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Info
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Abstract
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
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。
(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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
しく説明する。
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)。
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Ca2MgSi2O7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P2O 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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
リ性である。
いるので、密度が高く、施工後の沈降速度が大きい。
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。
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。
8日後の圧縮強度と、水のpHを表3に一括して示す。
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)。
8日後の圧縮強度と水のpHを表4に併せて示す。
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。
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。
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。
Claims (6)
- 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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。 - 【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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---|---|---|---|
JP2000135493A JP4560887B2 (ja) | 2000-05-09 | 2000-05-09 | 製鋼スラグを原料とする水中硬化体 |
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