地盤工学ジャーナル

Vol. 1，No. 4，123-130

杭周辺地盤改良材として適用するための鉄鋼スラグの力学的特性に関する基礎的実験

本間裕介 1，玉井智子 2，冨永晃司 2，永井及 3
1

ジャパンパイル・技術開発部

2

広島大学・大学院国際協力研究科・開発科学専攻

3

広鉱技建・技術部

概要

鉄鋼スラグの有効利用法として、鉄鋼スラグの杭基礎構造物への適用を検討するため、鉄鋼スラグの力学的特性を定量的に把握しておくことは必要である。本論文は、鉄鋼スラグの力学的特性について経時的な変化を調べるため、供試体作製後の経過日数が異なる時点での膨張測定実験、透水試験および三軸圧縮実験を行った結果について報告する。また、杭基礎構造物への適用に際して、スラグの膨張が基礎スラブ
等に悪影響を与える懸念があるため、スラグの膨張圧を直接測定する装置を作製し、膨張圧測定実験も行ったので報告する。
キーワード：鉄鋼スラグ，粘着力，変形係数，膨張比，膨張圧

1. は じ め にえた場合、浅層地盤に用いた鉄鋼スラグの膨張が基礎スラ
ブ等に悪影響を与えることが懸念される。そこで、鉄鋼ス

鉄鋼スラグは、鉄鋼の生産工程において生成させる産業ラグの中でも膨張性を有している製鋼スラグの膨張特性、副産物であり、年間生成量(平成 16 年度実績)は 3735 万 t

特に膨張圧について定量的に把握しておくことが必要とにも及んでいる。したがって、これを再利用することは経の結論に至った。

済と環境の両面において有用となる。今までに鉄鋼スラグ

製鋼スラグの膨張圧の定量的な評価を試みた既往の研は、セメント原料および路盤材等で主に再資源化されてい究としては、筆者らが知る限り文献 6)で見られる程度であるが、2000 年に施行された循環型社会形成基本法により、り、ほとんど行われていないのが現状である。すなわち、さらなる用途の拡大を目指して、地盤工学分野での有効利

製鋼スラグの利用にあたっては膨張圧に関する検討が不用を目的とした研究開発が求められている。

十分である。製鋼スラグは、出荷前に屋外に山積みして適このような背景により、鉄鋼スラグの有効利方法として、

当な期間大気中に保持（以降、エージング処理と呼称）し、筆者らは杭周辺の浅層地盤の地盤改良材として鉄鋼スラ

予め膨張させ安定させた状態のものが、一般的に供用されグを用いて、杭の水平抵抗の増大を図る工法（以下、鉄鋼ている。したがって、鉄鋼スラグはその膨張量での管理しスラグによる水平抵抗増大工法と呼称する）の研究開発をか行われていなく、膨張圧については関心が向けられなか行ってきた。これらの成果として、鉄鋼スラグによる水平ったのが現状であろう。

抵抗増大工法の効果を検討する目的で実施した実大杭の上述した現況に鑑み、精度ある膨張圧を測定するための

水平加力実験結果から、鉄鋼スラグによる地盤改良によっ装置を作製し、製鋼スラグがもつ膨張圧の特性を調査した。

て杭体の変位および応力が低減し、杭の水平抵抗が増大す

本論文では、これらの結果から定量的な評価も試みたのでることを報告した

1),2)。また、文献 3)～5)において、現場報告する。

実験で対象とした鉄鋼スラグの物理的・力学的特性を把握しておく必要から、三軸圧縮実験、透水試験および膨張測2. 鉄鋼スラグの種類

定実験を行い、養生 180 日目までの結果について報告した。
本論文では、養生 360 日目までの結果が得られたため、養鉄鋼生産の過程で発生する鉄鋼スラグには、銑鉄を製造

生 360 日目までの鉄鋼スラグの力学的特性の経時変化にする高炉で溶融された銑鉄以外の成分として回収されるついて報告する。

高炉スラグと製鋼工程で転炉や電気炉において生成され一方、一連の現場実験から鉄鋼スラグによる杭の水平抵

る製鋼スラグがある。高炉スラグの中でも、加圧水で急激抗増大効果が認められた。しかし、実構造物への適用を考に冷却されてできたものを水砕スラグと呼び、この水砕ス

原稿受理日：2006年5月2日，採用決定日：2006年9月13日

123

本間・他

粒径は一般的に路盤材で使用されている 25 mm～0 mm

ラグは水と反応して水和物を生成し固結する性質がある。
主要な用途はセメントの原料や細骨材などである。
一方、製鋼スラグの中でも転炉で生成されたものを転炉
スラグと呼び、この転炉スラグは、水砕スラグほど固結性

以外に、鉄鋼スラグによる水平抵抗増大工法への適用を考えて 5 mm～0 mm のものも実験の対象とした。各スラグの粒度分布を図 3-1 にそれぞれ示す。

は無いが、遊離石灰（f-Cao）が水と反応することによっ3.2て膨張する性質を有している。このため、膨張を抑えるた

供試体作製

めにエージング処理を施し、路盤材等に用いられている。

表 3-1 に示す最適含水比での「突き固めによる土の締固

水砕スラグと転炉スラグの化学組成を示す表 2-1 より、両め試験」
（JIS A 1210：土質試験の方法と解説）に基づいて者の主成分は、石灰（CaO）とシリカ（SiO2）である。

供試体の作製を行った。円柱供試体はφ100 mm×200 mmのブリキ製モールド（透水試験のみプラスチック製モール

表 2-1 化学組成
SiO2 CaO Al2O3 MgO T-Fe S MnO TiO2

種類

転炉スラグ 11.3 37.3 3.9 15.7 20.4 0.0
水砕スラグ 33.8 42.0 14.4 6.7 0.3 0.8

その他

6.1

1.5 3.8(f-CaO)

0.3

1.0

0.7

3. スラグの力学的特性把握実験

ド）に最適含水比に整えたスラグを 4 層に分けて入れ、2.5kg ランマーで最大乾燥密度となるように 1 層 30 回突き固めて作製した。なお、膨張測定実験および三軸圧縮実験用のモールド内壁には、摩擦を低減させるために表面にグリスを塗り、その上にテフロンシートを貼り付けている。
前述したように水と反応することで固結や膨張が生じ

3.1

る性質を有しているが、今回の養生は、現場実験に対応し実験に用いたスラグ

経時的に変化する鉄鋼スラグの力学的特性を調べるたて湿潤状態になるように密閉ビニール袋中で常温放置す

めに、表 3-1 に示す 4 種類の供試体について、養生期間をる方法（以降、自然養生と呼称）で行い、密閉後の水分供

30 日から 360 日に変化させて三軸圧縮実験（CD）、透水試

給は行わないことにした。ただし、S.S.2 (5 mm)および

験（定水位試験）および膨張量測定実験を実施した。4 種

M.S.1 (5 mm)においては、透水係数および粘着力の比較を

類のスラグは、エージング処理を施す前の膨張量を有した行うため水浸養生(20℃一定管理)の供試体を作製し、透水

転炉スラグ（表-1 の記号 S.S.1 に対応）、エージング処理を試験および三軸圧縮実験に供することとした。供試体の養施した転炉スラグ（S.S.2）、エージング処理を施す前の膨生時間は、供試体作製後の経過 30 日、90 日、180 日およ

張性が大きい転炉スラグと水と反応して固結する性質をび 360 日とし、透水試験においては、これらに 7 日を加え有する水砕スラグを重量比 8:2 で混合した混合スラグたものとした。なお、三軸圧縮実験については、表 3-1 中（M.S.1）および重量比 6:4 の混合スラグ（M.S.2）である。

の○で囲まれた養生時期のみ実施している。詳細について

ここに混合スラグは、転炉スラグに含まれる遊離石灰が、は文献 3)を参照されたい。

混合した水砕スラグのシリカ含有物質によって消費されるため膨張量が抑えられ 7)、かつ固結する性質を有してい

3.3

る。

膨張量測定実験の概要を図 3-2 に示す。ダイヤルゲージ

膨張量測定実験および透水試験の概要の計測針を供試体上面中央に載せた板の真中に当て、膨張
最大
記号 粒径
(mm)

M.S.1

M.S.2

未エージング転炉
スラグ100%2.35

30

90 180 360

エージング転炉
スラグ100%

12.1

2.45

30

90 180 360

6.7

2.56

30

90 180 360

未エージング転炉スラ
グ80% + 水砕スラグ
20%
未エージング転炉スラ
グ60% + 水砕スラグ
40%

14.5

2.17

30

90 180 360

8.9

2.34

30

90 180 360

15.9

1.95

30

90 180 360

25
5

5

透水試験は図 3-3 に示すような装置を作製し、
「土の透

12.9

5

25

養生期間(day)

100
80
60

量の変化を読むこととした。
水試験方法」（JIS A 1218：土質試験の方法と解説）に準拠
して定水位試験を実施した。試験時に水頭差 150 mm を与えるため、作製した供試体の上部に同型の型枠を接着し、ダイヤルゲージ

プラスチッ
ク製モード

S.S.1(5mm)S.S.2(5mm)S.S.2(25mm)
M.S.1(5mm)M.S.1(25mm)
M.S.2(5mm)

200

S.S.2

スラグの構成5

通過質量百分率 (%)

S.S.1

最適含水比 最大乾燥密度
Wopt(%)
ρdmax(g/cm3)

40
20
0
0.01

0.1

1
粒径(mm)

10

単位(mm)

100

図 3-2 膨張量試験装置

図 3-1 粒度分布

124

メ
ス
シ
リ
ン
ダ

供
試
体

越
流
水
槽

ろ
紙

図 3-3 透水試験装置

鉄鋼スラグの基礎的実験

0.08
膨張比 (%)

式としている。
3.4

S.S.1(5mm)S.S.2(25mm)
M.S.1(25mm)

0.1

この型枠の上部に排水溝としての穴を空けて排水する方

三軸圧縮実験の概要

三軸圧縮実験装置の概要を図 3-4 に示す。供試体のスラ

0.06
0.04

グは、せん断時に正のダイレイタンシーを生じることが考0.02

えられるため、過剰間隙水圧が生じない条件での測定を目00

的とした圧密排水(CD)条件で 3 種類の側圧σ3＝20、50 お

60

2

よび 100 (kN/m )を作用させて三軸圧縮実験（ひずみ速度

120
180
240
経過日数(day)

S.S.1(5mm)S.S.2(25mm)
M.S.1(25mm)

k
l

n

-4

c

透水係数× 10 (cm/s)

120

g
h
i
j

e
f
m
o
p
r
q

a:スクリュージャッキ
b:ダイヤルゲージ
c:センターロッド
d:圧力計
e:三軸室上蓋f:側圧送気口g:載荷ピストンh:ベアリング
i:電圧計
j:載荷板
k:外セル
l:内セル
n:給排水溝m:ロードセルo:ゴムスリーブ
p:ボーラスストーン
q:三軸室下蓋r:Ｏリング

100

40
20
0
0

60

転
炉
ス
ラ
グ

スラグの力学的特性の経時変化

膨張量測定実験の結果を図 3-5 にそれぞれを比較して示

試験体名

S.S.2(5mm)S.S.2(25mm)した。ここに、膨張比は軸方向ひずみに相当した量である。
この図から以下のことがわかる。
各スラグともに、自然養生においても少ないながら膨

混
合
ス
ラ
グ

張していく傾向がある。また、経過日数 360 日以後も増加し続ける傾向が読み取れ、その膨張比は M.S.2＜M.S.1＜S.S.2＜S.S.1 の順に大きくなっている。
スラグの混合（M.S.1 (5 mm)）で約 65%減少、またエー

両者で大きな違いが見られないが、転炉スラグでは若干25mm の方が小さい傾向にある。
次に、透水試験の結果を図 3-6 にそれぞれ比較して示す。
この図より以下のことがわかる。
⑤

いずれのスラグも、時間の経過に伴って透水係数が低下する。そして、S.S.2 および M.S.1 の 25mm の供試体

30
360
30W
30
90
180
360
30
90
360
30W
30
90
180
360
30
90
360
30

粘着力c

内部摩擦角φ2（度）
48.9(1.00)
47.4(0.97)
43.9
46.5(1.00)
45.6(0.98)
50.4(1.08)
51.3(1.10)
49.6(1.00)
50.0(1.01)
50.8(1.02)
45.0
47.4(1.00)
47.4(1.00)
48.0(1.01)
49.7(1.05)
53.7(1.00)
48.4(0.91)
43.9(0.82)
52.5(1.00)(kN/m )
32.6
(1.00)
68.8(2.11)
51.9
44.0(1.00)
49.1(1.12)
30.4(0.69)
44.6(1.01)
45.0(1.00)
55.8(1.24)
53.2(1.18)
225.5
127.6(1.00)
136.0(1.07)
145.4(1.14)
145.6(1.14)
144.9(1.00)
259.5(1.43)
371.1(2.56)
145.4(1.00)

は、作製後 7 日までは透水性は高いが、その後の時間経の割合は、水砕スラグを混合した供試体の方が大きい。
⑥

鉄鋼スラグを地盤改良材として用いた場合、透水性はあまり期待できないことがわかる。

水砕スラグの固結に消費されたことを示唆している。
粒径 5 mm と 25 mm を比較すると、混合スラグでは、

M.S.1(25mm)

経過日数
(day)

過に伴い、これらの透水性は大きく低下する。その低下いない。このことは、転炉スラグの遊離石灰がほとんど④

M.S.1(5mm)M.S.2(5mm)いる。
水砕スラグの混合率が大きい M.S.2 は、殆ど膨張して

360

30W：水浸養生の結果ジング処理を施すこと(S.S.2 (5 mm))で約 55%減少して③

300

表 3-2 粘着力、内部摩擦角の経時変化
スラグ
種類

セルによる載荷力、軸方向変位量および体積変化量である。

未エージング転炉スラグ(S.S.1 (5 mm))に対して、水砕

120
180
240
経過日数(day)

図 3-6 透水係数と経過日数の関係

S.S.1(5mm)②

S.S.2(5mm)M.S.1(5mm)M.S.2(5mm)60

0.15 %/min）を行った。載荷時の測定事項は、内部ロード

①

360

80

図 3-4 三軸圧縮実験装置

3.5

300

図 3-5 膨張比と経過日数の関係

abdS.S.2(5mm)M.S.1(5mm)M.S.2(5mm)

養生 30 日、90 日、180 日および 360 日目に実施した三軸圧縮実験による粘着力 c および内部摩擦角φを表 3-2 に示す。なお、各表の括弧内は、養生 30 日に対する増加の割合を表している。また、転炉スラグおよび混合スラグの粘着力と経過日数の関係を図 3-7 にそれぞれ示す。これらの図表から、以下のことがわかる。
⑦

粘着力 c は転炉スラグより混合スラグの方が大きく、養生期間の増加に従いその傾向が顕著になる。これは、

125

水浸養生

30
20

転炉スラグ

10

150
100

2

混合スラグ

50

0
0

水浸養生

200

S.S.2(5mm)S.S.2(25mm)

5.0
4.0
3.0
2.0

転炉スラグ

1.0
0

0

60 120 180 240 300 360
経過日数(day)

20

40 60 802
側圧(kN/m )M.S.1(5mm)M.S.1(25mm)

18.0
15.0

M.S.2(5mm)

12.0
9.0
6.0

混合スラグ

3.0
0.0

100

0

20

40 60 80 100
2
側圧(kN/m )図 3-9 変形係数と側圧の関係

図 3-7 粘着力と経過日数の関係
混合した水砕スラグの固結の影響であると考えられる。

24.0
21.0

0.0

0

60 120 180 240 300 360
経過日数(day)

2

250

S.S.1(5mm)

6.0

4

50

300

7.0

変形係数 ×10 (kN/m )

2

粘着力 (kN/m )

2

粘着力 (kN/m )

350

60
40

M.S.1(5mm)M.S.1(25mm)
M.S.2(5mm)400

S.S.1(5mm)S.S.2(5mm)S.S.2(25mm)

70

4

80

変形係数 ×10 (kN/m )本間・他

E50 を側圧ごとにまとめた値を、それぞれ図 3-8 および表水浸養生と自然養生を比較すると、スラグ固結の反応

3-3 に示す。さらに、転炉スラグおよび混合スラグの変形を促す水浸養生の方が大きな粘着力が得られている。

係数 E50 と側圧の関係を図 3-9 にそれぞれ示す。これらの⑧

粒径 5 mm と 25 mm を比較すると、25 mm の粘着力が⑨大きくなる傾向がある。これは、粒径 5 mm に比べて粒図表から以下のことがわかる。
⑪

径 25 mm の方が固結の起点となる粒子間の接触面積がり剛性も増加する。

多いためであると推測できる。
⑩

図 3-8 より、ばらつきはあるが、時間経過とともに変形係数 E50 は増加しており、各スラグの固結性発現によ両スラグとも、時間経過に伴い内部摩擦角の僅かな増

混合スラグの変形係数 E50 は、転炉スラグのそれより⑫

減傾向は見られるが、ほぼ一定で 40 度～50 度の範囲に数倍大きい値を示し、かつ前者では拘束圧の違いによっ

分布している。

て余り変化しないのに対して、後者では拘束圧の増加に

三軸圧縮実験から得られた主応力差と軸ひずみの関係伴い増大する傾向が見られる（図 3-9 参照）。ここに、に基づく変形係数 E50 と経過日数の関係、および変形係数

混合スラグでは水砕スラグの影響により固結体に近い状態となり、転炉スラグは粒子間の結合を有するものの表 3-3 変形係数の経時変化
変形係数E50(×104kN/m2)
経過日
試料
側圧(kN/m2)
数(day)
2050
100
30
1.7 (1.00) 3.0 (1.00) 4.12 (1.00)
S.S.1(5mm)
3.8 (2.24) 3.0 (1.00) 4.1 (1.00)
360
30W
1.1
1.9
2.5
30
1.2 (1.00) 3.0 (1.00) 3.2 (1.00)
S.S.2(5mm)90
1.5 (1.32) 2.6 (0.86) 3.7 (1.17)
180
1.7 (1.47) 3.4 (1.13) 3.5 (1.10)360
1.9 (1.68) 3.2 (1.07) 5.0 (1.57)30
1.7 (1.00) 3.4 (1.00) 5.1 (1.00)
S.S.2(25mm)
90
2.3 (1.40) 4.5 (1.34) 6.2 (1.22)360
3.6 (2.19) 3.5 (1.04) 6.2 (1.22)
30W
9.9
8.4
11.0
30
8.1 (1.00) 10.4 (1.00) 8.5 (1.00)
M.S.1(5mm)90
7.9 (0.97) 9.5 (0.91) 12.8 (1.51)
180
11.1 (1.37) 8.3 (0.80) 12.1 (1.42)360
8.3 (1.02) 11.5 (1.11) 11.9 (1.40)
30
7.7 (1.00) 1.1 (1.00) 11.5 (1.00)
M.S.1(25mm)90
13.0 (1.68) 15.0 (13.76) 12.2 (1.06)
360
11.6 (1.50) 11.0 (10.09) 12.8 (1.11)
M.S.2(5mm)10.5 (1.00) 13.2 (1.00) 14.4 (1.00)30

粒状体に近い状態になっているものと推測できる。

4. スラグの膨張特性把握実験
4.1

はじめに

転炉スラグおよび混合スラグは自然養生においても少ないながら膨張していく傾向があることがわかったが、力学的特性把握実験では最終的な膨張比の把握まで至っていない。前述したように、鉄鋼スラグによる水平抵抗増大工法に適用した場合、浅層地盤に用いたスラグの膨張が基
礎スラブ等に悪影響を与えることが懸念されるため、スラグの膨張に関する特性を定量的に調べる必要がある。そこ
で、最終的な膨張比を調べるために、JIS A5015「道路用鉄鋼スラグ」に示されている膨張促進を目的とした 80 ℃温水養生（促進養生と呼称）による膨張量測定実験を行った。
また、スラグの膨張に伴って発生する圧力の定量評価を目的として、精度ある膨張圧を測定するための装置を作製して、促進養生による膨張圧測定実験も同時に行った。

S.S.1(5mm)S.S.2(25mm)
M.S.1(25mm)

42

変形係数 ×10 (kN/m )

16.0
14.0

S.S.2(5mm)M.S.1(5mm)M.S.2(5mm)

4.2

12.0

対象としたスラグ

10.0

測定の対象としたスラグは、エージング処理前転炉スラ

8.0

グ S.S.3（表 3-1 に示す S.S.1 に相当）およびエージング処

6.0

理前転炉スラグと水砕スラグを重量比 8:2 で混合したスラ

4.0

グ M.S.3（表 3-1 に示す M.S.1 に相当）の 2 種類であり、2.0ともに粒径は 5 mm～0 mm とした。供試体の作製に当たり、

0.0
0

60

120

180

240

300

経過日数(day)

図 3-8 変形係数と経過日数の関係

360

最適含水比および最大乾燥密度を調べた結果を、表 4-1 に示してある。

126

鉄鋼スラグの基礎的実験

表 4-1 膨張特性把握実験ケース

S.S.3

5

M.S.3

5

スラグの構成未エージング転炉
スラグ100%
未エージング転炉スラ
グ80% + 水砕スラグ
20%

最適含水比 最大乾燥密度
3
Wopt(%)
ρdmax(g/cm )
10.4

2.53

11.6

2.28

t=10mm

拘束板

断熱板 t=5mm

ロードセル

48

40

最大
記号 粒径
(mm)

底上げ部

4.3

上蓋

促進養生による膨張圧測定実験の概要

写真 4-1 参照）を 2 体作製し行った。この装置は、拘束板

下蓋と拘束板の間にロードセルを設置し、4 本のロッドでそれ

水道φ5
φ8

らを締め付ける構造となっている。本体部のそれぞれの蓋

写真 4-1 膨張圧装置外観には、半径 50mm の半球部を設けており、これらの蓋を合球体状に押し広がろうとするスラグの膨張状態を作り出400

スラグ応力状態と上蓋と下蓋からなる本体部から構成されており、本体部

わせて出来る球体部に測定対象のスラグを満たすことで、

120

100

促進養生による膨張圧測定実験は、精度ある膨張圧を測定するためのステンレス製の実験装置（図 4-1, 4-2 および120

図 4-1 膨張圧測定装置：立面

ダイヤルゲージ

すことができる。
水道φ 5

表 4-1 に示す 2 体の供試体は、それぞれの蓋の半球部に突き棒を用いて最適含水比に整えられた最大乾燥密度の軸付き有孔板100のスラグをあるガラス板で覆い、ひっくり返して下蓋と合わせて、ガラス板を取り除いて作製した。その後、4 本のロッドを用いて本体部と拘束板およびロードセルを約 500

ろ紙

スラグ応力状態

N の力で締め付けた。

120

供試体の養生は、スラグの膨張を促進させるために、
80℃温水に設定した小型温水養生槽内に約 60 日間浸す方

12090%に相当する量のスラグを突き固め、つづいて、上蓋内図 4-2 膨張圧測定装置：平面

図 4-3 促進膨張量測定装置

法で行った。その間、温水は装置に設けた 8 箇所の水道（図4-2 参照）から内部の供試体へ供給されるようになっていロードセル荷重 (kN)

10

るが、強制的な循環は行っていない。ロードセルの荷重の測定は毎日 3 回実施した。
4.4

促進養生による膨張量測定実験の概要

膨張量測定実験は、基本的に JIS A 5015「道路用鉄鋼ス
ラグ」に示されている鉄鋼スラグの水浸膨張試験法に準拠

8
6
4

M.S.3 90%2

S.S.3 90%0

して実施した。測定装置は JIS A 1211 の 4.に規定している

0

直径 150 mm のモールド（図 4-3 参照）を用いた。このモ

10

20

30

40

50

60

経過日数(day)
図 4-4 ロードセル荷重と経過日数の関係

ールドは、法線方向の膨張を極力抑えているため、体積膨張して発生したひずみが軸方向に集中して発生する構造となっている。

14

各スラグの供試体は、相対密度 90%と 100%の 2 種類に12ついてそれぞれ 2 体作製した。相対密度 100%の供試体は膨張比 (%)

10

最適含水比に整えたスラグをモールド内に 3 層に分けて入れ、1 層あたり突き棒で 15 回突き固めた後、自動落下装置を用いて 4.5 kg ランマーを落下高さ 45 cm から 92 回

8
6

S.S.3 100%
S.S.3 90%
M.S.3 100%
M.S.3 90%4

落下させて締め固めを行って作製した。一方、相対密度2

90 %の供試体は、相対密度 90 %に相当する量を 3 回に分

0
0

けてモールド内に入れ、圧縮装置により静的な締め固めを行って作製した。供試体の養生は 32 日間の促進養生で行

10

20
30
40
経過日数(day)50

図 4-5 膨張比と経過日数の関係っており、その間、図 4-3 に示すダイヤルゲージを用いた

127

60

本間・他

P = ∑ σ ⋅ S i , j sin θ i

表 4-2 自然養生と促進養生の比較（膨張比）
供試体名
養生方法
相対密度(%)
最終膨張比-2×10 (%)

S.S.1

S.S.3

膨張の比
S.S.1/S.S.3

自然養生 促進養生(360日） （32日）
100
100
8

960

0.008

M.S.1

M.S.3

自然養生 促進養生(360日） （32日）
100
100
3

640

-

水浸養生
(119日）
-

0.005

38

-

σ ⋅ Si , jσ ⋅ S i , j cos θ i

膨張の比 未エージン
M.S.1/M.S.3 グ転炉8)

Z

X

∆l

θi

θi
X
P ロードセル荷重(N)

σ

ϕi

r

∆θ

図 4-6 スラグ応力状態

∆l

O

Y
r

膨張圧(N/mm2)

Si , j i,j番目要素の表面積(mm2)

スラグの膨張特性とその考察

iσ ⋅ ∆l 2

Z

測定を毎日実施した。
4.5

r σ ⋅ ∆l cosθ2

σ ⋅ Si , j sin θ i

図 4-7 膨張圧の算定方法

ロードセルの荷重 P と経過日数の関係および膨張比と

1400
1200

2

膨張圧 (kN/m )経過日数の関係を図 4-4 および図 4-5 にそれぞれ示す。また、表 4-2 に、相対密度 100%の膨張比について自然養生と促進養生を比較して示す。ここに、表中に示す最終膨張比とは、各実験の終了時に発生していた膨張比を意味する。
これらの図表から以下のことが言える。

1000
800
600
400

S.S.3 90%は、9.0 kN および 6.0 kN であり、混合スラグの方が 33%

200

M.S.3 90%

小さな値となっている。これは、転炉スラグに含まれる

0①

図 4-4 より、転炉スラグおよび混合スラグの最終荷重

0

遊離石灰の絶対量の違い以外にも、遊離石灰が水砕スラ
グのシリカ含有物質によって消費された影響も加味さ

10

20

30

40

50

60

経過日数(day)
図 4-8 膨張圧と経過日数の関係れたためであると考えられる。増加傾向に着目すると、各スラグともに、経過日数 10 日までに全体の 6 割近く表面を緯度方向の幅Δl になるように XY 平面に平行な面まで膨張している。すなわち、膨張に起因する化学反応

で分割し、XY 平面から i 番目のリングの面積を ∆Si とす

が急激な速さで起きたことを示唆している。

る。さらに、このリング中心線上の経度方向の幅Δl にな

図 4-5 より、膨張比も荷重の推移と同様な傾向を示す

るように Z 軸を含む平面で Ni 個の面積片に分割する。こことが確認できる。実験終了時の S.S.3 および M.S.3 ののように分割した i 番目リング上の j 番目の面積片に作用膨張比は、相対密度 100%で 9.6%および 8.2%、相対密する膨張力の Z 方向成分はσ⋅ cosθ ⋅ (∆l )2 と表すことができ

度 90%で 6.4%および 5.2%となっており、相対密度による。膨張力の合力 K は、面積片の総数をかけて次式で求めって発生した膨張比が異なっている。これは、粒子間隙

ることができる。

②

iがスラグ粒子に含まれる遊離石灰の膨張を吸収した量

K = ∑ in=1 N i ⋅ σ ⋅ cosθ i ⋅ (∆l ) 2の違いによって生じたものと推測できる。
③(1)

ここに、K；膨張力の合力

表 4-2 より、自然養生および促進養生ともに、最終膨

σ；膨張圧

張比は、エージング処理前転炉スラグの方が混合スラグ

ここで、リングの数 n は n = πr / 2∆l で求められ、各リンより大きいことが確認できる。また、膨張の比（促進養グの面積片数 Ni は N i = 2πr sin θ i / ∆l となる。これらを式(1)

生に対する自然養生の比）は、エージング処理前転炉スに代入し、整理すると式(2)が得られる。

ラグで 0.008、混合スラグで 0.005 であり、促進養生に

K = 2σπr ∑in=1 sin θ i cosθi ∆l

比べると自然養生は非常に小さい値であることがわかる。ちなみに、図 4-3 に示す装置を用いて文献 8)で実施(2)n→∞(Δl→0)のとき、膨張力の合力 K は下式の値に収束する。

された 20℃水浸養生（養生 119 日目）の結果では、エK = lim 2σπr ∑in=1 sin θ i cos θ i ⋅ ∆l∆l → 0ージング処理前転炉スラグの膨張比として 0.38%が報= lim 2σπr 2 ∑in=1 sin θ i cos θ i ⋅ ∆θ

告されている。今回行った自然養生と同様に、水浸養生∆θ → 02 π /20= 2σπr ∫の場合においても非常に小さい傾向が示されている。

sin θ cos θdθ = σπr(3)2

この膨張力の合力 K が、ロードセルの荷重値 P と等しい
4.6

スラグ膨張圧とその考察と置くことで、膨張圧σを求める式(4)が得られる。

膨張圧は、装置内で主応力として作用する膨張圧の Z 方σ = P / πr 2(4)向成分のみの総和がロードセルで読み取った荷重と等価求めた膨張圧と経過日数の関係を図 4-8 に示す。同図よであるとみなし（図 4-6 参照）、ロードセルの荷重値から

り S.S.3 および M.S.3 の最終的な膨張圧は、1200 kN/m2 お

逆算して求めることにした。以下に具体的な算出方法を示

よび 800 kN/m2 が得られている。既往の研究 6)では、エーす。まず、供試体上半分を図 4-7 のように極座標上においジング処理前転炉スラグの膨張圧として約 400 kN/m2 が確て中心を原点に持つ半径 r の半球として考える。この半球

128

鉄鋼スラグの基礎的実験

認されており、この値に対して、今回作製した測定装置による評価方法では約 3 倍大きい値となっている。この原因

150として、文献 6)で用いられた測定装置は、図 4-9 に示すように円筒型装置であったため、膨張圧が異方性を有していた可能性が考えられ、等方的に膨張圧を発生させることを試みた本実験装置とは異なったと推測される。

Loading stress
Earth pressuregauge

実験終了後に測定装置内の供試体の外観調査を行った結果から、膨張によって自己破壊を起こす転炉スラグにおExpansive
stress

いても、装置内で固まった状態で存在することが確認できた。これは、高い拘束力を受けていたため、スラグの膨張が逆に粒子間の接合力を強める方向に作用したためであ

図 4-9 膨張圧測定装置（文献 6 からの転記）ると思われる。この傾向は混合スラグにおいても確認できたが、水砕スラグを混合した影響から、転炉スラグより固1000結の程度が大きかった。
2

膨張圧 (kN/m )経過日数 30 日までの膨張圧と膨張比の両対数関係について示すと図 4-10 のようになる。ここに、膨張圧と膨張比の関係を最小二乗法によって近似した直線も付記している。同図より、S.S.3 はほぼ直線上にあるが、M.S.3 では
膨張比 3 %付近で折れ点が存在することがわかる。近似式
から、自然養生で発生した膨張比（図 3-5 参照）における
2-4

S.S.3(90%)
M.S.3(90%)
10膨張圧を推定してみると、エージング処理前転炉スラグで
-4

100

2

1

5.7×10 (kN/m )、混合スラグで 1.5×10 (kN/m )と非常に小さい値となることが確認できた。

10
膨張比(%)

図 4-10 膨張圧と膨張比の関係（両対数）

5. まとめ
今回、鉄鋼スラグによる水平抵抗増大工法の浅層地盤改良材への適用に向けて、鉄鋼スラグの力学的特性を調べた。
その結果、以下の知見が得られた。
①

状であり、今後の課題である。
以上示したスラグの力学的性質を考慮し、鉄鋼スラグによる水平抵抗増加杭を実杭基礎として適用する設計法を確立する計画である。

エージング処理前転炉スラグおよび混合スラグの粘着力 c は時間経過とともに増加するが、内部摩擦角 φ は1)

ほぼ一定の範囲に分布する傾向が見られる。また、粘着力と同様に、スラグの固結性の発現から変形係数 E50 も時間の経過とともに増加する傾向を示す。増加の割合は、

2)

強い固結性を有する水砕スラグを混合した方が大きい。
②

エージング処理前転炉スラグおよび混合スラグともに、透水係数は時間の経過とともに大きく低下し、地盤3)改良材として適用した場合の透水性は期待できない。
③

湿潤状態（自然養生）においても、エージング処理前
転炉スラグおよび混合スラグは、非常に小さいながら膨4)張し続ける傾向を示したが、膨張を促進させた結果に比べると非常に小さい。

5)80℃の温水中で養生することによって得られたエー④

ジング処理前転炉スラグおよび混合スラグの最終的な膨張圧は 1,200 kN/m2 および 800 kN/m2 であった。

6)7)

鉄鋼スラグは永い歳月を要して膨張することが伺える
が、地中部での養生条件で、促進養生終了時の膨張比および膨張圧が発生するのか、また、発生する場合、どの程度8)の歳月がかかるのか、は定量的に把握できていないのが現129

参 考 文 献本間裕介,冨永晃司,小椋仁志,永井及：鉄鋼スラグによる改良
地盤中杭の水平抵抗増大効果確認実験,第 49 回地盤工学シンポジウム,pp.165-172,2004.
Y.Homma,K.Tominaga,O.Nagai ： Lateral Resistance of piles in
Ground Improved by Compaction Method Using Iron and SteelSlag –An Experimental Study - ,Geotechnical Earthquake
Engineering Satellite Conference pp.228-235,Osaka,Japan,
2005.
玉井智子,本間裕介,勘愛軍,冨永晃司：製鋼スラグの力学的性質に関する基礎的実験（その 1 実験概要）,日本建築学会中国支部研究報告集 第 28 巻,pp.145-148,2005.
玉井智子,本間裕介,勘愛軍,冨永晃司：製鋼スラグの力学的性質に関する基礎的実験（その 2 実験結果とその考察）,日本
建築学会中国支部研究報告集 第 28 巻,pp.149-152,2005.
玉井智子,本間裕介,冨永晃司：養生期間が鉄鋼スラグの力学的 性 質 に 与える 影 響 , 日 本 建築 学 会 大 会学術 梗 概 集 〔近畿〕,pp.795-796,2005.
光藤浩之,竹内徹,小林延郎,大関彰一郎：製鋼スラグから発生する膨張圧の測定,日本鉄鋼協会,CAMP-ISIJ Vol.12(1999)-144
松永久宏,小菊史男,高木正人,谷敷多穂：鉄鋼スラグを利用した環境に優しい固化体の開発,コンクリート工学,Vo1.41,No.4,pp.47-54,2003.
M.R.カルマチャリア,内田一郎,出光隆,高山俊一：転炉スラグの路盤材への利用について , 土木学会論文報告集 , 第 282号,pp.101-113,1979.

本間・他

Fundamental Experiments on Steelmaking Slag to Improve Soft Ground surrounding Piles

Yusuke HOMMA1，Tomoko TAMAI2，Koji TOMINAGA2，Oyobu NAGAI3
1 JAPAN PILE CORPORATION, Engineering Development Division
2

Graduate school for IDEC, Hiroshima University

3 HIROKOU-GIKEN Co.,Ltd.

Abstract
In order to apply the iron and steelmaking slag to improvement of the seismic safety of the pile foundation, it isnecessary to understand the physical and mechanical properties quantitatively. Hence the fundamental experiments
including expansion test, permeability test and tri-axial compression test were carried out on the slag-specimens withseveral curing period. In application to the actual pile foundations, there is great concern that the swelling of the slag
would affect on pile caps. Thus, the authors performed the slag swelling tests with new device designed formeasuring expansion-stress of slag. This paper presents the test results and discussions about them.
Key words: iron and steelmaking slag, cohesion, deformation modulus, expansion ratio, expansion stress130