JP2001240439A - 流動層による人工軽量セラミック粒子の製造方法 - Google Patents

流動層による人工軽量セラミック粒子の製造方法

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 1000〜100μm程度の微細で強度
が高く、吸収性も少ない多孔質軽量骨材を製造すること
を目的とする。 【解決手段】 抗火石、シラス、流紋岩の如き火山ガラ
ス鉱物を平均粒径10μm以下に微粉砕し、これに発泡
剤を加えて1000〜100μmに造粒し、流動層キル
ンで焼成発泡させる。造粒物には、アルミナの如き融着
防止材をコーティングする。燃焼用二次空気に融着防止
材を混合してもよい。流動層媒体としては球形ムライト
質媒体が適している。焼成時の最高温度帯を流動層より
上のフリーボード部とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、建築構造物のため
の骨材として適した非吸水性高強度軽量多泡質セラミッ
クス粒子の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】近年の土木および建築構造物の高層化、
超大スパン化に伴い、コンクリートの超軽量化への期待
が高まってきている。阪神大震災の経験では、高速道路
や高架橋の上部構造の軽量化がうたわれた。コンクリー
ト用骨材は、粗骨材(粒径20mm〜5mm)と、細骨
材(粒径5mm以下)に大別される。超軽量で高強度を
えるためには骨材に、軽量性と同時に、高強度が求めら
れている。そのためには骨材の内部の気孔が閉じて独立
していて、連通気泡でないため吸水性がなく、気泡が均
一で微細であることが必要である。特開平6−5648
9で示されるように粗骨材および細骨材の粗粒部におい
ては技術が確立されている。
【0003】細骨材の1mm以下、特に0.5mm以下
を占める範囲は従来のロータリーキルンによる方式では
融着がおきるため焼成が不足がちで高吸水になりやす
く、高強度なコンクリートに使用するには1mm(10
00μ)以下は川砂の細砂等を使用せざるを得ない。よ
り軽量性を必要とする場合は高価なマイクロバルーン、
フライアッシュバルーン等の微粒中空体を使用するが強
度がでない。特に500μm〜100μmの間は適当な
粒子がなかった。
【0004】一方、伊豆諸島新島産の抗火石(biotie r
hyolite)は多孔質の流紋岩であり、その鉱物組成の多
くは火山ガラスからなる。表1にその化学成分を示す。
抗火石は珪酸分およびアルミナ分が大部分を占めるた
め、耐久性、耐酸性、耐火性に優れる。微粉砕してSi
Cの発泡剤を加えると、抗火石の融点1150〜120
0℃付近でガラス化すると同時に、内部でSiCとSi
2が反応してCOガスが発生し、均一微細な独立気泡
をもった人工軽量骨材が焼成される。
【0005】
【表1】
【0006】
【発明が解決しようとする課題】本発明は、抗火石など
の火山ガラス鉱物を原料として、1000〜100μm
程度の微細で強度が高く、吸水性も少ない多孔質軽量セ
ラミック粒子を製造することを目的とするものである。
【0007】
【課題を解決するための手段】本発明は上記課題を解決
するため下記の構成よりなる。 (1)抗火石、シラス、流紋岩の如き火山ガラス鉱物を
平均粒径10μm以下に微粉砕し、これに発泡剤を加え
て1000〜100μmに造粒し、流動層キルンで焼成
発泡させることを特徴とする流動層による人工軽量セラ
ミック粒子の製造方法。
【0008】(2)造粒物に、アルミナの如き融着防止
材をコーティングして焼成発泡させる前記(1)記載の
流動層による人工軽量セラミック粒子の製造方法。
【0009】(3)燃焼用二次空気に融着防止材を混合
して焼成する前記(1)記載の流動層による人工軽量セ
ラミック粒子の製造方法。
【0010】(4)球形ムライト質媒体の流動層を用い
る前記(1)ないし(3)のいずれかに記載の人工軽量
セラミック粒子の製造方法。
【0011】(5)焼成時の最高温度帯を流動層より上
のフリーボード部とする前記(1)ないし(4)のいず
れかに記載の流動層による人工軽量セラミック粒子の製
造方法。
【0012】本発明に用いる流動層キルンは炉内におい
て比熱物が上昇空気により流動化しており、その連続高
速の流動により粒子間にせん断力が働き融着が少ない。
また流動化によって炉内は温度が均一性が高く温度コン
トロールがし易い。しかしSiCを利用した発泡は独立
気泡を得やすいが融液発生と発泡が同時におきるために
シビアなコントロールが必要とされる。
【0013】そこで本発明では、火山ガラス鉱物を平均
粒径10μm以下に微粉砕したのち、これにSiC、S
34の如き発泡剤を加えて、1000〜100μmに
造粒し、流動層キルンで焼成発泡させる。その際、アル
ミナの如き融着防止材を該造粒物にコーティングし、あ
るいは、燃焼用二次空気中に融着防止材を混合して焼成
発泡させる。
【0014】ロータリーキルンで焼成発泡した場合に
は、粒子の表面も内部もほぼ同じ状態となり、開気孔が
多く存在することになって、強度や耐吸水性に劣るもの
となり易いが、流動層による焼成を行うと粒子の表面が
溶融したガラス層を形成し、滑らかで開気孔の少ない粒
子となる。又、流動層焼成では温度が1℃単位で容易に
制御することが可能となり、希望の発泡状態に焼成する
ことが容易となる。流動化により、粒子表面が他の粒
子、炉壁および解砕物などと接触する機会が少なく、粒
子個々にせん断力を生じるため、炉壁との摩擦による摩
耗、融着が少ない。
【0015】それでも多少なりとも融着する場合もある
ので、アルミナの如き融着防止材を造粒物にコーティン
グして流動焼成を行うことにより、融着は完全に防止で
きる。燃焼用二次空気に融着防止材を混合して焼成する
ことも有効である。いずれにしても融着防止材の使用量
は必要最小限で済むので、製品表面に融着防止材が付着
して残留することが少なく、吸水率の増加などの弊害も
防ぐことができる。
【0016】流動層媒体としては耐火粒子が用いられる
が、本発明では、非球形のアルミナ粒子と球形のムライ
ト粒子とを比較して試験をしたところ、アルミナ粒子で
は圧力損失が大きく、途中で圧力が低下して、700秒
程度で流動化が停止したが、球形ムライト粒子の場合は
常に一定の低圧力損失で長時間変わることがなかった。
したがって、流動層媒体としては球形ムライト粒子が適
当であることがわかった。その粒径は425〜200μ
mで平均280μmが適当である。
【0017】流動層キルンにおいて、最初、流動部の中
央に最高温度がくるように外部ヒーターの位置を調節し
たが、焼成の際、流速の増加にともない、粒子が加熱帯
から飛び出し、焼成に時間がかかること、また、分散板
直上は粒子が濃厚であり、流動状態が活発でないので、
融着、流動化停止がおきやすかった。
【0018】そこで、本発明では外部ヒーターの位置を
上にあげて、最高温度帯を流動層部ではなくフリーボー
ド部とした。粒子層の温度を発泡温度以下にし、フリー
ボード部を発泡温度以上に加熱することで、粒子層では
融着温度以下で予熱され、飛び出した粒子はフリーボー
ドで発泡温度以上に加熱され融着を起こさず、発泡した
粒子が回収できた。
【0019】
【発明の実施の形態】新島産特有の抗火石造粒品を50
0〜250μmにふるいわけしたものを原料とした。抗
火石造粒品は抗火石に対して0.2wt%のSiC粉末
と3wt%の成形材のべントナイトを加えて粉砕した
後、転動造粒したものである。
【0020】流動化の際の摩耗に耐えうる強度を持た
せ、かつ、原料投入時の急速加熱による原料の破裂を防
ぐため、試料を900〜1000℃で30min仮焼し
た。また高温での融着防止材として、付着性の超微粉末
アルミナ(代表粒径6.46μm)をコーティング前の
試料の質量を基準に約5wt%コーティングした。この
原料は発泡に伴い粒径が大きくなるため、細骨材の微粒
部に対応する。
【0021】かかる原料を、図1に示す流動層キルンに
装入して焼成発泡した。図1において、1は流動層キル
ンで、内部に分散板2の働きをするアルミナボール(直
径2mm程度)を充填した。これがガス分散板の働きを
する。流動化ガス(空気)は管3より流動層キルン1内
に導入し、媒体2の間隙を通過して流動層を形成する。
分散板2の上端には差圧センサ4を配置して、層の圧力
損失を検出する。ガス流速Vを流動化開始速度Vmf
より一定量(0.10m/s)過剰となるようにマスフ
ローコントローラー7で制御する。6は加熱器で、流動
層キルン1内の温度を原料のガラス質鉱物の軟化温度よ
りもやや上の温度である1200℃までの範囲でコント
ロールする。
【0022】加熱器6の位置は分散板2上のムライト粒
子媒体8の上部付近に中心が位置するように配置し、焼
成時の最高温度帯が流動層の上のフリーボード部となる
ようにする。具体的には、分散板2の上にムライト粒子
を投入して、ガス流速(V)−流動化開始速度(V
mf)=一定となるようにマスフローコントローラー7
でガス流量を調整し、媒体粒子8を流動化させながら1
200℃まで昇温させ、ついで原料粒子9を投入して約
500秒保持する。最高温度帯域の調節は加熱器6自体
の高さを調節しても良いし、分散板2の働きをしている
アルミナボールの量を調節することによって得られても
良い。
【0023】装入した原料は圧力損失の低下がなく焼成
発泡され、融着を起すことなく、単一粒子として焼成さ
れていた。焼成品はガス流速を高めてサイクロン8も移
動させ分離回収する。製品のSEMによる断面像が図2
であって、殆どが独立気泡となっていた。
【0024】次に製品の発泡状態を測定した。図3に焼
成温度と保持時間、並びに保持時間とみかけ密度の関係
についてのグラフを示す。
【0025】焼成温度1150℃以上であれば充分に発
泡した。焼成前の粒子密度2000kg/m3前後の試
料を発泡させて、粒子密度1000kg/m3以下にす
るには1190℃では100s以内、1150℃でも1
000s以上保持すればよいことがわかった。また、焼
成温度・保持時間の両方を調節することで発泡状態を制
御できることがわかった。また、発泡が進むにつれ、気
泡の巨大化、球形化が起こっていくことが観察された。
【0026】次に水銀ポロシメーターにより、製品に水
銀で等方向に圧力をかけ、試料内部に入り込む水銀の量
を測定した。本発明の人工軽量骨材は開気孔が少なく、
閉気孔が主であるため、骨材に等方向に圧力をかけてい
くと骨材の閉気孔を破壊しながら水銀は骨材内部に圧入
されていく。そのため、水銀ポロシメーターによる等方
圧入試験は、骨材の吸水性、等方圧強度の測定と等し
い。ロータリーキルンで焼成した軽量骨材は、低い圧力
で急速に水銀の圧入量が増加したが、実施例品は水銀圧
入圧の増加につれても水銀圧入量があまり変化せず、表
面に強固なスキン層を形成し、圧入に対する強度が増加
していることが判った。このことより吸水性、耐久性に
優れたものであることが証明された。
【0027】また、粒子密度と引張り強度の間には粒子
密度が上ると共に引張り強度も上り、その間にはほぼ直
線関係があることが判った。
【0028】なお、本発明の流動焼成は、単一の流動層
キルンを用い、まず原料を投入し、これを焼成発泡させ
て、ついで流速を上げ、製品をサイクロン分離して回収
する回分方式(図4参照)のものや、流動層キルンを2
台並置して、これを交互に作用させて焼成回収を効率的
に行う方式のもの、さらには流動層キルンを縦方向の仕
切板によって複数に分割し、それぞれの原料滞留時間分
布を短かくして、最終的に製品を気流に同伴して排出
し、分離回収することによって連続式に操業する(図5
参照)ことも可能である。
【0029】
【発明の効果】本発明によれば、高い加熱効率、均一な
炉内温度、粒子の良好な混合が得られ、焼成時間をロー
タリーキルン方式の数時間から数分へと大幅に短縮する
ことができる。又、流動層によって炉内温度と滞留時間
を制御することにより、従来は困難であった小粒径の人
工軽量セラミック粒子を高収率で焼成できるようになっ
た。得られる軽量セラミック粒子は高強度軽量コンクリ
ートの細粒部の骨材として使用することができるし、押
出し成形による無機質系のサイヂングボードの軽量骨材
としても使用し得る。さらにはプラスチック製品の軽量
増量材、バイオリアクター用担体としても使用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施装置の説明図である。
【図2】本発明実施例品のSEMによる断面像を示す。
【図3】発泡状態の試験結果を示すグラフである。
【図4】本発明の回分式操作の概念説明図である。
【図5】本発明の連続操作の概念説明図である。
【符号の説明】
1 流動層キルン 2 媒体 3 管 4 差圧センサ 5 圧力変換器 6 加熱器

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 抗火石、シラス、流紋岩の如き火山ガラ
    ス鉱物を平均粒径10μm以下に微粉砕し、これに発泡
    剤を加えて1000〜100μmに造粒し、流動層キル
    ンで焼成発泡させることを特徴とする流動層による人工
    軽量セラミック粒子の製造方法。
  2. 【請求項2】 造粒物に、アルミナの如き融着防止材を
    コーティングして焼成発泡させる請求項1記載の流動層
    による人工軽量セラミック粒子の製造方法。
  3. 【請求項3】 燃焼用二次空気に融着防止材を混合して
    焼成する請求項1記載の流動層による人工軽量セラミッ
    ク粒子の製造方法。
  4. 【請求項4】 球形ムライト質媒体の流動層を用いる請
    求項1ないし3のいずれかに記載の人工軽量セラミック
    粒子の製造方法。
  5. 【請求項5】 焼成時の最高温度帯を流動層より上のフ
    リーボード部とする請求項1ないし4のいずれかに記載
    の流動層による人工軽量セラミック粒子の製造方法。
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