JP2006137655A

JP2006137655A - 耐摩耗性に優れたアスファルト用骨材やコンクリート用骨材として調整した製鋼スラグ

Info

Publication number: JP2006137655A
Application number: JP2004331251A
Authority: JP
Inventors: Yasushi Era; 康司江良
Original assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Current assignee: Sanyo Special Steel Co Ltd
Priority date: 2004-11-15
Filing date: 2004-11-15
Publication date: 2006-06-01

Abstract

【課題】製鋼スラグをアスファルト用骨材やコンクリート用骨材として利用する際の、すりへり減量が小さく、耐摩耗性に優れている製鋼スラグを提供する。
【解決手段】製鋼スラグ中のダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量とＰ₂Ｏ₅の含有量との比、すなわち、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅、を９０以下に調整したことからなる骨材としてのすりへり減量が図１に示すように１５％以下と小さく、耐摩耗性に優れている製鋼スラグである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えばアスファルト用骨材やコンクリート用骨材など耐摩耗性を要求される用途に利用する製鋼スラグに関するものである。

従来、電気炉製鋼に伴う製鋼スラグは、主に路盤材や地盤改良材、肥料や土壌改良剤として使用されてきた。しかし、これらの需要は低下しており、最近はアスファルト用骨材やコンクリート用骨材などの耐摩耗性を要求される用途としても利用されてきている。その際、骨材の重要な品質項目の一つが耐摩耗性の指標となるすりへり減量である。このアスファルト用骨材やコンクリート用骨材のすりへり減量を向上させることによってアスファルトやコンクリート自体の耐摩耗性や耐久性を高めることができる。一般に、すりへり減量の小さな骨材は、堅硬ですりへり抵抗や耐久性に優れたものとなり、すりへり減量の大きな骨材は耐摩耗性や耐久性に劣る。

ところで、電気炉製鋼に伴う製鋼スラグの主要鉱物相はダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）である。しかし、このダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）は冷却時に相転移を起こし、体積膨張を生じる。この体積膨張によって製鋼スラグの比重が小さくなる。また、体積膨張に伴い製鋼スラグに大きな圧力がかかることにより製鋼スラグにクラックが生じて脆くなる。これらのことが原因で製鋼スラグからなる骨材のすりへり減量が悪化することが考えられる。

一方、製鋼スラグ中のダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）にＣｒ₂Ｏ₃、Ｐ₂Ｏ₅、Ｖ₂Ｏ₅、Ｂ₂Ｏ₅などが固溶していれば、相転移が抑制されることが報告されている（例えば、非特許文献１参照。）。元来、製鋼スラグ中にはＰ₂Ｏ₅が０〜１．５％程度含有されており、その含有量が多いものほどダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の相転位防止への寄与が大きくなる。

そのため、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）に対するＰ₂Ｏ₅の質量割合が多いほど、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の相転位が抑制でき、その結果、体積膨張する割合も少なくなるため製鋼スラグからなる骨材のすりへり減量の悪化が軽減できると考えられる。しかし、これまでダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量とＰ₂Ｏ₅の含有量との比（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅）と骨材のすりへり減量との関係については明確にされていなかった。

製鋼スラグ中の２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値と骨材のすりへり減量の関係を明確にできれば、この値を調整することで製鋼スラグからなる骨材のすりへり減量を調整することができる。その手段としては、製鋼スラグ中のダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の生成量を減少することや、製鋼スラグ中のＰ₂Ｏ₅の含有量を増加することが考えられる。

製鋼スラグ中のダイカルシウムシリケートの生成量の減少方法としては、ステンレススラグを対象に、スラグの塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ₂）に対するＡｌ₂Ｏ₃の濃度の比を１０以上にする方法が開示されている（例えば、特許文献１参照。）。しかし、この方法はステンレススラグ中のクロムの低減と、ダイカルシウムシリケートの体積膨張による粉化を抑制することを目的とするものである。また、Ｐ₂Ｏ₅の含有量を増加する方法としては、粉化しやすい還元スラグにリン酸塩を含有する材料を添加する方法がある（例えば、特許文献２参照。）。しかし、これも粉化防止を目的とする方法である。したがって、従来は、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅と製鋼スラグからなる骨材のすりへり減量との関係については明らかにされていなかった。

製鋼スラグをアスファルト用骨材やコンクリート用骨材として利用する場合、製鋼スラグからなる骨材のすりへり減量が耐摩耗性を保証するうえで重要な指標になるので、製鋼スラグ中の成分を調整して製鋼スラグからなる骨材のすりへり減量が規定できれば、骨材としてのすりへり減量に優れた製鋼スラグを安定的に生産するのに有効な手段となる。

特開２００１−１８１７２５号公報特開昭５９−１３６５１号公報鉄と鋼第６３年（１９７７）第８号 P．１２５６

本発明が解決しようとする課題は、製鋼スラグをアスファルト用骨材やコンクリート用骨材として利用する際の、すりへり減量が小さく、耐摩耗性に優れている製鋼スラグを提供することである。

上記の課題を解決するための手段は、製鋼スラグ中のダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量とＰ₂Ｏ₅の含有量との比、すなわち、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅、を９０以下に調整したことからなるアスファルト用骨材あるいはコンクリート用骨材としてのすりへり減量が小さく、耐摩耗性に優れている製鋼スラグである。

具体的には、製鋼スラグの化学成分から算出される２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値を９０以下に調整することによって、製鋼スラグからなるアスファルト用骨材あるいはコンクリート用骨材のすりへり減量を１５％以下としたものであり、好ましくは、製鋼スラグ中の２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値を３０以下に調整することによって、製鋼スラグからなるアスファルト用骨材あるいはコンクリート用骨材のすりへり減量を１０％以下としたものである。

製鋼スラグ中の２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値を減少させる手段としては、製鋼スラグ中のＰ₂Ｏ₅の含有量を増加させるか、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）を減少させることで達成できる。このために製鋼スラグ中のダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）を減少させるには、例えば、アルミドロスなどのＡｌ含有物を製鋼スラグ中に投入し、ＣａＯをＡｌ₂Ｏ₃と結合させてカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）を生成することによって達成することができる。

本発明は、アスファルト用骨材やコンクリート用骨材に、本発明に基づいて製造された製鋼スラグを利用することによって、すりへり減量が小さく耐摩耗性に優れたスラグ骨材を得ることができ、その結果、耐摩耗性および耐久性に優れたアスファルトやコンクリートが製造可能である。さらに、製鋼スラグを高品質化することによって、低迷している製鋼スラグのアスファルト用骨材やコンクリート用骨材としての需要を高めることができる等の優れた効果を奏する。

以下に本発明を実施するための最良の形態について説明する。本発明における製鋼スラグは、通常ＣａＯを３０〜６０質量％、ＳｉＯ₂を５〜２０質量％、Ａｌ₂Ｏ₃を０〜４０質量％、Ｐ₂Ｏ₅を０〜１．５％、Ｔ−Ｆｅを０〜４０質量％、ＭｇＯを０〜１５質量％、ＭｎＯを０〜１０質量％、Ｃｒ₂Ｏ₃を０〜１０質量％、ＴｉＯ₂を０〜５質量％程度含むものである。

製鋼スラグの主要鉱物相はダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）で３０〜６０％を占め、カルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）が５〜４０％、ウスタイト（（Ｃａ，Ｍｇ，Ｍｎ，Ｆｅ）Ｏ）が１０〜４０％程度存在する。このうちダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）はスラグの冷却時に相転移を起こし、体積膨張を生じる。本発明者は、この体積膨張が大きいものほど比重が小さくなることおよびスラグ内に大きな圧力がかかりクラックが生じるなど脆くなることが原因で、骨材としてのすりへり減量が悪化すると考えた。

一方、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）は、その中にＣｒ₂Ｏ₃やＰ₂Ｏ₅、Ｖ₂Ｏ₅、Ｂ₂Ｏ₅などを固溶していれば、相転移が抑制されるとの報告がある。元来、製鋼スラグ中にはＰ₂Ｏ₅が０〜１．５％程度含有され、その含有量が多いものほどダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の相転位防止に寄与している。

したがって、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量とＰ₂Ｏ₅の含有量との比の大きさよって体積膨張を起こす割合が変化し、骨材としてのすりへり減量も変化することが予想された。そこで本発明者は、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量とＰ₂Ｏ₅の含有量の比（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅）と骨材としてのすりへり減量の関係について調べた。

ここで、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値はスラグの化学成分から算出した。

ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量は、製鋼スラグの主要鉱物相がダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）やカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）であることから、ＳｉＯ₂とＡｌ₂Ｏ₃が全てダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）とカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）として存在すると仮定して算出した。

ただし、ＣａＯの質量％が、この計算によって求められたダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）とカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）の生成量に必要なＣａＯの質量％に満たない場合は、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）とカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）との比を変えずに、足りないＣａＯの質量％に見合う分だけダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）やカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）の含有割合を減少させて補正した。

表１に製鋼スラグの化学成分の例をスラグ１およびスラグ２の２種を示す。

表１に示す成分を有するスラグ１およびスラグ２について、以下に２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値の計算方法を示す。なお、％は質量％を表わすものとする。

先ずダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有割合（％）を次式（１）で算出する。

２ＣａＯ・ＳｉＯ₂の含有割合（％）＝ＳｉＯ₂の％×１００／３４．８８（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂中のＳｉＯ₂の％）（１）

したがって、表１のスラグ１のダイカルシウムシリケートの含有割合は式（１）から計算すると、
２ＣａＯ・ＳｉＯ₂の含有割合（％）＝１５．１６（％）×１００／３４．８８＝４３．４６（％）
となる。

次にカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）の含有割合（％）を次式（２）で算出する。

１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有割合（％）＝Ａｌ₂Ｏ₃の％×１００／５１．４７（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃中のＡｌ₂Ｏ₃の％）（２）

したがって、表１のスラグ１のカルシウムアルミネートの含有割合は式（２）から計算すると、
１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有割合（％）＝６．９３×１００／５１．４７＝１３．４６（％）
となる。

さらに、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂と１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の生成に必要なＣａＯの合計％を求めると、
（４３．４６×６５．１２／１００）＋（１３．４６×４８．５３／１００）＝３４．８４（％）（３）
となる。

実際のＣａＯの含有割合は４０．０８％であるので、この値から（３）の値を減じた残りの５．２４％は、ウスタイト相などに存在していると考え、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有割合は最初に求めたように４３．４６％とする。これをＰ₂Ｏ₅の含有割合の０．９３％で割って、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値は４６．７と算出される。

同様の計算方法を用いて、スラグ２では、
２ＣａＯ・ＳｉＯ₂の含有割合（％）＝１３．６８（％）×１００／３４．８８＝３９．２２（％）
となる。

さらに、
１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の含有割合（％）＝１６．９３×１００／５１．４７＝３２．８９（％）
となる。

したがって、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂と１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃の生成に必要なＣａＯの合計％は、
（３９．２２×６５．１２／１００）＋（３２．８９×４８．５３／１００）＝４１．５０（％）
である。

ところで、実際のＣａＯの含有割合は３９．２１％であるので、
４１．５０−３９．２１＝２．２９（％）
だけＣａＯが不足している。

この不足分のＣａＯの２．２９％をダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）とカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）に質量割合を変更しないように割り当てると、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）における不足しているＣａＯの含有割合は、
２．２９×（３９．２２×６５．１２）／（３９．２２×６５．１２＋３２．８９×４８．５３）＝１．４１（％）
となる。

これをダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の質量割合に変換すると、
１．４１×１００／６５．１２＝２．１６（％）
となる。

したがって、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有割合は、
２ＣａＯ・ＳｉＯ₂の含有割合＝３９．２２−２．１６＝３７．０６（％）
というふうに３７．０６％と求められる。

これをＰ₂Ｏ₅の含有割合の０．７７％で割って、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値は４８．１と算出される。この場合、計算上ではＳｉＯ₂やＡｌ₂Ｏ₃がＣａＯと結合していないものも存在しているということになるが、実際にはダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）やカルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）以外の鉱物も生成していると考えられる。

すりへり減量は、ＪＩＳ規格Ａ１１２１にしたがい測定を行った。その方法は、まず４．７５〜１３．２ｍｍのふるいで整粒した試料（５０００±１０ｇ）の質量ｍ₁（ｇ）および鋼製の玉８個の全質量（３３００±２０ｇ）を測定する。次に試料と玉をロサンゼルス試験機に入れて、毎分３０〜３３回の回転数で５００回回転させる。そして試料を試験機から取り出し１．７ｍｍのふるいでふるい、ふるいに残った試料を水で洗った後、１０５±５℃の温度で一定質量になるまで乾燥し、その試料の質量ｍ₂（ｇ）を測定する。

すりへり減量Ｒ（％）は、次式
Ｒ＝｛（ｍ₁−ｍ₂）／ｍ₁｝×１００
によって算出する。

図１に製鋼スラグにおける化学成分から算出したダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量（％）とＰ₂Ｏ₅の含有量（％）の比（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅）とすりへり減量の関係を示す。２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値が大きくなるほど、すりへり減量も大きくなり、線形関係が得られた。

これは、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値が大きいほど相転位が抑制されずに体積膨張が大きくなって比重が小さくなること、および体積膨張によって生じるスラグ内の圧力が大きくなりスラグが脆くなることが原因ですりへり減量が大きくなるためと考えられる。

図１から２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値を９０以下に調整すれば、すりへり減量を１５％以下に抑制することができることを見出した。さらに２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値を３０以下に調整すれば、すりへり減量は１０％以下に抑制することができる。

以下、本発明の実施例について記載する。表２に製鋼スラグの化学成分から算出した２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値が異なる製鋼スラグのすりへり減量を示す。実施例１〜４は２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値がそれぞれ、２２．２１、４６．７３、４８．１２、６７．１０のものであり、比較例１〜３は２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値はそれぞれ９７．８８、１８９．１２、４７６．１０である。

実施例１〜４では、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値が９０以下であるため、すりへり減量は１５％以下に抑制されている。特に実施例１では、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値が２２．２１と小さいため、すりへり減量は８．０％と優れた値が得られた。一方、比較例１〜３では、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値が９０以上であるため、すりへり減量が１５％以上となった。

比較例２と比較例３のスラグでは、Ｐ₂Ｏ₅の含有量は同程度であるが、すりへり減量に大きな差が出ている。これは、比較例２のＡｌ₂Ｏ₃の含有量が多いために、カルシウムアルミネート（１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃）が多く生成し、ダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の生成が比較例３に比べて少なかったためだと考えられる。

製鋼スラグにおける化学成分から算出したダイカルシウムシリケート（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）の含有量とＰ₂Ｏ₅の含有量の比（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅）とすりへり減量の関係を示すグラフである。

Claims

製鋼スラグをアスファルト用骨材あるいはコンクリート用骨材として利用可能とするために、耐摩耗性の向上を目的として、製鋼スラグの化学成分から算出される２ＣａＯ・ＳｉＯ₂／Ｐ₂Ｏ₅の値を９０以下に調整したことを特徴とする製鋼スラグ。