JP7652144B2

JP7652144B2 - 水和固化体の製造方法

Info

Publication number: JP7652144B2
Application number: JP2022114598A
Authority: JP
Inventors: 久宏松永; 陽太郎井上; 風彦永田
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2022-07-19
Filing date: 2022-07-19
Publication date: 2025-03-27
Anticipated expiration: 2042-07-19
Also published as: JP2024012841A

Description

本発明は、水和固化体の製造方法に関する。

従来、コンクリートやモルタルなどの水和固化体が知られている。
水和固化体は、一般的には、天然砕石や山砂などの粒度の異なる骨材（細骨材および粗骨材）と、セメントなどの水和反応によって硬化する結合材と、水とを含有する組成物を混練し、硬化させて得られる。
このような水和固化体として、製鋼スラグを含有する骨材を用いた水和固化体（以下、「製鋼スラグ水和固化体」ともいう）が知られており（特許文献１）、港湾土木材料、路盤材などに使用されている。

特開２００６－２６４０４５号公報

製鋼スラグを使用した水和固化体は、同じ圧縮強度のコンクリートと比較すると、静弾性係数が小さい場合がある。この場合、水和固化体は、乾燥収縮やクリープ変形が大きくなり、耐久性に劣る。

そこで、本発明は、耐久性に優れる水和固化体を得ることを目的とする。

本発明者らは、下記構成を採用することにより、上記目的が達成されることを見出し、本発明を完成させた。

すなわち、本発明は、以下の［１］～［５］を提供する。
［１］製鋼スラグを含む骨材と、高炉スラグ微粉末を含む結合材と、水とを含有する組成物を混練し、硬化させることにより、水和固化体を得て、上記製鋼スラグは、細骨材である製鋼スラグ細骨材を含み、上記製鋼スラグ細骨材は、ＪＩＳＫ００５８－１：２００５「スラグ類の化学物質試験方法－第１部：溶出量試験方法」に記載された「利用有姿による試験」を実施することにより得られる検液中のカルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ以上であり、上記製鋼スラグ細骨材の配合量が、８００ｋｇ／ｍ^３以上である、水和固化体の製造方法。
［２］上記製鋼スラグ細骨材の上記高炉スラグ微粉末に対する質量比が、２．０以上である、上記［１］に記載の水和固化体の製造方法。
［３］上記結合材が、更に、セメントを含む、上記［１］または［２］に記載の水和固化体の製造方法。
［４］得られた上記水和固化体を、２０００ｋｇ／個以下に破砕にする、上記［１］～［３］のいずれかに記載の水和固化体の製造方法。
［５］得られた上記水和固化体を、粒径５３ｍｍ以下に破砕する、上記［１］～［４］のいずれかに記載の水和固化体の製造方法。

本発明によれば、耐久性に優れる水和固化体が得られる。
耐久性に優れる水和固化体は、例えば、天然石またはコンクリートの代替物として、捨石や路盤材などに使用できる。

［本発明者らが得た知見］
骨材として製鋼スラグを用いた水和固化体の組織は、高炉スラグ微粉末などの結合材および水から構成されるペースト相と、製鋼スラグから構成される骨材相とに大きく区分される。

水和固化体の圧縮強度は、水結合材比（水と結合材との質量比）によって制御でき、一般的に、１８～５０Ｎ／ｍｍ^２の範囲であり、普通コンクリートの強度とほぼ同等である。圧縮強度が大きくなるとともに、静弾性係数も大きくなる。
普通コンクリートの静弾性係数は、圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ^２のとき約２３ｋＮ／ｍｍ^２、圧縮強度が３５Ｎ／ｍｍ^２のとき約３０ｋＮ／ｍｍ^２、圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ^２のとき約３３ｋＮ／ｍｍ^２である。
一方、水和固化体の静弾性係数は、圧縮強度が２０Ｎ／ｍｍ^２のとき１６～２２ｋＮ／ｍｍ^２、圧縮強度が３５Ｎ／ｍｍ^２のとき２４～３０ｋＮ／ｍｍ^２、圧縮強度が５０Ｎ／ｍｍ^２のとき約２８～３３ｋＮ／ｍｍ^２である。
すなわち、水和固化体の静弾性係数は、同じ圧縮強度の普通コンクリートよりも小さいか、同等である。

本発明者らは、材齢２８日の圧縮強度が約３５Ｎ／ｍｍ^２である水和固化体（水和固化体Ａおよび水和固化体Ｂ）および普通コンクリートについて、乾燥収縮およびクリープ変形を調査した。
静弾性係数は、水和固化体Ａが２４ｋＮ／ｍｍ^２であったのに対して、水和固化体Ｂおよび普通コンクリートが３０ｋＮ／ｍｍ^２であった。
調査の結果、静弾性係数が小さい水和固化体Ａは、静弾性係数が大きい水和固化体Ｂおよび普通コンクリートよりも、乾燥収縮およびクリープ変形が大きかった。
したがって、水和固化体の静弾性係数を大きくすることができれば、普通コンクリートと同等の耐久性が得られる。

従来、水和固化体の静弾性係数の支配因子は不明瞭であり、それを制御できなかった。
そこで、本発明者らは、使用する成分や配合条件が水和固化体の静弾性係数に及ぼす影響について検討した。
その結果、本発明者らは、細骨材相当の製鋼スラグ（概略的には、粒径が５ｍｍ以下の製鋼スラグ）のカルシウムイオン溶出量および配合量が、静弾性係数に影響することを見出した。

その理由は、明らかではないが、次のように考えられる。
すなわち、細骨材相当の製鋼スラグからカルシウムイオンが、ペースト相（高炉スラグ微粉末および水）に溶け出すことにより、ペースト相とカルシウムイオンとが水和反応する。その結果、骨材相（製鋼スラグ）とペースト相との界面に、強固な遷移帯が形成され、骨材相とペースト相とが強固に接着する。これにより、水和固化体の静弾性係数が向上する。

このとき、製鋼スラグの粒径が大きすぎる場合（つまり、製鋼スラグが細骨材ではない場合）、骨材相とペースト相との接触面積が小さいので、カルシウムイオンが多く溶出しても、効果が限定的となる。
また、細骨材相当の製鋼スラグの配合量が少なすぎる場合、骨材相とペースト相との全接触面積が小さくなり、やはり、効果が限定的となる。

本発明は、以上の知見に基づいてなされたものである。
以下、本発明の一実施形態について、詳細に説明する。

［水和固化体の製造方法］
本実施形態の水和固化体の製造方法（以下、「本製造方法」ともいう）は、概略的には、製鋼スラグを含む骨材と、高炉スラグ微粉末を含む結合材と、水とを含有する組成物を混練し、硬化させることにより、水和固化体を得る方法である。
以下、本製造方法を詳細に説明する。

〈骨材〉
まず、本製造方法において使用する骨材について説明する。

《製鋼スラグ》
骨材は、製鋼スラグを含む。
製鋼スラグとしては、例えば、転炉、電気炉、混銑車などで発生するスラグ（例えば、転炉脱炭スラグ）；溶銑予備処理スラグ；ステンレス精錬の際に発生する、Ｔ．Ｃｒ含有量が０．５質量％以上であるスラグ；等が挙げられる。エージング処理された製鋼スラグも使用でき、例えば、水浸膨張比が０．５％以下のものが好適に挙げられる。コスト高にはなるが、製鋼スラグの一部として、風砕処理された製鋼スラグを使用してもよい。

（製鋼スラグ細骨材）
製鋼スラグの少なくとも一部は、細骨材である。
細骨材は、ＪＩＳＡ０２０３：２０１４「コンクリート用語」に記載されるとおり、１０ｍｍ網ふるいを全部通り、５ｍｍ網ふるいを質量で８５％以上通る骨材である。
以下、細骨材である製鋼スラグを、「製鋼スラグ細骨材」と呼ぶ場合ある。

((カルシウムイオン濃度))
まず、以下では、「ＪＩＳＫ００５８－１：２００５「スラグ類の化学物質試験方法－第１部：溶出量試験方法」に記載された「利用有姿による試験」を実施することにより得られる検液中のカルシウムイオン濃度」を、単に、「カルシウムイオン濃度」と呼ぶ場合がある。

本製造方法において使用する製鋼スラグ細骨材は、カルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ以上である。このような製鋼スラグ細骨材は、カルシウムイオン溶出量が多い。このため、上述したように、得られる水和固化体は、静弾性係数の圧縮強度に対する比（静弾性係数／圧縮強度）が向上し、耐久性に優れる。

なお、細骨材である製鋼スラグは、２種以上を併用してもよい。
この場合、例えば、カルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ以上のものと、カルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ未満のものとを混合し、その混合物のカルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ以上であれば、その混合物は、本製造方法において使用する製鋼スラグ細骨材に該当するものとする。

得られる水和固化体の耐久性がより優れるという理由から、製鋼スラグ細骨材のカルシウムイオン濃度は、５０ｍｇ／Ｌ以上が好ましく、７０ｍｇ／Ｌ以上がより好ましく、９０ｍｇ／Ｌ以上が更に好ましく、１１０ｍｇ／Ｌ以上が特に好ましく、１３０ｍｇ／Ｌ以上が最も好ましい。

一方、得られる水和固化体からアルカリ成分が溶出することを低減する観点から、製鋼スラグ細骨材のカルシウムイオン濃度は、９００ｍｇ／Ｌ以下が好ましく、７００ｍｇ／Ｌ以下がより好ましく、５００ｍｇ／Ｌ以下が更に好ましい。

((配合量))
製鋼スラグ細骨材の配合量は、８００ｋｇ／ｍ^３以上である。これにより、上述したように、得られる水和固化体は、静弾性係数の圧縮強度に対する比（静弾性係数／圧縮強度）が向上し、耐久性に優れる。
得られる水和固化体の耐久性がより優れるという理由から、製鋼スラグ細骨材の配合量は、２０００ｋｇ／ｍ^３以下が好ましく、１５００ｋｇ／ｍ^３以下がより好ましく、１０００ｋｇ／ｍ^３以下が更に好ましい。

骨材相（製鋼スラグ）とペースト相との界面に強固な遷移帯を形成する観点から、製鋼スラグ細骨材の配合量は、９００ｋｇ／ｍ^３以上が好ましく、１０００ｋｇ／ｍ^３以上がより好ましく、１１００ｋｇ／ｍ^３以上が更に好ましく、１２００ｋｇ／ｍ^３以上が特に好ましい。

（製鋼スラグ粗骨材）
本製造方法においては、製鋼スラグとして、細骨材（製鋼スラグ細骨材）だけでなく、粗骨材を使用してもよい。
粗骨材は、ＪＩＳＡ０２０３：２０１４「コンクリート用語」に記載されるとおり、５ｍｍ網ふるいに質量で８５％以上とどまる骨材である。
以下、粗骨材である製鋼スラグを、「製鋼スラグ粗骨材」と呼ぶ場合ある。
製鋼スラグ粗骨材の配合量は、５０ｋｇ／ｍ^３以上が好ましく、１５０ｋｇ／ｍ^３以上がより好ましく、３００ｋｇ／ｍ^３以上が更に好ましく、７００ｋｇ／ｍ^３以上が特に好ましい。
一方、製鋼スラグ粗骨材の配合量は、１４００ｋｇ／ｍ^３以下が好ましく、１２００ｋｇ／ｍ^３以下がより好ましい。

（表乾密度）
本製造方法において、使用する製鋼スラグの表乾密度は、２．８ｇ／ｃｍ^３以上が好ましく、３．０ｇ／ｃｍ^３以上がより好ましい。
一方、製鋼スラグの表乾密度は、４．０ｇ／ｃｍ^３以下が好ましく、３．８ｇ／ｃｍ^３以下がより好ましい。
製鋼スラグの表乾密度は、ＪＩＳＡ１１０９：２０２０「細骨材の密度及び吸水率試験方法」およびＪＩＳＡ１１１０：２０２０「粗骨材の密度及び吸水率試験方法」に記載された方法に準拠して求める。

《その他の骨材》
本製造方法においては、その他の骨材を使用してもよく、例えば、天然砕石、山砂、高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグ、コンクリート用再生骨材などが挙げられる。
もっとも、製鋼スラグを有効利用する観点から、骨材中、製鋼スラグが占める体積割合（容積比率）は、５０体積％以上が好ましく、７５体積％以上がより好ましく、１００体積％が更に好ましい。

〈結合材〉
結合材は、水和反応によって硬化する成分である。
結合材の配合量は、合計で、２５０ｋｇ／ｍ^３以上が好ましく、３００ｋｇ／ｍ^３以上がより好ましく、３５０ｋｇ／ｍ^３以上が更に好ましい。
一方、結合材の配合量は、合計で、８００ｋｇ／ｍ^３以下が好ましく、７００ｋｇ／ｍ^３以下が好ましく、６００ｋｇ／ｍ^３以下が好ましい。

《高炉スラグ微粉末》
結合材は、少なくとも、高炉スラグ微粉末を含む。
高炉スラグ微粉末としては、例えば、ＪＩＳＡ６２０６：２０１３で規定されるコンクリート用高炉スラグ微粉末が挙げられる。

《セメント》
結合材は、更に、セメントを含むことが好ましい。
セメントとしては、例えば、普通ポルトランドセメント、エコセメント、早強セメント、アルミナセメントなどの各種セメントが挙げられる。
これらの各種セメントは、強アルカリ性であることから、高炉スラグ微粉末をアルカリ刺激し、高炉スラグ微粉末の水和反応速度を速くできる。
セメントの配合量は、高炉スラグ微粉末を十分にアルカリ刺激する観点から、高炉スラグ微粉末に対する内割で、５質量％以上が好ましく、７質量％以上がより好ましく１０質量％以上が更に好ましい。
一方、セメントの配合量は、多すぎるとアルカリ刺激の効果が飽和して不経済となるから、高炉スラグ微粉末に対する内割で、４５質量％以下が好ましく、３０質量％以下がより好ましく、２０質量％以下が更に好ましい。

《その他の結合材》
本製造方法においては、その他の結合材を使用してもよく、例えば、シリカフューム、フライアッシュ等が挙げられる。
シリカフュームとしては、例えば、ＪＩＳＡ６２０７：２０１１で規定されるコンクリート用シリカフュームが挙げられる。
フライアッシュとしては、例えば、石炭火力発電で生じるフライアッシュが挙げられ、ＪＩＳＡ６２０１：２０１５で規定されるコンクリート用フライアッシュ、または、フライアッシュ原粉が好ましい。

〈質量比（製鋼スラグ細骨材／高炉スラグ微粉末）〉
次に、製鋼スラグ細骨材の高炉スラグ微粉末に対する質量比（製鋼スラグ細骨材／高炉スラグ微粉末）について説明する。
質量比（製鋼スラグ細骨材／高炉スラグ微粉末）は、１．５以上が好ましく、１．８以上がより好ましく、２．０以上が更に好ましい。
これにより、強固な遷移体が形成されやすくなり、静弾性係数の向上効果が良好となり、得られる水和固化体の耐久性がより優れる。

上限については、特に限定されない。
もっとも、製鋼スラグ細骨材に対して、高炉スラグ微粉末が極端に少ないと、水和固化体の強度が発現しにくくなる。このため、質量比（製鋼スラグ細骨材／高炉スラグ微粉末）は、５．０以下が好ましく、３．５以下がより好ましく、２．５以下が更に好ましい。

〈水〉
本製造方法において使用する水は、特に限定されない。
ただし、上述した成分を含有する組成物の練り混ぜ性が良好な範囲で、水の配合量は、できる限り少ないことが好ましい。このため、水の配合量は、２４０ｋｇ／ｍ^３以下が好ましく、２１０ｋｇ／ｍ^３以下がより好ましく、１９０ｋｇ／ｍ^３以下が更に好ましい。

〈その他の成分〉
本製造方法においては、更に、その他の成分を使用してもよい。
例えば、まだ硬化していない水和固化体のワーカビリティーを確保するため、コンクリートに通常用いられている減水剤などの混和剤を使用してもよい。
混和剤を使用する場合、その配合量は、１０ｋｇ／ｍ^３以下が好ましく、７ｋｇ／ｍ^３以下がより好ましい。

〈混練および硬化〉
本製造方法においては、上述した成分を含有する組成物を混練し、得られた混練物を硬化させて、水和固化体を得る。
なお、上述した各成分の配合量は、この組成物中の含有量である。
水和固化体を得るに際しての混練、打設、成形、養生などは、通常のコンクリートやモルタルの場合と同様でよい。硬化に関しても特に限定されない。

〈破砕〉
混練物の硬化後、得られた水和固化体を破砕してもよい。
例えば、水和固化体を、２０００ｋｇ／個以下に破砕する。これにより、破砕後の水和固化体を、港湾工事で使用される捨石や被覆石の代替物として使用できる。また、２０００ｋｇ／個以下に破砕することにより、運搬しやすくなる。
また、水和固化体を、５３ｍｍ以下に破砕してもよい。これにより、破砕後の水和固化体を、道路用路盤材として使用できる。５３ｍｍ以下に破砕することにより、路盤材として使用する際の締固め性が良好になる。

以下に、実施例を挙げて本発明を具体的に説明する。ただし、本発明は、以下に説明する実施例に限定されない。

〈製鋼スラグＡ～Ｄ〉
以下に説明する発明例１～１２および比較例１～４に用いた製鋼スラグＡ～Ｄについて、カルシウムイオン濃度を、下記表１に示す。

上記表１に示すように、製鋼スラグＡ～Ｃはカルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ以上であり、製鋼スラグＤはカルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ未満であった。
なお、製鋼スラグＡ～Ｄとしては、溶銑予備処理スラグおよび転炉脱炭スラグの少なくともいずれかを使用した。

〈発明例１～１２および比較例１～４〉
製鋼スラグ細骨材および製鋼スラグ粗骨材として、製鋼スラグＡ～Ｄのいずれかを用いて、水和固化体を作製した。
より詳細には、下記表２に示す成分（骨材、結合材、水および減水剤）を、下記表２に示す配合量で配合した組成物を、ミキサーを用いて練り混ぜて、混練物を得た。
得られた混練物を、直径１００ｍｍ×高さ２００ｍｍの円柱状の型枠に打ち込み、２４時間経過後に型枠を取り外し、その後、２０℃の水中で養生した。こうして、混練物を硬化させて、水和固化体を得た。

製鋼スラグ粗骨材としては、粒径が２５ｍｍ以下であるものを使用した。
高炉スラグ微粉末としては、ＪＩＳＡ６２０６：２０１３で規定されるコンクリート用高炉スラグ微粉末（高炉スラグ微粉末４０００）を使用した。
普通ポルトランドセメントとしては、ＪＩＳＲ５２１０：２００９で規定される普通ポルトランドセメントを使用した。

〈評価〉
材齢２８日（養生日数が２８日）の水和固化体について、ＪＩＳＡ１１４９：２０１７「コンクリートの静弾性係数試験方法」に記載された方法に従って、圧縮強度（単位：Ｎ／ｍｍ^２）および静弾性係数（単位：ｋＮ／ｍｍ^２）を測定した。
更に、静弾性係数の圧縮強度に対する比（静弾性係数／圧縮強度）を求めた。比（静弾性係数／圧縮強度）の値が大きいほど、その水和固化体は、耐久性に優れると評価した。
結果を下記表２に示す。

〈評価結果まとめ〉
製鋼スラグ細骨材として製鋼スラグＤを使用した比較例１～２の水和固化体は、比（静弾性係数／圧縮強度）が６９５以下であった。
また、製鋼スラグ細骨材として製鋼スラグＡ～Ｃを使用したが、製鋼スラグ細骨材の配合量が８００ｋｇ／ｍ^３未満であった比較例３～４の水和固化体は、比（静弾性係数／圧縮強度）が６９７以下であった。
これに対して、製鋼スラグ細骨材として製鋼スラグＡ～Ｃを使用し、かつ、製鋼スラグ細骨材の配合量が８００ｋｇ／ｍ^３以上であった発明例１～１２の水和固化体は、比（静弾性係数／圧縮強度）が７７１以上であり、比較例１～４よりも耐久性が良好であった。

発明例１～１２を対比すると、質量比（製鋼スラグ細骨材／高炉スラグ微粉末）が１．８である発明例１１の水和固化体よりも、質量比（製鋼スラグ細骨材／高炉スラグ微粉末）が２．０以上である他の発明例の水和固化体方が、比（静弾性係数／圧縮強度）が大きく、より耐久性が良好でであった。

〈大量製造〉
次に、発明例１および４の配合で、水和固化体を、大量に製造した。

《発明例１の配合》
材齢２日の水和固化体を、重機を使用して、１０００～２０００ｋｇ／個または５０～３００ｋｇ／個に破砕し、その後、更に養生した。材齢２８日の水和固化体を、被覆石および捨石として使用したところ、天然石と同等の耐久性および施工性が認められた。

《発明例４の配合》
材齢２日の水和固化体を、重機を使用して、１００ｋｇ／個以下に破砕し、その後、更に養生した。材齢２８日の水和固化体を、ジョークラッシャーを用いて、５３ｍｍ以下に破砕し、ＪＩＳＡ５０１５：２０１８「道路用鉄鋼スラグ」に規定されるＣＳ－４０の粒度範囲に調整した。この破砕物を、道路用路盤材として使用したところ、ＣＳ－４０または天然石を使用した路盤材と同等の耐久性および施工性が認められた。

Claims

製鋼スラグを含む骨材と、高炉スラグ微粉末を含む結合材と、水とを含有する組成物を混練し、硬化させることにより、水和固化体を得て、
前記製鋼スラグは、細骨材である製鋼スラグ細骨材を含み、
前記製鋼スラグ細骨材は、ＪＩＳＫ００５８－１：２００５「スラグ類の化学物質試験方法－第１部：溶出量試験方法」に記載された「利用有姿による試験」を実施することにより得られる検液中のカルシウムイオン濃度が３０ｍｇ／Ｌ以上であり、
前記製鋼スラグ細骨材の配合量が、８００ｋｇ／ｍ^３以上１５００ｋｇ／ｍ ^３以下であり、
前記製鋼スラグ細骨材の前記高炉スラグ微粉末に対する質量比が、２．０以上５．０以下である、水和固化体の製造方法。
前記結合材が、更に、セメントを含む、請求項１に記載の水和固化体の製造方法。
得られた前記水和固化体を、２０００ｋｇ／個以下に破砕にする、請求項１または２に記載の水和固化体の製造方法。
得られた前記水和固化体を、粒径５３ｍｍ以下に破砕する、請求項１または２に記載の水和固化体の製造方法。