JP4757472B2 - カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグからなるセメントなどの水硬性組成物 - Google Patents

Description

本発明は、カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグからなるセメントなどの水硬性組成物に関する。

工業用に使用されるセメントには普通ポルトランドセメント、シリカセメント、アルミナセメントなどがある。これらのセメントは原料に石灰石、珪酸質原料、アルミナ質原料などと粘土を使用し補助原料に石膏を加えて製造する。また近年、製鉄所の高炉から発生するスラグが石灰、珪酸、アルミナを含有する事から、高炉スラグを原料として焼成し、生石膏を加えて製造した高炉セメントがあり、スラグを資源として有効利用されている。

これらのセメントの中で、アルミナセメントは普通ポルトランドセメントなどと比べて速強性に優れており、硬化速度も大きいので建設材料として緊急工事に使われる。

例えば、非特許文献１に各種セメントの種類と特性値、製造方法が記載されており、アルミナセメントの特性も含まれる。また、特許文献１では、アルミナ分１５％以上、アルカリ１．５％以下の製鋼スラグからなるセメント用アルミナ原料として、高炉スラグと同等に使用できるとして公開している。

しかしながら、製鋼スラグの水硬性を利用したアルミナセメントを製造する方法は言及されていない。また、特許文献１などのように原料の一部としてアルミナ原料の代替として利用する方法は見られるが製鋼スラグをそのまま使用する事例はない。

特開平６−１９９５４８号公報 化学便覧 応用化学偏 II 材料偏 １２．５

本発明は、カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグを用いたセメントなどの水硬性組成物を提供することを目的とする。

発明者は、カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグに強い水硬性を持ち、かつ従来の普通ポルトランドセメントに比較して同程度以上の水硬性を持つ成分系が存在する事を見出た。すなわち、本発明は、
（１）カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグからなり、その組成が質量％でＡｌ₂Ｏ₃ ２０〜４０％、ＣａＯ ３０〜６０％、ＳｉＯ₂ ３〜１５％を含有することを特徴とする水硬性組成物。
（２） 請求項１に記載のカルシウムアルミネート系鉄鋼スラグからなり、その組成がＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃ １〜２、及びＣａＯ／ＳｉＯ₂ １０以下であることを特徴とする水硬性組成物。

本発明は、鉄鋼の製造工程から発生するスラグを有効利用する手段の一つとしてセメント原料或いは材料として利用する方法であり、高炉セメントのようにスラグを原料として焼成して製造する必要がなく、スラグをそのまま利用する事ができ、従来の普通ポルトランドセメントと同等以上の水硬性特性を持つ材料を提供する事ができる。また、鉄鋼スラグをそのまま利用することができるため安価な利用ができる利点がある。

以下、発明をなすに至った経緯に沿い、本発明の実施の形態を詳しく説明する。

本発明は、例えばステンレス鋼の製鋼工程のように、溶鋼の脱酸剤にアルミニウムを使用して脱酸する際に、スラグ中のＳｉＯ₂が還元され、生成されるＡｌ₂Ｏ₃を利用する。そのＡｌ₂Ｏ₃を含め本発明に用いられる鉄鋼スラグの主なスラグ組成はＣａＯ：４５％、ＳｉＯ₂：４％、Ａｌ₂Ｏ₃：３０％ の他にＭｇＯ：１０％程度である。これらのスラグ組成は、製鋼方法などの操業条件により大きく変化する。また、条件によっては、フッ化カルシウム（ＣａＦ₂）を多量に含有するホタル石を使用する場合もある。

発明者は、これらのカルシウムアルミネート系鉄鋼スラグには、強い水硬性を持ち、かつ従来の普通ポルトランドセメントに比較して同程度以上の水硬性を持つ成分系が存在する事を見出た。その特性を有するカルシウムアルミネート系鉄鋼スラグの組成は、Ａｌ₂Ｏ₃が２０〜４０％、ＣａＯが ３０〜６０％、ＳｉＯ₂が３〜１５％である。これらの範囲では、鉄鋼スラグの鉱物組成が、３ＣａＯ・ＳｉＯ₂ と１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃が生成する。これらが水と混練された場合、水和反応が促進され、速い反応速度でかつ強い水硬が生じる。

これらのスラグ組成においてＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が１〜２、及びＣａＯ／ＳｉＯ₂が １０以下の領域で特に強い水硬特性を示す。ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が１より小さい領域ではＣａＯ／ＳｉＯ₂に関わらず３ＣａＯ・ＳｉＯ₂ が全く発生せず、ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が２より大きい領域ではＣａＯ／ＳｉＯ₂に関わらず１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃が生成しない。ＣａＯ／ＳｉＯ₂が １０以上の領域では、３ＣａＯ・ＳｉＯ₂ が全く発生しない。ＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃が１〜２、及びＣａＯ／ＳｉＯ₂が １０以下の領域で３ＣａＯ・ＳｉＯ₂ と１２ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃が最も多く生成する。スラグ中に３ＣａＯ・ＳｉＯ₂が生成すると、スラグの冷却中に３ＣａＯ・ＳｉＯ₂が変態しＣａＯ と ２ＣａＯ・ＳｉＯ₂となり、変態中にスラグが崩壊して微細粉まで粉化する。この粉化スラグが普通ポルトランドセメントと同等以上の水硬性を有している為、スラグの粉砕工程など必要とせず、そのままセメント材料などの水硬性組成物として使用できる。

製鋼方法などの操業条件によりスラグ組成中のＭｇＯ濃度が変化するが、Ａｌ₂Ｏ₃が２０％以上含まれる本発明範囲内ではＭｇＯ濃度によるカルシウムアルミネート系鉱物組成に大きな変化が無く、水硬性組成物の生成に与える影響はない。スラグ中にフッ化カルシウムが含まれる場合は水硬性を抑制する方向に働くので少なくする方が望ましい。

本発明の水硬性組成物をセメントとして用いることができる。

本発明に従い、カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグから水硬性組成物を製造した。

精錬炉にて還元期に溶鋼をアルミニウムを使用して脱酸したスラグを回収し、同時にスラグの成分分析を行ない、本発明範囲に合格したスラグを分別保管した。合格したスラグは冷却した後に完全な微細粉に崩壊しており、該スラグを０．３ｍｍの篩いに通してスラグ中に混在したメタル分などの混入物を除去し、水硬性組成物とした。

水硬性組成物の水硬性を調査する為に、水硬性組成物に水を２５％加えて混練し、ＪＩＳ Ａ １１０８に従って圧縮強度試験を行なった。水硬性組成物の本来の強度を把握する為、骨材、混和材などを配合しないで評価した。

表１に本発明の実施例をまとめて示す。

比較例１〜３は、従来の一般的な鉄鋼スラグに水のみを加えて強度試験用供試体を製造し、材令７日後の圧縮強度を測定した。比較例では、圧縮試験をする為の取り扱い中に破壊するほど強度が無いものもあり、圧縮強度で５Ｎ／ｍｍ²以下であった。

表１の本発明例１〜５に、本発明の水硬性組成物の材令７日後の圧縮強度を示す。比較例に比べて高い圧縮強度が得られている事が分かる。該圧縮強度は骨材、混和材を配合しない時の試験値である。本発明の水硬性組成物は従来の普通ポルトランドセメントを使用する時と同様に、用途に応じて骨材のサイズを選択して必要量配合することにより圧縮硬度が更に増加し、また混和剤を添加する事によりコンクリートの特性を改善できる。

図１は本発明の水硬性組成物の圧縮強度の経時変化を普通ポルトランドセメントと比較して示す。本発明の水硬性組成物は３日の初期強度が高く、普通ポルトランドセメントを凌ぐ。初期強度が必要とされる用途に適する。

の水硬性組成物の圧縮強度の経時変化を普通ポルトランドセメントと比較して示す図である。

Claims (2)

1. カルシウムアルミネート系鉄鋼スラグからなり、その組成が質量％でＡｌ₂Ｏ₃ ２０〜４０％、ＣａＯ ３０〜６０％、ＳｉＯ₂ ３〜１５％を含有することを特徴とする水硬性組成物。
2. 請求項１に記載のカルシウムアルミネート系鉄鋼スラグからなり、その組成がＣａＯ／Ａｌ₂Ｏ₃ １〜２、及びＣａＯ／ＳｉＯ₂ １０以下であることを特徴とする水硬性組成物。

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