JP2009281841A

JP2009281841A - 路盤材用材料の選別方法

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Publication number: JP2009281841A
Application number: JP2008133752A
Authority: JP
Inventors: Keiji Watanabe; 圭児渡辺; Kazuya Yabuta; 和哉薮田; Hiroyuki Tofusa; 博幸當房; Hisahiro Matsunaga; 久宏松永
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2008-05-22
Filing date: 2008-05-22
Publication date: 2009-12-03
Anticipated expiration: 2028-05-22
Also published as: JP5228618B2

Abstract

【課題】路盤材として使用した場合に異常膨張を生じない材料を選別することができる方法を提供する。
【解決手段】溶出試験により材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量（mol／Ｌ）を測定し、これらイオン溶出量が下記（1）式を満足する材料を路盤材用材料として選別する。エトリンガイト系膨張を生じない材料を適切に選別することができ、エトリンガイト系膨張による路盤材の異常膨張とこれによる路盤の破壊等を適切に防止することができる。
[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＜1.2×10^−４４ …（1）
【選択図】なし

Description

本発明は、コンクリート廃材、廃路盤材、スラグなどの材料から、路盤材に適した材料を選別するための方法に関する。

従来、再生路盤材等の路盤材において、使用した材料中に遊離ＣａＯ含まれる場合、水に触れると水和反応が生じて体積膨張を生じることがある。このため遊離ＣａＯを多く含む状態で路盤材に使用した場合には、異常膨張により路盤に凹凸が生じるなどの問題を引き起こすことがある。
このようなことから、遊離ＣａＯを含む可能性がある材料を路盤材に使用しようとする場合には、膨張を加速して評価する方法として、試験体を８０℃の温浴に浸漬し、膨張する材料であるかどうかを見極める手法が採られることが多い。

上述したように、これまでの路盤材の異常膨張は、路盤材中に含まれている遊離ＣａＯが水和する際に生じることが一つの原因と考えられていた。しかしながら、最近、８０℃の温浴中での水浸膨張が小さい材料であっても、路盤材として使用した場合に異常膨張を生じる問題が生じている。
したがって本発明の目的は、このような問題に鑑み、路盤材として使用した場合に異常膨張を生じない材料を選別することができる方法を提供することにある。

本発明者らは、上述した路盤材の異常膨張の原因を解明すべく、膨張した路盤材を詳細に調査・検討した結果、エトリンガイト（3CaO・Al_２O_３・3CaSO_４・32H_２O）鉱物が生成する際に生じる膨張であることを突き止めた。一般的な膨張を加速評価する水浸膨張率の測定方法は、モールド内に路盤材料を充填して８０℃で養生した後の膨張を評価するものである。しかし、エトリンガイトは低温ほど生成しやすい傾向があり、また、一旦生成したエトリンガイトも６０℃程度の温度で分解・消失してしまうため、従来の水浸膨張率の測定方法では、エトリンガイトの生成による膨張は評価できなかったことが判った。
エトリンガイトは針状の析出物であり、これが材料粒子間の間隙を押し広げるようにして析出・成長するため、膨張代も大きなものとなると考えられる。このため路盤の膨張・破壊形態も、遊離ＣａＯ系の局所的な膨張とは異なり、路盤が水平方向に膨張し、断層状に破壊されるような形態となることが判った。

本発明者らは、このようなエトリンガイト系膨張を生じない材料の選別方法について検討した結果、溶出試験により材料から溶出する特定イオンの積がエトリンガイトの溶解度積Ｋよりも小さければ、エトリンガイトの生成を回避できることから、そのような溶出試験の結果に基づきエトリンガイト系膨張を生じない材料を選別できることを見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。

［1］溶出試験により材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量（mol／Ｌ）を測定し、これらイオン溶出量が下記（1）式を満足する材料を路盤材用材料として選別することを特徴とする路盤材用材料の選別方法。
[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＜1.2×10^−４４ …（1）
［2］複数種の材料を混合して路盤材とする際に、溶出試験により各材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量（mol／Ｌ）を測定し、これらイオン溶出量の最大値が下記（1）式を満足する複数種の材料を、混合して用いる路盤材用材料として選別することを特徴とする路盤材用材料の選別方法。
[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＜1.2×10^−４４ …（1）
［3］上記［1］または［2］の選別方法において、材料が、コンクリート廃材、廃路盤材、レンガ廃材、スラグ、砕石の中から選ばれる１種または２種以上からなることを特徴とする路盤材用材料の選別方法。

本発明によれば、エトリンガイト系膨張を生じない材料を適切に選別することができ、エトリンガイト系膨張による路盤材の異常膨張とこれによる路盤の破壊等を適切に防止することができる。

本発明法により選別される材料としては、コンクリート廃材、廃路盤材、レンガ廃材、スラグ（ごみ溶融スラグ、鉄鋼スラグなど）、砕石などがあり、これらの中から選ばれる１種または２種以上を用いることができる。
エトリンガイト（3CaO・Al_２O_３・3CaSO_４・32H_２O）は、以下のようなイオンから生成される。
3CaO・Al_２O_３・3CaSO_４・32H_２O＝6Ca^２＋＋2Al(OH)_４ ⁻＋3SO_４ ^２−＋4OH⁻＋26H_２O

ここで、エトリンガイトの溶解度積Kは、
K＝[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＝1.2×10^−４４
であることから、材料から溶出するこれらのイオンの積が、エトリンガイトの溶解度積Kを下回れば、エトリンガイトは生成しない。したがって、本発明では、溶出試験により材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量（mol／Ｌ）を測定し、これらイオン溶出量が下記（1）式を満足する材料を路盤材用材料として選別するものである。
[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＜1.2×10^−４４ …（1）

ここで、上記溶出試験は、JIS K 0058-1に規定するタンクリーチング試験法に従い、下記条件で行う。
材料：利用有姿、１ｋｇ
水：１０Ｌ
撹拌：撹拌翼で２００ｒｐｍ、６時間
各イオンの検出は、例えば以下のような方法で行うことができる。
Al(OH)_４ ⁻：JIS K 0102
58.4 ICP発光分光分析法でAlを検出し、これをAl(OH)_４ ⁻に換算
Ca^２＋:イオンクロマトグラフ法
SO_４ ^２−：JIS K 0102 41.3 イオンクロマトグラフ法
OH⁻：ｐＨ測定

エトリンガイトは低温ほど生成しやすい傾向があり、また、一旦生成したエトリンガイトでも６０℃以上では殆ど分解してしまう。したがって、８０℃の膨張試験方法では、エトリンガイトが起因の膨張を評価することはできない。図１は、エトリンガイト系膨張を生じたと思われる路盤材を回収し、室温で風乾、５０℃熱処理、６０℃熱処理をそれぞれ３時間行った後にＸＲＤ分析を行った結果を示している。これによれば、室温で風乾したものはエトリンガイトが明確に認められるのに対し、６０℃熱処理したものはエトリンガイトが殆ど分解・消失していることが判る。

本発明法で、溶出試験に供されて選別の対象とされるのは、単一種類の材料または予め複数種の材料（成分組成が異なる複数種の材料）を混合して、数ヶ月程度の十分な時間をおいた混合材料であってもよいが、このような材料は、エトリンガイトが生成するものであったとしても、路盤材として施工する前に主たるエトリンガイトが生成しまうことが多いため、路盤材として施工した後に、さほど重大な異常膨張が生じることは少ない。

これに対して特に問題なのは、成分組成が異なる複数種の材料を混合して直ちに或いは短期間のうちに路盤材として施工するような場合である。このような場合には、個々の材料はエトリンガイトが生成しないようなものであっても、個々の材料から高濃度に溶出する特定成分が組み合わされることにより、路盤材として施工された後にエトリンガイトが生成することがある。例えば、成分組成が異なる複数種の材料を混合して路盤材として用いる場合、ある材料（例えば、コンクリート廃材など）からＣａイオン、ＳＯ_４イオンが多量に供給され、別の材料（例えば、アルミナ系のレンガ廃材など）からＡｌ（ＯＨ）_４イオンが多量に供給されたとすると、それらの反応によりエトリンガイトが生じることになる。

そこで、本発明の選別方法では、成分組成が異なる複数種の材料を混合して路盤材とする際に、溶出試験により各材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量（mol／Ｌ）を測定し、これらイオン溶出量の最大値が下記（1）式を満足する複数種の材料を、混合して用いる路盤材用材料として選別するものである。
[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＜1.2×10^−４４ …（1）

つまり、成分組成が異なる複数種の材料のイオン溶出量のなかから、［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量が最も高いものを選び出し、これを（1）式に代入した場合に同式を満足した複数種の材料は、これらを混合して用いてもエトリンガイトが生成されない。したがって、これをエトリンガイト系膨張を生じない路盤材用材料として選別するものである。
なお、このような選別方法は、言うまでもなく、［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の溶出量の最大値のうちの少なくとも２つが、異なる種類の材料のものである場合に実質的な有用性がある。

表１に示す成分組成を有する材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃのなかから、路盤材用材料とした場合にエトリンガイト系膨張を生じない材料及び２種類以上の材料の組み合わせを選別した。
JIS K 0058-1に規定するタンクリーチング試験法による溶出試験により各材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量を測定した。各材料のイオン溶出量及びこのイオン溶出量を代入した（1）式左辺の値、材料Ａ，Ｂを組み合わせた場合のイオン溶出量の最大値及びその最大値を代入した（1）式左辺の値、材料Ｂ，Ｃを組み合わせた場合のイオン溶出量の最大値及びその最大値を代入した（1）式左辺の値を、表２に示す。

表２によれば、材料Ａ〜Ｃは、ぞれぞれ単独では（1）式を満足するので、それぞれ単独で使用する路盤材用材料として選別可能である。
また、２種類の材料を混合して使用する場合、材料Ａ，Ｂの組み合わせでは、それらのイオン溶出量の最大値が（1）式を満足しないので、路盤材用材料として不適である。材料Ａは、Ａｌ_２Ｏ_３濃度が高い上に細粒分の割合が多いため［Al(OH)_４ ⁻］の溶出量が多く、材料Ｂは［Ca^２＋］、［SO_４ ^２−］の溶出量が多いため、これらが混合されることにより、エトリンガイトが生成してしまう。一方、材料Ｂ，Ｃの組み合わせでは、［Al(OH)_４ ⁻］の溶出量の最大値が小さく、それらのイオン溶出量の最大値が（1）式を満足するので、路盤材用材料として選別可能である。

表３は、材料Ａ、材料Ｂ、材料Ｃ、材料Ａ＋Ｂ（Ａ：Ｂ＝５０：５０）、材料Ｂ＋Ｃ（Ｂ：Ｃ＝５０：５０）について、篩目０．４２５ｍｍの篩にかけ、篩下材を成型圧：１０Ｎ／ｍｍ^２で試験体サイズ：φ５０×６ｍｍ（絶乾密度：１．８ｇ／ｃｍ^３）に成型して試験体を作製し、これを２０℃で水浸して膨張加速試験を行った結果を示している。これによれば、材料Ａ単独、材料Ｂ単独、材料Ｃ単独、材料Ｂ＋Ｃでは殆ど膨張が生じないのに対し、材料Ａ＋Ｂでは試験開始から約１０日後以降に膨張が始まり、最終的に約３％程度の膨張が生じている。これはエトリンガイトの生成によるものと考えられる。

エトリンガイト系膨張を生じたと思われる路盤材を回収し、室温で風乾、５０℃熱処理、６０℃熱処理をそれぞれ３時間行った後にＸＲＤ分析を行った結果を示すグラフ

Claims

溶出試験により材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量（mol／Ｌ）を測定し、これらイオン溶出量が下記（1）式を満足する材料を路盤材用材料として選別することを特徴とする路盤材用材料の選別方法。
[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＜1.2×10^−４４ …（1）
複数種の材料を混合して路盤材とする際に、溶出試験により各材料からの［Ca^２＋］、［Al(OH)_４ ⁻］、［SO_４ ^２−］、［OH⁻］の各イオン溶出量（mol／Ｌ）を測定し、これらイオン溶出量の最大値が下記（1）式を満足する複数種の材料を、混合して用いる路盤材用材料として選別することを特徴とする路盤材用材料の選別方法。
[Ca^２＋]^６・[Al(OH)_４ ⁻]^２・[SO_４ ^２−]^３・[OH⁻]^４＜1.2×10^−４４ …（1）
材料が、コンクリート廃材、廃路盤材、レンガ廃材、スラグ、砕石の中から選ばれる１種または２種以上からなることを特徴とする請求項１または２に記載の路盤材用材料の選別方法。