鉄鋼スラグ水和固化体の性質および活用事例について
Properties and Applications of the Block Made of Steel Slag
元木卓也*・鶴谷広一**
MOTOKI,Takuya and TSURUYA,Hiroichi* （財）沿岸開発技術研究センター 企画部 研究員**

東海大学海洋研究所教授（前（財）沿岸開発技術研究センター理事）

The present paper describes fandamental properties of the slag block that was mainly made of blast
furnace slag, steel making slag (contains pretreatment slag). This slag block was investigated formarine structure and shows a good wear resistance and durability in seawater with elevated temperature.
It does not raise the pH value of seawater around the block, so it has no problem for sea environment.
Key Words : slag block, circulative society, steel slag, sea environment

備処理スラグを含む）であり，日本国内では年間約 1,000万トン発生する．表-1 に代表的な化学組成，写真-1 に外観を示す．ライム，シリカ，アルミナの他，生物に必要
近年，地球温暖化や環境破壊が注目され，最終処分場とされるリンや鉄分が含まれている．また free-CaO の水のひっ迫も重要な社会問題となっており，従来の大量生和だけでなく，内在する他の鉱物相も水和反応を生じ，産・大量消費・大量廃棄型社会から循環型社会への転換
長期間かかって硬化する活性も有している．
が急務とされている．鉄鋼産業においても，鉄鋼生産に開発当初は、溶銑予備処理スラグのみを原料としてい伴って副生する鉄鋼スラグは，発生量が極めて大量であたが、現在ではそれを含んだ製鋼スラグを原料とするよることから，処理，処分にあたり業界，事業者等においう検討が進んでいる。て，減量化および有効利用技術の研究開発に努力を続け(2) 高炉スラグ微粉末ている．
一方，港湾土木材料としては，砂・石等の天然材料や，高炉スラグ微粉末は，溶けた高炉スラグに大量の冷却コンクリート・鉄といった工業製品が多量に使われてい水流を接触させ，2，3 ミリの粒状に急激に冷やし固めたるが，そうした中で港湾土木材料も耐久性の向上，リサ
水砕スラグを，セメントを製造するのと同様な微粉砕ミ
イクル材の活用，低環境負荷といった観点での見直しがルで微粉砕して得られる．潜在水硬性を示し，セメント必要になっている．
混和材としてセメントに混ぜられ，高炉セメントとして以上のような背景のもとで，鉄鋼業界の副産物である広く用いられている．表-1 に代表的な組成，写真-2 に外製鋼スラグと高炉スラグ微粉末を主要原料とし，必要に観を示す．
応じてフライアッシュ，高炉水砕スラグを配合した，セ(3) フライアッシュ
メント，砂利，および砂を全く使用しない鉄鋼スラグ水
石炭火力発電所で発生するフライアッシュも，セメン和固化体を開発した．本論文では，鉄鋼スラグ水和固化
ト混和材としてセメントに混ぜられ，フライアッシュセ体の製造および性質について述べるとともに，消波ブロメントとして広く利用されている．スラグ固化体にも混ックなどに使用した活用事例およびそのときの環境特性ぜ込むことが可能で，混ぜ込むことにより，長期強度のについて述べる．
増進やアルカリ性の一層の低減化を図ることができる．
表-1 に代表的な組成，写真-3 に外観を示す．
(4) 消石灰（アルカリ刺激剤）
２．固化体の原料
潜在水硬性を持つ高炉スラグ微粉末と製鋼スラグを水とともに混練しただけでは，固化するまでに非常に長い
本固化体は，主に製鋼スラグ，高炉スラグ微粉末，フライアッシュに水を加えて混ぜ合わせることで製造する． 時間を必要とするため，消石灰を用いアルカリによる刺激を与えることで固化の速度を速めることができる．

１．はじめに

2.1 原料(1) 製鋼スラグ
製鋼スラグは，鉄鉱石とコークスと石灰を主原料として高炉で作られた銑鉄から不要な成分を除去し，靭性・加工性のある鋼にする製鋼工程で生じるスラグ（溶銑予

2.2 硬化機構と各材料の役割
本固化体の硬化は，図-1 のように，材料である高炉ス
ラグ微粉末とフライアッシュが CSH ゲルを生成することによって起こる．消石灰などのアルカリは高炉スラグ微原料名

CaO

製鋼スラグ（溶銑予備処理ｽﾗｸﾞ）
高炉スラグ微粉末
フライアッシュ34421

表-1
表-1 原料の化学組成の一例
原料の化学組成の一例
SiO2MgO
Al2O3153363

270S(mass%)
Total-Fe50－

0.2
0.80.4180.1
541327

写真-3 フライアッシュ（JISⅡ）

写真-2 高炉スラグ微粉末

写真-1 製鋼スラグ(溶銑予備処理ｽﾗｸﾞ)

P2O5

表-2 各材料の役割
材料の種類

アルカリ刺激剤 Ca(OH)2、CaO、セメント
刺激

高炉スラグ微粉末
刺激

SiO42Ca2+製鋼スラグ
フライアッシュ高炉スラグ微粉末

CSH(硬化)

SiO42-

フライアッシュ製鋼スラグ

図-1 固化体の硬化機構
アルカリ刺激剤

粉末の刺激剤，製鋼スラグから放出される Ca は，高炉ス
ラグ微粉末およびフライアッシュの刺激剤として，反応を促進する．各材料の役割については，表-2 に示す．

３．固化体の性質
製鋼スラグ，高炉スラグ微粉末，フライアッシュを重量比を変えて配合を変化させ，室内試験を実施し，次の3.1～3.3 にあげる性質を確認した．試験に使用した配合を表-3 に示す。

表-3 固化体の配合

単位量(kg/m3)
記号 製鋼 高炉ｽﾗｸﾞ フライ
消石灰
ｽﾗｸﾞ 微粉末 アッシュ
1 1,339574057
2 1,34238319235320926813440
4 1,4466200625 1,7734210
416 1,743
276
138
41
7 1,824307
030
8 1,829205
10330
9 1,46331331338

図-3 に固化体の材令と圧縮強度の関係を示す．圧縮強度の測定は，JIS A 1108-1999 に従った．初期強度が小さ
く長期強度が大きいのが特徴であり，材令 91 日の圧縮強度は材令 28 日の 1.3 倍になっている．

水268254227277246
242
274260238

2.6
密度(g/cm3 )

2.55
2.5
2.45
2.4
2.35
60

70
80
製鋼スラグ量(mass%)90

図-2 製鋼スラグ量と密度

圧縮強度 (N/mm2)

3.2 圧縮強度

ｽﾗﾝﾌﾟ 空気(cm) 量
混和剤(%)
021.0
019.0
015.0010.50
13.0 2.30
15.0 1.7011.0 2.70
12.0 2.3
2.2
20.0 2.52.65

3.1 密度
固化体の密度は，図-2 のように，製鋼スラグの量が多くなるほど，密度が大きくなる 1)．これは，製鋼スラグが鉄分を18％含み，単身の密度が3g/cm3 と重いためである．
予備処理スラグ量が65～85mass％の範囲では，密度は2.4～2.6g/cm3 となる．圧縮強度との関係では，製鋼スラグ量が 85％を越えると圧縮強度が低下する傾向があり，28
日 20℃水中の標準養生で 20N/mm2 を得るには，製鋼スラグ量として 80％前後が必要で，そのときの密度は 2.5cm3である．

作用・役割
ガラス質であり、刺激剤の存在下で水和反応が促進され硬化現象を示す。ここではアルカリ刺激剤の存在で結合材として働いている。
①Ca(OH)2とポゾラン反応を起こし硬化する。結合材として働く。②乾燥収縮を抑制しヘアークラックを防ぐ。③全体のアルカリ溶出性を下げている。
①Caを放出し高炉スラグ微粉末に対する刺激剤の働きをしている。②フライアッシュのポゾラン反応のCa供給源となっている。③骨材としても働く。
高炉スラグ微粉末の硬化反応を助ける。フライアッ
シュのポゾラン反応を促進する。NaOHは強アルカリであるので避け、Ca(OH)2、CaO、セメント、石灰ダストなどが用いられる。

454035302520151050

配合1配合2配合3091182273364

養生時間（日）図-3 材令と圧縮強度455摩り減り係数（cm3/cm2）

0.120.10
配合4配合5配合6配合7配合8配合9
コンクリートコンクリート2)

0.08
0.06
0.040.02
00204060

写真-4 消波ブロック1)

圧縮強度（N/mm2)

図-4 圧縮強度と擦り減り係数の関係1)

3,600L×2,400W×500t1m3)
写真-5
写真１ 人工石材
人工石材3)
写真-6
写真２ 被覆ブロック
被覆ブロック施工区域

3.3 擦り減り試験

４．活用事例と環境特性
これまでに試験施工として製鉄所の鋼矢板式護岸の補強工事に，消波ブロック（写真-4），人工石材（写真-5），被覆ブロック（写真-6）など 14 万トンを施工した．
人工石材については，図-5 に示すように，常時一定方向に18～38cm/sの流れがある水路が施工場所であったので，固化体のアルカリ溶出性について調査を行った．その結果，図-6 にあるように，海水の pH は施工区域から下流 200m および 700m ともに上流 500m のバックグラウンドとほぼ同様に変化しており，人工石材の投入による周辺海水の pH の上昇は見られなかった．
また，被覆ブロックについては，施工 2 カ月後に生物のpH測定地点
下流200m
下流700mｐＨ

ﾊﾞｯｸｸﾞﾗｳﾝﾄﾞ
上流500m

海水の流れ(18～38cm/sec)

図１２ 施工例２における鉄鋼スラグ水和固化体の
図-5 人工石材の施工位置と pH 測定地点施工海域とpH測定地点
9.035
ﾊﾞｯｸｸﾞﾗｳﾝﾄﾞ30
下流 200m
8.6
下流 700m
258.2
207.8
157.4
10
累積投入量
7.05
‘01.2.19‘00.12.2
80日間

スラグ固化体の累積投入量（1000ｔ）

消波ブロックに適用する場合，漂砂による摩耗に対して十分な耐久性を有しているか確認する必要がある．そのため，サンドブラスト装置を用いて固化体に砂を吹き付け，どれほど摩耗するか調べる ASTM C418-68C74 に準拠した方法で試験を実施した．その結果，図-4 に示すように圧縮強度と磨り減り係数の関係として表すと，実線で示したコンクリートの特性 2)より擦り減り係数が小さくなっていた．これにより，漂砂による摩耗に対して耐久性に優れていることが確認できた．

幅35m

測定月日
図１図-6
３ 施工例２における施工海域の施工海域の pH 変化 3) pH変化

生息状況について調査を実施し，カニ，ハゼ，メバル，ゴンズイなどの多くの生物の生息が確認された 3)．
今回の施工により垂直護岸であったものが傾斜護岸となったこ
とも一要因と考えられるが，天然石およびコンクリートと同様な施工が可能であり，また環境負荷が小さいことが実証されたと考えられる．
室内試験についても，環境庁告示第 46 号（土壌の汚染に係る環境基準について）によった溶出試験および人工海水に対して環境庁告示第46号相当の溶出試験を実施し，その結果，すべての項目について基準値以下または不検出であることを確認した．

５．環境負荷低減効果についての考察
リサイクル材料からなる鉄鋼スラグ水和固化体をコンクリート代替として使用した際の環境負荷低減ついて、
松永ら 3)は以下のような試算を行っている．
仮定条件は，年間全国で発生する製鋼スラグの 1 割に当たる 100 万トンを用い，実験で使用した配合に基づいて鉄鋼スラグ水和固化体を製造するとして，この製造量を表-4 の配合で製造されるコンクリート量に代替するものとしている．なお，セメント製造時に伴う CO2 排出量は435kg/t，石灰石製造に伴う CO2 排出量は 433kg/t を用いている 4)．
表５ コンクリート(18-8-20N)の配合
コンクリート（18-8-20N）の配合
表-4W/C65.8

単位量(kg/m3）
セメント(N)
248

水163

細骨材
940

粗骨材
1002

混和剤
0.6

鉄鋼スラグ水和固化体の製造量：
1,000,000t/年／1.458 t/m3＝686 千 m3/年
(1)
天然骨材使用量削減：
0.940 t/m3＋1.002 t/m3×686,000m3/年＝1,332 千 t/年 (2)セメント製造に伴う CO2 排出量削減：
435kg/t×0.248t/m3×686,000m3/年＝74 千 t/年
(3)
消石灰使用に伴う CO2 排出量増加：
433kg/t×56/74*×0.036t/m3×726,000m3/年＝8,600t/年(4)（*CaO の分子量/ Ca(OH)2 の分子量）
CO2 排出量削減: 式(3)－式(4)＝65 千 t/年(5)
式(2)に示すように天然骨材の使用量削減には1,332千t/年，(5)式に示すように CO2 排出量削減には 65 千 t/年の寄与し，京都議定書（地球温暖化防止京都会議）において，日本は基準年（1990年）の温室効果ガス排出量1,224百万t に対して6%の73 百万t を削減することになっているが，鉄鋼スラグ水和固化体の使用によりこのうちの約0.1%の削減に寄与することが可能となる試算となっている．
試算に用いた数値の他にも，セメント製造に伴う CO2排出量については，採掘からセメント製造，サービスステーションまでの運搬を含めると 758kg/t になるというデータもあり 5)，リサイクル材料である鉄鋼スラグ固化体をコンクリートの代替材として使用することによる環境負荷の低減への寄与は大きいと言える．

６．おわりに
平成 13 年 7 月より「鉄鋼スラグ水和固化体の活用開発調査検討会」を実施し，現在まで 2 回開催に至っている．
検討会内で審議している今後の主たる課題として，固化体の膨張抑制機構の解明および本固化体に利用できるスラグの仕様の明確化がある．平成 14 年度も継続して検討会を実施し，上記課題について引き続き検討を行っていく予定となっている．また，本固化体のこれまでの研究成果および検討会の審議をまとめ，平成 14 年度中に手引き書を発刊する予定である．

謝辞
本研究は，独立行政法人港湾空港技術研究所，川崎製鉄株式会社，新日本製鐵株式会社，中国電力株式会社，電源開発株式会社，五洋建設株式会社，東亜建設工業株
式会社，株式会社テトラ，株式会社ポゾリス物産，第一工業製薬株式会社および沿岸開発技術研究センターの共同研究として実施している．本論文をまとめるにあたり，本研究の関係者各位ならびに「鉄鋼スラグ水和固化体活用開発調査検討会」の委員の方々に，深く感謝の意を表します．

参考文献
1) 小菊 史男.濱田 秀則.山路 徹.松永 久宏：鉄鋼スラグを用いた固化体の基礎的性状および港湾構造物への適用性に関する研究, 港湾技術研究所資料,Vol.40,No.1, pp.5 ～10,2001.
2) 伊藤 正憲.福手 勤.田中 順.山路 徹：海洋環境下における再生コンクリートの適用性に関する研究,港湾技術研究所
報告,Vol.37,No.4,pp.149～171,1998.
3) 松永 久宏.小菊 史男.高木 正人.谷敷 多穂.山路 徹：セメ
ントおよび天然骨材を使用しない低環境負荷型固化体の開発－鉄鋼スラグ水和固化体－,コンクリート環境負荷シンポジウム, p.Ⅱ-35～Ⅱ-44,土木学会,2002.
4) 環境庁温室効果ガス排出量算定方法検討会：温室効果ガス排出量算定方法に関する検討結果,燃料の漏出及び工業プ
ロセス報告書の要旨,pp.1,2000.12.
5) 土木学会コンクリート委員会 コンクリートの環境負荷評
価研究小委員会：コンクリートの環境負荷評価,コンクリー
ト技術シリーズ No.44,pp.I-26,土木学会,2002.