JP5668634B2 - 膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材およびその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、港湾用埋め立て材、サンドコンパクションパイル材料、道路用路盤材に使用される鉄鋼スラグ水和固化体を破砕処理した膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材およびその製造方法に関する。

砂利、砂等の枯渇する天然材料に代わる環境負荷が少ないリサイクル材として、製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方と、セメントに代わる材料として高炉水砕スラグ微粉末と水を主要材料とし、必要に応じてフライアッシュ、高炉水砕スラグを配合して練り混ぜ、型枠内に打ち込み、養生して製造される鉄鋼スラグ水和固化体が知られている。（例えば、非特許文献１、２参照）。

前記の鉄鋼スラグ水和固化体は、例えば、港湾工事などに使用される異形ブロック、根固め方塊、捨てブロック、上部コンクリート、捨石代替材などの無筋部材（ただし、補助鉄筋を用いたものは含まれる）として利用され、具体的には、消波ブロック、被覆ブロック、魚礁ブロック、人工石材等の港湾土木材料として使用されている。

また、従来、道路に用いる鉄鋼スラグとしては、高炉徐冷スラグあるいは高炉水砕スラグ等の高炉スラグと、転炉スラグあるいは電気炉スラグ等の製鋼スラグを素材とし、高炉スラグあるいは製鋼スラグの素材を単独または組み合わせて路盤材として製造したもの、並びに製鋼スラグを素材とし、加熱アスファルト混合物および瀝青安定処理（加熱混合）に用いる骨材として製造したものとがある。

前記の高炉スラグあるいは製鋼スラグを道路用路盤材として使用する場合、特に製鋼スラグの場合には、蒸気エージング処理をしても、製鋼スラグの内部まで蒸気エージング処理が行いにくいという問題がある。その理由は、塊状の製鋼スラグの内部中心部まで、蒸気を侵入させることが困難であり、蒸気が詰まって反応しない部分が生じるからである。

また、従来、特許文献１にも公表されているように、粒径２５ｍｍ以下のものが８０％以上となるように破砕した常温の製鋼スラグを圧力容器に装入し、該圧力容器を密閉して容器内に加圧水蒸気を供給して容器およびスラグを加熱することによって凝縮した熱水を排出しつつ圧力容器内を昇温・昇圧し、次いで容器内を２〜１０ｋｇ／ｃｍ²Ｇ（０．１９６〜０．９８１ＭＰａＧ）の圧力の飽和水蒸気雰囲気に１〜５時間保持した後、圧力容器内を大気圧まで減圧して製鋼スラグを排出するようにした蒸気エージング方法による製鋼スラグを道路用路盤材として用いる技術も知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、破砕された製鋼スラグは、細粒分含有量と膨張量とが大きいという特徴がある。このように、細粒分含有量と膨張量が大きい製鋼スラグは、利用価値が低くかつ膨張安定化のための蒸気エージング処理が行いにくい（蒸気が詰まって反応しない部分が生じる）という問題点があり、内部にＣａＯが残留する。

特開平８−１６５１５１号公報

日本工業規格 ＪＩＳ Ａ５０１５ 鉄鋼スラグ水和固化体 技術マニュアル 製鋼スラグの有効技術マニュアル 財団法人沿岸開発技術開発センター発行 平成２０年２月

前記の鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して用いる人工石材は、ケーソン中詰め材、捨石材、埋め立て材、サンドコンパクションパイル材料、道路用路盤材等として天然石材代替材として使用することができる。

しかし、鉄鋼スラグ水和固化体には、膨張特性を有する製鋼スラグを含むため、膨張抑制されていない破砕材料を使用した場合、膨張により、地盤または道路が上下方向あるいは横方向に膨らむようになる恐れがあり、地盤が変位したり、周囲の構造物に変位あるいは損傷を生じる恐れがあり、不足の損害を生じる恐れを生じる。

なお、水和固化体材料を地盤あるいは港湾埋め立て材料等に利用できることも知られている。
しかし、膨張特性を有する製鋼スラグを含む鉄鋼スラグ水和固化体でも、膨張管理された破砕材料を使用すれば、地盤または道路が上下方向あるいは横方向に膨らむ恐れがなく、地盤が変位することもなく、周囲の構造物に損傷を生じる恐れもないため、そのような膨張管理された人口石材が望まれる。
本発明は、前記の課題を有利に解消するようにした、膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材およびその製造方法を提供することを目的とする。

前記の課題を有利に解決するために、第１発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材は、製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方と、高炉水砕スラグ微粉末と水とを主要材料とし、これらを混練し硬化させた鉄鋼スラグ水和固化体であって、鉄鋼スラグの８０℃水浸膨張比αと、単位体積あたりの鉄鋼スラグの配合量βとが下記の式および条件を満足する鉄鋼スラグ水和固化体を破砕したことを特徴とする。
α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）
ただし、
α：ＪＩＳ Ａ５０１５で規定される鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグの８０℃水浸膨張比（％）であり、１．８２≦α≦１５（％）
β：鉄鋼スラグ水和固化体の単位体積あたりの製鋼スラグの配合量（ｋｇ／ｍ³）
であり、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）
また、第２発明は、第１発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材において、港湾用埋め立て材またはサンドコンパクションパイル材料あるいは道路用路盤材のいずれかであることを特徴とする。
また、第３発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の製造方法は、製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方と、高炉水砕スラグ微粉末と水とを主要材料とし、これらを混練し硬化させた鉄鋼スラグ水和固化体を破砕処理して製造される膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の製造方法であって、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比αと、単位体積あたりの鉄鋼スラグの配合量βとが下記の式および条件を満足する鉄鋼スラグ水和固化体を製造した後、その鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して粒径が５０ｍｍ以下に粒状化したことを特徴とする。
α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）
ただし、
α：ＪＩＳ Ａ５０１５で規定される鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグの８０℃水浸膨張比（％）であり、１．８２≦α≦１５（％）
β：鉄鋼スラグ水和固化体の単位体積あたりの製鋼スラグの配合量（ｋｇ／ｍ³）
であり、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）

本発明によると、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比（％）と、製鋼スラグの配合量との積を算定することにより、製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方からなる鉄鋼スラグ水和固化体を破砕処理した細粒化された土木材料であっても、膨張を抑制されていると共に固化を防止されている道路用路盤材またはサンドコンパクションパイル材料あるいは埋め立て用材料を容易に設計することができる。したがって、道路用路盤材またはサンドコンパクションパイル材料あるいは埋め立て用材料として、品質の安定した材料を確実に安価に製造することができる効果が得られる。

本発明において使用する膨張が抑制された土木用材料（膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材）の粒径と通過質量百分率（％）の関係を示すグラフである。 製鋼スラグ膨張率と単位量との積と、人工石材の８０℃水浸膨張比との関係を示すグラフである。 鉄鋼スラグの８０℃水浸膨張比αと、単位量βとの関係を示すグラフである。

次に、本発明を図示の実施形態に基づいて詳細に説明する。

先ず、本発明において利用する鉄鋼スラグ水和固化体とは、非特許文献２にも記載されているように、製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグの混合材のいずれか一方と、高炉水砕スラグ微粉末を水とを主要材料として練り混ぜ、固化（硬化）させたもの（すなわち、鉄鋼スラグ水和固化体）である。また、前記の主要材料に加えて、必要に応じ、高炉水砕スラグ、フライアッシュ、および消石灰、セメントのアルカリ刺激材も用いることができる。

製鋼スラグとは、溶銑、スクラップなどを精錬し、靭性、加工性を有する鋼を製造する製鋼過程で生成するＣａＯ，ＳｉＯ₂などを主成分とする無機物である。一般には、砕石状の外観を呈する。

また、製鋼スラグは、製鋼工程で生じる石灰分を主体とした副産物であり、転炉スラグ、溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ、電気炉還元スラグ、電気炉酸化スラグ、二次精錬スラグ、造塊スラグの１種または２種以上を混合したものである。鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグは、露天で長期間雨露にさらす自然エージング、または高温蒸気にさらす蒸気エージングされた製鋼スラグが使用される。

鉄鋼スラグ水和固化体に用いる高炉水砕スラグ微粉末としては、石膏を添加する場合と、添加しない場合とがある。

鉄鋼スラグ水和固化体には、例えばフライアッシュを含有させることができる。

本発明で得られる鉄鋼スラグ水和固化体は、破砕して粒径が１００ｍｍ〜１０００ｍｍ以下程度の割栗石状の人工石材として、あるいは粒径が３００ｍｍ程度以下の砂礫状の人工石材として利用できる。また、さらに破砕し細粒分をふるい分けして粒径を４０ｍｍ〜５０ｍｍ以下に小さくすれば、埋立材料、サンドコンパクションパイル材料、道路路盤材として利用することができる。

鉄鋼スラグ水和固化体の破砕による製造方法として、ジャイアントブレーカーを用いれば、大割破砕して最大径１０００ｍｍ程度以下の石材として利用する他に、さらに移動式破砕プラント等により最大径４０〜１００ｍｍ程度以下に破砕するかもしくは最大径１０００ｍｍ程度以下の石材製造時に発生する４０〜１００ｍｍ程度以下の石材をふるい分けして埋立材料、サンドコンパクションパイル材料、道路路盤材として利用する。

そして、前記のように、本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材は、製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方と、高炉水砕スラグ微粉末と水とを主要材料とし、これらを混練し硬化させた鉄鋼スラグ水和固化体を破砕した材料が用いられ、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比αと、単位体積あたりの製鋼スラグの配合量βとが下記の式および条件を満足する鉄鋼スラグ水和固化体を前記のように破砕処理して粒径を小さくした膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材である。
α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）
ただし、
α：ＪＩＳ Ａ−５０１５で規定される鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグの８０℃水浸膨張比（％）であり、０≦α≦１５（％）
β：鉄鋼スラグ水和固化体の単位体積あたりの製鋼スラグの配合量（ｋｇ／ｍ³）
であり、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）
前記のα・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）に設定した理由は、本発明における鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の膨張率（％）を１．５％以下にするためである。このように、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）とすることで、膨張率（％）、すなわち、（８０℃水浸膨張比（％））を１．５％以下にし、施工した場合に、人口石材の膨張による問題が起こることはなく、港湾用埋め立て材またはサンドコンパクションパイル材料あるいは道路用路盤材に用いることができるためである。
また、前記の鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグの８０℃水浸膨張比α（％）を０≦α≦１５（％）とした理由は、０≦α（％）であると、収縮による悪影響が防止可能であり、また、αがα≦１.５（％）であると、膨張による周辺への悪影響が回避できるため、αを０≦α≦１５（％）に設定している。
また、前記の鉄鋼スラグ水和固化体の単位体積あたりの製鋼スラグの配合量β（ｋｇ／ｍ³）を０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）とした理由は、製鋼スラグを配合している鉄鋼スラグ水和固化体とするために０＜β（ｋｇ／ｍ³）とし、また、β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）とすることにより、製鋼スラグ８０℃水浸膨張比α（％）が小さい場合にも、製鋼スラグの単位配合量（β）は最大でも２３００ｋｇ／ｍ³であることが必要であるためである。

このような膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を製造する場合には、製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方と、高炉水砕スラグ微粉末と水とを主要材料とし、これらを混練し硬化させた鉄鋼スラグ水和固化体を破砕処理して製造される。
かつ、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比αと、単位体積あたりの製鋼スラグの配合量βとが下記の式および条件を満足する鉄鋼スラグ水和固化体を製造した後、その鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して粒径が５０ｍｍ以下に粒状化して製造される膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材である。
α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）
ただし、
α：ＪＩＳ Ａ−５０１５で規定される鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグの８０℃水浸膨張比（％）であり、０≦α≦１５（％）
β：鉄鋼スラグ水和固化体の単位体積あたりの製鋼スラグの配合量（ｋｇ／ｍ³）
であり、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）

次に、前記のようにして製造された膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の膨張の性質について、図等を参照しながら説明する。

図１には、鉄鋼スラグ水和固化体を破砕した本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材Ｃａｓｅ１〜３について、これら材料の粒径（ｍｍ）の分布とふるい通過質量百分率（％）との関係がグラフで示されている。いずれの材料とも同様な粒径分布のものが使用されている。

本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を製造するにあたり、主要材料は、次のようなものを用いた。
（１）鉄鋼スラグ水和固化体の骨材としては、製鋼スラグ単体、または製鋼スラグと高炉スラグ等との混合材を用いることができる。実験に用いた鉄鋼スラグは、製鋼スラグ単体である。
（２）製鋼スラグとしては、転炉スラグ、溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ、電気炉還元スラグ、電気炉酸化スラグ、二次精錬スラグ、造塊スラグの１種または２種以上を混合したものを用いることができる。実験に用いた製鋼スラグは、転炉スラグを用いた。
（３）製鋼スラグに含まれるＭｇＯ含有率は８．５％（質量％）以下である。
（４）製鋼スラグは、膨張率が０．５％〜１５％程度（最頻値：３％〜１０％）のものを用いた。

前記のように、膨張率の異なる製鋼スラグを、表１に示すような種々の条件で配合し、鉄鋼スラグ水和固化体を製造後、これを破砕して、粒径が４０ｍｍ〜５０ｍｍ以下の本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を製造し、その膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の試料をＪＩＳ Ａ５０１５に規定する試験法に従って、容器に最大乾燥密度で締固めた供試体、または水を張った容器に、前記の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の試料を水中落下で作製した供試体を、８０℃で養生し、１０日間の膨張率を測定した。その測定結果を図２に示す。

図２に、膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の８０℃水浸膨張比（％）で１．５％で示す値以下であれば、道路用路盤材、サンドコンパクションパイル材料、埋め立て材として利用可能であるため、製鋼スラグの膨張率（％）と、製鋼スラグの単位体積あたりの配合量（ｋｇ／ｍ³）の積を横軸とし、本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の８０℃水浸膨張比（％）を縦軸にとったグラフにプロットし、相関関係があることを理解すると共に、この相関関係から、８０℃水浸膨張比（％）が１．５％で示す値以下にする場合について、製鋼スラグの膨張率と、製鋼スラグの単位体積あたりの配合量（ｋｇ／ｍ³）の積が、どの程度可能であるかを考察した結果、９５００（％・ｋｇ／ｍ³）以下であれば、配合可能であることがわかった。
また、図２のグラフから、本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の８０℃水浸膨張比（％）をｙとし、製鋼スラグの膨張率（％）と、製鋼スラグの単位体積あたりの配合量（ｋｇ／ｍ³）の積をｘとした場合、ｙ＝０．０００２ｘ−０．１６１８で表せることがわかった。

また、製鋼スラグ８０℃水浸膨張比α（％）を横軸にとり、鉄鋼スラグ水和固化体単位体積あたりの製鋼スラグの単位配合量（β）を縦軸にとって、本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を製造可能な、製鋼スラグ８０℃水浸膨張比α（％）と、鉄鋼スラグ水和固化体単位体積あたりの製鋼スラグの単位配合量（β）の範囲を明らかにした図を、図３に示す。
図３で、白抜きの四角「□」で示した各プロットで示すデータは、本発明における鉄鋼スラグ水和固化体単位体積あたりの製鋼スラグの単位配合量（β）の式、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）と、α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）と、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比αの式、０≦α≦１５（％）との関係から、α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）を満足するように、単位体積あたりの製鋼スラグの配合量βと、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比αの式０≦α≦１５（％）とを変化させた場合のグラフである。

図３において、製鋼スラグ８０℃水浸膨張比α（％）がプロットした部分よりも下側部分においては、本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を製造する場合に適用可能な範囲であり、上側では、本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材を製造する場合に利用できない範囲である。したがって、製鋼スラグ８０℃水浸膨張比α（％）が小さくても、製鋼スラグの単位配合量（β）は最大でも２３００ｋｇ／ｍ³であることが必要であり、また、製鋼スラグ８０℃水浸膨張比α（％）は最大でも、製鋼スラグの単位配合量（β）が５００ｋｇ／ｍ³では、２０％程度であることがわかる。

前記のような、本発明の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材は、例えば、港湾用埋め立て材またはサンドコンパクションパイル材料あるいは道路用路盤材（特に、上層あるいは表層部用の路盤材）のいずれかに用いた場合でも、膨張抑制された材料であり、所望の強度、あるいは３ｃｍ／ｓ以上の透水係数を確保することができる。

Claims (3)

1. 製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方と、高炉水砕スラグ微粉末と水とを主要材料とし、これらを混練し硬化させた鉄鋼スラグ水和固化体であって、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比αと、単位体積あたりの製鋼スラグの配合量βとが下記の式および条件を満足する鉄鋼スラグ水和固化体を破砕処理したことを特徴とする膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。
   α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）
   ただし、
   α：ＪＩＳ Ａ５０１５で規定される鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグの８０℃水浸膨張比（％）であり、１．８２≦α≦１５（％）
   β：鉄鋼スラグ水和固化体の単位体積あたりの製鋼スラグの配合量（ｋｇ／ｍ³）
   であり、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）
2. 港湾用埋め立て材またはサンドコンパクションパイル材料あるいは道路用路盤材のいずれかである請求項１に記載の膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材。
3. 製鋼スラグ単体または製鋼スラグと高炉スラグとの混合材のいずれか一方と、高炉水砕スラグ微粉末と水とを主要材料とし、これらを混練し硬化させた鉄鋼スラグ水和固化体を破砕処理して製造される膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の製造方法であって、製鋼スラグの８０℃水浸膨張比αと、単位体積あたりの製鋼スラグの配合量βとが下記の式および条件を満足する鉄鋼スラグ水和固化体を製造した後、その鉄鋼スラグ水和固化体を破砕して粒径が１０００ｍｍ以下に粒状化したことを特徴とする膨張管理された鉄鋼スラグ水和固化体製人工石材の製造方法。
   α・β≦９５００（％・ｋｇ／ｍ³）
   ただし、
   α：ＪＩＳ Ａ５０１５で規定される鉄鋼スラグ水和固化体に用いる製鋼スラグの８０℃水浸膨張比（％）であり、１．８２≦α≦１５（％）
   β：鉄鋼スラグ水和固化体の単位体積あたりの製鋼スラグの配合量（ｋｇ／ｍ³）
   であり、０＜β≦２３００（ｋｇ／ｍ³）

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