JP6316626B2

JP6316626B2 - 土木材料及びその製造方法

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Publication number: JP6316626B2
Application number: JP2014053003A
Authority: JP
Inventors: 賢一片山; 小林　憲治; 憲治小林; 伸介湊
Original assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Nisshin Co Ltd
Priority date: 2014-03-17
Filing date: 2014-03-17
Publication date: 2018-04-25
Anticipated expiration: 2034-03-17
Also published as: JP2015175175A

Description

この発明は、路盤材料及び舗装材料として使用可能であり且つ製鋼スラグを用いた土木材料及びその製造方法に関する。

鉄鋼の製造工程で発生する鉄鋼スラグは、従来は廃棄処理されていたが、近年では土木分野での再資源化が図られている。例えば、特許文献１には、粒径が５〜４０ｍｍである高炉徐冷スラグ又は製鋼スラグ５０〜９０質量％と、粒径が１０ｍｍ以下である高炉水砕スラグ５０〜１０質量％と、炭質物１〜１０質量％とを含有する透水性路盤材料が記載されている。また、特許文献２には、水膨張比１．５％超６．０％以下であり且つ粒径が４０ｍｍ以下の製鋼スラグと、全量に対する含有量を５質量％以上３５質量％以下とした高炉水砕スラグとを混合してなる簡易舗装材料が記載されている。
なお、高炉徐冷スラグ及び高炉水砕スラグは、高炉での銑鉄の製造工程で副生し、製鋼スラグは、普通鋼や特殊鋼等の製鋼工程やステンレス鋼等の製造工程で副生する。

特許第４２９２９５３号公報特開２０１２−５２４０８号公報

特許文献１の透水性路盤材料では、高炉徐冷スラグ又は製鋼スラグにおける離間して存在する粒子同士の間に高炉水砕スラグが存在する。そして、この透水性路盤材料は、水と反応して硬化する潜在水硬性を有する高炉徐冷スラグ又は製鋼スラグと高炉水砕スラグとを主成分とすることによって、支持力を得ている。しかしながら、高炉徐冷スラグ及び高炉水砕スラグは、水との反応時の発熱速度が低く、それにより硬化速度も低いため、特許文献１の透水性路盤材料は、所要の強度の発現に長い時間を要する。路盤の施工後の強度発現までの時間が長くなると、その上に舗装を施工して道路として開放するまでに要する時間が長くなるため、特許文献１の透水性路盤材料は、施工条件、施工場所等を限定し、その用途が狭くなるという問題を有している。

また、特許文献２の簡易舗装材料では、製鋼スラグの水膨張比が１．５％を超えている。日本工業規格「道路用鉄鋼スラグ」（ＪＩＳＡ５０１５）では、その附属書２に規定される水浸膨張試験方法による水膨張比が１．５％以下の鉄鋼スラグを、道路用鉄鋼スラグとして用いることができるということを規定している。このため、特許文献２の簡易舗装材料は、その用途を限定してしまうという問題を有している。また、特許文献２の簡易舗装材料は、簡易舗装材料全量に対して５質量％以上３５質量％以下の含有量で高炉水砕スラグを含んでいるため、所要の強度の発現に長い時間を要するという問題も有している。

この発明はこのような問題点を解決するためになされたものであり、路盤材料及び舗装材料として利用可能にすると共に用途の拡大を図る製鋼スラグを用いた土木材料及びその製造方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、この発明に係る土木材料は、製鋼工程で生成される製鋼スラグを用いた土木材料であって、製鋼スラグから生成され、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占める粉状スラグと、製鋼スラグから生成され、粒径が０〜５ｍｍの範囲内にある砂状スラグと、粒径が４０ｍｍ以下の塊状骨材とを混合して生成され、粉状スラグ、砂状スラグ及び塊状骨材がそれぞれ、８〜２１質量％、３０〜６０質量％及び２８〜５６質量％の配合割合で混合され、砂状スラグは、０〜５ｍｍの粒径と、５．０×１０−３〜２．０×１０−２ｃｍ／ｓの透水係数と、１．９〜２．１ｋｇ／リットルの単位容積質量と、１．５〜３．２％の吸水率と、１０〜２０％の０〜１２０μｍ径の気孔含有率とを有する。

また、この発明に係る土木材料は、製鋼工程で生成される製鋼スラグを用いた土木材料であって、製鋼スラグから生成され、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占める粉状スラグと、製鋼スラグから生成され、粒径が０〜５ｍｍの範囲内にある砂状スラグと、粒径が４０ｍｍ以下の塊状骨材とを混合して生成され、粉状スラグ、砂状スラグ及び塊状骨材がそれぞれ、８〜２１質量％、３０〜６０質量％及び２８〜５６質量％の配合割合で混合され、透水係数が１．０×１０−５〜１．０×１０−３ｃｍ／ｓであり、修正ＣＢＲ値が８０〜２００％であり、水膨張比が０．３％以下であってもよい。
砂状スラグは、多孔質性の結晶スラグであってよい。
塊状骨材は、粉状の製鋼スラグを造粒した造粒スラグから形成されたものであってよい。

上記土木材料の製造方法は、製鋼スラグに対して冷却、破砕、分級及び脱水処理を順次行って粉状スラグを生成する粉状スラグ生成ステップと、製鋼スラグに対して徐冷、破砕及び分級を順次行って砂状スラグを生成する砂状スラグ生成ステップと、粉状スラグ、砂状スラグ及び塊状骨材を上記配合割合で混合する混合ステップとを含む。
上記方法は、混合ステップの前に、粉状の製鋼スラグを造粒して粒度調整し塊状骨材を生成するステップを含んでよい。

この発明に係る土木材料及びその製造方法によれば、製鋼スラグを用いた土木材料の用途を拡大することが可能になる。

粉状スラグ及び砂状スラグを製造する各工程を分類して示す図である。粉状スラグ及び砂状スラグを用いて本実施の形態に係る路盤舗装材を製造する各工程を分類して示す図である。耐雨性の試験状態を示す概略図である。

以下、この発明の実施の形態における土木材料１００の製造方法について添付図面に基づいて説明する。
なお、この発明の実施の形態ではステンレス鋼を溶製する際に発生する製鋼スラグを用いた土木材料を例にして説明する。
図１及び図２をあわせて参照すると、土木材料１００を製造する工程は、大別すると、原料となる製鋼スラグ１０が生成されるステンレス鋼の製鋼工程１、製鋼スラグ１０を冷却する冷却工程２、冷却後の製鋼スラグ１０から微粉状の粉状スラグ１１及び砂粒状の砂状スラグ１２を分級するスラグ選鉱処理工程３、粉状スラグ１１の一部を造粒して塊状スラグ１４を生成する造粒工程４、並びに、粉状スラグ１１、砂状スラグ１２及び塊状スラグ１４を混合して路盤舗装材である土木材料１００を生成する混合工程５によって構成されている。なお、路盤舗装材は、舗装材としても路盤材としても利用可能な材料である。ここで、塊状スラグ１４は、塊状骨材を構成している。

図１を参照すると、製鋼工程１では、ステンレス鋼を溶製する際に製鋼スラグ１０が発生するが、この発生した製鋼スラグ１０がスラグ鍋に収集される。なお、製鋼スラグ１０は、電気炉で原料を溶解してステンレス鋼の溶銑を生成する溶解工程で生成される溶製スラグと、生成された溶銑から含有硫黄を除去する脱硫処理工程で生成される脱硫スラグと、脱硫処理後の溶銑に対して転炉及び真空脱ガス処理装置で含有炭素を除去する精錬工程で生成される精錬スラグとによって構成されている。そして、脱硫処理の前及び脱硫処理の後に、溶製スラグ及び脱硫スラグが製鋼スラグ１０としてステンレス鋼の溶銑から除去され、さらに、転炉及び真空ガス処理装置で生成した精錬スラグが製鋼スラグ１０として収集される。製鋼スラグ１０は、原料内の不純物やステンレス鋼の製鋼過程での生成物によって構成されており、その中にステンレス鋼を構成する鉄、クロム、ニッケル等からなる有用金属である地金１５も含んでいる。

なお、本実施の形態では、溶銑の脱硫処理方法として、機械駆動される攪拌翼で溶銑を攪拌しつつ脱硫剤を添加して溶銑に含有される硫黄をスラグ化して除去するＫＲ法が用いられる。ＫＲ法では、攪拌されることによって溶銑と脱硫剤との脱硫反応が促進されるため、脱硫剤にはＣａＯ（生石灰、酸化カルシウム）を主成分とするものが用いられる。このため、本実施の形態で使用される脱硫剤は、過去に脱硫反応を促進するために用いられたＣａＦ２（蛍石、フッ化カルシウム）を含んでいない。
そして、本実施の形態で得られる製鋼スラグ１０において、例えば、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ_２：ＳｉＯ_２含有量に対するＣａＯ含有量の質量比）が０．８〜１．６となっており、Ｆ（フッ素）が０．４質量％未満、ＣａＯが３０〜６５質量％、ＳｉＯ_２が２０〜５０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が５〜１０質量％で含有されている。

塩基度が０．８〜１．６であることによって、ステンレス鋼の溶銑の脱硫処理に与える悪影響が抑えられる。塩基度は、溶銑の脱硫反応に大きな影響を及ぼす。製鋼スラグ１０において、塩基度が０．８未満となっている場合、脱硫処理時に製鋼スラグ１０に含まれるＣａＯと溶銑に含まれるＳ（硫黄）との間で十分な脱硫反応が得られていないことになり、１．６を超えている場合、脱硫処理時に製鋼スラグ１０の流動性が低く、溶銑と製鋼スラグ１０との接触界面が減少して脱硫反応が促進されていないことになる。ここでいう脱硫反応とは、溶解工程で生成される製鋼スラグと、脱硫処理工程で生成される脱硫スラグと、さらに、転炉及び真空脱ガス処理装置で生成する精錬スラグの全てのスラグでの脱硫反応である。また、本実施の形態では、脱硫処理方法を機械攪拌式のＫＲ法とし、スラグの流動性を向上させるために用いられてきた蛍石（ＣａＦ_２）が使用されないため、塩基度を調節して製鋼スラグ１０の流動性を確保する必要がある。

蛍石等のＦ含有剤を用いないことによっても、スクラップや鉱石等のＦ含有原料の混入等により若干のフッ素含有は避けられないが、目標のフッ素含有率を０．４質量％未満とすることによって、製鋼スラグ１０から生成される路盤舗装材１００が、土壌環境基準に規定される水に対するフッ素の溶出量の基準を満足する。上述したように、本実施の形態では、脱硫処理に蛍石を使用しないため、製鋼スラグ１０の組成におけるＦの含有率が低く抑えられ、路盤舗装材１００は土壌環境基準を満たすことができる。

ＣａＯの含有率が３０〜６５質量％であることによって、効果的なステンレス鋼の溶銑の脱硫処理が可能になる。ＣａＯは、脱硫材の主成分であり且つ脱硫反応に必須の成分である。このため、製鋼スラグ１０におけるＣａＯの含有率が３０質量％以上であることによって、溶銑を十分に脱硫処理することができる。一方、製鋼スラグ１０内のＳｉＯ_２の含有量に対してＣａＯの含有量が過剰になると、塩基度が高くなり過ぎてスラグの流動性が悪化し、製鋼スラグ１０による脱硫反応が促進されなくなる。このため、製鋼スラグ１０におけるＣａＯの含有率が６５質量％以下であることによって、スラグの流動性悪化による脱硫反応の低下を抑えることができる。

ＳｉＯ_２の含有率が２０〜５０質量％であることによって、効果的なステンレス鋼の溶銑の脱硫処理が可能になる。ＳｉＯ_２は、ステンレス鋼の原料から発生し、また還元剤による脱酸反応生成物として発生する。製鋼スラグ１０において、ＳｉＯ_２の含有率が２０質量％未満となっていると、脱硫処理時の塩基度が高くなり過ぎていて脱硫反応が促進されてないことになる。一方、ＳｉＯ_２の含有率が５０質量％を超えていると、脱硫処理時の塩基度が低くなり過ぎていて十分な脱硫反応が得られてないことになる。このため、製鋼スラグ１０におけるＳｉＯ_２の含有率が２０〜５０質量％であることによって、脱硫反応を効果的に促進することができる。

Ａｌ_２Ｏ_３の含有率が５〜１０質量％であることによって、製鋼スラグ１０の流動性を確保することができる。Ａｌ_２Ｏ_３は、製鋼に使用する各鍋の耐火煉瓦やステンレス鋼の原料から混入する。製鋼スラグ１０におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有量が低過ぎても高過ぎても、スラグの融点が上昇し、スラグの流動性が低下する。
そして、製鋼スラグ１０では、原料の配合比と、スラグ及びステンレス鋼の間の元素分配比とについての経験則に基づき、溶製する鋼種ごとにスラグ発生源の原料の種類と配合比とを調節することによって、塩基度及び組成を上述のように調節することができる。

図１の製鋼工程１で発生し収集された製鋼スラグ１０は、スラグ鍋に入れられた状態で冷却工程２に移され、冷却固化される。この際、製鋼スラグ１０は、スラグ鍋に入れられた状態で、大気中での自然冷却による空冷と、スラグ鍋に散水して冷却する散水冷却とを組み合わせた冷却によって、２４時間以上かけて徐冷される。製鋼スラグ１０は、徐冷されることによって、結晶質で多数の気孔を含む岩石状のスラグとなる。

上記冷却過程において、製鋼スラグ１０は、スラグ鍋へ投入されて凝固を始めた後の約１１００℃から、結晶構造の変化、つまり相変態がほぼ終了する約７００℃に温度が低下するまでの間、すなわち製鋼スラグ１０の温度が約７００℃以上である間、１．０℃／分以下の速度で降温するように徐冷される。なお、次に実施される破砕処理での十分な破砕が可能であるように製鋼スラグ１０を十分に固化させるためには、外気温に応じて２４〜３０時間にわたって或いはそれよりも長時間にわたって製鋼スラグ１０を冷却するのが、好ましい。

一方、製鋼スラグ１０の温度が約７００℃以上の時に、例えば冷却水量を増加させる、又は製鋼スラグ１０に直接散水する等をして１．０℃／分を超える速度で製鋼スラグ１０を降温させると、固化後に内部の密度が低く脆いスラグが得られることになる。
また、製鋼スラグ１０の替わりに高炉スラグを用いた場合、例えば水砕急冷後の高炉スラグは、気孔をほとんど含まないガラス質のスラグを形成する。

上述のように製鋼スラグ１０を徐冷することによって、製鋼スラグ１０が固化する際、製鋼スラグ１０に含まれ且つ水和反応を起こすことが可能なフリーのＣａＯやＭｇＯ又はこれらの化合物等の軟質な部分と、密度が高く硬質な鉱物相（シリカ［ＳｉＯ_２］、アルミナ［Ａｌ_２Ｏ_３］等から形成される）とが、互いに分離した異なる層を形成する。実際にはこれらのＣａＯやＭｇＯ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３の２種またはそれ以上に複雑に固溶した鉱物相が大部分であるが、上述の冷却速度での冷却により軟質なものと硬質な鉱物とが形成される。このため、固化後の製鋼スラグ１０が後述する破砕処理を受けると、鉱物相の間の軟質な部分が細かく砕けることによって硬質な鉱物相の多くが互いに分離して塊状になり、さらにこの塊状の鉱物相が破砕されると砂粒状になる。そして、製鋼スラグ１０では、破砕によって粉化するのが軟質な部分によって主に構成されるため、粉化する量が少ない。

冷却工程２において固化してその温度が十分に低下した製鋼スラグ１０は、スラグ鍋から出鍋されて、スラグ選鉱処理工程３を構成するジョークラッシャー破砕処理３１及びロッドミル破砕処理３２による破砕を順次受ける。
ジョークラッシャー破砕処理３１では、製鋼スラグ１０は、気中にある状態で、ジョークラッシャーにおける固定歯と固定歯に対して接近及び離脱するように可動な可動歯との間に挟まれて押圧されることによって圧縮破砕される。製鋼スラグ１０は、この処理によって、大まかに乾式破砕される。このとき、製鋼スラグ１０では、硬質な鉱物相の間にあるＣａＯ等の軟質な部分の層が崩壊することによって、鉱物相が多数の塊状に分離する。

ジョークラッシャー破砕処理３１の後のロッドミル破砕処理３２では、製鋼スラグ１０は、内部に水を含むロッドミル内に投入されて水中につけられた状態とされ、ロッドミルが回転されることによって、さらに細かく湿式破砕される。この湿式破砕の過程では、製鋼スラグ１０に含まれる軟質なＣａＯ等は、水和反応してさらに脆くなり、微小粉状に粉砕されて水中に懸濁する。また、製鋼スラグ１０に含まれる塊状の硬質な鉱物相は、ロッドミル内で角張った形状の粒に破砕され、破砕時に鉱物相から発生する粉状体が水中懸濁する。なお、角張った形状の粒によって形成される砂は、表面が滑らかな粒によって形成される砂よりも締め固め性に貢献する。
上記の２つの破砕処理を受ける過程では、製鋼スラグ１０に含まれる地金１５が、鉱物相やＣａＯ等の微粉などの成分によって構成されるスラグから分離される。そして、製鋼スラグ１０が冷却工程２で十分に固化していることによって、破砕処理時における地金１５とスラグとの分離が容易になる。

破砕処理を完了した製鋼スラグ１０は、スラグ選鉱処理工程３を構成する比重選鉱処理３３を受ける。比重選鉱処理３３では、製鋼スラグ１０は、処理水中に投入され、比重選別機によって鉱物の比重の差異を利用した選別が行われる。製鋼スラグ１０において、高比重であるとして選別されたものは、続いて磁力選鉱処理３４を受け、低比重であるとして選別されたものは、続いて篩い分級処理３５を受ける。ここで、磁力選鉱処理３４及び篩い分級処理３５はスラグ選鉱処理工程３を構成する。

磁力選鉱処理３４では、地金１５を含んだ高比重の製鋼スラグ１０に対して、磁選機によって地金１５が分離・回収される。
また、篩い分級処理３５では、比重選別機から取り出されて処理水中に含まれた状態の低比重の製鋼スラグ１０が、振動篩い機の振動するスクリーン（篩い）上に供給され、そのうちのスクリーンの目開きの大きさ（本実施の形態では５ｍｍ）以下のものが選別される。なお、スクリーンを通過しなかった粒径５ｍｍを超える製鋼スラグ１０は、これが含まれている処理水と共に、再びロッドミル破砕処理３２に戻され、湿式破砕処理を受ける。

スクリーンを通過した粒径５ｍｍ以下の製鋼スラグ１０は、その砂粒状粒子及び微小粉状粒子並びに処理水が混在したサンドスライム状態であり、エーキンス分級処理３６を受けて、粒状分が分離される。つまり、処理水に含まれた状態の製鋼スラグ１０は、処理水と共にスパイラル型分級機であるエーキンス分級機に送られて分級を受けることによって、特定の粒径（０．１５ｍｍ程度）以上の粒状分が水中に懸濁する粉状分から分離され、粗粒の砂状スラグ１２として選別される。これにより、この砂状スラグ１２は、粒径０．１５ｍｍ以上５ｍｍ以下の粒子で構成される。

砂状スラグ１２が除去された後の製鋼スラグ１０は、その微小粉状粒子及び処理水が混在したスライム状態であり、シックナー・脱水処理３７を受けて、微小粉状粒子が処理水から分離される。この処理では、処理水に含まれた状態の製鋼スラグ１０が、処理水と共にシックナーに送られて分級を受け、微小粉状粒子で構成される製鋼スラグ１０がスライムから分離される。さらに、水分を含んだ状態で分離された製鋼スラグ１０が脱水処理を受けてケーキ状の粉状スラグ１１として回収される。ここで、エーキンス分級処理３６及びシックナー・脱水処理３７はスラグ選鉱処理工程３を構成する。

そして、上述のエーキンス分級処理３６によって得られた砂状スラグ１２は、多孔性の結晶質であり、水分の存在下で時間が経過すると水と反応して硬化する水硬性を有する。さらに、砂状スラグ１２は、粒径範囲０〜５ｍｍ、微粒分量３．５％以下、粗粒率３．５％以下、透水係数５．０×１０^−３〜２．０×１０^−２ｃｍ／ｓ（ｃｍ／秒）、単位容積質量１．９〜２．１ｋｇ／Ｌ（リットル）、吸水率１．５〜３．２％を満たす特性を有する。さらに、多孔質性の砂状スラグ１２は、０〜１２０μｍ径の気孔の容積含有率（気孔率）が１０〜２０％となっている。また、砂状スラグ１２は、Ｆの水に対する溶出量が０．８ｍｇ／Ｌ未満の特性を有する。なお、Ｆの水に対する溶出量０．８ｍｇ／Ｌ未満という範囲は、土壌環境基準を満たすものである。

微粒分量は、ＪＩＳＡ１１０３に規定される微粒分量試験方法により求めることができ、粗粒率は、ＪＩＳＡ１１０２に規定される骨材の篩い分け試験方法（粒度分布試験方法）により求めることができる。気孔率は、乾燥処理した砂状スラグ１２に対して、株式会社島津製作所製のマイクロメリテックオートポアＩＩＩ９４００等の水銀ポロシメータを用いた０．００５〜１２０μｍの細孔径測定範囲での水銀圧入法を実施することによって、測定することができる。なお、水銀ポロシメータは、砂状スラグの気孔への水銀の注入圧力と気孔径の関係に基づいて、注入圧力を段階的に上昇させながら各圧力段階での水銀の浸入量を測定することによって気孔径の分布を求めるものである。

なお、砂状スラグ１２は、０〜１２０μｍ径の気孔の気孔率を１０〜２０％することによって、強度及び透水性を確保することができる。砂状スラグ１２は、含有する気孔の径が大きくなれば脆くなり、路盤材料又は舗装材として使用される場合に所要の強度をもたらすことができない。また、砂状スラグ１２は、１０％未満の気孔率を有する場合、透水性を確保することができず、２０％超の気孔率を有する場合、強度を確保することができない。ちなみに、ステンレス鋼のスラグから砂状スラグ１２を形成する場合、上述したように徐冷及び破砕することによって、上記の特性を有する砂状スラグ１２を効率的に生成することができる。

また、脱水処理後に得られた粉状スラグ１１は、ＣａＯやＳｉＯ_２を多く含み、水分の存在下で時間が経過すると水と反応して硬化する水硬性を有する。さらに、粉状スラグ１１は、粒径範囲が０〜０．７ｍｍ、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上、比表面積が１７００ブレーン以上となる特性を有する。

図２を参照すると、得られた粉状スラグ１１の一部は、造粒工程４を構成する造粒処理４１を受ける。造粒処理４１において、粉状スラグ１１は、規格品のセメント１６及び石炭灰１７と共にアイリッヒミキサー、回転筒型ミキサー等の造粒装置に投入され、水の添加を受けつつ混合される。これによって、粉状スラグ１１は、セメント１６及び石炭灰１７と共に凝集して硬化し、造粒スラグ１３を形成する。この混合過程では、粉状スラグ１１＋セメント１６＋石炭灰１７の総質量１００％の中で、粉状スラグ１１が６０〜８５質量％の含有率で含まれ、セメント１６が５〜２０質量％の含有率で含まれ、石炭灰１７が１０〜３５質量％の含有率で含まれている。さらに、水は、粉状スラグ１１＋セメント１６＋石炭灰１７の総質量１００％に対して、１５〜２５質量％の外数としての割合で加えられる。

粉状スラグ１１、セメント１６及び石炭灰１７の配合は、造粒スラグ１３を形成する固化反応の終了時に未反応のＣａＯが残留しないように決定される。これは、ＣａＯが水和反応して膨張することから、未反応のＣａＯは、造粒スラグ１３を膨張崩壊させる危険性を生む、つまり崩壊性を生むためである。

そこで、粉状スラグ１１の含有率を６０〜８５質量％としている。粉状スラグ１１の含有率が８５質量％を超えると、セメント１６及び石炭灰１７の配合量が減り、粉状スラグ１１に含まれる過剰のＣａＯが残留し、崩壊性を生じる可能性がある。なお、石炭灰は、ＣａＯとの反応性を有するＳｉＯ_２を多く含む。一方、粉状スラグ１１の含有率が６０質量％未満となると、セメント１６及び石炭灰１７の配合量が多くなり、コストを上昇させる。

さらに、セメント１６の含有率を５〜２０質量％としている。セメント１６の含有率が５質量％未満となると、造粒スラグ１３が所要の強度を得ることができない。一方、セメント１６の含有率が２０質量％を超えるとなると、コストが上昇するほか、場合によっては石炭灰１７の配合割合が低くなり崩壊性を悪化させることがある。さらに、セメントは六価クロムを含むため、造粒スラグ１３における六価クロムの含有量が大きくなり、土壌環境基準を満たさなくなることがある。

さらにまた、石炭灰１７の含有率を１０〜３５質量％としている。石炭灰１７の配合目的は、粉状スラグ１１の成分のＣａＯとポゾラン反応させるＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３の供給源として用いることである。このため、粉状スラグ１１のＣａＯ含有量とＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３の供給量とをバランスさせるために石炭灰１７の配合割合が決められる。石炭灰の種類によってＳｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３の含有率が異なるため、一般的な焼却灰から特殊な加圧流動床の燃焼灰までの成分割合を考慮すると、石炭灰１７の含有率は１０〜３５質量％となる。石炭灰１７の含有率が１０質量％未満となると、いくら粉状スラグ１１の割合を減らし且つセメント１６の割合を増加させても、造粒スラグ１３の崩壊を防止できなくなる。一方、石炭灰１７の含有率が３５質量％を超えると、造粒性が悪化する。これは、石炭灰が、その粒子形状、比重等の物理的特性のため、スラグに比べて非常に悪い造粒性を有しているからである。

また、水の添加率を１５〜２５質量％としている。水は、粉状スラグ１１、セメント１６及び石炭灰１７の３原料の配合による強度を発現させる上で必要なものであるが、造粒時の粒度コントロールに非常に大きい影響を与える。水の添加率が１５質量％未満となると、セメント１６の固化反応が不十分となり、粉状スラグ１１を粒状に成長させることができなくなる。水の添加率が２５質量％を超えると、水分過多となり、粉状スラグ１１が粘土状又は餅状の巨大な塊となるだけで、造粒が不可能になる。ここで言う水の添加率とはもともとスラグが含む水も含めた量をいう。

図２を再び参照すると、造粒装置内で形成された造粒スラグ１３は、造粒装置から出されると、その固化反応が終了して所要の強度が発現までの期間である所定の養生期間にわたって、大気中にて養生４２される。なお、造粒スラグ１３は、製鋼スラグから形成されているため、高い固化速度を有している。

所定の養生期間経過後の造粒スラグ１３は、篩い分級処理４３を受ける。篩い分級処理４３では、造粒スラグ１３は、振動篩い機の振動する篩い上に供給され、そのうちの篩いの目開きの大きさ（本実施の形態では４０ｍｍ）以下のものが選別されて、塊状スラグ１４として次の混合工程５を構成する混合処理に移される。なお、篩いを通過しなかった粒径４０ｍｍを超える造粒スラグ１３は、破砕処理４４に移され、乾式ミル等による乾式破砕処理を受ける。破砕処理４４を受けた造粒スラグ１３は、再び篩い分級処理４３を受け、粒径４０ｍｍ以下ものは塊状スラグ１４として混合処理に移され、粒径４０ｍｍを超えるものは再び破砕処理４４に移される。
上述の造粒処理４１、養生４２、篩い分級処理４３及び破砕処理４４からなる一連の造粒工程４を経ることによって、粒径４０ｍｍ以下の塊状スラグ１４が形成される。

混合工程５の混合処理では、塊状スラグ１４を２８〜５６質量％、粉状スラグ１１を８〜２１質量％、砂状スラグ１２を３０〜６０質量％とする配合割合で、塊状スラグ１４、粉状スラグ１１及び砂状スラグ１２がパドルミキサー等の攪拌装置に投入されて混合される。あるいはパワーショベルやホイルローダー等の重機で混合してもよい。その結果、路盤材料としても舗装材料としても使用可能な路盤舗装材１００が生成される。生成した路盤舗装材１００は、保管ヤードに貯蔵され、需要に応じて出荷される（貯留・出荷６）。

そして、生成された路盤舗装材１００は、透水係数１．０×１０^−５〜１．０×１０^−３ｃｍ／ｓ、水浸膨張比０．３％以下の特性を有する。さらに、路盤舗装材１００は、路盤材料や盛土材料の締め固め性の品質基準を示す指標である修正ＣＢＲ値が８０〜２００％の範囲内となり、良好な締め固め性を有する。なお、（社）日本道路協会出典の「舗装施工便覧」では、下層路盤材に求められる修正ＣＢＲ値が３０％以上、上層路盤材に求められる修正ＣＢＲ値が８０％以上とされている。さらに、求められる水浸膨張比は、下層路盤材及び上層路盤材では１．５％以下となっている。

（実施例）
以下、本実施の形態の製造方法を用いて製造した路盤舗装材１００の実施例と、本実施の形態の製造方法と異なる製造方法を用いて製造した路盤舗装材の比較例とを比較検証する。なお、比較例の路盤舗装材は、本実施の形態で上述した粉状スラグ、砂状スラグ及び塊状スラグの配合割合の範囲から外れた配合割合で生成されたものである。
また、実施例の路盤舗装材及び比較例の路盤舗装材を構成する粉状スラグ、砂状スラグ及び塊状スラグは、下記の表１に示す２つの異なる組成を有する製鋼スラグＡ及びＢを用いて生成された。

そして、下記の表２に、１３の実施例と１０の比較例について、粉状スラグ、砂状スラグ及び塊状スラグの配合割合、並びに、それぞれの特性（透水係数、修正ＣＢＲ、水膨張比及び耐雨性）が示されている。なお、実施例１〜１０及び１２並びに比較例１〜９では、粉状スラグを造粒して得られる粒径４０ｍｍ以下の造粒スラグが塊状スラグとして用いられ、実施例１１及び１３では、粉状スラグを造粒して得られる粒径４０ｍｍ超の造粒スラグを破砕したものが塊状スラグとして用いられている。

透水係数は、定水位透水試験及び変水位透水試験を適宜選択した室内透水試験によって測定した。
修正ＣＢＲ値は、室内試験によって測定した。具体的には、ＪＩＳＡ１２１０の突固めによる土の締固め試験方法により求めた最適含水比の±１％の含水比に調整した供試体を作成し、この供試体を用いてＪＩＳＡ１２１１のＣＢＲ試験方法に従って求めた締固め曲線及びＣＢＲ−乾燥密度関係図に基づき、最大乾燥密度の９５％の締固め度に対応する修正ＣＢＲ値を求めた。
水膨張比は、「道路用鉄鋼スラグ」（ＪＩＳＡ５０１５）の附属書２に規定される鉄鋼スラグの水浸膨張試験方法により測定した。

耐雨性は、次のように試験した。図３に示すように、実施例及び比較例の路盤舗装材をそれぞれ、仕上厚さが１５ｃｍとなるように、試験区域の路床上に敷き均した後に転圧機械（１０ｔタイヤローラ）を用いて所定の締め固め度が得られるまで転圧した。転圧完了後のさらに１時間後に、締め固められた路盤舗装材の表面上に、１ｍ×１ｍの正方形を囲繞する形状の堰枠を配置し、堰堤の内側に２０リットルの水を投入して溜めた。水を投入してから３時間経過後に、堰枠内の水の残留状態を目視で確認した。塊状の水が見られない、つまり水はけが良好な場合、良と判定し、塊状の水が若干残っているが表面の路盤舗装材が泥化していない場合、可と判定し、塊状の水が残り表面の路盤舗装材が泥化している場合、不可と判定した。この耐雨性は、路盤材としての締め固めた後における降雨時の表面安定性、及び舗装材としての適正をあらわす。

表２に示されるように、実施例１〜１３では、透水係数が１．０×１０^−５〜１．０×１０^−３ｃｍ／ｓの範囲内に収まっている。さらに、互いに配合割合が同一にある実施例１１及び１２について、塊状スラグとして粉状スラグを造粒して得られる粒径４０ｍｍ以下の造粒スラグを用いた実施例１２において、塊状スラグとして粉状スラグを造粒して得られる粒径４０ｍｍ超の造粒スラグを破砕したものを用いた実施例１１よりも、透水係数が大きくなっている。一方、砂状スラグの配合割合が実施例よりも低い比較例１〜６では、透水係数が１．０×１０^−５ｃｍ／ｓを下回っており、砂状スラグの配合割合が実施例よりも高い比較例７〜１０では、透水係数が１．０×１０^−３ｃｍ／ｓを上回っている。比較例では、砂状スラグの配合割合が、路盤舗装材の透水係数に大きく影響を与えている。

また、実施例１〜１３では、修正ＣＢＲ値が８０〜２００％の範囲内に収まっている。一方、比較例２及び４では、修正ＣＢＲ値が８０〜２００％の範囲内に収まり、比較例１、３及び５〜８では、修正ＣＢＲ値が８０％を下回る。また、実質的に砂である比較例９及び１０の路盤舗装材では、修正ＣＢＲの測定ができなかった。
また、実施例１〜１３では、水浸膨張比が０．３％以下（社内基準の目標値：０．３％以下）であり、比較例１〜１０では、水浸膨張比が０．３％を上回っている。ここで日本工業規格「道路用鉄鋼スラグ」（ＪＩＳＡ５０１５）では、その附属書２に規定される水浸膨張試験方法による水膨張比は１．５％以下と規定されているが、経験上必ずしも１．５％以下で品質が十分とは言えないため、社内規格としてさらに厳しい０．３％以下とした。

また、耐雨性は、実施例１〜１３及び比較例８〜１０では良好であり、比較例１〜６では不可であり、比較例７では可である。比較例７〜１０では、路盤舗装材は砂に近い性状を有するため、水はけが良い。そして、実施例１〜１３の路盤舗装材は、締め固め後の水はけがよく、降雨等による表面性状の変化も生じないため、その後の施工性を良好にするだけでなく、敷き均し・転圧のみの施工によって、そのまま道路の表層として機能することができる、つまり舗装として機能することができる。また、水はけが良く透水性が高い実施例１〜１３の路盤舗装材を締め固めて形成した層では、散水、降雨等による水が内部にまで十分に浸透するため、路盤舗装材が浸透水と水和反応を起こして硬化し、この層の強度を増大させる。

上述の結果より、砂状スラグを３０〜６０質量％、塊状スラグを２８〜５６質量％、粉状スラグを８〜２１質量％とする配合割合で形成された実施例の路盤舗装材は、路盤材として使用可能であるだけでなく、舗装材として使用可能である。

このように、この発明の実施の形態に係る土木材料は、ステンレス鋼の製鋼工程１で生成される製鋼スラグ１０を用いた土木材料である。この土木材料である路盤舗装材１００は、製鋼スラグ１０から生成され且つ粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占める粉状スラグ１１と、製鋼スラグ１０から生成され且つ粒径が０〜５ｍｍの範囲内にある砂状スラグ１２と、粒径が４０ｍｍ以下の塊状骨材である塊状スラグ１４とを混合して生成される。このとき、粉状スラグ１１、砂状スラグ１２及び塊状スラグ１４がそれぞれ、８〜２１質量％、３０〜６０質量％及び２８〜５６質量％の配合割合で混合される。

上述のような配合割合で粉状スラグ１１、砂状スラグ１２及び塊状スラグ１４を混合して生成した路盤舗装材１００は、透水性及び良好な締め固め性を有する。このため、敷設、締め固め後の路盤舗装材１００による地盤は、水はけが良いため、その上での車両の通行及びさらなる施工を降雨の影響を受けることなく可能にする。それ故、路盤舗装材１００は、路盤材としても舗装材としても使用可能であり、その用途を拡大することができる。そして、このような路盤舗装材１００は、路盤と舗装とを一体構造として施工することも可能にする。さらに、透水性を有する路盤舗装材１００は、雨天時及び梅雨時期における水分過多の状態で出荷されても、敷設、転圧の施工を可能にし、その仕上がりも良好である。つまり、路盤舗装材１００は、広範な施工条件での施工を可能にし、その用途を拡大する。

また、締め固めされて固化した後、雨水等の水が路盤舗装材１００の表面に降りかかると路盤舗装材１００層内に浸透し、それにより、スラグ由来のアルカリ成分が浸透水と共に路盤舗装材１００層から流れ出て路盤舗装材１００層の下の土壌に中和、吸着等される。このため、降雨時、路盤舗装材１００層から周囲に流れ出る雨水は、中性近傍の性状を有するようになり、環境に与える影響が小さい。一方で透水性の悪い舗装材であれば表面に残ったままの高アルカリ水が何らかの理由で表層を流れて舗装材下の土壌に吸着されることなく敷地外へ流出した際には環境問題を引き起こす場合があり危険であるので、天候によっては舗装工事が制限されることになるが、路盤舗装材１００は降雨時の出荷も可能となる。さらに、路盤舗装材１００層の土壌は、吸着したアルカリ成分を含むため、この土壌からの雑草等の植物の生育を抑えることができる。このため、路盤舗装材１００による層は、維持管理、手入れ等のコストを低減することができる。
また、少なくとも粉状スラグ１１及び砂状スラグ１２が製鋼スラグ１０から生成されることによって、路盤舗装材１００は、水和反応による固化する速度を、高炉スラグ等を使用する場合よりも向上させることができる。

また、上記路盤舗装材１００において、砂状スラグ１２は、多孔質性の結晶スラグである。これによって、砂状スラグ１２の粒子自体の水の透過性が向上するため、路盤舗装材１００の透水性の向上が可能になる。
さらに、砂状スラグ１２が、０〜５ｍｍの粒径と、５．０×１０^−３〜２．０×１０^−２ｃｍ／ｓの透水係数と、１．９〜２．１ｋｇ／リットルの単位容積質量と、１．５〜３．２％の吸水率と、１０〜２０％の０〜１２０μｍ径の気孔含有率とを有することによって、上記路盤舗装材１００は、１．０×１０^−５〜１．０×１０^−３ｃｍ／ｓの透水係数と、８０〜２００％の修正ＣＢＲ値と、０．３％以下の水膨張比とを有することできる。従って、路盤舗装材１００は、路盤材及び舗装材として良好な特性を有することができる。

また、上記路盤舗装材１００において、塊状スラグ１４は、粉状スラグ１１等の粉状の製鋼スラグ１０を造粒した造粒スラグから形成される。これにより、製鋼スラグ１０のさらなる有効利用を図ることができる。

また、実施の形態の路盤舗装材１００では、その粉状のスラグとしてステンレス鋼の製鋼スラグ１０から生成した粉状スラグ１１を使用していたが、粉状のスラグとして鋳鉄の製造工程で副生する高炉スラグ、普通鋼や他の特殊鋼の製鋼工程で副生する製鋼スラグ等の他の鉄鋼スラグから生成したものを使用してもよい。粉状のスラグでは、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占めればよい。
また、実施の形態の路盤舗装材１００では、その砂状のスラグとしてステンレス鋼の製鋼スラグ１０から生成した砂状スラグ１２を使用していたが、砂状のスラグとして普通鋼や他の特殊鋼の製鋼スラグから生成したものを使用してもよい。砂状のスラグは、０〜５ｍｍの粒径、５．０×１０^−３〜２．０×１０^−２ｃｍ／ｓの透水係数、１．９〜２．１ｋｇ／リットルの単位容積質量、１．５〜３．２％の吸水率、及び１０〜２０％の０〜１２０μｍ径の気孔含有率を有すればよい。

また、実施の形態の路盤舗装材１００では、塊状骨材として、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占める粉状スラグ１１を造粒した塊状スラグ１４を使用していたが、塊状スラグ１４を構成する粉状のスラグの粒度は、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占めることに限定されない。また、塊状骨材として、ステンレス鋼の製鋼スラグ１０を用いたものに限定されるものでなく、高炉スラグ、普通鋼や他の特殊鋼の製鋼スラグ等の他の鉄鋼スラグを用いたものであってもよい。或いは、塊状骨材は、天然石などのスラグ以外の材料の砕石又は造粒物であってもよい。

１製鋼工程、２冷却工程、３スラグ選鉱処理工程、４造粒工程、５混合工程、１０製鋼スラグ、１１粉状スラグ、１２砂状スラグ、１３造粒スラグ、１４塊状スラグ（塊状骨材）、１００路盤舗装材（土木材料）。

Claims

製鋼工程で生成される製鋼スラグを用いた土木材料であって、
前記製鋼スラグから生成され、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占める粉状スラグと、
前記製鋼スラグから生成され、粒径が０〜５ｍｍの範囲内にある砂状スラグと、
粒径が４０ｍｍ以下の塊状骨材と
を混合して生成され、
前記粉状スラグ、前記砂状スラグ及び前記塊状骨材がそれぞれ、８〜２１質量％、３０〜６０質量％及び２８〜５６質量％の配合割合で混合され、
前記砂状スラグは、
０〜５ｍｍの粒径と、
５．０×１０−３〜２．０×１０−２ｃｍ／ｓの透水係数と、
１．９〜２．１ｋｇ／リットルの単位容積質量と、
１．５〜３．２％の吸水率と、
１０〜２０％の０〜１２０μｍ径の気孔含有率とを有する土木材料。
製鋼工程で生成される製鋼スラグを用いた土木材料であって、
前記製鋼スラグから生成され、粒径４５０μｍ以下の割合が９５質量％以上を占める粉状スラグと、
前記製鋼スラグから生成され、粒径が０〜５ｍｍの範囲内にある砂状スラグと、
粒径が４０ｍｍ以下の塊状骨材と
を混合して生成され、
前記粉状スラグ、前記砂状スラグ及び前記塊状骨材がそれぞれ、８〜２１質量％、３０〜６０質量％及び２８〜５６質量％の配合割合で混合され、
透水係数が１．０×１０−５〜１．０×１０−３ｃｍ／ｓであり、
修正ＣＢＲ値が８０〜２００％であり、
水膨張比が０．３％以下である土木材料。
前記砂状スラグは、多孔質性の結晶スラグである請求項１または２に記載の土木材料。
前記塊状骨材は、粉状の前記製鋼スラグを造粒した造粒スラグから形成されたものである請求項１〜３のいずれか一項に記載の土木材料。
請求項１〜４のいずれか一項に記載の土木材料の製造方法において、
前記製鋼スラグに対して冷却、破砕、分級及び脱水処理を順次行って前記粉状スラグを生成する粉状スラグ生成ステップと、
前記製鋼スラグに対して徐冷、破砕及び分級を順次行って前記砂状スラグを生成する砂状スラグ生成ステップと、
前記粉状スラグ、前記砂状スラグ及び前記塊状骨材を前記配合割合で混合する混合ステップと
を含む方法。
前記混合ステップの前に、粉状の前記製鋼スラグを造粒して粒度調整し前記塊状骨材を生成するステップを含む請求項５に記載の方法。