特許 7114385 カルシア改質土の製造方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2022-07-29

(45)【発行日】2022-08-08

(54)【発明の名称】カルシア改質土の製造方法

(51)【国際特許分類】

   C09K 17/02 20060101AFI20220801BHJP

   B09B 3/25 20220101ALI20220801BHJP

   B09B 3/30 20220101ALI20220801BHJP

   C04B 28/02 20060101ALI20220801BHJP

   B09B 101/30 20220101ALN20220801BHJP

   B09B 101/55 20220101ALN20220801BHJP

   B09B 101/90 20220101ALN20220801BHJP

【ＦＩ】

C09K17/02 P

B09B3/25

B09B3/30 ZAB

C04B28/02

B09B101:30

B09B101:55

B09B101:90

【請求項の数】 4

(21)【出願番号】P 2018140579

(22)【出願日】2018-07-26

(65)【公開番号】P2020015850

(43)【公開日】2020-01-30

【審査請求日】2021-05-31

(73)【特許権者】

【識別番号】000006655

【氏名又は名称】日本製鉄株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】591146125

【氏名又は名称】日鉄スラグ製品株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100104444

【弁理士】

【氏名又は名称】上羽 秀敏

(74)【代理人】

【識別番号】100174285

【弁理士】

【氏名又は名称】小宮山 聰

(72)【発明者】

【氏名】村本 藤和

(72)【発明者】

【氏名】水田 智幸

【審査官】岩下 直人

(56)【参考文献】

【文献】特開２００５－３３６２３２（ＪＰ，Ａ）

【文献】国際公開第２０１７／１５４０７８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１０－１７３９１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｃ０９Ｋ１７

Ｂ０９Ｂ３

Ｂ０９Ｂ５

Ｃ０４Ｂ２８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

石炭灰とバインダとを含み、ふるい目寸法が７５μｍのときの通過重量百分率が２０％以下である粒度分布を有する石炭灰固化物を準備する工程と、
スラグ、浚渫土、及び前記石炭灰固化物を混合する工程とを備え、
前記浚渫土は、含水比が２００％以上４１０％以下であり、
前記混合する工程では、混合直後のカルシア改質土の含水比が１０６％以上１５７％以下になるようにする、カルシア改質土の製造方法。

【請求項2】

請求項１に記載のカルシア改質土の製造方法であって、
前記カルシア改質土は、前記浚渫土１００体積部に対し、４０体積部以上１００体積部以下の前記スラグと、１０体積部以上１４０体積部以下の前記石炭灰固化物とを含む、カルシア改質土の製造方法。

【請求項3】

請求項１又は２に記載のカルシア改質土の製造方法であって、
前記バインダは、セメントである、カルシア改質土の製造方法。

【請求項4】

請求項１～３のいずれか一項に記載のカルシア改質土の製造方法であって、
前記カルシア改質土は、２８日間の養生後に４０ｋＮ／ｍ^２以上の一軸圧縮強度を有する、カルシア改質土の製造方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、カルシア改質土の製造方法に関する。

【背景技術】

【0002】

鉄鋼の生産過程において生成するスラグは、道路用路盤材やサンドコンパクション材等の土木用材料として活用されている。

【0003】

特開平８－２５９９４６号公報には、建設残土及び／又は石炭灰にセメント類を混合して硬化させ、２５ｍｍ以下に粗砕した固化物を、製鋼スラグ及び／又は溶銑予備処理スラグと混合して路盤材等に利用することが開示されている。

【0004】

特開２００１－３４７２５２号公報には、クラッシャラン、粒度調整鉄鋼スラグ、水硬性粒度調整鉄鋼スラグ等の道路用の路盤材の補足材として、粒度範囲が０．３ｍｍ～２０ｍｍ、圧壊強度が１．２ＭＰａ以上である石炭灰の造粒・硬化物を配合することが開示されている。

【0005】

特開２０１２－１２２８７号公報には、泥土、結合材、及び粉粒状の製鋼スラグを含む混合材料の混練物を水和硬化させて得られた、密度２０００～２２００ｋｇ／ｍ^３の軽量人工石材が開示されている。特開２０１２－１４８９４８号公報には、所定の条件で泥土と結合材を含む混合材料を水和硬化させる、人工石材の製造方法が開示されている。

【0006】

近年、スラグの新たな活用方法として、「カルシア改質土」の実用化が進められている。カルシア改質土は、港湾の浚渫工事等で発生する浚渫土にスラグを混合して土性を改良したものであり、海域自然再生事業や建設事業等に利用される（一般社団法人 沿岸技術研究センター「港湾・空港・海岸等におけるカルシア改質土利用技術マニュアル」、平成２９年２月（以下「カルシア改質土利用技術マニュアル」と呼ぶ。）を参照。）。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開平８－２５９９４６号公報

【文献】特開２００１－３４７２５２号公報

【文献】特開２０１２－１２２８７号公報

【文献】特開２０１２－１４８９４８号公報

【非特許文献】

【0008】

【文献】一般社団法人 沿岸技術研究センター「港湾・空港・海岸等におけるカルシア改質土利用技術マニュアル」、平成２９年２月

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

カルシア改質土を水面埋戻し用として使用するためには、国土交通省令土質区分基準における「第四種建築発生土」に適合する必要がある。一方、カルシア改質土の原料となる浚渫土は、採取場所によって成分や含水比が異なる。そのため、原料の浚渫土によっては、十分な強度を有するカルシア改質土を安定して製造することが困難な場合がある。

【0010】

本発明の目的は、含水比の高い浚渫土を原料とする場合であっても、埋戻しに必要な強度を安定的に確保できるカルシア改質土の製造方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本発明の一実施形態によるカルシア改質土の製造方法は、石炭灰とバインダとを含み、ふるい目寸法が７５μｍのときの通過重量百分率が２０％以下である粒度分布を有する石炭灰固化物を準備する工程と、スラグ、浚渫土、及び前記石炭灰固化物を混合する工程とを備える。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、含水比の高い浚渫土を原料とする場合であっても、埋戻しに必要な強度を安定的に確保できるカルシア改質土の製造方法が得られる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】図１は、本発明の一実施形態によるカルシア改質土の製造方法を示すフロー図である。

【図2】図２は、石炭灰固化物及び造粒前の石炭灰の粒度分布である。

【図3】図３は、カルシア改質土の混合直後の含水比と２８日間養生後の一軸圧縮強度との関係を示す散布図である。

【発明を実施するための形態】

【0014】

以下、図面を参照し、本発明の実施の形態を詳しく説明する。図１は、本発明の一実施形態によるカルシア改質土の製造方法を示すフロー図である。本実施形態によるカルシア改質土の製造方法は、石炭灰固化物を準備する工程（ステップＳ１）と、スラグ、浚渫土、及び石炭灰固化物を混合する工程（ステップＳ２）とを備えている。

【0015】

［準備工程］
石炭灰固化物を準備する（ステップＳ１）。石炭灰固化物は、石炭灰とバインダとを含んでいる。石炭灰固化物は、粉体状の石炭灰（「フライアッシュ」と呼ばれる。）にバインダを混合して粒状にしたものである。石炭灰は、例えば火力発電で生成されるものを用いることができる。

【0016】

石炭灰固化物は、ふるい目寸法が７５μｍのときの通過重量百分率が２０％以下である粒度分布を有する。ふるい目寸法が７５μｍのときの通過重量百分率が２０％よりも高いと、浚渫土と混合する際の取り扱いが困難になる。石炭灰固化物の最大粒径は、特に制限されないが、３０ｍｍ以下とすることが好ましく、２５ｍｍ以下とすることがより好ましい。

【0017】

石炭灰固化物は、例えば、次のように製造することができる。石炭灰とバインダとを混合し、必要に応じて水を加え、造粒機で粒状する。造粒物を乾燥させた後、必要に応じて粉砕や分級を実施して粒度分布を調整する。バインダは、これらに限定されないが、セメント、石膏、高炉スラグ微粉末等を用いることができ、特にセメントが好ましい。バインダの量は、これに限定されないが、例えば石炭灰１００重量部に対して１～２０重量部である。

【0018】

［混合工程］
次に、スラグ、浚渫土、及び石炭灰固化物を混合する（ステップＳ２）。

【0019】

使用するスラグは特に限定されず、高炉スラグ及び製鋼スラグのいずれでもよいが、製鋼スラグが好ましく、転炉系製鋼スラグがより好ましい。また、物理的性質及び化学的性質が、カルシア改質土利用技術マニュアルの第３－９頁に記載の表３．２．１の基準に適合していることが好ましい。

【0020】

スラグは、石灰（ＣａＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）等を含有する。スラグを浚渫土に混合すると、スラグ中の石灰と浚渫土中のシリカとが水和固化し、浚渫土の強度が向上する。本実施形態で使用するスラグは、これに限定されないが、石灰を２０～６０質量％含有するものが好ましく、３０～６０質量％含有するものがより好ましい。

【0021】

浚渫土は、特に限定されないが、カルシア改質土利用技術マニュアルの第３－３頁に記載の表３．１．１の基準に適合したものを用いることが好ましい。浚渫土は、必要に応じて、加水調整して用いてもよい。

【0022】

本実施形態によるカルシア改質土の製造方法は、これに限定されないが、浚渫土の含水比が２００％以上４１０％以下の場合に特に好適に用いることができる。浚渫土の含水比が２００％以上の場合、通常のカルシア改質土の製造方法では高強度を安定して得ることが困難なためである。一方、浚渫土の含水比が４１０％を超えると、固体分と水分とが分離しやすくなり、カルシア改質土の製造が困難になる。

【0023】

含水比は、１１０℃の炉乾燥によって失われる土中水の質量の、土の炉乾燥質量に対する比を百分率で表した値である。含水比の測定は、ＪＩＳ Ａ １２０３（２００９）に準拠して測定するものとする。

【0024】

浚渫土の含水比の下限は、より好ましくは２１０％であり、さらに好ましくは２３０％である。浚渫土の含水比の上限は、より好ましくは４００％であり、さらに好ましくは３８０％である。

【0025】

石炭灰固化物は、上述した工程（ステップＳ１）で準備したものを用いる。石炭灰固化物は、多孔質体であり、スラグと比較して高い吸水性を有する。

【0026】

上述したスラグ、浚渫土、及び石炭灰固化物を混合する（ステップＳ２）。混合方法は特に限定されず、任意の方法を用いることができる。混合方法は例えば、連続式ミキサー混合工法、管中混合工法、バックホウ混合工法、落下混合工法等である。

【0027】

混合して製造したカルシア改質土は、強度発現のため、必要に応じて養生する。養生期間を長くするほど、水和固化が進行し、強度が向上する。養生期間は、好ましくは２８日以上である。

【0028】

［カルシア改質土の一軸圧縮強度］
本実施形態によるカルシア改質土は、好ましくは、２８日間の養生後に４０ｋＮ／ｍ^２以上の一軸圧縮強度を有する。カルシア改質土を水面埋戻し用として使用する場合、国土交通省土質区分基準における「第四種建築発生土」に適合する必要がある。同基準では、２００ｋＮ／ｍ^２以上のコーン指数が要求されており、このコーン指数を満足するためには、４０ｋＮ／ｍ^２の一軸圧縮強度が必要である。そのためカルシア改質土は、養生後の強度で、４０ｋＮ／ｍ^２以上の一軸圧縮強度を有することが好ましい。カルシア改質土利用技術マニュアルの第附３－２頁に記載の図－附３．３によると、カルシア改質土の一軸圧縮強度は時間の経過とともに増加する傾向がある。本実施形態では、２８日間の養生後にカルシア改質土の一軸圧縮強度が４０ｋＮ／ｍ^２以上となるように、スラグや石炭灰固化物の混合比を調整することが好ましい。なお、カルシア改質土の一軸圧縮強度は、ＪＩＳ Ａ １２１６（２００９）に準拠して測定するものとする。

【0029】

［カルシア改質土の含水比］
混合直後のカルシア改質土の含水比は、好ましくは１０６％以上１５７％以下である。換言すれば、混合直後のカルシア改質土の含水比が１０６％以上１５７％以下となるように、スラグや石炭灰固化物の混合比を調整することが好ましい。カルシア改質土の含水比が上記の範囲内であれば、高強度をより安定して得られる。

【0030】

含水比が高すぎる場合だけではなく、含水比が低すぎる場合も、高強度を安定して得ることが困難になる。これは、含水比が低すぎると、カルシウムイオンが移動しにくくなり、水和固化が進行しにくくなるためと考えられる。混合直後のカルシア改質土の含水比の下限は、より好ましくは１１０％であり、さらに好ましくは１１５％である。混合直後のカルシア改質土の含水比の上限は、より好ましくは１５０％であり、さらに好ましくは１４５％である。

【0031】

［カルシア改質土中のスラグ及び石炭灰固化物の量］
混合するスラグ及び石炭灰固化物の量が多い程、カルシア改質土の含水比は低くなる。好ましくは、浚渫土１００体積部に対し、４０体積部以上１００体積部以下のスラグと、１０体積部以上１４０体積部以下の石炭灰固化物とを混合する。

【0032】

浚渫土１００体積部に対する好ましいスラグの量は、４０体積部以上１００体積部以下である。すなわち、浚渫土の体積をＶｓ、スラグの体積をＶｃとして、Ｖｃ／Ｖｓの値が４０％以上１００％以下であることが好ましい。Ｖｃ／Ｖｓの下限は、より好ましくは４５％であり、さらに好ましくは５０％である。Ｖｃ／Ｖｓの上限は、より好ましくは９０％であり、さらに好ましくは８０％である。

【0033】

浚渫土１００体積部に対する好ましい石炭灰固化物の量は、１０体積部以上１４０体積部以下である。すなわち、浚渫土の体積をＶｓ、石炭灰固化物の体積をＶａとして、Ｖａ／Ｖｓの値が１０％以上１４０％以下であることが好ましい。Ｖａ／Ｖｓの下限は、より好ましくは２０％であり、さらに好ましくは３０％である。Ｖａ／Ｖｓの上限は、より好ましくは１００％であり、さらに好ましくは８０％である。

【0034】

ここで、スラグの体積Ｖｃ及び石炭灰固化物の体積Ｖａは、嵩容積ではなく表乾密度から求める実容積（空隙を除いた容積）とする。すなわち、スラグの体積Ｖｃは、質量をｍｃ、表乾密度をρｃとして、Ｖｃ＝ｍｃ／ρｃから求めることができる。同様に、石炭灰固化物の体積Ｖａは、質量をｍａ、表乾密度をρａとして、Ｖａ＝ｍａ／ρａから求めることができる。表乾密度は、ＪＩＳ Ａ １１０９に準拠して測定するものとする。実際の施工では、嵩容積に実積率をかけて実容積を求めてもよい。一方、浚渫土の体積Ｖｓは、実測した容積とする。浚渫土の体積Ｖｓは、質量をｗｓ、湿潤単位容積質量をρｓとして、Ｖｓ＝ｗｓ／ρｓから求めることもできる。

【0035】

［本実施形態の効果］
以上、本発明の一実施形態によるカルシア改質土の製造方法を説明した。本実施形態によるカルシア改質土の製造方法では、スラグに加えて、石炭灰固化物を浚渫土に混合する。石炭灰固化物は、多孔質体であり、スラグと比較して高い吸水性を有する。そのため、石炭灰固化物を混合することによって、カルシア改質土の含水比を調整しやすくできる。これによって、含水比の高い浚渫土を原料とする場合であっても、埋戻しに必要な強度を安定的に確保することができる。

【0036】

本実施形態では、石炭灰に予めバインダを加えて石炭灰固化物にしてから浚渫土と混合する。この方法によれば、粉体の石炭灰を直接浚渫土と混合する場合と比較して、取り扱いが容易になる。また、石炭灰固化物にすることによって、石炭灰中の有害元素が固定される。そのため、水面埋戻し用に使用しても、有害元素の水中への溶出を抑制することができる。

【実施例】

【0037】

以下、実施例によって本発明をより具体的に説明する。本発明はこれらの実施例に限定されない。

【0038】

［石炭灰固化物の準備］
石炭灰を造粒して石炭灰固化物を製造した。バインダはセメントとし、石炭灰固化物１００重量部に対して５重量部のセメントを混合した。図２に、石炭灰固化物及び造粒前の石炭灰の粒度分布を示す。製造した石炭灰固化物は、ふるい目寸法が７５μｍのときの通過重量百分率が２０％以下であった。

【0039】

［有害元素溶出試験］
製造した石炭灰固化物及び石炭灰単体の有害元素溶出量を測定した。有害元素溶出量の測定は、環境省の土壌環境基準別表に規定された測定方法にしたがって実施した。

【0040】

有害元素溶出試験の結果を表１に示す。

【0041】

【表1】

【0042】

表１に示すとおり、石炭灰単体では、六価クロム及びフッ素が高い値を示した。石炭灰固化物とすることで、特にフッ素の溶出量を大きく低減できることを確認した。

【0043】

続いて、スラグ、浚渫土、及び石炭灰固化物を混合してカルシア改質土を製造し、カルシア改質土の有害元素溶出量を測定した。比較例として、石炭灰固化物に代えて、石炭灰とセメントとを混合してカルシア改質土を製造し、有害元素溶出量を測定した。

【0044】

カルシア改質土の有害元素溶出試験の結果を表２に示す。

【0045】

【表2】

【0046】

表２に示すとおり、石炭灰固化物を混合した水準１及び２は、石炭灰とセメントとを混合した水準３及び４と比較して、フッ素の溶出量が少なかった。このことから、石炭灰固化物を用いることが、有害元素の溶出抑制に有効であることを確認した。

【0047】

［一軸圧縮強度試験］
次に、混合するスラグ及び石炭灰固化物の量、並びに浚渫土の種類を変えながらカルシア改質土を製造した。具体的には、表３に示す条件１～５の混合条件で浚渫土、スラグ、及び石炭灰固化物を混合してカルシア改質土を製造した。製造したカルシア改質土を２８日間養生した後、一軸圧縮強度試験を実施した。

【0048】

【表3】

【0049】

浚渫土として、下記の表４に示すＡ～Ｈを使用した。下記の表４の浚渫土のうち、Ａ、Ｂ、Ｆ、及びＨは、港湾から採取したままの浚渫土である。Ｃ及びＤは、それぞれＡ及びＢに海水を加水して含水比を調整したものである。Ｅ及びＧは、それぞれＦ及びＨを脱水して含水比を調整したものである。

【0050】

【表4】

【0051】

スラグ及び石炭灰の主な成分を表５に示す。表中の「－」は検出下限未満であったことを示す。

【0052】

【表5】

【0053】

各カルシア改質土の混合直後の含水比、及び２８日間養生後の一軸圧縮強度を測定した。一軸圧縮強度の測定は、ＪＩＳ Ａ １１０４（２００６）に記載のジッキングにより試料を作製し、ＪＩＳ Ａ １２１６（２００９）に準拠して実施した。

【0054】

表６～表１０にそれぞれ、条件１～５で製造したカルシア改質土の混合直後の含水比、及び２８日間養生後の一軸圧縮強度を示す。なお、浚渫土Ｂから条件１で作製したカルシア改質土の一軸圧縮強度（表６）は、供試体が自立せず測定できなかったため「０」とした。

【0055】

【表6】

【0056】

【表7】

【0057】

【表8】

【0058】

【表9】

【0059】

【表10】

【0060】

表６～表１０に示すように、含水比の高い浚渫土Ｄ～Ｈを使用したカルシア改質土では、ばらつきはあるものの、石炭灰固化物を加えることで強度が向上する傾向が確認できた。特に、含水比の高い浚渫土Ｅ～Ｈを使用したカルシア改質土は、石炭灰固化物を加えない条件１では水面埋戻しに必要な基準を満たさなかったが、条件４ではこの基準を満たした。また、浚渫土Ｄから製造したカルシア改質土においても、石炭灰固化物を加えることで強度の向上が認められた。

【0061】

図３は、カルシア改質土の混合直後の含水比と２８日間養生後の一軸圧縮強度との関係を示す散布図である。図３に示すように、カルシア改質土の含水比が１０６％以上１５７％以下の範囲では、一軸圧縮強度が４０ｋＮ／ｍ^２未満となることはなかった。このことから、カルシア改質土の含水比が１０６％以上１５７％以下であれば、高強度がより安定的に得られることを確認した。

【0062】

以上、本発明の実施の形態を説明した。上述した実施の形態は本発明を実施するための例示に過ぎない。よって、本発明は上述した実施の形態に限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で、上述した実施の形態を適宜変形して実施することが可能である。

【図1】

【図2】

【図3】