JP6137495B2 - 製鋼スラグの蒸気エージング方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼スラグの膨張を抑制して安定化させるための製鋼スラグの蒸気エージング方法に関する。

冷却−破砕後の製鋼スラグは固い石質であり、道路などの路盤材や骨材としての用途に用いることができる。ただし、破砕直後のスラグは、内部に未反応の石灰分やＭｇＯ分を含むことから、雨水などの水分と反応して体積膨張し、構造物を破壊することがある。そのため、こうしたスラグは、使用前にエージング処理する必要がある。このエージング処理としては、蒸気を用いて高温で水との反応を促進する方法（蒸気エージング処理）が広く採られている（特許文献１参照）。

特許文献１に開示された蒸気エージング処理は、底面と側面を囲った構造物の底面近傍に蒸気配管を設け、その上に製鋼スラグを積み付けてベッドを形成した後、蒸気配管に設けたノズルから蒸気を吹いて、ベッドのスラグを昇温すると同時に水分と反応させる技術である。一方、このスラグを道路用に用いる場合、ＪＩＳ Ａ ５０１５「道路用鉄鋼スラグ」の所定の膨張性（水浸膨張率で１．５％以下）を充足するものであることが規定されている。

特許第２８１４４８１号明細書

特許文献１で規定している上記水浸膨張率１．５％以下という規準は、制定当時には有効であった。しかし、道路維持費用の低減のために道路の耐用年数が実質的に延び、２０年間以上用いることも求められるようになっている。ところが、水浸膨張試験の途中や、長期間使用を想定して、規定の１０日で止めずに持続させると、緩慢になっていた膨張速度が、ある時点から急激に増大して大きな膨張を起こす事象が、かなりの頻度で起きていることが確認された。以下、この現象を遅れ膨張と呼ぶ。

発明者の研究によると、前記遅れ膨張は、大気中で雨水等の水分によりエージングした物だけではなく、蒸気エージング処理したスラグについても発生することが分かった。このような水浸膨張供試体を試験後に解体していくと、スラグの供試体内部に黒ないしはこげ茶色の膨潤した粒子が見つかり、その径が１０ｍｍを超える場合もしばしば見られた。分析によればこの粒子はＦｅＯを含むＣａＯであった。実際、水浸膨張規格を合格したスラグといえども完全ではなく、施工後数年経てから道路表面に膨張を引き起こすことがある。

エージング処理した製鋼スラグ粒子につき、水銀圧入試験を実施したところによると、表面から水銀が浸入していく空孔や隙間がかなりあることが確認された。また、この製鋼スラグの粒子にインクを真空含浸し、大気圧に戻して風乾し、その後ハンマーの一撃で粒子を破断させると、断面で粒子内部にまでインクが進入した粒子がいくつも見つかり、スラグ粒子が肉眼では見つからない狭い幅のクラックを相当に有していることが分かった。また、水浸膨張試験の供試体を作製する際には、道路工事で締め固めすることをなぞって、規定の錘を規定回数落として突き固めするが、突き固め前後で粒度分布が細粒側に推移し、粒子が破壊されていることが分かった。

以上から、遅れ膨張について以下のように考えられた。製鋼スラグの粒子は、エージング後も脆弱な部分を持っており、路盤材として使用する時の突き固めでクラックが発生したり、進展したりする。あるいはエージング後も、残留している膨張要因の存在により、浸漬の中途でクラックが進展する。進展したクラックの内部に未反応の粗大な膨張物質があると、浸漬の最中から大きな膨張（遅れ膨張）が始まる。

つまり、蒸気エージング処理をした後でも脆弱な部分が残っているために、膨張性安定化は不十分でなく、遅れ膨張で路盤を破壊させる可能性を有するという課題を持っている。この場合、イレギュラーの遅れ膨張を配慮して、例えば路盤材使用する際も蒸気エージング処理した製鋼スラグの配合率を大きく低減して、他の非膨張性の材料と混合希釈しなくてはならず、経済性は悪化する。

特許文献１に開示されているような技術（ベッドに積んで蒸気で反応させる）では、エージング処理中に粒子は静止したままであり受ける応力が小さいため、粒子の脆弱部分の膨張物質が反応するには、細いクラックや気孔を通過、拡散した水分と膨張源が反応して、膨張により破壊するのを待たねばならない。これでは危険部位をすべて排除するのには時間を有するため、実際には反応が終了しない。こうして残留した脆弱部が、エージング後の搬出、運搬、積み置きなどのハンドリングの中で壊れれば、エージング後に新たに膨張源を露出するし、新たな脆弱部の発生も起こる。

そこで、本発明は、遅れ膨張の危険を排除し、膨張安定化に対する信頼性の高いスラグとして、高配合率で路盤材や骨材に利用することが可能となる製鋼スラグの蒸気エージング方法を提案することを目的とする。

従来技術が抱えている前述の課題を解決し、前記の目的を実現するために鋭意研究した結果、発明者らは、蒸気によるエージング処理の際に、１回蒸気でエージング処理した後に、粒子に載荷して崩壊し易い部分を崩壊させ、隠れていた内部の膨張源を十分に水和させ、遅れ膨張発生を抑止させる方法を知見し、本発明を開発するに到った。

本発明の製鋼スラグの蒸気エージング方法は、製鋼スラグの膨張を抑制して安定化させるための製鋼スラグの蒸気エージング方法において、載荷工程を挟んで、製鋼スラグを、複数回に亘って蒸気エージング処理することを特徴とするものである

なお、前記のように構成される本発明に係る製鋼スラグの蒸気エージング方法においては、
（１）製鋼スラグを蒸気で昇温して保持する１回目の蒸気エージング処理を行い、１回目の蒸気エージング処理後の製鋼スラグに載荷した後、載荷後の製鋼スラグを再度蒸気で昇温して保持する２回目の蒸気エージング処理を行うこと、
（２）前記２回目の蒸気エージング処理において、製鋼スラグを昇温後３６時間以上保持すること、
（３）前記製鋼スラグに対する載荷において、製鋼スラグのうち直径１６ｍｍ以上の粒子を篩い分けし、篩い分けられた直径１６ｍｍ以上の粒子よりなる製鋼スラグに載荷すること、
がより好ましい解決手段となるものと考えられる。

本発明の特徴である、載荷工程を挟んで、製鋼スラグを、複数回に亘って蒸気エージング処理する方法によれば、遅れ膨張の危険性を排除し、膨張安定化の信頼性の高い製鋼スラグを得ることができる。従って、本発明によれば、この製鋼スラグを、高配合率で路盤材や骨材に利用することができるようになる。

点載荷試験による未エージング材の最大荷重の測定結果を示すグラフである。 点載荷試験による従来の蒸気エージング材の最大荷重の測定結果を示すグラフである。 本発明の製鋼スラグの蒸気エージング方法の一例を説明するための図である。

＜本発明の前提となる知見について＞
ＪＨＳ７１５（「点載荷試験機を用いた炭片の強度試験法」、日本道路公団）に記された点載荷試験は、バリエーションとして不定径の石塊について上下２点に挟んで圧塊させて、石材の強度を比較する方法が示されている。それを準用して直径１６〜４０ｍｍのスラグ粒子の強度を、未エージング材の最大荷重と従来の蒸気エージング材の最大荷重として測定した。図１に未エージング材の測定結果を示すとともに、図２に従来の蒸気エージング材の測定結果を示す。

図１に示す未エージング材と図２に示す従来の蒸気エージング材はいずれも、もともと不均一な材であるため強度が大きくばらつくが、製鋼スラグの特徴として、エージング処理していない未エージング材の粒子の場合、１０００Ｎ以下の低荷重で崩壊する粒子が１０〜２０％含まれている。しかし、蒸気エージング処理を行った従来の蒸気エージング材では５％程度あった。つまり、蒸気エージング処理により、崩壊しやすい粒子は減った。これは水和反応での膨張により粒子の弱部が壊れて減少したためである。

しかし、従来の蒸気エージング処理後にも脆弱粒子が未だ残留しており、路盤材として用いる場合には、ハンドリングや路盤敷設時の締め固め操作で崩壊する危険性がある。これは蒸気エージング処理後にも、崩壊して新たな膨張、すなわち遅れ膨張を生じて路盤を崩壊させる危険性を孕んでいるということである。

＜上記知見に基づく本発明について＞
本発明では、まず、従来の蒸気エージング処理では完全に除くことができなかった脆弱な粒子を出来るだけ破壊させてしまうため、また、亀裂が少しだけ進展すれば内部の膨張源が膨張を起こしうる粒子を反応促進させるために、一度、蒸気で昇温し、例えば１００℃近傍に２４時間以上７２時間以下保持する、１回目の蒸気エージング処理を実施する。ここで、保持温度および保持時間は一例であり、例えば、加圧した蒸気を使用すれば、保持温度を高くすることができるとともに、保持時間を短くすることができる。また、１回目の蒸気エージング処理と後述する２回目の蒸気エージング処理の合計で、従来の蒸気エージング処理と同じ蒸気エージング処理をすることとなる。

本発明では、崩壊途中の粒子や、亀裂が膨張源が水和反応開始する直前レベルになっている粒子のため、ここで載荷することで、強度が低下している粒子の崩壊を促進して遅れ膨張の危険がある粒子を崩壊させてしまう。そして、遅れ膨張の原因となる膨張源を積極的に露出させる。なお、本発明における載荷の具体的な方法については後述する。

引き続き、蒸気で再度昇温して保持する２回目の蒸気エージング処理をすれば、露出した膨張源は速やかに水分と反応して膨張反応を終息していく。蒸気エージング処理を止めた時点で、さらに水和反応しうる状態の膨張源が、従来よりも大幅に低減できるため、遅れ膨張は起きなくなって、膨張安定化の信頼性が向上する。

＜本発明の具体例について＞
図３は本発明の製鋼スラグの蒸気エージング方法の一例を説明するための図である。図３に示す例において、１回目および２回目の蒸気エージング処理で使用する蒸気エージング設備の構造は、蒸気配管をエージング処理するスラグの下に配置してスラグの下方から蒸気を吹き上げるものである。望むらくは、複数の設備が近接して配置されている方が、スラグを順次移動してエージング処理できるため効率がよい。

図３に示す例において、まず、ベッド１上に積載した製鋼スラグ２を蒸気で昇温して保持する１回目の蒸気エージング処理を実施する。この１回目の蒸気エージング処理の条件は、一例として、保持温度が１００℃近辺で一定になった後、保持時間を２４時間以上とする。保持時間が２４時間未満では膨張反応が不十分で、初期に粒子内に亀裂を進展させるような膨張が十分に進まない場合がある。また、時間が長くなるほど水和反応の速度は遅くなって効率が落ちるので、好ましくは２４時間〜７２時間の保持し、さらに好ましくは２４時間〜４８時間保持する。

その後、１回目の蒸気エージング処理を経た製鋼スラグ２の個々のスラグ粒子に、それぞれ１０００Ｎ以上の荷重が掛かるように載荷する。載荷方法の一例として、図３に示した例では、１回目の蒸気エージング処理後の製鋼スラグ３を地上に薄く敷き、その上をロードローラー４などの重機で踏み潰す方法をとることができる。この場合、製鋼スラグ３の厚みは５〜１０ｃｍ程度が好ましい。ロードローラー４を製鋼スラグ３上で移動させることにより、ロードローラー４の荷重５ｔを幅１ｍの製鋼スラグ３に載荷すれば、線荷重は約５００Ｎ／ｃｍとなる。敷かれた製鋼スラグ３の平均粒径が約２０ｍｍであれば、密に並んだ製鋼スラグ３とロードローラー４との接点も２０ｍｍ程度で生じることとなり、５００Ｎ×２で瞬間的に１０００Ｎレベルの荷重が製鋼スラグ３の個々の粒子に掛かることになる。

なお、載荷の方法については、ロードローラー４による載荷の他に、ブロック成型などに用いる振動成型機のような加圧装置で、荷重を制御して載荷することも可能である。製鋼スラグ３の一粒に過大な載荷をすると、亀裂を内包しない粒子も破壊してしまうため、２０００Ｎ以上の載荷をするのは望ましくない。

図３に示す例では、好適例として、上述した製鋼スラグ２の載荷の前に、グリズリ様の篩５を使用して、例えば、製鋼スラグ１を直径１６ｍｍ以上の粗粒６と直径１６ｍｍ未満の細粒７とに篩い分けする。そして、篩い分けされた粗粒６に対し載荷を実施している。

その後、ベッド８上に載荷後の製鋼スラグ９を積載し、製鋼スラグ９を再度蒸気で昇温して保持することで、２回目の蒸気エージング処理を実施する。露出した新たな膨張源を含めて、膨張源をより十分に水和させる必要があるため、２回目の蒸気エージング処理は１００℃近傍で３６時間以上を掛けることが好ましい。３６時間未満では反応が不十分で、遅れ膨張の頻度があまり下がらない場合がある。保持時間の上限は規定しないが、安定化効果の速度が低下してくることを考慮すれば、効率上は７２時間以下が好ましい。

図３に示す粗粒６と細粒７とに篩い分けした例では、再度ベッド８上に製鋼スラグ９を積んで第２回目の蒸気エージング処理する際には、載荷後の粗粒６からなる製鋼スラグを先に積んで後に細粒７を積み込むことで粗粒６をベッド８の下側に置くか、もしくは載荷後の粗粒６と先に篩い分けた細粒７とを混ぜ込んでベッド上に積み込むことで、粗粒６と細粒７とを混合してベッド８上に積むのが好ましい。これは、細粒７がベッド８の下側に集中すると、ベッド８の下層で蒸気通気性が低下し、ベッド８内に均一に蒸気が流れず、エージングの不均一を生じ易いからである。

なお、上述した説明では、２回の蒸気エージング処理の間に載荷工程を実施する例を説明したが、蒸気エージング処理の回数は２回に限定されるものではない。すなわち、蒸気エージング処理の回数を２回以上とし、載荷工程を挟んで、製鋼スラグを、複数回に亘って蒸気エージング処理することもできる。

＜実験例１：載荷の実施および最後のエージング処理の有無の効果の差について＞
３０ｍｍアンダー品に破砕したＭＳ−２５粒度の製鋼脱炭スラグを供試材として準備した。特許３２３０４１２号明細書に記載されたように、地上に複数本蒸気配管を置き、広い面積で蒸気を吹き上げる方式の蒸気エージング設備で１０００ｔのスラグを層厚約２ｍで積み、表１に示す条件で１回目と２回目の蒸気エージング処理を行った。

１回目の蒸気エージング処理の後での載荷は、土間の上にスラグを約５ｃｍ厚で敷き、重量が約２０ｔのロードローラーで踏んだ。繰り返して１区画３回以上踏むようにした。

載荷後のスラグについては、粗粒をベッド下部に先に入れ、次いで載荷前に篩い分けた細粒を載せた。次いで２回目の蒸気エージング処理を行った。蒸気エージング処理の終わったスラグにつき、ベッド各部から均等に試料を採取し、混合、縮分して水浸膨張試験を行った。水浸膨張試験はＪＩＳ Ａ ５０１５ではｎ＝３の試験だが、ここではバラツキをより精度よく評価するため、ｎ＝６で行った。表１に合わせて水浸膨張試験の結果も示す。

表１の結果から、１回目と２回目の蒸気エージング処理を行うとともに１回目と２回目の蒸気エージング処理の間に載荷を行った実施例１は、蒸気エージング処理も載荷も行わなかった比較例１、１回目の蒸気エージング処理のみを行い２回目の蒸気エージング処理および載荷を行わなかった比較例２、１回目と２回目の蒸気エージング処理を行ったが載荷を行わなかった比較例３と比べて、良好な水浸膨張率を示すことがわかった。

具体的には、比較例１は未エージング材であり、極めて大きな膨張となった。比較例２はベッドに堆積させての従来法による１回昇温の蒸気エージング処理である。水浸膨張率は比較例１に比べて大幅に低下したが、遅れ膨張で膨張率最大が１．４％と高いものがあり、レンジ（最大と最小との幅：以下の表２および表３でも同じ）も平均も上げている。比較例３は２回に分けた蒸気エージング処理で保温時間の合計は比較例２と同じで、間の載荷は行っていない。比較例２と同様に遅れ膨張で１．２％の供試体があり、バラツキが抑えられない。

＜実験例２：エージング処理の条件による効果の差について＞
エージング処理の条件による効果の差を調べるために、実験例１と同様の方法で、以下の表２に示すように、本発明に含まれる実施例１〜５を準備し（実施例１は実験例１における実施例１と同じ）、１回目の蒸気エージング処理および２回目の蒸気エージング処理の保持時間の影響について検討した。結果を以下の表２に示す。

表２の結果から、１回目と２回目の蒸気エージング処理の間に載荷を実施した本発明例の実施例１〜５のうち、実施例１、４、５と実施例２、３とを比較することで、１回目の蒸気エージングの処理時間を２４時間以上とするとともに２回目の蒸気エージングの処理時間を３６時間以上とすることで、良好な水浸膨張率を得ることができ、この蒸気エージング処理時間の範囲が好ましい範囲であることがわかった。

＜実験例３：載荷時の破砕スラグ粒径の効果について＞
載荷時の破砕スラグ粒径の効果を調べるために、実験例１と同様の方法で、以下の表３に示すように、本発明に含まれる実施例１１〜１５を準備し、載荷時の破砕スラグ最小粒径について検討した。なお、実施例１１〜１５のいずれにおいても、１回目の蒸気エージング処理時間を４８時間とするとともに２回目の蒸気エージング処理時間を２４時間とした。また、表３において「載荷時の破砕スラグ最小粒径」は分級した最小粒径としており、その最小粒径はＪＩＳ Ａ １１０２「骨材のふるい分け試験方法」の篩（公称目開き）を意味する。結果を以下の表３に示す。

表３の結果から、実施例１１、１２と実施例１３、１４とを比較することで、載荷時の破砕スラグの最小粒径を１６ｍｍ以上とすることで、良好な水浸膨張率を得ることができ、この粒径の範囲が好ましい範囲であることがわかった。

以上説明した本発明に従う製鋼スラグの蒸気エージング方法は、遅れ膨張の危険性を排除し、膨張安定化の信頼性の高い製鋼スラグとして、高配合率で路盤材や骨材に利用することが可能なため、製鋼スラグの蒸気エージング処理に好適に使用することができる。

１、７ ベッド
２、３、９ 製鋼スラグ
４ ロードローダー
５ 篩
６ 粗粒
７ 細粒

Claims (4)

1. 製鋼スラグの膨張を抑制して安定化させるための製鋼スラグの蒸気エージング方法において、載荷工程を挟んで、製鋼スラグを、複数回に亘って蒸気エージング処理することを特徴とする製鋼スラグの蒸気エージング方法。
2. 製鋼スラグを蒸気で昇温して保持する１回目の蒸気エージング処理を行い、１回目の蒸気エージング処理後の製鋼スラグに載荷した後、載荷後の製鋼スラグを再度蒸気で昇温して保持する２回目の蒸気エージング処理を行うことを特徴とする請求項１に記載の製鋼スラグの蒸気エージング方法。
3. 前記１回目の蒸気エージング処理において、製鋼スラグを昇温後２４時間以上保持するとともに、前記２回目の蒸気エージング処理において、製鋼スラグを昇温後３６時間以上保持することを特徴とする請求項１または２に記載の製鋼スラグの蒸気エージング方法。
4. 前記製鋼スラグに対する載荷において、製鋼スラグのうち直径１６ｍｍ以上の粒子を篩い分けし、篩い分けられた直径１６ｍｍ以上の粒子よりなる製鋼スラグに載荷することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の製鋼スラグの蒸気エージング方法。

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