JP2008248663A

JP2008248663A - 保水性ブロック

Info

Publication number: JP2008248663A
Application number: JP2007094709A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Hasegawa; 和広長谷川; Katsunori Takahashi; 克則高橋; Hisahiro Matsunaga; 久宏松永
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2007-03-30
Filing date: 2007-03-30
Publication date: 2008-10-16

Abstract

【課題】高い吸水・保水性と優れた強度を有し、且つ低コストに製造可能な保水性ブロックを提供する。
【解決手段】鉄鋼スラグからなる骨材と、無機粉末からなる保水機能材と、水硬性結合材とを主体とし、保水機能材と水硬性結合材を特定の割合で含有する原料の混合物を水和硬化させた水和硬化体からなる。保水機能材の粒子間に形成される気孔（間隙）に水を保持することにより保水機能を発揮するが、保水機能材がブロック表面に露出し、ブロック表面からその内部に向かって連続気孔が形成されるので、高い吸水性を有する。また、原料配合の最適化により優れた強度を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、建物の屋上や舗道などに設置して保水機能を発揮させるための保水性ブロックに関する。

近年、自動車や建物などから放出される熱のために都市部の気温が上昇する、いわゆるヒートアイランド現象が大きな社会問題となりつつある。このヒートアイランド現象の対策の一つとして、水を吸収・保持できる保水性ブロックを舗道や建物の屋上などに使用し、保持された水の気化熱でヒートアイランド現象を軽減しようとする試みがなされている。
従来、このような保水性ブロックに関して、例えば、次のようなものが提案されている。
特許文献１には、骨材である高炉スラグを、セメントモルタルまたは樹脂系結合材で固めて形成した保水性舗装用ブロックが示されている。
特許文献２には、山砂１５〜６０mass％、溶融スラグ１０〜３５mass％、ポルトランドセメント５〜１５mass％、リサイクル発泡ガラス２０〜３０mass％、ノニオン系界面活性剤及び顔料等の添加剤からなる土ブロックが示されている。

特許文献３には、セメントと、骨材と、水と、オートクレーブ養生した気泡コンクリートの粉体からなる保水材とを含み、この保水材の配合量が０．１６〜０．２０ｍ^３／ｍ^３である保水性ブロックが示されている。
特許文献４には、特定の保水性骨材を配合したコンクリートブロックであって、コンクリートモルタル部の上面を保水性骨材の頂部より一段下がった状態に仕上げ、骨材頭部を研削・研磨した保水性コンクリート床材が示されている。
特許文献５には、骨材と水硬性結合材を含む成形用材料を成形硬化させたコンクリートブロックであって、骨材に粒径０．１５〜１５ｍｍの硅質頁岩が５０〜１００容量％含まれ、骨材を５０〜８０mass％、水硬性結合材を１００〜５００ｋｇ／ｍ^３含有するものが示されている。

特開２００５−３３０７１６号公報特開２００６−１８３４３１号公報特許第３５３５８６２号公報特開２００１−２６９０２号公報特開２００４−３６０２８８号公報

しかし、これらの従来技術には、次のような問題点がある。
特許文献１に記載の保水性ブロックは、骨材である高炉スラグが備える多孔質構造を利用するものであるが、セメントペーストや樹脂系接着剤を骨材表面に付着させる必要があり、高炉スラグの持つ吸水性が阻害される。そして、セメントペーストや樹脂系接着剤は保水性を持たないため、十分な保水量が得られないという欠点がある。

特許文献２に記載のブロックは、原料として山砂を用いるものであるが、山砂は粒度分布が最適なものを選定することが難しい問題がある。また、結合材として用いるポルトランドセメントは、山砂の空隙を埋めやすいため、使用する山砂の特性に応じて適正な使用量を決める必要があり、製造条件の選定が煩雑である。さらに、山砂の多量採取は、環境破壊につながるという問題もある。
特許文献３に記載の保水性ブロックは、保水材としてオートクレーブ養生した気泡コンクリートを使用するものであるが、このような気泡コンクリートを得るには高圧・高温処理（例えば、１０ｋｇｆ／ｃｍ^２，１８０℃）が必要であるため、製造工程が複雑であり、製造コストも高い。

特許文献４に記載の保水性コンクリート床材は、保水性を有する骨材を使用して板状コンクリートブロックを成形し、その後表面研磨することで保水性骨材の頂部を露出させる必要があるため、製造工程が複雑であり、製造コストも高い。
特許文献５に記載のコンクリートブロックは、硅質頁岩が吸水性を有し、さらに硅質頁岩を含む骨材間の空隙が毛細管現象で水分を吸収することが示されているが、特定の性質を持つ原料を使用する必要があり、製造コストが高い。

したがって本発明の目的は、高い吸水・保水性を有するとともに、耐衝撃性および耐久性に優れ、しかも低コストに製造可能な保水性ブロックを提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決できる保水性ブロックを得るために、ブロックの原材料と製造条件について検討した結果、鉄鋼スラグからなる骨材と、無機粉末からなる保水機能材と、水硬性結合材とを特定の割合で配合した原料を水和硬化させることにより、優れた吸水・保水性と耐衝撃性、耐久性を兼ね備えた保水性ブロックが得られることを見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。

［1］鉄鋼スラグからなる骨材と、無機粉末からなる保水機能材と、水硬性結合材とを主体とし、保水機能材を骨材１００質量部に対して１５〜５５質量部、水硬性結合材を骨材と保水機能材の合計１００質量部に対して７〜２４質量部含有する原料の混合物を水和硬化させた水和硬化体からなることを特徴とする保水性ブロック。
［2］上記［1］の保水性ブロックにおいて、鉄鋼スラグが、高炉スラグおよび／または製鋼スラグであることを特徴とする保水性ブロック。
［3］上記［1］または［2］の保水性ブロックにおいて、鉄鋼スラグは、粒径０．６〜１０ｍｍの粒子の割合が２０〜８０質量％であることを特徴とする保水性ブロック。

［4］上記［1］〜［3］のいずれかの保水性ブロックにおいて、保水機能材が、炭酸カルシウム、高炉徐冷スラグ微粉末、シリカ、珪砂、フライアッシュ、アルミナ、炭化珪素、ムライト、レンガ粉の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする保水性ブロック。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの保水性ブロックにおいて、保水機能材は、粒径１．１８ｍｍ以下の粉の割合が８０質量％以上であることを特徴とする保水性ブロック。
［6］上記［1］〜［5］のいずれかの保水性ブロックにおいて、水硬性結合材が、セメント、高炉水砕スラグ微粉末の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする保水性ブロック。

本発明の保水性ブロックは、高い吸水・保水性を有するとともに、耐衝撃性および耐久性に優れている。このため建物の屋上や舗道などに設置することにより、ヒートアイランド現象の緩和を図ることができる。また、安価に入手可能な原料を用い、しかも特別な処理も必要ないため、低コストに製造可能である。

本発明の保水性ブロックは、鉄鋼スラグからなる骨材と、無機粉末からなる保水機能材と、水硬性結合材とを主体とし、保水機能材を骨材１００質量部に対して１５〜５５質量部、水硬性結合材を骨材と保水機能材の合計１００質量部に対して７〜２４質量部含有する原料の混合物を水和硬化させた水和硬化体からなる。

骨材である前記鉄鋼スラグは、鉄鋼製造プロセスで副生する有用なリサイクル資材であり、セメントクリンカー原料、土木用資材、肥料、骨材などとして再利用されている環境に優しい材料である。また、鉄鋼スラグは多孔質性であり、この多孔質部に吸水させることができるので、特に保水性ブロックの骨材として適している。
鉄鋼スラグとしては、高炉スラグと製鋼スラグの二種類に大別されるが、いずれも利用可能である。高炉スラグには高炉徐冷スラグと高炉水砕スラグがあり、いずれも利用可能である。また、製鋼スラグは、予備処理スラグと転炉スラグに大別され、予備処理スラグには脱珪スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグなどがあるが、塩基度の極めて高い脱硫スラグ以外は骨材として用いることができる。

鉄鋼スラグを骨材として適切に機能させるために、鉄鋼スラグは粒径０．６〜１０ｍｍの割合が２０〜８０質量％、好ましくは３０〜７０質量％である粒度分布を有することが望ましい。鉄鋼スラグの粒径０．６〜１０ｍｍの割合が２０質量％未満または８０質量％を超えると骨材の実積率が低下するため、強度を発現させるためには結合材などのペースト分の使用量を多くする必要があり、その結果、疲労耐久性に劣る配合になる。また、結合材が多くなると保水能力が低下し、さらに、結合材の使用量が増加すると製造コストの上昇を招く。
なお、鉄鋼スラグは、実質的に保水機能材、結合材またはアルカリ刺激剤として機能する場合がある。

前記保水機能材は、それらの粒子間に形成される気孔（間隙）で保水を行うもので、非水和硬化性または弱水和硬化性の無機粉末が用いられる。具体的には、炭酸カルシウム（例えば、石灰石粉を含む）、高炉徐冷スラグ微粉末、シリカ（例えば、シリカフュームなどを含む）、珪砂、珪石粉、フライアッシュ、アルミナ、炭化珪素、ムライト、レンガ粉などが挙げられ、これらの１種以上を用いることができる。なかでも、保水機能の持続性とコストの面で、炭酸カルシウム、シリカ、フライアッシュ、珪砂、アルミナ、炭化珪素がより好ましい。これらの保水機能材は、水硬性結合材と組合せて用いることにより、粒子間に水の吸放出が容易な気孔径を有する気孔を形成し、長期間にわたってブロックの保水機能を維持する。
また、反応性（水和反応性またはポゾラン反応性）が特に小さく、長期間に亘って高い保水性を維持できるという観点からは、炭酸カルシウム、珪砂、シリカフューム、アルミナ、炭化珪素が特に好ましい。

保水機能材（無機粉末）は、保水機能の面から、粒径１．１８ｍｍ以下の粉の割合が８０質量％以上、より好ましくは４２５μｍ以下の粉の割合が６０質量％以上である粒度分布を有することが望ましい。保水機能材がこのような粒度分布を有しないと、粒子間に水の保持と放出に適した気孔（間隙）を形成しにくくなり、保水能力が低下する。
保水機能材の配合量は、骨材１００質量部に対して１５〜５５質量部、好ましくは１９〜４８質量部とする。保水機能材の配合量が１５質量部未満では、保水機能材間への保水量が少なくなり、一方、５５質量部を超えると骨材のかみ合わせ不十分となり、耐久性が低下する傾向がある。

水硬性結合材としては、セメント、高炉水砕スラグ微粉末の１種以上を用いることができる。
セメントとしては、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、低熱ポルトランドセメント等のポルトランドセメント、速硬セメント、超速硬セメント、アルミナセメント等のポルトランドセメントとは成分が異なるもの、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカセメント、エコセメント等が挙がられ、これらの１種以上を用いることができる。

高炉水砕スラグ微粉末は、高炉水砕スラグを微粉砕化したもので、ブレーン値は４０００〜１００００ｃｍ^２／ｇの範囲のものが製造されており、全て使用可能であるが、最も一般的な４０００ｃｍ^２／ｇのものを用いることが経済的に有利である。高炉水砕スラグ微粉末は潜在水硬性を有する粉体であるので、これを結合材として用いるには、アルカリ刺激剤を添加する。このアルカリ刺激剤としては、消石灰、石灰、水酸化ナトリウム、水酸化カリウムなど、水に溶けてアルカリ性を示すものを用いることができるが、経済的には消石灰を用いることが好ましい。また、高炉水砕スラグ微粉末をセメントとともに用いる場合には、セメントがアルカリ刺激剤として機能する。
水硬性結合材の配合量は、骨材と保水機能材の合計１００質量部に対して７〜３２質量部、好ましくは８〜２７質量部とする。水硬性結合材の配合量が７質量部未満では保水性ブロックの強度が小さく、一方、３２質量部を超えると保水能力が低下するため好ましくない。

保水機能と耐久性の面から、保水性ブロックの吸水率は１５〜４３体積％、より好ましくは１８〜３６体積％であること望ましいが、本発明の保水性ブロックは、このような吸水率を実現することができる。吸水率が１５体積％未満では保水量が少ないため、冷却効果が小さくなる。一方、４３体積％を超えると保水ブロックの強度が低下し、耐久性に問題を生じやすい。この吸水率は、保水機能材の配合量を変えることによって、調整することができる。
なお、保水性ブロックの吸水率は、保水性ブロックを乾燥させた後、水中に浸漬させて質量測定を行い、水中浸漬前後の質量差を求め、その値をブロックの体積で除すことにより求められる。
また、本発明の保水性ブロックは、曲げ強度が２．５ＭＰａ以上、より好ましくは３ＭＰａ以上であることが望ましい。保水性ブロックを人が立ち入る場所に設置する場合、ある程度の強度が求められるからである。このような強度は、水結合材比を適切に設定することにより達成できる。水結合材比は、骨材や保水機能材の種類によって異なるため一義的に決めることはできないので、用いる材料に応じて適宜設定する。

本発明の保水性ブロックは、鉄鋼スラグと、無機微粒子からなる保水機能材と、水硬性結合材とを主体とする原料に水を加えて混練し、この混練物を水和硬化させて水和硬化体とることにより製造される。前記混練物は型枠などに充填し、一定時間養生することで、水和硬化体が得られる。
このような製造工程において、原料に対する水の添加量は、過少であると保水機能が小さくなり、過大であるとブロックの強度が小さくなるが、一般には保水機能材と水硬性結合材の合計１００質量部に対して５０〜１５０質量部程度の範囲で適宜調整すればよい。

本発明の保水性ブロックは、保水機能材である無機粉末の粒子間に形成される気孔（間隙）に水を保持することにより保水機能を発揮するものであるが、保水機能材がブロック表面に露出し、したがってブロック表面からその内部に向かって連続気孔が形成される。このためブロック内部に水が入り込めない閉鎖的な気孔（閉気孔）が殆ど形成されず、これにより高い吸水率を得ることができる。
また、骨材（鉄鋼スラグ）と保水性機能材と結合材との配合を最適化することにより、高い吸水性を有しながら、衝撃などにも十分に耐え得る強度を有している。

本発明の保水性ブロックは、その用途、設置・施工する対象や場所に特別な制約はないが、容易に持ち運びができ、且つ通常のブロックの施工法により設置・施工が可能であるため、いかなる対象や場所においても保水性を有する建築又は土木施工物（保水性構造部）を形成することができる。この建築・土木施工物としては、例えば、(a)オフィスビル、集合住宅、一般住宅などの建物、(b)道路構造物、地下構造物などの土木構造物、(c)道路（歩道なども含む）、広場、運動場などの舗装、(d)擁壁、塀、植栽用構造物（例えば花壇）などの構造物、などをはじめとするあらゆる種類の施工物に及び、これらの資材として用いることができる。また、そのほかに、単体として植栽用ブロックなどの種々の用途にも適用できる。

特に、この保水性ブロックは、建物の屋上や外壁に設置することにより、建物の温度上昇を効果的に抑えることができ、ヒートアイランド現象の軽減に対して有効な手段となり得る。すなわち、この保水性ブロックを建物の屋上や外壁面などに設置した場合、保持した水の気化熱による冷却作用に加えて、連続空隙（開気孔）に水を保持した多孔質体が建物を覆う高性能な断熱材として機能するため、日射などによる建物の温度上昇を効果的に抑えることができる。
本発明者らがビル屋上にて行った設置試験（１ｍ×１ｍの試験枠中に保水性ブロックを設置し、保水性ブロック表面温度、裏面温度（屋上の表面温度）を測定した試験）では、本発明の保水性ブロックをビル屋上に用いることで、夏季（８月〜９月）の屋上温度が約１０℃以上低下することが確認された。
本発明の保水性ブロックの形状は任意であり、プレート状の厚みが小さいものでもよく、形状は用途に応じて適宜選択される。また、植栽用としては、上面などに凹部や溝などを形成したものでもよい。

［実施例１］
本実施例（発明例１、比較例１）では、骨材として最大粒径が９．５ｍｍ、粒径２．３６〜９．５ｍｍの粒子の割合が５７質量％に調整された高炉水砕スラグを、保水機能材として４２５μｍ以下の粒径に粉砕された高炉徐冷スラグ粉と平均粒径が５．２μｍのシリカフュームを、水硬性結合材として高炉セメントＢ種を、それぞれ用いて保水ブロックを作製した。比較例１では、保水機能材を本発明範囲を超えて配合した。
上記原料に所定量の水を加えてオムニミキサーで９０秒間混練した後、この混練物を３０ｃｍ×３０ｃｍ×４ｃｍの型枠に入れて成形した。２０℃、６０％ＲＨに保持された恒温恒湿室で２４時間養生した後、６０℃蒸気養生を７日間実施して水和硬化体（保水性ブロック）を得た。

以上のようにして得られた保水性ブロックを５０℃に保持した乾燥器で３日間乾燥し、その後２０℃恒温室内で水中に２４時間浸漬し、浸漬前後の質量変化から吸水率を測定した。また、保水性ブロックの上方３０ｃｍから重さ１ｋｇの鉄片を落下させ、破損（０．０２ｍｍ以上のひび割れ）の有無によって耐衝撃性（○：破損無し、×：破損有り）を調べた。また、２００ｋＮ疲労試験機（島津製作所製）を用い、２８日曲げ強度測定時における破壊応力の５０％を載荷荷重とし、周波数７で疲労試験を行い、曲げ疲労耐久性（○：１０^６回で破断無し、×：１０^５回以下で破断有り）を調べた。それらの結果を、原料の配合割合とともに表１に示す。

［実施例２］
本実施例（発明例２、比較例２）では、骨材として最大粒径が９．５ｍｍ、粒径２．３６〜９．５ｍｍの粒子の割合が５７質量％に調整された高炉水砕スラグを、保水機能材として４２５μｍ以下の粒径に粉砕された高炉徐冷スラグ粉と最大粒径が９．５μｍの炭酸カルシウムを、水硬性結合材として高炉セメントＢ種を、それぞれ用いて保水ブロックを作製した。比較例２では、保水機能材を本発明範囲を超えて配合した。混練、成形、養生は、実施例１と同様の方法で行った。
以上のようにして得られた保水ブロックの吸水率と曲げ疲労耐久性を実施例１と同じ方法で測定した。その結果を、原料の配合割合とともに表２に示す。
また、保水性ブロックを水中に２４時間浸漬して飽水状態にさせた後、屋外曝露を行って表面温度を測定した。その結果を図１に示す。

［実施例３］
本実施例（発明例３〜７）では、骨材として最大粒径が９．５ｍｍ、粒径２．３６〜９．５ｍｍの粒子の割合が５３質量％に調整された製鋼スラグ（脱燐スラグ）を、保水機能材として４２５μｍ以下の粒径に調製されたフライアッシュ、珪砂、アルミナ、炭化珪素、アルミナレンガ粉のうちの１種を、水硬性結合材として普通ポルトランドセメントを、それぞれ用いて保水ブロックを作製した。混練、成形、養生は実施例１と同様の方法で行った。
以上のようにして得られた保水ブロックの吸水率を実施例１と同じ方法で測定した。その結果を、原料の配合割合とともに表３に示す。

［実施例４］
本実施例（発明例８〜１１、比較例３〜４）では、骨材として最大粒径が９．５ｍｍ、粒径２．３６〜９．５ｍｍの粒子の割合が４９質量％に調整された製鋼スラグ（脱燐スラグ）を、保水機能材として最大粒径が１０μｍの炭酸カルシウムを、水硬性結合材として普通ポルトランドセメントを、それぞれ用いて保水性ブロックを作製した。比較例３，４では、保水機能材の配合量を本発明範囲外とした。混練、成形、養生は、実施例１と同様の方法で行った。
以上のようにして得られた保水ブロックの吸水率、耐衝撃性および曲げ疲労耐久性を実施例１と同じ方法で測定した。その結果を、原料の配合割合とともに表４に示す。

［実施例５］
本実施例（発明例１２〜１４、比較例５，６）では、骨材として最大粒径が９．５ｍｍ、粒径２．３６〜９．５ｍｍの粒子の割合が４９質量％に調整された製鋼スラグ（脱リンスラグ）を、保水機能材として最大粒径４２５μｍ以下のフライアッシュを、水硬性結合材として普通ポルトランドセメントを、それぞれ用いて保水性ブロックを作製した。比較例５，６では、水硬性結合材の配合量を本発明範囲外とした。混練、成形、養生は、実施例１と同様の方法で行った。
以上のようにして得られた保水ブロックの吸水率、耐衝撃性および曲げ疲労耐久性を実施例１と同じ方法で測定した。その結果を、原料の配合割合とともに表５に示す。

実施例２において、吸水させた保水性ブロックの屋外曝露を行って表面温度の変化を測定した結果を示すグラフ

Claims

鉄鋼スラグからなる骨材と、無機粉末からなる保水機能材と、水硬性結合材とを主体とし、保水機能材を骨材１００質量部に対して１５〜５５質量部、水硬性結合材を骨材と保水機能材の合計１００質量部に対して７〜２４質量部含有する原料の混合物を水和硬化させた水和硬化体からなることを特徴とする保水性ブロック。
鉄鋼スラグが、高炉スラグおよび／または製鋼スラグであることを特徴とする請求項１に記載の保水性ブロック。
鉄鋼スラグは、粒径０．６〜１０ｍｍの粒子の割合が２０〜８０質量％であることを特徴とする請求項１または２に記載の保水性ブロック。
保水機能材が、炭酸カルシウム、高炉徐冷スラグ微粉末、シリカ、珪砂、フライアッシュ、アルミナ、炭化珪素、ムライト、レンガ粉の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の保水性ブロック。
保水機能材は、粒径１．１８ｍｍ以下の粉の割合が８０質量％以上であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の保水性ブロック。
水硬性結合材が、セメント、高炉水砕スラグ微粉末の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の保水性ブロック。