JP2001322842A - 製鋼スラグを原料とする水中硬化体 - Google Patents

製鋼スラグを原料とする水中硬化体

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JP2001322842A JP2000135493A JP2000135493A JP2001322842A JP 2001322842 A JP2001322842 A JP 2001322842A JP 2000135493 A JP2000135493 A JP 2000135493A JP 2000135493 A JP2000135493 A JP 2000135493A JP 2001322842 A JP2001322842 A JP 2001322842A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】本発明は、コンクリートに代えて使用しても問
題の生じない製鋼スラグを原料とする水中硬化体を提案
することを目的とする。 【解決手段】水中で打設され、硬化する硬化体であっ
て、打設前の原料混合物が粉粒状の溶銑予備処理スラグ
と高炉スラグ微粉末とを含有し、打設後において前記溶
銑予備処理スラグ及び高炉スラグ微粉末の粒子同士が互
いに分離していないものである。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、水中硬化体に係わ
り、特に、製鋼スラグ、とりわけ粉粒状の溶銑予備処理
スラグを利用したコンクリートに代わる水中硬化体に関
する。
【0002】
【従来の技術】製鋼工程で発生するスラグは、塩基度
(CaO/SiO2)が高く、且つ遊離CaOを多量に
含有するため、水分を吸って膨脹し易く、高炉スラグの
ような土木・建設資材としての用途には向かず、従来よ
りその処理に難儀している。そこで、かかる状況を打破
するため、近年、製鋼スラグを積極的に活用する技術の
開発が試みられるようになった。
【0003】例えば、特開平10−152364号公報
は、製鋼スラグを含有する骨材と潜在水硬性を有するシ
リカ含有物質とポゾラン反応性を有するシリカ含有物質
のうち1種または2種を50%以上含有し、水和反応に
よって硬化する結合材とを混合して製造した水和硬化体
を開示している。また、特開平2−233539号公報
は、結合材、細骨材、粗骨材の全てを粉砕および破砕し
た鉄鋼スラグとすると共に、前記結合材に高炉スラグと
製鋼スラグとを混合した鉄鋼スラグを用いて製造したス
ラグ・ブロックを開示している。
【0004】ところで、一般に、土木工事では、コンク
リートの構造物が建設されることが多い。この土木工事
は、通常、大気中でコンクリート組成物(混練水も含
む)を型枠への流し込み(打設という)硬化させ、その
硬化体を製品とする。一方、コンクリート組成物を直接
水中で打設する工事もある(例えば、本州四国連絡橋の
基礎、防波堤、ドックの底版等の建設)。このような場
合、通常のコンクリート組成物を使用すると、水中であ
ることから、粒径や比重の異なる骨材、その他原料の粒
子が硬化前に互いに分離して不均一になり、所望強度を
有する硬化体にならない。そこで、コンクリート組成物
に別途増粘剤を加え(水中不分離コンクリートとか水中
コンクリートと呼ばれている)、水中打設時の分離を抑
制するようにしている。いずれにしても、土木工事で
は,大量のコンクリート組成物が消費されている。
【0005】そこで、本出願人は、コンクリート製品が
前記したスラグ硬化体と同様な手法で製造されているこ
とに着眼した。つまり、該コンクリート製品に代え、製
鋼スラグを主原料とした硬化体が利用できれば、製鋼ス
ラグを多量に消費可能な新しい用途が開けるからであ
る。
【0006】しかしながら、本出願人が上記した従来技
術を用いて、製鋼スラグを原料とするスラグの硬化体を
試作したところ、下記のような問題点が明らかとなっ
た。
【0007】まず、特開平10−152364号公報記
載の方法によれば、製鋼スラグとして転炉スラグを用い
ると、20℃の水中で養生した際に硬化体が崩壊し、満
足できるものにならない場合があった。この原因を詳細
に調査した結果、近年は、転炉の内張り耐火物を保護す
るためにスラグ中に添加されるドロマイトやマグネシア
クリンカ等に起因して転炉スラグ中のMgO濃度が高く
なっているが、このようなMgO濃度が高い転炉スラグ
を用いると、硬化体にする際に該転炉スラグに含まれる
free−MgOが水中養生で水和膨張し、製造される
べき硬化体が崩壊することが判明した。
【0008】また、前記特開平2−233593号公報
記載の方法で転炉スラグを原料としたスラグの硬化体を
製造するには、該転炉スラグを微粉砕する必要がある。
しかしながら、転炉スラグ中には、上記したようにfr
ee−MgO相が含まれているため、スラグ自体が固く
て微粉になり難く、反応性の高い微粉にまで粉砕するに
は、粉砕コストが莫大になるという問題があった。
【0009】そのため、本出願人は、free−MgO
がほとんど存在しない溶銑予備処理スラグを主原料にす
れば、前記問題は解決できると考え、該溶銑予備処理ス
ラグを主体にした硬化体の製造を研究した。しかしなが
ら、その試みも簡単には成功せず、ひび割れや、強度の
低い硬化体しか製造できなかった。ただし、この試作過
程で、溶銑予備処理スラグを主体にした混合物が水中で
高い粘性(B型粘度計30rpmで2000cps,す
なわち2Pa−s程度)を示し、硬化前でもその粒子同
士が互いに分離しない傾向のあること見出した。このこ
とは、もし硬化後に満足できる強度になるなら、前記し
た水中打設による硬化体の製造可能性を示唆するもので
あり、今後の技術開発に期待が持てた。ここで、溶銑予
備処理とは、溶銑の転炉製鋼に際し、転炉における通常
の脱炭精錬を行なう前の溶銑に、予め各種の精錬剤を添
加して脱珪、脱燐、脱硫等の処理をすることを言い、そ
の際生じたスラグを溶銑予備処理スラグと称している。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、かかる事情
に鑑み、コンクリートに代えて使用しても問題の生じな
い製鋼スラグを原料とする水中硬化体を提案することを
目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】発明者は、上記目的を達
成するため、スラグ硬化体に使用する製鋼スラグとし
て、特に溶銑予備処理スラグを使用して、水中打設によ
る硬化体の製造に鋭意努力し、その成果を本発明に具現
化した。 すなわち、本発明は、水中で打設され、硬化
する硬化体であって、打設前の原料混合物が粉粒状の溶
銑予備処理スラグと高炉スラグ微粉末とを含有し、打設
後において前記溶銑予備処理スラグ及び高炉スラグ微粉
末の粒子同士が互いに分離していないことを特徴とする
製鋼スラグを原料とする水中硬化体である。
【0012】この場合、前記原料混合物が、粒径1.1
8mm以下の溶銑予備処理スラグを15〜55mass
%、高炉スラグ微粉末を5〜40mass%含有した
り、あるいは、粒径1.18mm以下の溶銑予備処理ス
ラグを15〜55mass%、高炉スラグ微粉末を3〜
36mass%、フライアッシュを1.5〜30mas
s%含有し、且つ高炉スラグ微粉末及びフライアッシュ
の合計含有量に対するフライアッシュ含有量の比が質量
比で0.1〜0.75であることが好ましい。
【0013】また、前記高炉スラグ微粉末、フライアッ
シュ、粒径1.18mm以下の溶銑予備処理スラグの合
計含有量に対する溶銑予備処理スラグの含有量の比が質
量比で0.2超であると一層好ましい。そして、前記混
合物には、さらに、アルカリ金属及び/又はアルカリ土
類金属の酸化物、水酸化物、硫酸塩、塩化物から選ばれ
た1種又は2種以上を、高炉スラグ微粉末及びフライア
ッシュの合計含有量に対して0.2〜20mass%添
加したり、あるいはさらに、ナフタレンスルホン酸及び
/又はポリカルボン酸を、高炉スラグ微粉末、フライア
ッシュ、粒径が0.1mm以下の溶銑予備処理スラグの
合計含有量に対して0.1〜2.0mass%添加する
のが良い。
【0014】本発明によれば、硬化時に互いに反応する
各原料の粒子同士が水中打設に際して分離することがな
くなり、コンクリートに代えて使用しても問題の生じな
い水中硬化体となる。
【0015】
【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を詳
しく説明する。
【0016】まず、本発明に係る硬化体は、水中打設で
製造されるものであるので、適切な打設方法が必要であ
る。そこで、発明者は、その方法について検討し、従来
の水中コンクリートの打設に使用される方法ならいずれ
でも良いことを確認した。つまり、(A)原料とする配
合済みの混合物を袋詰めして海中に設置する、(B)該
混合物を底開き箱に入れて、その箱を打込み場所に吊り
下げ、底を開いて打ち込む、(C)ホッパ付きトレミー
管を打込み場所に沈設し、それを介して混合物をプラン
ジャを用いて打込む、(D)コンクリートポンプを用
い、陸上部と同様に施工する等である(詳しくは、改定
新版 コンクリート工学ハンドブック:朝倉書店、19
81年11月20日初版発行の1225〜1230頁を
参照)。
【0017】次に、本発明に係る硬化体の主原料とする
製鋼スラグとしては、特に溶銑予備処理スラグを採用す
ることにした。その理由は、前記したように、発明者が
溶銑予備処理スラグを主体にした混合物が水中で高い粘
性を示し、硬化前でもその粒子同士が互いに分離しない
傾向のあること見出していたからである。また、溶銑予
備処理スラグは、以下に列記するような特徴があり、硬
化体とした際の強度の発現に有利と考えたからでもあ
る。 (1)溶銑予備処理では、精錬剤にMgOを添加しない
ので、発生スラグは、元来MgO濃度が低く、且つCa
O/SiO2が低い。また、若干含まれるMgOもほと
んどCa2MgSi27として存在し、free−Mg
O相がほとんど存在しない。従って、従来転炉スラグを
原料として使用した場合に生じていたfree−MgO
の水和膨張による硬化体の割れ、粉化、変形、強度低下
等の問題を一掃できる可能性がある。 (2)溶銑予備処理スラグは、上記のようにCaO/S
iO2が低く、且つP2 5濃度が高いので、free−
CaO濃度が低くい。そのため、free−CaOによ
る水和膨張性も低く、製鋼スラグ中のfree−CaO
の水和膨張に起因する硬化体の割れ、粉化、変形、強度
低下などの問題も一掃できる可能性がある。 (3)微粉が多く、反応性が高いので、それ自体が他の
配合原料である高炉スラグ微粉末やフライアッシュの代
替になり得る。 (4)上記したように、free−MgO相がほとんど
存在しないので、スラグ自体が柔らかく、転炉スラグに
比較してはるかに粉砕し易い。 (5)微粉の溶銑予備処理スラグの働きで、溶銑予備処
理スラグと高炉スラグ微粉末あるいはフライアッシュと
が反応し易くなり、より高強度化が図れる。 (6)比重が3以上と大きいので、硬化体の密度が大き
くなり、打設後の沈降速度が大きい。
【0018】そこで、発明者は、粉粒状の溶銑予備処理
スラグと高炉スラグ微粉末との混合物を、増粘剤を加え
ず袋に詰め、水中に沈設して数十日放置して硬化させ
た。そして、得られた硬化体を調査したところ、ひび割
れはなく、強度も従来の水中コンクリートと遜色のない
値であったので、増粘剤を用いずに製造したこの水中硬
化体を本発明としたのである。なお、従来の水中コンク
リートでは、通常のコンクリート組成物に加える増粘剤
としてメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース
等に代表される水溶性セルロースが添加されるが、本発
明は、かかる高価な物質を使用せずに、安価な水中硬化
体であるという利点がある。
【0019】発明者は、このような溶銑予備処理スラグ
を使用するにあたって、さらに水中硬化体をより優れた
ものにする研究を重ね、以下に述べる配合を順次考えた
のである。
【0020】まず、前記混合物を、溶銑予備処理スラグ
の粒径1.18mm以下の部分が15〜55mass%
含有するように配合する。発明者は、溶銑予備処理スラ
グのうちで硬化反応に寄与の大きな部分がどのような大
きさのものであるかを詳細に調査し、粒径1.18mm
以下の範囲において特に反応性が良好で得られる硬化体
の強度が高くなり、しかもひび割れの発生が著しく小さ
くなることを見いだしたからである。なお、このこと
は、配合する溶銑予備処理スラグの中に、これよりも粒
度の大きい溶銑予備処理スラグが含まれることを妨げる
ものではない。粒度の大きい溶銑予備処理スラグは、粉
砕の過程で粉砕され難かったことを意味するだけで、そ
れ自体がある程度の強度を有しているので、増量剤とし
て、また粗粒ながらも活性が高く結合剤としての寄与が
あり得る。
【0021】また、本発明では、このような粒径1.1
8mm以下の溶銑予備処理スラグの量を限定する一方
で、これと反応するSiO2含有物質をも適正量で配合
するようにした。そのようなSiO2含有物質は、潜在
水硬性あるいはポゾラン反応性を有するものが好まし
く、具体的には高炉スラグ微粉末を単味で、あるいは高
炉スラグ微粉末とフライアッシュとの混合物の使用が好
ましい。このフライアッシュは、高炉スラグ微粉末と同
様に潜在水硬性あるいはポゾラン反応性のSiO2を含
有する物質であり、石炭の燃焼によって生成する。ま
た、フライアッシュは、それ自体が極めて微粉であり、
これを高炉スラグ微粉末の代替として使用すると、溶銑
予備処理スラグとの反応性が一層向上し、硬化体のひび
割れ発生の抑制と長時間養生後の強度の向上が可能とな
る。なお、高炉スラグ微粉末を単味で使用する場合、そ
の適正含有量は、5〜40mass%とする。
【0022】本発明において、溶銑予備処理スラグ及び
高炉スラグ微粉末の含有量を上記のように限定した理由
は、以下の通りである。粒径1.18mm以下の溶銑予
備処理スラグの含有率が15mass%未満であった
り、あるいは高炉スラグ微粉末の含有量が40mass
%超えでは、相対的にSiO2を硬化させるアルカリ金
属(またはアルカリ土類金属)イオンの供給が不足気味
となり、得られる硬化体の強度が低下する。また、粒径
1.18mm以下の溶銑予備処理スラグの含有率が55
mass%超え、あるいは高炉スラグ微粉末の含有量が
5mass%未満では、溶銑予備処理スラグ中の水和膨
張性を有するCaO等の成分を固定するSiO2が不足
気味となるため、得られる硬化体を水中養生する過程で
硬化体の膨張や粉化が発生し、著しく硬化体の強度が低
下するからである。
【0023】さらに、本発明では、SiO2含有物質と
して高炉スラグ微粉末とフライアッシュとの混合物を使
用する場合、それらの適正含有量は、粒径1.18mm
以下の溶銑予備処理スラグの含有率15〜55mass
%、高炉スラグ微粉末の含有率3〜36mass%、フ
ライアッシュの含有率1.5〜30mass%とする。
そして、特に、高炉スラグ微粉末及びフライアッシュの
合計含有量に対するフライアッシュ含有量の比が質量比
で0.1〜0.75とすることが必要である。このよう
に限定する理由は、以下の通りである。
【0024】まず、粒径1.18mm以下の溶銑予備処
理スラグの含有率を15〜55mass%とした理由
は、既に述べた理由と同じであるので省略する。高炉ス
ラグ微粉末を3〜36mass%としたのは、3mas
s%未満では、高強度の硬化体が得られず、36mas
s%超えでは、それ以上の強度の増加が望めず不経済だ
からである。フライアッシュは、その含有量が1.5m
ass%以上で、且つ高炉スラグ微粉末及びフライアッ
シュの合計含有量に対するフライアッシュ含有量の比が
質量比で0.1以上の場合にその効果が顕著である。た
だし、フライアッシュは、常温での硬化性が高炉スラグ
微粉末よりも劣る傾向があり、フライアッシュの含有率
が30mass%を超えたり、あるいは高炉スラグ微粉
末及びフライアッシュの合計含有量に対するフライアッ
シュ含有量の比が質量比で0.75を超えると、硬化体
全体としての硬化を遅らせることになるので、好ましく
ない。したがって、フライアッシュの含有率は、1.5
〜30mass%で、且つ高炉スラグ微粉末及びフライ
アッシュの合計含有量に対するフライアッシュ含有量の
比が質量比で0.1〜0.75とする。
【0025】加えて、本発明では、高炉スラグ微粉末、
フライアッシュ、粒径1.18mm以下の溶銑予備処理
スラグの合計含有量に対する溶銑予備処理スラグの含有
量の比が質量比で0.2超とするのが一層好ましい。こ
のようにすると、溶銑予備処理スラグから供給されるア
ルカリ金属(あるいはアルカリ土類金属)イオンの量
と、潜在水硬性を有するSiO2含有物質中の反応性S
iO2の量的バランスが一層適正となり、硬化体のひび
割れ防止効果が高まるからである。
【0026】本発明は、上記した配合によって、製造し
た硬化体の強度の向上とひび割れ発生を著しく低減する
ものであるが、さらに加えて、混合物にアルカリ金属及
び/又はアルカリ土類金属の酸化物、水酸化物、硫酸
塩、塩化物から選ばれた1種又は2種以上を、高炉スラ
グ微粉末及びフライアッシュの合計含有量に対して0.
2〜20mass%添加したり、あるいは、ナフタレン
スルホン酸及び/又はポリカルボン酸を、高炉スラグ微
粉末、フライアッシュ、粒径が0.1mm以下の溶銑予
備処理スラグの合計含有量に対して0.1〜2.0ma
ss%添加しても良い。
【0027】アルカリ金属及び/又はアルカリ土類金属
の酸化物、水酸化物、硫酸塩、塩化物から選ばれた1種
又は2種以上を0.1mass%以上添加することによ
って、硬化体の硬化を促進することが可能となり、養生
に要する時間を短縮できるからである。しかし、20m
ass%を超えて添加しても、その効果が飽和するの
で、上限は、20mass%とする。
【0028】また、ナフタレンスルホン酸及び/又はポ
リカルボン酸を添加すると、原料を水と共に混練する際
の混錬性が向上する。そのため、混練に必要な水の量を
低減することができ、その結果、より高強度の硬化体が
得られるようになる。その際に、添加量を高炉スラグ微
粉末及びフライアッシュの合計含有量に対して0.2m
ass%未満では効果に乏しく、2.0mass%を超
えて添加しても、効果が飽和するので、0.1〜2.0
mass%に限定する。
【0029】なお、本発明に係る硬化体を形成させる作
業場所としては、河川よりも海が好ましい。水速が遅い
方が粒子が分離し難いからである。
【0030】本発明では、溶銑予備処理スラグを主原料
とし、上記のような原料配合にすることにより、増粘剤
を添加しないでも、実用に耐える水中硬化体が製造可能
になったが、その水中硬化体は、コンクリートに比べて
以下のような利点があった。
【0031】1.セメントコンクリートより、低アルカ
リ性である。
【0032】2.高比重の溶銑予備処理スラグを用いて
いるので、密度が高く、施工後の沈降速度が大きい。
【0033】3.内部に鉄分を含有するために、鉄イオ
ンを徐放し、藻類の生成速度が早く、海中生物の育成に
役立つ。
【0034】
【実施例】(発明例)配合原料として、表1に示す粉砕
した溶銑予備処理スラグ(脱珪、脱燐、脱硫処理別)、
粒径0.1mm以下に微粉砕した高炉スラグ微粉末、C
a(OH)2を表2に示す配合に従い水で混練して、混
合物を多種類準備した。そして、各混合物をそれぞれ個
別にホッパを介してコンクリート用ポンプでタンクに溜
めた水の中に送り、タンク底でそのまま養生させた。こ
の際、ポンプに接続したホースの先は、タンク底に位置
するようにしている。形成した硬化体の大きさは、厚み
0.5m、表面積0.25m2であった。また、水温
は、20℃で一定に維持している。
【0035】
【表1】
【0036】
【表2】
【0037】得られた硬化体から試料を採取し、その2
8日後の圧縮強度と、水のpHを表3に一括して示す。
【0038】
【表3】
【0039】(比較例)実施例1と同様にして、従来の
コンクリート組成物を水で混練して混合物を2種準備し
た。そして、同様に水中に供給して養生させた(配合
は、表4参照)。
【0040】
【表4】
【0041】得られた硬化体から試料を採取し、その2
8日後の圧縮強度と水のpHを表4に併せて示す。
【0042】表4の値を基準にして表3の値を判断する
と、本発明に係る水中硬化体は、コンクリートに代わ
り、十分に実用できることが明らかである。
【0043】また、硬化体を上下方向に切断し、上部、
中央部、下部での切断面を観察し、粒子の分離状況を確
認した。本発明例1〜19及び比較例2では、硬化体の
構成粒子の分離を示唆する切断面の様相の相違は認めら
れなかった。これに対し、比較例1では、上部にセメン
ト成分及び微粒の骨材が多く、下部ほど粗粒の骨材が多
くなっており、セメント、骨材の分離が著しかった。
【0044】
【発明の効果】以上述べたように、本発明により、製鋼
スラグを用いて、水中不分離コンクリートの代替品が供
給可能になる。その結果、従来は廃棄していた溶銑予備
処理スラグが有効に利用できるようになると共に、地球
環境へも良い影響を与える。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 FI テーマコート゛(参考) C04B 22:14 C04B 22:14 Z 24:22 24:22 A 24:26 24:26 E 22:12 22:12 22:14) 22:14) B 111:74 111:74 (72)発明者 小菊 史男 千葉県千葉市中央区川崎町1番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 中川 真紀子 千葉県千葉市中央区川崎町1番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 (72)発明者 熊谷 正人 千葉県千葉市中央区川崎町1番地 川崎製 鉄株式会社技術研究所内 Fターム(参考) 4G012 MA02 MB12 PA27 PA29 PB03 PB09 PB10 PB16

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 水中で打設され、硬化する硬化体であっ
    て、 打設前の原料混合物が粉粒状の溶銑予備処理スラグと高
    炉スラグ微粉末とを含有し、打設後において前記溶銑予
    備処理スラグ及び高炉スラグ微粉末の粒子同士が互いに
    分離していないことを特徴とする製鋼スラグを原料とす
    る水中硬化体。
  2. 【請求項2】 前記原料混合物が、粒径1.18mm以
    下の溶銑予備処理スラグを15〜55mass%、高炉
    スラグ微粉末を5〜40mass%含有してなることを
    特徴とする請求項1記載の製鋼スラグを原料とする水中
    硬化体。
  3. 【請求項3】 前記原料混合物が、粒径1.18mm以
    下の溶銑予備処理スラグを15〜55mass%、高炉
    スラグ微粉末を3〜36mass%、フライアッシュを
    1.5〜30mass%含有し、且つ高炉スラグ微粉末
    及びフライアッシュの合計含有量に対するフライアッシ
    ュ含有量の比が質量比で0.1〜0.75としてなるこ
    とを特徴とする請求項1記載の製鋼スラグを原料とする
    水中硬化体。
  4. 【請求項4】 前記高炉スラグ微粉末、フライアッシ
    ュ、粒径1.18mm以下の溶銑予備処理スラグの合計
    含有量に対する粒径1.18mm以下の溶銑予備処理ス
    ラグの含有量の比が質量比で0.2超としてなることを
    特徴とする請求項3記載の製鋼スラグを原料とする水中
    硬化体。
  5. 【請求項5】 さらに、アルカリ金属及び/又はアルカ
    リ土類金属の酸化物、水酸化物、硫酸塩、塩化物から選
    ばれた1種又は2種以上を、高炉スラグ微粉末及びフラ
    イアッシュの合計含有量に対して0.2〜20mass
    %添加してなることを特徴とする請求項1〜4のいずれ
    かに記載の製鋼スラグを原料とする水中硬化体。
  6. 【請求項6】 さらに、ナフタレンスルホン酸及び/又
    はポリカルボン酸を、高炉スラグ微粉末、フライアッシ
    ュ、粒径が0.1mm以下の溶銑予備処理スラグの合計
    含有量に対して0.1〜2.0mass%添加してなる
    ことを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の製鋼
    スラグを原料とする水中硬化体。
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