Key Factors Affecting Strength Develioment of Steel Slag-Dredged Soil Mixtures

抄録:

Some of the steel slag from ironworks and dredged soils from marine and waterfront engineering work are partially treated as waste.

However, a mixture of these two kinds of waste has the potential to be used as construction materials when mixed, due to chemical reactions forming secondary phases.

Utilizing waste of such kind as a resource will help to improve sustainability in society by reducing waste and replacing virgin resources such as cement.

Recently, it was reported that mixtures of steel slag and dredged soil hardens under specific conditions.

The phase compositions of dredged soils and steel slags vary depending on the quantity of each component, which results in unpredictable strength development of mixtures.

The effect of the variations in the components of steel slags and dredged soils on strength development of the mixtures is not yet clear, limiting the utilization of both materials.

Understanding the hardening mechanisms of the mixtures will enable the prediction of strength development.

Focusing on the variations in the components in steel slags and, especially of dredged soils, this study aims to identify the components in both materials that affect the secondary phase formation that are responsible for strength development.

We found support for suggestions that calcium silicate hydrate, C-S-H, is one of the secondary phases responsible for the strength development of the mixtures.

From a comparison of two kinds of steel slags and various dredged soils, the amount of portlandite in the steel slags and the amount of amorphous silica in the dredged soils are suggested as a couple of the key components of starting materials involved in the C-S-H formation.

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はい、承知いたしました。提供された学術論文の内容を、ご要望の6つの項目に分け、それぞれ500文字以内の階層的な箇条書きで要約します。一般用語以外の専門用語は元の言語（英語）のまま表記し、最後に用語集を付記します。

以下に、提供された論文の要約を記載します。

1. どんなもの？

鉄工所から出るsteel slagと、港湾や水辺の工事で発生するdredged soilを混合し、建設材料として利用する可能性を探る研究です。

これらの混合物は、特定の条件下で化学反応（二次相形成）によって硬化し、建設材料として使用できる可能性があります。

これは、wasteの削減と、cementのようなvirgin resourcesの代替として、社会の持続可能性向上に貢献します。

本研究は、steel slagとdredged soilの混合物において、強度発現に関わる二次相形成に影響を与えるkey componentsを特定することを目的としています。

2. 先行研究と比べてどこがすごい？

steel slagとdredged soilの混合物が硬化することは先行研究で報告されています。

しかし、steel slagやdredged soilの成分組成が多様であるため、強度発現が予測しにくく、これらの材料の利用が制限されていました。

先行研究では、steel slag中のportlanditeやdredged soil中の可溶性silicaが強度発現のkey componentsである可能性が示唆されていましたが、詳細は不明確でした。

本研究は、特にdredged soilの成分バリエーションに焦点を当て、C-S-H形成に関わる出発材料中の具体的な成分を特定しようとした点が新しいアプローチです。

Geochemical modelingを用いて、強度発現に必要なC-S-H量を予測できる可能性についても洞察を提供しようとしています。

3. 技術や手法の肝はどこ？

異なる種類のsteel slag（2種）とdredged soil（4種）を用いて実験混合物を作製しました。

混合物の物理的強度（shear modulus, unconfined compressive strength）を経時的に測定しました。

出発材料であるsteel slagとdredged soilについて、以下の分析を行いました:

XRDによる鉱物組成および粘土鉱物の同定。

Optical Microscopeによるamorphous silica相（diatom frustules, volcanic glass）の観察。

Selective dissolution experimentsとICP-AESによるamorphous silicaの定量。

孔隙水中の溶存Si濃度の測定。

Humic acid含有量の定量。

混合物について、以下の分析を行いました:

XRDによる二次相形成と出発材料の消費の追跡。

OMおよびSEMによる二次相（C-S-H）形成の観察。

孔隙水のpHおよびCaイオン濃度の測定。

Geochemical modeling（The Geochemist’s Workbench使用）による化学反応のシミュレーション。

4. どうやって有効だと検証した？

異なる混合物で強度発現に違いが見られることを確認し、特にsoil Aを含む混合物（1A, 2A）が高い強度を示しました。

XRD分析により、硬化後の混合物に新たな結晶性二次相が見られないこと、二次相はamorphousであることを示しました。

SEM観察により、硬化混合物中にneedle-likeなC-S-Hが形成されていることを確認しました。

強度発現の高い混合物（1A, 1B）で、steel slag中のportlanditeが早期に消費されることをXRDで示し、Caイオン供給源としてのportlanditeの重要性を支持しました。

Dredged soil中のamorphous silica（diatom frustules, volcanic glass）の含有量が、混合物の強度発現と強い正の相関を示すことを、選択溶解実験の結果と比較して明らかにしました。

Dredged soil中の溶存Si濃度がamorphous silica含有量と相関することを示し、この濃度が強度発現ポテンシャルの簡単な指標となりうることを示唆しました。

Geochemical modelingにより、amorphous silicaが高い溶解速度を持ち、C-S-H形成のための主要なSi供給源であることをシミュレーションで示しました。

5. 議論はある？

Dredged soil中に含まれるhumic acidが、Caイオンと結合したりC-S-Hの結晶成長を阻害したりすることで、C-S-H形成を抑制する可能性があることが示唆されています。ただし、本研究のサンプル（0.74–2.04%の含有量）では、pH緩衝効果は観測されませんでした。

孔隙水のpH変化は、portlanditeの溶解とC-S-H形成によって説明される可能性が示唆されています。

Geochemical modelingは、異なる成分を含む複雑なシステムにおける二次相形成への寄与成分を特定し、形成量を推定できる可能性を示しました。amorphous silicaの溶解がC-S-H形成のrate-determining stepである可能性も示唆されています。

6. 次に読むべき論文は？

本研究で強く参照されている、steel slagとdredged soilの混合における強度発現メカニズムに関する先行研究を読むと良いでしょう。特に、Caイオン供給源としてのportlanditeとSi供給源としての可溶性silicaに言及している（Kiso et al., 2008）は重要です。

Humic acidがセメント系材料の強度に与える影響に関する研究も、dredged soil利用における課題理解に役立ちます。

Geochemical modelingの手法や、C-S-H相の熱力学データに関する文献（例えば、に挙げられているもの）は、シミュレーションの詳細を理解するのに有用です。

Steel slagやdredged soilを建設材料として利用するための他の研究事例（例えば、に挙げられているもの）も、応用の可能性や課題を理解する上で参考になります。

用語集

steel slag: 製鉄工程で発生する副産物。

dredged soil: 港湾や河川などの底から浚渫された土砂。

virgin resources: 未利用の天然資源（例: 天然の砂、砂利、石灰石など）。

secondary phases: 化学反応（例: 水和反応）によって出発材料から新たに生成する鉱物相またはamorphous相。

C-S-H (Calcium Silicate Hydrate): cementitious materialの硬化体において主要な強度発現を担うamorphousな水和物。

cementation: 粒子間が新たな結合材（secondary phasesなど）によって結合され、硬化すること。

alkali-activated: 高アルカリ条件下で、潜在水硬性材料（例: steel slag, fly ash）が反応し、硬化するプロセス。

portlandite (Ca(OH)2): 水酸化カルシウム。steel slagに含まれる成分の一つで、アルカリ性を示す。

soluble silica: 水に溶けやすいシリカ。

amorphous silica: 非晶質（構造を持たない）のシリカ（SiO2）。結晶質のsilicaよりも溶解しやすい。

diatom frustules: 珪藻の殻。amorphous silicaで構成される。

volcanic glass: 火山噴火物由来のamorphousなガラス質の粒子。amorphous silicaを含む。

humic acid: 土壌や水中に含まれる有機物の主要成分の一つで、弱酸性。金属イオンと結合する性質を持つ。

XRD (Powder X-ray Diffraction analysis): 粉末X線回折分析。物質の結晶構造や鉱物組成を同定する手法。

OM (Optical Microscope): 光学顕微鏡。試料の形態や組織を観察する手法。

SEM (Scanning Electron Microscope): 走査型電子顕微鏡。試料表面の微細構造を観察する手法。

ICP-AES (Inductively Coupled Plasma Atomic Emission Spectroscopy): 誘導結合プラズマ発光分光法。試料中の元素濃度を測定する手法。

Geochemical modeling: 地球化学的な反応やプロセスを計算によってシミュレーションすること。化学組成、反応速度、熱力学データなどを用いる。

pore water: 土壌や岩石の空隙中に存在する水。

liquid limit: 土の含水比がある値を超えると流動状になる境界の含水比。

以上です。