专利名称：人造石材及其制造方法
技术领域：
本发明涉及用粘结材料使疏浚土等泥土固化而得到的人造石材及其制造方法。
背景技术：
以疏浚土为代表的软质泥土会随着航路疏浚及各种土木建设而产生。其中，如砂质那样作为土木材料有用的材料可以直接使用于在浅叶制造及回填等，但是，粉砂分比率高的泥土多数情况为含水状态，另外，也几乎不能期望其具有作为土的强度，因此，大多成为废弃物。为了有效利用泥土，以往提出并实施了各种各样的技术。其最有代表性的是改善作为土的特性，与优良品质的土同样地进行利用的技术。例如，在日本石灰协会的《采用石灰的软质地基的稳定处理办法(石灰(二 3軟弱地盤O安定処理工法)》(鹿岛出版会) 中，公开了向泥土中添加水泥及石灰，改善地基特性的各种各样的技术。另外，在专利文献I中公开了向疏浚土中混合铁钢矿渣进行强度的改善的技术。在该技术中，主要通过铁钢矿渣的CaO成分和疏浚土的Si、Al等的火山灰反应进行疏浚土的强度改性。另外，在专利文献2中公开了向软质土中添加含有游离CaO的转炉矿渣和高炉渣水泥进行固化处理(强度改善)的技术。但是，这些方法是土质材料的特性改善，虽说表现出强度，但是到底还是限于作为土的用途。与之相对，在专利文献3中公开了向疏浚土中混合由高炉矿渣、生石灰、飞灰等形成的固化材料，使之固化获得块料(固化物)的方法。在该方法中，相对于含有含水成分的疏浚土 100 (质量份)，添加40飞0 (质量份)左右的固化材料，并进行搅拌，使搅拌得到的搅拌物固化，从而制造了块料。现有技术文献[专利文献]专利文献I :日本特开2009-121167号公报专利文献2 :日本特开2006-231208号公报专利文献3 :日本特开2008-182898号公报
发明内容
发明所要解决的问题由于混凝土材料(块料)的比重大，是适合要求稳定性的海洋区段(海洋7'' 口 ,^ )等的原材料。但是，另一方面，在使用在设置于柔软地基的块料等的情况下，会导致地基下沉，从而存在无法发挥作用的问题。另外，由于混凝土的回填材料等的比重越小对墙壁所施加的压力越减小，作为施工体整体的经济性提高，因此期望尽可能轻的回填材料等。在这点上看，利用专利文献3的方法，可以制造表观密度为I. 45^1. 65g/cm3左右的轻质的块料。但是，由于完全没有使用骨料，无法期待长期的耐久性及体积稳定性，在使用中发生破损的可能性高。另外，用专利文献3的方法获得的块料的强度平均为6N/mm2左右，最大只不过8N/mm2左右。要作为石材及混凝土材料的替代品来利用的话，必须有JIS-A-5006 :1995(碎石)中规定的准硬石以上的强度(9. 8N/mm2以上)。但是，专利文献3中获得的块料的强度为最低品质的软石水平(低于9. 8N/mm2)，尽管该软石水平与土质材料的改善水平相比是程度相当高的，但是，要代替石材及混凝土材料用于各种各样的用途的话，强度还是不够。因此，本发明的目的在于，解决如上所述的现有技术的问题，提供一种人造石材，该人造石材能够大量使用疏浚土等泥土作为材料，同时还具有准硬石以上的强度，并且比混凝土质量轻。另外，本发明的另一目的在于提供一种能够稳定地制造上述人造石材的制造方法。
解决问题的方法本发明人等着眼于疏浚土等泥土的轻质性，为了解决上述课题而进行了反复研究，结果发现通过使用在泥土和粘结材料中进一步添加了作为骨料的制钢矿渣而得到的混合材料，可以得到具有准硬石以上的强度、且质量比混凝土轻的石材(水化硬化体)。本发明就是基于上述发现而完成的，其要点如下。[I] 一种轻质人造石材，其是使含有泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的混合材料的搅拌物发生水化硬化而得到的水化硬化体，其每单位体积的质量为200(T2200kg/m3。[2]上述[I]所述的轻质人造石材，其在28天养护后的单轴压缩强度为15N/mm2以上。[3]上述[I]或[2]所述的轻质人造石材，其中，粘结材料含有8(Γ95质量％的高炉矿渣微粉末，剩余部分为选自普通硅酸盐水泥、石灰粉、熟石灰、高炉渣水泥中的I种以上。[4]上述[I]或[2]所述的轻质人造石材，其中，粘结材料含有总计为8(Γ95质量％的高炉矿渣微粉末和飞灰，剩余部分为选自普通硅酸盐水泥、石灰粉、熟石灰、高炉渣水泥中的I种以上，且飞灰为高炉矿渣微粉末的30质量％以下。[5]上述[1Γ[4]中任一项所述的轻质人造石材，其中，制钢矿渣是将含有O. 5质量％以上游离CaO的矿渣进行陈化而使粉化率为2. 5%以下的制钢矿渣。[6] 一种轻质人造石材的制造方法，其是制造上述[1Γ[5]中任一项所述的轻质人造石材的方法，该方法包括将含有含水比为18(Γ250%的泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的混合材料进行搅拌，然后使该搅拌物发生水化硬化，所述混合材料中，泥土相对于泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的比例为4(Γ55体积％，且相对于每单位体积混合材料，制钢矿渣的混合量为750kg/m3以上。[7]上述[6]所述的轻质人造石材的制造方法，其中，作为泥土，使用的是在疏浚工程中产生的疏浚土，且该疏浚土被储存于疏浚土存放处。发明的效果本发明的人造石材由于可以大量使用疏浚土等泥土作为材料，因此可以谋求疏浚土等泥土的有效利用。而且，由于本发明的人造石材具有准硬石以上的强度且质量比混凝土轻，因此在要求强度、耐久性和轻质性的石材用途中是特别有用的。另外，根据本发明的制造方法，可以稳定地制造上述人造石材。
[图I]图I是示出由包含疏浚土、粘结材料(高炉矿渣微粉末+碱刺激剂)、和作为骨料的天然碎石及天然砂的混合材料获得的水化硬化体的混合材料中疏浚土的比例与单位体积水化硬化体的质量之间的关系的曲线图。[图2]图2是示出分别使用了天然碎石/天然砂及制钢矿渣作为骨料而得到的水化硬化体的强度的曲线图，该水化硬化体是由包含疏浚土、粘结材料(高炉矿渣微粉末+碱刺激剂)及骨料的混合材料得到的水化硬化体。[图3]图3是示出本发明中使用存储于疏浚土存放处的疏浚土作为泥土的情况的一个实施方式的说明图。
具体实施方式
本发明的人造石材是使含有泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的混合材料的搅拌物发生水化硬化而得到的水化硬化体，其每单位体积的质量为200(T2200kg/m3。本发明人等着眼于疏浚土的轻质性，对于使用大量疏浚土作为材料的水化硬化体(以下，有时称为“固化物”)表现出强度的混合条件进行了研究。首先，本发明人等在疏浚土中仅添加了作为粘结材料的高炉矿渣微粉末及碱刺激剂而制造了固化物，但得到的固化物的比重小，且在受到冲击时容易破裂，仅得到了脆的固化物。特别是，当疏浚土的比例增多时，整体上成为粉状物质的块，不仅变脆，而且不耐磨损等，并且，由于质量过轻，还不能期待作为石材的稳定性等。因此，本发明人等在其中进一步添加了作为骨料的天然碎石和天然砂，制造了固化物。但是，如果要在该条件下制作每单位体积的质量为2000kg/m3以上、且强度与准硬石相当的石材，可知需要使混合材料中疏浚土的比例降低至低于35体积％。图I示出由包含疏浚土、粘结材料(高炉矿渣微粉末+碱刺激剂)、和作为骨料的天然碎石及天然砂的混合材料获得的固化物的混合材料中疏浚土的比例与每单位体积固化物的质量之间的关系的曲线图。当然，对于这样的固化物(人造石材)而言，虽然可以说具有作为原材料的有用性，但从疏浚土的有效利用的观点考虑时，疏浚土的使用量并不充分。本发明人等对于解决以上方面的对策进一步进行了研究，对比重较大的几种骨料进行了研究，并反复进行了试验制作。但是，在该研究过程中可知，固化物的强度与由所添加的高炉矿渣微粉末和碱刺激剂所假想的强度相比，有稍微降低的倾向。即，即使单纯地混合比重大的材料(骨料)，也未表现出预想那样的强度。因此，本发明人等对于其原因进行了研究，结果得知由于疏浚土具有吸附碱成分的作用，有可能会阻碍作为水泥及高炉矿渣微粉末的固化的基本反应的凝硬反应。本发明人等认为，如果解决了该方面问题，则可以制造具有稳定的强度和比重的固化物，从而进一步进行了研究，结果得知，可以混合制钢矿渣作为骨料。图2示出分别使用天然碎石/天然砂及制钢矿渣作为骨料而制造的固化物的强度。对于该制造试验而言，混合材料中疏浚土的比例为50体积％、骨料的混合量为25体积％(天然碎石/天然砂约660kg/m3、制钢矿渣约800kg/m3)，作为粘结材料，同时使用了高炉矿渣微粉末和碱刺激剂(普通硅酸盐水泥)。另外，作为制钢矿渣，使用的是将转炉脱碳矿渣进行蒸气陈化而使其稳定化后的矿渣。根据图2可知，骨料使用制钢矿渣而得到的固化物与骨料使用天然碎石/天然砂而得到的固化物相比，表现出高强度。其理由虽然还不明确，但可认为如下。即，制钢矿渣是含有大量Ca成分的氧化物，因此，当制钢矿渣与水接触时，会提供Ca离子、OH离子。可认为上述离子会缓和如上所述的由疏浚土产生的阻碍反应的要因，结果得到了高强度的固化物。因此，通过对在泥土中混合粉粒状的制钢矿渣和粘结材料而得到的混合材料进行搅拌使其发生水化硬化，可以得到大量使用了泥土、具有适度比重且具有高强度的水化硬化体。每单位体积人造石材的质量低于2000kg/m3时，低于JIS-A-5006:1995中记载的准硬石标准的比重。该人造石材适合于用在柔软地基等中。但是，在波浪的作用下容易被冲走等，人造石材本来要承担的稳定性降低。另一方面，如果超过2200kg/m3，则达到准硬石的平均的重量水平，在用于期望轻质的用途的情况下，与使用通常的石材的情况相比，没有有意义的差别。另外，还难以确保疏浚土的充分的使用量。因此，将每单位体积的质量设为2000 2200kg/m3。 另外，对于人造石材的强度而言，只要是为JIS-A-5006:1995中规定的准硬石相当以上的强度、即，在经过28天养护后的单轴压缩强度为9. 8N/mm2以上即可。另外，天然石材虽然强度稳定，但在固化物的情况下，则会根据混合条件的不同而产生不均等，因此，更优选在经过28天养护后的单轴压缩强度为15N/mm2以上。在本发明中所使用的泥土是以疏浚土为代表的泥土，但除此之外，例如，还可列举由挖掘工程产生的泥、建设污泥等。在此，所谓泥土，一般而言是指不能堆积成堆，并具有人不能在其上行走的流动性的泥土。作为其大致的强度，以JIS-A-1228:2009(压实的土的锥指数试验方法)规定的锥指数为200N/mm2以下。以疏浚土为代表的泥土的粉砂分( > 卜分，silt)越多其离子(碱成分)的吸附效果越大，在现有技术中就越难以获得适当强度的固化物，因此，本发明特别有用。具体而言，可以说本发明在将含有70体积％以上粒径O. 075mm以下的土粒子(粉砂分)的泥土作为对象的情况下，特别有用。如后面所叙述，在混合材料中可以以40体积％以上的比例使用泥土。作为粘结材料，可以列举高炉矿渣微粉末、添加了碱刺激剂的高炉矿渣微粉末、高炉渣水泥、普通硅酸盐水泥等，可以使用它们中的I种以上。另外，从尽可能不使用天然资源材料以减轻环境负荷的观点、以及从确保固化物的强度及制造成本的观点考虑，作为粘结材料，优选在高炉矿渣微粉末中添加碱刺激剂而得到的材料。通过高炉矿渣微粉末和碱刺激剂一起使用来作为粘结材料，可以生成碱环境，由此，能够发挥高炉矿渣微粉末的水硬性。即，能够促进高炉矿渣微粉末的水合反应，确保固化物的强度。另外，粘结材料使用普通硅酸盐水泥的情况下，与同时使用高炉矿渣微粉末和碱刺激剂的情况相比，将固化物浸溃在水中时的PH上升增大。因此，考虑到对周边环境带来的负荷时，将碱刺激剂与高炉矿渣微粉末一起使用是合适的。作为碱刺激剂，可以使用例如石灰粉、熟石灰、普通硅酸盐水泥、高炉渣水泥等中的I种以上。该情况下，优选含有80、5质量％的高炉矿渣微粉末，剩余部分为选自石灰粉、熟石灰、普通硅酸盐水泥、高炉渣水泥中的I种以上。在使用高炉矿渣微粉末和碱刺激剂作为粘结材料时，如果高炉矿渣微粉末的比例为80质量％以上，则剩余的碱成分不会残存于固化物中。因此，在海中等使用固化物时，碱对海水环境产生的负荷小。另外，在经济性方面也有利。另一方面，即使在高炉矿渣微粉末的比例超过95质量％，也能够进行搅拌、固化。但是，若在95质量％以下，则容易使之稳定分散，因疏浚土的碱抑制效果而使得刺激剂的效果变小等，因此，添加高炉矿渣微粉末的效果高，不需要使用多种原料，不会产生设备负担，因此，在经济方面具有使用性。作为骨料的制钢矿渣的种类没有特别限定，可以列举熔铁预处理矿渣(脱磷矿渣、脱硅矿渣、脱硫矿渣等)、转炉脱碳矿渣、电炉矿渣等，可以使用它们中的I种以上。制钢矿渣优选最大粒径为25mm以下的粒度的矿渣。也可以使用粒度比25mm大的制钢矿渣。但是，在制钢矿渣含有游离CaO而采用蒸气陈化等进行了稳定化处理的情况下，在矿渣粒径大时，游离CaO残存于内部的可能性增高，在长期使用时可能会发生膨胀而成为缺陷要因。另外，完全是细小的粉末时，作为骨料的作用、即体积稳定性及耐久性降低，因此，更期望粒径O. 15mm以上粒子的比例为全部制钢矿渣的80质量％以上。·另外，对于制钢矿渣的组成也没有特别限制。但是，由于碱度(Ca0/Si02)高的制钢矿渣其提高强度的效果增大，因此优选。但是，如果碱度过高，则如后面所叙述，游离CaO的残存量容易变大。另外，碱度过高时，如果事先通过蒸气陈化等实施制钢矿渣的稳定化处理，则虽然不存在基本上的问题，但在陈化处理时有成为粉状的趋势，因此难以确保担负作为骨料的作用的粒度。此外，由于游离CaO的内在量也增加，存在产生使陈化时间比通常延长的必要性、或者内部残存游离CaO而使体积稳定性的不均变大的情况。因此，碱度(CaO/SiO2)优选为2. 0 5. O左右。另外，制钢工艺中生成的矿渣是含有O. 5质量％以上游离CaO的矿渣的情况下，优选对该制钢矿渣进行陈化使得粉化率为2. 5%以下后再作为本发明的材料(骨料)使用。对于碱度比较高的矿洛而言，残留的游离CaO多。游离CaO通过与水接触而迅速地成为Ca(OH)2，存在容易发生离子化而参与反应的优点。但是，另一方面，残存于矿渣粒子内部的游离CaO与渗透过来的水接触时发生膨胀，在粒子内部产生破裂，从而可能在固化物的内部产生缺陷。因此，对于含有O. 5质量％以上游离CaO的制钢矿渣而言，如果事先进行陈化(通常为蒸气陈化等)使游离CaO水合成Ca(OH)2，则在作为骨料使用时不会产生体积变化，因此优选。陈化可以进行到使矿渣的粉化率达到2. 5%以下的程度。在此，构成泥土的固体粒子的矿物相因疏浚地域及产生履历而完全不同。因此，根据疏浚土的种类不同，由制钢矿渣供给的Ca成分有时会过剩，有时会引起搅拌物的反应性变得不稳定、或与硬化体接触的水的PH上升的情况。作为其对策，考虑了减少制钢矿渣的混合量来减少Ca成分的供给，但会导致硬化体的重量变轻、体积稳定性也降低。在这样的情况下，作为粘结材料，优选除了高炉矿渣微粉末以外还混合飞灰。由于飞灰是以非晶质的Si02、Al2O3作为主体，因此，在产生过剩的碱成分的情况下，与结晶材料相比，可以期待更迅速地发生凝硬反应。但是，如果过量地混合飞灰，则粘结材料中的Ca量变得过少，有可能会损害本来的疏浚土、制钢矿渣、粘结材料的反应稳定性。因此，在混合飞灰的情况下，其混合量优选相对于高炉矿渣微粉末为30质量％以下。因此，作为粘结材料同时使用高炉矿渣微粉末和碱刺激剂的情况下，由于与前面所述相同的理由，优选使高炉矿渣微粉末和飞灰的总含量为8(Γ95质量％，剩余部分为选自普通硅酸盐水泥、石灰粉、熟石灰、高炉渣水泥中的I种以上，且飞灰相对于高炉矿渣微粉末为30质量％以下。如以上所述，本发明的人造石材可以大量使用疏浚土，同时还可以有效利用作为工业副产物的制钢矿渣，并且具有如下性能具有与准硬石相当以上的高强度，并且比混凝土质量轻。因此，作为设置于柔软地基等中的石材是非常有用的。接着，对本发明的人造石材的制造方法进行说明。在本发明的人造石材的制造方法中，混合泥土、粘结材料及作为骨料的制钢矿渣，并根据需要添加水，得到混合材料，对得到的混合材料进行搅拌，使该搅拌物发生水化硬化，从而得到人造石材。由于本发明的目的在于有效利用以疏浚土为代表的泥土，因此，优选混合材料中泥土的比例尽可能多，因此，混合材料中泥土相对于泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的 比例(包含原本在泥土中所含的水分的比例)优选为40体积％以上。另一方面，如果泥土的比例为60体积％以下，则容易使每单位体积的质量为2000kg/m3以上，并且骨料的比例不会降低，因此，固化物不会变脆，容易确保充分的耐久性。因此，混合材料中泥土相对于泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的比例优选为4(Γ60体积％。另外，作为更优选的制造条件，将含有含水比为18(Γ250%的泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的混合材料进行搅拌，然后使该搅拌物发生水化硬化，所述混合材料中，泥土相对于泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的比例为40飞0体积％，且相对于每单位体积混合材料，制钢矿渣的混合量为750kg/m3以上。其中，将疏浚土中所含水分量设为A(质量％)、将固体成分量设为B(质量％)时，以含水比=(A/B) X 100求得所述疏浚土的含水比。按照上述优选的制造条件，可以稳定地制造每单位体积的质量为200(T2200kg/m3、经过28天养护后的单轴压缩强度为15N/mm2以上、并且特性的不均少的水化硬化体。对于疏浚土的比例为50体积％、制钢矿洛的混合量为1000kg/m3的混合材料进行搅拌、并使该搅拌物发生水化硬化而得到固化物时，使用含水比不同的疏浚土，并对混合材料的坍塌和固化物的特性进行了研究。其结果示于表I。需要说明的是，固化物的强度是按照与实施例相同的方法测定的28天养护后的单轴压缩强度。按照表1，疏浚土的含水比低于180%时，固化物的特性不充分，但由于混合材料不具有流动性(不出现坍塌)，难以进行工业生产，即使能够制造，特性的不均也变大。另一方面，疏浚土的含水比为240%时，强度开始减小，在260%时强度大幅降低。因此，疏浚土的含水比优选为18(Γ250%，更优选为240%以下。[表 I]
权利要求
1.一种轻质人造石材，其是使含有泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的混合材料的搅拌物发生水化硬化而得到的水化硬化体，其每单位体积的质量为200(T2200kg/m3。
2.根据权利要求I所述的轻质人造石材，其在28天养护后的单轴压缩强度为15N/mm2以上。
3.根据权利要求I或2所述的轻质人造石材，其中，粘结材料含有8(Γ95质量％的高炉矿渣微粉末，剩余部分为选自普通硅酸盐水泥、石灰粉、熟石灰、高炉渣水泥中的I种以上。
4.根据权利要求I或2所述的轻质人造石材，其中，粘结材料含有总计为8(Γ95质量％的高炉矿渣微粉末和飞灰，剩余部分为选自普通硅酸盐水泥、石灰粉、熟石灰、高炉渣水泥中的I种以上，且飞灰为高炉矿渣微粉末的30质量％以下。
5.根据权利要求广4中任一项所述的轻质人造石材，其中，制钢矿渣是将含有O.5质量％以上游离CaO的矿渣进行陈化而使粉化率为2. 5%以下的制钢矿渣。
6.—种轻质人造石材的制造方法,其是制造权利要求I、中任一项所述的轻质人造石材的方法，该方法包括将含有含水比为18(Γ250%的泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的混合材料进行搅拌，然后使该搅拌物发生水化硬化，所述混合材料中，泥土相对于泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的比例为4(Γ55体积％，且相对于每单位体积混合材料，制钢矿渣的混合量为750kg/m3以上。
7.根据权利要求6所述的轻质人造石材的制造方法，其中，作为泥土，使用的是在疏浚工程中产生的疏浚土，且该疏浚土被储存于疏浚土存放处。
全文摘要
本发明提供一种大量使用疏浚土等泥土作为材料、具有准硬石以上的强度、且质量比混凝土轻的人造石材。该人造石材是使含有泥土、粘结材料及粉粒状的制钢矿渣的混合材料的搅拌物发生水化硬化而得到的水化硬化体，其每单位体积的质量为2000~2200kg/m3。由于大量使用疏浚土等泥土作为材料，因此可以谋求疏浚土等泥土的有效利用，并且，由于具有准硬石以上的强度且质量比混凝土轻，因此可谋求强度、耐久性和轻质性，在石材用途中是特别有用的。
文档编号C04B7/19GK102918001SQ20118002731
公开日2013年2月6日 申请日期2011年6月1日 优先权日2010年6月3日
发明者高桥克则, 渡边圭儿, 薮田和哉, 本田秀树, 林正宏, 松本刚, 铃木操 申请人:杰富意钢铁株式会社