JP2004277191A

JP2004277191A - コンクリート用粗骨材

Info

Publication number: JP2004277191A
Application number: JP2003067790A
Authority: JP
Inventors: Hiroyuki Toubou; 博幸當房; Masato Takagi; 正人高木; Yoji Wakasa; 洋二若佐
Original assignee: JFE Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 2003-03-13
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】コンクリート構造物に適用するために十分な品質を有する、高炉スラグから作製したコンクリート用粗骨材を提供する。
【解決手段】溶融状態の高炉スラグを、金属製の鋳型上で冷却凝固後に破砕して得られる破砕スラグであって、その吸水率を１．５％以下および粒径を５〜２０ｍｍとする。
【選択図】なし

Description

【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コンクリート用粗骨材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
徐冷高炉スラグから製造した高炉スラグ粗骨材は、コンクリート用粗骨材として、ＪＩＳにおいて制定されている。但し、コンクリート用粗骨材の原料である徐冷高炉スラグは多孔質であって吸水率が高くなるため、フレッシュコンクリートの流動性が低下することから、徐冷高炉スラグから製造した高炉スラグ粗骨材は一部で使用されるにとどまっている。その理由は、次に示すとおりである。
【０００３】
すなわち、高炉スラグを原料として高炉スラグ粗骨材を製造するには、溶融状態の高炉スラグ（以下、溶融高炉スラグという）を徐冷して、凝固そして冷却して塊状にした後、それを破砕して目的の粒度の骨材を得る。この溶融高炉スラグの凝固そして冷却は、高炉の直ぐ横に設置されたドライピットに流して行うか、または一旦溶融高炉スラグを鍋に受けた後、ヤードに運んで放流する方法が、採用されている。これらの方法によれば、数百から数千トンの凝固物ができ、ブルドーザー等で粗破砕した後、破砕プラントにおいて破砕するのが一般的である。
【０００４】
かような工程を経て製造された徐冷高炉スラグは、多孔質となることは避けられず、従って、この徐冷高炉スラグを原料として高炉スラグ粗骨材を製造すると、多孔質のものとなる。そのため、高炉スラグ粗骨材の吸水率は高くなり、それをコンクリート用粗骨材に適用した場合、天然岩石から製造された砕石よりも品質が劣ったものとなる。
【０００５】
ここに、徐冷高炉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、例えば非特許文献１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高炉スラグを薄く流し、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。
【０００６】
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、温度が高く、しかも１回に流される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、コンクリート用粗骨材向け原料に適した品質となり、特に１回に流された層厚を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。
【０００７】
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％程度であり、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粗骨材需要の１％にも満たないほど少ないのが現状である。
【０００８】
【非特許文献１】
製鉄研究第３０１号．１９８０年．Ｐ．１３３５５〜１３３６２
【０００９】
【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あり、コンクリート構造物に適用するために十分な品質を有する、高炉スラグから作製したコンクリート用粗骨材を、提供しようとするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、溶融高炉スラグが凝固する際の発泡現象を効果的に抑制して得た、緻密な高炉スラグを破砕することにより、吸水率が低くかつコンクリート用粗骨材として好適な粒度分布を持つ、高炉スラグ粗骨材の提供が可能であることを見出し、本発明を完成するに到った。
【００１１】
すなわち、本発明は、溶融状態の高炉スラグを、金属製の鋳型上で冷却凝固後、破砕して得られる破砕スラグからなるコンクリート用粗骨材であって、その吸水率が１．５％以下および粒径が５〜２０ｍｍであることを特徴とするコンクリート用粗骨材である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、次の２つの知見から導き出されたものである。
すなわち、１つ目は、溶融高炉スラグを水のない条件で薄い板状に凝固させると、気孔のない緻密な凝固スラグができることである。そして、２つ目は、凝固厚みにより破砕後の粒度分布および粗骨材の歩留まりが異なることである。これらの知見から、粒径が５〜２０ｍｍのコンクリート用粗骨材を高品質のものとする条件を導き出し、吸水率が天然骨材と同等の高炉スラグ粗骨材を提供できることとなったのである。
【００１３】
次に、本発明に導くに至った経緯について、さらに詳しく説明する。
さて、発明者らは、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。
徐冷高炉スラグの内部には、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。
【００１４】
ところで、気孔の生成原因には２種類ある。
すなわち、凝固する際に水分と接触する場合は、発生する水蒸気や反応してできたＨ_２Ｓガスが気孔となることが考えられ、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、水分との接触のない場合でも、気孔は生成し、この場合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ＳＯ_２ガスが発生し、これによるスラグ中における気孔の生成が見られた。
【００１５】
ここに、水分を遮断することは比較的容易だが、雰囲気中の酸素を遮断することは非常に難しい。そこで、水分を遮断するとともにＳＯ_２ガスが発生するよりも速く凝固させて気孔を生成させないことが有効であると考え、スラグを急冷することについて鋭意検討した。
さて、粗骨材を製造するためには、ある程度の大きさの塊状で冷却しなければならないため、水砕や風砕といった手段を利用して急冷することはできない。一方、スラグの熱伝導率は小さいため、大きな塊状のものを急冷することは難しい。かかる制約の下、冷却速度を向上させることを目的として、実際の高炉から排出された溶融高炉スラグの層厚を変更して凝固させる実験を試みた。
【００１６】
そこで、実際の高炉から排出された溶融高炉スラグについて、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：１．５ｍ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板状に流して冷却凝固させた。鋳型上のスラグの厚みは、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０．４〜１ｔ程度とした。
【００１７】
凝固させた板状のスラグは、翌日温度が低下した後に回収した。スラグの厚みは、鉄板の傾斜の上方部分と下方部分とで異なるため、回収後に、１０ｍｍ未満、１０〜２０ｍｍ、２０〜３０ｍｍ、３０〜４０ｍｍ、４０〜５０ｍｍ、５０ｍｍ以上に選別した。凝固厚みの最大値は６０ｍｍであった。実験室のジョークラッシャーで破砕後、５〜２０ｍｍに分級した。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、その吸水率を測定した。
【００１８】
凝固スラグ厚みと吸水率との関係を、図１に示すように、スラグ厚みが薄いほど吸水率が低くなった。これ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、ガスの発生量が少なく、気孔量が少なくなった結果である。すなわち、凝固厚みが３０ｍｍ以下であれば、吸水率が１．５％以下となり、ほぼ天然骨材と同等の吸水率となる。
【００１９】
次に、スラグの凝固厚みと破砕後の粒径が５〜２０ｍｍの骨材の歩留まりとの関係を、図２の棒グラフに示す。さらに、この図２には、各棒において凝固厚み毎に得られた骨材の粒径分布を示してある。図２から、粒径５〜２０ｍｍの粗骨材の歩留まりは、凝固厚みが２０〜３０ｍｍのスラグから製造した場合に最大の８０％になった。一方、凝固厚みが３０ｍｍより大きいスラグでは、骨材の粒径を５〜２０ｍｍの範囲にするために、スラグを何度も割る必要があり、その回数の増加に連れて破面が増える結果、発生する粉成分が多くなって歩留まりの低下をまねくことになる。凝固厚みが２０ｍｍより小さい場合は、５〜２０ｍｍの粒径範囲の粗い粒径部分の確保が難しくなって歩留まりが低下し、かつ骨材の粒度分布も偏ってしまう。従って、歩留まりおよび粒度分布を適正にするには、スラグの凝固厚みを２０〜３０ｍｍの範囲とすればよいことがわかる。
【００２０】
以上の知見から、溶融高炉スラグを層厚２０〜３０ｍｍにて金属製鋳型に流し込み、水と直接接触させずに板状に冷却そして凝固させ、その板状の凝固スラグを破砕した後、５〜２０ｍｍ径に分級することによって、吸水率が天然骨材と同様に低く、粒度範囲の偏りのない緻密なコンクリート用粗骨材が得られることが判明した。
【００２１】
かくして製造される、本発明のコンクリート用粗骨材は、吸水率が１．５％以下および粒径が５〜２０ｍｍの特徴を有するものとなる。
ここで、コンクリート用粗骨材の吸水率を１．５％以下としたのは、１．５％を超えると、一般的にコンクリート用粗骨材として使用されている天然砕石と比べて吸水率が高くなるという理由であり、吸水率１．５％以下のものに限定することで、天然砕石と同等の使い方が可能となる。
また、コンクリート用粗骨材の吸水率が１．５％を超えるものであると、コンクリートとしてフレッシュコンクリートに配合したときに、骨材へ水分が吸収されてしまい、フレッシュコンクリートの流動性が低下し、施工しにくくなるという問題もある。
【００２２】
また、粒径を５〜２０ｍｍに限定するのは、ＪＩＳＡ５０１１に規定されるコンクリート用粗骨材２００５として使用することを目的としているためである。このＪＩＳ規格では、コンクリー卜用粗骨材の最低粒径は５ｍｍと規定されており、本発明によるコンクリート用粗骨材の粒径の下限は５ｍｍとする。
また、粒径が２０ｍｍを超えるものを製造しようとすると、鋳鋼製鋳型上で３０ｍｍを超える厚みで鋳込むことが必要となるが、こうすると鋳型上で凝固した高炉スラグ中には図１で示したように、気孔が生成してしまい、吸水率が上がってしまうからである。
【００２３】
【実施例】
次に、本発明に従う製造方法について説明する。
図３に示す、板状凝固スラグの製造装置を用いてコンクリート用粗骨材を製造した。ここで、図３中の番号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、６は散水ノズル、そして７が板状凝固スラグである。
【００２４】
図３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内に溶融高炉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７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鋳型と自由に取り替えられる仕組みになっている。
【００２５】
次いで、板状凝固スラグ７は、鋳滓機４の端末で鋳型５が反転することにより、鋳型５から剥離、落下する。凝固スラグ７が剥離した鋳型５は反転状態で溶融高炉スラグ供給位置へと戻るが、この時、散水ノズル６から水を鋳型表面に散水して、鋳型を冷却する。ここで、鋳型５には、縦１ｍ、横２ｍおよび深さ２０ｍｍで、鋳型内に仕切りのない鋳鋼製のものを用いた。
【００２６】
さて、凝固スラグの製造手順としては、まず高炉の炉下において、容量５０ｔのスラグ鍋１に溶融状態の高炉スラグを装入し、上記の板状凝固スラグの製造装置まで移送し、このスラグ鍋１から溶融スラグを１〜３ｔ／ｍｉｎ程度の流出速度で流出させ、スラグ樋３を介して、移動している鋳型５上に供給した。この時、溶融高炉スラグの温度を放射温度計で測定したところ、１３７０〜１４００℃の範囲にあった。そして、鋳型５から溶融高炉スラグがオーバーフローして次の鋳型５に流れるように鋳込むことによって、スラグの凝固厚みを２０〜３０ｍｍの範囲に制御した。スラグの粘性が高いこと、薄層に流すため冷却速度が速いことから、溶融高炉スラグが２０ｍｍ高さの鋳型の縁をオーバーフローする際に、縁上でも一部が凝固して縁が高くなるため、鋳型内における凝固厚みは２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下となる。
【００２７】
凝固したスラグは、板状凝固スラグの製造装置の末端で鋳型５が反転することにより、剥離し落下する。板状の凝固スラグの一部は、落下の衝撃により割れた。スラグ鍋１杯から約３０ｔの凝固スラグを作製した。
【００２８】
次いで、凝固したスラグをショベルで別の場所に運び、山積みして放置し冷却した後、スラグを破砕設備に運んだ。破砕設備にはジョークラッシャーと、能力１００ｔ／ｈのインパクトクラッシャーとを備えており、ここで破砕後、分級機で篩い分けた後、それぞれの粒度毎の落ち口にコンペアで運ばれる。分級機の最上段の篩いに残った塊は、再度インパクトクラッシャーに戻され破砕される。この破砕機で５〜２０ｍｍに分級して、粗骨材を得た。
【００２９】
かくして得られた粗骨材について、絶乾比重、表乾比重および吸水率を調査した。その結果を、表１に示す。また、比較材として、従来の高炉スラグ粗骨材、天然骨材の石灰石砕石の各値も、表１に併記した。これらの測定は、ＪＩＳＡ１１１０「粗骨材の密度及び吸水率試験方法」により行った。表１から、本発明の緻密な高炉スラグ粗骨材は、従来の徐冷高炉スラグから製造される高炉スラグ粗骨材と比べ、吸水率が著しく小さく、ほぼ天然砕石である石灰石砕石と同等の比重、吸水率を示していることがわかる。
【００３０】
【表１】

【００３１】
また、得られた粗骨材を用いて、コンクリートを作製した。そのコンクリートの配合を表２に示す。混和剤にはＡＥ減水剤のポゾリス７８Ｓを使用した。本発明のコンクリート用粗骨材を用いた適合例１および比較例１、２は、呼び強度２４Ｎ／ｍｍ^２、スランプ１２ｃｍのコンクリートの配合、適合例２および比較例３、４は、呼び強度２１Ｎ／ｍｍ^２、スランプ８ｃｍのコンクリートの配合とした。なお、比較例１、２は天然砕石である石灰石砕石を、そして比較例３、４は従来ある徐冷高炉スラグを、それぞれ粗骨材に用いた。
【００３２】
【表２】

【００３３】
本発明のコンクリート用粗骨材は、比較材の石灰砕石とほぼ同じ比重、吸水率であるため、コンクリートの粗骨材配合量、細骨材率、単位水量、ＡＥ減水剤量を、天然砕石である石灰石を粗骨材として用いたコンクリートの場合と全く同じ配合にして、フレッシュコンクリートのスランプ値、空気量を目標通りに合わすことができた。
【００３４】
従来ある徐冷高炉スラグ粗骨材を用いたコンクリートの場合、多孔質であるため比重が石灰石よりも小さく、単位風骨材量が少なくなった。さらに、多孔質であるがために、フレッシュコンクリートの流動性を阻害することから、設計値通りのスランプ値並びに空気量とするのに、単位水量、細骨材率（ｓ／ａ）および混和材量を増加する必要があった。
【００３５】
表３に、表２の配合で製造したコンクリートの施工後７日目および２８日目の圧縮強度を示す。本発明の高炉スラグ粗骨材を用いたコンクリートは、骨材が緻密で強度が高いため、従来の高炉スラグ粗骨材を用いたコンクリートよりも強度が高く、天然砕石である石灰砕石を用いたコンクリートと同等、むしろ若干高い強度が得られた。
このように本発明法で製造した緻密化スラグを原料とした粗骨材は、従来の高炉スラグ粗骨材に比べ、遥かにコンクリート用粗骨材に適した性質のものとなった。
【００３６】
【表３】

【００３７】
【発明の効果】
本発明のコンクリート用粗骨材は、吸水率が低く、かつ高強度であるため、この緻密な高炉スラグをコンクリート用粗骨材として使用することにより、天然骨材を使用した場合と同等以上の強度のコンクリート建造物が建設できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】スラグの凝固厚さと破砕後のスラグの吸水率との関係を示す図である。
【図２】スラグの凝固厚みと破砕後の粒径が５〜２０ｍｍの骨材の歩留まりおよび粒度分布との関係を示す図である。
【図３】本発明の緻密な高炉スラグの製造に好適な凝固スラグの製造装置を示す図である。
【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散水ノズル
７板状凝固スラグ

Claims

溶融状態の高炉スラグを、金属製の鋳型上で冷却凝固後、破砕して得られる破砕スラグからなるコンクリート用粗骨材であって、その吸水率が１．５％以下および粒径が５〜２０ｍｍであることを特徴とするコンクリート用粗骨材。