JP2005219958A - 高炉スラグ細骨材とその製造方法、および、セメントコンクリート用またはモルタル用細骨材 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、急速冷却した高炉スラグ原料とする高炉スラグ細骨材のブリージングと固結を防止することを課題とする。また、高炉スラグ細骨材を含む良質のセメントコンクリートやモルタル用の混合細骨材を得ることも課題である。
【構成】 高炉から発生した溶融スラグを水で急冷して得た、水砕スラグ粒を破砕加工して、形状を改善して、これを分級することにより、微粉比率が少なく、比表面積が小さい高炉スラグ細骨材を得る。この細骨材を含む混合細骨材が本発明セメントコンクリート・モルタル用の細骨材である。この細骨材は、ブリージングと固結の問題が小さい特徴がある。
【選択図】 図１

Description

本発明は、製鉄用高炉で発生するスラグを原料として製造された粒子からなる骨材であって、セメントコンクリートまたはモルタル用の細骨材と、その製造方法に関する技術である。

セメントコンクリート用やモルタル用の細骨材は、従来は、海砂、川砂、陸砂、石灰石等を砕いた砕砂、その他の天然素材が多く使われてきた。しかし、近年、これらの天然資源枯渇の問題や砂採取に伴う環境破壊の問題が発生している。この問題を解決するために、スラグ等の素材産業で発生する副産物を細骨材として利用する方法が研究開発されており、幾つかの物質が細骨材として使用されている。

また、細骨材用砂の天然資源枯渇に伴い、砂の品質低下の問題が生じている。例えば、陸砂では、良質な部分の採取が終わり、小粒径の砂の比率が多くなってきている。現在採取されている低品質の細骨材用砂は粗粒率が１．８〜２．２と小さいものもある。このような低品質の砂はそのままでは、モルタルやコンクリートの細骨材として使用することが困難である。そこで、粗粒率の大きい細骨材を混合して、細骨材としての品質を向上している。なお、適正な細骨材の粗粒率は２．５〜２．７程度である。

一方、高炉から排出されるスラグの処理方法は、溶融状態でヤードに流して徐冷する方法と溶融状態で水樋の中で水冷し、急速冷却する方法がある。この内、水冷却する方法で製造された高炉スラグは水砕スラグと呼ばれる粒径が約７ミリメートル以下のガラス質の固形スラグである。この水砕スラグは水和反応により固化する性質を有することから、これを微粉砕して、高炉セメント原料とする用途がある。また、水砕スラグを無加工もしくは、軽破砕して、砂代替の土木建築用の原料としても利用されており、この用途の中には、コンクリートやモルタル用細骨材がある。この細骨材は、天然砂の代替としての用途として用いられている。以降、これを高炉スラグ細骨材と称する。

高炉スラグ細骨材は、高炉セメント原料用の微粉末に用いられる水砕スラグとは異なる物性が要求されている。例えば、ＪＩＳ Ａ５０１１−１：２００３にも規定されているように、比較的密度が大きく、吸水率の少ない水砕スラグである。特開昭５５−１３６１５１号公報に記載されている方法のように、その冷却方法も高炉セメント原料のものとは異なっており、比較的冷却の強い条件で製造されている。冷却されて製造された無加工の水砕スラグには、粒状のものに混じって、針状のものが混合している。この針状スラグが混合しているために、水砕スラグ粒が密に詰まった状態になりづらい。また、形状も角張っていることから、この理由でも、水砕スラグ粒が密に詰まった状態になりづらい。この結果、粒子の空間占有率、以下、実積率と称する、が低く、細骨材としては、良い性能が発揮できていなかった。したがって、この問題点の解決のため、破砕機を用いて、水砕スラグ粒を軽粉砕することにより、粒径を小さくして角張った形状を是正するとともに、針状スラグを破壊して、絶対乾燥密度、単位容積質量を向上させ、細骨材としての性能を向上させることが行われている。

しかし、この破砕処理により、水砕スラグ粒の粒径が小さくなり、細めの低品質細骨材の品質向上には不向きになる。そこで、以前に、本発明者らは、軽破砕加工の前後いずれかに水砕スラグを篩にかけて、粒径の小さい部分を排除することにより、高炉スラグ細骨材の粒径を大きくすることが有効であることを見出し、特開２０００-３１９７０８公報に記載される発明を行った。この発明により、高炉スラグ細骨材の品質が向上して、この高炉スラグ細骨材と細めの低品質細骨材を混合することにより、細骨材の品質が向上して、生コンクリートの流動性が改善されて、コンクリート施工が容易となる効果が得られている。

また、高炉スラグ細骨材は他の細骨材にない利点がある。例えば、微粒分（シルト分）を含まないこと、アルカリ骨材反応を起こさないことや、酸化カルシウムを含むことの優位点（水和イオンを放出することから水和反応が促進されてコンクリートの長期強度が向上する点など）などがある。上記の方法で物性的な欠点を補うことができ、高炉スラグ細骨材のこれらの利点を生かすことができるようになり、近年、高炉スラグ細骨材の使用量が増加する傾向にある。
特開昭５５−１３６１５１号公報 特開２０００-３１９７０８公報 特願２００２-２３７２６４公報

細かい砂と高炉スラグ細骨材との混合物で、粒度分布が良好な細骨材を製造するには、比較的粗い水砕スラグ粒を混合するニーズが生じている。例えば、細かい砂に混合して、細骨材の粒度分布を適正化する目的で使用する高炉スラグ細骨材には、細かい粒子比率が低いものが要求されるようになってきている。低品質の細骨材用砂は、０．６ミリメートル以下の粒子が５０〜６５％、または、０．３ミリメートル以下の粒子が３０〜４０％存在している。このような粒度構成であるため、粗粒率は１．８〜２．２と極めて細かい砂では、特に０．３ミリメートル以下の細かい粒子が多い構成となっている。ちなみに、ＪＩＳに規定されている細骨材の最適な条件では、０．６ミリメートル以下の粒子が３５〜５０％、また、０．３ミリメートル以下の粒子が１５〜２５％である。

一方、細骨材に適正な粒度構成の場合は、粗粒率は２．５〜２．７であり、平均粒径が０．７〜０．９ミリメートルである。０．６ミリメートル以下の粒子が４０〜５０％、また、０．３ミリメートル以下の粒子が１５〜２５％存在している。このいわゆる中目砂を用いる場合は、流動性のよい生コンクリートが製造できる。また、最終的なコンクリート強度も高い利点がある。

低品質の細骨材用砂中の過多な細かい粒子の比率を下げるためには、混合する高炉スラグ細骨材には、０．６ミリメートル以下の粒子の少ないものが要求されている。低品質の細骨材用砂を、細骨材に適正な粒度構成にするために、粗粒率は、２．７以上の高炉スラグ細骨材を混合する。しかし、このような粗粒率の高い高炉スラグ細骨材でも、０．６ミリメートル以下の粒子が２５〜４０％、また、０．３ミリメートル以下の粒子が１０〜２０％存在している。したがって、通常の高炉スラグ細骨材は、粗粒率が２．１〜２．３のやや細かい程度の細骨材用砂では粒度改善効果が得られる。しかし、粗粒率が２．１以下の非常に細かい細骨材用砂の高炉スラグ細骨材を混合する場合には、その混合率が５０質量％以上となって、高価な高炉スラグ細骨材を使うことによるコストアップの問題が生じていた。

また、高炉スラグ細骨材は水をはじく性質あることに起因する問題もあった。水砕スラグ粒は、急速冷却されたことにより、ガラス質（ガラス化率９０％以上）であり、表面が水をはじく性質がある。このため、高炉スラグ細骨材の混合比率の多い細骨材をセメントコンクリートに用いる場合は、生コンクリートが型枠で静置された後に、時間をかけて高炉水砕スラグ粒が水と分離することが起きる。この結果、この細骨材を使用した生コンクリートでは、施工後にコンクリート表面に水が浮く現象、いわゆるブリージング、が大きいことにより、コンクリート表面の肌荒れする問題があった。この結果、従来技術で製造した高炉スラグ細骨材を一般な施工に用いる場合においては、細骨材中の高炉スラグ細骨材の混合比率を４０質量％以上とすることはできなかった。また、特に表面の肌荒れが問題となる建築の外装などの施工条件の場合は、高炉スラグ細骨材の混合比率を３０質量％以上とはできない問題もあった。そのため、先に述べた特に細かい砂の粒度改善をするために必要な４０質量％以上の混合率を達成することが難しかった。つまり、特に細かい砂と混合した場合は、粗粒率が適正であり、かつ、ブリージングが起きない条件を達成することは困難であった。このように、従来技術では、高炉スラグ細骨材を用いたセメントコンクリートでのブリージング問題の解決すべき問題であった。

さらに、高炉スラグ細骨材は固結する問題があった。高炉水砕スラグは、カルシウムシリケートをベースとするガラス質であり、水分が存在する状態では、数日から数ヶ月かけて、この中のカルシウムが溶出してきて、これが水和反応を起こし粒子間で析出することにより、多数の粒子が結合して、塊となる現象が固結である。固結のため、高炉スラグ細骨材を保管する際に、固まってしまい、ハンドリングが困難な状態となる。カルボン酸金属塩などの有機系固結遅延剤の使用により固結遅延が可能である。しかし、この方法は、固結遅延剤が高価であることと、これを使用しても、気温の高い時期は水和反応が速く、固結遅延効果が３週間程度しかもたない問題があった。高炉スラグ細骨材を経済的に使用するためには、固結を防止することが重要である。特願２００２−２３７２６４公報に記載される本発明者らの以前に行った発明では、０．６ミリメートル以下、または０．３ミリメートル以下の粒子の比率を低下させることにより、固結を防止できることを解明したが、更に、固結はほとんど起きない高炉スラグ細骨材の要望が大きかったため、この技術を高める必要があった。

高炉スラグ細骨材には、天然資源の保全に役立つ性質を持っている。このため、その使用比率を増加させるニーズが強いものの、以上に記載したように、高炉スラグ細骨材の欠点があるため、混合比率に制約があった。従って、この欠点を克服して、高炉スラグ細骨材の混合比率を増加させるための新しい技術が求められていた。

本発明は、以上に記載されたような従来技術が有する問題点を解決するためになされた発明であり、その要旨とするところは以下の（１）から（６）に示す通りである。

（１）溶融している高炉スラグを水中で急速冷却して、ガラス化したスラグ粒を製造し、当該スラグ粒を破砕加工して製造した細骨材であって、単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上であり、かつ、比表面積を簡易的に表わすための指標である、ＪＩＳ篩の所定篩目を通過して、かつ、当該所定の篩目よりも１段細かい篩目を通過しない粒子の存在比率を当該所定篩目のサイズ（単位：ミリメートル）で割った値である指標Ａが１．２以下であることを特徴とする高炉スラグ細骨材。
（２）０．３ミリメートル以下の粒子の比率が８質量％以下であり、かつ、２．５ミリメートル以上の粒子の比率が３０質量％以下であることを特徴とする前記（１）に記載の高炉スラグ細骨材。
（３）単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上、かつ、指標Ａが１．２以下である、溶融している高炉スラグを水中で急速冷却したスラグ粒を破砕加工して得た高炉スラグ細骨材を他の細骨材と混合して製造した細骨材であり、かつ、当該高炉スラグ細骨材の全体質量に対する質量比と指標Ａの積が０．４５以下であることを特徴とするセメントコンクリートまたはモルタル用細骨材。
（４）単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上、かつ、指標Ａが０．９以下である、溶融している高炉スラグを水中で急速冷却したスラグ粒を破砕加工して得た高炉スラグ細骨材を他の細骨材と混合して製造した細骨材であることを特徴とするセメントコンクリートまたはモルタル用細骨材。
（５）溶融高炉スラグを水中で急速冷却して高炉スラグ粒を得て、当該高炉スラグ粒を破砕機で加工処理して、単位容積質量を１．５キログラム／リットル以上とした後に、当該高炉スラグ粒と水の比率が１対２〜１対５の懸濁スラリーを製造して、当該懸濁スラリーを間隔が０．６〜１．３ミリメートルの格子または平行隙間の振動スクリーンにかけて、より細かい粒子と水の混合物を当該スクリーンから通過させる処理によって細かい粒子を分離することにより、単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上であり、かつ、指標Ａが１．２の粒子を得ることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
（６）（５）に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法であって、１３７０℃以下の溶融した高炉スラグを水冷して得た高炉水砕スラグが一部または全部含まれている高炉水砕スラグを破砕前の原料として用いることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。

本発明によれば、急速冷却した高炉スラグを効率的に分級し、しかも分級処理で良質なセメントコンクリートやモルタル用の細骨材を得ることができる優れた効果を奏するものである。

まず、本発明者らは、モルタルやセメントコンクリート用の高炉スラグ細骨材の物性を調査して、高炉スラグ細骨材の粒子形状が角張っていると、これを用いた生コンクリートの流動性が悪いことから、本発明の高炉スラグ細骨材の単位容積質量は１．４８キログラム／リットル以上であることが重要であることを見出した。これは、粒子の形状が球に近づくことにより、集合体としての流動性が向上することが理由である。また、球に近い形状である場合は、実積率が高く、この結果、単位容積質量も高くなる。本発明の高炉スラグ細骨材は、混合細骨材中に大量に混合することから、高炉スラグ細骨材に中でも、ＪＩＳに記載されている単位容積質量の下限近くの１．４５〜１．４８キログラム／リットルでは、効果が十分とはいえず、このような高炉スラグ細骨材を３０質量％以上に比率で混合した混合細骨材では、生コンクリートの流動性が低くなる問題が発生する。この問題を解決するには、ＪＩＳの定める下限近くの値よりも更に高い単位容積質量である１．４８キログラム／リットル以上確保することが重要であることを見出した。

本発明者らは、３０質量％と４５質量％の高炉スラグ細骨材を混合した混合細骨材を用いた生コンクリートの流動性試験（スランプ試験）を行った。この実験に用いた高炉スラグ細骨材は、単位容積質量は１．４６キログラム／リットル（試料１）、１．４８キログラム／リットル（試料２）および１．５０キログラム／リットル（試料３）のものであった。この実験の結果、試料１では、標準品よりも３０質量％で１．０ｃｍ、４５質量％で２．０ｃｍのスランプ低下が起きた。一方、試料２では、３０質量％で０．５ｃｍ、４５質量％で１．０ｃｍのスランプ低下で済んでいた。さらに、試料３では、３０質量％で０．５ｃｍ、４５質量％でも０．５ｃｍのスランプ低下とほとんど影響がなかった。このように、３０質量％以上の混合率で、高炉スラグ細骨材を使用する際には、単位容積質量である１．４８キログラム／リットル以上が良い。

この条件の高炉スラグ細骨材の性能を調査した。前述したように、高炉スラグ細骨材の実用上の問題点は、固結とブリージングがある。そこで、本発明者らが高炉スラグ細骨材の物性と固結とブリージングの関係を調査した。その結果、粒子の粒度分布が固結やブリージングに影響していることを解明した。高炉スラグ細骨材中に細かい粒子が多い場合は、固結やブリージングが起きやすく、その程度も大きい。

そこで、本発明者らは、種々の粒度構成の高炉スラグ細骨材を実験的に製造して、その粒度分布とブリージング特性との関係を調査した。比表面積を変化させた４種類の高炉スラグ細骨材で固結とブリージングの実験を行った。なお、この４種類の高炉スラグ細骨材の粒度分布を表１に示す。

比表面積のブリージングに対する影響を調査するために、本発明者らは比表面積を簡易に表現できる指標を作った。比表面積を簡易的に表わす指標を用いた理由は以下のとおりである。一般に、ＢＥＴ法等のガス吸着を利用した方法を用いれば、粒子の比表面積は比較的正確に求めることができる。しかし、この方法は１００〜１００００平方メートル／グラム程度の比較的比表面積の大きい粒子を測定することを目的にしている。一方、細骨材などの平均粒子径が０．５〜１ミリメートルの粒子の比表面積は１〜１０平方メートル／グラム程度であることから、ＢＥＴ法等の測定では適切な精度が期待できない。そこで、粒子径をもとした計算値での表面積を用いることが望ましいと、本発明者らは結論した。粒子径の連続的な分布を測定して、これをベースとして、比表面積を計算することは、実験室的には可能である。計算方法として、球状粒子を例として粒子の比表面積の例を示す。表面積はＳ＝４πＲ²で表わされ、また、質量はＷ＝４／３πＲ³＊ρで表わされる。従って、比表面積はＳ／Ｗ＝３／（Ｒρ）で示される。このように、一般的には、粒子の形状が一定であれば、比表面積は粒子径にほぼ逆比例する。形状が球でない粒子の場合は、予め形状を調査して球からの表面積の偏差を求めることで比較的正確な比表面積を求めることができる。なお。ここで、Ｒは粒子の半径、ρは粒子の密度、Ｓは表面積、また、Ｗは質量である。

しかし、粒子径の連続的な分布を測定することは、大量生産において工業的には困難である。そこで、本発明者らは、ＪＩＳ篩の網目に従った粒度分布が工業的に最も入手しやすい粒度分布データであることに着目して、これを用いて簡易的な比表面積の指標を考案した。これが指標Ａであり、この指標では、ＪＩＳ粒子の存在比率を代表長で割った値を比表面積の簡易的な指標として計算する。なお、ここで代表長とは、粒子が通過したＪＩＳ篩目の長さとした。指標Ａは下式で表わされる。
Ａ＝Σ（Ｆｉ／ＳＧｉ）
Ｆｉ：所定篩を通過し、かつ、この篩よりも１段細かい篩を通過しない粒子比率
ＳＧｉ：粒子が通過した所定篩のギャップ（ミリメートル）
ここで、所定の篩とは、ＪＩＳに規定されるものであり、概略の篩間隔が、１０ミリメートル、５ミリメートル、２．５ミリメートル、１．２ミリメートル、０．６ミリメートル、０．３ミリメートル、０．１５ミリメートルのものである。ただし、０．１５ミリメートルの篩を通過した粒子の計算では、この篩目を通過した粒子全量の比率を０．１５で割った値で計算する。なお、ここで、粒子の存在比率は全量を１とする値である。対象とする粒子の形状がほぼ変わらないとすれば、指標Ａは比表面積にほぼ比例する。従って、高炉スラグ細骨材の比表面積を工業的に実施可能な手段として、簡易的に評価するために、指標Ａを用いることができる。

高炉スラグ１は比較的細かいものであり、粗粒率が２．２７であり、０．３ミリメートル以下の粒子比率が２１％ある。高炉スラグ１の指標Ａは１．９３であった。高炉スラグ２は中程度の粒径ものであり、粗粒率が２．６２であり、０．３ミリメートル以下の粒子比率が１８％である。高炉スラグ２の指標Ａは１．５４であった。高炉スラグ３は比較的粗いものであり、粗粒率が３．０５であり、０．３ミリメートル以下の粒子比率が７％である。高炉スラグ３の指標Ａは１．０９であった。高炉スラグ４はで非常に粗いものであり、粗粒率が３．４８であり、０．３ミリメートル以下の粒子比率が５％である。高炉スラグ４の指標Ａは０．８３であった。また、高炉スラグ１〜４はいずれも、単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上である。

本発明者らが行ったブリージングの評価実験では、ポルトランドセメント、粗骨材として石灰砕石、また、細骨材として、高炉スラグ１〜４を天然砂（細めと粗めの砂を適宜混合したもの）に混合したものを用いて、標準スランプが１８センチメートルの条件で型に入れた。この条件で、細骨材中の高炉スラグ細骨材の比率を変化させて、ブリージング量を測定した。この結果を図１に示す。

高炉スラグ１の場合では、１０質量％の混合でもブリージングが増加しており、３０質量％ではブリージングが顕著となっており、この程度のブリージングの場合は、良質なコンクリート表面はできない。次に、高炉スラグ２の場合では、２０質量％の混合でもブリージングが増加しており、３０質量％では顕著となっている。これらの高炉スラグ細骨材を各々３０、４０質量％以上混合することは困難であることが判明した。

一方、比表面積の小さい高炉スラグ３の場合では、４０質量％までブリージング増加が少なく、また、５０質量％の混合時は、ブリージングが増加しているが、その比率は小さく、実用上の問題が生じなかった。更に粗い高炉スラグ４の場合では、やはり４０質量％までブリージング増加がほとんど見られず、また、５０質量％以上の混合でも実用上の問題が生じなかった。

以上の実験結果をまとめると、指標Ａが１．０９の高炉スラグ細骨材では、ブリージングを極めて良く抑制でき、また、指標Ａが０．８５のものの場合は、高炉スラグ細骨材の現実的な最大混合率である６５質量％以下の条件であれば、ブリージング問題はないことが判明した。また、本発明者らが行った追加実験では、指標Ａが１．２以下であれば、ブリージングを抑制可能であり、また、０．９以下であれば、現実的な配合比率の範囲ではブリージング問題が起きないことを確認した。０．３ミリメートル以下の粒子の比率が低いことも、ブリージングが抑制される要因である。

また、指標Ａが大きい場合は、ブリージングが起きない最大配合率が低く、一方、指標Ａが小さい場合は、これが高いことも解明した。そこで、本発明者等は、（指標Ａ）×（高炉スラグ配合率）の値が高炉スラグの単位質量当りの総面積にほぼ比例することに着目して、ブリージングが起きない条件での（指標Ａ）×（高炉スラグ配合率）を調査した。この結果、この値が０．４５以下であれば、実質上、ブリージング問題は回避されることを見出した。例えば、高炉スラグ３では、混合比率が５４質量％まではブリージングが問題とならない。

本発明者らは、ブリージング抑制ができる条件の高炉スラグ細骨材では、固結が起きないことも見出した。通常の高炉スラグ細骨材では２週間から１ヶ月で固結する条件での保管でも、本発明の高炉スラグ細骨材である指標Ａが１．２以下のものでは約３ヶ月の保管でも固結しない。また、指標Ａが０．９以下のものでは全く固結しない。この理由は、本発明の高炉スラグ細骨材が低比表面積であることから、固結の原因となるカルシウムイオン等の溶出量が少ないことに起因する。また、固結の結合核となる０．３ミリメートル以下の微粒分が少ないことも、固結が起きない理由である。

低品質の細かい陸砂の粒度分布の改善には、高炉スラグ細骨材の０．３ミリメートル以下の粒子が少ないことが良い。特に粗粒率が２．２以下の陸砂などと混合する場合は、１）平均的に粗い粒子であること（粗粒率３．０以上が望ましい）、２）混合率が４０質量％以上、望ましくは５０質量％以上でもブリージングの問題のないこと、３）２．５ミリメートル以上の極めて粗い粒子が多すぎないことの３条件が高炉スラグ細骨材に求められる条件である。１）と２）は上記に記載したような理由であり、かつ、３）の条件は、流動性の高い生コンクリートを製造するためには、粗骨材の近い２．５ミリメートル以上の粒子が多いと、粗骨材の潤滑機能を有する２．５ミリメートル以下の粒子の比率が低下する問題が生じるためである。従って、本発明の高炉スラグ細骨材であって、かつ、０．３ミリメートル以下の粒子の比率が８質量％以下であり、かつ、２．５ミリメートル以上の粒子の比率が３０質量％以下であるものは、極めて細かい陸砂などと混合して、生コンクリート状態での流動性を確保できる混合細骨材を得る目的に最適である。

このように、本発明の高炉スラグ細骨材は優れた特長を持つものであるが、前述したように、従来技術では、工業的な生産規模で微細な粒子の比率を低下させることが困難であったことから、このような高炉スラグ細骨材の製品は存在していなかったし、本発明に記載されている効果が解明されていなかった。この効果を得るためには、比表面積の小さい高炉スラグ細骨材を安価に製造することの技術的困難さを克服することが必要であった。そこで、本発明者らは、高炉水砕スラグを効率的に分級する方法を採用することにより、工業的な規模で本発明の高炉スラグ細骨材を生産する研究を行った。

本発明の高炉スラグ細骨材を製造するためには、溶融した高炉スラグを水冷した粒子をそのまま細骨材とすることは問題があった。そこで、水砕スラグ粒の粒子形状を球に近づけることを目的として、破砕処理を行う。その後に、水砕スラグを分級する。本発明の高炉スラグ細骨材を製造する工程順は、溶融高炉スラグを水冷して水砕スラグ粒を得る工程、水砕スラグ粒を破砕加工する工程、加工後の水砕スラグ粒を分級する工程の順が良い。この理由は、水砕スラグ粒を分級したものを破砕する工程順では、たとえ破砕前に０．３ミリメートル以下の粒子がほとんどない状態としても、破砕により０．３ミリメートル以下の粒子比率が増加してしまう問題があることである。

第一工程は、溶融状態の高炉スラグを水冷する。この装置の例を図２に示す。１３００〜１４５０℃程度の溶融状態の高炉スラグ流１がスラグ樋２を流れて、水樋３の中に流れる冷却水４の中に入る。冷却水４は水ノズル５から吐出される。３０〜８０℃の冷却水４の中で、溶融高炉スラグは冷却されて、粒状の水砕スラグ粒６となる。水砕スラグ粒は概略で７ミリメートル以下の粒子である。ここで３ミリメートル以上の粗大な水砕スラグ粒を多く製造する場合は、１３７０℃以下の溶融スラグを冷却水４の中に入れる。粒子が完全に凝固した後に、この水砕スラグ粒を水から分離する。

第二工程では、第一工程で製造された水砕スラグ粒を破砕する。水砕スラグ粒はガラスが割れたような形状であるとともに、針状のスラグも混在しているため、このままでは、細骨材としての性能が悪い。そこで、破砕操作することにより、粒子形状を改善する。この目的に使用する破砕装置の例を図３に示す。この装置は、インパクトクラッシャーと呼ばれるものであり、ハンマー状の接触部で水砕スラグ粒を叩いて破砕するタイプである。なお、破砕機は、これ以外に幾つかの形式のもので良く、例えば、粒子を投射して衝突させる型式のものや、コーン状のケーシング内で摩滅させる型式のものなどでも良い。供給コンベア７を用いて、ホッパー８から、破砕機内に水砕スラグ粒を供給する。破砕機のケーシング９の内部には、ローター１０が回転しており、ローター１０に設置されている破砕刃１１が水砕スラグ粒を打ち、これを破砕する。破砕の度合いは、祖粒率が０．３以上低下させる条件で行うことがよい。例えば、粗粒率３．２の粒子を粗粒率２．９以下とする加工が良い。この処理の条件では、単位容積質量が１．５キログラム／リットル以上となる。最終製品での単位容積質量は１．４８キログラム／リットル以上が条件であるが、分級処理により、細かい粒子が減少することから、分級後の製品の単位容積質量は低下する。このため、中間製品である破砕物の単位容積質量は１．５キログラム／リットル以上であることが重要である。

第三工程では、破砕加工された水砕スラグ粒を分級する。まず、水砕スラグの分級原理を説明する。通常の水分である５〜１５質量％の付着水分の場合は、高炉水砕スラグ中の０．３ミリメートル以下の細かい粒子は、１ミリメートル以上の大きな粒子に付着しており、この付着力は強く、一般的な機械で起こせる振動などでは、容易に分離しない。細かい粒子を分離するためには、乾燥させて水分を低下させるか、高炉水砕スラグ粒子間に収まらないまで水を過剰に加えることのいずれかの方法で、分級しやすくなった高炉水砕スラグを篩うことにより、この問題が解決できる。本発明者らは、乾燥させた後に分級する方法でも、本発明の高炉スラグ細骨材の製造は可能であるが、水を過剰に加えることによる分級方法の方が、微粒分の分離効率やランニングコストが低いことから、後者による製造方法を確立した。以降、この方法を湿式分級と称す。

この方式では、粒子間に含むことができる以上の比率の水を水砕スラグ粒に加えて、細かい粒子が粗い粒子間の水の中に浮遊できるようにする。この状態で篩のスクリーンに通して、水と細かい粒子を篩下に流し落とし、大きな粒子と細かい粒子とを分離する。この方法では、水が篩目を流れていくことから、篩目の洗浄効果があり、篩目のつまりが起きづらい特長もある。

図４に記載されている装置は湿式分級する装置の例であり、ほぼ水平に設置された振動式篩の上に水を過剰に含んだ水砕スラグ粒を供給して分級する型式を示すものである。高炉水砕スラグを供給槽１２から、スラリー槽１３に供給する。スラリー槽１３では、水砕スラグ粒と水が良く混合したスラリーを作る。この時の水砕スラグ粒と水の混合比は、質量比で１対２〜１対５の範囲が良い。この水砕スラグ粒を含むスラリーを振動式スクリーン１４の上に供給する。振動式スクリーン１４は、振動しながら、粒子を前方に送る。振動式スクリーン１４から、搬送コンベア１５に大きい粒子の水砕スラグ粒を移し、これをヤードに送る。水と細かい粒子は、振動式スクリーン１４からしたに落ちて、沈殿槽１６で、固液分離する。この水を循環水槽１７に戻す。ポンプ１８で、循環水槽１７からスラリー槽１３に循環水を送る。場合によっては、振動式スクリーン１４の上のスプレーノズル１９から散水して、細かい粒子が振動式スクリーン１３の下に落ちることを助けることもある。この方法では、分級効率が向上する。

この方式の分級方法で、水比率を１対２〜５とすることは以下の理由がある。１対２以下の水比率では、スラリーの流動性が乏しく、スラリー槽１２から振動式スクリーン１３に供給することが困難となる。水比率が１対２〜１対５の範囲では、スラリーに流動性があり、かつ、水中に細かい粒子が良好に分散される状態が実現できる。この範囲内でも、水比率が１対４〜１対５では、この効果がほぼ一定となることから、経済的には１対２〜１対４の範囲が望ましい。一方、水比率が１対５以上では、水の比率が高すぎて、水供給のためのポンプ１７や循環水槽１６が大きな装置となり、経済性が悪い。このことが、水砕スラグ粒と水の比率を１対２〜１対５、好ましくは１対２〜１対４、であると篩操作が容易であることの理由である。なお、この水の比率には、スプレー水の比率も含むものである。

湿式分級処理では、篩目（篩のスクリーン隙間）の幅よりも０．３ミリメートル小さい粒子の６０〜９０％程度が篩下に落ちる。なお、振動スクリーン１４の篩目は、升目状または平行隙間である。また、篩目の幅は、０．６ミリメートル以上であることが良い。なぜならば、ブリージングや固結に影響の大きい０．３ミリメートル以下の粒子を分離するためには、分離したい粒子径よりも０．３ミリメートル以上大きい幅の篩目が良いことが理由である。また、０．６ミリメートル以下の篩目の幅である場合は、高炉水砕スラグ粒が篩目に詰まることが多いためである。

原料である高炉水砕スラグ粒の粒度分布によって異なるが、湿式分級方法では、１．３ミリメートル以上の篩目の幅で処理した場合は、０．６〜１ミリメートルの細骨材として重要度の高い粒子が分離されてしまうことから、１．３ミリメートル以下の篩目が良い。従って、振動式スクリーン１３の篩目は０．６〜１．３ミリメートルの範囲が良い。

以上の３工程からなる製造方法で、本発明の高炉スラグ細骨材である、単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上、かつ、指標Ａが１．２以下、または、０．９以下の水砕スラグ粒を製造できる。指標Ａを小さくするためには、低温の溶融高炉スラグを水中で冷却して、粗大な水砕スラグ粒を製造することや、比較的大きな篩目（０．９ミリメートル以上）のスクリーンを使用することが良い。特に、１３７０℃以下の溶融高炉スラグを水冷することを行えば、２ミリメートル以上の破砕前水砕スラグ粒を多く得ることが可能となり、指標Ａを小さくできる。特に、指標Ａを０．９以下とする場合は、少なくとも一部の水砕スラグ粒は１３７０℃の溶融高炉スラグを水冷して得たものを用いることが良い。この高炉スラグ細骨材を細かい他の細骨材と混合することにより、混合細骨材を製造する。この場合は、高炉スラグ細骨材を実用上限まで混合してもブリージング問題は起きない。

以上の方法で製造した高炉スラグ細骨材をヤードに保管して、レディーミックスコンクリート工場等に出荷する。ここで、他の細骨材と混合して、混合細骨材を製造する。混合の際には、混合後の粗粒率が２．５〜２．７程度であり、かつ、（指標Ａ）×（高炉スラグ配合率）の値を０．４５以下となるように配合する。なお、混合場所は、本発明の高炉スラグ細骨材を製造した直後にヤードで他の細骨材と混合することでも良い。

特に細かい細骨材との混合においては、本発明の高炉スラグ細骨材であっても粗いものが求められる。粗粒率が２．２以下の陸砂などと混合する場合は、１３７０℃以下の溶融高炉スラグを水中で急速冷却した粗い粒子の混合してある水砕スラグを原料として、０．９ミリメートル以上の篩目で分級するなどの方法で得た高炉スラグ細骨材であって、０．６ミリメートル以下の粒子の比率が７質量％以下であり、かつ、２．５ミリメートル以上の粒子の比率が１０質量％以下であるものが有効である。

表１に記載されている高炉スラグ３を製造して、これを陸砂に混合した細骨材を製造した。高炉スラグ３の製造には、図２、図３、および図４の装置を使用した。製造条件は、表２に示されたものである。
まず、溶融スラグは、石灰４２〜４３質量％、酸化珪素３４〜３６質量％、酸化アルミ１３〜１５質量％、酸化マグネシウム６〜８質量％のものであり、水冷前の温度が１４１０℃であった。冷却後の水砕スラグの粗粒率は３．０２であった。この水砕スラグを図３の破砕機で破砕した。この処理の結果、破砕後の水砕スラグの粗粒率は２．７１であった。破砕の度合いが十分であったため、破砕後の単位容積質量は１．５５キログラム／リットルと十分であった。
この水砕スラグを図４の湿式分級装置を用いて微粒分を除去した。処理が完了した後の粒度分布は表１に示すとおりであり、指標Ａと単位容積質量は１．０９と１．４９キログラム／リットルであった。高炉スラグ３を３００トンの山として積んで保管した。この山の高炉スラグ細骨材を３ヵ月後に出荷したが、固結は起きていなかった。
高炉スラグ３と粗粒率２．２の陸砂を４５質量％対５５質量％の比率で混合して、混合細骨材Ａを製造した。混合細骨材Ａの粗粒率は２．７であった。混合細骨材Ａと石灰砕石の粗骨材を用いたセメントコンクリートを製造した。スランプは１８．５ｃｍであり、生コンクリートの流動性には問題がなかった。この生コンクリートでは、ブリージング率が２．３％であり、ブランクテストである高炉スラグ砕骨材なしの生コンクリートのブリージング率１．９％とほぼ同等であった。このように、本発明の高炉スラグ細骨材では、比較的高い配合比でも、著しいブリージングが起きなかった。
また、高炉スラグ３と粗粒率２．０の陸砂を５５質量％対４５質量％の比率で混合して、混合細骨材Ｂを製造した。混合細骨材Ｂの粗粒率は２．６であった。混合細骨材Ｂと石灰砕石の粗骨材を用いたスランプは１８．０ｃｍのセメントコンクリートを製造した。この生コンクリートでは、ブリージング率が３．２％であり、やや大きかった。このブリージング率では、土木用途の表面の仕上げが問題とならない場合は良いが、建築用途のように表面仕上げの厳しい場合には問題となる状態であった。このように、（指標Ａ）×（高炉スラグ配合率）が０．４７と良好な条件値である０．４５を超えると、ブリージングにやや問題があった。

表１に記載されている高炉スラグ４を製造して、これを陸砂に混合した細骨材を製造した。製造装置は実施例１と同じであった。使用した溶融スラグは、実施例1と同じのものであったが、水冷前の温度が１４１０℃と１３５０℃の２条件で処理を行った。冷却後の水砕スラグの粗粒率は各々３．１と３．８であった。このように、溶融スラグの温度が低い場合は、粗い粒子ができる。この両者を１対１の比率で混合した水砕スラグを図３の破砕機で破砕加工した。この結果、粗粒率が３．１であり、単位容積質量が１．５７キログラム／リットルの水砕スラグができた。この水砕スラグを図４の湿式分級機で処理した。この結果、粗粒率が３．４２であり、単位容積質量が１．５２キログラム／リットルの高炉スラグ細骨材が製造された。高炉スラグ４の指標Ａは０．８３であった。また、０．３ミリメートル以下の粒子比率が５％であり、かつ、２．５ミリメートル以上の粒子が１６％と細かい砂と混合するために最適な高炉スラグ細骨材であった。
この高炉スラグ細骨材を５００トンの山に積んで、固結の実験を行ったが、１年後でも固結していなかった。
高炉スラグ４と粗粒率２．１の陸砂を４０質量％対６０質量％の比率で混合して、混合細骨材Ｃを製造した。混合細骨材Ｃの粗粒率は２．６であった。混合細骨材Ｃと石灰砕石の粗骨材を用いたセメントコンクリートを製造した。スランプは１８．０ｃｍであり、生コンクリートの流動性には問題がなかった。この生コンクリートでは、ブリージング率が２．１％であり、ブランクテストのブリージング率（１．９％）と同等であった。このように、本発明の高炉スラグ細骨材では、比較的高い配合比でも、際立ったブリージングが起きなかった。また、高炉スラグ４と粗粒率１．９の陸砂を６０質量％対４０質量％の比率で混合して、混合細骨材Ｄを製造した。混合細骨材Ｄの粗粒率は２．６であった。混合細骨材Ｄと石灰砕石の粗骨材を用いたスランプは１８．５ｃｍのセメントコンクリートを製造した。この生コンクリートでは、ブリージング率が２．３％であり、ブランクテストとほぼ同等であった。

表１に記載されている高炉スラグ５を製造して、これを陸砂に混合した細骨材を製造した。製造装置は実施例１と同じであった。使用した溶融スラグは、実施例1と同じのものであったが、水冷前の温度が１３４０℃の処理を行った。冷却後の水砕スラグの粗粒率は３．８５であった。この水砕スラグを図３の破砕機で破砕加工した。この結果、粗粒率が３．２１で、単位容積質量が１．５５キログラム／リットルの水砕スラグができた。この水砕スラグを図４の湿式分級機で処理した。この結果、粗粒率が３．７３で、単位容積質量が１．５４キログラム／リットルの高炉スラグ細骨材が製造された。高炉スラグ５の指標Ａは０．６３であった。この高炉スラグ細骨材は全く固結しなかった。また、０．３ミリメートル以下の粒子比率が２％であり、かつ、２．５ミリメートル以上の粒子が２２％と細かい砂と混合するために最適な高炉スラグ細骨材であった。
この高炉スラグ５と、粗粒率１．９の細かい陸砂と粗粒率２．３の中目の海砂との混合物（７５対２５）を混ぜて、混合細骨材Ｅを製造した。なお、混合細骨材Ｅ中の高炉スラグ５の混合比率は５５質量％であり、粗粒率は２．７であった。混合細骨材Ｅと石灰砕石の粗骨材を用いたスランプが１８．０ｃｍのセメントコンクリートを製造した。この生コンクリートの流動性には問題がなかった。この生コンクリートでは、ブリージング率が２．２％であり、ブランクテストとほぼ同等であった。

比較例

実施例１〜３と同じ溶融高炉スラグを用いて、高炉スラグ細骨材である高炉スラグ１を製造した。高炉スラグ１の製造では、１４２０℃の溶融スラグを水冷した。冷却後の水砕スラグの粗粒率は２．８３であった。この水砕スラグを図３の破砕機で破砕加工した。この結果、粗粒率が２．２５、指標Ａが１．９３の高炉スラグ細骨材ができた。０．３ミリメートル以下の粒子比率が２４％あった。高炉スラグ１を２００トンの山に積んで２ヶ月間保管したところ、山の内部に５００ミリメートルから２ｍ程度の凝集物（固結物）が生成した。この結果、この山のスラグを軽破砕して出荷したことから、費用が多くかかった。同一製品の別ロットでは、固結防止のために同一の製品にカルボン酸塩からなる固結遅延剤を添加したことから、これも薬剤費用が多くかかる結果となった。
この高炉スラグ１と、粗粒率２．２の陸砂と粗粒率２．９の石灰砕砂との混合物を混ぜて、混合細骨材Ｆを製造した。混合細骨材Ｆ中の高炉スラグ１の混合比率は４０質量％であり、粗粒率は２．６であった。混合細骨材Ｅと石灰砕石の粗骨材を用いたスランプは１８．５ｃｍのセメントコンクリートを製造した。この生コンクリートでは、ブリージング率が３．６％であり、ブランクテストの比率の１．９倍であった。この結果、硬化後のコンクリート表面の肌荒れ状態が悪かった。

各種の高炉スラグ細骨材を他の細骨材と混合して得た混合細骨材でのブリージング発生率の関係を示す図である。 溶融高炉スラグを水中で急速冷却して水砕スラグ粒を製造する装置の例である。 水砕スラグ粒を破砕する装置の例である。 本発明を行う、水砕スラグ粒と水のスラリーを製造して、これを振動式スクリーンで分級する装置の図である。

符号の説明

１ 高炉スラグ流
２ スラグ樋
３ 水樋
４ 冷却水
５ 水ノズル
６ スラグ粒
７ 供給コンベア
８ ホッパー
９ ケーシング
１０ ローター
１１ 破砕刃
１２ 供給槽
１３ スラリー槽
１４ 振動式スクリーン
１５ 搬送コンベア
１６ 沈殿槽
１７ 循環水槽
１８ ポンプ
１９ スプレーノズル

Claims (6)

1. 溶融している高炉スラグを水中で急速冷却して、ガラス化したスラグ粒を製造し、当該スラグ粒を破砕加工して製造した細骨材であって、単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上であり、かつ、比表面積を簡易的に表わすための指標である、ＪＩＳ篩の所定篩目を通過して、かつ、当該所定の篩目よりも１段細かい篩目を通過しない粒子の存在比率を当該所定篩目のサイズ（単位：ミリメートル）で割った値である指標Ａが１．２以下であることを特徴とする高炉スラグ細骨材。
2. ０．３ミリメートル以下の粒子の比率が８質量％以下であり、かつ、２．５ミリメートル以上の粒子の比率が３０質量％以下であることを特徴とする請求項１に記載の高炉スラグ細骨材。
3. 単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上、かつ、指標Ａが１．２以下である、溶融している高炉スラグを水中で急速冷却したスラグ粒を破砕加工して得た高炉スラグ細骨材を他の細骨材と混合して製造した細骨材であり、かつ、当該高炉スラグ細骨材の全体質量に対する質量比と指標Ａの積が０．４５以下であることを特徴とするセメントコンクリート用またはモルタル用細骨材。
4. 単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上、かつ、指標Ａが０．９以下である、溶融している高炉スラグを水中で急速冷却したスラグ粒を破砕加工して得た高炉スラグ細骨材を他の細骨材と混合して製造した細骨材であることを特徴とするセメントコンクリート用またはモルタル用細骨材。
5. 溶融高炉スラグを水中で急速冷却して高炉スラグ粒を得て、当該高炉スラグ粒を破砕機で加工処理して、単位容積質量を１．５キログラム／リットル以上とした後に、当該高炉スラグ粒と水の比率が１対２〜１対５の懸濁スラリーを製造して、当該懸濁スラリーを間隔が０．６〜１．３ミリメートルの格子または平行隙間の振動スクリーンにかけて、より細かい粒子と水の混合物を当該スクリーンから通過させる処理によって細かい粒子を分離することにより、単位容積質量が１．４８キログラム／リットル以上であり、かつ、指標Ａが１．２の粒子を得ることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
6. 請求項５に記載の高炉スラグ細骨材の製造方法であって、１３７０℃以下の溶融した高炉スラグを水冷して得た高炉水砕スラグが一部または全部含まれている高炉水砕スラグを破砕前の原料として用いることを特徴とする高炉スラグ細骨材の製造方法。
   

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