JP5381383B2 - 非膨張性路盤材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鉄所等の鉄鋼製造プロセスで発生する種々のスラグの中で、特に、微粉を含む粉状の製鋼スラグを主原料として製造した水和固化体を破砕して製造した路盤材に関する。

製鉄所において、転炉、予備処理炉、又は、二次精錬炉等の製鋼精錬炉から発生する製鋼スラグは、粒度を調整して、道路用路盤材や骨材等の土木工事用材料として利用されている。

しかし、これらのスラグの中には、冷却時に生成するカルシウムシリケートの変態に伴って発現する膨張現象、又は、精錬過程で完全に溶融しきれない未滓化水和成分（遊離ＣａＯ）が水分と反応して水酸化物を生成する水和反応に伴い発現する膨張現象により、粉状に崩壊する性質をもつものがある。このような微粉を含む粉状スラグは、路盤材等の用途に殆ど利用されていない。

遊離ＣａＯを低減し、スラグの膨張性を安定化する処理として、スラグを大気雰囲気下に数ヶ月から数年暴露して、水和反応を充分に進める大気エージング処理や、大気圧下又は加圧下で強制的に水蒸気と反応させて、水和反応を促進する蒸気エージング処理や、加圧エージング処理が知られている。

その他、遊離ＣａＯを安定化する方法として、従来から、炭酸化処理が提案されている（特許文献１〜５、参照）が、この方法は、スラグの内部まで炭酸化し、スラグを安定化するために、炭酸ガスを、長期間、流し続けなければならず、効率的な方法ではない。

特許文献６には、製鋼スラグの有効利用を図るため、大気雰囲気下、加圧雰囲気下、又は、水蒸気雰囲気下でエージング処理を施した製鋼スラグに、自由水が存在し始める水分値未満で、かつ、該水分値よりも１０質量％少ない値以上の範囲となるように添加する炭酸水量を調整し、その後、炭酸ガスを含有し相対湿度が７５〜１００％のガスを流す安定化処理方法が開示されている。

特許文献６の安定化処理方法は、従来、利用が図られていなかった製鋼スラグを、従来よりも遥かに短時間で、かつ、常温下で、安価にかつ大量に安定化処理することが可能なものである。

また、特許文献６の安定化処理方法で処理した製鋼スラグは、遊離ＣａＯや遊離ＭｇＯに起因する膨張・崩壊による粉化もないので、路盤材や、天然砂の代替物として利用できるものである。しかし、特許文献６の安定化処理方法は、添加する炭酸水量の調整が難しく、必ずしも実用的な処理方法でない。

特許文献７には、粉状のスラグに、自由水が存在し始める水分値未満で、かつ、該水分値よりも５質量％少ない値以上の範囲となるように添加する水分量を調整し、機械的な攪拌を付与しつつ、ドライアイスを供給してスラグを造粒する方法が開示されている。

特許文献７の方法は、有効利用が困難な粉状の製鋼スラグを、従来よりも遥かに短時間で、かつ、常温下で、安価にかつ大量に造粒し、路盤材としての利用を可能にするものであるが、ドライアイスを大量に使用するうえ、スラグ同士の結合が比較的弱く、路盤材としての機能を安定的に確保するのが難しく、さらに、生産性が低いという問題を抱えている。

特開昭５２−１２９６７２号公報 特開平８−２５９２８２号公報 特開平１１−２１１５３号公報 特開平１１−７１１６０号公報 特開２０００−１４０７９７号公報 特開２００５−０４７７８９号公報 特開２００７−２８４２６８号公報

適正な粒度分布をもつ製鋼スラグは、ＪＩＳ Ａ ５０１５に記載の適正な処理を施し、性能試験で特性を確認することにより、路盤材として使用されている。一方、粉状の製鋼スラグについては、製鋼スラグ中の炭酸カルシウムを固化し、路盤材として利用する方法が提案されているが、この方法では、大量の炭酸ガスを必要とするので、製造コストが高いという問題がある。

そこで、製鋼スラグを骨材とし、セメントで固化した後に破砕し、破砕粒を路盤材とする方法が考えられる。

一般に、製鋼スラグと、高炉スラグ微粉末やポルトランドセメント等を主原料にして水和固化させ路盤材を製造する場合、高炉スラグ微粉末やポルトランドセメントの量を相対的に増加させなければ、路盤材としての強度が不足するという課題がある。

また、路盤材の強度を確保するため、高炉スラグ微粉末やポルトランドセメントの量を増加すると、路盤材の材料コストが上昇するだけでなく、条件によっては、長時間経過後、路盤材が膨張し、最悪の場合、路面に亀裂が発生するという課題がある。

本発明者らは、上記課題を踏まえ、従来、路盤材の原料として敬遠されていた粉状の製鋼スラグを骨材とし、長時間経過しても膨張しない路盤材を提供することを課題とする。

本発明者らは、路盤材の強度の確保と膨張の抑制を同時に達成する手法について鋭意研究した。その結果、粉状の製鋼スラグ、高炉スラグ微粉末、ポルトランドセメント、及び、水等を、適切な配合割合で配合して製造した水和固化体の破砕粒は、所要の強度を備え、長時間経過しても膨張しない路盤材として使用できることを見いだした。

本発明は、上記知見に基づいてなされたもので、その要旨は以下のとおりである。

（１） 鉄鋼スラグを骨材とし、高炉スラグ微粉末及び／又はポルトランドセメントを配合して製造した水和固化体の破砕粒からなる路盤材であって、アルミニウム溶出量が６０ｍｇ／ｌ以下であり、硫酸イオン溶出量が６００ｍｇ／ｌ以下であり、更に、アルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量の総和が２０００ｍｇ／ｌ以下の溶出特性を充足するように各原料を配合したことを特徴とする非膨張性路盤材の製造方法。

（２） 前記溶出特性において、カルシウム溶出量が８５０ｍｇ／ｌ以下であることを特徴とする前記（１）に記載の非膨張性路盤材の製造方法。

（３） 前記鉄鋼スラグが、粉状の製鋼スラグであることを特徴とする前記（１）又は（２）のいずれかに記載の非膨張性路盤材の製造方法。

（４） 前記水和固化体が、鉄鋼スラグを、骨材として６０〜７５質量％含むことを特徴とする前記（１）〜（３）のいずれかに記載の非膨張性路盤材の製造方法。

（５） 前記（１）〜（４）のいずれかに記載の非膨張性路盤材を、廃コンクリートの破砕粒及び／又は鉄鋼スラグ路盤材と混合したことを特徴とする非膨張性路盤材の製造方法。

本発明によれば、従来、路盤材の原料として敬遠されていた粉状の製鋼スラグを骨材とした、長時間経過しても膨張しない非膨張性路盤材を提供することができる。

本発明者らは、膨張した路盤を構成する路盤材について詳細に調査した。その結果、路盤材を製造してから長期間経過すると、製鋼スラグ、高炉スラグ微粉末、ポルトランドセメント等から微量成分が溶出し、該微量成分が、体積の大きい別の物質を生成して、路盤材が膨張することが判明した。

そして、路盤材の膨張を誘引する微量成分を特定するため、種々の実験を実施した結果、（ｉ）アルミニウムイオン、硫酸イオン、及び、カルシウムイオン等の微量成分の溶出が、路盤材の膨張に関係していること、及び、
（ii）製鋼スラグ、高炉スラグ微粉末、ポルトランドセメント等の配合割合を適宜調整すれば、路盤材の強度を確保しつつ、上記微量成分の溶出量を、路盤材が膨張しない適正範囲に抑制できること、
が判明した。表１に、実験結果の一部を示す。

微量成分の溶出量は、ＪＩＳ Ｋ ００５８−１に規定されている溶出量試験方法で測定した。

また、路盤材の非膨張性の評価は、反応を促進するために細かく粉砕した路盤材を詰めたモールドの蓋の変位を、マノスタゲージで、膨張量として継続的に測定し、一定期間置いた後、膨張しなければ、路盤材として使用できる（○）と評価し、膨張すれば、路盤材として使用できない（×）と評価した。

表１から、アルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量の総和：Ｍ（＝Ａｌ＋ＳＯ₄ ^2-＋Ｃａ）が２０００ｍｇ／ｌ以下であると、路盤材は膨張せず、長時間の使用に耐え得るが、上記総和が２０００ｍｇ／ｌを超えると、路盤材は膨張し、路盤材として使用できないことが解る。

本発明は、以上の知見を踏まえ、鉄鋼スラグを骨材とし、これに、高炉スラグ微粉末及び／又はポルトランドセメントを配合して製造した水和固化体の破砕粒からなる路盤材であって、アルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量の総和が２０００ｍｇ／ｌ以下であることを特徴とする非膨張性路盤材である。

カルシウムのある程度の量の溶出は避けられないが、表１によれば、カルシウム溶出量が、例えば、１０００ｍｇ／ｌを超えても、上記総量が２０００ｍｇ／ｌ以下であれば、非膨張性を確保することができることが解る。

カルシウムが溶出しても、膨張物質を形成するアルミニウム及び硫酸イオンの溶出量が少なければ、路盤材を非膨張性とすることができる。表１によれば、アルミニウム溶出量は６０ｍｇ／ｌ以下が好ましく、硫酸イオン溶出量は６００ｍｇ／ｌ以下が好ましいことが解る。

なお、カルシウムは、ある程度の量の溶出は避けられないが、溶出量は、路盤材の非膨張性を長期間維持するうえで少ない方が好ましく、カルシウム溶出量は、８５０ｍｇ／ｌ以下が好ましい。

本発明の路盤材は、鉄鋼スラグを骨材とし、これに、高炉スラグ微粉末及び／又はポルトランドセメントを配合して製造した水和固化体を破砕した破砕粒からなるものであるが、鉄鋼スラグ、高炉スラグ微粉末、及び、ポルトランドセメントの配合割合は、表１に示すように、必ずしも一定ではないし、また、一定の範囲内に収める必要もない。

鉄鋼スラグは、鉄鋼の精錬過程で発生する副産物である。そのなかで、製鋼スラグは、発生箇所により、細かくは、予備処理スラグ、転炉スラグ、２次精錬スラグ等に分類され、製造品や、製鉄プロセス毎に、スラグ成分や形態が若干異なり、スラグ中のアルミニウム量、硫酸イオン量、及び、カルシウム量は、精錬条件によっても大きく変動する。

それ故、水和固化体を製造する際、鉄鋼スラグ、高炉スラグ微粉末、及び、ポルトランドセメントの配合割合を規定しても、アルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量を規定したことにならない。

したがって、本発明では、路盤材から溶出するアルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量を、直接、溶出特性として規定する。

具体的には、鉄鋼スラグ、高炉スラグ微粉末、及び、ポルトランドセメントの配合割合は、路盤材から溶出するアルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量を、路盤材が膨張しない範囲内に抑制するため、鉄鋼スラグの種類や、高炉スラグ微粉末、及び、ポルトランドセメントの成分組成を考慮して、予め、それぞれの溶出量を確認した後、適宜、調整する。

本発明者らの実験結果によれば、表１に示すように、アルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量の総和が２０００ｍｇ／ｌを超えると、路盤材が膨張性を呈するので、該総和が２０００ｍｇ／ｌ以下となるように、鉄鋼スラグ、高炉スラグ微粉末、及び、ポルトランドセメントの配合割合を選定する。

鉄鋼スラグとしては、主として、製鉄所内で大量に発生する粉状の製鋼スラグを使用する。粉状の製鋼スラグは、これまで、路盤材としての使用が敬遠されていたが、本発明では、粉状の製鋼スラグを積極的に利用し、高炉スラグ微粉末、及び／又は、ポルトランドセメントの副原料と、アルミニウム、硫酸イオン、及び、カルシウムの溶出を抑制し得る配合割合で配合して、水和固化体を製造する。

製鋼スラグを骨材として水和固化体を製造する際、配合割合は、前述したように、アルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量の総和が２０００ｍｇ／ｌ以下となればよく、特に、特定の範囲に限定されないが、表１に示すように、全体質量の６０〜７５質量％であることが好ましい。

本発明の路盤材は、路盤材として、単独で用いることができることは勿論のこと、廃コンクリートの破砕粒及び／又は鉄鋼スラグ路盤材と、適宜の割合で混合して用いることもできるので、利用範囲が広いものである。

次に、本発明の実施例について説明するが、実施例の条件は、本発明の実施可能性及び効果を確認するために採用した一条件例であり、本発明は、この一条件例に限定されるものではない。本発明は、本発明の要旨を逸脱せず、本発明の目的を達成する限りにおいて、種々の条件を採用し得るものである。

（実施例）
表２に示す成分組成の粉状（粒度５ｍｍ以下）の製鋼スラグと高炉スラグ微粉末、ポルトランドセメン、水、及び、減水剤（表中、その他の欄）を、表２に示す配合割合で配合し、水和固化体を製造した。

この水和固化体を破砕し、破砕粒を路盤材として用い、厚み３００ｍｍの路盤を形成した。この路盤を、２年放置し、２年経過しても、膨張しないことを確認した。その結果を、表２に併せて示す。

前述したように、本発明によれば、従来、路盤材の素材として敬遠されていた粉状の製鋼スラグを骨材とする、長時間経過しても膨張しない非膨張性路盤材を提供することができる。したがって、本発明は、スラグ再利用産業や土木建築産業において利用可能性が高いものである。

Claims (5)

1. 鉄鋼スラグを骨材とし、高炉スラグ微粉末及び／又はポルトランドセメントを配合して製造した水和固化体の破砕粒からなる路盤材であって、アルミニウム溶出量が６０ｍｇ／ｌ以下であり、硫酸イオン溶出量が６００ｍｇ／ｌ以下であり、更に、アルミニウム溶出量、硫酸イオン溶出量、及び、カルシウム溶出量の総和が２０００ｍｇ／ｌ以下の溶出特性を充足するように各原料を配合したことを特徴とする非膨張性路盤材の製造方法。
2. 前記溶出特性において、カルシウム溶出量が８５０ｍｇ／ｌ以下であることを特徴とする請求項１に記載の非膨張性路盤材の製造方法。
3. 前記鉄鋼スラグが、粉状の製鋼スラグであることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項に記載の非膨張性路盤材の製造方法。
4. 前記水和固化体が、鉄鋼スラグを、骨材として６０〜７５質量％含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の非膨張性路盤材の製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の非膨張性路盤材を、廃コンクリートの破砕粒及び／又は鉄鋼スラグ路盤材と混合したことを特徴とする非膨張性路盤材の製造方法。