JP6160833B2 - 人工石材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水の混練物を水和硬化させ、この水和固化体を破砕して人工石材を製造する方法に関する。

粉粒状の鉄鋼スラグ（主に製鋼スラグ）と高炉スラグ微粉末を主体とする原料を水で混練し、これを水和硬化させた鉄鋼スラグ水和固化体が知られており（例えば、特許文献１）、この水和固化体は、コンクリートと同じ混練設備を用いて製造することが可能であり、路盤材、土木材料、港湾土木材料、その他のコンクリート代替品として使用可能である。
このような鉄鋼スラグ水和固化体の製造方法の一つとして、原料と水の混練物をヤードに打設し、硬化後に破砕して人工石材を得る方法が知られている（例えば、特許文献２）。この方法で得られる不定形な人工石材は、港湾土木材料である被覆石、根固め石、捨石、裏込め材、潜堤材などに特に適している。

特開２００９−１１４０２７号公報 特開２０１２−２５６５８号公報

しかし、従来の鉄鋼スラグ水和固化体やその製造方法には、以下のような問題がある。
まず、鉄鋼スラグ水和固化体は、高比重である製鋼スラグを骨材として使用するため、普通コンクリートに比べて比重が大きくなる。すなわち、一般のコンクリートの比重は２．３〜２．５程度であるのに対して、鉄鋼スラグ水和固化体の比重は２．５〜２．７程度である。高比重の水和固化体は海中での波浪安定性に優れており、このため港湾土木材料などには好適である。しかし、張ブロック材などのような陸域で使用される水和固化体には、低比重であることが望ましいものも多く、鉄鋼スラグ水和固化体の高比重という特性は、陸域での使用におけるネックの一つとなっている。

また、鉄鋼スラグ水和固化体からなる人工石の製造プロセスでは、原料と水の混練物をヤード（地面）に打設して養生させ、水和硬化した固化体を破砕した後、篩分けして粒度調整を行い、所定の粒径以上のものを製品石材とするが、粒度調整では全体の約１０〜１５％に相当する篩下（細粒）が発生し、製品歩留まりの低下と製造コストの増大の要因となっている。

したがって本発明の目的は、以上のような従来技術の課題を解決し、製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水の混練物を水和硬化させた後、この水和固化体を破砕して人工石材を製造する方法において、低比重の人工石材を製造することができるとともに、製品歩留まりを高めて製造コストを低減させることができる製造方法を提供することにある。

本発明者らは、上記課題を解決するために検討を重ねた結果、製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水の混練物を水和硬化させ、この水和固化体を破砕し、その破砕物を篩い分けにより粒度調整して製品石材を得るという人工石材の製造プロセスにおいて、破砕物の粒度調整で除かれる篩下の破砕物を、原料の一部として再利用するという着想を得た。水和固化体の破砕物を粒度調整することで除かれる篩下の破砕物は、製鋼スラグ（骨材）とともに高炉スラグ微粉末（結合材）を含むため、製鋼スラグ単味よりも比重が小さく、したがって、この篩下の破砕物を、骨材である製鋼スラグの一部または全部の代替材として原料に配合することにより、製造される人工石材の比重を小さくすることができ、しかも、破砕物の粒度調整で除かれる篩下の破砕物を再利用できることから、製品歩留まりを向上させ、製造コストを低減させることができる。
さらに、上記のような篩下の破砕物を、骨材である製鋼スラグの一部または全部の代替材として用いた場合、得られる製品石材の強度は準硬石品質（１０Ｎ／mm^２）以上を確保することができる一方で、混練物の流動性が改善されて施工性が向上するため、ペースト率の低減が可能となり、この面からも製造コストを低減できることが判った。

本発明は、以上のような着想および知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
［1］製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水を混練し、この混練物を水和硬化させる工程（Ａ）と、該工程（Ａ）で得られた水和固化体を破砕する工程（Ｂ）と、該工程（Ｂ）で得られた水和固化体の破砕物を篩い分けする工程（Ｃ）を有し、該工程（Ｃ）での篩上の破砕物を製品石材とする人工石材の製造方法において、工程（Ｃ）での篩下の破砕物（x_１）を、工程（Ａ）での原料の一部として再利用することを特徴とする人工石材の製造方法。
［2］上記［1］の製造方法において、工程（Ｃ）での篩下の破砕物（x_１）を、さらに篩い分けして粒度調整した後、工程（Ａ）での原料の一部として再利用することを特徴とする人工石材の製造方法。

［3］上記［2］の製造方法において、篩下の破砕物（x_１）を粒度調整する工程では、工程（Ａ）で原料に配合する製鋼スラグの最大粒径以下に粒度調整することを特徴とする人工石材の製造方法。
［4］上記［1］〜［3］のいずれかの製造方法において、工程（Ａ）では、原料に配合する製鋼スラグの一部または全部の代替材として、篩下の破砕物（x_１）を原料に配合することを特徴とする人工石材の製造方法。
［5］上記［1］〜［4］のいずれかの製造方法において、篩下の破砕物（x_１）を、事前に水分量を調整して表乾状態にした後、工程（Ａ）で原料に配合することを特徴とする人工石材の製造方法。
［6］製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水の混練物を水和硬化させ、この水和固化体を破砕し、この水和固化体の破砕物を篩い分けして得られる人工石材であって、前記製鋼スラグの一部または全部の代替材として、前記篩い分けにより除かれた破砕物（x_１）（但し、破砕物（x_１）をさらに粒度調整したものである場合を含む。）を含むことを特徴とする人工石材。

本発明によれば、製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水の混練物を水和硬化させ、この水和固化体を破砕し、その破砕物を篩い分けにより粒度調整して製品石材を得る人工石材の製造プロセスにおいて、破砕物の粒度調整で除かれる篩下の破砕物を、原料の一部として再利用すること、具体的には骨材である製鋼スラグの一部または全部の代替材として原料に配合することにより、低比重の人工石材を製造できるとともに、製品歩留まりを高めて製造コストを低減させることができる。また、破砕物の粒度調整で除かれる篩下の破砕物を原料の一部として再利用することにより、混練物の流動性が改善されて施工性が向上するため、ペースト率を低減することができ、この面からも製造コストを低減できる。

水和固化体の破砕物の篩下材（破砕物x_１）を水和固化体の原料の一部として再利用する場合において、混練物中での篩下材比率と混練物の比重との関係を示すグラフ 水和固化体の破砕物の篩下材（破砕物x_１）を水和固化体の原料の一部として再利用する場合において、混練物中での篩下材比率と製造される人工石材の強度との関係を示すグラフ 水和固化体の破砕物の篩下材（破砕物x_１）を水和固化体の原料の一部として再利用する場合において、混練物中での篩下材比率と混練物の流動性（スランプ値）との関係を示すグラフ

本発明法の基本となる一連の製造プロセスは、製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水を混練し、この混練物を水和硬化させる工程（Ａ）と、この工程（Ａ）で得られた水和固化体を破砕する工程（Ｂ）と、この工程（Ｂ）で得られた水和固化体の破砕物を篩い分けする工程（Ｃ）を有し、この工程（Ｃ）での篩上の破砕物を製品石材とするものである。
このような基本の製造プロセスは、従来法と同様であり、その具体的な条件については後述する。

本発明法では、工程（Ｃ）での篩下の破砕物x_１を、工程（Ａ）での原料の一部として再利用する。具体的には、篩下の破砕物x_１を、骨材である製鋼スラグの一部または全部の代替材として原料に配合する。すなわち、原料に骨材として配合すべき製鋼スラグの一部または全部を篩下の破砕物x_１で置換するものである。
また、工程（Ｃ）での篩下の破砕物x_１は、これをさらに篩い分けして粒度調整した後、工程（Ａ）での原料の一部として再利用することが好ましい。具体的には、篩下の破砕物x_１を篩い分けし、その篩下を、上記のように工程（Ａ）での原料の一部として再利用する。

篩下の破砕物x_１（破砕物x_１をさらに粒度調整した破砕物の場合を含む。以下同様）は、製鋼スラグ（骨材）とともに高炉スラグ微粉末（結合材）などを含むため、製鋼スラグ単味よりも比重が小さい。一般に、篩下の破砕物x_１中の製鋼スラグ（骨材）の割合は６０〜７０容積％程度であり、残部は高炉スラグ微粉末（結合材）などである。したがって、このような篩下の破砕物x_１を、骨材である製鋼スラグの一部または全部の代替材として原料に配合することにより、製造される人工石材の比重を小さくすることができる。このため製造される人工石材は、陸域での使用に好適なものとなる。
また、篩下の破砕物x_１の発生量は水和固化体全体の１０〜１５％程度であるため、その全量を工程（Ａ）の原料として再利用でき、このため製品歩留まりが向上し、製造コストを低減することができる。

工程（Ｃ）での篩下の破砕物x_１を、さらに粒度調整して原料として再利用する場合、工程（Ａ）で原料に配合する製鋼スラグの最大粒径以下に粒度調整することが好ましい。例えば、工程（Ａ）で原料に配合する製鋼スラグの最大粒径が２０ｍｍの場合、篩下の破砕物x_１を０−２０ｍｍに粒度調整する。
篩下の破砕物x_１は、骨材である製鋼スラグの全部の代替材として原料に配合することができるが、石材強度の面からは製鋼スラグの一部の代替材として原料に配合することが好ましい。

また、混練物中での篩下の破砕物x_１の配合比率や、製鋼スラグに対する篩下の破砕物x_１の配合比率は、特に制限はなく、配合による比重の低減効果、スランプ値等の流動性への影響、強度などの品質への影響、製造コストなどを勘案して決めればよいが、マニュアルに記載されている鉄鋼スラグ水和固化体の定義、製品石材の強度などの面から、混練物中の比率で７０容積％以下が好ましく、４０容積％以下がより好ましく、２０容積％以下が特に好ましい。
工程（Ａ）において、篩下の破砕物x_１を原料に配合するに際しては、事前に水分量を調整して表乾状態にしておくことが好ましい。これは、篩下の破砕物x_１は保水量が多いため、表乾状態にしておかないと、原料配合時に吸水してスランプ値が低下し、混練物の流動性が損なわれるためである。
篩下の破砕物x_１の水分量を事前に調整して表乾状態にするには、篩下の破砕物x_１に散水すればよい。

図１は、篩下材（篩下の破砕物x_１）を工程（Ａ）での原料の一部として再利用する場合において、混練物中での篩下材比率と混練物の比重との関係を示すものである。この試験例のベースは、骨材の全量を製鋼スラグ（脱燐スラグ、最大粒径２５ｍｍ）とするものであり、このベースに対して、本発明例では製鋼スラグの一部の代替材として篩下材を配合した。また、結合材の全量を高炉スラグ微粉末とし、骨材と結合材に対して、適量の普通ポルトランドセメント（アルカリ刺激剤）とフライアッシュを配合した。図１によれば、骨材である製鋼スラグの一部を篩下材で置換し、篩下材比率を約１６容積％とすることにより、混練物の比重がベースの２．６５から２．５０まで低減している。

図２は、篩下材（篩下の破砕物x_１）を工程（Ａ）での原料の一部として再利用する場合において、混練物中での篩下材比率と製造される人工石材の強度との関係を示すものである（なお、図２中の「ペースト率４４．５％水分調整」とは、混練直前にそれまで乾いていた篩下材に散水して混練した場合）。この試験例のベースも、骨材の全量を製鋼スラグ（脱燐スラグ、最大粒径２５ｍｍ）とするものであり、このベースに対して、本発明例では製鋼スラグの一部の代替材として篩下材を配合した。また、結合材の全量を高炉スラグ微粉末とし、骨材と結合材に対して、適量の普通ポルトランドセメント（アルカリ刺激剤）とフライアッシュを配合した。人工石材の強度は、ＪＩＳ Ａ １１０８に記載の方法に従った。図２によれば、骨材である製鋼スラグの一部を篩下材で置換すると、篩下材比率が高くなるにしたがって人工石材の強度は低下するが、篩下材比率を約１６容積％とした場合でも、準硬石品質（１０Ｎ／ｍｍ^２）以上の強度が得られている。また、４週強度では１７〜２０Ｎ／ｍｍ^２程度が得られる。

本発明では、水和固化体の破砕物を粒度調整することで除かれる篩下の破砕物x_１を原料の一部として再利用することにより、混練物の流動性が改善され、施工性が向上する。図３は、篩下材（篩下の破砕物x_１）を工程（Ａ）での原料の一部として再利用する場合において、混練物中での篩下材比率と混練物の流動性（スランプ値）との関係を示すものである。この試験例のベースも、骨材の全量を製鋼スラグ（脱燐スラグ、最大粒径２５ｍｍ）とするものであり、このベースに対して、本発明例では製鋼スラグの一部の代替材として篩下材を配合した。また、結合材の全量を高炉スラグ微粉末とし、骨材と結合材に対して、適量の普通ポルトランドセメント（アルカリ刺激剤）とフライアッシュを配合した。スランプ値は、ＪＩＳ Ａ １１０１に記載の方法に従った。図３によれば、骨材である製鋼スラグの一部を篩下材で置換すると、篩下材比率が高くなるにしたがって混練物のスランプ値が大きくなり、流動性が向上していることが判る。
このように流動性が向上する理由は必ずしも明確ではないが、篩下材（篩下の破砕物x_１）の粒度分布や粒形状が影響しているものと考えられる。

本発明では、図３に示すように混練物の流動性が向上するため、ペースト率を低減することが可能となり、この結果、製造コスト（材料費）を低減することができる。さらに、本発明では、篩下材の再利用による人工石材の歩留まりの改善により製造コストを低減する効果が得られる。それらの結果、特許文献２に示されるような従来法に較べて、製造コストを最大１５％程度低減することができる。

本発明において、石材製品（人工石材）を得る基本的な手法は、従来法と同様でよい。例えば、原料と水の混練物をヤードの広い範囲に平に打設し、水和硬化後の水和固化体をコンクリートブレーカーなどの重機を用いて破砕し、必要に応じて、さらにジョークラッシャーなどを用いて破砕し、この破砕物を篩い分けして篩上を製品石材とする。篩い分けは、グリズリなどを用いて行うことができる。一方、篩下の破砕物x_１は、必要に応じてさらに篩い分けにより粒度調整を行った後、さきに述べたように水和固化体の原料として再利用する。この篩下の破砕物x_１の篩い分けは定置スクリーンなどを用いて行うことができる。

また、ヤードに混練物を打設する方法としては、例えば、特許文献２に示されるように、ヤードに複数条の平行な畝を設け、これら畝間の溝に混練物を打設する方法や、ヤードに畝を設けるととともに、この畝と平行な型枠板を配置し、前記畝と型枠板間の溝に混練物を打設する方法などを採用してもよい。この製造方法が実施されるヤードに特別な制限はなく、畝が形成できるような普通の屋外の地面でよい。また、この製造方法において、ヤードに複数条の平行な畝を形成するには、地面に盛土をしてもよいし、溝を造るように地面を掘り起こしてもよい。

本発明で用いる製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料は、製鋼スラグが骨材となり、高炉スラグ微粉末が結合材となる。
製鋼スラグの種類に特別な制限はない。製鋼スラグとしては、転炉脱炭スラグ、溶銑予備処理スラグ（例えば、脱燐スラグ、脱珪スラグ）、電気炉スラグ、二次精錬スラグ、造塊スラグなどが挙げられ、これらの２種以上を用いてもよい。なお、製鋼スラグの中でも溶銑予備処理スラグは、free−ＣａＯが少ないために大気エージングの終了が早いだけでなく、free−ＭｇＯ相が少ないため水和膨張による割れなどが生じにくいので、特に好ましい。

また、製鋼スラグは、事前に自然エージングや蒸気エージングを施したものや、炭酸化処理などの各種処理を施したものを用いてもよい。
また、水和固化体の結合材となる高炉スラグ微粉末は、ＪＩＳ−Ａ−６２０６（１９９７）に適合したもの使用することが好ましい。
原料には、本発明による篩下の破砕物x_１以外に、さらに必要に応じて、粉粒状の高炉水砕スラグ、フライアッシュ、アルカリ刺激材などの中から選ばれる１種以上を配合することができる。

前記粉粒状の高炉水砕スラグは、基本的には骨材の一部として配合されるが、弱い水硬性を有しているので、水和固化体中にあっては、アルカリ刺激材によりアルカリ刺激を受けて固化し、強度にも寄与する。
前記フライアッシュはポゾラン物質として働き、長期材齢での強度向上に役立つとともに、水和固化体全体としてのアルカリ性を低減させ、水和固化体を水に浸したときに溶出するアルカリ物質の量を低減させる働きもある。
前記アルカリ刺激材としては、例えば、消石灰やセメントなどのＣａ系のものを用いことができる。高炉スラグ微粉末は潜在水硬性を有し、アルカリ刺激によって硬化が促進される。このためアルカリ刺激材を添加することで、より安定的に高い強度を得ることができる。

従来の一般的な鉄鋼スラグ水和固化体では、骨材は５０〜１００質量％が製鋼スラグで構成され、主たる結合材が高炉スラグ微粉末で構成され、必要に応じて、上述した粉粒状の高炉水砕スラグ、フライアッシュ、アルカリ刺激材などの中から選ばれる１種以上が配合される。このような鉄鋼スラグ水和固化体をベースとする場合、本発明では、その製鋼スラグの一部または全部の代替材として篩下の破砕物x_１が配合されることになる。
篩下の破砕物x_１の配合比率は、さきに述べたような種々の観点から決められるが、一般的な原料配合割合としては、例えば、製鋼スラグ：０〜５５容積％、篩下の破砕物x_１：１５〜７０容積％、高炉スラグ微粉末：３〜２５容積％程度とし、必要に応じて他の成分（高炉水砕スラグ、フライアッシュ、アルカリ刺激材などの１種以上）を適量加える。

以上述べた製造方法により製造される人工石材は、製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水の混練物を水和硬化させ、この水和固化体を破砕し、この水和固化体の破砕物を篩い分けして得られる人工石材であって、前記製鋼スラグの一部または全部の代替材として、前記篩い分けにより除かれた破砕物x_１（但し、破砕物x_１をさらに粒度調整したものである場合を含む。）を含むものである。
すでに述べたように、この人工石材は、従来の鉄鋼スラグ水和固化体に較べて低比重であり、しかも、製品歩留まりが高いため低コストに製造することができる。

Claims (4)

1. 製鋼スラグおよび高炉スラグ微粉末を含む原料と水を混練し、この混練物を水和硬化させる工程（Ａ）と、該工程（Ａ）で得られた水和固化体を破砕する工程（Ｂ）と、該工程（Ｂ）で得られた水和固化体の破砕物を篩い分けする工程（Ｃ）を有し、該工程（Ｃ）での篩上の破砕物を製品石材とする人工石材（但し、人工石材が路盤材の場合を除く。）の製造方法において、
   工程（Ａ）において、原料に配合する製鋼スラグの一部または全部の代替材として、工程（Ｃ）での篩下の破砕物（x _１ ）を原料に配合し、工程（Ａ）での原料の一部として再利用することを特徴とする人工石材の製造方法。
2. 工程（Ｃ）での篩下の破砕物（x_１）を、さらに篩い分けして粒度調整した後、工程（Ａ）での原料の一部として再利用することを特徴とする請求項１に記載の人工石材の製造方法。
3. 篩下の破砕物（x_１）を粒度調整する工程では、工程（Ａ）で原料に配合する製鋼スラグの最大粒径以下に粒度調整することを特徴とする請求項２に記載の人工石材の製造方法。
4. 篩下の破砕物（x_１）を、事前に水分量を調整して表乾状態にした後、工程（Ａ）で原料に配合することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の人工石材の製造方法。

Images