(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
溶融状態の高炉スラグを、層厚が10〜30mmの板状になるように金属製の移動鋳型上に単層で流して冷却凝固させ、得られた単層板状の凝固スラグを破砕することにより得た破砕スラグであって、その吸水率が 1.5％以下、すりへり減量が20％以下であることを特徴とするアスファルト舗装用骨材。
【請求項２】
溶融状態の高炉スラグを、層厚が10〜30mmの板状になるように金属製の移動鋳型上に単層で流して冷却凝固させ、得られた単層板状の凝固スラグを破砕することを特徴とするアスファルト舗装用骨材の製造方法。
【請求項３】
溶融状態の高炉スラグを、層厚が10〜30mmの板状になるように金属製の移動鋳型上に単層で流して冷却凝固させ、得られた単層板状の凝固スラグを破砕することにより得た、吸水率が 1.5％以下、すりへり減量が20％以下の高炉破砕スラグを骨材として使用したアスファルト舗装。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高炉スラグを原料とするアスファルト舗装用の骨材およびその製造方法ならびにかような高炉スラグの破砕石を骨材として使用したアスファルト舗装に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
我が国の道路舗装は、アスファルト舗装が主流となっている。これは、セメントを使用するコンクリート舗装と比較して、施工速度が速く、かつ養生が不要なため、交通に開放する時期が早いという利点を有しているからである。特に既設道路を補修する際は、交通遮断時間が短くて済むことからより有利とされている。
【０００３】
かようなアスファルト舗装の表層に使用されるアスファルト・コンクリートは、骨材とアスファルトからなっており、骨材の比率が90％以上を占める。道路舗装の場合、道路上を車両が通行するため、継続的に荷重下に置かれると同時に、舗装表層とタイヤとの摩擦が生じる。
アスファルト・コンクリートでは、可塑性のあるアスファルトをバインダーに用いているため、荷重に対する施工体の形状維持とタイヤによる磨耗防止の役割は骨材が担っている。そのため、アスファルト・コンクリート用の骨材としては、一般の建築用コンクリートの骨材よりも強度が高く、硬質で耐磨耗性に優れたものが要求される。
【０００４】
通常、かようなアスファルト・コンクリート用骨材としては、耐磨耗性の低い石灰石等は使用されず、硬質砂岩等の硬い石が使用されている。しかしながら、硬い骨材の産地は限定されているため、道路を施工する地域によっては、骨材を遠方から輸送しなければならず、輸送コストの増加により、施工費用の増大を招く。
【０００５】
アスファルト舗装要綱では、アスファルト・コンクリート用骨材に利用できるものとして、鉄鋼スラグを規定している。鉄鋼スラグのうち、製鋼スラグについては、加熱アスファルト混合用に単粒度製鋼スラグ（ＳＳ）とクラッシャラン製鋼スラグ（ＣＳＳ）が規定されている。これらはいずれも、製鋼スラグの硬さを活かした用途であり、アスファルト・コンクリート骨材に占める割合は極わずかとはいえ、実際に使用されている。
しかしながら、かような製鋼スラグは、天然骨材に比ベると15〜20％程度比重が大きいため、施工体積当たりの骨材必要量が増大し、輸送費が余計にかかることや、金属分を含むといった問題を抱えている。
【０００６】
鉄鋼スラグのうち、高炉スラグは、徐冷されたものが路盤材として利用されているが、アスファルト・コンクリートの骨材としては利用されていない。この理由は、高炉徐冷スラグは耐磨耗性が低いため、アスファルト・コンクリート用骨材としては適さないからである。
ちなみに、一般にアスファルト・コンクリートに使用される骨材の耐磨耗性を示すすりへり減量は15％程度であるが、高炉徐冷スラグは30％程度と高く、耐磨耗性が石灰石よりも劣っている。
【０００７】
このように、高炉徐冷スラグは、アスファルト・コンクリート用骨材としては利用されていないが、コンクリート用の粗骨材としては、JIS 化されている。ただし、徐冷スラグが多孔質であることから、吸水率が高く、フレッシュコンクリートの流動性が低下するという問題があるため、一部で使用されるに止まっている。
【０００８】
高炉徐冷スラグの弱点である多孔質な点を改善して緻密化する方法として、薄層多層法と称する方法が知られている。
この方法は、例えば文献「製鉄研究  第301 号. 1980年. P.13355 〜13362 」に詳細が述べられているように、緩やかな傾斜を有する平滑な冷却ヤードに溶融スラグを薄く流し、冷却は空冷による自然冷却で行い、ついで同じように２層、３層と次々に層を重ねていき、最上層の流し込み終了後さらに空冷あるいはごく少量の冷却水を散水して冷却する方法である。
【０００９】
この方法によれば、少なくとも道床側は、先に流れたスラグによって予熱されているので、スラグ温度が高く、しかもスラグ層が薄いので、発生ガスが浮上分離し易く、その結果、緻密な徐冷スラグとなって、コンクリート粗骨材向け原料に適した品質となり、特に層厚を60mm以下にすれば絶乾比重 2.4以上のJIS 粗骨材規格を満たすとされている。
しかしながら、この方法では、粗骨材のJIS 規格を満たしているにしても、吸水率がせいぜい３％以下程度になるにすぎず、外観上もまだまだ多孔質であり、天然骨材と同等の品質を有するレベルには達していない。そのため、利用される量もコンクリート用骨材需要の１％にも満たないほど少ないのが現状である。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記の実状に鑑み開発されたもので、高炉スラグが凝固する際の発泡現象を効果的に抑制することにより、高炉スラグ中の気孔量を大幅に低減して、吸水率の低減のみならず、耐磨耗性を格段に向上させた緻密なアスファルト舗装用骨材を、その有利な製造方法と共に提案することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、高炉スラグの気孔量、特に粗大な気孔を低減して緻密化すると、スラグの耐磨耗強度が向上するいう知見に基づく。
そこで、発明者らは、スラグ中の気孔量を低減する手段について種々検討を重ねた。その結果、スラグ内部の気孔量はスラグの冷却速度に依存することを見出した。
すなわち、溶融スラグの冷却速度を速くすると、スラグ内部におけるガスの発生を効果的に抑制することができ、結果としてスラグ内に捕捉される気孔量が大幅に低減され、仮に捕捉されたとしてもその大きさは極めて小さくなることの知見を得た。
本発明は、上記の知見に立脚するものである。
【００１２】
すなわち、本発明は、溶融状態の高炉スラグを、層厚が10〜30mmの板状になるように金属製の移動鋳型上に単層で流して冷却凝固させ、得られた単層板状の凝固スラグを破砕することにより得た破砕スラグであって、その吸水率が 1.5％以下、すりへり減量が20％以下であることを特徴とするアスファルト舗装用骨材である。
ここに、上記したすりへり減量はロスアンゼルスすりへり減量で表わすものとする。
【００１３】
また、本発明は、溶融状態の高炉スラグを、層厚が10〜30mmの板状になるように金属製の移動鋳型上に単層で流して冷却凝固させ、得られた単層板状の凝固スラグを破砕することを特徴とするアスファルト舗装用骨材の製造方法である。
【００１４】
さらに、本発明は、溶融状態の高炉スラグを、層厚が10〜30mmの板状になるように金属製の移動鋳型上に単層で流して冷却凝固させ、得られた単層板状の凝固スラグを破砕することにより得た、吸水率が 1.5％以下、すりへり減量が20％以下の高炉破砕スラグを骨材として使用したアスファルト舗装である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の解明経緯について説明する。
さて、発明者らは、コンクリート用粗骨材をターゲットとし、吸水率の低下を目的として、高炉スラグの気孔率の低減について検討を行った。
高炉徐冷スラグの内部には、多数の気孔が存在し、吸水率が高い原因となっている。この吸水率を低下させるためには、気孔の絶対量を減らし、内部を緻密にしなければならない。
【００１６】
ところで、気孔の生成原因には２種類ある。
すなわち、凝固する際に水分がある場合は、発生する水蒸気や反応してできたH2Ｓガスが考えられ、この場合水分に接する部分は気孔量が多くなって、軽量で脆いものとなる。
一方、水分が無い場合でも、気孔は生成し、発明者らがラボ実験で調査したところ、凝固する際雰囲気中に酸素が存在した場合には SO2ガスの発生と、スラグ中における気孔の生成が見られた。
【００１７】
従って、気孔を減少させる方法としては、次の２つの方法が考えられる。
第１の方法は、溶融スラグ内部に発生した気泡が表面から抜けてしまうのに十分な時間溶融状態で保持したのち、凝固させる方法である。
また、第２の方法は、内部にガスが生成するよりも速く凝固させることにより、気孔の発生を阻止する方法である。
ガスの発生速度が著しく速い場合には、第１の方法が有効であり、一方、ガスの発生速度が遅く、ガスの発生速度よりも凝固速度を速くできる場合には、第２の方法が有効である。
【００１８】
ガスの発生速度が著しく速い場合、凝固速度が遅くなるほど気泡は表面から抜け、気孔量は減少し、大きな気泡はなくなるため、気孔径の小さなものしか残らないことになる。
一方、ガスの発生速度が比較的遅い場合は、凝固速度が遅いほど気孔量が増加し、気泡径が大きくなるものと考えられる。
【００１９】
そこで、高炉スラグは、上記のどちらの場合になっているのかを確認するために、種々の高炉スラグを採取し、その断面について観察した。
その結果、気孔の存在状態は均一ではなく、数mm径の大きな気孔が多数存在する部分と比較的緻密な部分があることが判明した。
【００２０】
そこで、次に、約10mm角にスラグを切り出し、気孔率を求めた。すなわち、同一サンプルを樹脂に埋め込み、断面を研磨して顕微鏡写真を撮影し、50μm 以上の孔の面積と数を画像処理により求めた。
図１に、断面積当たりの気孔面積率（気孔の総面積）と平均気孔面積（気孔の平均面積）との関係を示す。
同図に示したとおり、スラグ内部の気孔率が高いほど、気孔のサイズも大きくなっていることが判明した。
【００２１】
一方、図２に、断面積当たりの気孔面積率と単位面積当たりの気孔数との関係を示すが、気孔面積率が大きくなるほど気孔の数は逆に少なくなることが判明した。
このことは、スラグ中で気孔が生成しはじめたときは、微細な気孔が多数発生し、時間が経過するとその気泡がガスの発生により成長し合体するため、一つ一つの気孔のサイズが大きくなって、気孔体積は増加するが、数は減少するものと考えられる。
【００２２】
発明者らは、当初、凝固速度が遅いほど、気泡は上昇し表面から抜け出て、数も量も減少すると考えていたが、実際の現象は逆であった。
従って、凝固したスラグの気孔率を低減して緻密化するためには、ガスの発生および気孔の成長よりも速く、スラグを凝固させてしまうことが有効であると考えられる。
【００２３】
そこで、実際の高炉から排出された溶融スラグについて、その凝固速度を変更する目的で、スラグの層厚を種々に変更して凝固させる実験を試みた。
実験は、縦：３ｍ，横：1.5 ｍの鉄板を５°の角度に傾斜させたものを冷却鋳型として用い、その上にスラグ鍋から直接溶融スラグを単層板状に流して冷却凝固させた。スラグの厚みは、傾斜鉄板の周囲に徐冷スラグの土手を作製し、その高さで調節した。スラグ鍋から排出する際、放射温度計で測定した溶融スラグの温度は、1365〜1400℃であった。また、１回当たりのスラグ排出量は 0.4〜１ton 程度とした。
【００２４】
凝固させた単層板状のスラグは、翌日温度が低下した後に回収し、実験室のジョークラッシャーで破砕後、分級した。コンクリート用粗骨材のサイズである５〜20mmの粒について、その絶乾比重、吸水率およびロサンゼルスすりへり減量を測定した。
ここに、絶乾比重（ＤD ）および吸水率（Ｑ）はそれぞれ、JIS A l110の規定に従い、次式にて求めた。
ＤD ＝ｍD ／（ｍS −ｍW ）
Ｑ  ＝（ｍS −ｍD ）／ｍD × 100（％）
ここで、ｍD ：乾燥後の試料の質量（ｇ）
ｍS ：試料の質量（ｇ）
ｍW ：水中における試料の見掛けの質量（ｇ）
【００２５】
また、ロスアンゼルスすりへり減量は、JIS A l121に規定されるロスアンゼルス試験機を用いて測定した。試料は、道路用砕石の試験に準じて調整して試験した。すなわち、篩いの呼び寸法で区分した粒径範囲：５〜13mmに調整した試料を5000±10ｇ用意し、この試験前の試料質量ｍ1 を求めた。この試料を、鋼球８個（鋼球の全質量3300±20ｇ）と共にロスアンゼルス試験機へ入れ、毎分：30〜33回転程度の回転速度で 500回転させた。試験後の試料を呼び寸法：1.7 mmの網篩いでふるい、篩いに残った試料を水で洗った後に 100〜110 ℃の温度で一定質量になるまで乾燥し、秤量して試験後の試料質量ｍ2 を求めた。
この結果を基に、ロスアンゼルスすりへり減量Ｒ（％）を下記式によって求めた。
Ｒ＝（ｍ1 −ｍ2 ）／ｍ1 × 100（％）
【００２６】
図３および図４にそれぞれ、凝固スラグの層厚と絶乾比重および吸水率との関係を示す。
図３，４に示したとおり、スラグ厚みが薄いほど絶乾比重が高く、吸水率が低くなっている。
この理由は、厚みが薄いほどスラグの冷却速度が速くなり、短時間で凝固するため、ガスの発生が抑制され、気孔量が少なくなったものと考えられる。
【００２７】
次に、図５に、絶乾比重とすりへり減量との関係について調べた結果を示す。
同図から明らかなように、絶乾比重が高くなるほど、すりへり減量は低減した。すなわち、気孔量を少なくすることによって、耐磨耗性が向上することが判明した。
【００２８】
路盤材や粗骨材に利用されている徐冷スラグは、すりへり減量が30％前後と耐摩耗性が低いが、板状に急冷して高絶乾比重とすることで、アスファルト用の骨材として利用されている硬質砂岩等の天然材料と同程度のすりへり減量：15％程度の耐磨耗性に優れたスラグ骨材にすることができることが究明されたのである。
【００２９】
次に、本発明において、破砕スラグの吸水率およびすりへり減量を前記の範囲に限定した理由について説明する。
まず、吸水率が 1.5％超では、配合する際のアスファルト量が増加し、アスファルト合材の材料費が高くなるため、吸水率は 1.5％以下に限定した。
また、すりへり減量が20％を超えると満足いくほどの耐摩耗性が得られないので、すりへり減量は20％以下に限定した。より好ましくは15％以下である。
なお、破砕後のスラグの大きさは、６号砕石を対象とした場合には13mm以下、また５号砕石を対象とした場合には20mm以下となる。
【００３０】
次に、本発明に従う製造方法について説明する。
図６に、本発明の実施に用いて好適な板状凝固スラグの製造装置を示し、図中番号１はスラグ鍋、２は溶融スラグ、３はスラグ樋、４は鋳滓機、５は鋳型、そして６が板状凝固スラグである。
図１に示したところにおいて、鋳滓機４を回転させつつ、鋳滓機４に載置した鋳型５内に溶融スラグを供給することにより、所定厚みの板状凝固スラグ６を製造することができる。なお、鋳型５は、鋳滓機４に対して着脱自在であり、必要に応じて深さの異なるの鋳型と自由に取り替えられる仕組みになっている。
【００３１】
さて、本発明では、上記の装置で板状凝固スラグを製造するに当たり、該板状凝固スラグの厚みを10〜30mmの範囲に制御することが重要である。
というのは、この厚みが10mmに満たないと破砕後のスラグの大きさが10mmよりも小さくなって、骨材としての歩留りが低下するからであり、一方30mmを超えると冷却中における気孔の発生を十分に抑制することができず、この発明で所期したほど低い吸水率の骨材が得難いからである。
特に、好ましい厚みは10〜25mm、さらに好ましくは15〜20mmの厚みである。
【００３２】
なお、本発明では、従来のように、凝固の際に溶融スラグ内部に発生した気泡を表面から逃がしてやる必要はないので、上記の鋳造に際し、冷却速度の一層の向上を図るために、その上方からエアージェットによる冷却の促進を図ることは有利である。ただし、ウォータージェットは、蒸気の発生やH2S の発生を伴い、発泡を助長するようになるため、冷却方法としては不適である。
【００３３】
【実施例】
図６に示した板状凝固スラグの製造装置を用いて、連続的に板状の凝固スラグを製造した。この際、鋳型としては、縦：１ｍ、横：１ｍ、深さ：５，10, 15,20, 25, 30，40mmの鋳鉄製鋳型を用いた。高炉で、 50tonスラグ鍋に溶融高炉スラグを受滓し、上記の鋳型を取り付けた製造装置まで移送し、１〜２ ton/min程度の排出速度でスラグを流出し、スラグ樋で溶融スラグ流を安定させつつ、移動している鋳型上に供給した。この時、鋳型の移動速度は６〜30 m/minの範囲で、鍋からのスラグ流出状況を見ながら調節した。鋳型上での冷却時間は、深さ：30mmまでの鋳型までは２〜４ min、深さ：40mmの場合は５〜10 minとし、単層板状に凝固させたスラグを鋳滓機の先端で鋳型が反転する時に剥離脱落させた。なお、鋳型上には、石灰乳などの塗布は行わず、スラグを受ける前の鋳型表面は乾燥状態に保持した。
【００３４】
各厚みの板状スラグを、それぞれ数回の実験で１〜２ tonづつ製作した。
高炉スラグを板状に凝固させた場合の特徴は、断面を見ると鉄板に接触していた下面から約１mm程度がガラス状になっており、それから上の部分は結晶質になっていた。
この板状凝固スラグを、100 ton/H の能力のインパクトクラッシャーで破砕し、５〜13mmに篩い分けて６号砕石サイズの骨材とした。この時、破砕した元のスラグのうち大きさが５〜13mmになったものの歩留りを破砕歩留りとした。
かくして得られた５〜13mmのサイズの骨材について、絶乾比重、吸水率およびすりへり減量を調査した。
得られた結果を表１に示す。
なお、比較のため、ヤードにスラグ鍋から放流し、大気放冷後、散水冷却することからなる従来法に従って製造した路盤材用の骨材についても同様な調査を行い、得られた結果を表１に併記する。
【００３５】
【表１】
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【００３６】
同表に示したとおり、本発明に従い、凝固スラグ厚みを10〜30mmとして冷却凝固したのち、破砕・分級することにより、すりへり減量は10〜20％、また吸水率は 0.5〜1.5 ％に低減することができ、特に凝固厚みが薄いほどすりへり減量および吸水率とも小さくなった。また、絶乾比重は2.65〜2.85と、実験室でジョークラッシャーにより破砕した場合と比べて一層高比重になっているが、これは、破砕強度が高いと強度の低い部分は細粒となって除去されたためと考えられる。
【００３７】
また、得られた各破砕スラグの外観について観察したところ、本発明に従った場合には、通常の高炉徐冷スラグと比べて遥かに緻密なスラグ骨材が得られた。
すなわち、外観上はほとんど気孔が見られず、天然砕石と見掛け上区別がつかず、耐磨耗性もアスファルト舗装に用いられる硬質砂岩と同等であった。
【００３８】
さらに、５〜13mmの６号砕石サイズに破砕した場合の、破砕歩留りは70％以上と高く、凝固層厚が薄いほど破砕歩留りが高くなった。板状の凝固スラグは、歪みを内部に持つためか、比較的軽い衝撃で割れてしまうが、気孔率の高いスラグと違い、破砕時に粉体の発生がなく、ちょうど５mm以上の塊に割れ易いという特徴があった。また、10mm前後になると、それ以下には破砕され難く、凝固板厚みが13mmに近いほど、余分な破砕が必要なく、５mm以下の粉および細粒が発生し難くなり、歩留りが向上した。
【００３９】
なお、凝固厚さが30mmを超えると、層の中間部分から上の方に、１mm前後の径の気孔が見られた。スラグの凝固厚みを増すにつれ、明らかに多孔質に見える１mm以上の気孔の存在範囲が増大した。さらに、スラグの凝固厚みが50mm以上になると、骨材サイズにした場合、通常の高炉スラグ路盤材、粗骨材に見られるのと同様の粗大な孔のある外観の骨材となった。
【００４０】
実施例２
次に、本発明に従って得た上記の緻密スラグ骨材を、アスファルト合材に配合し、工場内道路に施工して、その耐久性を調べる実験を行った。また、比較のために、従来からアスファルト・コンクリート骨材として使用されている硬質砂岩を骨材とした舗装および前掲表１に従来例として示した高炉スラグの路盤材用骨材をアスファルト・コンクリート骨材として使用した舗装も、同様にして施工した。
道路流れ方向に各々３ｍずつ本発明例および２つの従来例を並べて施工したところ、６ヶ月間の道路使用後、本発明例の骨材を使用したアスファルト舗装は、硬質砂岩を骨材とした舗装と同等でほとんど見分けがつかなかったが、高炉スラグの路盤材用骨材を使用した舗装では轍の跡が明瞭に表れ、舗装道路表面に凹凸が発生していた。
【００４１】
【発明の効果】
かくして、本発明に従い、溶融高炉スラグを厚みを制御して単層板状に冷却凝固させることにより、結晶質で気孔の少ない緻密なスラグを得ることができ、それを破砕して粒度調整することにより、天然に産出される硬質砂岩と同程度の耐磨耗性の高い、硬い骨材を得ることができる。
そして、かかる緻密なスラグ骨材を、アスファルト合材として使用することにより、天然骨材使用と同等の耐久性のある道路舗装を施工することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  断面積当たりの気孔面積率（気孔の総面積）と平均気孔面積（気孔の平均面積）との関係を示したグラフである。
【図２】  断面積当たりの気孔面積率と単位面積当たりの気孔数との関係を示したグラフである。
【図３】  凝固スラグの層厚と絶乾比重との関係を示したグラフである。
【図４】  凝固スラグの層厚と吸水率との関係を示したグラフである。
【図５】  スラグ骨材または路盤材の絶乾比重とすりへり減量との関係を示したグラフである。
【図６】  本発明の実施に用いて好適な板状凝固スラグの製造装置を示した図である。
【符号の説明】
１  スラグ鍋
２  溶融スラグ
３  スラグ樋
４  鋳滓機
５  鋳型
６  板状凝固スラグ
【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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