JP2011173768A - 製鋼スラグを用いた細骨材の製造方法、当該細骨材を用いた水和硬化体の製造方法、並びに、製鋼スラグを用いた細骨材及び水和硬化体 - Google Patents

Abstract

【課題】エージング処理を含む遊離石灰除去処理を省略可能であると共に、製鋼スラグの特性を活かしつつ、ひび割れの問題を軽減する。
【解決手段】製鋼工程により生成された製鋼スラグを取得し（Ｓ１）、当該取得した製鋼スラグを、遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに破砕する（Ｓ２）。そして、Ｓ２の破砕工程において破砕された製鋼スラグを、細骨材用に粒度調整すること（Ｓ３）により、水和硬化体に適用可能な細骨材が完成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、製鋼スラグを用いた細骨材の製造方法、当該細骨材を用いた水和硬化体の製造方法、並びに、製鋼スラグを用いた細骨材及び水和硬化体に関する。

製鉄過程で生じるスラグ（高炉スラグ及び製鋼スラグ）は、産業廃棄物の廃棄量削減の観点から、また、高密度且つ硬質という特性から、土木建築用材料への利用が期待されている。高炉スラグは、比較的化学組成が安定しており、後述のような膨張が生じにくいため、コンクリートやモルタル等の水和硬化体の骨材に比較的容易に利用されている。一方、製鋼スラグは、生石灰（遊離石灰）が残存しており、当該遊離石灰が水と反応して膨張し、水和硬化体にひび割れを生じさせて強度を低下させるという問題があるため、水和硬化体の骨材に用いるのが困難であるとされている。

そこで、製鋼スラグを有効利用するため、ひび割れの要因となる製鋼スラグの体積膨張を抑制する様々な技術が提案されている。特許文献１は、製鋼スラグの体積膨張を抑制するためのエージング処理を水蒸気の利用により短時間で行うことを提案している。

特開２００７−１０６６３１号公報

しかしながら、上記特許文献１では、エージング処理を行うことが前提であり、また、当該文献に記載の製鋼スラグの利用方法は製鋼スラグの特性を活かした利用方法とは言えない。

本発明の目的は、エージング処理を含む遊離石灰除去処理を省略可能であると共に、製鋼スラグの特性を活かしつつひび割れの問題を軽減可能な、製鋼スラグを用いた細骨材の製造方法、当該細骨材を用いた水和硬化体の製造方法、並びに、製鋼スラグを用いた細骨材及び水和硬化体を提供することである。

本願発明者等は、上記のエージング処理のように遊離石灰を除去して製鋼スラグの膨張特性を抑制するのではなく、遊離石灰及びこれに起因した製鋼スラグの膨張特性を積極的に利用することに着目した。そしてこのような着目に基づき、後述のように各種実施例及び比較例を用いて実験を行い考察した結果、上記目的を達成するため、下記の発明を提供するに至った。

本発明の第１観点によると、製鋼工程により生成された製鋼スラグを、遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに破砕する破砕工程と、前記破砕工程において破砕された製鋼スラグを、細骨材用に粒度調整する粒度調整工程とを備えたことを特徴とする細骨材の製造方法が提供される。

ここで、「遊離石灰除去処理」とは、製鋼工程により生成された製鋼スラグに残存する遊離石灰を除去する様々な処理を意味する。例えば、「遊離石灰除去処理」としては、エージング処理（長期間屋外に放置して遊離石灰の水和反応を進行させる自然エージング処理、蒸気や温水を用いて短期間で遊離石灰の水和反応を促進する蒸気又は温水エージング処理等）、風砕処理（溶融状態の製鋼スラグを高速気流で急冷凝固させる処理）、添加物（石炭灰、ポラゾン反応性を有する物質（シリカ等）、水砕スラグ粉末、石膏、ＣａＣｌ２、高炉水砕スラグ等）の添加による化学反応促進処理、炭酸化処理（遊離石灰を二酸化炭素と反応させることにより元々天然に存在した石灰石の状態に戻す処理）等がある。

また、「細骨材用に粒度調整する」とは、現状では、１０ｍｍふるいを全て通過し且つ粒径５ｍｍ以下のものが重量で８５％以上となるように粒度調整することをいうが、製造工程等様々な要因によって変化し得る。

上記第１観点に係る製造方法によれば、製鋼スラグを遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに破砕し、その後粒度調整工程を行うことによって細骨材が完成する。こうして製造された細骨材は、後に実施例で示すように、モルタル等の水和硬化体に適用した場合に、体積膨張によるひび割れが生じにくいものとなる。即ち、第１観点に係る製造方法によれば、エージング処理を含む遊離石灰除去処理を省略可能であると共に、製鋼スラグの特性を活かしつつ、ひび割れの問題を軽減することができる。

前記破砕工程において、前記製鋼スラグを破砕することによって前記製鋼スラグに含有されている遊離石灰を微粒子化し、前記粒度調整工程において、前記破砕工程で微粒子化された遊離石灰を細骨材として含ませるように粒度調整してよい。

本発明の第２観点によると、第１観点に係る製造方法により製造された細骨材及び当該細骨材とは別の細骨材、水、並びにセメントを混合し水和反応により硬化させることを特徴とする水和硬化体の製造方法が提供される。

上記第２観点に係る製造方法によれば、第１観点に係る製造方法により製造された細骨材を用いて水和硬化体を製造することで、第１観点による効果と同様の効果を得ることができる。

本発明の第３観点によると、製鋼工程により生成された製鋼スラグを、遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに破砕することにより、粒径５ｍｍ以下に形成されたことを特徴とする細骨材が提供される。

上記第３観点に係る細骨材は、前記破砕の際に微粒子化された遊離石灰を含有してよい。

本発明の第４観点によると、第３観点に係る細骨材及び当該細骨材とは別の細骨材、水、並びにセメントが混合され水和反応により硬化して形成されたことを特徴とする水和硬化体が提供される。

上記第３及び第４観点によれば、それぞれ第１観点による効果と同様の効果を得ることができる。

本発明に係る細骨材の製造方法の一実施形態を示す工程図である。 図１の粒度調整工程で粒度調整された細骨材における粒度分布の例を示すグラフである。 本発明の各実施例及び比較例に係るモルタル供試体のブリーディング率を示すグラフである。 本発明の各実施例及び比較例に係るモルタル供試体の長さ変化率を示すグラフである。 本発明の各実施例及び比較例に係るモルタル供試体の強度を示す棒グラフであり、（ａ）は曲げ強度、（ｂ）は圧縮強度を示す。 本発明に係るメカニズムを説明するための説明図であり、（ａ）は破砕工程等を行うことなく製鋼スラグを骨材として用いた場合、（ｂ）は本発明に係る細骨材を用いた場合における水和硬化体の内部状況をそれぞれ模式的に示す。

以下、本発明の好適な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

先ず、図１を参照し、本発明に係る細骨材の製造方法の一実施形態について説明する。

本実施形態に係る細骨材の製造方法では、先ず、製鋼工程により生成された製鋼スラグを取得する（Ｓ１）。製鋼スラグとしては、転炉スラグ、電気炉スラグ、混銑予備処理スラグ、混銑炉スラグ等、製鋼工程で生成される様々なスラグを適用可能である。

そしてＳ１で取得した製鋼スラグを、遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに、例えば横型ブラウン粉砕機（吉田製作所）を用いて、破砕する（Ｓ２：破砕工程）。ここで、「遊離石灰除去処理」とは、製鋼工程により生成された製鋼スラグに残存する遊離石灰を除去する様々な処理を意味する。例えば、「遊離石灰除去処理」としては、エージング処理（長期間屋外に放置して遊離石灰の水和反応を進行させる自然エージング処理、蒸気や温水を用いて短期間で遊離石灰の水和反応を促進する蒸気又は温水エージング処理等）、風砕処理（溶融状態の製鋼スラグを高速気流で急冷凝固させる処理）、添加物（石炭灰、ポラゾン反応性を有する物質（シリカ等）、水砕スラグ粉末、石膏、ＣａＣｌ２、高炉水砕スラグ等）の添加による化学反応促進処理、炭酸化処理（遊離石灰を二酸化炭素と反応させることにより元々天然に存在した石灰石の状態に戻す処理）等がある。

その後Ｓ２で破砕された製鋼スラグを、ふるい分け等をして、細骨材用に粒度調整する（Ｓ３：粒度調整工程）。ここで、「細骨材用に粒度調整する」とは、現状では、１０ｍｍふるいを全て通過し且つ粒径５ｍｍ以下のものが重量で８５％以上となるように粒度調整することをいうが、製造工程等様々な要因によって変化し得る。図２は、Ｓ３で粒度調整された細骨材における粒度分布の例を示すグラフである。

このようにＳ１〜Ｓ３の工程を経て製造された細骨材は、そのほとんどが粒径５ｍｍ以下となる（図２参照）。

次に、本発明に係る水和硬化体の製造方法の一実施形態について説明する。

本実施形態に係る水和硬化体の製造方法では、上記のようにＳ１〜Ｓ３の工程を経て製造された細骨材及び当該細骨材とは別の細骨材、水、並びにセメントを混合し、水和反応により硬化させることで、水和硬化体としてのモルタルを製造する。

上記「別の細骨材」とは、本発明に係る製造方法により製鋼スラグから生成された細骨材とは別の細骨材を意味し、例えば、河川山林等から採取可能な天然骨材、再生骨材等が挙げられる。セメントとしては、普通ポルトランドセメント、各種混合セメント等、任意のものを適用可能である。上記混合工程において、混和材料（ＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤等）を適宜添加してよい。混練方法、打設・成形方法、養生方法等は任意である。骨材、水、セメントの割合もまた、任意に設定可能である。

以上に述べた本実施形態に係る細骨材の製造方法によると、後に実施例で示すように、製鋼スラグを遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに破砕し（Ｓ２：破砕工程）、その後粒度調整工程（Ｓ３）を行うことによって、細骨材が完成する。そして、このようにして製造された細骨材を用いた本実施形態に係る水和硬化体の製造方法によると、後に実施例で示すように、体積膨張によるひび割れが生じにくいものとなる。即ち、本実施形態に係る細骨材及びこれを用いた水和硬化体の製造方法によれば、エージング処理を含む遊離石灰除去処理を省略可能であると共に、製鋼スラグの特性を活かしつつ、ひび割れの問題を軽減することができる。

また逆に、水和硬化体内で分散配置された比較的小さな粒径の細骨材がそれぞれ体積膨張することによって、後に実施例で示すように、水和硬化体の乾燥収縮が抑制される（図４参照）等の効果が得られる。

また、本発明によると、小粒径の製鋼スラグからなる細骨材により、水和硬化体の中性化速度を低下させる効果も期待される。「中性化」とは、セメント成分の影響でアルカリ性となる水和硬化体が、外部からの炭酸ガスの進入により、アルカリ性を失い中和されていく現象をいう。鉄筋コンクリートの中性化は、内部にある鉄筋の腐食の要因となる。本発明によれば、中性化防止のための対策（鉄筋コンクリートにおいて、かぶり（鉄筋表面からコンクリート表面までの距離）を大きくすること等）を行う必要がなく、鉄筋コンクリートのコンパクト化を実現可能である。

続いて、本発明を実施例により具体的に説明する。

本発明者等は、比較例としての置換率０％（即ち、本発明に係る細骨材が用いられず、全細骨材が上記別の組成を有する細骨材である場合）のモルタル供試体と、本発明の３種類の実施例（第１、第２、及び第３実施例）としての置換率１０％、３０％、５０％のモルタル供試体とを用い、ブリーディング率（図３参照）、長さ変化率（図４参照）、及び強度（図５参照）に関する実験を行った。

下記表１に、実験で用いた本発明に係る細骨材（上述の実施形態の方法により製造された細骨材）及び別の細骨材の各種特性を示す。

下記表２に、比較例及び各実施例に係るモルタル供試体の示方配合（配合比率）を示す。なお、置換率（％）は、細骨材全体の体積に対する百分率で、1桁目を切り捨てた値で示している。

図３は、比較例及び各実施例に係るモルタル供試体のブリーディング率を示すグラフである。ブリーディングとは、打設後に水が分離上昇して硬化体の上面に浮いてくる現象をいい、ブリーディング率とは、試験試料中の水の質量に対する上記水（ブリーディング水）の割合をいう。ここでは、比較例及び各実施例について、打設から３時間後及び２０時間後のそれぞれのブリーディング率が示されている。ブリーディング率の算定にあたっては、ブリーディング水をピペットで吸い取り、２０ｍｌのメスシリンダーを用いて当該水の量を計測した。

図３のグラフから、置換率の増加に伴ってブリーディング率が減少すること、また、打設からの時間の経過に伴ってブリーディング率が減少することがわかる。

図４は、比較例及び各実施例に係るモルタル供試体の長さ変化率を示すグラフである。当該グラフの縦軸は収縮ひずみ、横軸は打設から４８時間経過した時点（即ち、後述のように収縮ひずみの計測を開始した時点）を０とした材齢を示す。ここでは、全供試体に関して、打設後２４時間で脱型し、その後２４時間水中養生した後、即ち打設から４８時間後に、基長（Ｌ_０）を測定し、収縮ひずみ（ε）の計測を開始した。収縮ひずみ（ε）は、ＪＩＳ Ａ １１２９‐２に則りコンタクトストレインゲージを用いて得られた測定値等を基に、下記式により算出した（ここで、Ｘ_０１は基準時点における標準尺、Ｘ_０２は基準時点における供試体の測定値、Ｘ_ｉ１は時点ｉにおける標準尺、Ｘ_ｉ２は時点ｉにおける供試体の測定値を意味する。）。

図４のグラフから、置換率の増加に伴って長さ変化率（収縮ひずみ）が減少すること、第３実施例（置換率５０％）において略１００×１０^−６の膨張ひずみが発現したことがわかる。また、第３実施例（置換率５０％）によれば、比較例（置換率０％）と比べ、材齢略３０日以降において、収縮ひずみが略２５０×１０^−６低減されることがわかる。

図５は、比較例及び各実施例に係るモルタル供試体の強度を示す棒グラフであり、（ａ）は曲げ強度、（ｂ）は圧縮強度を示す。図５（ａ），（ｂ）から、本発明に係る各実施例（置換率１０，３０，５０％）は全て、比較例（置換率０％）と同等又はそれ以上の曲げ強度及び圧縮強度を有すること、また、置換率の増加に伴って曲げ強度及び圧縮強度が共に上昇することがわかる。

本発明者等は、上記実験結果により立証された本発明の効果について、下記のように考察した。

先ず、本発明とは異なり、製鋼スラグを破砕することなくそのまま骨材として用いた場合、図６（ａ）に示すように、モルタルやコンクリート等の水和硬化体１００内部において、製鋼スラグからなる比較的大きな粒径の骨材１１１が離散配置された状態となる。ここで、骨材１１１に含有される遊離石灰と水との反応によって骨材１１１が膨張すると、当該骨材１１１の粒径が大きいため、水和硬化体１００にひび割れ１５０が生じ、これにより水和硬化体１００に強度低下等の不具合が生じ易い。

これに対し、本発明に係る細骨材によれば、破砕工程（Ｓ２）及び粒度調整工程（Ｓ３）を経ることにより、略５ｍｍ以下の小さな粒径とされ、図６（ｂ）に示すように、モルタルやコンクリート等の水和硬化体１に適用した場合に、水和硬化体１内部で細骨材１１が分散配置された状態となる。ここで、細骨材１１に含有される遊離石灰と水との反応によって細骨材１１が膨張しても、細骨材１１の粒径が小さいため、水和硬化体１に図６（ａ）のようなひび割れ１５０が生じにくく、したがって水和硬化体１に強度低下等の不具合が生じにくいものと考えられる。

また逆に、水和硬化体１内で分散配置された比較的小さな粒径の細骨材１１がそれぞれ体積膨張することによって、水和硬化体１の乾燥収縮が抑制され、図４のような実験結果が得られたものと推察される。

さらに、本発明に係る細骨材によれば、破砕工程（Ｓ２）において製鋼スラグの微粒子（５ｍｍよりもさらに小さな粒径の粒子）が生じ、この微粒子による充填効果が発揮される。即ち、水和硬化体１内部において微粒子が細骨材１１間の間隙を充填することで、実験において、ブリーディング率の減少（図３参照）、表面品質の改善（図示せず）、及び、強度（曲げ強度及び圧縮強度）の向上（図５参照）という効果が得られたものと推察される。

特に、製鋼スラグに含有されている遊離石灰が、破砕工程（Ｓ２）において微粒子化され、この微粒子化された遊離石灰が上記の充填効果を発揮しているものと推察される。

以上、本発明の好適な実施の形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限られるものではなく、特許請求の範囲に記載した限りにおいて様々な設計変更が可能なものである。

本発明において、水和硬化体とは、細骨材、水、及びセメントが混合され水和反応により硬化して形成されたものを意味し、モルタルの他、コンクリート等を含むものである。即ち、本発明に係る細骨材は、上記実施形態及び実施例のようなモルタルの他、コンクリートにも適用可能である。

１ 水和硬化体
１１ 細骨材

Claims (6)

1. 製鋼工程により生成された製鋼スラグを、遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに破砕する破砕工程と、
   前記破砕工程において破砕された製鋼スラグを、細骨材用に粒度調整する粒度調整工程と
   を備えたことを特徴とする細骨材の製造方法。
2. 前記破砕工程において、前記製鋼スラグを破砕することによって前記製鋼スラグに含有されている遊離石灰を微粒子化し、
   前記粒度調整工程において、前記破砕工程で微粒子化された遊離石灰を細骨材として含ませるように粒度調整することを特徴とする請求項１に記載の細骨材の製造方法。
3. 請求項１又は２に記載の方法により製造された製鋼スラグからなる細骨材及び当該細骨材とは別の細骨材、水、並びにセメントを混合し水和反応により硬化させることを特徴とする水和硬化体の製造方法。
4. 製鋼工程により生成された製鋼スラグを、遊離石灰除去処理を行うことなく直ちに破砕することにより、粒径５ｍｍ以下に形成されたことを特徴とする細骨材。
5. 前記破砕の際に微粒子化された遊離石灰を含有することを特徴とする請求項４に記載の細骨材。
6. 請求項４又は５に記載の細骨材及び当該細骨材とは別の細骨材、水、並びにセメントが混合され水和反応により硬化して形成されたことを特徴とする水和硬化体。

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