JP2004299922A - 固化体製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】水を添加する前の材料混練の程度に係わらず確実にセメントと石炭灰を混合でき、所望の固化体品質を確実に得る固化体製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰に水を添加して混練後、型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法。また、製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰を混練した後に、水を添加して混練し、その後型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法。
【選択図】 なし

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート状の固化体を振動による成形にて製造する方法に関し、詳しくは、従来のセメントと石炭灰を用いて振動で締め固める固化体製造方法で問題となる石炭灰玉の発生（水を含んだ石炭灰が材料混練時に玉状になってしまい、他材料と均質に混ざりにくくなってしまうという問題）を防止可能とする固化体製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電力需要の増加と、石油燃料の大量消費抑制のための石炭火力発電の見直しから、石炭灰の発生量が増加傾向にある。この石炭灰の有効利用の拡大を課題として、石炭灰を多量に用いた固化体を振動締め固めによって製造する技術が開示されている。
【０００３】
【特許文献１】
特許第３２０１９３４号公報
【特許文献２】
特開２０００−２４７７１９号公報
【０００４】
【特許文献１】では、セメントと乾燥微粉体（石炭灰等）とを含む水硬性材料を混練し、海水及び／又は水を｛最適含水比＋（０〜５）｝％の範囲内にて添加して十分混練し、型枠に打設し、この打設された水硬性材料の電気抵抗値が低下するまで前記型枠を振動させて締め固めることにより、通常の型枠流し込み成形の様に作業性の確保のために多量の水を必要とすることなく、ひび割れが生じる恐れがなく、ブリージングが少なくて均質で、且つ乾燥しても表面にヘアクラックが生じない硬化体（固化体と同義）製造技術が開示されている。
【０００５】
また、（特許文献２）では、セメント、焼却灰（石炭灰等）、硬化促進剤及び骨材とを含む水硬性材料を混練し、海水及び／又は水を最適含水比＋（０〜５）％の範囲内にて混練し、型枠に打設し、この型枠を振動させて打設された水硬性材料を締め固めることにより、上記の
【特許文献１】で製造される固化体と比べて比重が大きく、消波ブロック等、波浪等の外力の影響を受ける箇所への適用が可能となる硬化体体を製造する技術が開示されている。
【０００６】
以上の（特許文献１）〜（特許文献２）は双方とも、粉体使用量が多い硬化体を製造するにあたり、型枠を振動させて締め固める製造方法をとることによって最適含水比＋（０〜５）％の範囲内という少量の水で硬化体を製造するものである。型枠に流し込んだ後にバイブレーター等で締め固める一般的な製造方法では、型枠に流し込む際に混練材料の流動性が必要となるため、水の添加量を必然的に多くする必要があり、これが所要の圧縮強度を発現させるためのセメント使用量の増加につながり、硬化時の発熱によるひび割れが発生する他、固化体中に残留した余剰水が乾燥して表面にヘアクラックを生じさせるという問題がある。上記（特許文献１）〜（特許文献２）は、振動で締め固めることによる添加水量削減でこれらの問題を解決するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上記の（特許文献１）〜（特許文献２）は双方とも、石炭灰以外の粉分として自硬性材料であるセメントを使用するものである。石炭灰の真比重は、微粉炭燃焼灰で１．９から２．５程度（平均値で２．２程度）、流動床燃焼灰で２．３から２．６程度（平均値で２．５程度）であるのに対し、セメントの比重は普通ポルトランドセメントで３．１５程度、早強ポルトランドセメントで３．１３程度、中庸熱ポルトランドセメントで３．２０程度と、石炭灰に比べてセメントの比重は大きなものである。
【０００８】
このことから、水を添加する前のセメントと石炭灰の混練が不十分であると、セメントと石炭灰が均質に混ざり合わず、水分を含んだ石炭灰のみの玉が生じてしまう。石炭灰自身は非常に弱い水硬性しか有しておらず、硬化にはカルシウム分の添加によるポゾラン反応の発現が必要であるため、固化体内にこの石炭灰の玉が混入してしまうということは固化体の強度低下を引き起こすという問題が生じる。この問題は、骨材を使用する場合には、コンクリートミキサーによる大雑把な攪拌でも骨材が攪拌子の役割をするためにセメントと石炭灰の混合性が向上して上記問題は軽減するものの、問題発生の危険性を無くすことはできない。また、セメントと石炭灰の均質な混合のためには、水を添加する前に十分混練することが必要であるが、その混練の程度を見極めることは、セメントと石炭灰の色が極似していることが多いため、極めて困難であるという問題もある。
【０００９】
以上の問題に対して、本発明は水を添加する前の材料混練の程度に係わらず確実にセメントと石炭灰を混合でき、所望の固化体品質を確実に得る固化体製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は下記のように構成される。
（１） 製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰に水を添加して混練後、型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法。
（２） 製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰を混練した後に、水を添加して混練し、その後型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法。
（３） さらにアルカリ刺激材を添加することを特徴とする（１）または（２）に記載の固化体製造方法。
（４） 水の添加時に、混和剤を混合することを特徴とする（１）〜（３）いずれかに記載の固化体製造方法。
（５） 混練前に、高炉スラグ微粉末と石炭灰を事前に混合しておくことを特徴とする（１）〜（４）いずれかに記載の固化体製造方法。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、結合材にセメントを用いず、セメントの代わりに比重がより石炭灰に近く、かつ色が石炭灰とは明らかに異なる高炉スラグ微粉末を用いることにより、混練時に結合材と石炭灰が均質に混合しやすくなり、かつ混合度合いの把握ができることで石炭灰玉の発生による固化体の品質低下が防止できることを、本含発明の技術として新規に知見した。
【００１２】
本発明の第１の形態は、製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰に水を添加して混練後、型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法である。
結合材にセメント（比重が３．１〜３．２程度）を用いず、比重が２．８〜２．９程度である高炉スラグ微粉末を用いることにより、結合材を比重が２．２〜２．５程度の石炭灰とより混合しやすくすることが可能となる。これにより、混練時に発生した石炭灰のみの玉が固化体内に存在することに起因する固化体の強度低下を大幅に軽減することが可能となる。
【００１３】
また、配合条件や混練条件によっては、混練時に骨材を核にして粉体の玉が発生する場合があるが、そのような場合においても、高炉スラグ微粉末は白色であるのに対して石炭灰は灰色であるため、採取した玉を割って、破壊面の色を観察することにより、高炉スラグ微粉末と石炭灰が混合したものが玉になり固化体強度に問題がないものなのか、または石炭灰のみが玉になってしまい固化体強度に問題を生じるものなのかを容易に見分けることができる。これにより、石炭灰のみの玉が発生した場合は、混練時間を延長するか、少量の混練であれば石炭灰の玉を潰す作業を加えることで、石炭灰のみの玉が発生し、固化体内に混入することを確実に防止できる。
【００１４】
高炉スラグ微粉末とは、銑鉄を製造する高炉で溶融された鉄鉱石のうち、鉄以外の成分を副原料の石灰石やコークス中の灰分と一緒に分離回収した高炉スラグを、溶融状態から高圧水で急冷（ヤードで徐冷するものは高炉徐冷スラグという）することでガラス質（非結晶）の粒状スラグ（高炉水砕スラグ）とし、さらにこれを粉砕加工したものであり、セメントのように水と混ぜるだけで硬化するという自硬性は有していないが、アルカリ刺激の下では硬化するという潜在水硬性を有している。本発明では骨材に製鋼スラグを含有するものを使用するため、製鋼スラグからのアルカリ刺激の下で潜在水硬性によって硬化する。なお、高炉スラグ微粉末には様々な比表面積（ＪＩＳ Ａ ６０２６）のものが存在するが、その選定は、固化体に求められる圧縮強度とそれを得るための養生日数、そして水の添加量等から適宜行なうものであるが、通常は４０００ｃｍ^２／ｇ程度の比表面積であることが多い。また、高炉スラグ微粉末に石膏を５質量％程度添加したものが一般的であるが、本発明では石膏を添加していない高炉スラグ微粉末も使用可能である。気温が高く凝結が早くなる場合で、かつ混練場所と型枠に打設する場所とが離れている場合等において、固化体を製造する際に、石膏が添加されているものを使用することによって、凝結時間を遅らすことができるため、型枠打設前に必要以上に混練材量が凝結してしまうことによる締め固めへの悪影響を防止できる。
【００１５】
石炭灰は、国内外を問わず、各産地の各種のものを用いることができる。また、微粉炭燃焼灰、流動床燃焼灰、ストーカー燃焼灰のいずれも利用可能であるが、有効利用の観点から、これらのうち発生量の大きな微粉炭燃焼灰を使用することが好ましく、微燃焼微粉炭の中でもさらに発生比率の高いフライアッシュという形態のものを使用することが好ましい。さらに、フライアッシュのうちＪＩＳ Ａ ６２０１に適合するものはコンクリートまたはモルタルに混和材として使用可能であるため、有効利用の観点からは、フライアッシュの中でもＪＩＳ Ａ ６２０１に適合しないものを使用することが好ましいといえる。
【００１６】
なお、石炭灰使用量に対する高炉スラグ微粉末使用量は、石炭灰１００質量部に対して高炉スラグ微粉末を１０質量部以上６００質量部以下が好ましく、さらに２０質量部以上１７５質量部以下がより好ましい。高炉スラグ微粉末の使用量を石炭灰１００質量部に対して１０質量部以上とした理由は、１０質量部未満では固化体の強度が発現しないためであり、６００質量部以下とした理由は、６００質量部を超えて添加しても固化体の強度がさほど上昇しないためである。また、２０質量部以上がより好ましい理由は、２０質量部以上であるとより確実に強度が発現するようになるためであり、１７５質量部以下がより好ましい理由は、高炉スラグ微粉末の添加量に対してより確実に強度上昇が得られるのが１７５質量部以下であるためである。
【００１７】
製鋼スラグを含有する骨材のうち、製鋼スラグとは、高炉で製造された硬くて脆い銑鉄から、不要な成分を除去し、靭性・加工性のある鋼にする製鋼過程で生じる石灰分を主体とした粉粒状の副産物であり、転炉スラグ、溶銑予備処理スラグおよび電気炉スラグ等を用いることができる。また、製鋼スラグ以外の骨材としては、高炉スラグ微粉末の硬化現象（水と反応してカルシウムとシリカと水の水和物、あるいはカルシウムとアルミナと水の水和物を生成して硬化する）を妨げないもの、および水溶性を有しないものであれば、いかなる粒状物でも使用可能であるが、副産物の有効利用という観点から考えると、高炉水砕スラグ、高炉徐冷スラグ、フェロニッケルスラグ、銅スラグ等の鉄鋼スラグが好ましい。
【００１８】
なお、製鋼スラグの含有量は、骨材１００容量部に対して３０容量部以上が好ましく、上限は特に規定しない。３０容量部以上とした理由は、３０容量部未満であると高炉スラグ微粉末に対するアルカリ刺激が不足し、固化体が硬化しにくいためであり、上限を特に規定しない理由は、固化体の硬化にはアルカリ刺激が高いほど有利となるためである。なお、製鋼スラグを含有する骨材の使用量は、固化体１００容量部に対して３０容量部以上８０容量部以下が好ましい。骨材を３０容量部以上とした理由は、３０容量部未満の場合は骨材を攪拌子とした粉体材料の混合性の向上が発現しにくくなるためであり、８０容量部以下とした理由は、８０容量部を超えると固化体の強度発現に必要な高炉スラグ微粉末や、有効利用を促進する石炭灰の使用量を確保しにくくなるためである。
【００１９】
水は、有害量の油、酸、有機物を含まない清浄なものであれば使用可能であり、水道水、河川水、地下水が好ましい。また、固化体の凝結時間の短縮をはかる場合には、各種塩類のうち１種または２種以上を塩類濃度１０，０００ｐｐｍ程度以上含有した水を使用してもよい。各種塩類としては、ケイ沸化ナトリウム、塩化ナトリウム、塩化アンモニウム、炭酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、炭酸ナトリウム、硫酸マグネシウム、硝酸ナトリウム、フミン酸ナトリウム等がある。塩類濃度１０，０００ｐｐｍ程度以上が好ましい理由は、濃度が１０，０００ｐｐｍ程度以上になると、塩類による凝結促進硬化が表れやすくなるためである。なお、水の使用量は、固化体に求められる圧縮強度と水の添加量等から適宜行なうものであり、特に規定するものではないが、添加量として最適含水比＋０〜５％の範囲程度であることが多い。なお、最適含水比とは、ある一定のエネルギーのもとで材料の締め固めを行なった場合に、密度が最大になるような含水比である。
混練については、可倒式ミキサ、強制練りミキサおよび連続ミキサといったコンクリート用ミキサの他、手練りも可能である。
【００２０】
以上の様に、本発明による混練方法により、固化体の材料を混練したものを、型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることにより、通常のコンクリートと同様の混練時間で、石炭灰が固まりで残存することによる強度欠損部分が生じない固化体を得ることができる。
【００２１】
本発明の第２の形態は、製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰を混練したものに水を添加して混練後、型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法である。
【００２２】
従来技術で用いる結合材であるセメントを高炉スラグ微粉末に代えることで結合材と石炭灰の比重を近づける他に、水を添加する前に材料を混練することにより、粘性の無い状態で材料を攪拌することで、さらに確実な材料混合が可能となる。また、本方法の場合、水を添加する以前の段階で白色の高炉スラグ微粉末と灰色の石炭灰が確実に混ざり合ったかどうかを目視でより確実に確認できるため、この段階で確実に石炭灰と高炉スラグ微粉末との混合を行うことにより、その後に水を添加した際の混練で石炭灰のみの玉が生じるということを確実に防止できるようになる。
使用材料や混練方法については第１の発明の形態と同様である。
【００２３】
本発明の第３の形態は、第１の発明または第２の発明において、さらにアルカリ刺激材を添加することを特徴とする固化体製造方法である。
【００２４】
本発明では、固化体の強度は骨材に使用する製鋼スラグのアルカリ刺激によって高炉スラグ微粉末の潜在水硬性が発現されることによって得られるが、製鋼スラグの成分構成によってはアルカリ度が低く刺激が不足する場合や、より少ない高炉スラグ微粉末量で確実に固化体の強度を得たい場合が生じることが考えられる。このような場合においては、アルカリ刺激材を添加することで確実に所定の固化体強度を得ることが可能となる。
【００２５】
アルカリ刺激材としては、生石灰、消石灰、各種セメント（普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント等）、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム等のアルカリ性を有する材料であれば特に種類を規定するものではなく、また複数の種類を混合して使用することも可能である。なお、安全性の観点から、各種セメントか消石灰を使用することが好ましい。
【００２６】
また、アルカリ刺激材が粉の状態で使用する場合には、水を添加する前の固化体材料に添加することが好ましく、水溶液として使用する場合には、添加する水と予め混合するか、もしくは水の添加とほぼ同時に固化体材料に添加することが、混合を良好に行う点から好ましい。
【００２７】
アルカリ刺激材の添加量は特に規定するものではなく、所望の強度、および高炉スラグ微粉末の使用量に応じて設定すれば良いが、通常は高々高炉スラグ微粉末１００質量部に対して１０質量部程度である。
【００２８】
本発明の第４の形態は、第１の発明から第３の発明において、水の添加時に混和剤を混合することを特徴とする固化体製造方法である。
【００２９】
本発明の固化体は、通常のコンクリートに使用する混和剤を添加することにより、コンクリートと同様にまだ固まらない状態の性質や硬化した後の性質を改善することができる。
【００３０】
混和剤とは、コンクリートの混練時に必要に応じてコンクリートの成分として添加し、まだ固まらないコンクリートまたは硬化したコンクリートの性質を改善することを目的とする混和材料のうち、使用量が比較的少なく、薬品的な使い方をするものである。
【００３１】
本発明の固化体に使用できる混和剤としては、ＡＥ（ポリエチレンアルキルエーテル）剤、減水剤、促進剤、遅延剤、発泡剤、起泡剤、防水剤、防錆剤、着色剤等がある。
【００３２】
ＡＥ剤は界面活性剤の一種であり、固化体中に微細な独立気泡を一様に分布させることにより、気泡がボールベアリングのような働きをしてコンシステンシー（まだ固まらない状態の流動性を表す用語であり、コンシステンシーが大きいと作業が容易となり、同時に材料の分離傾向が大きくなる）を著しく増すとともに、保水効果を発揮してブリージング（材料分離の一種であり、他材料よりも比重の軽い水が上面に浮き出る現象）を減じることができるものであり、単位水量の削減に応じて所定の強度を得るために必要な高炉スラグ微粉末量も削減でき、経済性を高めることが可能となる。
【００３３】
減水剤は、高炉スラグ微粉末粒子の分散その他によって固化体の単位水量を減少するものである。減水剤には陰イオン系のものと非イオン系のものとに大別されるが、どちらを使用してもよい。
促進剤は、固化体の凝結・硬化を促進する混和剤であり、固化体を寒中にて製造する場合や緊急に製造する場合において有効となる。
【００３４】
遅延剤は、高炉スラグ微粉末の凝結を遅延させるために使用するものであり、暑中における固化体の製造や、混練場所と型枠打設場所が離れており長時間運搬が必要となる場合において、その使用が有効となるものである。
発泡剤はガス発生剤とも呼ばれ、アルミニウム、マグネシウムまたは亜鉛による化学反応によってガスを発生させ、固化体中に微細気泡を分布させるものである。
【００３５】
起泡剤はたんぱく質やサポニンによって固化体中に気泡を分布させるもの、防水剤は固化体の吸水性や透水性を減じるもの、防錆剤は鉄筋の腐食発生を抑制するもの、そして着色剤は無機質染料を用いて固化体を着色するものである。
以上の混和剤の使用量は、固化体の配合や改善したい固化体の性質の程度によって適宜決定するものであり、特に規定するものではない。
【００３６】
なお、石炭灰は多孔質であるため、混和剤を吸着し、効果を減じる場合がある。このような場合には、石炭灰に吸着しない混和剤、または吸着しにくい混和剤を使用することが好ましい。
【００３７】
本発明の第５の形態は、第１の発明から第４の発明において、混練前に、高炉スラグ微粉末と石炭灰を混合しておくことを特徴とする固化体製造方法である。
石炭灰は真比重が２．２から２．５と小さいため、ミキサへ投入する際に飛散してしまい、作業環境を悪化させる場合が多いが、ミキサ投入前に石炭灰よりも比重が大きな高炉スラグ微粉末（比重２．８〜２．９程度）と混合しておくことにより、比重の大きな高炉スラグ微粉末が比重の小さな石炭灰を叩き落とす効果を発揮し、石炭灰の飛散による作業環境の悪化を軽減することが可能となる。この段階では、高炉スラグ微粉末と石炭灰の混合が、必ずしも十分されていなくても、後工程で混合されるため問題はない。
【００３８】
【実施例】
（実施例１）
表１に示す配合で、混練の程度（混練時間）の異なる製作条件の下で、１０体ずつ固化体供試体を作製し、２８日標準養生後の圧縮強度を計測した。材料が均等に混練され、固化体内にフライアッシュのみが存在する部分が生じなければ、１０体の固化体供試体の強度はほぼ一様である。なお、供試体製作は、ＪＩＳ Ａ １１３８「試験室におけるコンクリートの作り方」およびＪＩＳ Ａ １１３２「コンクリートの強度試験用供試体の作り方」に、そして圧縮強度の計測はＪＩＳ Ａ １１０８「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準じて行なった。
【００３９】
なお、製鋼スラグには２５ｍｍアンダーの溶銑予備処理スラグを、そしてフライアッシュにはＪＩＳ Ａ ６２０１「コンクリート用フライアッシュ」の２種に適合したものを使用し、供試体寸法はφ１００ｍｍ×ｈ２００ｍｍの円柱供試体とした。
結果を表２に示す。
【００４０】
【表１】

【００４１】
【表２】

【００４２】
表２において、網掛けを施したものは、他の供試体と比べて圧縮強度が著しく低かったもの、すなわち、混練後もフライアッシュが高炉スラグ微粉末と混合せずに部分的に残存し、固化体内に強度の欠損部分が生じたものである。
実施例では、混練時間に係わらず、フライアッシュが高炉スラグ微粉末と混合せずに部分的に残存することによる強度欠損が見られなかったのに対し、比較例ではフライアッシュのみの存在による強度欠損の発生を無くすためには２分の混合時間でも不十分であった。以上から、高炉スラグ微粉末を結合材として使用することにより、長時間の混練時間を必要とせず、確実にフライアッシュと高炉スラグ微粉末が混合した均質な固化体が製造できることが確認できた。
【００４３】
【発明の効果】
本発明の固化体製造方法により、長時間の混練時間を必要とすることなく、確実に石炭灰と結合材である高炉スラグ微粉末を混合でき、均質な固化体を製造することが可能となる。

Claims (5)

1. 製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰に水を添加して混練後、型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法。
2. 製鋼スラグを含有する骨材、高炉スラグ微粉末、および石炭灰を混練した後に、水を添加して混練し、その後型枠に打設し、この型枠を振動させて締め固めることを特徴とする固化体製造方法。
3. さらにアルカリ刺激材を添加することを特徴とする請求項１または２に記載の固化体製造方法。
4. 水の添加時に、混和剤を混合することを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の固化体製造方法。
5. 混練前に、高炉スラグ微粉末と石炭灰を事前に混合しておくことを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の固化体製造方法。