JP2005060189A - 硬化材及びこれを用いた硬化体の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 急冷工程を経た都市ごみ焼却施設から排出される溶融スラグの持つ潜在水硬性を活用し、これを圧縮強度に優れた硬化材とすること及びこの硬化材を用いて硬化体を製造する硬化体の製造方法を提供すること。
【解決手段】 急冷工程を経た都市ごみ焼却施設から排出される溶融スラグを順次ディスクミル及びボールミルにより粉砕して平均粒径５μｍの微粉末を得、これを硬化材とする。この硬化材１００重量部に、細骨材（砂）２４８重量部と粉末のメタ珪酸ナトリウム３３重量部とを混合して、ミキサにより１分間の空練りを行い、更に水４７重量部を加えて同ミキサにより１分３０秒間の本練りを行う。得られたモルタル状混練物をφ５０×１００ｍｍの円筒状型枠に打設し、その後、１５℃／時で昇温させ、養生温度６５℃、養生時間５時間で蒸気養生し、脱型後、材齢７日まで２０℃、６５％ＲＨの恒温恒湿室に静置した。
【選択図】 なし

Description

本発明は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグを利用して構成するセメント代替物である硬化材及びこれを用いた種々の硬化体の製造方法に関するものである。

従来より都市から排出される一般可燃ごみ（以下、都市ごみという）は、その大部分が焼却処分されその焼却灰は埋め立て処分されてきたが、焼却灰に含まれるダイオキシン類が、平成１２年１月に施行されたダイオキシン類対策特別処理法に基づき排出制限されるようになり、更に平成１４年１２月からはその基準値が見直され、この基準値を満たさない焼却施設は休止して改善工事を行うか、または廃止しなければならない。

そのため全国の自治体の多くは、ダイオキシン類の除去のために、都市ごみの焼却に伴って発生する焼却灰を更に高温で溶融する処理方法を採用することとなり、この溶融物を冷却水によって急冷して製造される水砕スラグが多量に発生することとなった。

このような都市ごみ溶融スラグは、以上のように多大な費用をかけて行われた都市ごみ処理の産物であり、都市が存在する限り、継続的に発生することとなるものであるが、何らかの利用先が見出されなければ、結局残余年数の少ない最終処分場に埋め立て処分されざるを得ない。

そこで、近年、この都市ごみ溶融スラグの利用が検討され始めており、コンクリート用細骨材としての利用や路盤材としての利用が盛んに検討されている。前者のコンクリート細骨材としての利用は、平成１４年７月に「一般廃棄物、下水汚泥等の溶融固化物を用いたコンクリート用細骨材（コンクリート用溶融スラグ細骨材）」としてＴＲ化（ＴＲ−Ａ−００１６）がなされ、溶融スラグの安定的な利用先になりつつある。また後者の路盤材としての利用も平成１４年７月に「道路用溶融スラグ」としてＴＲ化（ＴＲ−Ａ−００１７）がなされ、相応する量の都市ごみ溶融スラグがこれに利用されつつある。

しかし前記ダイオキシン類対策特別処理法の施行にともない、年々増大する溶融スラグの排出量から考えると、更に安定した利用先が求められている。そこで本発明者らは、新たな利用先として、溶融スラグの潜在水硬性に着目して、コンクリート状の硬化体を作製するための硬化材としての利用の可能性を鋭意検討することとしたものである。

なお都市ごみ溶融スラグに関するものではないが、関連する研究としては、各種化合物を添加した低CaO/SiO₂モル比の溶融スラグの水和硬化特性に関する研究（非特許文献１）がある。この研究では、酸化カルシウム（CaO）分の少ない、即ち、活性の少ない低塩基度のスラグ組成物についても、スラグのガラス構造を乱すことにより、より不安定化させることとすれば水和活性を高められる可能性があるとの観点から、ガラス構造を不安定化させる成分として酸化第二鉄（Fe₂O₃）、酸化ナトリウム（Na₂O）、フッ素（F）等を添加した組成の溶融スラグを試製し、アルカリ刺激材として水酸化ナトリウム（NaOH）を用いた場合の水和硬化特性等について検討を行っている。

岡元豊重、石田泰之、内田潤，各種化合物を添加した低CaO/SiO2モル比の溶融スラグの水和硬化特性に関する研究，セメント・コンクリート論文集，１９９７年，Ｎｏ．５１，ｐ．１０８−１１３

本発明は、都市ごみ焼却施設から排出される溶融スラグが持つ潜在水硬性を活用し、これを圧縮強度に優れた硬化材とすること及びこの硬化材を用いて硬化体を製造する硬化体の製造方法を提供することを解決の課題とする。

本発明の１は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材であって、水を加え、かつアルカリ刺激材によるアルカリ刺激を与えることによって硬化する硬化材である。

本発明の２は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末に粉体で提供されるアルカリ刺激材を均一に添加混合した硬化材であって、これに水を加えることによってその中のアルカリ刺激材のアルカリ刺激作用により硬化する硬化材である。

本発明の３は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材であって、水を加え、かつアルカリ刺激材によるアルカリ刺激を与えることによって硬化し、更に養生工程を経て必要な圧縮強度を確保する硬化材である。

本発明の４は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末に粉体で提供されるアルカリ刺激材を均一に添加混合した硬化材であって、これに水を加えることによってその中のアルカリ刺激材のアルカリ刺激作用により硬化し、更に養生工程を経て必要な圧縮強度を確保する硬化材である。

本発明の５は、本発明の１又は３の硬化材に於いて、前記アルカリ刺激材として、メタ珪酸塩、水ガラス又は水酸化ナトリウムのいずれかを採用したものである。

本発明の６は、本発明の２又は４の硬化材に於いて、前記アルカリ刺激材としてメタ珪酸塩を採用したものである。

本発明の７は、本発明の１、２、３、４、５、又は６の硬化材に於いて、前記微粉末として、平均粒径が３０μｍ以下のそれを採用したものである。

本発明の８は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材に骨材とアルカリ刺激材とを加えて均一に混合し、次いで水を加えて本練りし、得られた混練物を型枠に打ち込んだ上で放置し、硬化後に脱型する硬化体の製造方法である。

本発明の９は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材に骨材とアルカリ刺激材とを加えて均一に混合し、次いで水を加えて本練りし、得られた混練物を型枠に打ち込んだ後、養生工程を経て必要な圧縮強度を確保し、その後、脱型する硬化体の製造方法である。

本発明の１０は、本発明の９の硬化体の製造方法に於いて、前記養生工程を蒸気養生によって行うこととしたものである。

本発明の１の硬化材によれば、これにアルカリ刺激材を添加し、かつ一般のセメントの場合と同様に適量の細骨材又は細骨材及び粗骨材、並びに水を加えて混練し、所望の型枠に打ち込み成形することにより、一般のセメントを用いたコンクリートと同様の、若しくはより高い圧縮強度を保持した所望形状の硬化体が容易に得られる。

またこの硬化材は、埋め立て廃棄される都市ごみ溶融スラグを原料として製造するものであるため、材料コストが低く、これによって製造する硬化体の製造コストを極めて低いものとすることができる。

本発明の２の硬化材によれば、予め都市ごみ溶融スラグの微粉末に硬化助材であるアルカリ刺激材が配合されているので、これに一般のセメントの場合と同様に適量の細骨材又は細骨材及び粗骨材、並びに水を加えて混練し、これを所望の型枠に打ち込み成形することで、アルカリ刺激材の種別や配合割合等を考慮することなく、また別にこれを用意する必要なく、圧縮強度の高い所望形状の硬化体を容易に得ることができる。

本発明の３及び４の硬化材によれば、型枠に打ち込み成形した後に、養生工程を経ることで、より高い圧縮強度を確保することができる。

本発明の５の硬化材によれば、アルカリ刺激材として適切なそれが選択されるため、これによって圧縮強度の高い硬化体を容易に得ることができることとなる。

本発明の６の硬化体によれば、アルカリ刺激材として粉体で提供されるそれが選択されるため、予め都市ごみ溶融スラグの微粉末に適切な割合のそれを添加混合しておくことが可能であり、かつアルカリ刺激材として適切なそれが選択されるため、これによって圧縮強度の高い硬化体を容易に得ることができることとなる。

本発明の７の硬化材によれば、都市ごみ溶融スラグの微粉末として、小粒径なそれが選択されるため、大粒径のそれに比較して十分に広い表面積を確保し得、そのため、アルカリ刺激材との接触の機会が増大し、十分に圧縮強度の高い良質な硬化体を得ることができる硬化材となる。勿論、適切なアルカリ刺激材を選択して用いることが前提となる。

本発明の８の硬化体の製造方法によれば、特別の複雑な工程を必要とすることなく、安価な都市ごみ溶融スラグを主材として圧縮強度の高い硬化体を容易に製造することができる。

本発明の９の硬化体の製造方法によれば、本発明の８と同様に、複雑な工程を経ることなく容易かつ安価に硬化体を製造することができる。更に、この方法では、得られる硬化体が一層圧縮強度の高いものとなる。

本発明の１０の硬化体の製造方法によれば、本発明の９の養生工程を蒸気養生で行うこととしたため、必要な高温を保持しながら適度の水分を補給することにより、硬化体を短期間で効率よく硬化させることができるものである。

本発明は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグを有効利用しようとするものであり、該急冷工程で粒体化されている都市ごみ溶融スラグを更に粉砕して得られる微粉末を利用した硬化材、及びこれを用いて種々の硬化体を製造する硬化体の製造方法である。

まず本発明の一つである硬化材から説明すると、これは急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの有する潜在水硬性を利用したものであり、基本的に、都市ごみ溶融スラグの微粉末からなり、水を加え、かつアルカリ刺激材によるアルカリ刺激を与えることによって硬化する硬化材である。

急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグは、都市ごみを自治体が管理する焼却施設で焼却処分し、発生した焼却灰を更に高温で溶融処理した上で急冷して得たものである。該焼却灰は、ダイオキシン類の除去のために１３００℃以上の高温で溶融処理されるものであり、また高温で溶融処理された溶融物はこれに大量の水をかけることで、或いは、これを水中に投入することで冷却工程が実行され、この冷却工程に於ける急冷により粉砕され角が尖った粒状又は針状等の水砕スラグとなっている。このような都市ごみ溶融スラグは、更に詳しく述べると、その色調は黒色であり、表面は滑らかで光沢があり、形状は、前記のように、急冷工程で粉砕されて角が尖った粒状となっているものが大部分を占める。前記のように針状のものも認められる。そのサイズは、平均３〜４ｍｍ程度であるが、その粒度分布は概ね０．１〜１０ｍｍである。もっとも１０ｍｍを越えるものも相当量含まれている。

またこの急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグは、そのＸ線回析結果によれば、３０°付近にピークが見られるものの突出したピークが観察されていないことから非晶質のガラス状態であると判断できる。そのためこの都市ごみ溶融スラグは結晶化エネルギーを内在し、潜在水硬性を有すると考えられる。云うまでもなく、本発明は、都市ごみ溶融スラグの有するこの潜在水硬性を利用するものである。

この急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの化学組成を高炉スラグの平均的な組成と比較すると、表１(a)及び表１(b)に示す通りである。都市ごみ溶融スラグには、二酸化珪素（SiO₂）、酸化アルミニウム（Al₂O₃）及び酸化カルシウム（CaO）の３成分が多量に含まれ、これらの成分で全体の約９０％を占めている。これらの成分が約９０％を占めるのは高炉スラグでも同様である。都市ごみ溶融スラグにこの他に含まれる微量成分には酸化マグネシウム（MgO）、酸化第二鉄（Fe₂O₃）及び三酸化硫黄（SO₃）等がある。

なお急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの成分中では、硫黄分が高炉スラグのそれに比べて高い値を示している。硫黄分は鉄筋コンクリートの場合に鋼材を腐食させる危険性があるが、このような急冷溶融スラグにあっては、ガラスの中にその硫黄分が分散され、安定しているため悪影響は及ぼさないと考えられる。

表１(a)及び表１(b)に基づき、都市ごみ溶融スラグと高炉スラグとについて、水硬性を評価する指標の一つである塩基度を比較する。
塩基度＝（Al₂O₃＋CaO＋MgO）/SiO₂
この式で算出すると、都市ごみ溶融スラグの塩基度の値は約１．１８となり、高炉スラグのその値は１．８７となる。このように都市ごみ溶融スラグの塩基度の値は高炉スラグのそれと比べてかなり低くなっており、一般にこの値が１．２以下の組成物に関しては水硬性の検討の対象となっていないと云われている。しかしこのように塩基度の値が低いものであっても、ガラス構造を不安定化する成分を含むものであれば、必要な水硬性を期待できるはずであり、この都市ごみ溶融スラグについては、そのような成分として、酸化第二鉄（Fe₂O₃）や酸化ナトリウム（Na₂O）を高炉スラグより数倍も多量に含むため良好な水硬性を示すと判断される。

この都市ごみ溶融スラグは、前記したように、水砕スラグとして得られ、その粒径は平均３〜４mm程度で、粒度分布は概ね０．１ｍｍから１０ｍｍである。この都市ごみ溶融スラグは粉砕して微粉末とする。この微粉砕は団粒化した部分を取り除いてから行うのが好ましい。適当な目開きのふるいでふるって粒径をその径以下に調整した上で粉砕する。粉砕は、例えば、二段階で行い、第一段階は、例えば、ディスクミルを用いて粉砕し、第二段階は、例えば、遊星式ボールミル，アトリッションミルなどを用いて、第一段階の粉砕物を更に粉砕し必要な粒径の粉末とする。

急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末は、前記アルカリ刺激材との接触面積を広げる趣旨から、その径をできるだけ小さくするのが好ましい。

乾式で平均粒径１μｍ以下に微粉砕するためには、分散剤を微粉砕対象に添加した上で行うのが適当である。分散剤としてはエチルアルコールに少量のメチルアルコールを添加して構成した変性アルコールを用いることができる。このような変性アルコールを適量添加すれば、乾式で平均粒径が１μｍ以下の微粉砕を行っても微粉末の再凝集を生じないため、必要なだけ径の小さな粉砕が可能となり、圧縮強度の高い硬化体を製造しうる微粉末を得ることができる。

急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末は、前記のような乾式の外、微粉砕対象に適量の水を加えて粉砕工程を行う湿式粉砕によって得ることもできる。この湿式の微粉砕によれば、生成した微粉末の再凝集の問題が生じないので、より径の小さな微粉末の粉砕が可能になる。また得られた微粉末によって製造される硬化体がより高い圧縮強度を持ったものとなる。

なお急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末は、前記のように、その平均粒径を小さくするほど、それによって製造した硬化体の圧縮強度を高めることができる。最大平均粒径は３０μｍ程度であり、これより平均粒径が大きくなると、これを使用して製造した硬化体を実用的な圧縮強度を有するものにすることが困難になる。平均粒径が２．０、５．０、１０．０、１５．０，２０．０及び３０．０μｍの微粉末を作製してテストしたが、この範囲内にあっても、平均粒径の小さな微粉末ほどこれによって形成される硬化体の圧縮強度が高くなる傾向にあり、微粉末の表面積が増加することによってアルカリ刺激材と十分に接することが出来るようになるため、より圧縮強度の高い硬化体の形成に寄与し得ることとなるというのは明らかである。

前記アルカリ刺激材としては、メタ珪酸塩、水ガラス又は水酸化ナトリウムのいずれかを自由に採用することができる。これらのうち、メタ珪酸塩としては、例えば、メタ珪酸リチウム（Li₂SiO₃）、メタ珪酸ナトリウム（Na₂SiO₃）及びメタ珪酸カリウム（K₂SiO₃）等がある。

アルカリ刺激材としては、この他に、水酸化カルシウム、炭酸ナトリウム、酸化カルシウム、水酸化アルミニウム、硝酸マグネシウム及びアルミン酸ナトリウム等も検討の余地があるが、前三者はこれを使用した場合は硬化はするものの実用上十分な圧縮強度を得ることはできないし、後三者を使用した場合は全く硬化しない。後三者はアルカリ刺激作用を有していないと云わざるを得ない。

これらのアルカリ刺激材の添加量は、その種類にもよるが、都市ごみ溶融スラグの微粉末１００重量部に対して１０〜３５重量部で好ましい結果が得られる。アルカリ刺激材の添加量は概ね１０重量部以上であれば十分な圧縮強度を持った硬化体が得られ、添加割合の上昇にともなって圧縮強度も高くなる傾向がある。しかし３５重量部以上に添加した場合は多くの場合、技術的側面ではなくコスト面での上昇が好ましくないことになる。アルカリ刺激材の添加量は、その種類にもよるが、１０重量部以下でも必ずしも圧縮強度が不足するとは限らない。アルカリ刺激材の種類を特定し、微粉末の平均粒径を特定した上で、当該の用途に必要とする圧縮強度との関係で１０重量部以下の適当な添加割合を設定することもできる。

なおアルカリ刺激材の内、メタ珪酸塩及び水酸化ナトリウムは、粉末状態で都市ごみ溶融スラグの微粉末に添加できるため、水を加える前の空練りによって都市ごみ溶融スラグの微粉末と容易に均一に混合することができる。これに対して、水ガラスは粘性の高い液体で得られるため、都市ごみ溶融スラグの微粉末に添加した場合に、水を加える前の均一な混合が容易にできない。そのため水ガラスの場合は、これによるアルカリ刺激作用を十分に発揮させるために、水を加えた後の混練を十分に行う必要がある。

従って、硬化材である都市ごみ溶融スラグの微粉末は、これに適量のアルカリ刺激材を均一に添加して水を加え、更に均一に混合すればセメントペースト状となり前記アルカリ刺激材のアルカリ刺激作用により硬化して硬化体となる。このとき前記都市ごみ溶融スラグの微粉末に併せて細骨材を添加混練すれば、モルタル状混練物となり、これを型枠に打ち込み充填させれば、云うまでもなく、その内部形状に従って硬化し、十分な圧縮強度を確保した所定形状の硬化体とすることができる。更に粗骨材を加えて混練すればコンクリート状混練物となり、これを型枠に打ち込み充填させた場合も、云うまでもなく、同様に型枠の内部形状に従って硬化し、十分な圧縮強度を確保した所定形状の硬化体とすることができる。

それぞれの硬化体は、各々の混練物を型枠に打ち込んだ上で、単に気中に放置するのみでも十分な圧縮強度を確保しうるが、更に適切な養生工程を経ることでより高い圧縮強度を確保できる。使用目的等に応じて適切な養生工程を実施するのが好ましい。このような養生工程として、例えば、蒸気養生を採用することができる。

蒸気養生に関して、硬化体の圧縮強度に対する養生温度と養生時間との関係を検討すると、養生温度は高いものほど高い圧縮強度を確保し得、圧縮強度と養生温度との関係は直線的である。たとえば、最高温度を４５、６５、８５℃に設定して蒸気養生を行った場合に、硬化体の圧縮強度は、４５℃で１５N/mm²、６５℃で２３N/mm²、８５℃で３５N/mm²となった。これは、平均粒径５μｍの都市ごみ溶融スラグの微粉末に水ガラス、細骨材及び水を添加して混練したモルタル状混練物を口径５０×１００mmの円筒状型枠に打ち込んで蒸気養生した場合の例である。この場合の蒸気養生は、前置き３時間、毎時１５℃で昇温させ、かつ最高温度を５時間保持した後に蒸気を停止して自然放冷し、脱型後、材齢７日まで２０℃、６５％ＲＨの恒温恒湿室に静置した上で測定した値である。

養生時間は、これを長くした場合には早期強度が高くなるが、材齢が高くなると、養生時間の長短による影響は小さくなる傾向がある。たとえば、最高温度を６５℃に設定して蒸気養生を行った場合に、養生時間を５時間にすると、材齢７日で圧縮強度は２３N/mm²であるのに対して、養生時間を２４時間にすると、材齢７日で圧縮強度は３２N/mm²であり、明らかに養生時間が長い方が早期強度が高くなっている。しかし同じ硬化体を材齢２８日で測定すると、前者は３１N/mm²まで圧縮強度が上昇しているのに対して後者は３２N/mm²のままで変わらない。これは養生時間を十分にとることで、蒸気養生中にアルカリ刺激材と都市ごみ溶融スラグの微粉末との反応がほぼ終了するためと考えられる。従って早期強度を高める必要がある場合には、養生時間を長く取ることが有効であることになる。

なおこれも、平均粒径５μｍの急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末に水ガラス、細骨材及び水を添加して混練したモルタル状混練物を口径５０×１００mmの円筒状型枠に打ち込んで蒸気養生した場合の例である。蒸気養生は、前置き３時間、毎時１５℃で昇温させ、かつ最高温度を前記所定時間保持した後に蒸気を停止して自然放冷し、脱型後、２０℃、６５％ＲＨの恒温恒湿室に静置した上で測定した値である。

また本発明の硬化材は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末に予め粉体で提供されるアルカリ刺激材を均一に添加混合しておくことができる。この場合は、アルカリ刺激材は、液体で提供されるものでは不都合であり、少なくとも粉体に加工して都市ごみ溶融スラグの微粉末に添加できるものである必要がある。そのため、このように予め添加しておくアルカリ刺激材としてはメタ珪酸塩が適当である。より具体的にはメタ珪酸ナトリウム等が適当である。アルカリ刺激材の添加量は先に説明した通りである。なお水酸化ナトリウムは潮解性が強いのでこのような用途には不向きである。

このように都市ごみ溶融スラグの微粉末に予めアルカリ刺激材を添加しておけば、これを別に用意したり、その種別や配合割合等を考慮したりする必要がなく、簡単に圧縮強度の高い硬化体を容易に得ることができることになる。

次に本発明のもう一つである都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材を用いて硬化体を製造する硬化体の製造方法について説明する。

まず適当な平均粒径の都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材、アルカリ刺激材及び骨材を用意する。都市ごみ溶融スラグの微粉末の平均粒径、アルカリ刺激材の種類及び配合割合、骨材の種類及び配合割合等は、製造目的である硬化体に要求される圧縮強度を前提に決定する。次いでこれらを所定のミキサにより、まず空練りして均一に混合する。空練り時間は上記各要素が均一に混合できる時間であり、ミキサの能力とも関わるが概ね１分程度が適当である。なおアルカリ刺激材が水ガラスの場合は、空練りはこれを含めないで行う。

次いで、上記空練りした混合物中に所定量の水を加えて本練りを行う。アルカリ刺激材が水ガラスの場合には、水を加える時点で、水と併せて該混合物中に投入して本練りを行う。本練り時間は混合物と水とが均一に混合できるだけの時間とする。当然、ミキサの能力とも関わるが概ね１分３０秒程度となる。

この後、本練りした混練物を所望の型枠に打設し気中に放置する。所定時間の経過によって混練物は硬化する。その硬化状態を観察し、適当な時期に脱型する。こうして硬化体を製造することができる。

また、前記のように、本練りした混練物を型枠に打設した後、養生工程を実施することとすることができる。この養生工程は製造目的の硬化体の種別その他に応じて種々のそれを自由に実施することが可能である。硬化体が、例えば、土地に定着する建築物の基礎のようなものの場合は、その上に散水した上で又は散水しないでシートによりカバーをするような仕方での養生が可能である。或いは、硬化体が少なくとも製造時点では土地に定着しない種々のブロック材その他のものである場合は蒸気養生が可能であり、これによって硬化体の圧縮強度を効果的に高めることができる。

蒸気養生は、本練りした混練物を所望の型枠に打設した後、例えば、若干の前置き時間をおいた上で、蒸気により適度な昇温速度で昇温させ、最高温度に達した後はその温度を一定時間保持した後、自然放冷させるやり方で行う。昇温速度は、例えば、１５℃／時程度に設定し、最高温度は、急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末の粒径、その粉砕の技法、アルカリ刺激材の種別及び添加割合、更には製造する硬化体に要求される圧縮強度を考慮して決定する。これらを考慮して概ね４５〜８５℃の範囲で決定するのが適当である。先に述べたところから理解されるように、最高温度を高く設定するほど、高い圧縮強度を得ることができる。また最高温度の保持時間（養生時間）は、必要な早期強度との関係で決定する。先に述べたところから理解されるように、高い早期強度を必要とする場合は、養生時間を長く設定する。養生時間は５時間〜２４時間の範囲で設定するのが適当である。

＜実験例＞
以下、本発明を実験例によって詳細に説明する。
この実験は次のような手順で行った。
都市ゴミ焼却施設から排出される急冷工程を経た溶融スラグを目開き２ｍｍのふるいでふるって粒度を調整した後、乾式又は湿式の粉砕を行い、一定平均粒径の微粉末を得、これを硬化材とした。この硬化材の一定重量部に、所定重量部の細骨材（砂）と所定重量部のアルカリ刺激材とを混合混練した。この硬化材及び他の配合要素の混合混練は、強制攪拌式モルタルミキサを用いて空練りを１分間行った後、所定の水を加えて本練りを１分３０秒間行った。

得られたモルタル状混練物を口径５０×１００ｍｍの円筒状型枠に打設し、その後、養生工程を実施する場合は蒸気養生を採用し、前置き３時間の後に実行し、１５℃／時で昇温させ、所定時間保持する最高温度（養生温度）を４５、６５又は８５℃に、最高温度の保持時間（養生時間）を５又は２４時間とした。脱型後、材齢７日まで静置した。養生工程を実施しない場合は、材齢１日で脱型し、材齢７日まで静置した。それぞれ材齢７日の硬化体を試験体として圧縮強度を測定した。

各実験とも、原材料の空練りから圧縮強度の測定までの全ての作業は、２０℃、６５％ＲＨの恒温恒湿室内で行った。

なおこの実験で使用する都市ごみ溶融スラグの微粉末の成分は、前記表１(a)、表１(b)に示したそれである。

前記硬化材及び他の配合要素の混合混練は、アルカリ刺激材が水ガラスの場合は、本練り前に水の中に分散させて硬化材及び細骨材に添加した。粉末状のメタ珪酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムの場合は、それぞれ空練り前に硬化材及び細骨材に直接に添加した。

圧縮強度は、測定機として島津万能試験機ＲＦＥ−５０型（５００ＫＮ）を用いて測定した。

各実験例には実１〜実１６の実験番号を付し、それぞれの配合、養生条件、材齢及び圧縮強度の測定値を表２(a)、表２(b)、表２(c)及び表２(d)にまとめて表示した。各実験番号の実験ではそれぞれ３個の試験体の平均値をデータとして採用した。

＜実験例の考察＞
１．急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの平均粒径については、実１の５μｍ、実２の１０μｍ、実３の２０μｍ、実４の３０μｍの各平均粒径の大きさと、それぞれの圧縮強度の値とで対比してみると、平均粒径が小さくなると圧縮強度の値は増加する傾向が確認できる。アルカリ刺激材（ここでは水ガラス）に接触する溶融スラグの微粉末の表面積を増大させることが緻密な硬化体の形成に寄与することとなるためと考えられる。なお３０μｍの溶融スラグの微粉末でも、実１６に示すように、アルカリ刺激材の種類その他の条件を整えることで十分実用的な圧縮強度を確保できる。

２．蒸気養生を行う場合、その最高温度は、その最高温度の保持時間を５時間とした場合に、実１の６５℃、実５の４５℃、実６の８５℃の各温度と、それぞれの圧縮強度の値とを対比しつつ各々を比較してみると、このような温度の範囲では、養生温度が高くなると圧縮強度の値はほぼ直線的に増加する傾向が確認できる。

３．蒸気養生を行う場合、その最高温度保持時間は、最高温度を６５℃とした場合に、実１の５時間、実７の２４時間の各養生時間と、それぞれの圧縮強度の値とを対比しつつ各々を比較してみると、養生時間が増加するにつれて圧縮強度の値が高くなって行くことが分かる。最高温度保持時間を十分に取ることで、蒸気養生中にアルカリ刺激材と溶融スラグの微粉末との反応が十分に行われるためと考えられる。

４．アルカリ刺激材の種類としては、実１の水ガラス、実８のメタ珪酸ナトリウム、実９の水酸化カルシウム、実１０の水酸化ナトリウムをそれぞれ採用した場合の各圧縮強度の値を見ると、各々おおよそ、水ガラス２３N/mm²、メタ珪酸ナトリウム４９N/mm²、水酸化カルシウム８N/mm²，水酸化ナトリウム２１N/mm²であり、水ガラス，メタ珪酸ナトリウム及び水酸化ナトリウムがその添加割合が少なくても高い値を示している。水酸化ナトリウムはそれ自体アルカリ刺激材としての作用性が高く、更に粉末状であるため、溶融スラグの微粉末と十分に混合してアルカリ刺激作用が満遍なく十分に働いたためと考えられる。水ガラスとメタ珪酸ナトリウムとの大きな差は、化学組成の基本的な相違は小さいが、水ガラスは粘性の高い液体であるのに対して、メタ珪酸ナトリウムは粉末状であるため、空練りの時点で溶融スラグの微粉末と十分に混合してアルカリ刺激作用が満遍なく十分に働いたために生じたと考えられる。

５．アルカリ刺激材の配合割合は、メタ珪酸ナトリウムの場合で検討すると、実８の１５６部、実１１の１１１部、実１２の６３部と配合割合を変化させた場合のそれぞれの圧縮強度の値を見ると、実８のそれが４９N/mm²、実１１のそれが３２N/mm²、実１２のそれが２９N/mm²であり、メタ珪酸ナトリウムの配合割合が増加するに従い、圧縮強度の値は増加する傾向が確認できる。

６．急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの粉砕方法は、実８の湿式粉砕、実１３の乾式粉砕と変化させた場合、乾式粉砕の場合が高い圧縮強度を示している。

７．養生の有無は、実１４の蒸気養生の場合と、実１５の気中静置のみで特別な養生は無しの場合とを比較すると蒸気養生を行う場合の方が高い圧縮強度を示している。もっとも気中静置のみでも約４０N/mm²の圧縮強度を有することが分かる。

＜実験例の考察のまとめ＞
急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末は硬化材として十分に機能しうる有用な性質を持ち合わせていることが判明した。
急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの粉砕には、乾式粉砕及び湿式粉砕のいずれでも採用可能である。

急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末は、平均粒径が３０μｍ以下が有効であり、その平均粒径が小さいほど得られる硬化体の圧縮強度を高めることができる。

アルカリ刺激材として、メタ珪酸ナトリウム、水酸化ナトリウム及び水ガラスは有効に使用できる。特に前二者は有効である。
アルカリ刺激材は、その添加割合が大きい方が得られる硬化体の圧縮強度が高くなる。急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末１００重量部に対して、１０〜３５重量部程度の割合で添加するのが、添加による効果及びコストの両面から適切である。

蒸気養生は、これを実施することにより、硬化体の圧縮強度を高めることができる。養生の最高温度は高い方が圧縮強度が高くなる。最高温度保持時間はこれを長くすることにより早期強度を高めることができる。

Claims (10)

1. 急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグを粉砕して作る微粉末からなる硬化材であって、水を加え、かつアルカリ刺激材によるアルカリ刺激を与えることによって硬化する硬化材。
2. 急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末に粉体で提供されるアルカリ刺激材を均一に添加混合した硬化材であって、これに水を加えることによってその中のアルカリ刺激材のアルカリ刺激作用によって硬化する硬化材。
3. 急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材であって、水を加え、かつアルカリ刺激材によるアルカリ刺激を与えることによって硬化し、更に養生工程を経て必要な圧縮強度を確保する硬化材。
4. 急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末に粉体で提供されるアルカリ刺激材を均一に添加混合した硬化材であって、これに水を加えることによってその中のアルカリ刺激材のアルカリ刺激作用により硬化し、更に養生工程を経て必要な圧縮強度を確保する硬化材。
5. 前記アルカリ刺激材として、メタ珪酸塩、水ガラス又は水酸化ナトリウムのいずれかを採用した請求項１又は３の硬化材。
6. 前記アルカリ刺激材としてメタ珪酸塩を採用した請求項２又は４の硬化材。
7. 前記微粉末として、平均粒径が３０μｍ以下のそれを採用した請求項１、２、３、４、５又は６の硬化材。
8. 急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材に骨材とアルカリ刺激材とを加えて均一に混合し、次いで水を加えて本練りし、得られた混練物を型枠に打ち込んだ上で放置し、硬化後に脱型する硬化体の製造方法。
9. 急冷工程を経た都市ごみ溶融スラグの微粉末からなる硬化材に骨材とアルカリ刺激材とを加えて均一に混合し、次いで水を加えて本練りし、得られた混練物を型枠に打ち込んだ後、養生工程を経て必要な圧縮強度を確保し、その後、脱型する硬化体の製造方法。
10. 前記養生工程を蒸気養生によって行うこととした請求項９の硬化体の製造方法。