JP5531555B2

JP5531555B2 - 水中沈設用石材

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Publication number: JP5531555B2
Application number: JP2009247141A
Authority: JP
Inventors: 久美小山田; 操鈴木; 圭児渡辺
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2009-10-28
Filing date: 2009-10-28
Publication date: 2014-06-25
Anticipated expiration: 2029-10-28
Also published as: JP2011093723A

Description

本発明は、水中沈設用石材に関するもので、この石材は主に生物（例えば、海藻類、サンゴなど）の着生用基盤や魚礁などとして用いられる。

従来、海中での生物（例えば、海藻類、サンゴなど）の着生用基盤や魚礁として、コンクリート製品が広く用いられてきた。しかし、コンクリート製品は、表面の海水のｐＨが高くなる傾向があるため、生物（海藻類、サンゴなど）の付着性があまり高くない。
一方、特許文献１には、粉粒状の鉄鋼スラグをこれに含まれる未炭酸化Ｃａを利用して炭酸固化させて炭酸固化体ブロックとし、この炭酸固化体ブロックを海藻着生基盤（人工藻礁）用や魚礁用などの海中沈設用資材として用いることが示されている。この炭酸固化体ブロックは、表面の海水のｐＨが高くならないため、コンクリート製品に較べて生物（海藻類、サンゴなど）の付着性は高い。

特開平１１−７１１６０号公報

しかし、特許文献１に示されるような炭酸固化体ブロックは、製造に手間がかかり、製造コストが高い。また、この炭酸固化体ブロックは、コンクリート製品に較べて強度が小さく、例えば、船上から海中に投石するような形態では使用できない。
したがって本発明の目的は、生物（海藻類、サンゴなど）の付着性に優れるとともに、製造が容易で且つ船上から海中に投石するような形態でも使用できる高い強度を有する水中沈設用石材を提供することにある。

上記課題を解決するための本発明の要旨は、下記（a）及び／又は（b）からなる複数の塊状物（Ｂ）が、一部分が水和固化体（Ａ）の外面に露出するようにして、水和固化体（Ａ）に埋め込まれた水中沈設用石材であって、
（a）粉粒状の未炭酸化Ｃａ含有原料を炭酸化反応で固結させて得られる炭酸固化体
（b）炭酸化処理された塊状の鉄鋼スラグ
水和固化体（Ａ）は、骨材の一部又は全部が製鋼スラグからなり、
水和固化体用の原料混練物中に塊状物（Ｂ）を混合し、この原料混練物を打ち込み・固化させて得られた水和固化体（Ａ）を切石大に破砕し、その破砕面に塊状物（Ｂ）を露出させたものであり、
塊状物（Ｂ）を、水和固化体（Ａ）に対してその外面に露出するように点在させたことを特徴とする水中沈設用石材である。

本発明の水中沈設用石材は、未炭酸化Ｃａ含有原料の炭酸固化体及び／又は炭酸化処理された塊状の鉄鋼スラグからなる複数の塊状物を、水和固化体に対してその外面に露出するようにして埋め込んだものであるため、基体である水和固化体により石材強度が確保できる一方で、埋め込まれた複数の塊状物により高い生物付着性が得られ、このため生物（海藻類、サンゴなど）の付着性に優れるとともに、船上から海中に投石するような形態でも使用できる高い強度を有する石材とすることができる。

また、本発明の水中沈設用石材は、（1）水和固化体の原料混練物中に塊状物を混合し、この原料混練物を適当な広さ・厚さに打ち込み・固化させ、この水和固化体をブレーカーなどで切石大に破砕し、その破砕面に塊状物を露出させる製造方法、或いは、（2）水和固化体の原料混練物を適当な広さ・厚さに打ち込み、固化途中の段階で、塊状物をその一部分が水和固化体外面に露出するように手作業などで埋め込み、固化した水和固化体をブレーカーなどで切石大に破砕する製造方法、などのような簡易な製造方法により大量生産することができる。

本発明の水中沈設用石材を模式的に示す説明図

本発明の水中沈設用石材は、図１に模式的に示すように、基体である水和固化体Ａに対して、下記（a）及び／又は（b）からなる複数の塊状物Ｂを、その一部分が水和固化体外面に露出するようにして埋め込んだものである。これら（a），（b）の素材は、高い生物付着性を有することが知られている。
（a）粉粒状の未炭酸化Ｃａ含有原料を炭酸化反応で固結させて得られる炭酸固化体
（b）炭酸化処理された塊状の鉄鋼スラグ（鉄鋼製造プロセスで発生するスラグ）

前記水和固化体Ａと塊状物Ｂの大きさは特に制限はないが、一般には、塊状物Ｂは礫〜レンガ大程度の大きさとし、水和固化体Ａはこのような大きさの塊状物Ｂが数個〜数百個程度分散して埋め込まれる程度の大きさとする。
前記塊状物Ｂは、生物付着性に優れ、本発明の水中沈設用石材では生物付着の起点となる部位を構成するものであるから、水和固化体Ａに対して、脱落しないように且つ水和固化体外面に十分に露出するように埋め込むことが好ましい。また同様の理由から、複数の塊状物Ｂは、水和固化体Ａの外面全体に分散して（点在させて）配置することが好ましい。

前記水和固化体Ａは、コンクリートであってもよいが、水中沈設用石材としての耐久性、安定性および生物付着性などの観点からは、骨材の一部又は全部が製鋼スラグからなる水和固化体が好ましく、なかでも、骨材が製鋼スラグからなり、結合材の一部又は全部が高炉スラグ微粉末、フライアッシュ、シリカフュームのうちの１種以上からなる水和固化体が特に好ましい。また、原料の流動性制御を容易にするため、製鋼スラグは細骨材と粗骨材に分けて使用することが好ましい。

製鋼スラグは、鉄鋼製造プロセスの製鋼工程で発生するスラグである。このような製鋼スラグとしては、例えば、脱珪スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグなどの溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ（いわゆる転炉スラグ）、鋳造スラグ、電気炉スラグなどを挙げることができ、これらの１種以上を用いることができる。製鋼スラグは、エージング処理されたものでもよい。骨材には製鋼スラグのみを用いることが好ましいが、天然砕石や山砂などを骨材の一部として使用してもよい。また、結合材の一部又全部には、セメントを用いてもよい。
以上の骨材と結合材にコンクリートと同様に水を加えて混練し、打ち込み、硬化、養生の工程を経て水和固化体Ａが得られる。
以上のような骨材に製鋼スラグを利用した水和固化体は、普通コンクリートに較べて高密度であるため水中安定性が高く、また、塊状物Ｂを構成する炭酸固化体や炭酸化処理された塊状スラグよりは劣るものの、普通コンクリートや天然石に較べて生物付着性が高い。

次に、塊状物Ｂを構成する上記（a）の炭酸固化体について説明する。
この炭酸固化体の原料に含まれる未炭酸化Ｃａ含有材は、未炭酸化Ｃａ（ＣａＯ及び／又はＣａ（ＯＨ）_２）が少なくとも固体粒子の組成の一部として含まれるものであればよく、したがって、鉱物としてのＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）_２の他に、２ＣａＯ・ＳｉＯ_２、３ＣａＯ・ＳｉＯ_２、ガラスなどのように組成の一部として固体粒子中に存在するものも含まれる。
未炭酸化Ｃａ含有材としては、上記のように少なくとも組成の一部として未炭酸化Ｃａを含むものであれば特に制限はないが、未炭酸化Ｃａの含有率が高く、しかも資源のリサイクルを図ることができるという点で、鉄鋼スラグ（鉄鋼製造プロセスで発生するスラグ）、廃コンクリート材などのようなコンクリートが特に好ましい。一般に、鉄鋼スラグのＣａＯ濃度は約１３〜５５mass％、また、コンクリート（例えば、廃コンクリート）のＣａＯ濃度は約５〜１５mass％（セメント中のＣａＯ濃度：５０〜６０mass％）であり、また、これらは入手も容易であるため、未炭酸化Ｃａ含有材として極めて好適なものであるといえる。したがって、未炭酸化Ｃａ含有材は、その少なくとも一部、望ましくは主体が鉄鋼スラグ及び／又はコンクリートであることが好ましい。

鉄鋼スラグとしては、例えば、さきに挙げたような製鋼スラグ（溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ、鋳造スラグ、鉱石還元スラグ、電気炉スラグなど）や高炉系スラグ（高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグ）などの１種以上を用いることができる。また、コンクリートとしては、例えば、建築物や土木構造物の取壊しなどにより生じた廃コンクリートなどを用いることができる。
また、未炭酸化Ｃａ含有材としては、上記の鉄鋼スラグやコンクリート以外に、モルタル、ガラス、アルミナセメント、ＣａＯ含有耐火物などが挙げられ、これらの１種以上を単独でまたは混合して、或いは鉄鋼スラグ及び／又はコンクリートと混合して使用することもできる。

これらの材料は必要に応じて細粒状に破砕処理され、原料として用いられる。
未炭酸化Ｃａ含有原料の粒度には特別な制限はないが、ＣＯ_２との接触面積を確保して反応性を高めるためには、ある程度粒度が細かい方が好ましい。また、未炭酸化Ｃａ含有原料の粒度が大き過ぎると、原料粒子内部に炭酸化しきれないＣａが残存するため、製造された炭酸固化体中の原料粒子が膨張崩壊し、亀裂などの原因となる場合もある。以上の観点から、未炭酸化Ｃａ含有材は実質的に（すなわち、不可避的に含まれる粒度の大きい固体粒子を除き）１０ｍｍ以下、より望ましくは５ｍｍ以下、特に望ましくは３ｍｍ以下の粒度のものが好ましい。
なお、原料には未炭酸化Ｃａ含有材以外の固体粒子を、炭酸固化体の著しい強度低下を招かない限度で配合してもよい。このような固体粒子としては、例えば、天然石、砂、可溶性シリカ、金属（例えば、金属鉄、酸化鉄）などが挙げられる。

炭酸固化体の一般的な製法は、粉粒状の未炭酸化Ｃａ含有原料に適量の水を添加した後、型枠などに充填して原料充填層を形成し、この原料充填層内に炭酸ガス（又は炭酸ガス含有ガス）を吹き込み、原料充填層を炭酸固化させる。通常、原料充填層の含水率は３〜１２mass％、好ましくは５〜１０mass％程度が適当である。原料充填層内を通過する炭酸ガスは、原料粒子からその表面付着水に溶出したＣａイオンと反応し、原料粒子の表面にＣａＣＯ_３が析出し、これがバインダーとなって原料充填層の固結が進行する。
炭酸ガスの供給を所定時間行った後、固結した原料充填層を脱型し、炭酸固化体を取り出す。

使用される炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガスとしては、例えば、一貫製鉄所内で排出される石灰焼成工場排ガス（通常、ＣＯ_２：２５vol％前後）や加熱炉排ガス（通常、ＣＯ_２：６．５vol％前後）などが好適であるが、これらに限定されるものではない。また、ガス中のＣＯ_２濃度が低すぎると処理効率が低下するという問題を生じるが、それ以外の問題は格別ない。したがって、ＣＯ_２濃度は特に限定しないが、効率的な処理を行うには３vol％以上のＣＯ_２濃度とすることが好ましい。
炭酸固化体は、製造されたままのものを塊状物Ｂとして使用してもよいし、製造されたものを適当な大きさに破砕し、その破砕物を塊状物Ｂとして使用してもよい。なお、本発明が使用する炭酸固化体は、それ自体で石材の強度を担うものでないため、従来技術として挙げた炭酸固化体ブロックよりも強度が小さくてもよい。

次に、塊状物Ｂを構成する上記（b）の炭酸化処理された塊状の鉄鋼スラグについて説明する。
塊状の鉄鋼スラグとしては、例えば、さきに挙げたような製鋼スラグ（溶銑予備処理スラグ、脱炭スラグ、鋳造スラグ、電気炉スラグなど）や、高炉徐冷スラグなどの１種以上を用いることができる。これらの鉄鋼スラグは未炭酸化Ｃａを含んでいる。
塊状の鉄鋼スラグの粒径は、さきに述べた塊状物Ｂの大きさに準じたものとするか、炭酸化処理後、破砕して所望の塊状物Ｂの大きさとする。
塊状の鉄鋼スラグを炭酸化処理するには、一般には、適当な水分を添加した鉄鋼スラグを炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガス雰囲気（処理用の空間）に一定時間置く。これにより、炭酸ガスがスラグからその表面付着水に溶出したＣａイオンと反応してＣａＣＯ_３が生成する。
使用する炭酸ガス又は炭酸ガス含有ガスは、上述した炭酸固化体の製造の場合と同様である。

本発明の水中沈設用石材（および水和固化体Ａ）の形状などに特別な制限はなく、型枠などを用いて適当な形状に成型したものでもよいし、製造された水和固化体をブレーカーなどで破砕した不定形のものでもよいが、本発明の石材の製造上の利点は、切石状の不定形の石材を大量に生産できる点にあり、この点からは後者のものが好ましい。
水和固化体Ａに対して、塊状物Ｂを、その一部分が水和固化体外面に露出するように埋め込む方法も任意であるが、例えば、次のような方法を採ることができる。
（i）水和固化体Ａの原料混練物中に塊状物Ｂを混合し、少なくとも一部の塊状物Ｂが水和固化体外面に露出するように、原料混練物を打ち込み・固化させる。或いは、この水和固化体をブレーカーなどで破砕し、その破砕面に塊状物Ｂを露出させる。
（ii）水和固化体Ａの原料混練物を打ち込み、固化途中の段階で、塊状物Ｂをその一部分が水和固化体外面に露出するように手作業などで埋め込む。

以上の点から、切石状の不定形の石材を大量生産するには、（1）水和固化体Ａの原料混練物中に塊状物Ｂを混合し、この原料混練物を適当な広さ・厚さに打ち込み・固化させ、この水和固化体をブレーカーなどで切石大に破砕し、その破砕面に塊状物Ｂを露出させる製造方法、或いは、（2）水和固化体Ａの原料混練物を適当な広さ・厚さに打ち込み、固化途中の段階で、塊状物Ｂをその一部分が水和固化体外面に露出するように手作業などで埋め込み、固化した水和固化体をブレーカーなどで切石大に破砕する製造方法、が特に好ましい。

本発明の水中沈設用石材は、基体である水和固化体Ａにより石材強度が確保できる一方で、埋め込まれた複数の塊状物Ｂにより高い生物付着性が得られ、このため生物（海藻類、サンゴなど）の付着性に優れるとともに、船上から海中に投石するような形態でも使用できる高い強度を有する石材とすることができる。
また、塊状物Ｂを、水和固化体Ａに対してその外面に露出するように点在させたことにより、次のような作用効果が得られ、特に優れた生物付着性が得られる。

（a）生物付着には基盤に凹凸があった方が良いが、塊状物Ｂを水和固化体Ａの外面に露出するように点在させることで基盤（石材）の外面に凹凸が付与され、しかも、生物付着に適した素材（塊状物Ｂ）が外面に点在するので、海藻などの生物が付着しやすくなる。
（b）浮泥などが溜まると海藻の種子などが付着し難く、たとえ付着しても浮泥に埋もれて窒息して死滅してしまうが、凹凸があることで浮泥が溜まりにくくなり、海藻の種子などが付着し易く、この点からも優れた生物着生性が得られる
（c）塊状物Ｂが生物付着（主に生物の幼生・幼体の付着）の起点になり、最終的に基盤（石材）全体に生物が付着するので、基盤の複数箇所に生物の幼生・幼体を人工移植するのと同じ効果が得られる。すなわち、従来行われていたような移植の手間が省ける。
（d）塊状物Ｂにより付与される凹凸が、生物の幼生・幼体の隠れ家となり、幼生や幼体が捕食され難くなる。

・水和固化体Ａの原料
細骨材（０−５ｍｍ）及び粗骨材（５−２５ｍｍ）として、エージング処理により水浸膨張比（ＪＩＳ−Ａ−５０１５附属書２）を０．６％とした製鋼スラグ（溶銑予備処理スラグ）を用い、結合材として、高炉水砕スラグ微粉末、フライアッシュ、セメントを用いる。これらを用いた各原料の単位配合量は、製鋼スラグ（細骨材，粗骨材）：８３２ｋｇ／ｍ^３、高炉水砕スラグ微粉末：３１６ｋｇ／ｍ^３、フライアッシュ：６３ｋｇ／ｍ^３、ポルトランドセメント：５７ｋｇ／ｍ^３、減水剤：２．６ｋｇ／ｍ^３、水：１７４ｋｇ／ｍ^３とする。

・塊状物Ｂとなる炭酸固化体の製造
型枠に含水率９％の製鋼スラグ（溶銑予備処理スラグ、粒径３ｍｍ以下）を装入し、加圧振動成形機で加振して原料充填層を形成し、この原料充填層に炭酸ガス含有ガス（炭酸ガス濃度３０vol％）を７Ｎｍ^３／ｈｒの吹き込み量で４日間吹き込み、１辺が１ｍの立方体形の炭酸固化体を製造する。この炭酸固化体を破砕機を用いて粒径が１ｃｍ以上の大きさになるように破砕し、塊状物Ｂとなる炭酸固化体を得る。
・塊状物Ｂとなる炭酸化処理された塊状スラグの製造
粒径３ｃｍ以下の塊状製鋼スラグ（溶銑予備処理スラグ）を炭酸ガス含有ガス雰囲気（炭酸ガス濃度３０vol％の）中に１０日間静置して炭酸化処理を行い、塊状物Ｂとなる炭酸化処理された塊状鉄鋼スラグを得る。

・水中沈設用石材の製造
前記水和固化体Ａの原料混練物を打ち込み場に４０〜５０ｃｍの厚さで打ち込む。この原料混練物が少し固化した段階（流動性がなくなった段階）で、複数個の前記炭酸固化体又は炭酸化処理された塊状鉄鋼スラグを、その一部分が水和固化体外面に露出するように、手作業で原料混練物の複数箇所に埋入させ、塊状物Ｂを構成する。その後、さらに養生した後、ブレーカーで切石大に割り砕き、水和固化体Ａと塊状物Ｂからなる本発明の水中沈設用石材を得る。
また、比較例として、水和固化体の原料混練物を型枠に打ち込み、養生し、水和固化体Ａのみからなる石材を得る。

・海域での設置試験
比較例である水和固化体Ａのみからなる石材と、本発明例の水中沈設用石材を、それぞれ短径が８０ｃｍ程度となるように図１に示すような不定形に破砕し、これらを水深１０ｍのコンブ場に７月に沈設する。沈設１年後のコンブ本数を計測したところ、比較例の石材には、平均して１個当たり１０本のコンブの着生が認められる。本発明例の水中沈設用石材には、平均して１個当たり２５本のコンブの着生が認められる。

Ａ水和固化体
Ｂ塊状物

Claims

下記（a）及び／又は（b）からなる複数の塊状物（Ｂ）が、一部分が水和固化体（Ａ）の外面に露出するようにして、水和固化体（Ａ）に埋め込まれた水中沈設用石材であって、
（a）粉粒状の未炭酸化Ｃａ含有原料を炭酸化反応で固結させて得られる炭酸固化体
（b）炭酸化処理された塊状の鉄鋼スラグ
水和固化体（Ａ）は、骨材の一部又は全部が製鋼スラグからなり、
水和固化体用の原料混練物中に塊状物（Ｂ）を混合し、この原料混練物を打ち込み・固化させて得られた水和固化体（Ａ）を切石大に破砕し、その破砕面に塊状物（Ｂ）を露出させたものであり、
塊状物（Ｂ）を、水和固化体（Ａ）に対してその外面に露出するように点在させたことを特徴とする水中沈設用石材。