(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
覆砂材または裏込材として使用される鉄鋼スラグの決定方法であって、
覆砂材または裏込材の配置箇所を決定する段階（ａ）と、
使用される鉄鋼スラグを仮決定する段階（ｂ）と、
仮決定された鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が前記配置箇所に配置された場合における深さ方向の固結状況を、前記配置箇所における鉄鋼スラグ深さ方向の間隙水中の水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方のイオン濃度分布の算出、イオン濃度の時間積分値、イオン濃度の時間積分値と固結強度との関係に基づいて予測する段階（ｃ）と、
予測された深さ方向の固結状況が所望する状況であるか否かを判断する段階（ｄ）と、
を含むことを特徴とする、鉄鋼スラグの決定方法。
【請求項２】
予測された固結状況が所望する状況でないと判断された場合に、既に判断された鉄鋼スラグと異なる鉄鋼スラグについて、段階（ｂ）、段階（ｃ）、および段階（ｄ）を、予測された固結状況が所望する状況であると判断されるまで繰り返すことを特徴とする、請求項１に記載の鉄鋼スラグの決定方法。
【請求項３】
前記段階（ｃ）は、下記式１に基づいて算出される水酸基イオン濃度の時間積分値、または下記式２に基づいて算出されるカルシウムイオン濃度の時間積分値の少なくとも一方に基づいて、固結状況を予測する段階であることを特徴とする、請求項１または２に記載の鉄鋼スラグの決定方法。
【数１】
0004776973.tif 000016
（式中、［ＯＨ−］は前記配置箇所の間隙水における水酸基イオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
【数２】
0004776973.tif 000017
（式中、［Ｃａ２＋］は前記配置箇所の間隙水におけるカルシウムイオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
【請求項４】
前記式１における水酸基イオンの濃度、および前記式２におけるカルシウムイオンの濃度は、下記式３で表される移流・拡散方程式に基づいて算出されることを特徴とする、請求項３に記載の鉄鋼スラグの決定方法。
【数３】
0004776973.tif 000018
（式中、Ｃは水酸基イオンまたはカルシウムイオンの濃度（ｍｏｌ／Ｌ）であり、ｔは時間（ｓ）であり、Ｄは拡散係数であり、ｈは覆砂材または裏込材の上部表面からの深さ（ｃｍ）であり、λは水酸基イオンまたはカルシウムイオンのスラグからの溶出のしやすさを示す反応速度係数（１／ｓ）であり、νは間隙水の速度（ｃｍ／ｓ）である）
【請求項５】
前記反応速度係数λは、基準溶液中における鉄鋼スラグからのイオン溶出性を示す、イオン溶出速度α（ｍｏｌ／Ｌ・ｓ）を測定することによって算出されることを特徴とする、請求項４に記載の鉄鋼スラグの決定方法。
【請求項６】
覆砂材または裏込材として使用される鉄鋼スラグの深さ方向の固化状況予測方法であって、
覆砂材または裏込材の配置箇所、使用される鉄鋼スラグ、および前記配置箇所における鉄鋼スラグ深さ方向の間隙水中の水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方のイオン濃度分布の算出、イオン濃度の時間積分値、イオン濃度の時間積分値と固結強度との関係に基づいて、前記鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が前記配置箇所に配置された場合における深さ方向の固結状況を予測することを特徴とする、鉄鋼スラグの固化状況予測方法。
【請求項７】
固結状況は、下記式１に基づいて算出される水酸基イオン濃度の時間積分値、または下記式２に基づいて算出されるカルシウムイオン濃度の時間積分値の少なくとも一方に基づいて予測されることを特徴とする、請求項６に記載の鉄鋼スラグの固化状況予測方法。
【数４】
0004776973.tif 000019
（式中、［ＯＨ−］は前記配置箇所の間隙水における水酸基イオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
【数５】
0004776973.tif 000020
（式中、［Ｃａ２＋］は前記配置箇所の間隙水におけるカルシウムイオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
【請求項８】
前記式１における水酸基イオンの濃度、および前記式２におけるカルシウムイオンの濃度は、下記式３で表される移流・拡散方程式に基づいて算出されることを特徴とする、請求項７に記載の鉄鋼スラグの固化状況予測方法。
【数６】
0004776973.tif 000021
（式中、Ｃは水酸基イオンまたはカルシウムイオンの濃度（ｍｏｌ／Ｌ）であり、ｔは時間（ｓ）であり、Ｄは拡散係数であり、ｈは覆砂材または裏込材の上部表面からの深さ（ｃｍ）であり、λは水酸基イオンまたはカルシウムイオンのスラグからの溶出のしやすさを示す反応速度係数（１／ｓ）であり、νは間隙水の速度（ｃｍ／ｓ）である）
【請求項９】
前記反応速度係数λは、基準溶液中における鉄鋼スラグからのイオン溶出性を示す、イオン溶出速度α（ｍｏｌ／Ｌ・ｓ）を測定することによって算出されることを特徴とする、請求項８に記載の鉄鋼スラグの固化状況予測方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、鉄鋼スラグを覆砂材または裏込材として用いる際に、使用すべき鉄鋼スラグを決定する方法に関する。より詳しくは、本発明は、鉄鋼スラグを覆砂材または裏込材として用いる際に、配置される鉄鋼スラグの固結強度が適切な値となるように、使用環境や使用目的に応じて、使用すべき鉄鋼スラグを決定する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
水域の底質や水質を改善するために、底泥に覆砂材を供給する技術が知られている。従来においては、天然石や山砂が用いられていたが、地球環境への意識が高まるにつれ、これらの代替材料として、鉄鋼製造プロセスで発生する鉄鋼スラグが注目されている。
【０００３】
鉄鋼スラグを覆砂材として用いた場合、スラグの特徴を活用して、様々な目的に対応することが可能である。例えば、海底汚染物質を確実に封じ込めたい場合には、スラグの潜在水硬性を利用して海底でスラグを固結させることによって、有害物質の溶出や拡散を抑制することが可能である。海底における水産資源を豊かにしたい場合には、スラグ中に含まれるミネラルを溶出させることによって、生物生産性を増大させることが可能である。
【０００４】
鉄鋼スラグの覆砂材としての使用については、これまでに種々の技術が提案されている。例えば、特許文献１には、粒径が１ｍｍ程度の転炉スラグを覆砂材として用いた場合、転炉スラグ中のＣａＯやＦｅ２Ｏ３成分により硫化水素や燐成分が除去されることが報告されている。特許文献２には、覆砂材として製鋼スラグおよび高炉水砕スラグの双方を利用する技術が提案されている。具体的には、底泥上に、製鋼スラグを含む覆砂材からなる下部層を形成し、下部層上に、高炉水砕スラグを含む覆砂材からなる上部層を形成する。
【０００５】
水域に供給された鉄鋼スラグは、目的に応じて固結状況が制御されることが好ましい。上述のように、海底汚染物質の封じ込めにスラグが用いられる場合には、海底に配置されたスラグが固結することが好ましい。一方、海底における水産資源を拡大したい場合には、海底に配置されたスラグは固結しないことが好ましい。しかしながら、これまでのところ、鉄鋼スラグの固結状態に影響を与える因子については充分な検討がされていない。特に、鉄鋼スラグが海域に配置される場合には、潮流の速さ、スラグ間に存在する間隙水の移動、覆砂材の配置厚さなどの様々な要素がスラグの固結に影響を与えるため、固結状態の予測が困難であった。
【０００６】
鉄鋼スラグの使用用途としては、岸壁の裏込材も考えられるが、覆砂材の場合と同様、鉄鋼スラグの固結制御については、充分な検討がされていない。
【特許文献１】特開平３−４９８８号公報
【特許文献２】特開２００１−２５６２９３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、鉄鋼スラグを覆砂材や裏込材として用いる場合、スラグの固結に関して予測することが困難であるため、場合によっては、不適切な鉄鋼スラグを使用してしまう可能性がある。例えば、海底汚染物質を封じ込めるために、鉄鋼スラグを覆砂材として供給した場合に、鉄鋼スラグが固結せずに、海底汚染物質が溶出および拡散してしまう虞がある。
【０００８】
そこで本発明の目的は、覆砂材または裏込材として鉄鋼スラグを用いる際に、使用環境や目的に応じて、使用すべき鉄鋼スラグを決定する手段を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、
（１）  覆砂材または裏込材として使用される鉄鋼スラグの決定方法であって、覆砂材または裏込材の配置箇所を決定する段階（ａ）と、使用される鉄鋼スラグを仮決定する段階（ｂ）と、仮決定された鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が前記配置箇所に配置された場合における深さ方向の固結状況を、前記配置箇所における鉄鋼スラグ深さ方向の間隙水中の水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方のイオン濃度分布の算出、イオン濃度の時間積分値、イオン濃度の時間積分値と固結強度との関係に基づいて予測する段階（ｃ）と、予測された深さ方向の固結状況が所望する状況であるか否かを判断する段階（ｄ）とを含むことを特徴とする、鉄鋼スラグの決定方法、
（２）  予測された固結状況が所望する状況でないと判断された場合に、既に判断された鉄鋼スラグと異なる鉄鋼スラグについて、段階（ｂ）、段階（ｃ）、および段階（ｄ）を、予測された固結状況が所望する状況であると判断されるまで繰り返すことを特徴とする、（１）に記載の鉄鋼スラグの決定方法、
（３）  前記段階（ｃ）は、下記式１に基づいて算出される水酸基イオン濃度の時間積分値、または下記式２に基づいて算出されるカルシウムイオン濃度の時間積分値の少なくとも一方に基づいて、固結状況を予測する段階であることを特徴とする、（１）または（２）に記載の鉄鋼スラグの決定方法、
【００１０】
【数１】
0004776973.tif 000002
【００１１】
（式中、［ＯＨ−］は前記配置箇所の間隙水における水酸基イオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
【００１２】
【数２】
0004776973.tif 000003
【００１３】
（式中、［Ｃａ２＋］は前記配置箇所の間隙水におけるカルシウムイオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
（４）  前記式１における水酸基イオンの濃度、および前記式２におけるカルシウムイオンの濃度は、下記式３で表される移流・拡散方程式に基づいて算出されることを特徴とする、（３）に記載の鉄鋼スラグの決定方法、
【００１４】
【数３】
0004776973.tif 000004
【００１５】
（式中、Ｃは水酸基イオンまたはカルシウムイオンの濃度（ｍｏｌ／Ｌ）であり、ｔは時間（ｓ）であり、Ｄは拡散係数であり、ｈは覆砂材または裏込材の上部表面からの深さ（ｃｍ）であり、λは水酸基イオンまたはカルシウムイオンのスラグからの溶出のしやすさを示す反応速度係数（１／ｓ）であり、νは間隙水の速度（ｃｍ／ｓ）である）、
（５）  前記反応速度係数λは、基準溶液中における鉄鋼スラグからのイオン溶出性を示す、イオン溶出速度α（ｍｏｌ／Ｌ・ｓ）を測定することによって算出されることを特徴とする、（４）に記載の鉄鋼スラグの決定方法、
（６）  覆砂材または裏込材として使用される鉄鋼スラグの深さ方向の固化状況予測方法であって、覆砂材または裏込材の配置箇所、使用される鉄鋼スラグ、および前記配置箇所における鉄鋼スラグ深さ方向の間隙水中の水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方のイオン濃度分布の算出、イオン濃度の時間積分値、イオン濃度の時間積分値と固結強度との関係に基づいて、前記鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が前記配置箇所に配置された場合における深さ方向の固結状況を予測することを特徴とする、鉄鋼スラグの固化状況予測方法、
（７）  固結状況は、下記式１に基づいて算出される水酸基イオン濃度の時間積分値、または下記式２に基づいて算出されるカルシウムイオン濃度の時間積分値の少なくとも一方に基づいて予測されることを特徴とする、請求項６に記載の鉄鋼スラグの固化状況予測方法。
【００１６】
【数４】
0004776973.tif 000005
【００１７】
（式中、［ＯＨ−］は前記配置箇所の間隙水における水酸基イオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
【００１８】
【数５】
0004776973.tif 000006
【００１９】
（式中、［Ｃａ２＋］は前記配置箇所の間隙水におけるカルシウムイオン濃度を表し、ｔは時間を表す）
（８）  前記式１における水酸基イオンの濃度、および前記式２におけるカルシウムイオンの濃度は、下記式３で表される移流・拡散方程式に基づいて算出されることを特徴とする、（７）に記載の鉄鋼スラグの固化状況予測方法、
【００２０】
【数６】
0004776973.tif 000007
【００２１】
（式中、Ｃは水酸基イオンまたはカルシウムイオンの濃度（ｍｏｌ／Ｌ）であり、ｔは時間（ｓ）であり、Ｄは拡散係数であり、ｈは覆砂材または裏込材の上部表面からの深さ（ｃｍ）であり、λは水酸基イオンまたはカルシウムイオンのスラグからの溶出のしやすさを示す反応速度係数（１／ｓ）であり、νは間隙水の速度（ｃｍ／ｓ）である）、
（９）  前記反応速度係数λは、基準溶液中における鉄鋼スラグからのイオン溶出性を示す、イオン溶出速度α（ｍｏｌ／Ｌ・ｓ）を測定することによって算出されることを特徴とする、（８）に記載の鉄鋼スラグの固化状況予測方法、
である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明を用いることにより、使用環境や目的に応じて、使用すべき鉄鋼スラグを決定することが可能である。適切な鉄鋼スラグを使用することにより、覆砂材や裏込材として、鉄鋼スラグをより有効に活用可能である。例えば、海底汚染物質の溶出や拡散を防止するために、覆砂材として海底に配置された鉄鋼スラグを固結させたい場合には、その使用環境で固結しやすい鉄鋼スラグを選択し、海底汚染物質の溶出や拡散を効果的に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の第１は、覆砂材または裏込材として使用される鉄鋼スラグの決定方法であって、覆砂材または裏込材の配置箇所を決定する段階（ａ）と、使用される鉄鋼スラグを仮決定する段階（ｂ）と、仮決定された鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が前記配置箇所に配置された場合における固結状況を、前記配置箇所における鉄鋼スラグ間隙水中の水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方に基づいて予測する段階（ｃ）と、予測された固結状況が所望する状況であるか否かを判断する段階（ｄ）とを含むことを特徴とする、鉄鋼スラグの決定方法である。
【００２４】
本発明は、将来の固結状況を予測する上で、水酸基イオン濃度やカルシウムイオン濃度といった化学的因子を用いることが、ポイントの１つである。まず、これについて説明する。
【００２５】
鉄鋼スラグの固結現象に影響を与える因子としては、粒度、締め固め密度などの物理的因子の存在が考えられる。しかしながら、これらの固結現象に与える作用については解明できても、固結現象全体の把握は困難である。そこで、本発明者らは、間隙水中のイオン濃度、ｐＨなどの化学的因子と固結との相関性を調査した。なお、本願において間隙水とは、覆砂材または裏込材として配置された鉄鋼スラグ粒子間に存在する水を意味する。鉄鋼スラグ中の間隙水におけるカルシウムイオン濃度は、実際のスラグ層から間隙水を採取し、実験室等で濃度の測定をすることによって測定される。より具体的には、例えば、ＪＩＳ  Ｋ０１０２に準拠してカルシウムイオン濃度を測定可能である。水酸基イオン濃度は、実際のスラグ層内にｐＨ計を設置することで測定可能である。
【００２６】
鉄鋼スラグからのイオンの溶出や、鉄鋼スラグ表面における固結物質の生成のメカニズムとしては、以下の機構が考えられる。まず、鉄鋼スラグから、Ｃａ２＋、ＳｉＯ４４−、Ａｌ（ＯＨ）４−、ＯＨ−などが溶出する。水酸基イオンが溶出することにより、鉄鋼スラグ周辺のｐＨが上昇する。
【００２７】
溶出した各種イオン濃度が上昇して、ある飽和条件に達することによって、鉄鋼スラグ表面に固結物質（水和物）が生成する。例えば、カルシウムイオン、珪酸イオン、および水酸基イオンとの反応により、一般式αＣａＯ・βＳｉＯ２・γＨ２Ｏで表される固結物質が生成する（ａＣａ２＋＋ｂＨ３ＳｉＯ４−＋ｃＯＨ−⇒αＣａＯ・βＳｉＯ２・γＨ２Ｏ）。鉄鋼スラグ表面に析出した固結物質はバインダーとして作用し、鉄鋼スラグ同士が結着し、高い強度で固まった鉄鋼スラグからなる集合体が形成される。
【００２８】
上記メカニズムにおいては、固結物質ＣＳＨ（αＣａＯ・βＳｉＯ２・γＨ２Ｏ）の生成速度Ｖは、下記式４で算出されると考えられる。なお、式４において、ｋ１は反応速度定数である。
【００２９】
【数７】
0004776973.tif 000008
【００３０】
固結速度Ｖを評価すべく、本発明者らは、鉄鋼スラグからのイオン溶出量とｐＨとの関係を調査した。図１は、Ｃａ２＋、ＳｉＯ４−、およびＡｌ（ＯＨ）４−の各イオンと、ｐＨとの関係を示すグラフである。図１Ａにおいては、縦軸はＣａ２＋の溶出量であり、図１Ｂにおいては、縦軸はＳｉＯ４−の溶出量であり、図１Ｃにおいては、縦軸はＡｌ（ＯＨ）４−の溶出量である。図１Ａに示すように、カルシウムイオンの溶出量は、ｐＨの上昇と共に増加する。即ち、水酸基イオンの溶出量が増加すると、カルシウムイオンの溶出量も増加する傾向がある。図１Ｂからは、ＳｉＯ４−イオンの溶出量はｐＨによらず一定であることが分かる。Ａｌ（ＯＨ）４−の溶出量は、図１Ｃに示すように、カルシウムイオンと同様にｐＨの上昇と共に増加する傾向がある。
【００３１】
カルシウム濃度と水酸基イオン濃度とに相関性があり、Ｈ３ＳｉＯ４−イオン濃度が一定値であると、前記式４は、下記式５に示すように変形可能である。つまり、鉄鋼スラグ表面における固結物質の固結速度Ｖは、水酸基イオン濃度にのみに依存する反応とみなすことができる。
【００３２】
【数８】
0004776973.tif 000009
【００３３】
なお、水酸基イオン濃度とカルシウムイオン濃度とは、図１Ａに示す関係を有することから、固結速度Ｖを、カルシウムイオン濃度にのみ依存する反応とみなすことも可能である。また、固結速度Ｖが水酸基イオン濃度に依存するのであるから、当然、固結速度ＶはｐＨやｐＯＨにも依存する。なお、ｐＨやｐＯＨを用いて本発明の方法を実施する場合には、事実上、水酸基イオン濃度を用いて固結状況を評価しているに等しい。従って、ｐＨまたはｐＯＨを用いて固結状況を評価する実施形態は、水酸基イオン濃度を用いて固結状況を評価する発明の技術的範囲に包含される。
【００３４】
もし、式５で示される仮定が正しければ、固結物質の生成量は水酸基イオンの生成量に依存し、水酸基イオンの累積生成量が多いほど、固結物質の生成量が多くなり、鉄鋼スラグの強度が高くなるはずである。この推測に基づき、鉄鋼スラグからの水酸基イオンの溶出量と固結強度との因果関係を調査した。図２は、式５においてε＝１と仮定した場合の水酸基イオンの溶出量と固結強度との関係を示すグラフである。図２において、横軸は水酸基イオン濃度の累積積分値、縦軸は鉄鋼スラグの一軸圧縮強度である。図示するように、鉄鋼スラグの一軸圧縮強度は、水酸基イオン濃度の累積生成量が多いほど高くなっていた。この結果は、上記推測が正しいことを裏付けていると考えられる。なお、上記説明は水酸基イオンについてされているが、カルシウムイオンについても同様の関係が成立すると考えられる。以下の説明においては、便宜上、主に水酸基イオン（ｐＨ）について説明するが、カルシウムイオンを用いて固結状況を予測する方法を排除する意図ではない。
【００３５】
上述のように、固結強度は、水酸基イオン濃度の累積生成量に比例する。この知見を利用すれば、覆砂材または裏込材の固結状況を予測することが可能である。例えば、所定の鉄鋼スラグを覆砂材として海底に配置する場合について考えてみる。まず、海底に配置される覆砂材の厚みを決定する。次に、所定の鉄鋼スラグが覆砂材として海底に配置された場合に、覆砂材として配置された鉄鋼スラグ内部において、どのようなｐＨ分布（水酸基イオンの濃度分布）が生じるかを調査する。ｐＨ分布は、後述するような移流・拡散方程式に基づいて決定されてもよいし、実験室レベルのモデルを実際に作製して評価してもよい。一般には、覆砂内においては、海水との接触面近傍のｐＨが低く、覆砂の深さ方向に進むにつれてｐＨが高くなり、一定の深さ以上になるとｐＨの変動がなくなる傾向がある。したがって、覆砂の深い部位ほど、固結速度Ｖが大きく、鉄鋼スラグが迅速に固結する傾向がある。
【００３６】
ただし、海底に配置された覆砂内部におけるｐＨ分布は、使用する鉄鋼スラグによって異なる。このため、覆砂材を同一の海底に１年間配置した場合であっても、ある鉄鋼スラグは覆砂表面付近まで固結が進行し、ある鉄鋼スラグは３０ｃｍの深さまで固結が進行し、ある鉄鋼スラグは全く固結が進行しない。本発明の方法を用いれば、所定の期間を経た後に固結状況がどのようになっているかを推測することが可能であるため、使用環境や目的に応じて適切な鉄鋼スラグを選択して使用することが可能である。例えば、海底汚染物質を封じ込めるために、鉄鋼スラグを覆砂材として供給する場合には、固結が迅速に進行するように、覆砂内部におけるｐＨが高くなりやすい鉄鋼スラグを覆砂材として用いればよい。
【００３７】
以下、本発明の鉄鋼スラグ決定方法について、図３を用いて工程順に詳細に説明する。図３は、本発明の鉄鋼スラグの決定方法を説明するフローチャートである。
【００３８】
まず、覆砂材または裏込材の配置箇所を決定する（Ｓ１０１）。覆砂材または裏込材の配置箇所によって、覆砂材内部または裏込材内部のｐＨ分布が影響される。例えば、ｐＨ分布は、海流の速度、潮位変動、水深などの配置箇所特有の使用環境に影響される。覆砂材内部または裏込材内部における正確なｐＨ分布を算定するには、より多くのファクターを考慮することが好ましい。ただし、考慮すべきファクターが多くなると、ｐＨ分布の算定が困難になる。また、実験室レベルのモデルを用いてｐＨ分布を測定する場合には、モデル作製に要するコストが増大する。このため、少ないコストで最大限の成果を得たい場合には、ｐＨ分布に大きな影響を与えないと推測されるファクターに関しては、これらを考慮しないでｐＨ分布を算出してもよいし、これらを一定値とみなしてｐＨ分布を算出してもよい。
【００３９】
次に、使用される鉄鋼スラグを仮決定する（Ｓ１０２）。覆砂材または裏込材として用いられる鉄鋼スラグによって将来の固結状況は変動するが、この段階で、とりあえず使用する鉄鋼スラグを仮決定する。実験室レベルのモデルを用いて、覆砂材または裏込材における固結状況を予測する場合には、実際に使用を予定している鉄鋼スラグと実質的に同質の鉄鋼スラグを準備するとよい。
【００４０】
仮決定されるスラグの種類については、特に限定されない。鉄鋼スラグとしては、高炉スラグおよび製鋼スラグが用いられ得る。高炉スラグとしては、高炉徐冷スラグ、および高炉水砕スラグが例示できる。製鋼スラグとしては、転炉スラグ、予備処理スラグ、脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ、電気炉還元スラグ、電気炉酸化スラグ、二次精錬スラグ、造塊スラグなどが例示できる。これらの２種以上が鉄鋼スラグとして用いられてもよい。
【００４１】
鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材中には、場合によっては、鉄鋼スラグ以外の材料が含まれていてもよい。鉄鋼スラグ以外の材料としては、例えば、フライアッシュおよびボトムアッシュなどの石炭灰、廃コンクリート・廃レンガ・廃耐火物の破砕物、都市ゴミスラグ、浚渫土砂、浚渫残土が挙げられる。これらの２種以上が併用されてもよいし、これら以外の材料が用いられてもよい。鉄鋼スラグとそれ以外の成分とを混合する場合の混合割合は、スラグからのミネラル溶出、硫化水素固定化、燐固定化などの鉄鋼スラグに起因する効果がある程度確保されるように、鉄鋼スラグの含有率を５０質量％以上とすることが好ましい。
【００４２】
鉄鋼スラグを仮決定した後、仮決定された鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が配置箇所に配置された場合における固結状況を、配置箇所における水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方に基づいて予測する（Ｓ１０３）。
【００４３】
固結状況は、前述のように、水酸基イオン濃度の累積値に基づいて予測可能である。所定の配置箇所における水酸基イオン濃度が高いほど、固結速度Ｖが大きくなり、鉄鋼スラグの固結が迅速に進行する。所定の期間経過後における固結状況は、下記式１で算出される、配置箇所における鉄鋼スラグ間隙水中の水酸基イオン濃度の時間積分値に基づいて予測される。
【００４４】
【数９】
0004776973.tif 000010
【００４５】
式中、［ＯＨ−］は前記配置箇所の間隙水における水酸基イオン濃度を表し、ｔは時間を表す。なお、例えば、１年後における固結状況を予測したい場合には、１年間の水酸基イオンの累積濃度を算出する。固結状況の予測はカルシウムイオン濃度の時間積分値に基づいて予測することも可能であり、この場合には、下記式２で算出される、配置箇所における鉄鋼スラグ間隙水中のカルシウムイオン濃度の時間分析値に基づいて予測される。
【００４６】
【数１０】
0004776973.tif 000011
【００４７】
式中、［Ｃａ２＋］は前記配置箇所の間隙水におけるカルシウムイオン濃度を表し、ｔは時間を表す。
【００４８】
水酸基イオン濃度の時間積分値を算出したら、水酸基イオン濃度の時間積分値に基づいて固結状況を予測する。固結状況の予測にあたっては、使用する覆砂材または裏込材における、水酸基イオン濃度の時間積分値と固結強度との関係を調査しておき、その関係に基づいて予測するとよい。例えば、用いる覆砂材または裏込材に関して、図２に示す水酸基イオン濃度の累積値と一軸圧縮強度との関係を調査しておく。そして、所定の期間までの水酸基イオン濃度の時間積分値から、その期間が経過した時の一軸圧縮強度を予測する。
【００４９】
覆砂材または裏込材におけるイオン濃度の分布は、覆砂材または裏込材の配置箇所、さらには、覆砂材または裏込材の位置において変化する。図４は、高炉水砕スラグのみを覆砂材として配置した場合における覆砂内のｐＨ分布と、高炉水砕スラグと製鋼スラグとの混合物を覆砂材として配置した場合における覆砂内のｐＨ分布とを示すグラフである。図４に示すように、覆砂内においては、一般に海水と接する部位におけるｐＨが最も低く、覆砂の深さ方向に進むにつれてｐＨが徐々に高まる。ある深さに達するとｐＨの上昇が止まり、ｐＨが一定値に達する。このように覆砂内においては一定のｐＨ分布が生じ得るため、配置箇所における固結状況を正確に予測するためには、配置箇所におけるイオン濃度分布を算出することが好ましい。
【００５０】
配置箇所におけるイオン分布の算出においては、下記式３で表される移流・拡散方程式を適用可能である。
【００５１】
【数１１】
0004776973.tif 000012
【００５２】
式中、Ｃは水酸基イオンまたはカルシウムイオンの濃度（ｍｏｌ／Ｌ）であり、ｔは時間（ｓ）であり、Ｄは拡散係数であり、ｈは覆砂材または裏込材の上部表面からの深さ（ｃｍ）であり、λは水酸基イオンまたはカルシウムイオンのスラグからの溶出のしやすさを示す反応速度係数（１／ｓ）であり、νは間隙水の速度（ｃｍ／ｓ）である。
【００５３】
拡散係数Ｄは、イオン濃度差を与えたスラグ層内のイオン濃度変化を計測する試験を別途行うことによって、決定される。拡散係数Ｄは、例えば、以下の方法によって測定可能である。まず、同一層内に、鉄鋼スラグおよび高イオン濃度水を供給する。鉄鋼スラグと高イオン濃度水とは、混合しないように仕切っておく。鉄鋼スラグ中には、仕切りからの所定の距離ごとに、ｐＨ計などの測定機器を設置しておく。仕切りを外し、仕切りを外した時点からの経時的なイオン濃度変化を測定し、経時的なイオン濃度変化から、拡散係数Ｄを算出する。
【００５４】
反応速度係数λは、基準溶液中における鉄鋼スラグからのイオン溶出性を示す、イオン溶出速度を測定することによって算出される。例えば、鉄鋼スラグを浸漬した溶液中のカルシウムイオン濃度またはｐＨの時間変化量から反応速度係数λを算出する。
【００５５】
間隙水の速度νは、潮流や周辺の水頭差（ポテンシャル）などの条件から、市販の解析ソフトを用いて算出可能である。市販の解析ソフトとしては、『Ｖｉｓｕａｌ  ＭＯＤＦＬＯＷ  Ｐｒｏ  日本語版  ｆｏｒ  Ｗｉｎｄｏｗｓ』（Ｗａｔｅｒｌｏｏ  Ｈｙｄｒｏｇｅｏｌｏｇｉｃ社製）などが例示できる。
【００５６】
また、上記において、カルシウムイオンの場合は、カルシウムイオンの濃度（ｍｇ／Ｌ）、カルシウムイオンのスラグからの溶出のし易さを表す反応速度係数λ（１／ｓ）を用いることができる。
【００５７】
配置箇所における水酸基イオン濃度分布の算出、水酸基イオン濃度の時間積分値、水酸基イオン濃度の時間積分値と固結強度との関係に基づいて、所定の時間経過時の固結状況が予測される。例として、種々の鉄鋼スラグを覆砂材として用いた場合における、覆砂中のｐＨ分布を図４に示す。図においては、海面に近い部位ほどｐＨが低く、深さｈが大きくなるにつれてｐＨが高くなっている。このｐＨ分布から、前記式１および必要に応じて前記式３と、図２の関係とを用いることによって、任意の経過時間における深さ方向の一軸圧縮強度の分布を求めることができる。ここで、所定の一軸圧縮強度を超えている場合に「固結している」と判断する基準を設定することにより、所望の期間経過後における、覆砂内のスラグが固結する深度を予測することが可能である。
【００５８】
以上のような手順により、固結状況を予測した後に、予測された固結状況が所望する状況であるか否かを判断する（Ｓ１０４）。所望する状況であるか否かの判断は、使用目的に応じて基準を決めておき、その基準に合致するか否かで判断すればよい。例えば、海底汚染物質の封じ込めのために覆砂材を１０ｃｍ配置する場合に、覆砂材配置してから１年が経過した時点において、深さ５ｃｍ以上の部位が固結していることを求めるとする。１年後の固結状況がこのような基準に合致しているかどうかは、深さ５ｃｍ以上の部位における一軸圧縮強度が、覆砂の目的に応じた強度を超えていることを確認すればよい。基準に合致している場合には、仮決定された鉄鋼スラグは適切であり、この鉄鋼スラグからなる覆砂材を用いて、実際に覆砂作業を行う（Ｓ１０５のＹｅｓ）。
【００５９】
予測された固結状況が所望する状況でない場合には（Ｓ１０５のＮｏ）、再度、使用される鉄鋼スラグを仮決定する（Ｓ１０２）。再度仮決定される鉄鋼スラグは、既に固結状況が予測された鉄鋼スラグと異なるスラグを設定する。再度仮決定される鉄鋼スラグは、経験則に則って決定されてもよいし、ランダムに決定されてもよい。使用する鉄鋼スラグの再度の仮決定に際して変動させるファクターとしては、鉄鋼スラグの種類、鉄鋼スラグの粒度などが考えられる。例えば、図４に示すように、高炉水砕スラグと製鋼スラグとを混合すると、高炉水砕スラグ単独よりもｐＨが上昇し易い傾向がある場合には、製鋼スラグを添加することによって、固結し易い状況を作りだすことが可能である。また、使用するスラグを変化させると、前記式３における反応速度係数λが変化し、ｐＨ分布が変動する。
【００６０】
使用される鉄鋼スラグが再度決定された後には、仮決定された鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が前記配置箇所に配置された場合における固結状況を、前記配置箇所における水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方に基づいて予測し（Ｓ１０３）、予測された固結状況が所望する状況であるか否かを判断する（Ｓ１０４）。予測された固結状況が基準に合致している場合には、この鉄鋼スラグからなる覆砂材を用いて、実際に覆砂作業を行う（Ｓ１０５のＹｅｓ）。予測された固結状況が基準に合致していない場合には、再度鉄鋼スラグを仮決定し、予測された固結状況が所望する状況であると判断されるまで、固結状況の予測を繰り返す。
【００６１】
上記説明した鉄鋼スラグの決定方法を用いて、覆砂材または裏込材として使用される鉄鋼スラグを決定すれば、使用環境や目的に応じて、使用すべき適切な鉄鋼スラグを決定することが可能である。例えば、覆砂材を海底汚染物質の封じ込めに用いる場合には、海底汚染物質の封じ込めに適した、固結しやすい覆砂材を供給することができる。また、海底における水産資源を拡大したい場合には、固結しにくい覆砂材を海底に供給し、生物生産性の効果的な増大を図ることができる。覆砂材や裏込材などの材料は、一度水域に配置してしまうと、適切な材料でなかったことが後に発覚しても、工事のやり直しは、手間やコストの点で非常に困難である。したがって、予め適切な鉄鋼スラグを決定することができる本発明の方法は、覆砂材または裏込材の配置に関して、非常に有益である。
【００６２】
本発明の第２は、鉄鋼スラグの固化状況予測方法に関する。該方法は、本発明の第１において、固化状況を予測する際に使用される方法である。具体的には、本発明の第２は、覆砂材または裏込材として使用される鉄鋼スラグの固化状況予測方法であって、覆砂材または裏込材の配置箇所、使用される鉄鋼スラグ、および前記配置箇所における鉄鋼スラグ間隙水中の水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度の少なくとも一方に基づいて、前記鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が前記配置箇所に配置された場合における固結状況を予測することを特徴とする、鉄鋼スラグの固化状況予測方法である。本発明の第２は、鉄鋼スラグの固化状況を予測するために用いられ、鉄鋼スラグが覆砂材または裏込材として用いられる際に、使用すべき適切な鉄鋼スラグを決定するために利用される。
【００６３】
本発明の第２の実施に際しては、本発明の第１における説明が適用可能である。従って、以下の説明においては、本発明の第２の概要について説明する。
【００６４】
まず、覆砂材または裏込材の配置箇所を決定する。また、使用される鉄鋼スラグを仮決定する。その後、該鉄鋼スラグからなる覆砂材または裏込材が配置された際の固結状況を、覆砂材または裏込材の配置箇所、使用される鉄鋼スラグ、および前記配置箇所における水酸基イオン濃度またはカルシウムイオン濃度に基づいて予測する。水酸基イオン濃度またはカルシウム濃度は、少なくとも一方が用いられる。
【００６５】
これらのファクターを用いた固化状況の予測は、本発明の第１において説明した通りである。例えば、固結状況は、前記式１に基づいて算出される水酸基イオン濃度の時間積分値、または前記式２に基づいて算出されるカルシウムイオン濃度の時間積分値の少なくとも一方に基づいて予測される。水酸基イオンの濃度やカルシウムイオンの濃度は、前記式３で表される移流・拡散方程式に基づいて算出可能である。また、前記式３における反応速度係数λは、基準溶液中における鉄鋼スラグからのイオン溶出性を示す、イオン溶出速度を測定することによって算出可能である。
【実施例】
【００６６】
実施例１
水酸基イオン濃度の時間積分値によって固結状況を予測する方法の概略図を図５に示した。水温を一定（本試験では４０℃）に保つ恒温水槽に真水または海水を入れ、水中に鉄鋼スラグ供試体を設置した。供試体は、底を閉じた塩ビ等のパイプに鉄鋼スラグを充填し、供試体の上面からは鉄鋼スラグ間隙水と水槽内の水とが、行き来を可能とした。複数の供試体のうち１つは、スラグ間隙水を採取するための開孔（細い塩ビパイプ）を設けておき、その他７．５ｃｍφの供試体は固結強度試験用に開孔は設置せず、この状態で供試体を水中養生した。間隙水のｐＨやカルシウムイオン濃度は、スラグ間隙水を、定期的に採取し計測することによって求めた。
【００６７】
ある養生期間が経過した後、水中から取出し、強度試験を実施した。ここで用いた鉄鋼スラグは、現粒度の高炉水砕スラグ（スラグＡ），短時間摩砕したもの（スラグＢ），長時間摩砕したもの（スラグＣ）であり、その粒度分布を図６に示す。また、ｐＨの経時変化を図７に示す。なお、ｐＨは供試体の中央付近から採取していることから、供試体の上下５ｃｍを切り落とし、圧縮試験強度試験には供試体の中央部を使用した。
【００６８】
固結強度の測定には、山中式土壌硬度計（図８）による硬度指数を採用した。その理由は、この測定値を用いると、生物の棲息が可能な海底であるか否かを判断することができること、また、水中生物の棲息環境としては、山中式硬度指数で１５ｍｍ以下であることが望ましいという研究結果があることによる。なお、山中式硬度指数と一軸圧縮強度とは、図９に示す相関があることも確認している。
【００６９】
図１０は、図７に示したｐＨの経時変化から求められる水酸基イオン濃度の時間積分値と、水砕スラグ固結強度（山中式硬度指数）との関係を示したものである。この真水及び海水における養生試験結果から、本試験で用いた高炉水砕スラグの山中式硬度指数が１５ｍｍ（水中生物の棲息に適した地盤環境の強度上限値）となる時の水酸基イオン濃度の時間積分値は、それぞれ３×１０−３［ｍｏｌ・ｄａｙ／Ｌ］、３×１０−２［ｍｏｌ・ｄａｙ／Ｌ］と決定することができる。
【００７０】
上に示した水酸基イオン濃度の時間積分値に達するまでに要する時間を、鉄鋼スラグ間隙水のｐＨ値毎に算出すると表１の結果となる。
【００７１】
【表１】
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【００７２】
このように、ｐＨが低くなる程に所望の固結強度に達するまでに長時間を要することが分かる。ここで、数１０年といった非常に長期間を要する結果を示すものは、実質的には固結しないと考えられる。
【００７３】
以上の方法により、水中に鉄鋼スラグを投入してからの時間と強度発現の予測結果から、固結させたい、又は固結させたくないといった目的に応じた覆砂の要求性能を満たすために使用する鉄鋼スラグを選定することが可能となる。
【００７４】
実施例２
次にイオン溶出速度を求める試験の実施例を示す。この試験では、まず環境省告示４６号法の試験に従い水と鉄鋼スラグをいれた容器を「振とう」し続け、溶液のｐＨの経時変化を測定した。ここで使用した鉄鋼スラグは、現粒度の高炉水砕スラグ（スラグＡ），短時間摩砕したもの（スラグＢ），長時間摩砕したもの（スラグＣ）であり、その粒度分布は図６に示した。図１１に示すように、ｐＨは初期に急激に上場するが、「振とう」７時間後にｐＨの急激な上昇が終わり、それ以降は徐々に一定値に近づいた。本実施例では、この時（７時間後）のｐＨ値（水酸基イオン濃度）に達するまでの増加速度としてイオン溶出速度（α）を算出した。スラグＡ，Ｂ，Ｃのαは、それぞれ６．５×１０−６、２．１×１０−４、６．５×１０−４［ｍｏｌ／（Ｌ・ｄａｙ）］であった。
【００７５】
一方、図１２は、側面からｐＨ計を挿入した円筒形の容器に、高炉水砕スラグを投入して海水を循環させた、海底の高炉水砕スラグ覆砂を模した試験装置を示す。このｐＨ計により高炉水砕スラグ覆砂内の深さ方向のｐＨ分布を計測することができる。図１３は、その覆砂内のｐＨ分布を示したものである。高炉水砕スラグ覆砂内のｐＨは深さ方向に変化し、使用する鉄鋼スラグによって深さに対するｐＨの上昇率（傾き）が異なる（スラグＡ＜スラグＢ＜スラグＣ）。この上昇率（傾き）と式３を用いて反応速度係数（λ）を求めることができる。
【００７６】
【数１２】
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【００７７】
具体的には、式３は以下の式６に変形することができ、式中の（λ／Ｄ）１／２・ｌｏｇ  ｅが上昇率（傾き）となり、λを求めることができ、スラグＡ，Ｂ，Ｃのλは、それぞれ０．０３、０．０５、０．８９［１／ｓ］であった。
【００７８】
【数１３】
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【００７９】
以上の２つの試験結果から、イオン溶出速度（α）と反応速度係数（λ）との関係をもとめると図１４に示す結果となり、相関が確認できた。イオン溶出速度（α）から決定される反応速度係数（λ）を式３のλに代入することより、覆砂または裏込め内のイオン濃度分布を移流拡散方程式により求めることができる。更に、先の実施例で示したｐＨやカルシウムイオン濃度と固結強度の発現との関係を用いることによって、覆砂または裏込め内の固結状況を予測することができる。
【００８０】
このようにしてイオン溶出速度を求めることより、式３にある反応速度係数（λ）を決定することができ、覆砂または裏込めに所望する固結強度、即ちｐＨやカルシウム濃度条件を得るために適した鉄鋼スラグを決定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】Ｃａ２＋、ＳｉＯ４−、およびＡｌ（ＯＨ）４−の各イオンと、ｐＨとの関係を示すグラフである。図１Ａにおいては、縦軸はＣａ２＋の濃度であり、図１Ｂにおいては、縦軸はＳｉＯ４−の濃度であり、図１Ｃにおいては、縦軸はＡｌ（ＯＨ）４−の濃度である。
【図２】水酸基イオンの濃度と固結強度との関係を示すグラフである。横軸は水酸基イオンの累積積分値、縦軸は鉄鋼スラグの一軸圧縮強度である。
【図３】本発明の鉄鋼スラグの決定方法を説明するフローチャートである。
【図４】高炉水砕スラグのみを覆砂材として配置した場合における覆砂内のｐＨ分布と、高炉水砕スラグと製鋼スラグとの混合物を覆砂材として配置した場合における覆砂内のｐＨ分布とを示すグラフである。
【図５】水酸基イオン濃度の時間積分値によって固結状況を予測する方法の概略図。
【図６】試験に用いた高炉水砕スラグＡ，Ｂ，Ｃの粒度分布を示す図である。
【図７】間隙水のｐＨの経時変化を示す図である。
【図８】山中式土壌硬度計の写真である。
【図９】山中式土壌硬度指数と一軸圧縮強度との関係を示す図である。
【図１０】水酸基イオンの時間積分値と山中式硬度との関係を示す図である。
【図１１】振とう試験における溶液のｐＨ経時変化を示す図である。
【図１２】側面からｐＨ計を挿入した円筒形の容器に、高炉水砕スラグを投入して海水を循環させ、海底の高炉水砕スラグ覆砂を模した試験装置図である。
【図１３】水砕スラグ覆砂内のｐＨ分布結果を示す図である。
【図１４】イオン溶出速度（α）と反応速度係数（λ）の関係を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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