建設用骨材

建設用骨材、または単に骨材は、砂、砂利、砕石、スラグ、再生コンクリート、ジオシンセティック骨材など、建設に使用される粗粒から中粒の粒状材料の広いカテゴリです。骨材は、世界で最も採掘されている材料です。骨材は、コンクリートやアスファルトなどの複合材料の構成要素であり、骨材は複合材料全体の強度を高める補強材として機能します。ほとんどの土壌と比較して比較的高い透水係数値のため、骨材は、基礎およびフランス式排水溝、浄化槽排水場、擁壁排水溝、路側溝などの排水用途に広く使用されています。骨材は、基礎、道路、鉄道の下の基材としても使用されます。言い換えれば、骨材は、予測可能で均一な特性を持つ安定した基礎または道路/鉄道の基盤として（たとえば、道路や建物の下の不均一沈下を防ぐため）、またはより高価なセメントやアスファルトと結合してコンクリートを形成する低コストの増量剤として使用されます。ほとんどの種類の骨材は何らかの結合剤を必要としますが、結合剤を必要としない自己結合骨材の種類もあります。 ^[1]

欧州では、サイズ範囲はd / Dとして指定されます。ここで、dは粒子が通過できる最小の正方形メッシュ格子を示し、D は最大の正方形メッシュ格子を示します。用途固有の推奨サイズは、道路建設用の欧州規格 EN 13043、大型被覆石用の EN 13383、コンクリート骨材用の EN 12620、道路建設の基層用の EN 13242 、および鉄道バラスト用の EN 13450 で規定されています。

米国材料試験協会は、 ASTM D 692 および ASTM D 1073 を含む、さまざまな建設用骨材製品の仕様を網羅的に公開しています。これらの製品は、個々の設計により、特定の建設目的に適しています。これらの製品には、アスファルトやコンクリート混合物への添加物、およびその他の建設用途向けに設計された特定の種類の粗骨材と細骨材が含まれます。各州の運輸局は、骨材の使用を特定の場所のニーズと利用可能な供給量に合わせて調整するために、骨材の仕様をさらに改良しています。

これらの基本材料の供給源は、砂、砂利、石などの鉱物骨材鉱床の採掘、鉄鋼製造からの廃スラグの使用、および主に鉱物骨材から製造されるコンクリートのリサイクルという 3 つの主な分野に分類できます。さらに、粘土、軽石、パーライト、バーミキュライトなどの特殊な軽量骨材として使用される (少量の) 材料もあります。

人々は何千年もの間、基礎に砂と石を使用してきました。骨材の生産と使用が大幅に改善されたのはローマ帝国の時代で、ローマ帝国は骨材を使用して広大な道路網や水道網を建設しました。アーチを使用する建築に不可欠なコンクリートの発明により、建設用骨材の需要が即座に永続的に生まれました。

ウィトルウィウスは『建築論』の中で次のように書いています。

経済とは、材料と敷地の適切な管理、および建築工事におけるコストと常識の倹約的なバランスを意味します。これは、まず第一に、建築家が、多大な費用をかけずには見つけられない、または用意できないものを要求しないことで実現されます。たとえば、採掘場の砂、瓦礫、モミ、透明なモミ、大理石が豊富にある場所はどこにでもありません...採掘場の砂がない場合、川や海に打ち上げられた砂を使用する必要があります...その他の問題も同様の方法で解決する必要があります。

近代的な発破法の出現により採石場の開発が可能になり、現在では骨材品質の適切な岩盤鉱床が存在する世界中で使用されています。多くの場所では、良質の石灰岩、花崗岩、大理石、またはその他の高品質の石の岩盤鉱床が存在しません。これらの地域では、骨材として使用するために天然の砂と砂利が採掘されます。石も砂と砂利も入手できない場合は、通常、鉄道、はしけ、またはトラックで骨材を輸送することで建設需要を満たします。さらに、骨材の需要は、スラグとリサイクルコンクリートの使用によって部分的に満たすことができます。ただし、これらの材料の入手可能なトン数と品質の低さから、採掘された骨材の大規模な代替品としては実現可能ではありません。

大規模な石切り場や砂利採取場は、製品の価値が低いのに比べて輸送コストが高いため、ほぼすべての人口密集地の近くに存在します。骨材を40キロメートル以上トラックで輸送するのは、通常、経済的ではありません。^[3]これらは資本集約的な作業であり、大型の土木機械、ベルトコンベア、さまざまなサイズの骨材を粉砕および分離するために特別に設計された機械を使用して、明確な製品備蓄を作成します。

USGSによると、2006 年の米国の砕石生産量は 17 億 2,000 万トンで、その価値は 138 億ドルでした (2005 年は 16 億 9,000 万トンで、その価値は 121 億ドルでした)。そのうち、石灰岩は 1,080 万トンで、その価値は 81 億 9,000 万ドルで、採石場 1,896 か所から、花崗岩は 2 億 6,800 万トンで、その価値は 25 億 9,000 万ドルで、採石場 378 か所から、トラップ ロックは1 億 4,800 万トンで、その価値は 10 億 4,000 万ドルで、採石場 355 か所から、残りはその他の種類の石で、729 か所から採掘されました。石灰岩と花崗岩は、寸法石材としても大量に生産されています。砕石の大部分は、大型トラックで採石場/工場から最初の販売または使用地点まで運ばれます。USGSによると、2006 年の米国の砂利生産量は 13 億 2,000 万トンで、その価値は 85 億 4,000 万ドル (2005 年は 12 億 7,000 万トンで、その価値は 74 億 6,000 万ドル) で、そのうち 2 億 6,400 万トンで、その価値は 19 億 2,000 万ドルでした。その大部分は、電車ではなく、再びトラックで輸送されました。

現在、米国の最終市場部門別の総需要は、非住宅用建物（オフィス、ホテル、店舗、製造工場、政府機関や公共施設の建物など）が30～35％、高速道路が25％、住宅が25％となっている。^[4]

高炉スラグや製鋼スラグなどのリサイクル材料は、骨材として使用したり、ポルトランドセメントの一部の代用として使用できます。高炉スラグと製鋼スラグは、空冷式または水冷式です。空冷スラグは骨材として使用できます。水冷スラグは、砂大のガラス状粒子（粒状）を生成します。冷却中に水に遊離石灰を加えると、粒状スラグに水硬性セメント特性が与えられます。

USGSによれば、2006 年に米国で販売または使用された空冷高炉スラグは 730 万トンで、その価値は 4,900 万ドルでした。米国で販売または使用された粒状高炉スラグは 420 万トンで、その価値は 3 億 1,800 万ドルでした。米国で販売または使用された製鋼炉スラグは 870 万トンで、その価値は 4,000 万ドルでした。2006 年の空冷高炉スラグの販売は、道路の基礎と表面 (41%)、アスファルトコンクリート (13%)、生コンクリート (16%) に使用され、残りは他の用途でした。2006 年の粒状高炉スラグの販売は、セメント材料 (94%) に使用され、残りは他の用途でした。 2006 年の製鉄炉スラグの販売は、道路の基礎および表面 (51%)、アスファルトコンクリート (12%)、埋め立て(18%)、残りがその他の用途 でした。

リサイクルされたガラス骨材を細かく砕いたものは、砂利や砕石の代わりに、多くの建設プロジェクトや公共事業で使用されています。ガラス骨材は取り扱いに危険はありません。下水道管、雨水管、飲料水管の周囲に敷き詰めて、表面からの重量を分散し、管を保護するパイプベッドとして使用できます。もう 1 つの一般的な用途は、コンクリート床を基礎と同じ高さにするための充填材としてです。ガラス骨材を使用すると、ガラスを精錬して新しいガラスにすることができない多くの場所で、ガラスのリサイクルの循環が実現します。 ^[5]

骨材自体は骨材としてリサイクルできます。リサイクル可能な骨材は都市部に集中する傾向があります。リサイクル骨材の供給は、構造物の物理的腐敗と解体に依存します。移動式リサイクル工場は、材料を中央の場所に輸送するコストを削減します。リサイクル材料は通常、品質が一定ではありません。

多くの骨材製品は他の産業用途にリサイクルされます。請負業者は廃棄コストを節約でき、骨材が埋められたり積み上げられたりして廃棄されることが少なくなります。たとえば、ミシガン州ベイシティでは、混合コンクリート、ブロック、レンガ、砂利、ピーストーン、その他の使用済み材料などの未使用製品のリサイクルプログラムが存在します。^[要出典]材料は粉砕され、道路や車道の路盤材として利用されるなど、さまざまな用途に使用されます。

USGSによると、2006 年の砕石作業により、290 万トンのポルトランドセメントコンクリート (骨材を含む) が 2,190 万ドル相当、160 万トンのアスファルトコンクリート (骨材を含む) が 1,180 万ドル相当リサイクルされました。両材料のリサイクル量は、USGS の調査に含まれていない建設および解体業者によってはるかに多くなっています。砂と砂利については、調査によると、セメントコンクリート 470 万トン (3,200 万ドル相当) がリサイクルされ、アスファルトコンクリート 617 万トン (4,510 万ドル相当) がリサイクルされました。この場合も、両材料のリサイクル量は、USGS の調査に含まれていない建設および解体業者によってはるかに多くなっています。建設資材リサイクル協会によると、回収可能な建設および解体資材は年間 3 億 2,500 万トン生産されています。^{[引用が必要]}

多くのジオシンセティック骨材はリサイクル材料から作られています。リサイクル可能なプラスチックは骨材に再利用できます。たとえば、リング インダストリアル グループの EZflow ^[6]製品ラインは、99.9% 以上がリサイクルされたポリスチレンであるジオシンセティック骨材片で製造されています。本来は埋め立て地に捨てられるはずのこのポリスチレンを集め、溶かし、混ぜ、再配合し、膨張させて、圧縮荷重下でも高い強度特性を維持する低密度骨材を作ります。このようなジオシンセティック骨材は従来の砂利に代わるものであり、同時に多孔性を高め、透水性を高め、砂利骨材に固有の細かい粉塵「微粒子」を排除します。この微粒子は、多くの排水用途で詰まりや動作の妨げになります。^{[引用が必要]}

いくつかのグループが、細かく刻んだタイヤをコンクリート骨材の一部として使用しようと試みた。その結果、通常のコンクリートよりも強度が増した。圧力を受けても壊れず、曲がるからだ。しかし、タイヤはセメントとゴムの結合が弱いため、圧縮強度を低下させる。コンクリートを混ぜるとゴムの気孔に水が満たされるが、コンクリートが固まると空洞になる。あるグループは、コンクリートが固まるときに圧力をかけ、気孔容積を減らした。^[7]

英国におけるリサイクル骨材は、建設資材の加工から得られる。骨材が不活性であることを保証するために、欧州廃棄物コードに基づいて試験され、特性評価された材料から製造される。^[8]

採石製品協会によると、2008年には2億1000万トンの骨材が生産され、そのうち6700万トンはリサイクル製品でした。 ^[9]廃棄物・資源行動プログラム^[10]は、リサイクル骨材の規制生産のための品質プロトコルを作成しました。^[11]

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• アメリカ材料試験協会
• グラベルウォッチオンタリオ
• オレゴン州コンクリート・骨材生産者協会
• ポートランドセメント協会
• 骨材に関するPavement Interactiveの記事
• 2006 USGS 鉱物年鑑: 石、砕石
• 2005 USGS 鉱物年鑑: 石、砕石
• 2006 USGS 鉱物年鑑: 建設用砂と砂利
• 2005 USGS 鉱物年鑑: 建設用砂と砂利
• 建設総計、2007年6月 鉱山工学（個人会員）
• 2006 USGS 鉱物年鑑: 鉄鋼スラグ
• 天然資源およびリサイクル資源からの骨材 - 経済評価
• 建設資材リサイクル協会
• MN DNR 集合資源マッピング プログラム – 土地鉱物局
• 採石リサイクルの徹底
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• アルバータ砂利協会（カナダ）