(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水砕スラグ等の非晶質な溶融スラグを、硬さ−熱処理温度関係曲線を用いて、未処理スラグの硬さより少なくとも１０％以上の硬さ増加を示す熱処理温度から最大硬さを示す熱処理温度の範囲である、スラグの最適熱処理温度範囲を決定し、該温度範囲で熱処理・結晶化し、その後解砕し、磨り減り粉砕して実績率、硬さおよび密度の高い結晶化スラグを得て、該結晶化スラグを細骨材として用いることを特徴とするコンクリート製品の製造方法。
【請求項２】
前記の温度範囲が、未処理スラグの硬さより少なくとも２０％以上の硬さ増加を示す熱処理温度から最大硬さを示す熱処理温度の範囲である請求項１のコンクリート製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業の属する技術分野】
本発明は、水砕スラグ等の非晶質な溶融スラグを熱処理して得た結晶化スラグを細骨材とするコンクリート製品に関する。
【０００２】
【従来の技術】
都市ゴミ等の一般廃棄物、下水汚泥焼却灰ならびに産業廃棄物等を無害化かつ減容化した中間処理として溶融スラグ化が注目されているが、今後スラグの発生量の増加が予測されるためその有効利用を構築する必要がある。そのアウトプット先のひとつとして溶融スラグをコンクリート製品等へ利用する試みがなされている。例えば、溶融後の固化操作が比較的容易な水砕スラグは、水で急冷解砕された粒子径約１０ｍｍ以下の細粒スラグであるため、コンクリート用細骨材としての利用が検討されており、資源の枯渇化や環境問題から採取が規制されている海砂、川砂、砕砂等の代替人工骨材として期待されている。
しかしながら、水砕スラグをはじめとする溶融スラグは、非晶質であり粒内に多くの気孔や亀裂を有するため粒子自体の強度不足が指摘されており、さらには、粒子形状が海砂等と比較して鋭利な形状のため実績率が低く、必ずしもコンクリート用細骨材として満足のいくものではない。
【０００３】
これらを改善するため、溶融スラグを熱処理（再加熱）することにより結晶化して強度を高める装置を開発したり（特開平１１−２４６２４４、特開平１１−５７６５３、特開平９−２６３４３０）、回転ドラム等に非晶質な溶融スラグを入れ、スラグ同士を磨り減りさせることによりスラグ粒子の角をとり、実績率を高めたコンクリート製品及びその製造方法が提唱されている（特開平６−２７９０８４）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
熱処理することにより溶融スラグは非晶質から結晶質に変化し、スラグ粒子自身の強度が高くなる場合がある。従来の技術では熱処理温度はスラグのガラス転移温度から融点の間に設定するのが良いとされているが、その範囲は漠然としており、熱処理温度とスラグ強度との関係を明らかにした報告はなく、最適処理温度は使用するスラグによっても異なる。したがって、適切な熱処理温度の選定ならびにその的確な選定方法の確立が重要であるが、現在のところ有効な評価手段は明確にされていない。この点については別件特許出願において、スラグ粒子の硬さ−熱処理温度曲線を用いた最適熱処理温度範囲を選定する手法を発明した。
【０００５】
一方、回転ドラム等を用いて、鋭利な非晶質スラグを摩砕して角を丸め、スラグの充填率である実績率を高め、コンクリート製品の強度を向上させることができる。しかしながら、前述のようにスラグ内には多数の気孔と亀裂が存在する場合があり、溶融スラグを既存の細骨材（海砂、川砂、砕砂等）と同等あるいはそれ以上の機能を付与するには、磨り減りによる実績率向上のみでは不十分である場合がある。
【０００６】
そこで、本発明は、水砕スラグ等の非晶質な溶融スラグから硬さ、密度、実績率等を向上させた細骨材用の結晶化スラグを開発するとともに、その結晶化スラグを既存の細骨材の代替として５０〜１００％用いた圧縮強度等の機械的特性が従来のコンクリート製品と比較して同等あるいはそれ以上のコンクリート製品およびその製造方法を確立することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、水砕スラグ等の非晶質な溶融スラグを硬さ−熱処理温度関係曲線を用いて決定したスラグの最適熱処理温度範囲で熱処理・結晶化し、その後解砕し、磨り減り粉砕して得られた実績率、硬さおよび密度の高い結晶化スラグを細骨材としたコンクリート製品を要旨としている。
【０００８】
前記の最適熱処理温度範囲が、未処理スラグの硬さより少なくとも１０％以上、好ましくは２０％以上の硬さ増加を示す熱処理温度から最大硬さ付近を示す熱処理温度の範囲であり、その場合、本発明は、水砕スラグ等の非晶質な溶融スラグを硬さ−熱処理温度関係曲線を用いて決定した、未処理スラグの硬さ、好ましくはビッカース硬さ、より少なくとも１０％以上、好ましくは２０％以上の硬さ増加を示す熱処理温度から最大硬さ付近を示す熱処理温度の範囲であるスラグの最適熱処理温度範囲で熱処理・結晶化し、その後解砕し、磨り減り粉砕して得られた実績率、硬さおよび密度の高い結晶化スラグを細骨材としたコンクリート製品を要旨としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明は、非晶質な溶融スラグを、硬さ−熱処理温度関係曲線から評価される最適な熱処理温度により結晶化して、スラグ自身の硬さおよび密度を高め、かつ磨り減り操作による実績率を向上させたコンクリート細骨材用の結晶化スラグを開発するとともに、その結晶化スラグを既存の細骨材の代替として５０〜１００％用いた圧縮強度等の機械的特性が従来のコンクリート製品と比較して同等あるいはそれ以上のコンクリート製品を提供する。
なお、溶融スラグの硬さの測定方法については、ビッカース硬さ、マイクロビッカース硬さ、ヌープ硬さ等があるが、溶融スラグの硬さ測定が可能な方法であれば、いずれの方法で硬さ測定を行ってもよい。
スラグの熱処理温度−硬さの結果から決定される焼成温度での熱処理と磨り減り操作を組み合わせることにより、硬さ、密度、実績率等を向上させた細骨材用スラグを用いてコンクリート製品を開発した事例はこれまでに見当たらない。
【００１０】
本発明の実績率、硬さおよび密度の高い結晶化スラグの製造方法およびそのスラグを用いたコンクリート製品の製造方法について図１にその製造フローを示す。
非晶質な溶融スラグをロールクラッシャー等の粉砕機で粒度調整した後、ロータリーキルン、ローラーハースキルン、トンネルキルン、コンベアキルン、単窯等の焼成炉を用い、スラグの硬さ−熱処理温度関係曲線に基づいて、未処理スラグの硬さより少なくとも１０％以上、望ましくは２０％以上の硬さ増加を示す熱処理温度から最大硬さ（付近）を示す熱処理温度の範囲で焼成してスラグを結晶化させる。
【００１１】
次に、ロールクラッシャー等の粉砕機で再度粒度調整した後、粉砕媒体を除いたボールミル、チューブミル、コニカルミル等のバッチ式あるいは連続式の転動ミルを用いて乾式あるいは湿式でスラグを磨り減り処理する。粉砕媒体については最終的なスラグの粒度調整のため適量加えても良い。また、粉砕による粒度調整処理と磨り減り処理を同時に行える処理設備を使用してもよい。
【００１２】
なお、磨り減り操作において発生する１５０μｍ以下の微粉末は別途回収してＦ．Ｍ．値（粗粒率）等の粒度調整およびコンクリート成形におけるブリーディング防止剤として適量添加調整することに使用できる。
【００１３】
この処理したスラグを海砂等の既存細骨材の代替として５０〜１００％用い、粗骨材、セメント、水、減水剤を所定の配合量混合して振動成形等により圧縮強度等の機械的特性の優れたコンクリート製品を製造する。
【００１４】
【実施例】
本願発明の詳細を実施例で説明する。本願発明はこれら実施例によって何ら限定されるものではない。
【００１５】
実施例
本発明に使用したスラグは非晶質な都市ゴミ溶融スラグ（水砕スラグ）であり、表１に示す化学組成を有する。主成分がＳｉＯ２  ４０ｍａｓｓ％、Ａｌ２Ｏ３  １８ｍａｓｓ％、ＣａＯ  ３４ｍａｓｓ％であり一般的な溶融スラグの組成を示しており、Ｘ線回折分析の結果から結晶相は確認されなかった。このスラグをロール間隙３ｍｍに調整したロールクラシャーで粉砕して粒度調整した後、バッチ式ガス窯を使用して、図２の硬さ−熱処理温度曲線から決定した焼成温度、すなわち７６０〜８６０℃で熱処理してスラグを結晶化させた。冷却後、ロールクラッシャー（ロール間隙３ｍｍ）でスラグを解砕し、粉砕媒体を除いた転動ミルを用いて乾式で１〜５ｈスラグを磨り減り処理した。
【００１６】
【表１】
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【００１７】
本実施例において調製、使用した細骨材は、海砂、未処理スラグ（試料１）、磨り減り処理のみを施したスラグ（試料２）、７７０℃１ｈで熱処理のみしたスラグ（試料３）、７７０℃１ｈで熱処理後磨り減り処理したスラグ（試料４）、８１０℃１ｈで熱処理のみしたスラグ（試料５）、８１０℃１ｈで熱処理後磨り減り処理したスラグ（試料６）である。スラグおよび海砂の密度、硬さ、実績率等の物性を表２に示す。ビッカース硬さは海砂には劣るものの、８１０℃熱処理スラグは８３８と高い値を示しており、非晶質な未処理スラグの６９１と比較して大きく改善されている。比重は７７０℃熱処理スラグが最も高い値を示しているが、８１０℃熱処理スラグも海砂および未処理スラグと比較して高い。また、実績率は磨り減り操作を施すことにより向上している。なお、本実施例において調製、使用した細骨材はいずれもアルカリシリカ反応試験（ＪＩＳＡ５３０８附属書７）において無害であった。ビッカース硬さはビッカース硬度計ＭＶＫ−Ｇ２  株式会社アカシ製を用いて測定した。
【００１８】
【表２】
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未処理スラグ（試料１）、磨り減り処理のみを施したスラグ（試料２）、
７７０℃１ｈで熱処理のみしたスラグ（試料３）、
７７０℃１ｈで熱処理後磨り減り処理したスラグ（試料４）、
８１０℃１ｈで熱処理のみしたスラグ（試料５）、
８１０℃１ｈで熱処理後磨り減り処理したスラグ（試料６）
【００１９】
コンクリートの試作に使用した細骨材以外の原料は、セメントが普通ポルトランドセメント、粗骨材は砕石、混和剤はポリカルボン酸系の減水剤とした。成形は、温度２０±２℃、湿度８０％ＲＨの恒温恒湿室中で実施した。成形条件は水セメント比  ４９ｍａｓｓ％、細骨材率  ４６ｍａｓｓ％、混和剤（減水剤）約０．１ｍａｓｓ％とし、直径１０ｃｍの型枠を用い、ＪＩＳ  Ａ１１３２（コンクリートの強度試験用共試体の作り方）に従って行った。
なお、コンクリートの打込みは突き棒を用いて行い、供試体の上面仕上げはアンボンドキャッピングとした。成形した供試体は２０±２℃で２８日間水中養生し、強度試験はＪＩＳ  Ａ１１０８（コンクリートの圧縮強度試験方法）に基づいて行った。
【００２０】
圧縮試験結果を図３（材齢２８日）に示す。スラグを１００％海砂の代替として使用した場合、基準の海砂コンクリートの圧縮強度５１．２Ｎ／ｍｍ２と比較していずれのスラグを使用したコンクリートも強度は低下しているが、試験体番号１の未処理スラグコンクリート（４０．１Ｎ／ｍｍ２）に比べて、例えば試験体番号６の８１０℃熱処理と磨り減り操作を組み合わせたコンクリートの圧縮強度は４７．７Ｎ／ｍｍ２と約２０％の強度向上が認められる。熱処理操作のみあるいは磨り減り操作のみでは顕著な強度上昇は認められず、熱処理と磨り減り操作とを組み合わせることにより、より高い強度の改善が認められた。また、スラグを７０および５０％海砂の代替として使用した場合は、試験体番号６のコンクリートはそれぞれ５２．２Ｎ／ｍｍ２と５３．４Ｎ／ｍｍ２であり、いずれも海砂１００％のコンクリートと比較して高い圧縮強度を示した。したがって、本発明のスラグ処理方法により細骨材として付加価値の高いスラグとなり、既存の細骨材である海砂の代替として十分使用でき、かつ既存コンクリートより高強度なコンクリート製品と成り得る。
【００２１】
【発明の効果】
水砕スラグ等の非晶質な溶融スラグからコンクリート細骨材用原料を提供することができる。
水砕スラグ等の非晶質な溶融スラグから硬さ、密度、実績率等を向上させた細骨材用の結晶化スラグを既存の細骨材の代替として５０〜１００％用いた圧縮強度等の機械的特性が従来のコンクリート製品と比較して同等あるいはそれ以上のコンクリート製品を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】結晶化スラグを細骨材としたコンクリート製品の製造フローを示す図面である。
【図２】溶融スラグのビッカース硬さと熱処理温度の関係を示す図面である。
【図３】各試験体の圧縮強さ（２８日材齢）を示す図面である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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