鉄鋼スラグの化学的・物理的特性の違いによる岩礁性藻場造成モデルの構築
宇部工業高等専門学校 杉本憲司
1．研究背景近年、藻場などの漁場が減少しており、その回復は急務となっていることから、全国各地で藻場再生事業が行われている 1),2)。一方、循環型社会への転換のために産業副産物のリサイクル促進が求められており、リサイクル材として鉄鋼スラグを用いた岩礁性藻場造成に関する研究が行われている 3)。岩礁性藻場生育基盤材料として求められる条件として、設計を忠実に施工するために品質が常に揃っている必要がある。鉄鋼スラグ
は、炉の種類や鉄鋼の製造工程が同じならば品質は概ね揃っているが、設計段階と同一の鉄鋼スラグが大量に入手できるかは不透明であり、炉の種類や鉄鋼の製造工程によって、化学的・物理的特性が異なる。鉄鋼スラグのうち製鋼工程で発生する製鋼スラグを岩礁性藻場生育基盤材料として利用する場合は、設計に必要な物理的条件としては粒度組成や水中単位体積重量などがあり、化学的条件として水和反応による pH 上昇の可能性がある。
本研究は、化学的・物理的特性の異なる製鋼スラグを用いて、着生する藻の種類や量及び水質などへの影響について明らかにし、岩礁性藻場生育基盤材としての特性から藻場造成モデルを構築することが目的である。
2．研究方法2-1. 実験で用いた材料
炉の種類や鉄鋼の製造工程が異なる製鋼スラグを 3 種類(スラグＡ、スラグＢ、スラグＣ)(図 2-1-1)準備し、室内実験と海域実験を行った。また、対照材料として従来岩礁性藻場生育基盤材料として使用されている天然石を用いた。なお、製鋼スラグは製造工程によって発生する粒径が異なるが、海域実験において製鋼スラグ B については 3 種類の粒度が異なる材料を用いた。

図 2-1-1. 使用した製鋼スラグ(左：製鋼スラグ A、中：製鋼スラグ B、右：製鋼スラグ C)－ 79 －

2-2. 室内実験
室内実験は、海水に浸す前と海域に設置し海水に浸され一定期間毎にサンプリングを行った各製鋼スラグ及び天然石を用いて行う。物理的特性として表面粗さについて実験を行った。また、化学的特性として表面元素組成及びカラムを用いた溶出試験を行った。
表面粗さは材料表面の物理的特性を調べるためにカラーレーザー顕微鏡(株式会社キーエンス：VK9700/VK9710SP2214)で表面粗さの分析を行う。表面元素組成は、材料表面の化学的特性を調べるために蛍光Ｘ線分析装置(Bruker AXS K.K：AXS M4TORNADE-YS)で分析を行った。
各材料からのカルシウム溶出による水酸化物イオンに伴う pH 上昇を確認するために、一定サイズ(10mm 程度)に粉砕した材料をカラムに入れ、連続的に一定量の溶媒をカラムに送り、カラム出口における pH を連続的に測定した(図 2-2-1)。なお、実験条件として 20℃、1mL/s の溶媒をカラムへ送り、溶媒は塩分濃度を変化させた。

生育基盤材料PpH 計P

超純水もしくは海水

図 2-2-1. 生育基盤材料からの溶出実験概要
2-3. 海域実験
海域実験として 2014 年 7 月に各製鋼スラグ及び天然石を山口県岩国市由宇町神東地
先(図 2-3-1)において、海藻生育適地環境(D.L.-5m 付近、最大潮流 50cm/s 以内)に設置し、海藻の着生状況や水質状況の把握を行った。海藻の着生状況として、海域に設置した各材料に着生した海藻の種類について潜水観察で確認するとともに、海藻の坪刈りを行い、実験室に持ち帰って海藻の同定を行った。水質状況の把握を行うために、設置した材料の直上水を採水し、pH、全窒素及び全リン濃度の分析を行った。

－ 80 －

図 2-3-1. 海域実験調査地点図
3．研究結果3-1. 室内実験
図 3-1-1 に製鋼スラグ 3 種類と天然石における表面粗さ及び元素組成比率を示す。Rpは粗さ曲線の最大山高さ、Rv は粗さ曲線の最大谷高さ、Rz は最大高さ、Ra は算術平
均粗さ、Rq は二乗平均平方根粗さである。
製鋼スラグＡと製鋼スラグＢの表面粗さは、Rp、Rv 及び Rz についての差はほとん
どなかったが、Ra 及び Rq では製鋼スラグＡのほうが表面粗さは大きく差があった(Ra：p＜0.10、Rq：p＜0.10)。製鋼スラグＡと製鋼スラグＣの表面粗さについては、すべての表面粗さで製鋼スラグＣが大きかったが、統計的な有意差はなかった。製鋼ス
ラグＡと天然石の表面粗さについては、すべての表面粗さで天然石の方が大きく差があった(Rp：p＜0.05、Rv：p＜0.05、Rz：p＜0.05、Ra：p＜0.01、Rq：p＜0.01)。
元素組成比率では、製鋼スラグで Ca 及び Fe の比率が高く、天然石では Si の比率が高くなっていた。

－ 81 －

RvRz

RaCaFe

60
40
2000
RpSi

Rq

天然石

製鋼スラグＣ

500

Mg

80

製鋼スラグＢ

1000

100

製鋼スラグＡ

製鋼スラグＡ
製鋼スラグＢ
製鋼スラグＣ
天然石

元素組成比率(wt％)

表面粗さ(mm)1500

図 3-1-1. 製鋼スラグ分析結果(左：表面粗さ、右：元素組成比率)
図 3-1-2 は製鋼スラグ 3 種類における溶出試験結果である。溶媒が純水の際には製鋼スラグにおいては製鋼スラグＡが最も pH が上昇し、製鋼スラグＢでは pH が 9 以下であった。溶媒の塩分濃度が高くなるにつれて、pH の上昇が抑制されており、海水の塩分濃度である 3.0％ではすべての製鋼スラグで 8.2 前後と瀬戸内海における海水中のpH とほとんど差はなかった。

1110911109pHb)製鋼スラグＢ
12pHa)製鋼スラグＡ
128760.0%
0.5%
1.0%
3.0%

501234 5 6時間(分)78870.0%
0.5%
1.0%
3.0%

659 1001234 5 6時間(分)c)製鋼スラグＣ
12pH

11109870.0%
0.5%
1.0%
3.0%

6501234 5 6時間(分)789 10

図 3-1-2. カラムによる溶出実験結果－ 82 －789103-2. 海域実験
図 3-2-1 に製鋼スラグ、天然石及び周辺天然藻場に出現した海藻種類数の推移を示す。
製鋼スラグ等を海域に設置して 11 ヶ月である 2015 年 6 月まで海藻出現種類数は製鋼スラグＣを除いて製鋼スラグの種類や粒径に関わらず概ね増加していた。2015 年 12月において製鋼スラグＢ(30-120mm)に着生した海藻の種類数がやや多かったものの、他の製鋼スラグ及び天然石でほとんど差がなく 10 種類程度であった。
図 3-2-2 に 2014 年 8 月～2015 年 12 月における海藻被度を示す。また、図 3-2-3 に2015 年 6 月における海藻の着生状況を示す。2014 年 11 月には下草である紅藻類を中心に着生被度が増加し、2015 年 6 月にはすべての材料で海藻着生被度が 40％以上となり、特に製鋼スラグ 3 種類では 80％程度となり、製鋼スラグの種類によって大きな差はなかった(p＞0.95)。2015 年 12 月においては、粒径が 30-80mm である転炉系製鋼ス
ラグと低塩基製鋼スラグの海藻着生被度に有意な差はなかった(p＞0.95)。
製鋼スラグA(30-80mm)
製鋼スラグB(300mm)
周辺天然藻場

製鋼スラグB(30-80mm)
製鋼スラグC(30-50mm)

製鋼スラグB(30-120mm)
天然石(500-1000mm)

海藻出現種類数3025201510508月

10月 12月

2月

4月

6月

20148月10月 12月

2015

図 3-2-1. 生育基盤材料及び周辺天然藻場における海藻種類数の推移
製鋼スラグA(30-80mm)
製鋼スラグB(300mm)
周辺天然藻場

製鋼スラグB(30-80mm)
製鋼スラグC(30-50mm)

製鋼スラグB(30-120mm)
天然石(500-1000mm)

海藻着生被度(%)

1008060402008月

10月 12月

2月

4月

20146月20158月10月 12月

図 3-2-2. 造成区域及び周辺天然藻場における海藻被度－ 83 －製鋼スラグ A(30-80mm)

製鋼スラグ B(30-80mm)

製鋼スラグ B(30-120mm)

製鋼スラグ B(300mm)

製鋼スラグ C(30-50mm)

天然石(500-1000mm)

図 3-2-3.

2015 年 6 月における海藻着生状況

表 3-2-1 に 2015 年 2 月～12 月の坪刈による海藻の優占種について示す。また、図3-2-4 に 2014 年 8 月～2015 年 12 月の坪刈による海藻の湿重量の推移を示す。2015 年6 月における海藻の着生量は、製鋼スラグＡ(30-80mm)では 675～3104g/m2(平均1568g/m2)、製鋼スラグＢ(30-80mm)では 1024～2536g/m2(平均 1834g/m2)、製鋼スラ－ 84 －グＢ(30-120mm)では 677～1979g/m2(平均 1356g/m2)、製鋼スラグＢ(300mm)では 435～586g/m2(平均 499g/m2)、製鋼スラグＣ(30-50mm)では 5～16g/m2 (平均 11g/m2)及び天然石では 278～990g/m2(平均 543g/m2)であった。海藻の着生量は、最大粒径が 80～120mm で多くなり、それよりも粒径が大きくなると減少していった。一方、最大粒径が 50mm 程度の製鋼スラグＣでは海藻の着生量が少なく、表面粗さは天然石とほとんど差がなかったことから、粒径が小さいことが原因であったと推察された。
これらの結果から、元素組成の化学的な違いによって海藻着生種類や量に大きな違いはなかったが、粒径の違いによって海藻の着生量に差があった。
表 3-2-1. 海藻優占種(2015 年 2 月～2015 年 12 月)
2015年2月
2015年6月
2015年12月
種名 割合(%) 種名 割合(%) 種名 割合(%)
89.6 ﾋﾗﾐﾘﾝ
38.0 ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ 90.0
ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ
30-80
ﾅｶﾞﾐﾙ
16.7
38.8 ﾅｶﾞﾐﾙ
56.9 ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ 57.1
ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ30-80
ﾐﾙ属11.8 ｸﾛﾐﾙ
14.2 ﾏｸｻ
21.4
60.0
ﾅｶﾞﾐﾙ
50.1
ｱｵｻ属
25.9
ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ30-120
ﾐﾙ属
31.5 ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ 14.9 ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ 40.7
80.1 ﾅｶﾞﾐﾙ
56.2 ｳﾐｳﾁﾜ
87.0
ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ300
ｱｵｻ属
19.9 ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ 22.4
ｱｵｻ属
ｱｵｻ属
40.5 ｱｵｻ属
59.1 ﾀﾏﾊﾊｷﾓｸ
36.0
30-5026.2
ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ
ﾐﾙ属
36.4 ﾋｼﾞｷ
32.0
ｳﾐｳﾁﾜ
12.0
54.2 ﾅｶﾞﾐﾙ
61.5 ｳｽｶﾜｶﾆﾉﾃ 37.5
ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ
500-1000 ﾐﾙ属
38.2 ｴﾅｼﾀﾞｼﾞｱ 22.6 ﾏｸｻ
31.3
ｱｶﾓｸ
25.0

粒径(mm)
製鋼スラグＡ

製鋼スラグＢ

製鋼スラグＣ
天然石

注）組成率 10％以上の上位 3 種を優占種とした。

－ 85 －

海藻湿重量(g･m-2)

0

1500

1000
紅藻褐藻
緑藻

500に差はなかったと考えられた。

－ 86 －01000d)製鋼スラグB(300mm)
2000
1500

1000f)天然石500-1000mm
2000

1500

1000

2015年12月(造成17ヵ月後)2015年6月(造成11ヵ月後)2015年2月(造成7ヵ月後)2014年8月(造成1ヵ月後)1500

2015年12月(造成17ヵ月後)2015年6月(造成11ヵ月後)2015年2月(造成7ヵ月後)2014年8月(造成1ヵ月後)b)製鋼スラグB(30-80mm)
2000

2015年12月(造成17ヵ月後)e)製鋼スラグC(30-50mm)
2000

0

2015年6月(造成11ヵ月後)500

2015年2月(造成7ヵ月後)

1000
紅藻
褐藻
緑藻0

2014年8月(造成1ヵ月後)c)製鋼スラグB(30-120mm)
2000
海藻湿重量(g･m-2)500

海藻湿重量(g･m-2)

紅藻
褐藻
緑藻

海藻湿重量(g･m-2)

1500
2015年12月(造成17ヵ月後)2015年6月(造成11ヵ月後)2015年2月(造成7ヵ月後)1000

2015年12月(造成17ヵ月後)2015年6月(造成11ヵ月後)2015年2月(造成7ヵ月後)2014年8月(造成1ヵ月後)1500

2015年12月(造成17ヵ月後)2015年6月(造成11ヵ月後)2015年2月(造成7ヵ月後)0
2014年8月(造成1ヵ月後)

海藻湿重量(g･m-2)0

2014年8月(造成1ヵ月後)

海藻湿重量(g･m-2)a)製鋼スラグA(30-80mm)
2000

紅藻
褐藻
緑藻

500

紅藻
褐藻緑藻500

紅藻褐藻緑藻500

図 3-2-4. 坪刈による海藻湿重量の推移

図 3-2-5 に 2014 年 8 月～2015 年 12 月の製鋼スラグ 3 種類、天然石及び周辺天然藻場の直上水における pH、全窒素及び全リンの分析結果を示す。調査期間中における直上水の pH、全窒素及び全リンは、ほとんど差がなく、水質によって海藻着生種類や量

10.0
全窒素濃度(mg･L-1)

0.5

pH

9.08.0
製鋼スラグA
製鋼スラグB
製鋼スラグC
天然石
周辺天然藻場

7.06.0

8月 10月12月 2月 4月 6月 8月 10月12月
2014
全リン濃度(mg･L-1)

0.05

製鋼スラグA
製鋼スラグB
製鋼スラグC天然石
周辺天然藻場

0.40.30.20.10.0

2015

8月 10月12月 2月 4月 6月 8月 10月12月
2014
2015

製鋼スラグA
製鋼スラグB
製鋼スラグC
天然石
周辺天然藻場

0.04
0.030.020.010.00

8月 10月12月 2月 4月 6月 8月 10月12月
2014
2015

図 3-2-5. 直上水における水質分析結果
4．研究のまとめ
本研究は、化学的・物理的特性の異なる製鋼スラグを用いて、着生する藻の種類や量及び水質などへの影響について明らかにし、岩礁性藻場生育基盤材としての特性から藻場造成モデルを構築することを目的とした。得られた結果は以下のとおりである。
1)本研究で用いたすべての製鋼スラグで溶媒の塩分濃度が高くなるにつれて、pH の上昇が抑制されており、海水の塩分濃度である 3.0％ではすべての製鋼スラグで 8.2 前
後と瀬戸内海における海水中の pH とほとんど差はなかった。
2)製鋼スラグの元素組成の化学的な違いによって海藻着生種類や量に大きな違いはなかったが、粒径の違いによって海藻の着生量に差があった。特に最大粒径が 50mm 以下の場合には、それ以上の最大粒径と比較して、海藻着生量が 1/100 程度となった。
3)製鋼スラグの直上水における pH、全窒素及び全リン濃度は天然石直上水や周辺天然藻場と差はほとんどなかった。
謝辞
本研究は、公益財団法人 JFE21 世紀財団の支援により実施されました。ここに謝意を表します。

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1) 杉本憲司, 中野陽一, 土田孝, 岡田光正, 浚渫土を利用した藻場生育基盤造成による藻場生態系の長期評価, 土木学会論文集 B2(海岸工学), Vol71(2), I_1447-I_1452,20152) 杉本憲司, 平岡喜代典, 谷田和夫, 寺脇利信, 岡田光正, 浚渫跡地での埋め戻しによるアマモ場の回復, 水環境学会誌, 31(4), 217-221, 20083) 杉本憲司, 中野陽一, 高濱繁盛, 山本民次, 土田孝, 関根雅彦, 岡田光正, 製鋼スラ
グ を 用 い た 岩 礁 性 藻 場 生 育 基 盤 の 造 成 , 土 木 学 会 論 文 集 B2( 海 岸 工 学 ),Vol70(2),I_1231-I_1235, 2014

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