銅スラグ

銅スラグは、精錬による銅抽出の副産物です。精錬中に、不純物はスラグとなり、溶融金属の上に浮かびます。水中で急冷されたスラグは角張った顆粒を生成し、廃棄物として処分されるか、以下に説明するように利用されます。

精錬前に機械的に濃縮された鉱石のスラグには、主に酸化鉄と酸化ケイ素が含まれています。

銅スラグは銅の製錬工程で生成されます。毎年約450万トンの銅スラグが生産されています。銅スラグはグリットブラストや埋め立てに使用されますが、2015年時点で使用されているのは15〜20％にすぎません。これは大量に廃棄される材料であるため、さまざまな産業で使用する方法を見つけることで、全体的な廃棄物を削減できます。中国長沙市にある中南大学資源安全工学部が行ったある研究では、コンクリート骨材としての銅スラグを調査しています。^[1]この研究では、特に銅スラグの環境的利点について検討しています。通常のコンクリートと銅スラグ骨材を使用したコンクリートのライフサイクルアセスメントを実施することで、研究者は両方の材料の炭素排出量と材料の変化に対する感受性を比較することができました。

ライフサイクル アセスメントは、目標と範囲、ライフサイクル インベントリ分析、ライフサイクル影響評価、およびライフサイクル解釈の 4 つのフェーズで行われました。ライフサイクル アセスメントの目標と範囲は、ゆりかごからゲートまでのセメントの環境影響を評価することでした。ゆりかごからゲートとは、材料が収穫されてから使用のために配送されるまでの時間です。ライフサイクル インベントリ分析では、目標と範囲の境界内でセメントを製造するプロセス全体にわたるエネルギーの入力と出力に関するデータを収集します。このプロセスで考慮された入力は、原材料とエネルギーであり、出力は二酸化炭素、一酸化炭素などのさまざまな排出物でした。ライフサイクル影響評価中に、生産プロセス全体にわたる非生物的枯渇ポテンシャル (ADP)、地球温暖化ポテンシャル(GWP)、ヒト毒性ポテンシャル (HTP)、酸性化ポテンシャル (AP)、富栄養化ポテンシャル (EP)、および光化学的酸化ポテンシャル (POP) を見つけるために、特性評価、正規化、および感度分析が実行されました。分析が完了すると、ライフサイクル解釈フェーズの一部として、結果が他の研究に対して確認されます。

ライフサイクル分析の結果、銅スラグセメントは普通ポルトランドセメントよりも持続可能であると結論付けられました。人体毒性の可能性 (HTP) を除くすべての主要なライフサイクル影響評価カテゴリで、普通ポルトランドセメントは銅スラグよりも悪影響がありました。銅スラグの人体毒性の可能性が高いのは、粉砕性が劣る銅スラグを粉砕するのに消費される電力が原因です。最も顕著な食い違いは、非生物的枯渇可能性 (ADP) のカテゴリで、46.5% の差がありました。ADP は、化石燃料などの非生物の枯渇です。銅スラグの処理には原材料と石炭が少なくて済むため、銅スラグセメントが ADP に与える影響が低いのは当然です。全体として、ポルトランドセメントの環境影響全体は銅スラグセメントよりも 13.95% 高く、銅スラグ骨材の使用によるプラスの影響を示しています。

2015年、パリサタム工科大学土木工学部は銅スラグ骨材の挙動に関する研究を実施しました。^[2]この研究の目的は、骨材としての銅スラグの実現可能性をテストすることでした。銅スラグが建設業界でどの程度適用できるかを観察するために、コンクリートにおける銅スラグと砂の混合物のさまざまな比率を評価し、銅スラグがコンクリートに与える影響を理解しました。圧縮強度、引張強度、スランプ、作業性などの特性が検査されました。

銅スラグがコンクリートの圧縮強度に与える影響は、7 日間および 28 日間のさまざまなコンクリート混合物に対して圧縮強度試験を実施することで判明しました。各混合物の銅スラグと砂の比率は、0% から 100% まで 20% ずつ変化しました。各混合物に含まれる銅の量はそれぞれ異なるため、銅スラグがコンクリートに与える影響は明らかです。圧縮強度試験の結果、混合物の銅スラグの量が増えるにつれて圧縮強度が増加することがわかりました。28 日間の混合物で銅スラグが 0% の骨材の容量は 35.66 MPa でしたが、銅スラグが 100% の混合物の容量は 48.76 MPa でした。

銅スラグ骨材は、コンクリートの張力にどのように影響するかを理解するために、分割引張強度試験でもテストされました。テストのパラメータは、圧縮テストと同じで、7日および28日の混合物に20%ずつ異なる量の銅スラグ骨材を含めました。銅スラグが多い混合物は容量が高かったため、銅スラグは引張強度を高めることが証明されました。銅スラグ骨材が0%の28日混合物の容量は4.75 MPaでしたが、銅スラグが100%の混合物の容量は8.64 MPaでした。両方のテストで、コンクリートのスランプも観察されました。スランプは、コンクリートが固まる前の粘稠度の測定値であり、スランプが高いほど流動性があります。強度テストの結果と同様に、銅スラグの比率が高いほどスランプが増加しました。銅スラグ 0% の混合物のスランプは 25 mm でしたが、銅スラグ 100% の混合物では 82 mm でした。これらの結果は、銅スラグ (0.16%) の吸水率が砂 (1.25%) に比べて低いためと考えられます。

強度の点から、銅スラグ骨材は砂の優れた代替品となります。最大の強度を得るには、砂を銅スラグに100%置き換えるのが理想的です。しかし、銅スラグは吸水性が低く、スランプが高くなり、コンクリートにブリーディングを引き起こします。ブリーディングとは、コンクリート混合物中の重い粒子が沈降することにより、コンクリートから水が押し上げられるプロセスです。この問題のため、研究者は砂に対する銅スラグの比率を最大60%にすることを推奨しています。^[3]

銅スラグは主に表面ブラスト洗浄に使用されます。研磨ブラストは、金属、石、コンクリート、その他の材料の表面を洗浄して形を整えるために使用されます。このプロセスでは、グリットと呼ばれる研磨粒子の流れがワークピースに向かって噴射されます。銅スラグは、研磨グリットとして使用できるさまざまな材料の 1 つにすぎません。グリットの消費率、発生する粉塵の量、表面仕上げの品質は、グリット材料の選択によって影響を受ける変数の一部です。

国際的には、記載されている媒体はISO 11126-3に準拠して製造されている^[4]

銅スラグから製造されたブラスト媒体は、砂よりも人や環境への害が少なく、最も厳しい健康および環境基準を満たしています。

銅スラグは、砂の一部の代替としてコンクリート製造に使用できます。銅スラグはブロック状に成形された建築材料として使用されます。このような使用は、イギリスのセントヘレンズやコーンウォール^[5]など、製錬が行われている地域で一般的でした。スウェーデン (シェレフテオ地域) では、ボリデン銅製錬所からの燻製および沈殿した粒状銅スラグが道路建設資材として使用されています。粒状スラグ (<3 mm のサイズの断片) には断熱性と排水性の両方の特性があり、冬季の地面の凍結を防ぎ、舗装のひび割れを防ぐことができます。このスラグを使用すると、主要な材料の使用量が減り、建設の深さが減るため、建物のエネルギー需要が減ります。同じ理由から、粒状スラグは寒冷気候の家屋の基礎の充填材および断熱材として使用できます。同じ地域では、スラグ断熱基礎を使用して建てられた家屋が数多くあります。^[6]

重量コンクリートは混合物の密度が高くなるため、優れた遮蔽能力があります。実際、骨材がコンクリートの体積の約4分の3を占めるため、骨材相として高密度材料を使用することは、コンクリートの減衰能力を高める上で重要な役割を果たします。このような材料の原子番号が高いと、ガンマ線の中性子の吸収が促進され、減速されるため、コンクリート内部への有害なガンマ線の浸透深度が減少します。重量コンクリートを使用すると、建築上の障害となり利用可能なスペースを制限する厚い壁が不要になります。この研究では、セメントと天然細骨材をそれぞれ部分的に置き換えて、GGBFSとCSを異なる割合で配合したコンクリート混合物を調製しました。コンクリート混合物は、137Csと60Coの点線源にさらされました。コンクリート混合物の放射線遮蔽能力は、線減衰係数（μ）と半価層（HVL）の観点から評価されました。セメントを部分的に置き換えてGGBFSを使用すると、通常、混合物の線減衰係数がわずかに増加しました。一方、重量CS骨材の使用により線減衰係数が31％増加したため、CSの線減衰係数への影響はより顕著でした。試験結果から、天然砂をCSに部分的に置き換えると、半減期（HVL）の厚さがさらに減少することが確認されました。結果は、60％GGBFSと100％CSで作られたコンクリートが優れた放射線遮蔽能力を示し、構造用途の強度要件を満たしていることを示しました。したがって、医療センターなどの構造物の放射線遮蔽に適しています。^[7]

• 高圧洗浄機
• ドロス
• ウォータージェットカッター