高炉水砕スラグを用いた地盤改良工法の試験施工結果と固結要因の検討
A Field Test of Granulated-Blast-Furnace-Slag for SCP-method and the Study of its Hydraulic-Property
尾島啓介*・小林延郎**・篠崎晴彦***
OJIMA,Keisuke , KOBAYASHI,Nobuo and SHINOZAKI,Haruhiko* （財）沿岸開発技術研究センター

調査部

主任研究員

**

鐵鋼スラグ協会

港湾工事材料ＷＧ

主査***

鐵鋼スラグ協会

港湾工事材料ＷＧ

委員

Granulated-blast-furnace-slag (GS) has properties of light-unit-weight and high internal-friction-angle,
high-permeabilityasmaterialofearthwork.

Theauthor

investigatedthepossibility

assand-compaction-pile (SCP) to propagate the use for port construction. The result shows that the GS
has sufficient strength for SCP but cannot be utilized for SCP which is required for permeability
because of remarkable hardening by hydraulic-property. Therefore we studied factors forhydraulic-property of GS and the reason SCP had hardened remarkably.
KeyWords: granulated-blast-furnace-slag, SCP , hydraulic property ,shear-strength,permeability

化学成分含有率(%)

SiO233.4

CaO
41.0

Al2O3
14.5

MgO
6.0

S1.0

MnO
0.7

FeO
0.4

2. 水砕の SCP 材としての室内，現場試験
水砕は固結に伴う粘着成分の付加により,せん断強度は増加する反面その透水性は低下することが既にいくつ

2.1 水砕の長期強度・透水性（室内試験）
室内試験は，試験施工と同一産地の水砕を事前に実施した最小密度・最大密度試験(JIS A 1224)の結果に基づき相対密度 60%,80%,100%の締固め状態にしてそれぞれ供試体を作成し，6 ｹ月間のせん断強度・透水係数の変化を調査した．図-2 に供試体及び養生条件の概要を示す．図養生容器-3 に各相対密度での三軸圧 密閉蓋
φ87mm×h127mm
縮試験（CD）により内部
養生水：海水摩擦角，粘着力の経時変化
供試体φ50mm×h100mm
水砕（Dr=60,80,100%）を,図-4 に透水係数の経時変
海水養生化をそれぞれ示す．
図-2 室内試験の供試体概要45100Dr=60%
Dr=80%
Dr=10040

粘着力(kN/m2)

高炉水砕スラグ（以下，水砕という）は，製鉄工程の高炉で銑鉄と分離された溶融物を水で急冷して生成される砂状の副産物であり,その概観を図-1 に，化学成分を表-1 にそれぞれ示す．水砕は主にカルシウム，シリカ，アルミナ等を含むセメントと類似した化学組成を有し,水との水和反応によって固結する性質（潜在水硬性）を有する．さらにこの潜在水硬性はアルカリの作用によって著しく促進されることから,従来主に高炉セメントの原料として用いられてきた．一方，土工用材料としての水砕については，平成元年 7 月に（財）沿岸開発技術研究センターより「港湾工事用水砕スラグ利用手引書」1)が刊行された.ここでは,軽量(γt≦1.3t/m3)・内部摩擦角大(φ≧35°)，透水性大（k=10-1～10-2cm/s）という特性を有し，裏込め，路床等として有用な材料であることが示されている.
さらに同センター及び鐵鋼スラグ協会では水砕の用途拡大のためサンドコンパクションパイル（以下 SCP という）の適用性
図-1 水砕の概観について,室内及び現場施工試験により調査した．以下に,結果について述べる．
表-1 水砕の化学成分の例（港湾工事用水砕ｽﾗｸﾞ利用手引書より抜粋）

かの論文で明らかとなっている．2)そこで，現場試験施工に先立って室内試験により長期的な水砕のせん断強度・透水性の経時変化を調査した．

内部摩擦角(°)

1. 高炉水砕スラグの特徴

35Dr=60%
Dr=80%
Dr=1008060402003001

2 3 4 5養生期間(月)601

2 3 4 5養生期間(月)6図-3 三軸 CD 試験によるせん断強度の経時変化図より，内部摩擦角および粘着力はそれぞれ相対密度が大きいほど大きくなる．内部摩擦角については，いずれも 35°以上確保しているが，その経時変化については明確ではない．また，相対密度 60%,80%のケースにおけ234養生期間(月)56図-4 透水係数の経時変化

2.2 水砕 SCP 現場試験施工

表 2 各材料の密度（( )内の数字は間隙比）
試験項目
土粒子の密度JIS A 1202
砂の最小密度・最大密度
JIS A 1224

水砕

砂

2.691 g/cm

32.630 g/cm

31.404 g/cm(0.917)
31.604 g/cm
(0.640)1.105g/cm(1.435)3
1.404g/cm(0.917)

33464442403836343230

水砕低置換
水砕高置換
天然砂

01000

12345678910 11 12800600
水砕低置換
水砕高置換
天然砂

400
200
00

12345678

9 10 11 12

養生期間(月)図-6 現場 SCP 杭のせん断強度の経時変化

1.0E-02

透水係数(cm/s)

今回の試験施工現場は海上の埋立予定地であり，外周護岸部は高置換 SCP（改良率 80%）
，中仕切護岸部は低置換 SCP（改良率 30%）で地盤改良された.各杭の仕様はいずれも杭長L=11.5m,φ=2.0m であり,その内水砕SCP は高置換部 42 本，低置換部 34 本の計 76 本打設した．
調査は，打設直後 1.5,3,6,12 ｶ月後にボーリングを行ない採取した現地サンプルを用いて一軸及び三軸圧縮試
験（CD），透水試験，さらに低置換改良部ではドレン効果の評価として杭間粘土の一軸圧縮試験をそれぞれ実施した．表-2 には，今回 SCP に用いた水砕及び天然砂の密度を図-5 に SCP 打設前後の粒度分布を示す．表-2 より水砕は砂に比べて粒子密度は同様であるが最小・最大密度とも軽量であり,これは粒子がポーラスであること及び粒度分布が単粒度に近いことによる．尚,水砕 SCP 打設後の粒度分布については，粒度曲線の両端のみ示した．

内部摩擦角(°)

120これは，SCP 打設の締固めにより粒子が破砕されたことによるものである．一方,砂の場合粒子破砕は殆ど見られなかった．図-6 には，水砕及び天然砂の内部摩擦角，粘着力の経時変化を図-7 には，透水係数の経時変化をそれぞれ示す．図より，打設後 1.5 ｶ月までは，水砕 SCP 杭の固結は殆どないと考えられるが，3ｶ月以降は粘着力が2002～400kN/m と固結がみられるとともに透水係数は10-5cm/s と低下した．粘着力は，12 ｶ月後には 600～800kN/m2 となった．一軸圧縮強さについては示していないが，粘着力とほぼ同様な傾向がみられ，12 ｶ月後には 2000～5500kN/m2 まで強度発現が確認された．透水係数についても 12 ｶ月後には 10-7cm/s とさらに低下した.一方，内部摩擦角については，40°超える大きな値も見られるが，35°以上はほとんど確保されている.また,大きな経時変化は見られない.

粘着力(kN/m )透水係数(cm/s)

る粘着力の 6 ｶ月間の増加はわずかであるが，100%のケースでは 6 ｶ月間で大幅な増加が認められた．また，透水係数は相対密度が大きくなるにつれて小さくなる傾向を示しており，6 ｶ月後にはいずれの相対密度においても養生 0 ｶ月に比べて小さくなるが,10-2cm/s 以上と良好であった．今回の室内試 1.E+00
験においても「港湾工事用水砕スラグ利 1.E-01
用手引書」に示されDr=60%
Dr=80%
る内部摩擦角φ≧35° 1.E-02
Dr=100-1-2
透水係数 k=10 ～10cm/s が確認できた． 1.E-03

1.0E-03
1.0E-04

水砕低置換
水砕高置換
天然砂

1.0E-05
1.0E-06
1.0E-07012345678910 11 12

養生期間(月)図-7 現場 SCP 杭の透水係数の経時変化
図-5 より水砕は SCP 施工により,細粒分含有量が増加しており，打設前の平均粒径 D50=1.374mm に対して打設後は D50=0.617～1.063mm（平均 D50=0.856mm）であった．
通過重量百分率(%)

1008060

水砕打設前
水砕打設後
水砕打設後
砂

40
20
00.010.1

粒径(mm)

1

図-5 SCP 打設前後の水砕の粒度分布10

砂杭のせん断強度についての試験は打設後のみである
が，内部摩擦角は 30～35°程度と水砕に比べて小さい．
また，透水係数については 12 ｶ月までほぼ 10-2～10-3cm/s とほとんど変化はなかった．図-8 には，低置換改良部における水砕と天然砂の杭間粘土の改良効果を示す．図より水砕 SCP による杭間粘土の改良効果は 3 ヶ月まで見られたが,その後は殆ど増加していない．一方，天然砂SCPの場合には，経時的に粘土の強度上昇が見られ，水砕SCP部よりも大きな改良効果が認められる．
これは，水砕 SCP の固結により透水係数が低下しウェルレジスタ

-5.00
-6.00
-7.00
-8.00
-9.00
-10.00-11.00-12.00-5.00

水砕 SCP 部
0M
3M
6M12M

試験項目
土粒子の密度 JIS A 1202

A 水砕
32.702 g/cm
3
1.052/ cm(1.568)3
1.258g/cm(1.148)

砂の最小密度・最大密度JIS A 1224

B 水砕
32.668 g/cm
3
1.162 g/cm
(1.257)3
1.417 g/cm
(0.883)表-5 試験条件
要因
水分試験条件絶乾，含水比 10%，飽和，固液比(260～290%)※1

粒子破砕
圧力

原粒度，破砕粒度 3 種類
20，98kN/m※1：固液比の定義
供試体の間隙水を含む容器内の全水量固液比(%) = ―――――――――――――――――― ×100
水砕の乾燥重量
養生容器
密閉蓋
不透水性シート
φ87mm×h127mm▽
養生水：海水
恒温水槽(80℃)

固液比 260～290%の供試体
010203040-7.00

天然砂SCP部

-8.00
-9.00

0M
3M
6M
12M-10.00-11.00-12.00010203040

供試体φ50mm×h100mm

50-6.00

深度(m)

表 5 各水砕の密度（( )内の数字は間隙比）

50

杭間粘土の粘着力(kN/m2)

図-8 杭間粘土の強度変化

3. 水砕 SCP 材の早期固結原因の検討
水砕 SCP の固結及び透水性低下の原因解明のため．現場と室内の結果と条件の違いについて表-4 に整理した．
表-4 室内(相対密度60%)と現場における試験結果及び条件の比較
試験
強度（6 ｶ月）
透水係数
間隙比
温度

室内(Dr=60%)
φ=36.9°2C=20.8kN/m-2
6.56×10 cm/s
1.112
室温

現場
φ=31.9～42.1（平均：37.5°）2
C=350～680kN/m-5-7
10 ～10 cm/s
1.042～1.264（平均：1.142）
20℃程度以下と考えられる

水分条件

固液比 371%※1

含水比 39.3～47.4%※2

拘束圧なし

図-9 室内試験の概要
条件（表-5※1 に定義する固液比で A 水砕 290%,B 水砕 260%）と設定した．粒子破砕は，水砕をロサンゼルスすりへり試験機で破砕し，破砕 1（破砕時間 3 分）,破砕2（現場 SCP の実績から D50 を原粒度に対して 60%小さくした粒度），破砕 3（破砕時間 90 分）の 3 通りの粒度を設定した．固結の程度は，一軸圧縮強さの径時変化により評価した．図-10 に破砕前後の粒度分布を示す.図中の記号は原粒度（A0,B0）破砕 1（A1,B1）,破砕 2（A2,B2）,
破砕 3（A3,B3）とした.図より破砕によりいずれも粒度曲線は左側へ移動し,細粒分含有率は増加する.最も破砕時間の長い破砕 3 においては初期の粒度分布の異なるA,B 水砕の粒度曲線は殆ど重なっている.
100A080

A2A360B0B2

通過重量百分率(%)

深度(m)ンスが生じたことと,杭へ盛土荷重の応力集中が生じて粘土に応力が伝わりにくくなったためと考えられる．以上の現場試験結果により，水砕は SCP として天然砂以上の強度を有し,固結によりさらに高強度化することが確認され，高置換 SCP として十分利用可能であることが分かった．一方，強度だけでなくドレン効果も期待する SCPへの利用については，固結と透水性低下による影響を適切に評価することが必要である. 尚，今回の試験施工においては事前に実施した室内試験の結果と大きく異なっており，この原因について次章で検討する.

2000.01あり
当初 D50=1.374→施工後 0.617～1.063
粒度 mm
D50=1.093（平均 0.856,当初に対して約 60%）
※1 供試体中の全養生水重量 / 供試体中の全水砕の乾燥重量※2 現場の水分条件は不明であるが，飽和として算出

0.1

粒径(mm)

110

図-10 破砕前後の粒度分布の変化
2

一軸圧縮強さ(kN/m )現場条件は不明な部分も多いが，水分条件，拘束圧，粒度はいずれも室内試験と異なっていると考えられる．
そこで，各要因が水砕の固結に与える影響を総合的に評価した．
試験は産地の異なる A,B2 種類の水砕を用いて図-9 に示す容器に相対密度 60%の締固め条件で試料を作成し, 80℃の恒温水槽内で促進養生した．
表-5 に各水砕の密度,表-6 に試験条件を示す．
供試体の水分は，絶乾，含水比 10%，飽和（含水比：A水砕 48%,B 水砕 39%）と試験施工前の室内試験と同じ

B340

A飽和A10%
B飽和B10%10080

A絶乾
A固液比290%
B絶乾
B固液比260%

60
4020002040
養生日数(日)図-11 水分条件の影響

60

2000

一軸圧縮強さ(kN/m2)

10080

A0A1B0B1

1200

40800

20400

000

10 20 30 40 50 60
養生日数(日)01020
養生日数(日)30

図-12 粒子破砕の影響
以上より，水砕が固結するための条件として，水分，粒子破砕，アルカリの影響が大きく，特に粒子破砕の影
響は顕著で，現場での早期固結は粒子破砕が最も大きな原因と考えられる．図-13 に水砕の固結メカニズムを示す
が,図より水砕が水と接すると，そのガラス構造から間隙水へ溶出したカルシウム，シリカ，アルミナ等のイオンが反応し，C-S-H(珪酸カルシウム水和物)等が粒子表面に形成される．このとき粒子接触点では，生成した水和物により，粒子同士が結合され固結が生じる．このメカニズムと試験結果から以下のことが考察できる．水砕の固結には水分が必要であるが，水分が少ない場合には固結するほどの水和物が生成せず，多すぎる場合には溶出イオン濃度が高まらないため，水和物が生成しにくいため固結しにくくまた,粒子破砕は比表面積の増大によって固結の起点となる接触点が増加するという物理的効果によって説明できる.
粒子の接触部では早期に水和物により粒子が結合し固結が生じる．

136V
(3)
N= ―×Ns×N = ―――――π(1+e)2d32

この(3)式から求めた接点数 N と， 30 日養生した供試体の一軸圧縮強さとの関係を求めると図-14 のようになる．図より粒子接点数と一軸圧縮強さは，相関性が高く，現場採取試料の固結は SCP 打説時の影響が大きいと言
10000
える．
1000
100
1011.0E+04

A（30日）
B（30日）
1.0E+05
1.0E+06
粒子接点数(個/cm3)

1.0E+07

図-14 粒子の接触点数と一軸圧縮強さの関係
以上より,水砕 SCP の適用性に関して以下のことが明らかとなった．
(1) 杭材としての強度は天然の砂より大きく,設計上φ≧35°として評価可能である.また,主に締固めによる粒子破砕で早期に固結し,強度は経時的に向上する．
(2) 固結により透水性は早期に低下し,ドレン機能を前提とした SCP への利用は困難である．
しかし,現状の SCP の設計手法では杭体の固結特性を十分に反映できないため,今後は現場での強度をより正確に室内で評価できる方法の検討とともに,固結特性を有効に活用した新たな設計法の開発が望まれる．
本論文に示した検討内容は，（財）沿岸開発技術研究
センタ－と鐵鋼スラグ協会の共同研究テ－マである「鉄鋼スラグの港湾工事用材料としての適用研究」（高橋邦夫委員長；（独）港湾空港技術研究所理事）の成果の一部を抜粋したものである．関係各位に感謝の意を表する．

参考文献
1)

3)

図-13 水砕の固結メカニズム
4)

そこで，SCP 施工で最も固結への影響が大きいと考えられる粒子破砕について単位体積あたりの接点数を求めることにより，物理的に固結の程度が評価できるものと考えた．1 粒子あたりの接点数を配位数 N といい，既に(1/6)πd3 π(1+e)d3(1)(2)式より体積 V 当りの粒子の接触点数は(3)式となる．

2)
水砕から間隙水中に溶出したイオンが沈殿し，水和物を粒子表面に生成

V/(1+e)6V
NS= ――――― = ――――― (2)12N= ――― (1)1+eA2A3B2B3160060

種々の検討がされている．Field3)は，配位数の平均値として間隙比 e の関数として(1)式を提案している．
さらに，スラグ粒子を直径が d の球とすると，単位体積Ｖあたりのスラグ粒子の個数 Ns は(2)式で示される．

一軸圧縮強さ(kN/m2)

図-11 に水分条件の異なる各ケースにおける一軸圧縮強さの経時変化を示す．飽和または，含水比 10%のケー
スは 10～20 日以降，一軸圧縮強さが測定できたが，絶乾状態，固液比 260～290%のケースは供試体が自立しなかった.これより，水砕の固結には水分が必要であるが，反応水が多すぎても固結しにくいことが分かった．なお，今回の試験では上載圧として 0 及び 98kN/m2 の 2 通りで一軸圧縮強さを比較したが,この程度の上載圧での差は観察されなかった．
図-12 は，粒子破砕の影響を示したものである．図中記号は図-10 と同様である．図より粒子破砕の程度が大きいほど一軸圧縮強さは大きくなっていることが分かる．90
分破砕した水砕は 10 日までの強度上昇が特に促進され，最大で 1600kN/m2 と極めて大きな強度となっている．

5)（財）沿岸開発技術研究センター,鐵鋼スラグ協会：港湾工
事用水砕スラグ利用手引書,1989.7
例えば, 西 勝,佐藤 康文他：水砕スラグ地盤の土質特性
第 36 回土木学会年次学術講演会,1981.9
MASANOBU ODA,CO-CORDINATION NUMBER AND ITS RELATION TO
SHEAR STRENGTH OF GRANULAR MATERIAL,SOILS AND
FOUNDATION Vol.17No.2,June 1977
高橋邦夫，菊池喜昭，尾島啓介他：高炉水砕スラグの固結への影響（その 1：各種諸条件の影響）,第 57 回土木学会
年次学術講演会投稿中,2002.9
高橋邦夫，菊池喜昭，元木卓也他：高炉水砕スラグの固結への影響（その 2：粒度の影響）,第 57 回土木学会年次学術講演会投稿中,2002.9