(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを主原料とし、この主原料と添加材との混合物を原料とする人工石材であって、前記主原料となるスラグが粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなり、前記添加材の少なくとも一部が水砕スラグ微粉末からなり、前記スラグと添加材との混合物を炭酸化反応で生成させたＣａＣＯ3をバインダーとして固結させ、塊状化したことを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【請求項２】
鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを主原料とし、この主原料と添加材との混合物を原料とする人工石材であって、前記主原料となるスラグが粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなり、前記添加材の少なくとも一部が水砕スラグ微粉末からなり、前記スラグと添加材との混合物を炭酸化反応で生成させたＣａＣＯ3およびＭｇＣＯ3（但し、ＭｇＣＯ3が水和物、水酸化物塩または複塩として存在する場合を含む）をバインダーとして固結させ、塊状化したことを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【請求項３】
全原料中の水砕スラグ微粉末の配合量が２〜２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１または２に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項４】
水砕スラグ微粉末の粒度が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１、２または３に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項５】
主原料であるスラグが地金回収処理または地金除去処理を経た粉粒状および／または粗粒状のスラグからなることを特徴とする請求項１、２、３または４に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項６】
空隙率が１０〜７０％であることを特徴とする請求項１、２、３、４または５に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項７】
主原料であるスラグの少なくとも一部が高炉水砕スラグであることを特徴とする請求項１、２、３、４、５または６に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項８】
添加材の一部が金属鉄、含金属鉄材、酸化鉄、含酸化鉄材の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項９】
添加材の一部が可溶性シリカおよび／または含可溶性シリカ材であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項１０】
添加材の一部がＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６または７に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項１１】
人工石材が水中沈設用石材であることを特徴とする請求項１、２、３、４、５、６、７、８、９または１０に記載のスラグを主原料とする人工石材。
【請求項１２】
鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを主原料とし、この主原料と添加材との混合物を原料とする人工石材の製造方法であって、主原料である粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグに、添加材の少なくとも一部として水砕スラグ微粉末を混合し、該混合物による積み山または任意の空間内での充填層を形成し、該積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることにより前記混合物を固結させ、スラグおよび添加材が塊状化した石材を得ることを特徴とするスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項１３】
全原料中の水砕スラグ微粉末の配合量が２〜２０ｗｔ％であることを特徴とする請求項１２に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項１４】
水砕スラグ微粉末の粒度が０．１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１２または１３に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項１５】
主原料であるスラグに水砕スラグ微粉末を混合した後、１２〜１００時間の湿空養生を行ない、しかる後、炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることを特徴とする請求項１２、１３または１４に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項１６】
スラグの積み山若しくは充填層に炭酸ガス若しくは炭酸ガス含有ガスを吹き込むか、または積み山若しくは充填層を炭酸ガス若しくは炭酸ガス含有ガス雰囲気下に置くことを特徴とする請求項１２、１３、１４または１５に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項１７】
主原料であるスラグとして、地金回収処理または地金除去処理を経た粉粒状および／または粗粒状のスラグを用いることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５または１６に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項１８】
主原料であるスラグの少なくとも一部が高炉水砕スラグであることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６または１７に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項１９】
添加材の一部が金属鉄、含金属鉄材、酸化鉄、含酸化鉄材の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７または１８に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２０】
添加材の一部が可溶性シリカおよび／または含可溶性シリカ材であることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７または１８に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２１】
添加材の一部がＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７または１８に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２２】
スラグの積み山または充填層の嵩比重／真比重を０．３〜０．９の範囲とすることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０または２１に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２３】
炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスを水中に通すことでＨ2Ｏを飽和させ、しかる後、スラグの積み山または充填層に炭酸化処理のために供給することを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１または２２に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２４】
固結した積み山または充填層を所望の大きさの塊状物に破砕し、該破砕による破面を有する塊状石材を得ることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２または２３に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２５】
スラグを最適水分含有率に水分調整した上で、該スラグの積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３または２４に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２６】
全量が粒度５０ｍｍ以下であって、累積粒度分布の小径側から３０重量％の粒度（Ｄ３０）が８００μｍ以下である粒度分布を有し、且つ水分含有率が３〜１０％であるスラグの積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４または２５に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２７】
製造される人工石材が水中沈設用石材であることを特徴とする請求項１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５または２６に記載のスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【請求項２８】
請求項１１に記載の人工石材を、河川内において水が流れる人工構造部または人工河床に沈設または敷設することを特徴とする人工石材の使用方法。
【請求項２９】
人工石材を、魚道の少なくとも底部に沈設または敷設することを特徴とする請求項２８に記載の人工石材の使用方法。
【請求項３０】
沈設または敷設された人工石材の上面が、破砕または破断により形成された破面であることを特徴とする請求項２８または２９に記載の人工石材の使用方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグを主原料とする人工石材、より詳細には、原料スラグを炭酸化反応により固結させて塊状化した人工石材に関するもので、植生用石材、路面敷設用石材、建築用石材等のような土木・建築材料、藻場用石材や魚礁用石材等のような水中沈設用石材等、様々な用途に利用できる人工石材およびその製造方法に関する。特に本発明の人工石材は、藻場用石材、築磯用石材、魚礁用石材、海底マウンド用石材、河床用石材、魚道用石材、人工河床用石材、湖沼・池の沈設用石材、さらには、水質浄化を主目的として海、河川、湖沼、池等に沈設または敷設される石材等のような水中沈設用石材として好適なものである。なお、上記“藻場”とは海底に生育する海藻類（藻類、海草等）の群落を指す。
【０００２】
【従来の技術】
従来、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグ（例えば、高炉スラグ、転炉スラグ等）の有効利用を図る一環として、スラグを炭酸化反応により固結させて硬化体製品とし、これを建築材料等に用いる試みがなされている。しかし、スラグを炭酸化反応により固結させて硬化体を得る場合、スラグだけでは十分な強度が得られないことがあるため、何らかの方法で硬化体の強度を向上させる必要がある。
【０００３】
スラグを炭酸化反応させて高強度の硬化体を製造する方法として、特開昭５２−１４０５３５号にはスラグにセメントを添加する方法が開示されている。この方法は、粉末状の転炉スラグに５〜３０重量部のポルトランドセメントを混合して適当な水分を添加し、加圧成型した後に高湿度雰囲気で炭酸ガスと接触反応させることにより、高強度の建材が得られるとしている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、この従来技術のように鉄鋼副生物であるスラグの利材化のために工業製品であるセメントを用いることは、鉄鋼副生物のリサイクルおよび省資源の観点からスラグの利材化を図るという趣旨からして望ましくなく、また、スラグの利材化のためのコストの増大を招く。
【０００５】
また、最近では鉄鋼製造プロセスで発生するスラグを藻場用石材や魚礁等の水中沈設用資材として利用しようとする試みがされている。
従来、スラグをこれらの資材として利用する場合の主たる形態として、例えば２００ｍｍ以上の塊状のスラグをそのまま藻場用等の石材として利用する方法とスラグをコンクリート魚礁等の骨材として利用する方法が知られている。
【０００６】
また、近年魚類や甲殻類等の生物の生存環境を含めた河川や湖沼等の淡水系水域の自然環境を整備、改善しようとする機運が高まりつつあり、その一環として、例えば河床を水中生物（魚類、甲殻類、水生昆虫等）や水生植物（藻類、水草等）が生息、生育しやすい環境に改修する試みもなされている。河川を例にとると、河川において所謂生命空間（ビオトープ）とよばれる生物の生存、休息空間は、その多くが河床の石によってもたらされ、したがって、一般には河床に石等による凹凸が多くある河床の方が、より水中生物が生存しやすい環境にあると言える。例えば、河川内にある水没または半水没状の大塊の石と石との間の比較的大きな空間や、河床に敷き詰められた小石の間の小さな空間は、いずれも水中生物にとって重要な生命空間となる。また、河床の石は藻類等の水生植物が生育する場でもあり、水生植物を生育させるためにも石の存在は重要である。
【０００７】
したがって、河川の自然環境の整備、改善の一環として行われる河床等の改修に当っては、河床に適当な形態で石材を沈設または敷設（例えば、大塊の石材の置き石、河床への中塊、小塊の石材の沈設、敷設等）することが、魚類等の水中生物や水生植物が生息、生育しやすい環境を整える有効な手段となり得る。しかし、このような河床等の改修には膨大な量の石材が必要であり、これに用いる自然石を他所で調達することは新たな自然破壊を引き起こす恐れがあり、また、自然石自体も決して安価ではないため施工コストも嵩んでしまう。
そこで、この河川に使用する石材としても、上述したようなスラグの利用が考えられる。
【０００８】
しかし、スラグを水中沈設用資材として利用する上記の方法には以下のような問題点がある。
まず、塊状のスラグをそのまま藻場用や河床用等の石材として利用する方法では、スラグ中に含まれるＣａ分が水中に溶け出し、海水や河川水等のｐＨを上昇させるおそれがある。また、水中に溶け出したＣａ分と水中のＭｇイオンとの反応によりＭｇ（ＯＨ）2の沈殿（白沈）を生じることがあり、これがスラグ表面に付着して藻類等の水生植物の着生や発芽を阻害する問題がある。さらには、Ｃａ分の溶出によりスラグ自体の強度が低下し、経時的に或いは外力の作用によって崩壊してしまうおそれがある。
【０００９】
また、鉄鋼製造プロセスで得られたままの塊状のスラグを藻場用等の石材とした場合、その表面性状等からしてコンクリート製品に比べれば海藻類等の水生植物の着生・生育に適しているとは言えるが、藻場用等の石材としては天然石と同程度の機能（海藻類等の水生植物の付着性、成育性）しかなく、海藻類等の水生植物の成育を促進し得るような特別な機能を有する石材ではない。
【００１０】
また、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグは地金（粒鉄等の鉄分）を多く含んでいるため、通常はスラグをある程度の大きさまで粉砕し、スラグ中に含まれる鉄分を回収して鉄鋼製造プロセスにリサイクルしている。しかし、藻場用や河床用等の石材として用いるスラグにはある程度の大きさが必要であり、地金回収のために粉砕処理したようなスラグはほとんど利用することができない。このため塊状スラグを藻場用等の石材として用いる場合には、鉄鋼資源として有用な地金の回収がほとんどできない。
【００１１】
一方、スラグをコンクリート魚礁等のようなコンクリート製のプレキャスト体の骨材として利用する方法は、上述した塊状スラグをそのまま水中に沈めた場合のような問題は生じにくい。しかし、この方法により得られる資材は表面がセメントモルタルにより構成されるコンクリート製品であるため、藻場用や河床用等としてそれなりの機能が期待できると考えられる塊状スラグの性状（例えば、凹凸状の表面性状等）すら生かすことができない。
【００１２】
藻場や漁礁に適用される石材は機能的に海藻類等の水生植物の着生や成育に適していることが必要であるが、コンクリート製の石材は、スラグを骨材として含むと否とに拘りなく機能的に海藻類等の水生植物の着生や成育には適さず、また、所謂磯焼けの原因となる石灰藻の付着繁殖を促すとされており、したがって、藻場用や漁礁用の水中沈設用石材としては全く適さない。
また、コンクリートはｐＨが高いため（通常、ｐＨ１２〜１２．５程度）、周囲の海水や河川水等のｐＨを上昇させたり、海藻類等の水生植物の生育遅延を生じさせたりするおそれもある。
【００１３】
また、近年、河川に設けられたダムや堰に魚類の上・下流への移動や遡上を可能とするための魚道を設ける必要性が認識され、このためのダムや堰の改修も各地で行われるようになってきた。この魚道は、ダムや堰の一部に魚類が移動できる程度の流れが形成される水路（通常、２〜５ｍ程度の幅を有する水路）を設けたものであり、傾斜路式、階段路式等の様々な形式のものが知られている。従来の一般的な魚道は、コンクリート壁で囲まれた水路をダムや堰の一部を切欠くようにして設けられている。
【００１４】
このような従来の魚道は水の流速や底部の傾斜、段差等に特に問題がない限り魚類の移動には支障はない。しかし、コンクリート製の魚道は、その底部が元々平滑でしかも藻類等の水生植物も生育しにくいため、河床（石等の表面の突起や水生植物）に爪等を引っ掛けながら這って移動したり或いは流れの速い場所では河床に爪等を引っ掛けながら移動する水中生物（例えば、甲殻類や水生昆虫等）にとって移動が困難であるという問題がある。このような問題に対しては、魚道を発泡コンクリートにより構成して魚道の底部に微細な凹凸を付ける方法もあるが、このような魚道は施工コストが高く、実用性に乏しい。また、いずれにしてもコンクリートはｐＨが高いため、河床に沿って移動するような水中生物にはコンクリート製の魚道は好ましいものではない。
【００１５】
さらに、近年では環境保護の観点から海、河川、湖沼、池などの水質浄化が大きな課題となっている。このような水質浄化のための一つの手法として、バクテリアを中心とした生物の生態系による自浄作用を利用することを狙いとし、水中での生物間の活発な食物連鎖の環境を人為的に提供する試みがなされており、その環境を提供するために水中や水辺に沈設または敷設する資材として、好気性生物や嫌気性生物等の多様な生物が棲息できる多孔質のコンクリートブロック体が用いられている。
しかし、このような従来の水質浄化用の資材もコンクリート製品であるため、上述したような本質的な問題点を有している。
【００１６】
したがって本発明の目的は、主原料であるスラグを炭酸化反応により固結させさて得られる人工石材（硬化体）において、セメント等の工業製品を添加することなく、高い強度が得られる人工石材を提供することにある。
【００１７】
また、本発明の他の目的は、上記のようなスラグを原材料とする水中沈設用資材の問題を解消し、藻場用石材、築磯用石材、魚礁等、海底マウンド用石材、河床用石材、魚道用石材、人工河床用石材、湖沼・池の沈設用石材、さらには、水質浄化用の石材として、海、河川、湖沼、池等の水中に沈設または敷設した際に、海水や河川水等のｐＨの上昇や白沈の発生等の問題を生じることがなく、しかも海藻類等の水生植物の着生、育成や魚介類の繁殖、魚類等の生存空間形成、水質浄化等の面で優れた機能を発揮でき、また、河川のダムや堰等に設けられる魚道等の人工構造部や石張り河床等の人工河床に沈設または敷設した際に、魚類以外の水中生物の移動性や水生植物の生育等の面でも優れた機能を発揮することができる水中沈設用の人工石材を提供することにある。
【００１８】
また、本発明の他の目的は、上記のような人工石材を安価且つ効率的に製造することができる製造方法を提供することにある。
さらに、本発明の他の目的は、上記のような人工石材を水中沈設用として好適に使用するための使用方法を提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは上記の課題を解決すべく実験と検討を重ねた結果、以下のような事実を見出した。
(1) 粉粒状、粗粒状或いは小塊状のスラグを炭酸固化させて塊状の人工石材を得る場合、スラグのＣａＯ分だけの炭酸化反応では石材の十分な強度が確保できない。このようなスラグを主原料とする石材の強度を確実なものとするには、スラグに添加材として少量の水砕スラグ微粉末（例えば、高炉水砕スラグ微粉末が工業上および組織上使用しやすい）を配合した上で炭酸固化させることが極めて有効であり、これにより長期間にわたって割れや崩壊を生じない高い強度が安定して得られる。水砕スラグ微粉末自体も鉄鋼副生成物であり、したがって、セメント等の工業製品を用いることなく、主原料、添加材ともにスラグだけを利用して高強度の人工石材を得ることができる。
【００２０】
従来、鉄鋼副生物である水砕スラグはセメント混和材として多く使用されているが、ガラス質であるためにアルカリ刺激を受けないとＣａＯの溶解能が乏しく、そのままでは炭酸化結合材となり得る反応性が乏しい。この水砕スラグ微粉末のガラス質は、アルカリによってガラス質を形成するケイ酸塩ネットワークが分断される性質を有している。そして、このようにアルカリによってケイ酸塩ネットワークが分断された水砕スラグ微粉末は、内部のＣａＯが水に溶解しやすい状態となり、そこに炭酸ガスが存在すると容易に炭酸化反応を生じ、スラグのバインダーとなるＣａＣＯ3を生成する。そこで、水砕スラグ微粉末をガラス質を形成するケイ酸塩ネットワークが分断された状態とするために、炭酸化反応させる前の水砕スラグ微粉末を混合した原料スラグに対して適当な湿空養生を行うことが好ましい。
【００２１】
(2) 粉粒状、粗粒状或いは小塊状のスラグ、特に鉄分（元々スラグ中に含まれる鉄分および／またはスラグ中に有意に添加された鉄分）を適度に含むこれらのスラグを、スラグ中に含まれるＣａＯ（またはＣａＯとＭｇＯ）の炭酸化反応で生成させたＣａＣＯ3（またはＣａＣＯ3とＭｇＣＯ3）をバインダーとして固結させ、塊状化させたものを海や河川等の水中沈設用石材として用いることにより、海水や河川水のｐＨの上昇や白沈の発生等の問題を生じさせることなく、しかも海藻類等の水生植物の着生、育成や水質浄化等の面で優れた効果を発揮する。また、河川のダムや堰等に設けられる魚道等の人工構造部や人工河床に沈設または敷設した際に、魚類以外の水中生物の移動性や水生植物の生育等の面でも優れた効果を発揮する。
【００２２】
(3) 上記のような塊状の人工石材を得るためには、粉粒状、粗粒状若しくは小塊状のスラグに対して少量の水砕スラグ微粉末を添加し、このスラグを所望の密度に山積み若しくは充填して、この積み山若しくは充填層を水分のなくならない方法（たとえばシートがけ）で湿空養生し、その後に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることによりスラグを固結させる製法が有効である。
また、このような製法によれば、例えば、水中沈設用石材を得ようとする場合に、適用すべき海底や河床の状況、海流や水流の状況、さらには藻場用、漁礁用、河床用、魚道用、水質浄化用等の用途の別に応じた任意の密度と大きさの石材を製造でき、また石材の大塊化も極めて容易に実現できる。
【００２３】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、その特徴は以下の通りである。
[1] 鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを主原料とし、この主原料と添加材との混合物を原料とする人工石材であって、前記主原料となるスラグが粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなり、前記添加材の少なくとも一部が水砕スラグ微粉末からなり、前記スラグと添加材との混合物を炭酸化反応で生成させたＣａＣＯ3をバインダーとして固結させ、塊状化したことを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【００２４】
[2] 鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを主原料とし、この主原料と添加材との混合物を原料とする人工石材であって、前記主原料となるスラグが粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなり、前記添加材の少なくとも一部が水砕スラグ微粉末からなり、前記スラグと添加材との混合物を炭酸化反応で生成させたＣａＣＯ3およびＭｇＣＯ3（但し、ＭｇＣＯ3が水和物、水酸化物塩または複塩として存在する場合を含む）をバインダーとして固結させ、塊状化したことを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【００２５】
[3] 上記[1]または[2]の人工石材において、全原料中の水砕スラグ微粉末の配合量が２〜２０ｗｔ％であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
[4] 上記[1]〜[3]のいずれかの人工石材において、水砕スラグ微粉末の粒度が０．００１〜１．５ｍｍであることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【００２６】
[5] 上記[1]〜[4]のいずれかの人工石材において、主原料であるスラグが地金回収処理または地金除去処理を経た粉粒状および／または粗粒状のスラグからなることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
[6] 上記[1]〜[5]のいずれかの人工石材において、空隙率が１０〜７０％であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【００２７】
[7] 上記[1]〜[6]のいずれかの人工石材において、主原料であるスラグの少なくとも一部が高炉水砕スラグであることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
[8] 上記[1]〜[7]のいずれかの人工石材において、添加材の一部が金属鉄、含金属鉄材、酸化鉄、含酸化鉄材の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【００２８】
[9] 上記[1]〜[7]のいずれかの人工石材において、添加材の一部が可溶性シリカおよび／または含可溶性シリカ材であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
[10] 上記[1]〜[7]のいずれかの人工石材において、添加材の一部がＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
[11] 上記[1]〜[10]のいずれかの人工石材において、人工石材が水中沈設用石材であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材。
【００２９】
[12] 鉄鋼製造プロセスで発生したスラグを主原料とし、この主原料と添加材との混合物を原料とする人工石材の製造方法であって、主原料である粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグに、添加材の少なくとも一部として水砕スラグ微粉末を混合し、該混合物による積み山または任意の空間内での充填層を形成し、該積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることにより前記混合物を固結させ、スラグおよび添加材が塊状化した石材を得ることを特徴とするスラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３０】
[13] 上記[12]の製造方法において、全原料中の水砕スラグ微粉末の配合量が２〜２０ｗｔ％であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[14] 上記[12]または[13]の製造方法において、水砕スラグ微粉末の粒度が０．００１〜１．５ｍｍであることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３１】
[15] 上記[12]〜[14]のいずれかの製造方法において、主原料であるスラグに水砕スラグ微粉末を混合した後、１２〜７２時間の湿空養生を行ない、しかる後、炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[16] 上記[12]〜[15]のいずれかの製造方法において、スラグの積み山若しくは充填層に炭酸ガス若しくは炭酸ガス含有ガスを吹き込むか、または積み山若しくは充填層を炭酸ガス若しくは炭酸ガス含有ガス雰囲気下に置くことを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３２】
[17] 上記[12]〜[16]のいずれかの製造方法において、主原料であるスラグとして、地金回収処理または地金除去処理を経た粉粒状および／または粗粒状のスラグを用いることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[18] 上記[12]〜[17]のいずれかの製造方法において、主原料であるスラグの少なくとも一部が高炉水砕スラグであることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[19] 上記[12]〜[18]のいずれかの製造方法において、添加材の一部が金属鉄、含金属鉄材、酸化鉄、含酸化鉄材の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３３】
[20] 上記[12]〜[18]のいずれかの製造方法において、添加材の一部が可溶性シリカおよび／または含可溶性シリカ材であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[21] 上記[12]〜[18]のいずれかの製造方法において、添加材の一部がＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2の中から選ばれる１種以上であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３４】
[22] 上記[12]〜[21]のいずれかの製造方法において、スラグの積み山または充填層の嵩比重／真比重を０．３〜０．９の範囲とすることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[23] 上記[12]〜[22]のいずれかの製造方法において、炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスを水中に通すことでＨ2Ｏを飽和させ、しかる後、スラグの積み山または充填層に炭酸化処理のために供給することを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３５】
[24] 上記[12]〜[23]のいずれかの製造方法において、固結した積み山または充填層を所望の大きさの塊状物に破砕し、該破砕による破面を有する塊状石材を得ることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[25] 上記[12]〜[24]のいずれかの製造方法において、スラグを最適水分含有率に水分調整した上で、該スラグの積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３６】
[26] 上記[12]〜[25]のいずれかの製造方法において、全量が粒度５０ｍｍ以下であって、累積粒度分布の小径側から３０重量％の粒度（Ｄ３０）が８００μｍ以下である粒度分布を有し、且つ水分含有率が３〜１０％であるスラグの積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
【００３７】
[27] 上記[12]〜[26]のいずれかの製造方法において、製造される人工石材が水中沈設用石材であることを特徴とする、スラグを主原料とする人工石材の製造方法。
[28] 上記[11]に記載の人工石材を、河川内において水が流れる人工構造部または人工河床に沈設または敷設することを特徴とする人工石材の使用方法。
[29] 上記[28]の使用方法において、人工石材を、魚道の少なくとも底部に沈設または敷設することを特徴とする人工石材の使用方法。
[30] 上記[28]または[29]の使用方法において、沈設または敷設された人工石材の上面が、破砕または破断により形成された破面であることを特徴とする人工石材の使用方法。
【００３８】
【発明の実施の形態】
本発明は鉄鋼製造プロセスで発生するスラグを主原料とする人工石材であり、主原料として利用されるスラグとしては、高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグ等の高炉系スラグ、予備処理、転炉、鋳造等の工程で発生する脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ、鋳造スラグ等の製鋼系スラグ、鉱石還元スラグ、電気炉スラグ等を挙げることができるが、これらに限定されるものではなく、また、２種以上のスラグを混合して用いることもできる。
【００３９】
これらのスラグのうち、代表的なスラグの組成の一例を以下に示す。
(1) 脱炭スラグ … Ｔ．Ｆｅ：１７．５％，ＣａＯ：４６．２％、ＳｉＯ2：１１．７％、Ａｌ2Ｏ3：１．４％、ＭｇＯ：８．３％、ＭｎＯ：６．２％、Ｐ：０．７６％、Ｓ：０．０４％
(2) 脱燐スラグ … Ｔ．Ｆｅ：５．８％，ＣａＯ：５４．９％、ＳｉＯ2：１８．４％、Ａｌ2Ｏ3：２．８％、ＭｇＯ：２．３％、ＭｎＯ：１．９％、Ｐ：２．８％、Ｓ：０．０３％
【００４０】
(3) 脱硫スラグ … Ｔ．Ｆｅ：１０．５％，ＣａＯ：５０．３％、ＳｉＯ2：１０．０％、Ａｌ2Ｏ3：５．４％、ＭｇＯ：１．１％、ＭｎＯ：０．４％、Ｐ：０．１３％、Ｓ：１．８％
(4) 脱珪スラグ … Ｔ．Ｆｅ：１０．５％，ＣａＯ：１３．６％、ＳｉＯ2：４３．７％、Ａｌ2Ｏ3：３．８％、ＭｇＯ：０．４％、ＭｎＯ：１５．８％、Ｐ：０．１０％、Ｓ：０．１９％
(5) 高炉水砕スラグ … ＦｅＯ：０．３％、ＣａＯ：４２．０％、ＳｉＯ2：３３．８％、ＭｎＯ：０．３％、ＭｇＯ：６．７％、Ａｌ2Ｏ3：１４．４％
【００４１】
なお、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグのうち、脱燐スラグはＰ含有量が高いために、また脱珪スラグはＭｎＯの含有量が高いために、それぞれセメント原料として使用するには難があるが、本発明ではこれらのスラグについても問題なく水中沈設用石材の主原料として利用することができる。
【００４２】
本発明の人工石材は、粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグを主原料とする。このようなスラグを主原料として用い、これを炭酸化反応で固結させることにより、全体（表面および内部）がポーラスな性状の石材を得ることができる。
【００４３】
主原料となるスラグは粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグの１種以上であればよく、その他の条件は任意である。したがって、以下に述べるような地金回収工程または地金除去工程を経たスラグでもよいし、そのような工程を経ないスラグでもよい。
【００４４】
鉄鋼製造プロセスで発生するスラグは、程度の差はあるものの比較的多量（通常、数重量％〜３０重量％程度）の地金（粒鉄等の鉄分）を含んでおり、一般には、このような鉄分を鉄鋼製造プロセスにリサイクルするために、スラグ中の地金回収が行われる。通常、この地金回収を行うためにスラグは粉砕処理され、したがって、元々粉化、粗粒化若しくは小塊化した状態にあるスラグを含め、地金回収工程を経たスラグは必然的に粉粒状、粗粒状若しくは小塊状のものとなる。通常、この地金回収工程を経たスラグ粒子の粒径はｃｍオーダーまたはそれ以下（例えば、５ｃｍ以下）のものである。
【００４５】
ここで、地金回収処理とは、上述したようにスラグ中に含まれる地金のリサイクルを目的としてスラグ中から地金を回収する処理のことであり、例えば、後述する地金除去処理のようにスラグ中の地金を実質的に除去することを目的として行われる処理とは異なる。一般に地金回収処理においてはスラグは微細には粉砕されず、このため処理後のスラグ中には未だ相当量の地金が残存している。
【００４６】
なお、スラグを水中沈設用石材の素材とする場合、一般にはスラグ中の鉄分含有率は、後述する地金除去処理を経たスラグを石材の素材とする場合ほど低くなくてもよく、むしろ適量の鉄分（特に、粒鉄等の金属鉄や含金属鉄材）が含まれていた方がよい。これは、スラグに適量含まれる鉄分（金属鉄、含金属鉄材等）が水中に溶出することにより、水中に栄養塩として鉄分が補給され、これが海藻類等の水生植物の育成に有効に作用するからである。このため通常は、スラグ中の鉄分含有率は３重量％以上とすることが適当である。
【００４７】
このようなスラグ中の鉄分は、スラグ中に元々含まれる地金（粒鉄等）の一部または全部を回収することなく残存させ、これをそのまま利用してもよいし、或いは一旦スラグ中の地金の実質的な全部（不可避的に除去できない地金を除く）を地金除去処理により除去した後、添加材として金属鉄および／または含金属鉄材を添加することにより確保してもよい。
【００４８】
この後者の方法、すなわち、一旦スラグ中の地金の実質的な全部を地金除去処理により除去した後に添加材として金属鉄および／または含金属鉄材を添加する方法の場合には、以下のような利点がある。
(1) スラグ中に元々含まれる地金（粒鉄等）の一部を回収することなく残存させる方法では、スラグ中に残存させる地金の量を正確に調整することが難しい。すなわち、スラグ中からの地金の回収は磁気選別等により行われるが、この磁気選別処理の性質上、一定量の地金が残存するように地金の回収を行うことはかなり難しく、また、これが可能な場合であっても磁気選別を行う上で煩雑な制御や操作を行う必要がある。これに対して後者の方法では、スラグ中に元々含まれる地金の実質的な全部を除去回収し、改めて粒鉄等の金属鉄や含金属鉄材を添加するものであるため、スラグ中に含まれる鉄分の含有量を任意に制御することができる。
【００４９】
(2) また、上記と同様の理由から、前者の方法、すなわちスラグ中に元々含まれる鉄分（粒鉄等）の一部を回収することなく残存させる方法では、スラグ中に残存させる地金の形状や大きさを選択できない。一般に水中沈設用石材を構成すべきスラグ中に含まれる鉄分としては金属鉄である所謂粒鉄が好ましいが、スラグ中から磁気選別等により地金の一部を除去回収する場合、このような粒鉄が残存するとは限らず、むしろ粒鉄が回収除去され、形状の大きい地金が残存してしまうこともあり得る。これに対して上記後者の方法では、スラグ中に添加する金属鉄等の形状や大きさを任意に選択でき、粒鉄等の好ましい鉄源をスラグ中に含有させることができる。
【００５０】
したがって、金属鉄や含金属鉄材を含むスラグを得るには、一旦スラグ中の地金の実質的な全部（不可避的に除去できない地金を除く）を地金除去処理により除去した後、改めて金属鉄や含金属鉄材を添加するのが最も好ましい。
一般に地金除去処理はスラグを粉粒状または粗粒状に粉砕処理した後、磁気選別等により行われ、したがって、元々粉粒化または粗粒化した状態にあるスラグを含め、地金除去処理を経たスラグは必然的に粉粒状および／または粗粒状のもの（通常、５０ｍｍオーダーまたはそれ以下のスラグ粒径）である。
【００５１】
上記の地金除去処理では、不可避的に残存する地金成分を除きスラグ中の地金は可能な限り除去されることが好ましく、通常、地金除去処理後のスラグ中の鉄分（地金）含有率は３重量％未満とすることが好ましい。
そして、このような地金除去処理を経たスラグに対して、粒鉄などの金属鉄および／または含金属鉄材が適量添加され、金属鉄や含金属鉄材を含む所望の鉄分含有量を有するスラグが得られる。
【００５２】
スラグ中に添加する金属鉄や含金属鉄材としては、スラグを成型する際に形状の大きい金属鉄や含金属鉄材が成型の邪魔にならないようにすること、スラグ中に含まれる金属鉄等の比表面積を大きくして水中に沈設された石材からの鉄分の溶出性を高めること等の観点から、粒径が小さく且つ大きさのある程度揃ったものが好ましく、このような観点からは粒鉄が最適である。また、この粒鉄としては、スラグから回収された粒鉄だけでなく、それ以外で調達できる任意の粒鉄を使用できる。
【００５３】
一般に、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグには相当量（通常、２０重量％〜６０重量％）のＣａＯが含まれており、本発明の人工石材は、このスラグ（粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグ）に含まれているＣａＯ若しくはこのＣａＯが変化したＣａ（ＯＨ）2を炭酸化反応によりＣａＣＯ3に変化させ、このＣａＣＯ3をバインダーとしてスラグ（および添加材粒子）粒子を固結させ、塊状化したものである。
【００５４】
粒状物をＣａＯとＣＯ２との反応、すなわち炭酸化反応により生じるＣａＣＯ３を利用して固結させること自体は古くから知られた技術であり、ＣａＯを含む粒状物を炭酸ガス雰囲気下に置くと、下記反応式によってＣａＣＯ３が生成し、このＣａＣＯ３をバインダーとして粒子間に固結現象を生じる。
ＣａＯ＋ＣＯ２ → ＣａＣＯ３
【００５５】
従来、このような炭酸化反応を利用した技術としては、例えば製鋼風砕スラグと水との混練物を原料として建材用途等の硬化体製品を製造する方法（例えば、特開昭５８−７４５５９号）、先に述べた粉末状の転炉スラグとポルトランドセメントとの混合物を原料として高強度建材用の硬化体製品を製造する方法（例えば、特開昭５２−１４０５３５号）、非焼成ペレットの製造法（例えば、特開昭５７−９２１４３号、特開昭５８−４８６４２号、特開昭５８−１３３３３４号）等が提案されている。しかしこれらの従来技術は、いずれも所要の強度を有する硬化体製品や非焼成ペレットを短時間で製造することのみを目的としたものであり、粉粒状、粗粒状または小塊状のスラグを炭酸化反応により固結させて得られた石材が、その特性や性状面で藻場用等の水中沈設用石材として極めて好適なものであることについては、何も示していない。水砕スラグの炭酸化硬化を利用するものあるいは、水砕スラグの炭酸化反応を活性化させる技術は明示されていない。
【００５６】
また、ＭｇＯを含む粒状物についても、これを炭酸ガス雰囲気下に置くと炭酸化反応によりＭｇＣＯ3が生成し、このＭｇＣＯ3をバインダーとして粒子間に固結現象を生じる。ＭｇＯの炭酸化反応により生じるＭｇＣＯ3は無水和物、水和物（例えば、二水和物、三水和物、五水和物等）、水酸化物塩（塩基性炭酸マグネシウム）等の多様な形態をとるが、例えば、ＭｇＣＯ3の三水和物は下記反応式によって生成される。
ＭｇＯ＋ＣＯ2＋３Ｈ2Ｏ → ＭｇＣＯ3・３Ｈ2Ｏ
【００５７】
大部分のスラグにはＣａＯとともにある程度の量のＭｇＯが含まれており、このようなスラグ（粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグ）を原料とする本発明の人工石材は、ＭｇＯまたはこのＭｇＯが変化したＭｇ（ＯＨ）2についても上記炭酸化反応によりＭｇＣＯ3に変化させ、このＭｇＣＯ3とＣａＣＯ3をバインダーとしてスラグ粒子（および添加材粒子）を固結させ、塊状化したものである。
【００５８】
なお、上述したようにＭｇＯの炭酸化反応により生じるＭｇＣＯ３は無水和物、水和物、水酸化物塩等のように種々の形態をとるものであり、本発明の人工石材中にバインダーとして含まれるＭｇＣＯ３は、これらのうちの何れの形態のＭｇＣＯ３でもよい。例えば、ＭｇＣＯ３の水和物としては、ＭｇＣＯ３・２Ｈ２Ｏ、ＭｇＣＯ３・３Ｈ２Ｏ、ＭｇＣＯ３・５Ｈ２Ｏ等があり、また、水酸化物塩（塩基性炭酸マグネシウム）としてはＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・３Ｈ２Ｏ、４ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・４Ｈ２Ｏ、４ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・５Ｈ２Ｏ、４ＭｇＣＯ３・Ｍｇ（ＯＨ）２・８Ｈ２Ｏ等がある。さらに、ＭｇＣＯ３は他の塩と結合して種々の複塩を形成する場合があり、このような複塩の形態で存在するＭｇＣＯ３でもよい。
【００５９】
また、鉄鋼製造プロセスにおいて発生したスラグは、これに含まれるＣａＯやＭｇＯの一部または全部が経時的な水分の吸収或いは他の原因でＣａ（ＯＨ）2やＭｇ（ＯＨ）2に変化する場合があるが、上記のように本発明で利用するスラグとしては何ら問題なく、これらＣａ（ＯＨ）2やＭｇ（ＯＨ）2も炭酸化反応によりそれぞれＣａＣＯ3、ＭｇＣＯ3に変化し、本発明の人工用石材が得られる。
【００６０】
本発明の人工石材の原料スラグ中には、添加材の少なくとも一部として少量の水砕スラグ微粉末が添加され、この水砕スラグ微粉末中に含まれるＣａＯの炭酸化反応で生成させたＣａＣＯ３がバインダーの一部としてスラグ粒子の固結に寄与する。水砕スラグ微粉末は例えば、高炉水砕スラグを０．１ｍｍ以下に粉砕したものである。
【００６１】
通常、水砕スラグ微粉末は４０ｗｔ％程度のＣａＯを含んでおり、これが炭酸化反応により生成するバインダーの一部となり、石材の強度を向上させる。炭酸化反応でバインダー化するＣａＯ源を主原料であるスラグ中のＣａＯだけに求めた場合、スラグ粒子どうしを十分な強度で結合させるためのバインダー（ＣａＣＯ3、ＭｇＣＯ3）の量が不足し、種々の用途に使用される人工石材（特に、長期間水中に置かれる水中沈設用石材）としての強度が十分に確保できない。
【００６２】
先に述べたように鉄鋼副生物である水砕スラグは、従来ではセメント混和材として多く使用されているが、ガラス質であるためにアルカリ刺激を受けないとＣａＯの溶解能が乏しく、そのままでは炭酸化反応性が乏しい。この水砕スラグ微粉末のガラス質は、アルカリによってガラス質を形成するケイ酸塩ネットワークが分断される性質を有しており、ケイ酸塩ネットワークがアルカリにより分断されると、内部のＣａＯが水に溶解しやすい状態となるため、そこに炭酸ガスが存在すると容易に炭酸化反応を生じ、スラグのバインダーとなるＣａＣＯ3を生成する。そこで、水砕スラグ微粉末をガラス質を形成するケイ酸塩ネットワークが分断された状態とするために、水砕スラグ微粉末を混合した原料スラグに対して適当な湿空養生を行うことが好ましく、これについては後に詳述する。
【００６３】
添加材である水砕スラグの炭酸化反応で生じたＣａＣＯ3を原料スラグ粒子のバインダーとして有効に機能させるためには、水砕スラグが微粉末である必要があり、具体的には粒度が０．１ｍｍ以下のものが好ましい。粒度が０．１ｍｍを超えるような水砕スラグはもはや微粉末とは言えず、主原料であるスラグ粒子のバインダーとして十分が機能を発揮できない。
【００６４】
水砕スラグ微粉末の配合量は、全原料中の割合で２〜２０ｗｔ％とすることが好ましい。水砕スラグ微粉末の配合量が２ｗｔ％未満では強度の向上効果が小さく、また、原料全体に水砕スラグ微粉末を均一に分散させることが難しい。一方、水砕スラグ微粉末の配合量が２０ｗｔ％を超えると、その添加による石材強度の向上効果が飽和するため、却って経済性を損なう。
【００６５】
本発明の人工石材には種々の用途に応じて、特に水中沈設用石材として利用される場合に適用すべき水中の状況等に応じてそれぞれ好適な組成とするために、必要に応じて原料スラグに対して水砕スラグ微粉末以外の各種の添加材（粉粒状、粗粒状または小塊状の添加材）を添加することができる。この添加材としては、例えば可溶性シリカ源となる粉粒または粗粒物（可溶性シリカ、含可溶性シリカ材）、先に述べたような鉄源となる粉粒または粗粒物（金属鉄、含金属鉄材、酸化鉄、含酸化鉄材）、粉粒状または粗粒状のＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2等が挙げられる。
【００６６】
人工石材を水中沈設用石材として用いる場合、水中沈設用石材に含まれる可溶性シリカや鉄源（金属鉄、酸化鉄）は、これらが水中に溶出することにより海藻類等の水生植物の成育に有効に作用する。また、水中への溶出性、海藻類等の成育作用の点からは、鉄源の中でも特に金属鉄や含金属鉄材が好ましい。
【００６７】
また、原料中にＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2の１種以上を添加する場合、これらは炭酸化反応によりＣａＣＯ3、ＭｇＣＯ3に変化してバインダーの一部となるか、若しくは一部がＣａＯ等として残存して、以下のような機能を果たす。すなわち、水中沈設用石材に少量含まれるＣａＯは、海底に赤潮の原因となる燐や青潮の原因となる硫黄が多く含まれる場合にこれら燐や硫黄を吸着し、赤潮や青潮の発生を防止するのに効果がある。なお、先に述べたように石材中にＣａＯが多量に含まれる場合には海水のｐＨを上昇させるという問題があるが、燐や硫黄を吸着するには炭酸固化後に残存する程度の少量のＣａＯが含まれていれば足りる。
【００６８】
可溶性シリカ源となる粉粒または粗粒物としては、粉粒状または粗粒状の可溶性シリカおよび／または含可溶性シリカ材がある。この含可溶性シリカ材としては、火力発電所等において石炭燃焼により生じるフライアッシュやクリンカーアッシュ等を用いることができる。これらのうちフライアッシュは４５〜７５重量％程度、またクリンカーアッシュは５０〜６５重量％程度の可溶性シリカを含有している。
【００６９】
鉄源となる粉粒または粗粒物としては、粒鉄等のような粉粒状若しくは粗粒状の金属鉄または含金属鉄材、粉粒状若しくは粗粒状の酸化鉄または含酸化鉄材等があり、特に容易且つ安価に入手できる粉粒または粗粒物としては、鉄鋼製造プロセスで発生する含鉄ダストやミルスケールが挙げられる。含鉄ダストとしては製鉄ダストが一般的であり、通常、このダストはＦｅ換算で７５％前後の酸化鉄を含有している。また、ミルスケールもＦｅ換算で７０％前後の酸化鉄を含有している。
また、添加材としては上記のものに限らず、石材の用等に応じて種々の成分の添加材（例えば、陸生植物用の緑化ブロックにあっては、肥料成分を含む添加材）を添加することができる。
【００７０】
また、高炉水砕スラグは可溶性シリカを比較的多く含んでいるため、主原料となるスラグの一部または全部を高炉水砕スラグとすること、例えば製鋼スラグと高炉水砕スラグとを混合して用いることにより、可溶性シリカ源となる添加材を添加した場合と同様の効果が得られる。
【００７１】
また、先に述べたようにヘドロが堆積したような海底に比重の大きい石材を沈設した場合には、石材がヘドロのなかに沈んでしまい、藻場用石材や魚礁等としての役目を果たせなくなる場合がある。したがって、このようなヘドロの堆積した海域で使用する水中沈設用石材については、比較的比重の小さいスラグを主原料とすることが好ましく、具体的には、他のスラグに比べて比重の小さい水砕スラグを主原料の少なくとも一部として用いることが有効である。
【００７２】
粉粒状、粗粒状または小塊状のスラグを主原料とする本発明の人工石材は比較的ポーラスな性状を有しており、これにより水中沈設用石材として用いる場合に下記▲３▼で述べるような効果が得られる。石材の空隙率は特に限定しないが、通常、１０〜７０％程度の空隙率とすることが好ましい。この空隙率は、炭酸固化させる際の原料スラグの嵩密度（圧密度）を調整することにより容易に調整できる。
【００７３】
本発明の人工石材は様々な用途に使用することができ、例えば、陸生植物植生用の土木材料、路面敷設用の土木材料、傾斜面・崖や護岸用として設置される土木材料、建築材料等のような土木・建築材料、海、河川、湖沼、池等沈設される水中沈設用石材等、広汎な用途に使用できる。また、水中沈設用石材として利用される場合、例えば、海においては藻場用石材、築磯用石材、魚礁用石材、海底マウンド用石材、水質浄化用石材として、河川においては河床用石材、魚道用石材、水質浄化用石材等として、湖沼や池においては水底用石材、水質浄化用石材等として、それぞれ水中に沈設または敷設されることにより使用される。また、この石材を水中に設置する態様は任意であり、単に沈設するだけでなく、適当な構造部等に固定的に敷設してもよい。
【００７４】
また、本発明の人工石材を水中沈設用石材として用いる場合、石材の一部が水面上に露出したり、或いは水位の変動により全体が一時的に水面上に露出するような態様でも使用できることは言うまでもない。これらの例としては、例えば、海岸、河原、河川の水際部等に敷設する石材、海岸や河川の護岸用として法面に敷設する石材等が挙げられる。また、沈設または敷設する態様としては、単に塊状の石材をランダムに沈設、敷設するだけでなく、中塊・大塊状の石材を石積みする態様、小塊・中塊状の石材を蛇籠等に収納して積み上げる態様、ブロック状の石材を組み付けて敷設する態様等、任意の態様を採用できる。
【００７５】
また、本発明の人工石材は魚道用石材等のように人工構造部や人工河床に沈設または敷設される水中沈設用石材としても好適であり、このうち魚道用石材としては、少なくとも魚道の底部に沈設若しくは固定的に敷設される。また、魚道以外にも、例えば、水が流れる人工構造部の上面（例えば、堰等の頭首工の一部または全部を構成する人工構造部の緩傾斜面）や固定的に構築された人工河床（例えば、石張りまたは石組により構築された河床）等、任意の構造部に固定的に敷設することもできる。
【００７６】
本発明の人工石材を土木・建築材料や水中沈設用石材等として使用する際の形態（大きさや形状等）は任意であり、例えば、大きさとしては１０００ｍｍ以上のオーダーから数十ｍｍ程度のオーダーまで、用途に応じて適宜選択すればよい。
また、石材の形状としては、後述するように炭酸固化したスラグの積み山または充填層から重機等による破砕によって石材を切り出せばランダムな形状の塊状石材が得られるし、スラグを適当な大きさの充填層で炭酸固化させれば、その充填層の形状のままの塊状石材が得られる。また、この後者の場合には、石材の形状は球状、パネル状、直方体または立方体ブロック形状、円筒形状、容器形状等、任意の形状を選択でき、また、それらの形状において任意の孔、凹み、溝、突起等を付けることもできる。
【００７７】
また、魚道や他の人工構造部或いは人工河床等に固定的に敷設する場合には、施工がしやすく、且つ場合によっては石材の石組だけで固定的に敷設できるようにするため、ブロック状、パネル状またはタイル状若しくはそれに近い形状（定形材）で使用することが好ましい。但し、魚道等においても、その底部に非定形の塊状石材を単に沈設するような形態で用いてもよい。
【００７８】
本発明の人工石材は、上述した各種用途に適用される石材として以下のような長所を有する。
▲１▼ セメント等のような工業製品を用いることなく、主原料および添加材ともにスラグだけを利用して高強度の人工石材を経済的に得ることができ、スラグの利材化を理想的な形で実現できる。
【００７９】
また特に、水中沈設用石材として以下のような長所を有する。
▲２▼ スラグ中に含まれるＣａＯ（またはＣａＯから生成したＣａ（ＯＨ）2）の大部分がＣａＣＯ3に変化するため、ＣａＯによる海水のｐＨ上昇を防止できる。一般に自然石（石灰石）のｐＨは９．３程度、コンクリートのｐＨは１２〜１２．５程度であるが、本発明の人工石材は製造時の上記中和反応により自然石並みのｐＨ１０前後とすることができる。また、Ｃａ分と水中のＭｇイオンとの反応による白沈の発生も防止できる。
一方において、スラグに適量の鉄分（特に、金属鉄、含金属鉄材）が含まれることにより、この鉄分が水中に溶出することで水中に栄養塩として鉄分が補給され、これが海藻類等の水生植物の育成に有効に作用する。
【００８０】
▲３▼ 粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグを炭酸固化して得られた塊状物は全体（表面及び内部）がポーラスな性状を有しており、このため石材表面に海藻類が付着し易く、しかも石材内部もポーラス状であるため、石材中に含まれている海藻類等の水生植物の成育促進に有効な成分（例えば、可溶性シリカや鉄分）が水中に溶出しやすい。このため塊状スラグをそのまま水中沈設用石材として用いる場合やスラグを骨材とするコンクリート製魚礁に較べて、海藻類等の水生植物の成育を効果的に促進することができる。
【００８１】
特に、藻場造成場所等において沈設される石材への海藻類の増殖、生育を効果的に促進するためには、石材表面での海藻類の幼体の生育を促進させる必要がある。この点、本発明の人工石材から水中に溶出する有効成分は、海藻類の個体が石材に近いほど効果的に作用するため、海藻類の幼体の生育に特に有効であり、このため海藻類の幼体の生育を効果的に促進させることができる。
【００８２】
▲４▼ 塊状スラグそのものを水中沈設用石材として用いる場合、溶融スラグの冷却方法や条件等の制約により一般にその大きさには限界（通常、最大でも８００ｍｍ程度）があり、また、サイズの揃った大塊の石材を得ることは難しい。これに対して粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグを炭酸固化させた石材は、炭酸固化させる際の形状の選択或いは炭酸固化後の切り出し形状の選択等によりその大きさを任意に調整することができ、藻場用石材や魚礁等として特に好ましい大塊の石材も容易に得ることができる。また、河川や湖沼、池等のための石材としても、置き石用の大塊の石材、河床や水底に沈設または敷設する中塊の石材、小塊の石材（割石状の石材）等、任意の大きさの石材を容易に得ることができる。
【００８３】
▲５▼ 水中沈設用石材は海底や河床の状況、海流や水流の状況等に応じて最適の密度（比重）のものを用いることが好ましく、例えばヘドロが堆積したような海底に密度の大きい石材を沈設した場合には、石材がヘドロのなかに沈んでしまい、藻場用石材や魚礁としての役目を果たせなくなる。この点、粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグを炭酸固化させた石材は、炭酸固化させる際のスラグの嵩密度（圧密度）を適宜調整することにより、その密度を任意に調整することができる。
【００８４】
▲６▼ 本発明の人工石材は、水質浄化用石材としても優れた機能を有している。すなわち、本発明の人工石材は上記▲３▼で述べたように石材全体（表面及び内部）がポーラスな性状を有しているため、優れた微生物担体機能（多様な生物、特に微生物を安定して棲息させる機能）を有しており、多様な微生物を固定して微生物による有機性汚濁物質の分解と窒素化合物の硝化を効率的に促進させる。さらに、上述したような水生植物の植生基盤としての優れた機能により、藻類のような水生植物、さらには湿性植物の生育環境を提供し、植物による富栄養分の吸収を促進させることにより自然の水質浄化能力を向上させる。さらに、この石材で育成された水生植物は水生生物の餌や棲家を提供するため、多様な生物間での食物連鎖の環境が確保され、生物の生態系、食物連鎖による水の自浄作用を促進させる。そして、このような微生物担体機能と植生基盤としての機能が複合化することにより、従来のようなコンクリート製の水質浄化ブロックでは得られない優れた水質浄化作用が得られる。
【００８５】
▲７▼ 通常、本発明の人工石材は固結した積み山または充填層から切り出されることによって岩状のごつごつした形態を有するため、これを河床や湖沼の水底等に沈設または敷設した場合、一般の河川で見られるような丸石またはこれに類する形状の自然石に較べて石材間や石材と河底と間に大きな空間を生じやすく、その分、水中生物にとって有用な生存、休息空間が形成されやすい。
【００８６】
また、先に述べたように本発明の人工石材は、河川用途のなかでも特に魚道等の水が流れる人工構造部用や人工河床用の石材（以下は、魚道用石材を例に説明する）として好適なものであり、このような用途の石材として用いた場合、上記の点以外に以下のような長所を有する。
【００８７】
▲８▼ 粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグを炭酸固化して得られた塊状物の表面はポーラスな性状で、無数の凹凸を有しているため、これを魚道の底部等に沈設または敷設した場合には、河床（石等の表面の突起や水生植物）に爪等を引っ掛けながら移動するような水中生物（例えば、甲殻類や水生昆虫等）であっても魚道を容易に移動することができる。また特に、本発明の人工石材は上述したようにポーラスで凹凸のある表面を有し且つｐＨも自然石並みであり、また有効成分も溶出しやすい性質があるため、表面に藻類等の水生植物が付着、生育しやすく、このような水生植物の付着、生育により上記水中生物の魚道での移動がより容易になる。
【００８８】
▲９▼ 魚道用として石材を用いる場合、魚道内に塊状の石材を単に沈設するだけでもよいが、水流による石材の流失を防止するには、ブロック状またはパネル状等の形状に成型した石材を魚道等の底部に固定的に敷設することが好ましい。この点、スラグを炭酸固化させて得られる石材は製造時に任意の形状に成型することが可能であるため、ブロック状またはパネル状等の形状のものを容易に得ることができ、このような石材を用いることにより魚道等の底部に固定的に敷設する際の施工が容易であり、しかも、確実に敷設することができる。
【００８９】
次に、本発明の人工石材の製造法について説明する。
本発明による人工石材の製造法では、主原料である粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグのうちの１種以上からなるスラグに、添加材の少なくとも一部として水砕スラグ微粉末を混合し、好ましくはこの混合物を湿空養生した後、この混合物による積み山または任意の空間内での充填層を形成するか、混合物の積み山または任意の形状の空間内で充填層を形成した後に、湿空養生し、この積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせることにより前記混合物を固結させ、スラグおよび添加材が塊状化した石材を得る。
【００９０】
図１は本発明法の製造フローの一例を、また図２はこの製造フローに従った製造工程の一例を示している。鉄鋼製造プロセスで発生したスラグについては、一般にスラグ中の地金の回収が行われ、スラグ中に含まれる相当程度の割合の地金分が除去される。通常、この地金回収工程ではスラグを粉砕機等によりｃｍオーダーまたはそれ以下の粒径（例えば、５ｃｍ以下）まで粉砕し、粉粒状、粗粒状若しくは小塊状スラグとした後、地金の回収が行われる。スラグは地金回収が可能な程度の粒径であればよく、したがって、スラグの性状等により比較的粒度が粗くても地金回収が可能なものについては、地金除去可能な粒径までスラグを粉砕すればよい。
【００９１】
また、上記の地金回収では、回収処理後のスラグ中の地金含有率が後述する地金除去処理後ほど低くなくてもよく、適量の地金を残存させてよい。これは、人工石材を水中沈設用石材として用いる場合、スラグ中に適量含まれる鉄分（特に、金属鉄、含金属鉄材）が水中に溶出することにより、水中に栄養塩として鉄分が補給され、これが海藻類等の水生植物の成育に有効に作用するからである。このため特に水中沈設用石材の場合には、通常は回収処理後の含有率で３重量％以上の地金がスラグ中に残存する程度の回収を行えばよい。
【００９２】
また、スラグによっては地金回収が可能な程度の粒径に自然崩壊した状態（すなわち、粉粒状、粗粒状若しくは小塊状に自然崩壊した状態）で搬入されるものもあり、このようなスラグについては上述したような粉砕処理は必要ない場合もある。例えば、スラグ中に含まれる未滓化のＣａＯがスラグの冷却固化後、空気中の水分または雨水、冷却時の散水等と反応してＣａ（ＯＨ）2を生成し、この生成時にスラグが膨張して崩壊、粉化する場合や、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）が２に近いスラグ中に２ＣａＯ・ＳｉＯ2（Ｃ2Ｓ）が生成し、このＣ2Ｓがスラグ冷却過程で変態膨張を起こし、スラグが崩壊、粉化する場合等があり、これらの原因で既に地金回収が可能な程度の粒径まで粉化、粒状化若しくは小塊化したスラグについては、そのまま地金回収を実施することができる。
【００９３】
通常、スラグの地金回収は磁気選別機等による磁気選別（磁石によりスラグ中の地金分を除去する方法）により行われるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、地金成分とスラグ成分との比重差を利用した風力選別等の比重選別法を用いることもできる。
この地金回収によって、スラグ中に含まれる相当量の地金成分が回収される。図２において、１は粉砕機、２は磁気選別機を示す。
【００９４】
なお、一般に地金回収工程を経たスラグの多くは、程度の差こそあるものの粉粒状または粗粒状のスラグ粒子が或る一定以上の割合で含まれ、したがって、スラグ中に比較的粒径の大きい小塊状のスラグ粒子が混在していても、小塊状のスラグ粒子どうしの隙間を粉粒状または粗粒状のスラグ粒子が埋めるため、スラグ粒子を所定の強度を持つ状態に炭酸固化させるのに支障を生じる恐れはほとんどない。但し、スラグが実質的に小塊状のスラグ粒子のみからなる場合やスラグ中に占める小塊状のスラグ粒子の割合が比較的多い場合には、スラグ粒子どうしの接触面積が小さくなるため、スラグ粒子を所定の強度を持つ状態に炭酸固化させるのに支障を生じる恐れがある。したがって、このような場合には、粉粒状または粗粒状のスラグ粒子の割合を増やす等の粒度調整を行うことが好ましい。
【００９５】
また、スラグ中の鉄分は、上記のようにスラグ中に元々含まれる地金（粒鉄等）の一部または全部を回収することなく残存させ、これをそのまま利用してもよいが、先に述べたようにスラグ中に含まれる鉄分の含有量を任意に制御し、且つスラグ中に含まれる鉄分の形状や大きさを任意に選択して、粒鉄等の好ましい鉄源をスラグ中に含有させるためには、一旦スラグ中の地金の実質的な全部（不可避的に除去できない地金を除く）を地金除去処理により除去した後、添加材として金属鉄および／または含金属鉄材を添加する方法を採る方が好ましい。
【００９６】
一般に、この地金除去処理はスラグを粉砕機等によりｍｍオーダーまたはそれ以下の粒径（例えば、５ｍｍ以下）まで粉砕した状態で行われる。但し、スラグは地金除去処理が可能な程度の粒径であればよく、したがって、スラグの性状等により比較的粗粒状でも地金除去が可能なものについては、地金除去可能な粒径までスラグを粉砕すればよい。また、自然粉化等により既に粉粒化または粗粒化しているスラグについては、上記のような粉砕処理は必要ない場合もある。地金除去処理では、不可避的に残存する地金成分を除き、スラグ中の地金は可能な限り除去されることが好ましく、通常、地金除去処理後のスラグ中の地金含有率を３重量％未満とすることが好ましい。
【００９７】
通常、地金除去処理は磁気選別機等による磁気選別（磁石によりスラグ中の地金分を除去する方法）により行われるが、必ずしもこれに限定されるものではなく、例えば、地金成分とスラグ成分との比重差を利用した風力選別等の比重選別法を用いることもできる。
【００９８】
以上のような地金回収処理または地金除去処理を経たスラグは、粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状状スラグのうちの１種以上からなるスラグである。但し、原料スラグは粉粒状スラグ、粗粒状スラグ、小塊状スラグの１種以上であればよく、したがって、上記のような地金回収工程や地金除去工程を経ることを必要条件とするものではない。
【００９９】
このように原料スラグには添加材として少量の水砕スラグ微粉末が添加され、さらに必要に応じて他の添加材が添加され、原料スラグと混合される。また、この段階において、必要に応じてスラグの水分調整を行うこともできる。この水分調整については、後に詳述する。
水砕スラグ微粉末の配合量は、全原料中の割合で２〜２０ｗｔ％とすることが好ましく、また、水砕スラグ微粉末の粒度は０．１ｍｍ以下とすることが好ましい。これらの理由は先に述べた通りである。
【０１００】
このように水砕スラグ微粉末が添加、混合されたスラグ（原料スラグと添加材との混合物）は、炭酸化処理の前に湿空養生させることが好ましい。
先に述べたように水砕スラグ微粉末はガラス質であるためにアルカリ刺激を受けないとＣａＯの溶解能が乏しく、そのままでは炭酸化反応性が乏しい。水砕スラグ微粉末の炭酸化反応性を向上させるためには、アルカリによってガラス質を形成するケイ酸塩ネットワークを分断することが必要であり、このようにケイ酸塩ネットワークが分断された水砕スラグ微粉末は、内部のＣａＯが水に溶解しやすい状態となり、炭酸化反応性が大きく向上する。
【０１０１】
このように水砕スラグ微粉末のガラス質を形成するケイ酸塩ネットワークをアルカリにより分断し、炭酸化反応性を高めるためには、水砕スラグ微粉末を混合したスラグに対して適当な湿空養生を行なうことが有効であることが判った。すなわち、この湿空養生によって水砕スラグ微粉末をアルカリ溶解させることにより、炭酸化反応性を向上させるものである。このアルカリ溶解にはある程度の時間が必要であるため、原料スラグと水砕スラグ微粉末を混合した後直ちに炭酸化処理を行うと、水砕スラグ微粉末周囲の水のアルカリ性が低下し、アルカリ溶解の効果が得られない。
【０１０２】
この湿空養生は、例えば、原料スラグと水砕スラグ微粉末（必要に応じて他の添加材）の混合物を適当な水分の存在下で混練した後、この混合物をビニールシートで覆うなどして水の乾燥を防ぐ簡単な方法でよい。また、この湿空養生は炭酸化処理のための原料の積み山または充填層の形成前に行なってもよいし、炭酸化処理のために原料を積み山または充填層とした状態で行なってもよい。また、湿空養生中に原料中の水分が不足した場合は、再度ミキサー等で水分を添加混練することも可能である。
【０１０３】
上記のように水砕スラグ微粉末をアルカリ溶解させ、その炭酸化反応性を向上させるための湿空養生条件について調査、検討した結果、湿空養生時間を１２時間以上確保すれば、炭酸化反応性の向上効果が十分に得られることが判った。一方、湿空養生時間を長くしても、つきあがった石材の強度はあまりあがらず、製造に時間がかかり不経済であるため、湿空養生時間は７２時間を上限とすることが好ましい。
【０１０４】
なお、水砕スラグ微粉末以外の添加材としては、例えば可溶性シリカ源となる粉粒または粗粒物（可溶性シリカ、含可溶性シリカ材）、鉄源となる粉粒または粗粒物（金属鉄、含金属鉄材、酸化鉄、含酸化鉄材）、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）2、ＭｇＯ、Ｍｇ（ＯＨ）2等の１種以上を添加することができ、その具体例は先に述べた通りである。なお、スラグ中に添加する金属鉄や含金属鉄材としては、先に述べた理由から粒鉄が最適である。この粒鉄としては、スラグから回収された粒鉄だけでなく、それ以外で調達できる任意の粒鉄を使用できる。
【０１０５】
また、これらのなかでも可溶性シリカや鉄源（金属鉄、酸化鉄）は、人工石材を水中沈設用石材として用いた場合に、これらが水中に溶出することにより海藻類等の水生植物の成育に有効に作用する。また、水中への溶出性、海藻類等の水生植物の成育作用の点からは、鉄源の中でも特に金属鉄や含金属鉄材が好ましい。
【０１０６】
また、原料スラグと添加材との混合は任意な方法で行うことができ、例えば、モルタルミキサーやコンクリートミキサー等の混練機で混合する方法、ホッパー内で混合する方法、地金回収設備または地金除去処理設備内で地金回収または地金除去処理済みのスラグに添加材を添加して混合する方法、ショベル等の重機により混合する方法等、任意の方法を採ることができる。
【０１０７】
上記のように添加材として水砕スラグ微粉末が添加（さらに必要に応じて他の添加材が添加）され、所定時間の湿空養生を経たスラグは、炭酸化処理のために山積みまたは任意の空間内に充填される。なお、上述したように湿空養生はこの原料を積み山または充填層とした状態で行なってもよい。
また、湿空養生後、炭酸化処理のために山積みまたは任意の空間内に充填される前に、必要に応じてスラグの水分調整を行ってもよい。
【０１０８】
ここで、スラグを山積みする場合には野積みで構わないが、吹き込まれる炭酸ガスが積み山全体に十分に流れるようにし、且つスラグの飛散や雨水等による流失を避けるため、積み山をシート等で覆うことが好ましい。
【０１０９】
また、スラグの山積みまたは充填には、例えば三方を仕切壁で囲んだようなピット、四方を仕切壁で囲んだ型枠または容器等を用いることができる。このうちピット内にスラグを山積みまたは充填する場合にも、上記野積みの場合と同様に、積み山または充填層をシート等で覆うことが好ましい。また、型枠または容器を用いる場合にも、スラグの充填層をシートで覆うか或いは蓋体を設けることが好ましい。図２は、型枠３の内部に充填層Ａを形成した状態を示している。
【０１１０】
スラグの山積み量または充填量は特に限定されず、例えば数トンないし数百トン規模の山積み量または充填量としてもよいし、或いは石材１個ないし数十個程度に相当する山積み量または充填量としてもよく、その量は任意である。但し、スラグの山積み量または充填量が多くても、炭酸固化後の積み山または充填層を重機等で砕くことにより、塊状の石材を容易に切り出すことができ、しかもこのようにして破砕により切り出された塊状の石材は、水中沈設用石材として用いる場合に海藻類等の水生植物の付着に有利な凹凸状の破面を有する利点がある。したがって、石材を水中沈設用石材として用いる場合には、生産性や藻場用石材や魚礁等としての機能の面からはスラグの山積み量または充填量はある程度多い方が好ましい。
【０１１１】
また、製造すべき石材の密度に応じて、スラグの積み山または充填層の嵩密度（圧密度）を調整することが好ましい。すなわち、石材を水中沈設用石材として用いる場合には、石材は海底等の状態等に応じて密度を調整することが好ましく、例えば海底が泥質またはヘドロ質の場合には、石材が泥やヘドロ内に沈み込まないように比較的低密度の石材を使用することが好ましく、一方、海底が岩礁等の場合には石材が海流に流されないようにするため比較的高密度の石材を使用することが好ましい。また、石材のポーラス度（空隙率）により海藻類等の水生植物の付着、成育の度合いや石材内部からの有効成分の溶出性の度合いも違ってくることから、石材を適用する水域の状況に応じて石材のポーラス度を調整することが好ましい場合もある。
【０１１２】
本発明法により製造される人工石材の密度は、スラグの積み山または充填層の嵩密度（圧密度）に依存し、したがって、上記のような必要に応じてスラグの積み山または充填層の締め固めの度合いを調整し、その嵩密度を調整することにより、石材の密度を容易に調整することができる。
スラグの積み山または充填層の締め固めの度合いは任意であるが、通常、嵩比重／真比重が０．３〜０．９の範囲、すなわち積み山または充填層内の空隙率が７０〜１０％となる程度に締め固めが行われる。
【０１１３】
スラグの積み山または充填層の締め固めは、積み山または充填層の上部から重機等で加圧して締め固める方法や、積み山または充填層に振動を与えることにより締め固める方法、両者を併用する方法等を採用でき、これらを行う際の締め固めの度合いを調整すことにより、積み山または充填層の嵩密度の調整を行う。また、特に低密度の石材を製造する場合には締め固めを行わず、スラグを山積みまたは充填したままで炭酸固化を実施することもできる。
【０１１４】
締め固めの具体的な方法としては、例えば上述したようなピット、型枠または容器内の積み山または充填層に対して締め固めを行う場合、ピット、型枠または容器の内側に目標とする体積を示す秤線を表示しておき、重量の分かったスラグをそれらの内部に入れた後、積み山または充填層の上面が上記秤線の高さになるまで締め固めを行う。
【０１１５】
以上のようなスラグの積み山または充填層の嵩比重の調整が完了した後、その積み山または充填層に炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせ、スラグを炭酸固化させる。具体的には、スラグの積み山または充填層内に炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスを吹き込むか、若しくは積み山または充填層を炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガス雰囲気下に置き、スラグの炭酸固化を実施する。
【０１１６】
積み山または充填層内に炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスを吹き込む方法に特別な制限はないが、積み山または充填層の底部にガス吹き込み手段を設け、このガス吹き込み手段を通じてガスを吹き込むことが最も効果的である。具体的には、積み山または充填層の底部（ピット、型枠または容器等を用いる場合には、それらの床部）にガス供給用の配管またはホース等を適当な配置密度で配し、これら配管またはホースに適当なピッチ（例えば、３０〜３００ｍｍ×４０〜４００ｍｍピッチ）で設けたガス吹出孔から炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスが吹き出されるようにすることができる。
【０１１７】
また、積み山または充填層を炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガス雰囲気中に置く方法としては、積み山や充填層を気密性の空間（容器等を含む）内に置き、この空間内に炭酸ガスや炭酸ガス含有ガスを任意の態様で供給する方法等を採ることができる。
使用される炭酸ガス含有ガスとしては、例えば一貫製鉄所内で排出される石灰焼成工場排ガス（通常、ＣＯ2：２５％前後）や加熱炉排ガス（通常、ＣＯ2：６．５％前後）等が好適であるが、これらに限定されるものではない。また、炭酸ガス含有ガス中の炭酸ガス濃度が低すぎると処理効率が低下するという問題を生じるが、それ以外の問題は格別ない。したがって、炭酸ガス濃度は特に限定しないが、効率的な処理を行うには３％以上の炭酸ガス濃度とすることが好ましい。
【０１１８】
また、炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスのガス吹込量にも特別な制限はなく、スラグの積み山または充填層が流動しない程度にガス吹き込みを行えばよいが、一般的な目安としては０．００４〜０．５ｍ3／ｍｉｎ・ｔ程度のガス吹き込み量が確保できればよい。また、ガス吹き込み時間（炭酸化処理時間）にも特別な制約はないが、目安としては炭酸ガス（ＣＯ2）の吹込量がスラグの重量の３％以上となる時点、すなわち、ガス量に換算すると材料１ｔ当たり１５ｍ3以上の炭酸ガス（ＣＯ2）が供給されるまでガス吹き込みを行うことが好ましい。
【０１１９】
スラグの積み山または充填層に吹き込まれる炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスは常温でよいが、ガスが常温よりも高温であればそれだけ反応性が高まるため有利である。但し、ガスの温度が過剰に高いとＣａＣＯ3がＣａＯとＣＯ2に分解し、またＭｇＣＯ3もＭｇＯとＣＯ2に分解してしまうため、高温ガスを用いる場合でもこのような分解を生じない程度の温度のガスを用いる必要がある。
【０１２０】
また、スラグをＣａＯ、ＭｇＯと炭酸ガスとの反応を利用して炭酸固化させるには水分が必要であり、スラグの粒度等によって最適水分量は異なるが、炭酸化処理開始直前のスラグ中の水分含有率は３〜１０％程度の範囲とすることが適当である。これは水にＣａＯ、ＭｇＯと炭酸ガスが溶解することにより炭酸化反応が促進されるためである。したがって、スラグは必要に応じて最適水分量に水分調整した上で、炭酸ガス存在下で炭酸化反応を生じさせるようにすることが好ましい。このためスラグの含水率が低過ぎる場合には、例えば、図１の製造フローに示す混合過程等においてスラグに水を加え、スラグの水分含有率を高める等の水分調整を行うことが好ましい。
【０１２１】
スラグの最適な含水状態（水分含有率）とは、例えばスラグの積み山または充填層内部での水分の存在形態を例にして言うと、各スラグ粒子の表面に薄い水膜が形成されるとともに、隣接するスラグ粒子の水膜どうしが一部で接している状態であって、且つ各スラグ粒子表面の水膜面に炭酸ガスが供給されるようなガス流路が確保された状態であると考えられる。
【０１２２】
使用する原料スラグの最適水分量（水分含有率）は、例えば以下のようにして求めることができる。
一定量の原料スラグに対して、吸水率（ＪＩＳ Ａ １１０９またはＡ １１１０で規定される細骨材または粗骨材の吸水率）以上の任意の量の水を加えた３水準以上の原料スラグサンプルを用意し、この各原料スラグサンプルを乾燥時の気孔率が一定になるように型枠内に充填する。１０〜４０℃の範囲内での所定温度の炭酸ガスを水浴等を通して加湿した後、前記型枠内の底部からスラグ充填層に一定の供給量と供給時間で吹込み、スラグを炭酸化養生して固化させる。その後、固化した各塊状スラグ（石材ブロック）の圧縮強度を測定して、例えば、図３に示すような原料スラグの水分含有率と圧縮強度との関係を求め、圧縮強度の極大値が得られた原料スラグの水分含有率を当該原料スラグの最適水分含有率とし、原料スラグの水分調整を行う。
【０１２３】
図３は、原料スラグの水分含有率の影響を調べるため行った実験結果に基づく、原料スラグの水分含有率と製造された塊状スラグ（石材）の圧縮強度との関係を示している。この実験では、塩基度（ＣａＯ／ＳｉＯ2）：２．８の製鋼スラグを５ｍｍ以下に粉砕し、このスラグに１０ｗｔ％の水砕スラグ微粉末を添加するとともに、水を添加して数水準の水分含有率に調整した。これら数水準の水分含有率のスラグをそれぞれ型枠内に充填し、炭酸ガスを０．５Ｌ／ｍｉｎ・ｋｇの供給量で型枠の底部からスラグ充填層に供給し、スラグを炭酸固化させた。
【０１２４】
この炭酸固化により得られたサイズ１ｍ×１ｍ×１ｍの石材ブロック（塊状スラグ）の圧縮強度を測定した結果、図３に示すような原料スラグの水分含有率と石材ブロックの圧縮強度との関係が得られた。このうち原料スラグを水分含有率ａ1に調湿して得られた石材ブロックは最も高い圧縮強度を持つが、原料スラグを水分含有率ａ2に調湿して得られた石材ブロックは、脱枠後にバケットで掴んで移動しようとしたところ、比較的簡単に崩壊した。
【０１２５】
また、スラグの積み山または充填層内に炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスを供給するに当たっては、炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスを一旦水中に吹き込んでＨ2Ｏを飽和させた後、積み山または充填層に吹き込むようにすることにより、スラグの乾燥を防止して炭酸化反応を促進させることができる。
【０１２６】
以上のようにしてスラグの積み山または充填層内に炭酸ガスまたは炭酸ガス含有ガスを供給することにより、先に述べたようなＣａＯ（またはＣａ（ＯＨ）2）、ＭｇＯ（またはＭｇ（ＯＨ）2）と炭酸ガスとの反応によってＣａＣＯ3、ＭｇＣＯ3が生成し、このＣａＣＯ3またはＣａＣＯ3とＭｇＣＯ3がバインダーとなってスラグ粒子（および添加材粒子）が固結する。
【０１２７】
このような炭酸固化完了後、必要に応じて重機等により積み山または充填層を適当な大きさに砕き、塊状の水中沈設用石材が切り出される。したがって、この切り出す際の大きさにより、任意の大きさの石材を得ることができる。通常、塊状の石材は８０〜１５００ｍｍの大きさに切り出される。また、この切り出し時の破砕により、石材に海藻類の付着し易い凹凸のある破面が生じる。
なお、本発明法では充填層の容積を十分に小さくすることで、上記のような切り出しを行うことなくそのまま石材として利用することもできる。
【０１２８】
このような本発明の製造法には、以下のような利点がある。
▲１▼ スラグを積み山または充填層とした状態で炭酸固化を行うため、積み山または充填層の締め固めの度合いを調整してその嵩比重を調整することにより、例えば、水中沈設用石材として用いられる石材の密度の調整を簡単に行うことができる。先に述べたように、水中沈設用石材は海底や河床、海流や水流の状況等に応じて密度やポーラス度を適宜調整することが好ましく、このような調整を任意にしかも極く簡単に行うことができることは、特に水中沈設用石材の製造法として大きな利点である。従来技術として造粒ペレット等を炭酸固化させる技術が知られているが、このような造粒方式では非処理材の密度を幅広い範囲で調整することは困難である。
【０１２９】
▲２▼ 本発明法はスラグを積み山または充填層とした状態で炭酸固化を行い、炭酸固化完了後、積み山または充填層を適当な大きさに砕いて所望の大きさの塊状石材を切り出し、或いは充填層をそのまま塊状石材として利用するものであるため、切り出される石材の大きさや充填層の大きさを適宜選択することにより、任意の大きさ（例えば、８０〜１５００ｍｍ）の石材を得ることができ、水中沈設用石材として用いる場合に、藻場用石材や魚礁等として特に好ましい大塊の石材も容易に得ることができる。上述した造粒ペレット等を炭酸固化させる従来技術では、得られる塊状物の大きさはせいぜい３０〜５０ｍｍ程度が限度であり、しかも、不可避的にサイズの小さい塊状物も生じてしまう。したがって、本発明法のように大塊の石材が得られることは、特に水中沈設用石材の製造法として大きな利点である。
【０１３０】
▲３▼ 炭酸固化後、スラグの積み山または充填層を重機等により砕き、塊状の石材を切り出する方法を採ることにより、水中沈設用石材として用いる場合に、海藻類等の水生植物の付着し易い凹凸のある表面（破面）を有する塊状石材を得ることができる。
【０１３１】
▲４▼ 石材を土木・建築材料として用いたり、魚道等の人工構造部や人工河床に固定的に敷設する石材として用いる場合、使用する石材はブロック状またパネル状等の形状のものであることが好ましいが、本発明法では充填層の大きさや形状を適宜選択することにより、このような形状の石材も容易に得ることができる。また、このブロック状またパネル状の石材を得る際に、炭酸固化して得られたブロック状の石材を破砕または破断処理して２分割することにより、上面に破面を有するブロック状またはパネル状等の形状の石材を得ることができる。
【０１３２】
【実施例】
［実施例１］
全量が５ｍｍ以下の粒度分布を有するスラグ（脱炭スラグ、鉄分含有率：２０ｗｔ％）にそれぞれ５ｗｔ％、１０ｗｔ％の配合量で水砕スラグ微粉末（粒度：ブレーン比表面積４０００ｃｍ2／ｇ）を添加してモルタルミキサーにより混合し、このスラグを容器内に充填して適度に締め固めた後、容器の上にビニールシートをかぶせた状態で時間を変えて湿空養生した。その後、炭酸ガスを供給量０．２Ｎｍ3／ｈｒの割合で４８時間吹込み、スラグを炭酸固化させて２００ｍｍ×２００ｍｍ×２００ｍｍのサイズの人工石材を製造した。
このようにして得られた人工石材の湿空養生時間と圧縮強度との関係を図４に示す。同図によれば、湿空養生時間を１２時間以上確保して得たれた石材は、湿空養生時間が８時間未満の石材に較べて強度が大幅に増大していることが判る。また、湿空養生時間が１００時間を超えると強度の増大が少なく、製造時間が長くなるため不経済である。
【０１３３】
［実施例２］
全量が５ｍｍ以下の粒度分布を有するスラグ（脱燐スラグ、鉄分含有率：６ｗｔ％）に種々の配合量で水砕スラグ微粉末（粒度：ブレーン比表面積４０００ｃｍ2／ｇ）を添加してモルタルミキサーにより混合し、このスラグをビニールシートにくるんだ状態で４８時間をかけて湿空養生した。このスラグを容器内に充填して適度に締め固めた後、炭酸ガスを供給量０．４Ｎｍ3／ｈｒの割合で４８時間吹込み、スラグを炭酸固化させて４００ｍｍ×４００ｍｍ×４００ｍｍのサイズの人工石材を製造した。
このようにして得られた人工石材の水砕スラグ微粉末配合量と圧縮強度との関係を図５に示す。同図によれば、水砕スラグ微粉末配合量が２ｗｔ％以上の石材は、水砕スラグ微粉末配合量が２ｗｔ％未満の石材に較べて強度が大幅に増大していることが判る。また、水砕スラグ微粉末配合量が２０ｗｔ％を超えると強度の向上効果が飽和していることも判る。
【０１３４】
［実施例３］
全量が３０ｍｍ以下の粒度分布を有するスラグ（脱炭スラグ、鉄分含有率：１８ｗｔ％）に種々の配合量で水砕スラグ微粉末（粒度：ブレーン比表面積６０００ｃｍ2／ｇ）を添加してコンクリートミキサーにより混合し、このスラグを容器内に充填して適度に締め固めた後、容器を屋外に放置して、散水しながら状態で４８時間をかけて湿空養生した。その後炭酸ガスを供給量１．８Ｎｍ3／ｈｒの割合で９６時間吹込み、スラグを炭酸固化させて２．０ｍｍ×２．０ｍｍ×２．０ｍｍのサイズの人工石材を製造した。
このようにして得られた人工石材の水砕スラグ微粉末配合量と圧縮強度との関係を図６に示す。同図によれば、水砕スラグ微粉末配合量が２ｗｔ％以上の石材は、水砕スラグ微粉末配合量が２ｗｔ％未満の石材に較べて強度が大幅に増大していることが判る。また、水砕スラグ微粉末配合量が２０ｗｔ％を超えると強度の向上効果が飽和していることも判る。
【０１３５】
【発明の効果】
以上述べたように本発明の人工石材は、セメント等の工業製品を用いることなく、主原料および添加材ともにスラグだけを利用して高い強度を確保することができ、鉄鋼副生成物のリサイクルおよび省資源の観点からして、スラグの利材化技術として理想的なものであると言える。
【０１３６】
また、特に水中沈設用石材として用いた場合には、海水や河川水のｐＨの上昇や白沈の発生等の問題を生じることがなく、しかも藻場用石材、築磯用石材、魚礁用石材、海底マウンド用石材、河床用石材、魚道用石材、人工河床用石材、湖沼・池の沈設用石材、さらには、水質浄化用石材等として、海、河川、湖沼、池等の水中に沈設または敷設した際に、海藻類等の水生植物の育成や魚介類の繁殖、魚類等の生存空間形成、水質浄化等の面で優れた効果を発揮でき、また、河川のダムや堰等に設けられる魚道等の人工構造部や石張り河床等の人工河床に沈設または敷設した際に、魚類以外の水中生物の移動性や水生植物の生育等の面で優れた効果を発揮することができる。
【０１３７】
また、本発明の製造方法によれば、スラグを積み山または充填層とした状態で炭酸固化を行うため、積み山または充填層の締め固めの度合いの調整、炭酸固化後に切り出す石材の大きさや充填層の大きさ等を適宜選択することにより、任意の密度と大きさの水中沈設用石材を簡単且つ低コストに製造することができる。
【０１３８】
また、スラグの中には冷却時に生成するγ−ダイカルシウムシリケートの変態膨張や、遊離ＣａＯの水和により生じる膨張等により粉化する性質を持つものがあり、従来、このような粉化スラグは一部がセメント原料等として利用される以外は利材化の途がなく、大部分が廃棄されていたものであるが、本発明ではこのような粉化スラグについても原料として利用でき、さらに組成上の制約からセメント原料等として利用するのに難があり、有効利用が難しかったスラグ（例えば、脱燐スラグや脱珪スラグ等）についても原料として利用できることから、鉄鋼製造プロセスで発生するスラグの有効利用という面でも非常に有用な発明である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造フローの一例を示す説明図
【図２】図１の製造フローに従った本発明の製造工程の具体例を示す説明図
【図３】原料スラグの水分含有率と製造される石材の圧縮強度との関係を概略的に示すグラフ
【図４】水砕スラグ微粉末が添加された原料スラグの湿空養生時間と製造される石材の圧縮強度との関係を示すグラフ
【図５】原料中の水砕スラグ微粉末配合量と製造される石材の圧縮強度との関係を示すグラフ
【図６】原料中の水砕スラグ微粉末配合量と製造される石材の圧縮強度との関係を示すグラフ
【符号の説明】
１…粉砕機、２…磁気選別機、３…型枠、Ａ…充填層
【図１】
0003968898.tif 000002
【図２】
0003968898.tif 000003
【図３】
0003968898.tif 000004
【図６】
0003968898.tif 000005
【図４】
0003968898.tif 000006
【図５】
0003968898.tif 000007