JP7750397B2 - 固化体、路盤材および固化体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、固化体、路盤材および固化体の製造方法に関する。

カーボンニュートラルに向けて様々な脱炭素技術が検討されている。中でも、ＣＯ_２利用による炭酸塩・コンクリート関連技術は他のＣＯ_２利用技術と比較して実用化しやすく、ＣＯ_２固定のポテンシャルは高い。特許文献１には、製鋼スラグとＣＯ_２とを原料として製造される鉄鋼スラグ炭酸固化体の製造方法が開示されている。

特許第５２６３１９０号公報

特許文献１では、気密な容器内を脱気し、その後、炭酸ガスを供給して予成形体の未炭酸化Ｃａ含有原料に炭酸化反応を生じさせる炭酸化工程を長期間実施しており、負荷が非常に大きいという課題があった。さらに、固化体内部まで全て炭酸化させることは困難であるという課題もあった。本発明は、このような課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行わなくてもＣＯ_２を固定できる固化体、当該固化体を含む路盤材および固化体の製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するための手段は、以下の通りである。
［１］ 結合材と、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種と、水と、を含み、前記炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種の含有量が１質量％以上９０質量％以下である、固化体。
［２］ 前記炭酸化製鋼スラグは、粒径が１ｍｍ以下である炭酸化製鋼スラグ微粉末であり、前記炭酸化製鋼スラグ微粉末に含まれる炭酸化物の含有量は１質量％以上である、［１］に記載の固化体。
［３］ 前記木質材料は、木粉、木片、木毛、木質繊維、パルプ、半炭化物、炭化物、セルロースナノファイバー、カーボンナノファイバー、炭素繊維のうちの少なくとも１種である、［１］または［２］に記載の固化体。
［４］ 前記木質材料は、半炭化物および炭化物のうちの少なくとも１種を含み、
前記木質材料に含まれる前記半炭化物および炭化物のうちの少なくとも１種の含有量は１質量％以上である、［１］または［２］に記載の固化体。
［５］ 前記結合材は、高炉スラグ微粉末、製鋼スラグ微粉末、ガラス質アルミノケイ酸塩、消石灰、セメントおよび廃コンクリートのうちの少なくとも１種である、［１］から［４］のいずれかに記載の固化体。
［６］ 前記製鋼スラグ微粉末は、転炉スラグ、二次精錬スラグ、溶銑予備処理スラグおよび電気炉スラグのうちの少なくとも１種である、［５］に記載の固化体。
［７］ 前記ガラス質アルミノケイ酸塩が、フライアッシュ、火山灰およびシリカフュームのうちの少なくとも１種である、［５］に記載の固化体。
［８］ 前記水は、真水、塩水、海水、温泉水および水酸化ナトリウム水溶液のうちの少なくとも１種である、［１］から［７］のいずれかに記載の固化体。
［９］ ［１］に記載の固化体の含有量が１質量％以上である、路盤材。
［１０］ 固化体の製造方法であって、結合材と、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種と、水とを混練して混合物とする混練ステップと、前記混合物を成形して固化させる固化ステップと、を有し、前記混練ステップでは、前記炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種の含有量が１質量％以上９０質量％以下となるように混合して混練する、固化体の製造方法。
［１１］ 前記混練ステップでは、水と結合材との質量比が０．１以上０．７以下になるように混合して混練する、［１０］に記載の固化体の製造方法。

本発明によれば、結合材と炭素固定能力のある原料とを水和物により固化させて固化体を製造するので、本発明に係る固化体は、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行うことなくＣＯ_２を固定できる固化体となる。このような固化体を用いることで、多量のＣＯ_２が固定された固化体を容易に製造できるようになるので、カーボンニュートラルの実現に貢献できる。

［実施形態１］
以下、本発明を本発明の実施形態を通じて説明する。本実施形態に係る固化体は、結合材の一部をＣＯ_２含有物質に置換して、これを水と混合して固化体を得る。これにより、ＣＯ_２が固定された固化体となる。実施形態１として、結合材と、炭酸化製鋼スラグと、水と、を含む固化体について説明する。

実施形態１に係る固化体の製造方法について説明する。まず、固化体の原料となる結合材と、炭酸化製鋼スラグと、水とを混練して混合物とする。この工程が混練ステップとなる。次いで、結合材と、炭酸化製鋼スラグと、水を混練した混合物を所定形状に成形し、気中、湿潤雰囲気または水中で１日以上養生し、水和反応により固化させる。この工程が固化ステップとなる。このように原料を水和反応により固化させることで、ＣＯ_２が固定された固化体が製造できる。製造された固化体は、例えば、海の護岸材や根固め材、漁礁、壁材、サンドコンパクションパイル材、カルシア改質材、路盤材、骨材として用いられる。

結合材は、水和反応により粒子同士を結合し、固化させる機能を有する材料である。結合材は、例えば、高炉スラグ微粉末、製鋼スラグ微粉末、ガラス質アルミノケイ酸塩、消石灰、セメントおよび廃コンクリートのうちの少なくとも１種である。高炉スラグ微粉末および製鋼スラグ微粉末の粒径は１ｍｍ以下であればよい。粒径１ｍｍ以下とは、目開き１ｍｍの篩で篩下に篩分けられる粒径である。

固化体における結合材の含有量が１０質量％以上９９質量％以下になるように結合材が混合される。結合材として使用される製鋼スラグ微粉末は、例えば、転炉スラグ、二次精錬スラグ、溶銑予備処理スラグおよび電気炉スラグのうちの少なくとも１種である。結合材として使用されるガラス質アルミノケイ酸塩は、例えば、フライアッシュ、火山灰およびシリカフュームのうちの少なくとも１種である。下記表１にこれらの成分組成の一例を示す。

水は、例えば、真水、塩水、海水、温泉水および水酸化ナトリウム水溶液のうちの少なくとも１種である。水分を含有していればよいが、塩化物イオンを含む塩水や海水、または、硫酸イオン、チオ硫酸イオン、塩化物イオンを含む温泉水、または、高ｐＨのナトリウムイオンを含む水酸化ナトリウム水溶液を用いることで、混練によって得られる混合物の強度向上が促進され、固化体の強度が向上する。炭酸イオンを含む温泉水を用いることで、固化体のＣＯ_２固定量が多くなる。下記表２にこれら水に含まれる成分の一例を示す。

混練時の水と結合材との質量比（水質量／結合材質量）を示す水結合材比は０．１以上０．７以下であることが好ましい。混練時の水結合材比が０．１未満であると、混練ステップで得られる混合物の流動性が低下するので好ましくない。一方、混練時の水結合材比が０．７より大きいと、固化ステップにおいて、固化体の強度向上に要する時間が長くなったり、固化体の強度が低下するので好ましくない。

固化体における炭酸化製鋼スラグの含有量が１質量％以上９０質量％以下になるように炭酸化製鋼スラグが混合される。炭酸化製鋼スラグの含有量が１質量％未満になると、固化体のＣＯ_２固定量が少なくなるので好ましくない。一方、炭酸化製鋼スラグの含有量が９０質量％より多くなると、結合材の量が減少し、固化体の強度が低下するので好ましくない。炭酸化製鋼スラグは、製鋼スラグに蒸気を添加した上で、ＣＯ_２含有ガスを導入して炭酸化処理を１日行うことで製造できる。製鋼スラグに蒸気を添加することに代えて、水中に製鋼スラグを保持し、当該水中にＣＯ_２含有ガスを導入して炭酸化処理を１日行うことで炭酸化製鋼スラグを製造してもよい。導入するＣＯ_２含有ガスのＣＯ_２濃度は１０体積％以上であればよい。ＣＯ_２含有ガスは、製鉄所内の製造プロセス設備から排出されるＣＯ_２濃度が１０体積％以上の排ガスを用いてよい。

炭酸化製鋼スラグに用いる製鋼スラグは粒径１ｍｍ以下の製鋼スラグ微粉末を用いることが好ましい。粒径１ｍｍ以下とは、目開き１ｍｍの篩で篩下に篩分けられる粒径である。粒径１ｍｍ以下の製鋼スラグ微粉末を用いることで、炭酸化処理時の反応界面積増加による反応促進効果が得られ、炭酸化製鋼スラグのＣＯ_２固定量が増加する。粒径１ｍｍ以下の炭酸化製鋼スラグ微粉末を用いることで、固化ステップにおいて、比表面積が大きくなってアルカリ供給が促進され、固化体の強度が向上する。

炭酸化処理された炭酸化製鋼スラグには炭酸化物が含まれる。炭酸化物は、例えば炭酸カルシウム、炭酸カルシウム水和物、炭酸マグネシウム、炭酸マグネシウム水和物のいずれかであってよい。炭酸化製鋼スラグに含まれる炭酸化物の含有量が１質量％以上になるように、製鋼スラグの炭酸化処理を行うことが好ましい。炭酸化物にはＣＯ_２が含まれるので、炭酸化物が多く含まれることは、その分のＣＯ_２が固化体に固定されていることになる。したがって、炭酸化物の含有量が１質量％以上の炭酸化製鋼スラグを固化体の原料に用いることで、固化体のＣＯ_２固定量が増加する。炭酸化製鋼スラグに含まれる炭酸化物の含有量が多くなるほど、固化体に固定されるＣＯ_２が増えることから、炭酸化物の含有量の上限は定めなくてよい。

このように、固化体の結合材の一部を炭酸化製鋼スラグに置き換えることで、ＣＯ_２が固定された固化体を製造できる。実施形態１に係る固化体は、結合材と炭酸化製鋼スラグとを水和物で固化させて製造できるので、当該固化体は、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行わなくても製造できる固化体になる。さらに、ＣＯ_２固定材料である炭酸カルシウムやバイオ炭では、Ｃａ以外の成分や灰成分の残材が生じるのに対し、炭酸化製鋼スラグを用いて製造される固化体では、このような残材の発生も抑制できる。

［実施形態２］
次に、実施形態２として、結合材と、木質材料と、水とを含む固化体について説明する。結合材および水については、実施形態１と同じなので、その説明を省略する。

実施形態２に係る固化体の製造方法について説明する。まず、固化体の原料となる結合材と、４．７５ｍｍ以下に破砕された木質材料と、水とを混練して混合物とする。この工程が混練ステップとなる。４．７５ｍｍ以下の木質材料とは、破砕した木質材料のうち目開き４．７５ｍｍの篩で篩下に篩分けられる木質材料である。次いで、結合材と、木質材料と、水を混練した混合物を所定形状に成形し、気中、湿潤雰囲気または水中で１日以上養生し、水和反応により固化させる。この工程が固化ステップとなる。このように原料を水和反応により固化させることで、ＣＯ_２が固定された固化体が製造できる。

固化体における木質材料の含有量が１質量％以上９０質量％以下になるように木質材料が混合される。木質材料は、例えば、木粉、木片、木毛、木質繊維、パルプ、半炭化物、炭化物、セルロースナノファイバー、カーボンナノファイバー、炭素繊維のうちの１種である。固化体の原料として木質材料を用いることで、固化体にＣＯ_２を固定できる。原料の木質材料の比率を変えることで、製造される固化体の比重を調整できる。高比重の固化体は、海中に設置される人工石として用いられる。高比重の固化体を人工石として用いることで、波浪安定性に優れる人工石となる。低比重の固化体は、護岸材や外壁材、浮漁礁として用いられる。低比重の固化体を用いることで施工が容易になるので、護岸工事や外壁工事の工期短縮が実現できる。

木質材料は吸水性が高い。このため、固化体の原料として木質材料を用いることで、固化ステップにおける水和反応の発熱が抑制され、製造される固化体のひび割れの発生を抑制できる。さらに、固化体の原料に木質材料を用いることで、固化体の乾燥収縮も抑制されるので、断熱性、遮音性、耐火性に優れ、且つ、調湿効果を有し、生物親和性に優れる固化体が製造できる。

木質材料は、半炭化物および炭化物のうちの少なくとも１種を含有することが好ましい。半炭化物や炭化物は吸着材として機能するので、低コストの木質材料に含まれ、固化体の凝固遅延を引き起こす灰汁を吸着する。このため、半炭化物や炭化物を含む木質材料を用いることで、低コストの木質材料を用いて固化体を製造できるようになる。半炭化物は、木質材料を無酸素または低酸素還元雰囲気で、２００℃以上３００℃未満で加熱することで製造できる。炭化物は、木質材料を無酸素または低酸素還元雰囲気で、３００℃以上１０００℃以下で加熱することで製造できる。

木質材料に含まれる半炭化物および炭化物のうちの少なくとも１種の含有量は１質量％以上であることが好ましい。半炭化物および炭化物のうちの少なくとも１種の含有量が１質量％未満であると、凝固遅延抑制効果が得られず、低コストの木質材料を用いることができなくなる。一方、半炭化物および炭化物の含有量が多くなるほど凝固遅延抑制効果が大きくなる。このため、半炭化物および炭化物の含有量の含有量の上限は定めなくてもよい。

このように、炭酸化製鋼スラグに代えて木質材料を用いてもＣＯ_２が固定された固化体を製造できる。実施形態２に係る固化体も、結合材と木質材料とを水和物で固化させて製造できるので、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行わなくても製造できる固化体になる。

［実施形態３］
実施形態３として、結合材と、合成樹脂と、水とを含む固化体について説明する。結合材および水については、実施形態１と同じなので、その説明を省略する。

固化体の原料となる結合材と、４．７５ｍｍ以下に破砕された合成樹脂と、水とを混練して混合物とする。この工程が混練ステップとなる。４．７５ｍｍ以下の合成樹脂とは、破砕した合成樹脂のうち目開き４．７５ｍｍの篩で篩下に篩分けられる合成樹脂である。次いで、結合材と、合成樹脂と、水を混練した混合物を所定形状に成形し、気中、湿潤雰囲気または水中で１日以上養生し、水和反応により固化させる。この工程が固化ステップとなる。このように原料を水和反応により固化させることで、実施形態３に係る固化体が製造できる。

固化体における合成樹脂の含有量が１質量％以上９０質量％以下になるように合成樹脂が混合される。合成樹脂は、例えば、固形状の合成高分子化合物である合成ゴムくず、廃タイヤ、発砲スチロールくず、ポリ塩化ビニルくず、ポリエチレンくず、ポリスチレンくず、合成繊維くずのうちの１種である。合成樹脂として発砲スチロールくず、ポリ塩化ビニルくず、ポリエチレンくず、ポリスチレンくず、合成繊維くずといった廃プラスチックを用いることが好ましい。固化体の原料として合成樹脂を用いることで、固化体の断熱性が向上する。さらに、軽量化された固化体や、弾性を有する固化体が製造できるようになる。

このように、炭酸化製鋼スラグに代えて合成樹脂を用いてもＣＯ_２が固定された固化体を製造できる。実施形態３に係る固化体も、結合材と合成樹脂とを水和物で固化させて製造できるので、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行わなくても製造できる固化体になる。

［実施形態４］
実施形態４として、結合材と、天然繊維と、水とを含む固化体について説明する。結合材および水については、実施形態１と同じなので、その説明を省略する。

固化体の原料となる結合材と、４．７５ｍｍ以下に切断された天然繊維と、水とを混練して混合物とする。この工程が混練ステップとなる。次いで、結合材と、天然繊維と、水を混練した混合物を所定形状に成形し、気中、湿潤雰囲気または水中で１日以上養生し、水和反応により固化させる。この工程が固化ステップとなる。このように原料を水和反応により固化させることで、実施形態４に係る固化体が製造できる。

固化体における天然繊維の含有量が１質量％以上９０質量％以下になるように天然繊維が混合される。天然繊維は、例えば、木綿、麻、リネン、籾殻、パームヤシ殻、バナナの皮といった植物繊維、または羊毛、カシミヤ、絹といった動物繊維のうちの１種である。固化体の原料として天然繊維を用いることで、固化体の強度が向上する。さらに、軽量化された固化体や、弾性を有する固化体が製造できるようになる。

このように、炭酸化製鋼スラグに代えて天然繊維を用いてもＣＯ_２が固定された固化体を製造できる。実施形態４に係る固化体も、結合材と天然繊維とを水和物で固化させて製造できるので、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行わなくても製造できる固化体になる。

実施形態１～４では、結合材と、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂または天然繊維と、水とを含む固化体の例を用いて説明したが、これに限らない。炭酸化製鋼スラグとともに木質材料を用いて固化体を製造してもよく、炭酸化製鋼スラグとともに合成樹脂を用いて固化体を製造してもよく、炭酸化製鋼スラグとともに天然繊維を用いて固化体を製造してもよい。さらに、木質材料とともに合成樹脂を用いて固化体を製造してもよく、木質材料とともに天然繊維を用いて固化体を製造してもよく、合成樹脂とともに天然繊維を用いて固化体を製造してもよい。すなわち、本実施形態に係る固化体は、結合材と、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種と、水とを含み、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種の含有量が１質量％以上９０質量％以下である固化体である。

さらに、結合材と、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂または天然繊維と、水と、細骨材とを含む固化体であってもよく、結合材と、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂または天然繊維と、水と、細骨材と、粗骨材とを含む固化体であってもよい。このような固化体であっても、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行わなくても製造できるＣＯ_２が固定された固化体となる。

本実施形態で得られた固化体の含有量が１質量％以上である路盤材は、路盤材にＣＯ_２が固定される。路盤材には、本実施形態で得られた固化体に加えて、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種を混合してもよい。固化体を路盤材に含有させるにあたり、路盤材全体としてＪＩＳ Ａ ５０１５：２０１８「道路用鉄鋼スラグ」に規定されているＣＳ－４０を満足するように当該固化体を粉砕する。

次に、結合材、炭酸化製鋼スラグ（炭酸化物である炭酸カルシウムを含む）、木質材料、合成樹脂、天然繊維、水の混合比率を調整し、固化体を製造した実施例を説明する。炭酸化製鋼スラグとして粒径１ｍｍ以下の炭酸化製鋼スラグ微粉末を用いた。木質材料および合成樹脂は破砕機を用いて４．７５ｍｍ以下に破砕したものを用いており、天然繊維は、カッターミルを用いて４．７５ｍｍ以下に切断したものを用いた。これら原料の混合割合、水結合比、固化の有無およびＣＯ_２固定量を下記表３に示す。各発明例１～１７および比較例１～４で用いた結合材、炭酸化製鋼スラグ微粉末、木質材料、合成樹脂、天然繊維の材料を下記表４に示す。

表３に示した各固化体の原料を温度２０±３℃、相対湿度６０％以上に保たれた試験室で、２０Ｌの容量のモルタルミキサーに１５Ｌの原料を投入した。まず、３０秒間空練りした後に水を投入し、１００ｒｐｍで９０秒間混練を行った。その後、円柱状容器（φ１００ｍｍ×２００ｍｍ）に原料を充填し、材齢７日まで封緘養生して固化体を製造した。

木質材料に含まれる半炭化物は、過熱蒸気を用いて平均粒径１ｍｍの木粉を２５０℃で１０分間処理することで製造した。木質材料に含まれる炭化物は、過熱蒸気を用いて平均粒径３００μｍの木粉を３００℃で２０分間処理することで製造した。木粉の平均粒径は下記（１）式で定義される体積平均径である。

上記（１）式において、ｘ_ｉは粒径区間の代表粒径（ｍｍ）であり、ｎ_ｉは粒子個数である。

製造された固化体の圧縮強度が１ＭＰａ以上であれば固化を「〇」と判定し、固化体の圧縮強度が１ＭＰａ未満である場合に固化を「×」と判定した。固化体の圧縮強度の測定は、ＪＩＳ Ａ １１０８：２０１８「コンクリートの圧縮強度試験方法」に準拠して行った。

表３に示すように、発明例１～１７では、混練した混合原料が水和固化し、ＣＯ_２が固定された固化体を製造できた。この結果から、本実施形態に係る固化体は、気密な容器内で脱気工程や炭酸化工程を行わなくてもＣＯ_２が固定された固化体が製造できることが確認された。一方、比較例１、２では水和固化して固化体が製造されたものの固化体の原料に炭酸化製鋼スラグ微粉末、木質材料および合成樹脂が含まれないので、固化体のＣＯ_２固定量が０となり、ＣＯ_２が固定された固化体が製造できなかった。比較例３、４では、原料に結合材が含まれないために、原料が水和固化せず、固化体が製造できなかった。

Claims (7)

1. 結合材と、
   炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種と、
   水と、を含み、
   前記結合材は製鋼スラグ微粉末であり、
   前記製鋼スラグ微粉末は、転炉スラグ、二次精錬スラグ、溶銑予備処理スラグおよび電気炉スラグのうちの少なくとも１種であり、
   前記木質材料は、木粉、木片、木毛、木質繊維、パルプ、半炭化木炭、木炭のうちの少なくとも１種であり、
   前記合成樹脂は、合成ゴムくず、廃タイヤ、発泡スチロールくず、ポリ塩化ビニルくず、ポリエチレンくず、ポリスチレンくずのうちの少なくとも１種であり、
   前記炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種の含有量が１質量％以上９０質量％以下である、固化体。
2. 前記炭酸化製鋼スラグを含み、
   前記炭酸化製鋼スラグは、粒径が１ｍｍ以下である炭酸化製鋼スラグ微粉末であり、
   前記炭酸化製鋼スラグ微粉末に含まれる炭酸化物の含有量は１質量％以上である、請求項１に記載の固化体。
3. 前記木質材料を含み、
   前記木質材料は、半炭化木炭および木炭のうちの少なくとも１種を含み、
   前記木質材料に含まれる前記半炭化木炭および木炭のうちの少なくとも１種の含有量は１質量％以上である、請求項１に記載の固化体。
4. 請求項１に記載の固化体の含有量が１質量％以上である、路盤材。
5. 固化体の製造方法であって、
   結合材と、炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種と、水とを混練して混合物とする混練ステップと、
   前記混合物を成形して固化させる固化ステップと、を有し、
   前記結合材は製鋼スラグ微粉末であり、
   前記製鋼スラグ微粉末は、転炉スラグ、二次精錬スラグ、溶銑予備処理スラグおよび電気炉スラグのうちの少なくとも１種であり、
   前記木質材料は、木粉、木片、木毛、木質繊維、パルプ、半炭化木炭、木炭のうちの少なくとも１種であり、
   前記合成樹脂は、合成ゴムくず、廃タイヤ、発泡スチロールくず、ポリ塩化ビニルくず、ポリエチレンくず、ポリスチレンくずのうちの少なくとも１種であり、
   前記混練ステップでは、前記炭酸化製鋼スラグ、木質材料、合成樹脂および天然繊維のうちの少なくとも１種の含有量が１質量％以上９０質量％以下となるように混合して混練する、固化体の製造方法。
6. 前記混練ステップでは、水と結合材との質量比が０．１以上０．７以下になるように混合して混練する、請求項５に記載の固化体の製造方法。
7. 前記水は、真水、塩水、海水、温泉水および水酸化ナトリウム水溶液のうちの少なくとも１種である、請求項５又は請求項６に記載の固化体の製造方法。