JP2007320827A

JP2007320827A - 骨材の製造方法

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Publication number: JP2007320827A
Application number: JP2006155191A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Notoya; 雅之能登屋; Hidekazu Todoroki; 秀和轟
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13

Abstract

【課題】製錬の際に副生成物として得られるスラグ微粒砂を用いて、セメントなどのバインダーによる結合力よりも強固な組織を持つ塊を得ることのできる骨材の製造方法を提供する。
【解決手段】製錬の際に副生成物として得られる、化学成分が、ＳｉＯ_２：３０〜７０重量％、ＦｅＯ：５〜１５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５重量％、ＭｇＯ：１０〜４０重量％からなるスラグ微粒砂を原料として、加熱炉で焼結させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、道路用、土木用等の骨材の製造方法に関するものである。

従来からの骨材としては、微粒砂を塊とし、石炭灰を混和剤とし、セメントをバインダーとして造粒した道路用又は土木用の骨材がある。しかしながら、このような骨材は、骨材自体の軽量化には好都合であるが、近年のコンクリート構造物のプレキャスト化の増加に伴い、高強度軽量化を目的とした骨材への関心が高まっている現状を鑑みれば、必要に応じた強度を有することは困難であり、用途的にはかなり限定されてしまう。

また、アルミナを含有させることにより、一般の人工骨材と比べて密度が高く高強度とされる人工骨材が報告されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。しかしながら、これらの骨材の製造においては、アルミナ含有原料を焼結助材として用い、複数の原料を混合し成分調整を行い、一定組成となるよう焼成炉に原料を投入しなければならず、各原料の供給設備、および混合設備などを要し、多大な設備投資が要求される。

しかも、アルミナ系原料は、それ自体が高融点であることから、焼結助材の役割を果たすためには、焼成温度が高温である必要がある。そのため、１４００℃以下の焼成温度では、比重にバラツキが出やすく空隙率も増し、強度も不安定となってしまい、安定的な品質が得られない。一方、焼成温度を高温とする場合には、燃料コスト増が懸念される。

さらに、これらの焼成骨材は、主たる目的を軽量化としているため、普通コンクリートに用いるための普通骨材とした場合、前述したように、高融点原料であるがゆえに、普通骨材に適合するように高密度化するには、長い時間の高温焼成が必要となり、さらなるコストの増加につながり、人工骨材を使用するメリットが無くなり、現実的な骨材とは言えない。

したがって、これらの従来技術は、骨材の性能及び質、コストを目的としたものではなく、むしろフライアッシュやアルミドロスなどの産業廃棄物の有効利用を主目的とした焼成骨材の製造方法である。

特開平１０−２５１０４８号公報特開２００５−２８１０７５号公報

本発明は、上記従来の造粒方法の問題点に鑑み、製錬の際に副生成物として得られるスラグ微粒砂を用いて、セメントなどのバインダーによる結合力よりも強固な組織を持つ塊を得ることのできる骨材の製造方法を提供することを目的としている。

発明者らは、上記課題を解決するために、種々の条件で酸化物を焼結して得られた焼結塊について検討を重ねた結果、特定の化学組成を有するスラグ微粒砂を焼結させることにより、良好な強度を有する骨材を製造し得ることを見い出した。したがって、本発明の骨材の製造方法は、製錬の際に副生成物として得られる、化学成分が、ＳｉＯ_２：３０〜７０重量％、ＦｅＯ：５〜１５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５重量％、ＭｇＯ：１０〜４０重量％からなるスラグ微粒砂を原料として、加熱炉で焼結させることを特徴としている。

本発明によれば、製錬の際に副生成物として得られる特定の化学組成を有するスラグ微粒砂を加熱炉で焼結させることにより、天然砂と同等以上の強度が発揮され、具体的には、ＪＩＳＡ１１２１に準じたすりへり減耗率が１８％以下である、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子が、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相によって結合された骨材を製造することができる。また、近年、環境保護などの観点から、天然砂の入手が困難となってきているが、本発明によれば、製錬の際の副産物を利用することができることから、地球環境保全に大きく寄与するものでもある。

なお、ＪＩＳＡ１１２１に準じたすりへり減耗率とは、原料をペレット状に成型し、これを加熱炉に装入し、８００〜１５００℃にて焼成した焼結塊に対して、ロサンゼルス試験機によりすりへり試験を行い、１．７ｍｍの網篩を通過した重量の割合であり、本発明においては、天然砂のすりへり減耗率が１８％以下であることから、１８％以下のものを良好として評価した。

本発明の骨材の製造方法は、特定のスラグ微粒砂を加熱炉で焼結させるものであるが、このスラグ微粒砂は、化学成分が、ＳｉＯ_２：３０〜７０重量％、ＦｅＯ：５〜１５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５重量％、ＭｇＯ：１０〜４０重量％からなるものであり、さらには、ＣａＯをさらに含み、その含有量が１０重量％以下であることがより好ましい。また、このような化学成分を有するスラグ微粒砂としては、例えば、フェロニッケルスラグ微粒砂が挙げられる。以下、このスラグ微粒砂の各成分について説明する。

１．スラグ微粒子
ＳｉＯ_２は、焼結塊の骨格であるＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンを形成するために必要な成分であると同時に、焼成温度において液体である（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を構成するためにも必要な成分である。このＳｉＯ_２の含有量が３０重量％未満では、十分な液体を得ることが出来ず、良好な強度が得られず、すりへり減耗率も１８％を超えてしまう。一方、この含有量が７０重量％を超えて高いと、十分な量のＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンが得られなくなるため、良好な強度が得られず、すりへり減耗率も１８％を超えてしまう。そのため、本願発明におけるＳｉＯ_２の含有量を３０〜７０重量％に規定した。

ＦｅＯは、焼成温度において液体である（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を構成するために有効な成分であり、ＦｅＯの含有量が最低５重量％以上は必要となる。逆に、この含有量が１５重量％を超えると、（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏ・（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３スピネルが増加し、強度の低下を招く。特にスピネルが２０体積％を超えると、強度の低下が著しい。（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏ・（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３スピネルが強度の低下を招く理由は、結晶が析出するとき、体積収縮するので、晶出部周辺に空隙部ができるためと考えられる。そのため、本願発明におけるＦｅＯの含有量を５〜１５重量％に規定した。

Ａｌ_２Ｏ_３は、焼成温度において液体であるＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を形成するために有効な成分であり、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が０．１重量％以上は必要である。逆に、この含有量が５重量％を超えて高くなると、この相が多くなり液相率が４０体積％を越えてしまう。ひいては、加熱炉内にて原料の付着現象が生じ、生産性を著しく低下させる。そのため、本願発明におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有量を０．１〜５重量％に規定した。また、この含有量は０．５〜３重量％であることがより好ましい。

本発明に用いられるスラグ微粒砂の化学成分においては、ＣａＯをさらに含み、その含有量が１０重量％以下であることがより好ましい。ＣａＯは、本発明の製造方法において重要な役割を果たす成分である。ＣａＯを多く含むことで、焼成温度において液体である（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相が活発に形成されるようになる。すなわち、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＦｅＯのみでは、形成される液体の割合は比較的少ないので、ＣａＯの存在によって、液体の割合をより拡大することができる。そのため、ＣａＯの含有量は、１０重量％以下程度まではあった方が好ましい。しかしながら、この含有量が１０重量％を超えて高すぎると、液相率が４０体積％を越えてしまい、ひいては、加熱炉内にて原料の付着現象が生じ、生産性を著しく低下させる。したがって、本願発明におけるＣａＯの含有量を１０重量％以下に規定した。また、この含有量は、好ましくは１〜１０重量％であり、より好ましくは２〜７重量％であり、さらに好ましくは２〜５重量％である。

ＭｇＯは、焼結塊の骨格であるＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンを形成するために必要な成分であり、ＭｇＯの含有量が１０重量％以上は必要である。もともと、ＭｇＯは融点が２８００℃と著しく高融点な酸化物であるため、含有量が４０重量％を超えると、液相が形成されにくくなる。具体的には、４０重量％を超えると、液相率が１０体積％を下回って低くなり、十分な強度を持つ焼結塊が得られない。そのため、本願発明におけるＭｇＯの含有量を１０〜４０重量％に規定した。

さらに、本発明におけるスラグ微粒砂の化学成分においては、ＭｇＯ／ＳｉＯ_２が０．４５〜０．６０であることが好ましく、０．４７〜０．５９であることがより好ましく、０．４８〜０．５８であることがさらに好ましい。ＭｇＯ／ＳｉＯ_２の比率は、原料の融点を間接的に表す重要な指標である。すなわち、この比率が０．４５より低すぎると、融点が低下し加熱炉内への付着問題を起こす。逆に、この比率が０．６０を超えて高いと、融点が高くなり、焼結塊の強度が確保できず、アルカリシリカ反応を引き起こす原因にもなる。

また、本発明におけるスラグ微粒砂は、粒子径が０．２ｍｍ以下であることが好ましく、より好ましくは、粒子径が０．２ｍｍ以下であり、かつ、その９０％以上が０．１ｍｍ以下である。この粒子径が０．２ｍｍを超えて大きすぎると、体積に対する表面積の割合が小さくなるため、焼結が進行しにくくなり、１８％以下のすりへり減耗率が得られなかった。また、粒子径が０．２ｍｍを超えて大きい場合には、バインダーを使わないと焼成できないことも分かり、焼成の観点からも、本発明におけるスラグ微粒砂の粒子径は、０．２ｍｍ以下であることが好ましい。

さらに、本発明におけるスラグ微粒砂は、加熱炉へ装入する際には、ペレットとすることが好ましく、ペレットが加熱炉内部にて十分な強度を保つためには、水分含有量が１０〜２５％であることが好ましい。この水分含有量が１０％未満又は２５％超のいずれにおいてもペレットが崩壊してしまう。また、ペレットサイズは、生産性を保ちながら、製造される骨材が減耗率１８％以下の十分な強度を発揮するためには、５〜３０ｍｍの塊状とすることが好ましい。

２．骨材の製造条件
本発明においては、焼成温度が１２００〜１３５０℃であることが好ましい。焼成温度が１２００℃よりも低いと、十分な量の液相が形成せず、十分な強度を持つ焼結塊が得られない。一方、焼成温度が１３５０℃を超えて高いと、液相が増加しすぎて加熱炉への原料付着問題を起こす。

また、本発明においては、加熱炉がロータリーキルンであることが好ましい。回転されたロータリーキルン内で焼成することにより、スラグ微粒砂が均一に加熱され、焼成塊が強固に焼結される。また、塊状で転動されることにより、塊が圧密され、空隙による強度の低下が削減される。

さらに、本発明においては、焼成後に、炉外で焼結塊を空冷することが好ましい。このような空冷によれば、空隙が少なく、十分な強度を確保することができるためである。これに対し、強制的な水冷では、焼結塊中に空隙が多くなり、強度が得られない。また、本発明においては、焼結後から室温までの冷却時間は１〜１０時間であることが好ましい。この冷却時間が長すぎると、骨材の液層組織内にスピネル、オージャイトなどの晶出が増加し、結晶の発生に伴う組織の収縮により、晶出部周辺に空隙部ができる。結晶量の増加により空隙量も増加し、骨材の強度は低下する。

３．製造される骨材の特徴
本発明により製造された骨材は、図１に示すように、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子１を、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト２及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相３を介して結合させたミクロ組織を有する。なお、符号４は、（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏ・（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３スピネルを示したものである。

このようなミクロ組織は、平衡状態図などを参照すると、以下のように形成されたものと推測される。（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相は、焼成温度においては液体であり、適正な量の液相を形成することにより、骨格であるＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子を取り囲み、この液体部分が凝固する際にそれぞれの相が形成される。そのため、パイロキシン粒子の周囲に形成されたオージャイトによって、パイロキシン粒子の結合力が高められ、天然砂と同等以上の強度が発揮される。なお、ここで言う液相とは、オージャイトとＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の和である。

また、パイロキシンは骨材の骨格を成す鉱物相であり、本発明においては、パイロキシンの体積率が６０体積％以上であることが好ましく、６５体積％以上であることがより好ましい。体積率が６０％未満では、十分な強度を確保できない。

さらに、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシン中の不純物元素としては、ＦｅＯ、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３が含まれ、この不純物元素の合計は１５重量％以下であることが好ましい。パイロキシンは、それ単体では融点が１５５７℃と高いが、不純物元素が混入すると融点が下がり、骨格が崩れてしまい、ひいては、強度の低下を引き起こすので、１５重量％以下とした。

また、本発明においては、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の体積率は、１０〜４０体積％であることが好ましい。これら２つの相は、焼成温度において、液体として存在し、パイロキシンの結晶を結合して強度を確保する役割を持つ。そのため、結合強度の観点から、１０体積％以上の体積率が必要である。しかしながら、体積率が４０体積％を超えると、加熱炉内にて原料の付着現象が生じ、生産性を著しく低下してしまうため好ましくない。

さらに、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の各構成成分については、ＣａＯ：３〜１５ｍａｓｓ％、ＳｉＯ_２：４０〜７０ｍａｓｓ％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜３０ｍａｓｓ％、ＭｇＯ：０．３〜７ｍａｓｓ％、ＦｅＯ：３〜１５ｍａｓｓ％であることが好ましい。これらの範囲は、相の融点と流動性の観点から規定したものであり、この範囲においては、融点が１０００〜１３００℃付近となって焼結に有効に作用するとともに、パイロキシンの結晶間に、効果的に充填するに足る十分な流動性を有する。また、本発明の製造条件においては、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相はガラス相になる確率が高いが、ガラス相の形成がなくてもよい。

次に、本発明の製造例を用いて、本発明の効果を説明する。
１．骨材の製造
＜製造例１＞
表１に示すような篩目０．０７５ｍｍ以下１００重量％のフェロニッケルスラグ細骨材と、バインダーであるセメントとを、表２に示すように、重量比で８５：１５で混合し、この混合物を造粒し、乾燥させて、従来の製造方法による粒度５〜１５ｍｍの骨材を製造した。

＜製造例２〜８＞
表３に示した条件で、フェロニッケルスラグ微粒砂をペレットに成型し、これを、内径０．４５ｍ、長さ８．３４ｍ、回転数１２６ｒｐｈのロータリーキルンに装入し、焼成して、本発明の製造方法による粒度５〜１５ｍｍの骨材を製造した。なお、表３に示した化学成分については、蛍光Ｘ線分析装置により測定した値であり、スラグ微粒砂の粒子径については、骨材のふるい分け試験方法ＪＩＳＡ１１０２に基づき測定した。

２．評価
上記のようにして製造された製造例１〜８の骨材について、ロサンゼルス試験機を用いたすりへり減耗率を測定し、それぞれの強度を評価した。なお、このすりへり減耗率は、上述したＪＩＳＡ１１２１に準じたすりへり減耗率であり、天然砂のすりへり減耗率（１８％以下）を基準として評価した。

次いで、製造例２〜８の骨材について、走査電子顕微鏡及びエネルギー分散型分析装置を用いて、パイロキシン、オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の面積率を測定し、この面積率から液相率（オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の体積率）を算出した。さらに、これらの骨材について、表乾密度及び吸水率を、細骨材の密度および吸水率試験方法ＪＩＳＡ１１０９、粗骨材の密度および吸水率試験方法ＪＩＳＡ１１１０に基づき測定した。また、アルカリシリカ反応性については、ＪＩＳＡ５３０８の附属書８（モルタルバー法）により評価したものである。これらの結果は表１及び２に示した。

表２から明らかなように、従来の製造方法による製造例１の骨材は、すりへり減耗率が４０．２％と高く、天然砂に比べて強度が非常に劣るものであった。これに対して、本発明の製造方法による製造例２〜８の骨材は、すりへり減耗率が１３．６〜２５．６％と低く、良好な強度を有することが示された。なお、製造例５〜８の骨材については、スラグ微粒砂の化学成分及び粒子径が本発明の好適な範囲を逸脱したため、やや強度が劣っていた。

表３から明らかなように、製造例５は、粒子径の大きなスラグ微粒砂が含まれたため、また、製造例７及び８は、ＭｇＯ／ＳｉＯ_２が高すぎたため、すりへり減耗率が１９．６〜２５．６％とやや高くなることが示された。さらに、製造例６は、ＭｇＯ／ＳｉＯ_２が低すぎたため、液相率が高すぎ、融点が低下し、キルンへの付着が見られた。これに対し、スラグ微粒砂の化学成分及び粒子径が好適な範囲である製造例２〜４では、すりへり減耗率が１３．６〜１６．１％と低く、天然砂と同等以上の強度を有することが示された。

また、表乾密度及び吸水率についても、本発明のより好適な態様である製造例２〜４において良好であることが示された。さらに、アルカリシリカ反応性については、ＭｇＯ／ＳｉＯ_２が高すぎた製造例７及び８において有害であることが示された。

本発明により製造された骨材の走査電子顕微鏡写真を模式的に示した図である。

符号の説明

１…パイロキシン、２…オージャイト、
３…ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相、４…スピネル。

Claims

製錬の際に副生成物として得られる、化学成分が、ＳｉＯ_２：３０〜７０重量％、ＦｅＯ：５〜１５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５重量％、ＭｇＯ：１０〜４０重量％からなるスラグ微粒砂を原料として、加熱炉で焼結させることを特徴とする骨材の製造方法。
前記スラグは、フェロニッケルスラグであることを特徴とする請求項１に記載の骨材の製造方法。
前記化学成分は、ＣａＯをさらに含み、その含有量が１０重量％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の骨材の製造方法。
前記焼結は、加熱温度が１２００〜１３５０℃であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の骨材の製造方法。
前記焼結の後に、炉外で焼結塊を空冷することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の骨材の製造方法。
前記スラグ微粒砂は、水分含有率が１０〜２５％であり、粒径が３０ｍｍ以下の塊の状態で加熱炉内へ装入し、加熱、乾燥、焼結を行うことを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の骨材の製造方法。