態での改質を経ていない鉄鋼スラグから、間隙水が海水である軟弱地盤に施工される低置換サンドコンパクションパイルに用いる材料を製造するための方法であって、
ＪＩＳ Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、利用有姿のままの試料に、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した後の蒸留水のｐＨが１１．５以下である鉄鋼スラグを選択して、低置換サンドコンパクションパイル用スラグを得ることを特徴とする低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
【請求項２】
ＪＩＳ Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、利用有姿のままの試料に、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した後の蒸留水のｐＨが１０．３２以上、１１．５以下である鉄鋼スラグを選択して、低置換サンドコンパクションパイル用スラグを得ることを特徴とする請求項１に記載の低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
【請求項３】
鉄鋼スラグが製鋼スラグであることを特徴とする請求項１又は２に記載の低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
【請求項４】
製造される低置換サンドコンパクションパイル用材料が、サンドコンパションパイル用材料を相対密度８０％以下の締め固め度で打設する低置換サンドコンパション工法用の材料であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、製鋼スラグからなる低置換サンドコンパクションパイル用材料に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
粘土質の軟弱地盤の圧密促進工法として、粘土質地盤にサンドコンパクションパイル（以下、「ＳＣＰ」という）を打設する工法が広く行われている。このようなＳＣＰ工法のなかでも、低置換ＳＣＰ工法では、軟弱地盤に透水性のよいＳＣＰを比較的疎な間隔で打設し、その上に透水性のよい押さえ盛り土を施して軟弱地盤に圧密荷重を加えることで、粘土質地盤の間隙水をＳＣＰを通じて排除し（ドレン効果）、地盤の圧密化を促進するものである（サンドドレン工法）。
【０００３】
従来、ＳＣＰ工法用の材料としては天然の砂材が使用されてきたが、昨今では、天然砂の確保が難しくなりつつあり、これに代わるＳＣＰ工法用の材料として、製鋼スラグなどの鉄鋼スラグの利用が検討されている（例えば、特許文献１）。
【特許文献１】特開平８−２９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
低置換ＳＣＰ工法では、ドレン効果を得るためにＳＣＰが十分な透水性を維持する必要がある。しかし、低置換ＳＣＰ材料として製鋼スラグを用い、例えば港湾などの地盤改良を行った場合、ＳＣＰの透水性が低下し、必要なドレン効果が得られなくなる問題を生じることが判った。
特許文献１では、ＳＣＰ用材料に製鋼スラグを用いるとエージング処理中に空気中のＣＯ２と反応して硬化し、この硬化によりＳＣＰが目詰まりを起こして脱水機能を果たさなくなるという問題があるとし、この問題を解決するため、溶融状態の製鋼スラグと改質材とを、複合塩基度が０．９以下になるように混合することで、スラグをＳＣＰ用材料に適した性状に改質するとしている。しかし、この技術には、（i）溶融状態の製鋼スラグを改質するには、多大なコストが発生する、（ii）塩基度の高いスラグと低いスラグを混合しただけでは、塩基度の高いスラグからアルカリが溶出し、透水性低下の問題が十分に解決されない、という問題がある。
【０００５】
したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、ＳＣＰの透水性が低下しにくく、しかも特別な材料や工程を用いることなく低コストに得ることができる低置換ＳＣＰ用材料を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明者らは、上記課題を解決すべく、製鋼スラグで構成した低置換ＳＣＰの透水性が低下する原因とその対策について検討を行った。その結果、
（1）ＳＣＰの透水性低下には２つの要因があり、その１つは、海水中に含まれるＭｇ＋２イオンが、Ｍｇ（ＯＨ）２として析出する反応（反応１）であり、もう１つは、海水中に含まれるＨＣＯ３−１イオンが、ＣａＣＯ３として析出する反応（反応２）である。
【０００７】
（2）反応１、反応２ともに、スラグから海水にＣａ＋２イオンが溶出することにより引き起こされる。Ｃａ＋２イオンが海水に溶解することで、Ｃａ＋２イオンと平衡するＯＨ−１イオン濃度が上昇し、海水に含まれるＭｇ＋２イオンとのイオン積により反応１が生じ、Ｍｇ（ＯＨ）２が析出する。一方、スラグから溶出したＣａ＋２イオンと海水に含まれるＨＣＯ３−１イオンとのイオン積により反応２が生じ、ＣａＣＯ３が析出する。
（3）海水中のＭｇ＋２イオン濃度とＨＣＯ３−１イオン濃度は既知であることから、スラグからＣａ＋２イオンだけが溶出したと仮定することで、反応１と反応２が、どのｐＨ範囲生じるかを理論計算で求めることができ、この理論計算によると、反応１はｐＨ＞９．８で生じ、反応２はｐＨ＞８．４で生じる。
【０００８】
（4）反応１、反応２で生じる析出物の量は、基本的には海水に含まれるＭｇ＋２イオン濃度とＨＣＯ３−１イオン濃度で決まる。一般に、反応１での析出物であるＭｇ（ＯＨ）２は、反応２での析出物であるＣａＣＯ３の約２０倍である。なお、反応１では、[Ｍｇ＋２][ＯＨ−]２＝一定値（イオン積）の関係があり、ＯＨ−イオン濃度が高くなればなるほど、海水に溶解できるＭｇ＋２イオン濃度が小さくなり、当初の海水に含まれるＭｇ＋２イオン濃度との差分が、Ｍｇ（ＯＨ）２として析出することになる。したがって、スラグから供給されるＣａ＋２イオンによって平衡するＯＨ−イオンの多寡によっても、Ｍｇ（ＯＨ）２の析出量は左右される。
【０００９】
という事実が判明した。そして、これらの点から、ｐＨが８．４以上であれば反応速度の多寡はあるものの低置換ＳＣＰの透水性が低下するが、反応１による反応が抑えられるか否かによって、透水性の低下現象が大幅に変化することを見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
【００１０】
［1］溶融状態での改質を経ていない鉄鋼スラグから、間隙水が海水である軟弱地盤に施工される低置換サンドコンパクションパイルに用いる材料を製造するための方法であって、ＪＩＳ Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、利用有姿のままの試料に、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した後の蒸留水のｐＨが１１．５以下である鉄鋼スラグを選択して、低置換サンドコンパクションパイル用スラグを得ることを特徴とする低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
［2］上記［1］の製造方法において、ＪＩＳ Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、利用有姿のままの試料に、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した後の蒸留水のｐＨが１０．３２以上、１１．５以下である鉄鋼スラグを選択して、低置換サンドコンパクションパイル用スラグを得ることを特徴とする低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
［3］上記［1］又は［2］の製造方法において、鉄鋼スラグが製鋼スラグであることを特徴とする低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの製造方法において、製造される低置換サンドコンパクションパイル用材料が、サンドコンパションパイル用材料を相対密度８０％以下の締め固め度で打設する低置換サンドコンパション工法用の材料であることを特徴とする低置換サンドコンパクションパイル用材料の製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の低置換サンドコンパションパイル用材料は、サンドパイルの透水性が低下しにくく、しかも特別な材料や工程を要することなく低コストに得ることができる。
また、本発明の製造方法によれば、サンドパイルの透水性が低下しにくい低置換サンドコンパションパイル用材料を、特別な材料や工程を要することなく低コストに製造することができる。
さらに、本発明の低置換サンドコンパション工法によれば、上述した本発明の低置換サンドコンパションパイル用材料を使用して、初期透水係数や長期透水係数の低下が特に生じにくい低置換サンドコンパションパイルを施工することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
本発明の低置換サンドコンパションパイル（以下、「ＳＣＰ」という）用材料は、ＪＩＳ
Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、利用有姿のままの試料に、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した後の蒸留水のｐＨが１１．５以下である鉄鋼スラグからなるものである。
ここで、本発明が対象とする低置換ＳＣＰとは、施工区面積に対するＳＣＰの合計の面積率が５０％以下であるものをいう。
【００１３】
低置換ＳＣＰ用材料としては、長期（数ヶ月）透水係数が天然砂相当の１×１０−３ｃｍ／ｓ以上を維持することが必要であると考えられる。そこで、鉄鋼製造プロセスで発生する製鋼スラグ（溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ）と電気炉スラグについて、海水での透水試験を行い、透水係数の変化を調べた。表１に、各供試スラグの化学組成と塩基度を示す。透水試験はＪＩＳ
Ａ １２１８「土の透水試験方法」に準拠し、有姿スラグの透水係数を海水を用いた定水位法にて測定した。
【００１４】
【表１】
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【００１５】
図１は、各供試スラグについての約５ヶ月の透水試験結果を示している。これによれば、スラグＤでは透水係数の低下は全く認められず、スラグＡ、スラグＢおよびスラグＣでは軽微な透水係数の低下が認められるが、これら４試料は、３ヶ月以上経過後でも透水係数が１×１０−３ｃｍ／ｓを下回ることはない。これに対して、スラグＥは３０日後に、スラグＦは７日後に、それぞれ透水係数が１×１０−３ｃｍ／ｓを下回った。表１に示す各スラグの化学組成と塩基度からして、塩基度が３を超えるスラグにおいて、透水係数の低下が著しいことが判る。
【００１６】
図１の試験に供したスラグＡ〜Ｆについて試験体表面を観察したところ（スラグＡ〜Ｅは３０日後、スラグＦは７日後）、スラグＡ〜Ｅでは、スラグに含まれる鉄分が錆びて生じた酸化鉄と推定される茶色粒子が認められ、また、スラグＢでは白色析出物が極く僅かに観察され、スラグＥでは白色析出物が数多く観察された。また、スラグＦでは、海水と接触する表面に広範に白色析出物が観察された。スラグＦから白色析出物を削り出して、分析電子顕微鏡とＸ線回折で析出物を調べたところ、前者ではＣａイオンとＭｇイオンが、後者ではＭｇ（ＯＨ）２とＣａＣＯ３が確認された。
すなわち、スラグから海水にＣａ＋２イオンが溶出することによって、海水中に含まれるＭｇ＋２イオンがＭｇ（ＯＨ）２として析出する反応と、海水中に含まれるＨＣＯ３−１イオンがＣａＣＯ３として析出する反応が、スラグＦでは同時に生じたことより試験体に目詰りを生じ、透水係数が低下したことが判った。
【００１７】
そこで、表１に記載したスラグから溶出するＣａ＋２イオンの溶出速度を調査すべく、上記透水試験と同様の粒径を有する有姿スラグに、ＪＩＳ
Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、その１０倍量の蒸留水または海水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した際の蒸留水または海水のｐＨ上昇速度を調べた。
図２は蒸留水でのｐＨの上昇速度を、図３は海水でのｐＨの上昇速度をぞれぞれ示している。これによれば、図１において透水係数が変化しないスラグＤのｐＨが最も上昇しにくく、一方、透水係数が著しく低下したスラグＥとスラグＦはｐＨの上昇が激しい。また、図３の方が、図２に較べて全体的にｐＨが低い。これが海水の緩衝効果と呼ばれるもので、まさに撹拌中に、海水中に含まれるＭｇ＋２イオンがＭｇ（ＯＨ）２として析出する反応と、海水中に含まれるＨＣＯ３-1イオンがＣａＣＯ３として析出する反応が、生じていることによる。
【００１８】
図４は、図２に示される蒸留水ｐＨと図３に示される海水ｐＨの６時間経過後の相関を示している。これによれば、両者は蒸留水ｐＨが約１１．７以下では非常に良い相関があるものの、蒸留水ｐＨが約１２．４のスラグＦでは、直線関係から離脱する。
スラグＥでは長期透水係数の低下が認められ、スラグＢでは極く僅かな長期透水係数の低下しか認められなかった。この決定的な差は、透水性低下の原因には、２つの要因（反応）があることで説明することができる。
第一の反応は、海水中に含まれるＨＣＯ３−１イオンがＣａＣＯ３として析出する反応であり、さきに述べたように理論計算上ではｐＨ＞８．４の領域で生じる。第二の反応は、海水中に含まれるＭｇ＋２イオンがＭｇ（ＯＨ）２として析出する反応であり、さきに述べたように理論計算上ではｐＨ＞９．８の領域で生じる。
【００１９】
図４で判るように、スラグＡ〜Ｄでは、第一の反応だけが生じる領域であり、この場合には、透水係数の低下が認められない、或いは、極く軽微なものあるのに対し、スラグＥとスラグＦでは第二の反応まで生じてしまうことによって、急激な透水係数の低下を招いてしまう。さきに述べたように、第二の反応で析出するＭｇ（ＯＨ）２の量は、第一の反応で析出するＣａＣＯ３の量の約２０倍であり、したがって、第二の反応により多量のＭｇ（ＯＨ）２がスラグ間隙に析出し、スラグ間隙に目詰まりを生じさせることが、急激な透水係数の低下を招く主因である。
ここで、透水試験において白色析出物が極く僅かしか生成せず、長期透水係数の低下が軽微であったスラグＢは、蒸留水での上記溶出試験（６時間後）のｐＨは約１１．５（海水でのｐＨは約９．６）であり、また、さきに述べたように、海水中でＭｇ＋２イオンがＭｇ（ＯＨ）２として析出するｐＨ領域は理論計算上ｐＨ＞９．８であることから、上記溶出試験（６時間後）の蒸留水ｐＨが１１．５以下（または海水ｐＨが９．６以下）であるスラグであれば、ほぼ確実に第一の反応だけにとどめることができると考えられる。
【００２０】
このため本発明の低置換ＳＣＰ用材料は、ＪＩＳ
Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、利用有姿のままの試料に、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した後の蒸留水のｐＨが１１．５以下（または海水のｐＨが９．６以下）である鉄鋼スラグからなることを条件とする。これにより、ＳＣＰの長期透水係数：１×１０−３ｃｍ／ｓ以上を維持することができる。
なお、スラグからのＣａ＋２の溶出速度はスラグ粒度によっても左右されるので、本発明の低置換ＳＣＰ用材料は、スラグ粒度を適宜調整してもよい。
【００２１】
また、本発明の低置換ＳＣＰ用材料の製造方法では、ＪＩＳ
Ｋ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、利用有姿のままの試料に、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した後の蒸留水のｐＨが１１．５以下である鉄鋼スラグを選択して、低置換ＳＣＰ用の製鋼スラグを得るものである。
低置換ＳＣＰの透水係数は、打設された材料の相対密度（単位容積質量）によっても変化し、したがって、本発明の低置換ＳＣＰ用材料であっても、ＳＣＰの相対密度があまりに高いと初期透水係数が低下し、長期透水係数も１×１０−３ｃｍ／ｓを下回るおそれがでてくる。
【００２２】
図５は、スラグＢ（本発明が規定する蒸留水ｐＨが１１．５以下のスラグ）について、さきに挙げた透水試験をスラグの相対密度Ｄｒを変えて行い、各相対密度Ｄｒでの透水係数を調べたものである。これによると、相対密度Ｄｒが８０％を超えると、約１ヶ月後の透水係数が１×１０−３ｃｍ／ｓを下回る場合がでてくる。したがって、本発明の低置換ＳＣＰ用材料を用いた低置換ＳＣＰ工法では、材料を相対密度８０％以下の締め固め度で打設することが好ましい。
また、ＳＣＰ用材料の締め固め度は、その粒度にも影響されるので、スラグの粒度調整を行うことで、相対密度が過剰に高くならないようにすることもできる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】海水を用いた透水試験におけるスラグＡ〜Ｆの透水係数の推移を示すグラフ
【図２】スラグＡ〜Ｆについて、ＪＩＳＫ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、その１０倍量の蒸留水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した際の蒸留水ｐＨの推移を示すグラフ
【図３】スラグＡ〜Ｆについて、ＪＩＳＫ ００５８−１に規定される溶出試験条件に従い、その１０倍量の海水を加え、毎分２００回転で６時間撹拌した際の海水ｐＨの推移を示すグラフ
【図４】スラグＡ〜Ｆについて、図２および図３に示される６時間後の蒸留水ｐＨと海水ｐＨとの相関を示すグラフ
【図５】スラグＢに関する海水を用いた透水試験において、相対密度Ｄｒが異なる試験体の透水係数の推移を示すグラフ
【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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