説明

水中沈設用水和固化体

【課題】海藻の着生性が高く且つ長期間にわたって安定的に海藻着生基盤として機能することができ、しかも海藻に効率的に栄養分を安定供給することができる水中沈設用水和固化体を提供する。
【解決手段】粉粒状の製鋼スラグを主たる骨材とし、高炉スラグ微粉末を主たる結合材とする原料を水和硬化させた水和固化体であって、原料の一部として窒素含有有機物を含むことを特徴とする。この水和固化体は、(i)海藻の重要な栄養分である窒素分や鉄分(二価鉄)、Si、Pなどを安定的に溶出・供給することができる、(ii)固化体表面が海藻の着生に好適な環境となるため、海藻の着生性を高めることができる、(iii)このため溶出する栄養分を海藻に直接供給することができる、という海藻着生基盤として高い機能を発揮できる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、粉粒状の製鋼スラグを主たる骨材とし、高炉スラグ微粉末を主たる結合材とする原料を水和硬化させた水和固化体であって、特に海藻の着生基盤として好適な水中沈設用水和固化体に関するものである。
【背景技術】
【0002】
近年、沿岸海域における環境保全や水産資源の保護などの観点から、沿岸海域の海底に成育する海藻の保護・育成、所謂磯焼けの防止、磯焼けが生じている海域の藻場回復などが大きな課題となっており、これらを解決できる水中や水底の環境改善技術の開発が望まれている。特に、岩礁などのような海藻着生基盤の表面が石灰藻に覆われる所謂“磯焼け”状態となった海域は、魚介類の餌となる有用海藻(例えば、コンブ、ワカメ、アラメなど)が繁殖せず、その海域の漁業生産量が著しく低下するという問題があり、抜本的な対策が望まれている。
【0003】
従来、海域での海藻の育成や磯焼け防止を目的として海藻の栄養成分(例えば、鉄イオンや窒素成分)を海域に供給するために、例えば、以下のような方法が提案されている。
(イ)特許文献1には、製鋼スラグなどのような二価鉄含有物質と腐植含有物質を充填した透水性の袋材を水域環境保全材料として用いる方法が示されている。この方法では、透水性の袋材から、二価鉄含有物質の二価鉄(鉄イオン)や、二価鉄含有物質の二価鉄と腐植含有物質のフルボ酸との結合で生成したフルボ酸鉄が水中に溶出し、海藻などの光合成生物に二価鉄を効率的に供給できるとしている。
(ロ)特許文献2には、鉄鋼スラグと、アンモニア化成する窒素化合物を含有する物質とからなる施肥材料が充填された透水性の袋材を水中に設置する方法が示されている。この方法では、鉄鋼スラグから二価鉄が溶出し、またこの二価鉄と窒素化合物から分解されたアンモニアとの間で錯体イオンが生成するので、海洋生物に必要な二価鉄を安定した状態で供給できるとしている。また、リン、窒素からなる有機系肥料分を溶出させることができるため、鉄系肥料分と有機系肥料分とをバランスよく海洋生物に供給できるとしている。
【0004】
(ハ)特許文献3には、最終製品の容積に対して20〜30容量%の有機鉄を含む農林水産廃棄物および腐植土層を含むコンクリート製の硬化性組成物を、農林水産廃棄物が発酵し、且つ前記硬化性組成物が硬化する条件で養生して得られた多孔質体(または連続気泡体)からなる人工礁が示されている。この人工礁は、農林水産廃棄物の発酵時に発生するガスが多孔質体の構造を形成できるので、有機鉄分などの養分を安定的に水中に供給できるとしている。
(ニ)特許文献4には、粉粒状の溶銑予備処理スラグと高炉スラグ微粉末の混合物を水で混練して硬化させた硬化体に、藻の成育を促進する物質(例えば、硫酸鉄、フライアッシュなど)からなる表面層を形成した藻場形成ブロックが示されている。
【0005】
【特許文献1】特開2006−212036号公報
【特許文献2】特開2006−345738号公報
【特許文献3】特開2001−061368号公報
【特許文献4】特開2001−299129号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、特許文献1,2の方法では、袋材はいずれ消失してしまうため海藻の着生基盤にはなり得ず、したがって、単に海藻の栄養分となる二価鉄などを水中に供給するだけの技術に過ぎない。この方法で藻場を形成するには、袋材から水中に溶出した二価鉄や他の養分が海藻が生育できるような岩礁に流れて行き、海藻に十分利用されるようにそこに一定の濃度で留まる必要があるが、特許文献1,2にはそれを可能とするような手法は示されていない。
特許文献3の人工礁は、農林水産廃棄物と腐植土層を20〜30容量%も含み、しかも養生時に農林水産廃棄物の発酵で生じるガスにより多孔質体(または連続気泡体)となるため強度が非常に小さく(圧縮強度10〜20kg/cm)、このため水中に設置すると短期間のうちに崩壊してしまい、海藻の着生基盤にはなり得ない。
【0007】
特許文献4の藻場形成ブロックは、表面層を構成する「藻の生育を促進する物質」として硫酸鉄などの無機物質が例示されている。この表面層の物質は、表面に凹凸を付与し、藻の着生を促進するものであるが、栄養源としての作用を有していない可能性もある。
したがって本発明の目的は、海藻の着生性が高く且つ長期間にわたって安定的に海藻着生基盤として機能することができ、しかも海藻に効率的に栄養分を安定供給することができる水中沈設用水和固化体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明者らは、鉄鋼スラグを主原料とする水和固化体が、コンクリート製品に比べて表面水のpHが低く、且つ海藻の栄養分となる鉄分やSiを多く含有している点に着目し、このような水和固化体を海藻の着生基盤とするという観点から検討を進めた結果、水和固化体の原料の一部として堆肥などの窒素含有有機物を含有させることにより、(i)海藻の重要な栄養分である窒素分や鉄分(二価鉄)、Si、Pなどを安定的に溶出・供給することができる、(ii)固化体表面が海藻の着生に好適な環境となるため、海藻の着生性を高めることができる、(iii)このため溶出する上記栄養分を海藻に直接供給することができる、という海藻着生基盤として高い機能を発揮できることが判った。
【0009】
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。
[1]粉粒状の製鋼スラグを主たる骨材とし、高炉スラグ微粉末を主たる結合材とする原料を水和硬化させた水和固化体であって、原料の一部として窒素含有有機物を含むことを特徴とする水中沈設用水和固化体。
[2]上記[1]の水和固化体において、原料が、さらに、粉粒状の高炉水砕スラグ、フライアッシュ、アルカリ刺激材、混和剤の中から選ばれる1種以上を含むことを特徴とする水中沈設用水和固化体。
【0010】
[3]上記[1]または[2]の水和固化体において、窒素含有有機物の少なくとも一部が堆肥または/および堆肥用原料であることを特徴とする水中沈設用水和固化体。
[4]上記[1]〜[3]のいずれかの水和固化体において、窒素含有有機物が分解促進剤を含むことを特徴とする水中沈設用水和固化体。
[5]上記[1]〜[4]のいずれかの水和固化体において、平成3年8月23日環境庁告示46号に準拠した6時間振とう溶出試験による窒素溶出量が0.01mg/L以上であることを特徴とする水中沈設用水和固化体。
【発明の効果】
【0011】
本発明の水中沈設用水和固化体は、海藻の着生性が高く且つ長期間にわたって安定的に海藻着生基盤として機能することができ、しかも海藻に効率的に窒素や鉄分、Si、Pなどの栄養分を安定供給することができ、特に、水和固化体に着生した海藻自体に直接それらの栄養分を供給することができる。このため海藻の着生基盤として非常に好適なものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0012】
本発明の水中沈設用水和固化体は、粉粒状の製鋼スラグを主たる骨材とし、高炉スラグ微粉末を主たる結合材とする原料を水和硬化させた水和固化体であって、原料の一部として窒素含有有機物を含むものである。
粉粒状の製鋼スラグを主たる骨材とし、高炉スラグ微粉末を主たる結合材とする原料を水和硬化させた水和固化体(以下、「スラグ水和固化体」という場合がある)は、同じ水和固化体であるコンクリートに劣らない高い強度を有する一方で、コンクリートに較べて、水中での表面水のpHが低く(一般にコンクリートに較べて“1”程度低い)、また製鋼スラグは鉄分やSi(珪酸)、P(リン酸)を多く含んでいるため、鉄分やSi、Pの溶出性が高い。表面水のpHが低いことは海藻の着生に非常に有利であり、また、溶出する鉄分やSi、Pは海藻の栄養分となる。したがって、このスラグ水和固化体は、コンクリートに較べて海藻の着生基盤に適した基本性能を有している。しかし、スラグ水和固化体は海藻にとって重要な栄養分である窒素を供給することはできず、また、有効な鉄分の供給についも必ずしも十分ではなく、このため窒素分や鉄分などが不足して磯焼けを起こしている海域で海藻着生基盤(藻礁)として有効に機能させることはできない。
【0013】
これに対して本発明の水和固化体は、原料の一部として含有する窒素含有有機物からアンモニアや硝酸態窒素の形で窒素分が分離し、これが海藻の栄養分として溶出・供給される。また、一般に製鋼スラグは海藻の栄養分となる二価鉄(FeOやFe)を相当量(3〜20質量%程度)含んでいるが、この二価鉄は容易に酸化し、海藻が摂取不能な三価鉄の形態になりやすい。ここで、スラグ水和固化体中に腐敗した窒素含有有機物(例えば、堆肥)が存在すると、これに含まれるフルボ酸やアンモニアがスラグ中の二価鉄と結合して安定なフルボ酸鉄や錯イオンを形成し、海藻が容易に吸収可能な形態で二価鉄を溶出させることができる。
また、本発明の水和固化体は、周囲の水中に窒素、Si、P、鉄分などの栄養分が供給されるだけでなく、水和固化体に着生した海藻自体に直接それらの栄養分を供給できる点に大きな利点がある。
【0014】
さらに、本発明の水和固化体は、水中で海藻の着生基盤として長期間機能することができる十分な強度を有するとともに、以下のような作用効果を有している。
(a)水和固化体に含まれる窒素含有有機物から有機酸が溶出すること、水和固化体表面の一部に窒素含有有機物が露出することでスラグ露出面が減少すること、などによると思われる理由で、窒素含有有機物を含まない水和固化体に較べて表面水のpHが低くなる。このため、窒素含有有機物を含まない水和固化体に較べて、固化体表面が海藻の着生・成育にとってより好ましい環境となる。
(b)窒素含有有機物が固化体表面に露出することにより、固化体表面に海藻の着生にとって好ましい微細な凹凸が付与される。
(c)固化体表面に近い窒素含有有機物からその分解成分が順次溶出していき、この窒素含有有機物の分解・溶出により生じた隙間(通路)を通じて、より内方の窒素含有有機物の分解成分が溶出する。このため、長期間にわたって窒素分などを安定的に溶出・供給することができる。
【0015】
さらに、窒素含有有機物としては、生物性廃棄物を利用できるため、廃棄物の有効利用の面でも好ましい。
ここで、本発明の水和固化体が着生基盤となる海藻とは、自然界では岩礁に付着器と呼ばれる部分で付着して成育・繁殖する岩礁性水中植物である。例えば、コンブ、ワカメ、カジメ、アラメ、ホンダワラなどが挙げられ、コンブ、ワカメは食品などに用いられ、またカジメやアラメ、ホンダワラは海中林という藻場を形成し、この藻場は沿岸海域における魚介類の産卵場や成育場として非常に重要な役割を果たす。
【0016】
本発明において、水和固化体の原料の一部となる窒素含有有機物は、アンモニアや硝酸態窒素の形で窒素分を分離させ、これを海藻の栄養分として溶出・供給するために配合されものであるため、分解したもの(分解中のものも含む)または分解可能なものである。この窒素含有有機物は、植物性有機物、動物性有機物のいずれでもよいが、特に植物性有機物の堆肥または/および堆肥用原料が好ましい。この堆肥は、一般に、植物性食品廃棄物、落ち葉、草、わら、藻類、木材チップ、おが屑、抜根、剪定枝などの植物性有機物を腐敗させたものである。また、堆肥用原料とは、堆肥化する前のこれら材料であり、このような堆肥用原料を用いる場合には、分解促進剤を同時に配合することが好ましい。この分解促進剤としては、例えば、耐塩性のある酸生成菌などのような堆肥用原料の分解を促進させる微生物が好適である。以上のような植物性有機物は基本的に難分解性であるため、窒素分などの栄養分を長期にわたって安定的に供給することができる(緩効性)。
【0017】
水和固化体中での窒素含有有機物の含有量は、窒素含有有機物以外の水和固化体成分100質量部に対して、含水比100%の窒素含有有機物として1〜12質量部とすることが好ましい。窒素含有有機物の含有量が1質量部未満では、窒素分の供給が十分でなく、一方、12質量部を超えると水和固化体の強度が低下する。
本発明の水和固化体は、海藻の栄養分となる窒素の供給源として高い機能を発揮するために、平成3年8月23日環境庁告示46号に準拠した6時間振とう溶出試験による窒素溶出量が0.01mg/L以上であることが好ましい。窒素溶出量が0.01mg/L以上であると、後述するようにクロロフィル付着量や珪藻付着量の改善が認められる。
【0018】
次に、上記窒素含有有機物を除く水和固化体の原料について説明する。
スラグ水和固化体の主たる骨材である粉粒状の製鋼スラグの種類に特別な制限はない。
製鋼スラグとしては、転炉脱炭スラグ、溶銑予備処理スラグ(例えば、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ)、電気炉スラグ、二次精錬スラグ、造塊スラグなどが挙げられ、これらの2種以上を用いてもよい。また、これらスラグに炭酸化処理などの各種処理を施したものを用いてもよい。
但し、一般に製鋼スラグはfree−CaOが多く、さらに、転炉脱炭精錬では精錬剤の一部としてMgO(転炉の内張り耐火物を保護するためのドロマイトやマグネシアクリンカ)を使用するため、転炉脱炭スラグは、free−CaOだけでなくfree−MgO相も多い。このため製鋼スラグとして転炉脱炭スラグを用いた場合、free−CaOに較べて常温での水和反応が遅いfree−MgOが、水和固化体の硬化後に水和膨張する恐れがあり、水和固化体に割れが生じたり、崩壊するなどの問題を生じやすい。このため、転炉脱炭スラグを用いる場合にはfree−MgO濃度が十分に低いものを用いることが好ましい。具体的には、free−MgO濃度を測定することは困難であるので、free−MgO濃度との相関の強いMgO濃度が8.5質量%以下のものを用いることが好ましい。
【0019】
一方、溶銑予備処理スラグはfree−MgO相が少なく、転炉脱炭スラグのような水和膨張による割れなどが生じるおそれはないので、製鋼スラグとしては、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグなどの溶銑予備処理スラグ(これらの1種または2種以上)を用いることが好ましい。
水和固化体になった後に製鋼スラグが膨張することを防止する一つの方法として、製鋼スラグを事前にエージング処理して安定化させるのが有効である。エージングには、製鋼スラグを露天にさらす自然エージングや、製鋼スラグを高温蒸気と接触させる蒸気エージングがある。一般に、自然エージングを6ヶ月以上、或いは蒸気エージングを実施することにより、スラグ水和固化体に適用可能な粉化率の基準を満たすようにすることができる。
製鋼スラグは、スラグ粒子の粒径が大きいほど、内部にfree−CaOやfree−MgOの粒を含む可能性が高くなる。また、それらのエージングによる反応も遅くなり、スラグ水和固化体の膨張安定性にとって問題が生じる可能性が高くなる。このため使用する製鋼スラグは、粒径25mm以下のものが好ましい。
また、スラグ水和固化体の主たる結合材である高炉スラグ微粉末は、JIS A6206:1997に適合したもの使用することが好ましい。
【0020】
原料には、さらに必要に応じて、粉粒状の高炉水砕スラグ、フライアッシュ、アルカリ刺激材、混和剤などの中から選ばれる1種以上を配合することができる。
前記粉粒状の高炉水砕スラグは、基本的には骨材の一部として配合されるが、弱い水硬性を有しているので、水和固化体中にあっては、アルカリ刺激材によりアルカリ刺激を受けて固化し、強度にも寄与する。高炉水砕スラグとしては、JIS A6206:1997「コンクリート用高炉スラグ微粉末」の原料に用いるもの、またはJIS A5011−1:2003「コンクリート用スラグ骨材−第1部:高炉スラグ骨材」に適合したものが好ましい。
前記フライアッシュは、水和固化体の他の材料と比べるとSiOの含有量が多く、形状が球形に近いという特徴がある。このフライアッシュはポゾラン物質として働き、長期材齢での強度向上に役立つとともに、スラグ水和固化体全体としてのアルカリ性を低減させ、水和固化体を水に浸したときに溶出するアルカリ物質の量を低減させる働きもある。フライアッシュとしては、JIS A6201:1999に適合したものが好ましい。
【0021】
前記アルカリ刺激材としては、例えば、消石灰やセメントなどのCa系のものを用いことができる。高炉スラグ微粉末は潜在水硬性を有し、アルカリ刺激によって硬化が促進される。このためアルカリ刺激材を添加することで、より安定的に高い強度を得ることができる。
前記混和剤は、練混ぜ水の調節、空気量の調節にはコンクリート用の混和剤が有効である。混和剤として用いるAE剤、減水剤、AE減水剤、および高性能AE減水剤は、JIS A6204:2000に混合したものが好ましい。
【0022】
適正な品質(特に高い強度)の水和固化体を得るためには、窒素含有有機物を除く原料含有量は、以下のようにすることが好ましい。
まず、基本成分については、窒素含有有機物を除いた割合で製鋼スラグを60〜85質量%、高炉スラグ微粉末を5〜15質量%とすることが好ましい。また、製鋼スラグと高炉スラグ微粉末に対して、高炉水砕スラグ、フライアッシュ、アルカリ刺激材、混和剤などの1種以上を加える場合には、これらの合計量を10質量%以下とすることが好ましい。
本発明の水和固化体は、以上述べたような原料を水と混練し、その混練物を型枠に流し込み或いはヤード打ち込みし、硬化した後、一定期間に養生し、製品とする。型枠を用いる場合には、硬化後に脱型し、ヤード打ち込みの場合には、硬化後に重機などを用いて適当な大きさに破砕する。養生方法は任意であるが、水中養生が特に効率的である。ヤード打ち込みする場合でも、定期的に散水することによって十分な湿潤養生となり、水中養生の80%以上の強度を得ることが可能である。
本発明の水和固化体を型枠を用いて製造する場合、コンクリート製品と同様に形状は任意である。また、ヤード打ち込みして硬化させた後、重機にて破砕する場合には不定形状となる。
【実施例】
【0023】
以下に示すような本発明例1,2と比較例1の水和固化体を製造した。
・本発明例1
基本となる成分(原料)の配合は、製鋼スラグ(粒径25mm以下の脱燐スラグ):76.9質量%、高炉スラグ微粉末:11.7質量%、フライアッシュ:2.6質量%、普通ポルトランドセメント:1.9質量%、混和剤:0.5質量%(対粉体比)とした。さらに、これら堆肥以外の配合成分の合計100質量部に対して、含水比100%の堆肥を2.5質量部添加し、水:6.9質量%で混練した。これを型枠(φ100mm×200mm)に充填して1日間の湿潤箱養生で硬化させ、脱枠した後、20℃の水中にて6日間または27日間養生し、本発明例1の水和固化体を得た。材齢28日における水和固化体の強度は15N/mmであった。
【0024】
・本発明例2
基本となる成分(原料)の配合は、製鋼スラグ(粒径25mm以下の脱燐スラグ):75.6質量%、高炉スラグ微粉末:11.5質量%、フライアッシュ:2.5質量%、普通ポルトランドセメント:1.9質量%、混和剤:0.5質量%(対粉体比)とした。さらに、これら堆肥以外の配合成分の合計100質量部に対して、含水比100%の堆肥を10質量部添加し、水:8.5質量%で混練した。これを型枠(φ100mm×200mm)に充填して1日間の湿潤箱養生で硬化させ、脱枠した後、20℃の水中にて6日間または27日間養生し、本発明例2の水和固化体を得た。材齢28日における水和固化体の強度は10N/mmであった。
・比較例1
原料の配合は、製鋼スラグ(粒径25mm以下の脱燐スラグ):76.9質量%、高炉スラグ微粉末:11.7質量%、フライアッシュ:2.6質量%、普通ポルトランドセメント:1.9質量%、混和剤:0.5質量%(対粉体比)とし、水:6.9質量%で混練した。これを型枠(φ100mm×200mm)に充填して1日間の湿潤箱養生で硬化させ、脱枠した後、20℃の水中にて6日間または27日間養生し、比較例1の水和固化体を得た。材齢28日における水和固化体の強度は25N/mmであった。
【0025】
[試験例1]
本発明例1,2と比較例1の水和固化体(7日間養生材、28日間養生材)について、平成3年8月23日環境庁告示46号に準拠した6時間振とう溶出試験(6時間・200rpm振とう後の溶出量の測定)によりSiとNの溶出量を測定した。その結果を図1(a),(b)に示す。これによれば、N溶出量は、28日間養生した本発明例1(堆肥配合量:2.5質量部)で0.014mg/Lであり、必要な溶出量が得られている。また、本発明例2(堆肥配合量:10質量部)ではさらに多くのN溶出量が得られている。一方、比較例1ではNの溶出はなかった。また、Siの溶出量は、本発明例1,2と比較例1はほぼ同程度であった。
【0026】
[試験例2]
本発明例1,2と比較例1の水和固化体(28日養生材)から採取した試料を用い、試料表面のpH測定を行った。この測定では、pH指示薬(フェノールフタルレイン)添加寒天に試料を置き、24時間後に指示色の濃度を観察することでpHを測定した。その結果、堆肥配合量が多いほどpHは低下する傾向にあった。
[試験例3]
本発明例1,2および比較例1の水和固化体(28日間養生材)を実海域(港湾内の水深0.5mに吊り下げ、表面に付着したクロロフィル量および珪藻量を調べた。また、水和固化体以外に、花崗岩ブロックを比較例2として用いた。その結果を図2および図3に示す。これによれば本発明例の水和固化体は、比較例2の花崗岩ブロックや堆肥を含まない比較例1の水和固化体に較べて、クロロフィル付着量と珪藻付着量が大幅に増大している。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】平成3年8月23日環境庁告示46号に準拠した6時間振とう溶出試験により、実施例の各供試体からのSi、Nの溶出量を測定した結果を示すグラフ
【図2】実施例の各供試体を実海域に沈設し、各供試体表面のクロロフィル付着量を調べた結果を示すグラフ
【図3】実施例の各供試体を実海域に沈設し、各供試体表面の珪藻付着量を調べた結果を示すグラフ

【特許請求の範囲】
【請求項1】
粉粒状の製鋼スラグを主たる骨材とし、高炉スラグ微粉末を主たる結合材とする原料を水和硬化させた水和固化体であって、原料の一部として窒素含有有機物を含むことを特徴とする水中沈設用水和固化体。
【請求項2】
原料が、さらに、粉粒状の高炉水砕スラグ、フライアッシュ、アルカリ刺激材、混和剤の中から選ばれる1種以上を含むことを特徴とする請求項1に記載の水中沈設用水和固化体。
【請求項3】
窒素含有有機物の少なくとも一部が堆肥または/および堆肥用原料であることを特徴とする請求項1または2に記載の水中沈設用水和固化体。
【請求項4】
窒素含有有機物が分解促進剤を含むことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の水中沈設用水和固化体。
【請求項5】
平成3年8月23日環境庁告示46号に準拠した6時間振とう溶出試験による窒素溶出量が0.01mg/L以上であることを特徴とする請求項1〜4のいずれか1項に記載の水中沈設用水和固化体。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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