5.2 コンクリート中の骨材としてのスラグ利用

EAF スラグには非晶質シリコンが少なく、酸化鉄の割合が高い。 高炉スラグに比べポゾラン活性がほとんどなく、セメント添加剤としての利用は不向きである。 鉄鋼スラグの大きな硬度から、コンクリート用骨材として検討されている。

では、細骨材の一部を珪砂（15%、30%、50%）または細骨材を完全にスラグに置き換えるために鉄鋼スラグが使用された。 粗骨材はすべて石灰石であった． 25MPa、35MPa、45MPaの強度区分において、スラグの割合がフレッシュおよび硬化したコンクリートの特性に及ぼす影響について検討された。 予想通り、鉄鋼スラグは天然骨材に比べて密度が高いため、スラグ含有率の増加により、フレッシュコンクリートの混合密度は従来のコンクリートよりも5%〜20%増加した。 このことは、鉄鋼スラグ骨材コンクリートの最も重要な特性の1つであると述べられている 。 また，コンクリート中のスラグの割合が増加すると，そのコンシステンシーは低下した。

圧縮強度については，細骨材をスラグに50%まで置換すると，基準コンクリートとほぼ同じかそれ以上の値が得られ，スラグ骨材のみからなるコンクリートの圧縮強度は低下した． スラグの圧縮強度に対する効果は，コンクリート強度の低いものほど顕著であった． また，スラグの圧縮強度に対する影響よりも，引張強度に対する影響の方が顕著であった． すなわち，全骨材量に対するスラグ含有量の増加により，コンクリートの引張強さは増加した． また，スラグの引張強さへの正の影響は，コンクリート強度階級の低いものほど顕著であった． 天然骨材をスラグに置き換えると、引張強度は1.4〜2.4倍、圧縮強度は1.3倍（スラグ骨材15％の場合）になりました。 スラグ骨材が50%を超えると圧縮強度が低下する原因は，砂に比べてスラグが微細であるためであることが判明した。 特に、コンクリート中のスラグ量が増加すると、微粉砕物の総量が増加する。 そのため、粒をコーティングするようなセメントが必要である。

では，コンクリート中の粗骨材の一部をスラグで置換した場合の効果について検討した． また，コンクリート中の粗骨材をスラグで置換した場合の効果を検討した． 骨材総重量の45%，50%，55%，60%および65%の粗骨材にスラグを混合したコンクリートと石灰石を用いた基準コンクリート（粗骨材と細骨材の比が60：40）の圧縮強度，超音波パルス速度，吸収性および腐食性を比較検討した． 骨材総質量に占めるスラグ部分を増加させると、コンクリートの圧縮強度および引張強度も増加した。 粗骨材と細骨材の比率が同じ（60：40）の場合、スラグコンクリートは基準コンクリートと比較して圧縮強度が若干高く、引張強度が若干低くなった。 また，スラグを添加したコンクリートは，吸水率および空隙率が低下し，耐久性が向上することが示唆された． 超音波パルス速度はスラグ量の増加とともに増加し，スラグを骨材とするコンクリートの弾性係数が基準コンクリートよりも大きいことを示唆した． その結果，スラグ骨材の割合が多いほど圧縮強度の低下が抑制された． 超音波パルス速度に対する熱変化の影響（コンクリートの弾性係数に対する影響）は，スラグを含むコンクリートでは，基準コンクリートよりも顕著であった． 熱変動による吸収の増加は，スラグを含む混合物で基準コンクリートよりも顕著であったが，スラグを含むコンクリートの吸収は，基準コンクリートの吸収よりも熱サイクル後に確実に小さくなった . 同じ論文で、鋼材に対する骨材の腐食作用の可能性についても研究されている。 スラグ骨材がコンクリートの力学的特性（圧縮強度および引張強度）に及ぼす影響について検討する場合、骨材粒子とセメント系マトリックスとの間の界面遷移領域（ITZ）を考慮する必要がある。 このITZは、コンクリートの弱点と考えられている。 この領域では，骨材粒子のまわりの微小ブリーディングの出現，空隙，およびいくつかの微細構造の特徴が，骨材の品質とサイズ，水セメント比，バインダー，および混合の経過時間などのいくつかの要因に依存する． また、ITZの形態（すなわち品質）は、コンクリートの透水性と耐久性に重要な役割を果たす。

コンクリート中にEAF鉄鋼スラグが存在すると、異なるITZ形態が形成される。 特に、天然の岩石骨材コンクリートと比べてITZが小さく、空洞が少ないのは、鉄鋼スラグ粒の中心からその表面へCaOがゆっくりと移動し、CaOが炭酸カルシウムに化学進化した結果である。 EAF鉄鋼スラグコンクリートのITZが強固であるため、コンクリートの機械的破断試験後に破断面の壊れた骨材粒子によって示され、コンクリートの機械的強度（圧縮および引張）が改善されました。 しかし、鉄鋼スラグは複数の亀裂や隙間を持つ多孔質な組織であるため、低荷重での破壊が予想されます。 この多孔質構造がコンクリートの強度特性に与える影響を低減するために、鉄鋼スラグ骨材をロサンゼルス磨鉱機で研磨することで前処理を行うことができます。 この研磨された粗骨材は、表面が滑らかになり、マイクロクラックの浸入に対する抵抗力が増すなど、品質が向上しているようです。 その結果、未処理の通常の鉄鋼スラグ骨材と比較して、表面乾燥密度が高く、吸水率が低くなります。 また、粗粒スラグ骨材の研磨処理は、コンクリートの疲労破壊に影響を与えます。 未処理のスラグ骨材を用いたコンクリートでは、骨材の破砕が認められ、骨材破砕型の疲労破壊に至る。

スラグ骨材を研磨した場合、骨材の大部分は健全であり、疲労破壊はペーストと骨材との界面剥離型に終る。 スラグ骨材の品質（特にITZ）を向上させるもう一つの方法は、鉄鋼スラグ骨材の加速炭化処理によるものである。 この炭酸化処理は、70℃に密閉され、-0.3MPaに真空化された炭酸化反応器内で行われるものである． その後、圧力が0.3MPaになるまで反応器内にCO2を導入した。 このプロセスにより、凝集体の細孔構造が変化した。 炭酸化後，鉄鋼スラグ骨材の吸水率は減少し，不透水性は増加した． また，鉄鋼スラグの膨張率は遊離CaO量の減少により低下した． 天然骨材と鉄鋼スラグ骨材を用いたコンクリートのITZ強度の比較のために，コンクリート圧縮強度として炭化鉄鋼スラグ骨材と天然骨材の強度を比較した． 炭化鉄鋼スラグ骨材の圧壊強度は天然骨材より小さいが，スラグコンクリートの圧縮強度は向上している． コンクリート試料断面の圧縮強度試験を行ったところ、ひび割れは骨材の中央を通らず、粒の周囲を回っていた。 このように、炭化鉄鋼スラグ骨材コンクリートのITZは天然骨材コンクリートのそれよりも強く、頑丈である。

スラグ骨材の炭化も環境に良い影響を与える。 ステンレス鋼スラグ骨材の溶出特性を分析した結果、炭化によって最も大きな影響を受ける元素はCaとSiであり、これらの元素の溶解度制御を担う鉱相が変化するためであることがわかった。 また、スラグ骨材中の有害元素の一つであるCrの溶出性は、炭酸化によって有意な影響を受けないが、Moの溶出性は若干低下した

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