JP6583022B2

JP6583022B2 - スラグ系土木材料の褐色化方法および簡易舗装路の施工方法

Info

Publication number: JP6583022B2
Application number: JP2016017023A
Authority: JP
Inventors: 良治原; 敏行金子
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2016-02-01
Filing date: 2016-02-01
Publication date: 2019-10-02
Anticipated expiration: 2036-02-01
Also published as: JP2017137624A

Description

本発明は、スラグ系土木材料の褐色化方法および簡易舗装路の施工方法に関する。

鉱石より鉄鋼を製造する鉄鋼製錬プロセスにおいて、高炉プロセスでは高炉スラグが、製鋼プロセスでは製鋼スラグが副生物として生成する。これら高炉スラグ、製鋼スラグは、水と反応して固まり、時間とともに強度が向上する水硬性を有している。そのため、これらスラグは、セメントの原料、土木用の砂材、道路の路盤材、セメントの代わりの水硬性物質、コンクリート用の細骨材、粗骨材、簡易舗装材料等の土木材料として用いられている。これらスラグを土木材料として使用できることは、資源の再利用の観点から非常に有用なものとなっている。

ところが、土で覆われた茶褐色の場所や、森の木のような茶色が目立つ自然の多い場所にこれらスラグを用いたスラグ系土木材料を施工すると、スラグの色が白や灰色であるため、施工場所の褐色と、スラグ系土木材料の色が調和せず、土木材料を施工した箇所が白や灰色として視覚的に浮いてしまう。そのため、施工場所によっては自然に調和した、真砂土色のような褐色の色彩としたスラグ系土木材料が求められている。

スラグに着色する方法としては、以下のような従来技術が開示されている。

特許文献１には、高炉水砕スラグとセメントを混合したものに顔料を添加する透水性舗装平板の製造方法が開示されている。

特許文献２には、高炉や平炉で生成されるスラグを粒状とし、これに無機質顔料を吹き付け吸着させた後、１０００〜１２５０℃で焼成、粗粒状の着色焼成骨材とし、バインダーと混練して舗装材として成形することが記載されている。

特許文献１、２の顔料を添加する方法では、いずれにしても、人や自転車又は、車両の通行による摩擦により、着色顔料がはがれるか、磨滅し、脱色してしまう。

さらに、特許文献２の技術では、焼成することが必要であるため費用がかかる。また焼成してしまうためにスラグの特徴である水硬性を失い、舗装材等に適用する際のような強度が必要な場合、使用することができない。

特開２００２−２４２１０８号公報特開平２−１３３３５０号公報

そこで本発明は、自然に調和した褐色の色彩をスラグ系土木材料に付与することを課題とする。また、土木材料とした際の強度を向上させること、および、褐色の色彩を付与したスラグ系土木材料を簡易舗装に適用した際の簡易舗装方法を提供することを合わせて課題とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下のとおりである。

（１）製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上を含有して合計１００質量％となるスラグ系土木材料に、水溶液全体に対する質量％で、５〜４０質量％の濃度のポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を、スラグ系土木材料表面に、２〜６Ｌ／ｍ^２散布することを特徴とするスラグ系土木材料の褐色化方法。
（２）前記スラグ系土木材料がさらに、高炉スラグ微粉末とセメントの１種以上を合計１０質量％以下含有して、製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上と合わせて合計１００質量％とすることを特徴とする（１）に記載のスラグ系土木材料の褐色化方法。
（３）前記スラグ系土木材料が、法面形成材料、簡易舗装材料のいずれか１つであることを特徴とする（１）又は（２）に記載のスラグ系土木材料の褐色化方法。
（４）製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上を含有して合計１００質量％となる簡易舗装材料を敷き均して散水した後、水溶液全体に対する質量％で、５〜４０質量％の濃度のポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を２〜６Ｌ／ｍ^２散布し、転圧することを特徴とする簡易舗装路の施工方法。
（５）前記簡易舗装材料がさらに、高炉スラグ微粉末とセメントの１種以上を合計１０質量％以下含有して、製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上と合わせて合計１００質量％とすることを特徴とする（４）に記載の簡易舗装路の施工方法。

本発明により、自然と調和した褐色を呈した色彩のスラグ系土木材料が得られる。また、スラグ系土木材料の強度を向上させることができる。さらに、自然と調和した褐色の色彩を有し、強度を有する簡易舗装路を施工することができる。

ポリ硫酸第二鉄濃度を７質量％として添加したスラグ系土木材料の表面ＳＥＭ写真と元素分析結果を示す図である。ポリ硫酸第二鉄濃度を３０質量％として添加したスラグ系土木材料の表面ＳＥＭ写真と元素分析結果を示す図である。ポリ硫酸第二鉄濃度を４０質量％として添加したスラグ系土木材料の表面ＳＥＭ写真と元素分析結果を示す図である。ポリ硫酸第二鉄濃度と一軸圧縮強度（Ｎ/ｍｍ^２）の関係を示す図である。

本発明に係るスラグ系土木材料は、製鋼スラグ７０質量％以上と、高炉水砕スラグ１５質量％以上を含有するものをベースとするものである。本発明者は、このベースとなるスラグ系土木材料に、所定濃度のポリ硫酸第二鉄（［Ｆｅ_２（ＯＨ）_ｎ（ＳＯ_４）_{３−ｎ／２}］_ｍ）水溶液を、所定の量、混合することにより、白から灰色のスラグ材料の色が、褐色に変化することを見出した。

本発明のスラグ系土木材料に、ポリ硫酸第二鉄を添加、混合すると、反応してゲータイト［別名：ゲーサイト、化学式：（ＦｅＯ(ＯＨ)）］が生成する。このゲータイトは、いわゆる褐鉄鉱の成分でもある水酸化鉄であり、ゲータイト自体の色が、褐色の色彩である。このため、スラグ成分からゲータイトが生成すると、スラグ系土木材料が褐色に変化するのである。本発明における、「褐色」とは、ゲータイト由来の色であり、生成したゲータイトの量によっては、暗赤色や赤褐色、茶褐、黄褐色、黄土色等の色彩を呈するものである。本発明の「褐色」とは、これら暗赤色や赤褐色、茶褐、黄褐色、黄土色、真砂土色であること等を含むものである。ちなみに真砂土は、花崗岩が風化してできた砂土である。

最初に本発明に使用されるスラグについて説明する。本発明は、製鋼スラグと高炉水砕スラグと水分が混合されることにより、スラグの水硬性により、スラグ系土木材料の強度が向上する。これは、製鋼スラグから溶け出すカルシウム分と、高炉水砕スラグから溶け出すシリカ、アルミナと、保有水分とによりポゾラン反応といわれるセメントが硬化する際の反応と類似の反応が促進されるためである。本発明において、スラグ系土木材料に含まれる製鋼スラグが７０質量％以上と規定したのは、製鋼スラグが７０質量％未満では、溶出するカルシウムが少なくなるため、ポゾラン反応が十分に起こらずスラグ系土木材料の強度が上昇しないため、７０質量％以上とする。なお、製鋼スラグの鉄以外の主な酸化物成分は、ＳｉＯ_２：１０〜２０質量％、Ａｌ_２Ｏ_３：２〜５質量％、ＣａＯ：４０〜５０質量％であり、これに、鉄酸化物として、ウスタイト（wustite）ＦｅＯ、ダイカルシウムフェライト（dicalcium ferrite）２ＣａＯ・Ｆｅ_２Ｏ_３が含まれるものである。

また、製鋼スラグには、ゲータイトの原料となる鉄分が１５〜２０質量％含まれるが、高炉スラグには、鉄分はほとんど含まれない。したがって、スラグ系土木材料に含まれる製鋼スラグの量が低い場合は、鉄分が少ないことから十分にゲータイトが生成せず、スラグ系土木材料の色を褐色とすることができない。

本発明において、スラグ系土木材料に含まれる高炉水砕スラグは、１５質量％以上と規定した。高炉水砕スラグが１５質量％未満では、高炉水砕スラグ（ＳｉＯ_２＝３０〜３５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３＝１０〜１５質量％、ＣａＯ＝３８〜４３質量％）から溶け出すシリカ、アリミナが少ないために、ポゾラン反応が十分に起こらずスラグ系土木材料として強度が必要な場合に、強度を得ることができない。高炉水砕スラグの大きさは、４．７５ｍｍ以下の砂状とされており、下限は特に定められていないが、通常、おおよそ、９５質量％以上は０．１ｍｍ以上の大きさである。

本発明において、上記のスラグ系土木材料に、水溶液全体に対する質量％で、５〜４０質量％の濃度のポリ硫酸第二鉄を含む水溶液（ポリ硫酸第二鉄水溶液）を、スラグ系土木材料表面に、２〜６Ｌ／ｍ^２添加すると規定した。ポリ硫酸第二鉄の濃度が５質量％未満であると、十分なゲータイトが生成せず、十分な褐色に着色できない。より好ましいポリ硫酸第二鉄水溶液の濃度の下限は７質量％以上である。添加量が２Ｌ／ｍ^２未満であるとスラグ系土木材料表面に均一に散布することができず色むらが発生する。また、ポリ硫酸第二鉄の濃度が５質量％以上、４０質量％未満の水溶液を、２〜６Ｌ／ｍ^２で散布することにより、土木材料の強度が向上する。これは、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の針状結晶が生成することにより、エトリンガイトの針状結晶が繊維強化の繊維材のような骨材の役割を果たすためと思われる。

一方、ポリ硫酸第二鉄水溶液の濃度が高すぎたり、添加量が多すぎたりすると板状の強度の弱い結晶（石膏；ＣａＳＯ_４）が生成するとともに、酸性であるポリ硫酸第二鉄によりスラグのアルカリ分が中和され、水硬性という特徴が消失してしまう。また、水溶液中のポリ硫酸第二鉄の濃度が４０質量％を超えるか、あるいは、添加量がスラグ系土木材料表面に対し、６Ｌ／ｍ^２を超えると、石膏が生成して強度が落ち始める。そのため、土木材料の強度を向上、ないしポリ硫酸第二鉄水溶液を添加しない場合と同等の強度とするには、水溶液中のポリ硫酸第二鉄の濃度は、４０質量％以下、ポリ硫酸第二鉄水溶液は６Ｌ／ｍ^２以下で散布することが、それぞれ好ましい。より好ましい水溶液のポリ硫酸第二鉄の濃度の上限は、４０質量％未満、さらに好ましい上限は、３０質量％以下である。

さらに強度を向上させるには、コンクリート、セメントに添加される、高炉スラグ微粉末（ＪＩＳＡ６２０６）とセメントのいずれか１つ又は２つを合計１０質量％以下含有させるとよい。入れ過ぎると色が着きにくくなる。高炉スラグ微粉末とは、ＪＩＳＡ６２０６に規定された粉末であり、比表面積２７５０〜１００００ｃｍ^２／ｇ程度、平均粒径６〜１０μｍ程度に高炉水砕スラグを粉砕したものである。

本発明のスラグ系土木材料は、周囲に褐色の自然が多い場所に使用されることが多い、法面形成材料、ブロック、歩道の舗装等に使用される簡易舗装材として好適である。また、褐色のスラグ系土木材料が好ましい際のあらゆる場所や用途に適用できる。ちなみに、法面とは、土木工事により人工的に形成される斜面である。

本発明のスラグ系土木材料を、実際に簡易舗装材料として施工する場合は、上記のスラグ系土木材料を敷き均した後に、５〜４０質量％の濃度のポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を２〜６Ｌ／ｍ^２散布する。濃度が５質量％未満、あるいは、散布量が２Ｌ／ｍ^２未満であると、十分なゲータイトが生成せず、十分な褐色に着色できない。また、ポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を５質量％以上、４０質量％未満で２〜６Ｌ／ｍ^２で散布することにより、簡易舗装体の強度が向上する。これは、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）の針状結晶が生成することにより、エトリンガイトの針状結晶が繊維強化の繊維材のような骨材の役割を果たすためと思われる。

一方、ポリ硫酸第二鉄を含む水溶液の濃度が高すぎたり、散布量が多すぎたりすると板状の強度の弱い結晶（石膏；ＣａＳＯ_４）が生成するとともに、酸性であるポリ硫酸第二鉄によりスラグのアルカリ分が中和され、水硬性という特徴が消失してしまう。ポリ硫酸第二鉄を含む水溶液の濃度が４０質量％を超えるか、あるいは、散布量が６Ｌ／ｍ^２を超えると、石膏が生成して強度が落ち始める。そのため、簡易舗装材の強度を向上ないしポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を添加しない場合と同等の強度とするには、ポリ硫酸第二鉄を含む水溶液の濃度は、４０質量％以下、ポリ硫酸第二鉄水溶液は６Ｌ／ｍ^２以下で散布することが、それぞれ好ましい。
図１〜３に、それぞれ、水溶液のポリ硫酸第二鉄濃度７質量％、３０質量％、４０質量％で簡易舗装材料に添加した際の、電子顕微鏡ＳＥＭ写真と、ＥＤＸによる元素分析の結果を示す。図１、２に示したように、ポリ硫酸第二鉄濃度が７質量％、３０質量％の場合は、ＳＥＭ写真において針状結晶が確認でき、Ｃａ、Ｓ、Ａｌ、Ｏが検出されることより、エトリンガイトが生成されていると見られる。一方、図３にみられるように、ポリ硫酸第二鉄濃度が４０質量％の場合は、ＳＥＭ写真において板状結晶が確認でき、ＣａとＳとＯに際立ったピークがあることより、強度の弱い石膏（ＣａＳＯ_４）が生成していると見られる。

また、簡易舗装材料を敷き均して散水した後、ポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を散布した後、転圧する。散水することで水硬性が発現して、舗装材が硬化し、転圧することで、さらに強度が向上する。

簡易舗装材料を施工する際の、その他の施工条件は、通常と同様の条件とすればよい。たとえば、製鋼スラグの粒径は、大きすぎると剥離しやすくなるため、２５ｍｍ未満、高炉水砕スラグの粒径は、製造上必然的にこのサイズになる５ｍｍ未満、敷き均し厚みは、１００〜１５０ｍｍ、散水量は、簡易舗装材料に対する質量比で、７〜１０％がそれぞれ好ましい。

表１に示す組成で各原料を混合して簡易舗装材料とし、厚さ１５０ｍｍに敷き均した後、ポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を表１に示す濃度と量で散布し、簡易舗装材料に対する質量比８％の水を散水した後、転圧して簡易舗装路を施工した。施工後２週間後の着色状況と強度試験結果を表１に示す。肉眼で目視し、着色が見られなかったものと色むらが発生したものは×、淡褐色に均一に着色したものは△、褐色〜濃褐色に均一に着色したものは○と評価した。また、強度試験は、簡易舗装路と同一条件で一軸圧縮試験用の供試体（直径１００ｍｍ、高さ２００ｍｍの円柱体）を作成して、２週間後に一軸圧縮試験を行い、強度１．２Ｎ／ｍｍ^２以上を高強度とした。

下線は本発明範囲外。

Ｎｏ１〜８は発明例であり、簡易舗装路に淡褐色〜濃褐色の均一な着色がみられ、強度も１．２Ｎ／ｍｍ^２以上が得られている。Ｎｏ９は、製鋼スラグが少なすぎる例であり、必要な強度が得られなかった。Ｎｏ．１０は高炉水砕スラグが少な過ぎる例であり、必要な強度が得られなかった。Ｎｏ．１１はポリ塩化第二鉄水溶液の散布量が少な過ぎる例であり、部分的に褐色の着色がみられたが色むらを生じていた。Ｎｏ．１２はポリ塩化第二鉄水溶液の散布量が多すぎる例であり、必要な強度が得られなかった。Ｎｏ．１３はポリ塩化第二鉄水溶液の濃度が低すぎる例であり、褐色の着色が見られなかった。Ｎｏ．１４はポリ塩化第二鉄の濃度が高すぎる例であり、必要な強度が得られなかった。

ポリ硫酸第二鉄濃度と一軸圧縮強度（Ｎ/ｍｍ^２）の関係（一軸圧縮強度は製造して２週間後の強度）について、さらに詳細に検討した。
製鋼スラグ８０質量％、高炉水砕スラグ２０質量％の簡易舗装材料に、濃度０〜５０質量％のポリ硫酸第二鉄水溶液を３Ｌ／ｍ^２散布し、質量比８％の水を添加して、直径１００ｍｍ、高さ２００ｍｍの円柱形に固めて、２週間後に、ＪＩＳＡ５０１５付属書Ｃ（道路用鉄鋼スラグの一軸圧縮試験方法）に基づいて一軸圧縮試験を実施した。結果を図４に示した。
ポリ硫酸第二鉄の濃度は７質量％から３０質量％で最も強度は強く、４０質量％になると若干低下し、未添加の場合と同等の強度となることが確認できた。

Claims

製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上を含有して合計１００質量％となるスラグ系土木材料に、水溶液全体に対する質量％で、５〜４０質量％の濃度のポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を、スラグ系土木材料表面に、２〜６Ｌ／ｍ^２散布することを特徴とするスラグ系土木材料の褐色化方法。
前記スラグ系土木材料がさらに、高炉スラグ微粉末とセメントの１種以上を合計１０質量％以下含有して、製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上と合わせて合計１００質量％とすることを特徴とする請求項１に記載のスラグ系土木材料の褐色化方法。
前記スラグ系土木材料が、法面形成材料、簡易舗装材料のいずれか１つであることを特徴とする請求項１又は２に記載のスラグ系土木材料の褐色化方法。
製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上を含有して合計１００質量％となる簡易舗装材料を敷き均して散水した後、水溶液全体に対する質量％で、５〜４０質量％の濃度のポリ硫酸第二鉄を含む水溶液を２〜６Ｌ／ｍ^２散布し、転圧することを特徴とする簡易舗装路の施工方法。
前記簡易舗装材料がさらに、高炉スラグ微粉末とセメントの１種以上を合計１０質量％以下含有して、製鋼スラグ７０質量％以上と高炉水砕スラグ１５質量％以上と合わせて合計１００質量％とすることを特徴とする請求項４に記載の簡易舗装路の施工方法。