コンクリート工学年次論文集 Vol.26

コンクリート工学年次論文集，Vol.26，No.1，2004
論文
高炉スラグ細骨材の固結防止技術
光藤浩之*1・吉澤千秋*2・高橋智雄*３・木之下光男＊4
要旨：近年，資源の枯渇や環境悪化への懸念から，海砂を中心に天然砂の採取が規制され，
その代替に，高炉水砕スラグを破砕し粒度調整した，高炉スラグ細骨材への関心が高まっ
ている。しかし高炉スラグの持つ水硬性により，貯蔵時に固結と呼ばれる硬化現象を引き
起こすことが，利用上の大きな障害となっていた。今回，新固結防止剤の添加により，固
結にいたる期間を従来の２倍以上に延長できる高炉スラグ細骨材の固結防止技術を開発
した。その性能は，４０℃及び８０℃で養生した後の細骨材の粒度測定と，夏季の屋外貯
蔵試験で評価した。またコンクリートに及ぼす影響についても調査した。
キーワード：高炉水砕スラグ，高炉スラグ細骨材，水硬性，貯蔵，固結，固結防止剤
果は不充分であり，長期間安全に貯蔵できる
1． は じ め に
高炉スラグ細骨材の固結防止技術が必要であ
コンクリート用細骨材の多くは河川砂や山
った。
陸砂，海砂等の天然砂であるが，近年，環境
本研究では，新たな固結防止剤として，グ
への影響や資源の枯渇が懸念され，河川砂や
ルコン酸ナトリウム誘導体
海砂を中心に採取規制が進んでいる。
良質な天然砂の入手は困難なため，その代
クリル酸ナトリウム
替に高炉水砕スラグを破砕し，粒度調整した
7)
3),4),5),6)
とポリア
を取り上げ，その固結
防止効果とコンクリートへの影響を調査した。
高炉スラグ細骨材への関心が高まっている。
高炉スラグは水硬性を持ち，水和反応を起
こして硬化する
1),2)
2． 高 炉 ス ラ グ 細 骨 材
。この水硬性は，高炉セ
銑鉄を製造する高炉で副産した溶融スラグ
メントや地盤改良材などには不可欠な特性で
に，加圧水を噴射して急冷すると高炉水砕ス
あるが，出荷先等で貯蔵中に水和反応を起こ
ラグとなる。この高炉水砕スラグを軽破砕し
すと粒子同士が接着し，塊状化する固結現象
粒度を調整したものが高炉スラグ細骨材であ
を引き起こす。一度固結すると細骨材として
る。高炉スラグ細骨材の製造工程の一例を図
使用できないばかりか，その撤去に多大な労
-1 に 示 す 。高 炉 水 砕 ス ラ グ を ク ラ シ ャ ー で 破
力が必要なため，利用上の大きな障害となっ
砕 し 、 ス ク リ ー ン で 5mm 以 上 の 粗 粒 を 回 収 し
ていた。従来から，固結防止剤としてグルコ
再破砕する。固結防止剤の希釈液は，スクリ
ン酸ナトリウム
1),2)
ーン上の高炉水砕スラグ細骨材に散布する。
が用いられたが，その効
＊１
鋼管鉱業㈱
研究所
次長
工修
（正会員）
＊２
鋼管鉱業㈱
技術サービス部
＊３
竹本油脂㈱
第三事業部
研究開発部
工修
（正会員）
＊４
竹本油脂㈱
第三事業部
研究開発部
部長
工博
部長
工博
-87-
（正会員）
（正会員）
＋5mm
固結防止剤
水砕スラグ
クラッシャー
図 -1
−5mm
スクリーン
高炉スラグ細骨材
高炉スラグ細骨材の製造工程の一例
3． 固 結 防 止 剤
H
H
固結防止剤として用いられるグルコン酸
C
C
ナトリウムは，スラグから溶出するカルシ
H
C O
ウムと結合し粒子表面に吸着膜を形成し，
ONa
その後のカルシウム溶出と水和反応を抑制
するとされている
2)
n
図 -3
ポリアクリル酸ナトリウム
。
4． 実 験 方 法
図 -2 に 示 す グ ル コ ン 酸 ナ ト リ ウ ム 誘 導 体
は ，β ＝ ０ の グ ル コ ン 酸 ナ ト リ ウ ム に 比 べ ，
高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 の 化 学 成 分 を 表 -1 に ，
物 性 値 を 表 -2 に 示 す 。
アルキレンオキサイドの付加により，主鎖
か ら OH 基 ま で の 距 離 が 長 く ，ス ラ グ 粒 子 表
面の吸着膜の拡大が期待できる
5)
表 -1
。
高炉スラグ細骨材の化学組成
（ 質 量 %）
CaO
43.0
H
HO
X C
H
HO
X C
H
HO
X
C
H
H
C
X
HO X
C
H
表 -2
Al2O3 MgO MnO FeO
S
14.6 5.4 0.5 0.3 1.0
高炉スラグ細骨材の物性値
OH
高炉水砕 高炉スラグ JISA5011-1
スラグ
細骨材
規格
絶乾密度(g/cm3)
吸水率(%)
単位容積質量 (kg/l)
4.75mm
2.36mm
積算篩下 1.18mm
割合 (%) 0.60mm
0.30mm
0.15mm
粗粒率
C O
ONa
X:(CαH2α)β
α= 2 or 3, β= 0 to 3
図 -2
SiO2
34.0
グルコン酸ナトリウム誘導体
一 方 、図 -3 に 示 す ポ リ ア ク リ ル 酸 ナ ト リ
99.6
93.9
59.6
20.2
5.1
1.8
3.20
2.73
0.79
1.53
100.0
99.7
86.0
39.5
13.8
5.8
2.55
≧2.5
≦3.5
≧1.45
90∼100
80∼100
50∼90
25∼65
10∼35
2∼15
-
4.1 固 結 評 価 試 験
ウムは，グルコン酸ナトリウムに比べ，質
量当たりのカルボキシルイオンの数が多く，
スラグから溶出するカルシウムとの結合量
高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 は ，図 -1 の 製 造 プ ラ ン
トで粒度調整した後，試験室で固結防止剤
の希釈液を添加混合した。固結防止剤の添
の増加により，その後の水和反応を抑制す
加 量 は 高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 に 対 し ，最 大 0.05
る可能性を持つ。
-88-
表‐3
質 量 ％ で ，含 水 率 が 10％ と な る 量 の 蒸 留 水
で希釈した。この高炉スラグ細骨材を，直
水セメ
配合 ント比
(%)
1
60
2
径 100mm，高 さ 127mm の 円 筒 容 器 に 装 入 し ，
10 ｍ の 高 さ で 貯 蔵 し た 荷 重 に 相 当 す る
コンクリートの配合
単位量(kg/m3)
細骨材
高炉スラグ
率(%) 水 セメント 細骨材
陸砂 粗骨材
193
322
437
408
938
47
192
320
438
412
941
0.15N/mm 2 の 圧 力 で 載 荷 し ， 除 荷 後 密 閉 し ，
恒温水槽内で養生した
3)
。養生温度は夏季
5． 結 果
最 高 温 度 を 想 定 し た 40℃ と ，加 速 評 価 を 目
的 と し た 80℃ を 選 択 し た
3),4)
5.1 固 結 評 価
図 -3 に 40℃ の 養 生 日 数 と 固 結 防 止 剤 無
。
所定期間養生後，高炉スラグ細骨材の粒
添 加 の 高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 の 4.75mm 篩 い 上
度分布を測定し、細骨材の最大粒径である
割合（すなわち固結量）の関係を示す。2
4.75mm 以 上 の 発 生 割 合 を 固 結 量 と し た 。ま
週 間 ま で は ，固 結 量 が 0％ で あ っ た が ，3 週
た ，100％ 固 結 し 供 試 体 が 円 柱 状 を 保 つ 場 合 ，
間 目 に は 図 -4 に 示 す 様 に 固 結 量 が 100％ に
固結塊の圧縮強度を測定した
3)
なった。
。
水和反応量の測定には，乾燥した試料を
4)
。
100
高炉スラグ細骨材は屋外で貯蔵されるこ
と が 多 く ，降 雨 に よ り 固 結 防 止 剤 が 流 失 し ，
効果が減衰する恐れがある。その影響を試
固結量 (%)
粉砕し，熱重量分析を行った
80
60
40
験室規模で評価するために、固結防止剤を
20
添 加 し た 高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 10kg の 充 填 層
0
0
に所定量の水を添加し吸引通過させた後，
前述の固結評価を行った
6)
20
40
60
80
養生日数 (日)
。
最終的には，屋外で安全に貯蔵できる期
図 -3
間を判断するために，プラントで固結防止
養生日数と固結量の関係
（ 40℃ ， 無 添 加 ）
剤を添加して粒度調整した高炉スラグ細骨
材を，山積み貯蔵し，定期的に重機で掘削
することにより山内部の固結の進行状況を
観察した。
4.2 コ ン ク リ ー ト 試 験
コンクリートへの影響を確認するため，
天 然 細 骨 材 を 体 積 率 で 50%、 高 炉 ス ラ グ 細
100mm
骨材に置換して，コンクリート試験を行っ
た。使用材料として，セメントに普通ポル
図 -4
固結状況
トランドセメント，粗骨材に天然砕石，化
学混和剤にＡＥ減水剤，天然細骨材には陸
図 -5 に 、 固 結 塊 の 圧 縮 強 度 を 示 す 。 3 週
砂を用いた。
間目の圧縮強度は，ほぼ 0 であったが，養
表 -3 に コ ン ク リ ー ト 配 合 を 示 す 。
生日数の増加と供に圧縮強度は増加する。
-89-
2
圧縮強度 (N/mm )
0.35
アクリル酸ナトリウムの場合，更に効果が
0.30
大 き く ，添 加 量 を 0.02％ ま で 低 下 さ せ て も
0.25
固 結 開 始 に 300 日 必 要 だ っ た 。 ま た 0.03%
0.20
以 上 添 加 し た 場 合 、 測 定 期 間 の 300 日 間 で
0.15
は固結しなかった。
0.10
0.05
グルコン酸ナトリウム
グルコン酸ナトリウム誘導体
ポリアクリル酸ナトリウム
0.00
0
20
40
60
80
図 -5
固結開始日数(日)
養生日数 (日)
養生日数と圧縮強度の関係
（ 40℃ ， 無 添 加 ）
350
300
250
200
150
100
50
0
0
図 -6 に 40℃ の 養 生 日 数 と ，高 炉 ス ラ グ 細
図 -7
骨材の水和量の関係を示す。ここで、熱分
0.01
0.02
0.03
0.04
添加量（％）
0.05
固結防止剤添加量と固結開始日数の
関 係 （ 40℃ ）
析 に お け る 600℃ ま で の 減 量 を 水 和 量 と 考
えた。固結防止剤無添加では，養生日数の
増加に従い水和量が増加する。一方，グル
図 -8 に 固 結 防 止 剤 の 添 加 量 と 80℃ の 固
コン酸ナトリウム誘導体を添加した場合に
結開始日数の関係を示す。養生温度を上昇
は，長期間水和反応が進んでいない。
さ せ る こ と で ，短 期 間 で 固 結 評 価 を 行 え る 。
図 -9 に 固 結 開 始 日 数 に 及 ぼ す 通 水 量 の 影
無添加
響を示す。ここで通水量は高炉スラグ細骨
グルコン酸ナトリウム誘導体0.05%
材に対する質量割合で表した。グルコン酸
1
ナ ト リ ウ ム 誘 導 体 0.05％ 添 加 時 ，80℃ の 固
水和量（％）
0.8
結 開 始 日 数 は 当 初 40 日 間 で あ る が ，通 水 量
0.6
の 増 大 と 共 に 短 縮 し ， 50％ 通 水 す る と ， ２
0.4
週間で固結する。一方，ポリアクリル酸ナ
0.2
ト リ ウ ム の 場 合 ，50％ の 通 水 量 で も 80℃ の
固結開始に 2 ヶ月かかり，降雨の影響を受
0
0
図 -6
20
40
60
養生日数（日）
80
けた後の固結防止効果もグルコン酸ナトリ
ウムを大きく上回る。
養生日数と高炉スラグ細骨材の水和
製造プラントで固結防止剤を添加した高
量 の 関 係 （ 40℃ ）
炉 ス ラ グ 細 骨 材 を そ れ ぞ れ 80ｔ ず つ 製 造 し ，
図 -10 に 示 す 様 に 屋 外 に 山 積 み 貯 蔵 し ， 定
固 結 量 が 1％ 以 上 に な っ た 養 生 日 数 を ，
期的な重機掘削により山内部の状況を観察
固 結 開 始 日 数 と し ，図 -7 に 固 結 防 止 剤 の 添
した。測定期間は，ユーザーでの在庫期間
加 量 と 40℃ の 固 結 開 始 日 数 の 関 係 を 示 す 。
を考慮して，降雨の多い梅雨を含む夏季 6
同一添加量では，グルコン酸ナトリウム誘
月から 9 月の，3 ヶ月間とした。グルコン
導体は、グルコン酸ナトリウムの 2 倍以上
酸 ナ ト リ ウ ム 誘 導 体 0.05%添 加 し た 高 炉 ス
の期間，固結開始日数を延長できる。ポリ
ラグ細骨材は 2 ヶ月間固結せず，3 ヶ月後
-90-
性への影響は見られなかった。
に 図 -11 に 示 す 様 な 小 量 の 固 結 塊 が 発 生 し
た。またポリアクリル酸ナトリウムでは，
0.05%の 添 加 と ，よ り 少 な い 0.03%添 加 の 高
炉スラグ細骨材で 3 ヶ月間，固結が発生し
なかった。
グルコン酸ナトリウム
グルコン酸ナトリウム誘導体
ポリアクリル酸ナトリウム
固結開始日数 (日)
250
200
図 -10
高炉スラグの屋外貯蔵試験
150
100
50
0
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
添加量 (%)
図 -8
固結防止剤添加量と固結開始日数の
300mm
関 係 （ 80℃ ）
図 -11
高炉スラグ細骨材の貯蔵山の掘削
状 況（ 3 ヶ 月 後 、グ ル コ ン 酸 ナ ト リ
グルコン酸ナトリウム誘導体
ポリアクリル酸ナトリウム
ウ ム 誘 導 体 0.05％ ）
固結開始日数（日）
70
60
図 -12 に コ ン ク リ ー ト の 凝 結 時 間 を 比 較
50
する。無添加と比べ，各種の固結防止剤を
40
添加するとやや凝結が遅れる。今回新たに
30
20
開発したグルコン酸ナトリウム誘導体とポ
10
リアクリル酸ナトリウムの凝結時間は従来
0
品よりも凝結の遅れが小さい。
0
10
20
30
40
通水量 (%)
50
図 -13 に コ ン ク リ ー ト の 圧 縮 強 度 を 比 較
する。各種固結防止剤の添加のコンクリー
図 -9
ト強度への影響は見られなかった。
固結開始日数に及ぼす通水量の影響
（ 80℃ 、 添 加 量 ： 0.05%）
表 -4
5.2 コ ン ク リ ー ト 試 験
コンクリートの性状
スランプ 空気量
(cm)
(%)
無添加
18.8
4.3
SG,0.05%
19.0
4.0
DSG,0.05%
19.3
4.4
無添加
18.0
4.3
DSG,0.05%
18.0
4.3
PSA,0.01%
18.0
4.3
PSA,0.025%
17.5
4.1
PSA,0.05%
18.5
4.0
配合 固結防止剤
表 4 にコンクリートの性状を示す。ここ
1
で SG は グ ル コ ン 酸 ナ ト リ ウ ム ，DSG は グ ル
コ ン 酸 ナ ト リ ウ ム 誘 導 体 ， PSA は ポ リ ア ク
リル酸ナトリウムを表す。固結防止剤の添
2
加によるコンクリートの流動性や空気連行
-91-
新たな固結防止剤を用いた場合も，コン
始発
終結
クリートへの影響は，従来から実績のある
凝結時間（時）
11
固結防止剤と同程度であり，使用上問題の
10
ないことを確認した。
9
8
7
参考文献
6
1) 野 村 高 照 ，榎 戸 恒 夫 ，鈴 木 章 平 ，徳 永 良
邦 ，稲 山 邦 彦：高 炉 水 砕 ス ラ グ の 硬 化 特
PSA,0.05%
PSA,0.025%
PSA,0.01%
DSG,0.05%
無添加
DSG,0.05%
SG,0.05%
無添加
5
性 と そ の 抑 制 策 ， 製 鉄 研 究 ， No.30,
pp.13363-13372, 1980.
2) 金 谷 宗 輝 ，松 井 淳 ，伊 澤 康 子 ，市 川 牧 彦：
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Journal
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Society
of
Inorganic
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3日
7日
3) 光 藤 浩 之 ，吉 沢 千 秋 ，深 井 美 隆 ，大 関 彰
28日
ート用高炉スラグ細骨材の固結防止剤
35
の 開 発 ，材 料 と プ ロ セ ス
30
第 139 回 日 本
25
鉄 鋼 協 会 講 演 論 文 集 ，Vol.13, No.1, p.101,
20
2000.
15
4) 白 石 力 ，光 藤 浩 之 ，高 橋 智 雄 ，木 之 下 光
男：コ ン ク リ ー ト 用 高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 の
PSA,0.05%
PSA,0.025%
PSA,0.01%
DSG,0.05%
無添加
DSG,0.05%
SG,0.05%
10
無添加
圧縮強度（Ｎ/mm
２
）
一 郎 ，高 橋 智 雄 ，木 之 下 光 男：コ ン ク リ
40
固 結 に 及 ぼ す 温 度 の 影 響 ，材 料 と プ ロ セ
ス
第 140 回 日 本 鉄 鋼 協 会 講 演 論 文 集 ，
Vol.13, No.4, p.851, 2000.
図 -13
5) 高 橋 智 雄 ，木 之 下 光 男 ，光 藤 浩 之 ，吉 澤
コンクリートの圧縮強度
千 秋：高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 用 固 結 防 止 剤 の
開 発 ，コ ン ク リ ー ト 工 学 ，Vol.40, No.11,
6． ま と め
従来のグルコン酸ナトリウムに代わる新
pp.19-25, 2002.
たな固結防止剤として，グルコン酸ナトリ
6) 光 藤 浩 之 ，和 田 隆 ，高 橋 智 雄 ，木 之 下 光
ウム誘導体及びポリアクリル酸ナトリウム
男：高 炉 ス ラ グ 細 骨 材 の 固 結 に 及 ぼ す 透
を見出し，それらを添加することにより，
水 量 の 影 響 ，材 料 と プ ロ セ ス
固結にいたる期間を，従来の 2 倍以上に延
日 本 鉄 鋼 協 会 講 演 論 文 集 ， Vol.14, No.4,
長できた。
p.932, 2001.
第 142 回
7) 光 藤 浩 之 ， 和 田 隆 ， 吉 澤 千 秋 ， 山 口 篤 ，
夏季の屋外貯蔵試験において，グルコン
酸 ナ ト リ ウ ム 誘 導 体 を 0.05%添 加 し た 高 炉
高 橋 智 雄 ，木 之 下 光 男：ポ リ ア ク リ ル 酸
スラグ細骨材が 2 ヶ月間固結しないこと，
塩添加による高炉スラグ細骨材の固結
またポリアクリル酸ナトリウムは，より少
防 止 ，材 料 と プ ロ セ ス
な い 0.03%の 添 加 で 3 ヶ 月 間 固 結 し な い こ
鉄 鋼 協 会 講 演 論 文 ，Vol.16, No.4, p.1014,
とを確認した。
2003.
-92-
第 146 回
日本