JP2004123471A

JP2004123471A - 水熱固化体の製造方法

Info

Publication number: JP2004123471A
Application number: JP2002291637A
Authority: JP
Inventors: Hiroteru Maenami; 前浪　洋輝; Hideaki Tanaka; 田中　英昭; Noribumi Isu; 井須　紀文; Masakazu Hayashi; 林　雅一
Original assignee: Sintokogio Ltd; Inax Corp
Current assignee: Sintokogio Ltd; Inax Corp
Priority date: 2002-10-03
Filing date: 2002-10-03
Publication date: 2004-04-22

Abstract

【課題】十分な強度を有する水熱固化体を安定的にかつ安価に製造することができ、これにより広範囲の使用済み鋳物砂の再利用をより一層実現する。
【解決手段】ＣａＯ分及びＳｉＯ_２分を含む水熱固化用調合物を用意する調合工程Ｓ１と、水熱固化用調合物を成形して成形体とする成形工程Ｓ２と、成形体を水熱処理してケイ酸カルシウム水和物を生じて固化した水熱固化体を得る水熱工程Ｓ３とを有している。水熱固化用調合物は鋳造後に回収された使用済み鋳物砂を含む。この使用済み鋳物砂は砂系ダストを含有している。成形工程Ｓ２を乾式プレス法により行う。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は水熱固化体の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、ＣａＯ分及びＳｉＯ_２分を含む水熱固化用調合物を用意する調合工程と、水熱固化用調合物を成形して成形体とする成形工程と、成形体を水熱処理してケイ酸カルシウム水和物を生じて固化した水熱固化体を得る水熱工程とを有する水熱固化体の製造方法が知られている（例えば、特許文献１）。また、特許文献２〜４には、水熱固化用調合物にＳｉＯ_２分を主成分とする無機系産業廃棄物を用いる方法が開示されている。特に、特許文献３又は特許文献４には、その無機系産業廃棄物として、鋳物工場等で生じる使用済み鋳物砂を用いる方法が開示されている。
【０００３】
これらの製造方法により水熱固化体を製造すれば、焼成や焼結によって固化体を製造するよりも少ないエネルギの下、インターロッキングブロック、タイル等の実用的な固化体を製造することができる。特に、上記公報記載の方法によれば、使用済み鋳物砂等の無機系産業廃棄物を実用品に再利用できるという効果も奏する。
【０００４】
【特許文献１】
特開第３１９６６１１号公報
【特許文献２】
特開昭４９−１２８０１６号公報
【特許文献３】
特開平６−３２１６５１号公報
【特許文献４】
特許２９４０８９９号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、無機系産業廃棄物としての使用済み鋳物砂には、廃砂の他、砂系ダストがある。廃砂は、再生処理する前の廃鋳物砂や、再生処理しても鋳物砂のフロー収支から余り、従来は捨てざるを得ないもの等からなる。他方、砂系ダストは、造型ラインで鋳物砂により砂型を製造する際や研摩式再生機で砂型を再生処理する際等に発生する粉塵であり、集塵機等で回収された熱処理されていないものである。これら使用済み鋳物砂のうち、廃砂は従来からある程度は再利用されては来たものの、砂系ダストは、粒径が極めて細かいことから、再利用されることなく、埋め立て等の廃棄処分に供されるに過ぎなかった。このため、鋳造を行うメーカ等からは、この砂系ダストを再利用して欲しいという要求が近年高まって来ている。
【０００６】
また、上記特開昭４９−１２８０１６号公報記載の製造方法では、ＳｉＯ_２分を主成分とする無機系産業廃棄物としての珪砂産業廃棄物が鉱山から採取された天然の原砂から砂利等の有利な部分を洗浄等によって取り除いた残渣であることから、その珪砂産業廃棄物中の粘土分の含有量等が大きく変動し、水熱固化体を安定して製造し難いという問題がある。さらに、この製造方法では、珪砂産業廃棄物が汚泥の形態で提供されやすいため、流し込みにより成形工程を行う場合にはそれは便宜ではあるが、そうして得られた成形体は、得られる水熱固化体の空隙率が高くなるために十分な強度を発揮し難い。仮にその汚泥形態の珪砂産業廃棄物を乾式プレス法で成形しようとすれば、乾式の混合を行う際にその珪砂産業廃棄物を予め乾燥する必要があり、乾燥のための手間や設備が必要となることから、製造コストの高騰化を生じてしまう。一方、特開平６−３２１６５１号公報記載の製造方法は、軽量気泡コンクリート（ＡＬＣ）を製造する方法であることから、やはり流し込みにより成形工程を行っている。そして、得られる軽量気泡コンクリートは空隙率が極めて高いことから、建築材料としての強度を保ち得る軽量気泡コンクリートを得るためには、原料中の廃棄物の添加量を１〜２０質量％に止める必要がある。このため、この製造方法では、十分な強度を有する水熱固化体を安価に製造することができない。
【０００７】
本発明は、上記従来の実情に鑑みてなされたものであって、十分な強度を有する水熱固化体を安定的にかつ安価に製造することができ、これにより広範囲の使用済み鋳物砂の再利用をより一層実現することを解決すべき課題とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題解決のために鋭意研究を行い、使用済み鋳物砂として砂系ダストを用いても、乾式プレス法により成形工程を行えば上記課題を解決できることを発見し、本発明を完成させるに至った。
【０００９】
すなわち、本発明の水熱固化体の製造方法は、ＣａＯ分及びＳｉＯ_２分を含む水熱固化用調合物を用意する調合工程と、該水熱固化用調合物を成形して成形体とする成形工程と、該成形体を水熱処理してケイ酸カルシウム水和物を生じて固化した水熱固化体を得る水熱工程とを有する水熱固化体の製造方法において、前記水熱固化用調合物は鋳造後に回収された使用済み鋳物砂を含み、該使用済み鋳物砂は砂系ダストを含有し、成形工程を乾式プレス法により行うことを特徴とする。
【００１０】
本発明者らは、入手した廃砂及び砂系ダストについて、水熱固化の可能性を検討した。廃砂はＳｉＯ_２分を７０〜９０質量％含有し、砂系ダストはＳｉＯ_２分を４０〜８０質量％含有していることから、これらは水熱固化体のＳｉＯ_２源としての利用が可能であると考えた。しかし、これらは、ＳｉＯ_２分以外にベントナイト等の粘土としてＡｌ_２Ｏ_３分を２〜１５質量％程度含有しているとともに、澱粉や石炭粉等の有機分を１〜３０質量％含有しているため、これらの成分が水熱固化体に対してどのような影響を及ぼすかが不明であった。発明者らはかかる状況下、試験によって、水熱固化用調合物の使用済み鋳物砂として砂系ダストを用いても、成形工程を乾式プレス法により行えば、製造後の水熱固化体が十分な強度を発揮可能であることを確認した。
【００１１】
また、廃砂及び砂系ダストは、その構成材料が元々は天然原料ではあるが、鋳物砂を形成すべくケイ砂とベントナイト等を配合して作製した工業材料をもとに発生するため、粘土分の含有量等がさほど大きく変動することはない。このため、砂系ダストを含有する使用済み鋳物砂を用いても、水熱固化体を安定して製造することができる。さらに、廃砂及び砂系ダストは、ほぼ乾燥した形態で提供されるため、乾式プレス法により成形工程を行うことが便宜である。また、こうして得られた成形体は水熱工程中に割れ難く、得られる水熱固化体の嵩密度も高く、十分な強度を発揮しやすい。また、廃砂や砂系ダストを予め乾燥する必要がないため、製造コストの低廉化も実現可能である。
【００１２】
したがって、本発明の水熱固化体の製造方法によれば、十分な強度を有する水熱固化体を安定的にかつ安価に製造することができるため、広範囲の使用済み鋳物砂の再利用をより一層実現することができる。
【００１３】
本発明の製造方法により製造する水熱固化体は、インターロッキングブロック、タイル等の建築材料の他、浄化槽用の担体等に具体化可能である。成形体中の水分量等を調整することにより、空隙率の制御が可能であり、より多孔質の水熱固化体を製造することもできる。
【００１４】
発明者らの試験結果によれば、砂系ダストを含有する使用済み鋳物砂と、他の原料とで水熱固化用調合物のＳｉＯ_２分を構成することができる。使用済み鋳物砂は砂系ダスト以外に廃砂を含んでいてもよい。他の原料としては、天然の珪砂等の他、例えばキラ、ガラス屑、タイル屑、石炭灰、下水汚泥焼却灰等の他の無機系産業廃棄物を採用することもできる。水熱固化用調合物に植物繊維等の繊維、貝殻やガラス片等の骨材を含めることにより、水熱固化体の強度をさらに高めることもできる。発明者らの試験結果によれば、ＳｉＯ_２分を砂系ダストだけで構成した方がより強度の高い水熱固化体を製造できる。ＣａＯ分は消石灰（Ｃａ（ＯＨ）_２）等により構成することができる。
【００１５】
砂系ダストを含有する使用済み鋳物砂によって強度の高い水熱固化体を製造できる原因は、砂系ダストが粘土分を含有していることによる。ここで、粘土分とは、「ＪＩＳ　Ｚ２６０１」に規定されているように、鉱物としての粘土だけでなく、一定の方法で分離される直径２０μｍよりも小さい粒子及び水に可溶な物質の集合体をいう。また、砂系ダストを含有する使用済み鋳物砂によって強度の高い水熱固化体を製造できる原因は、砂系ダストは平均粒径が１０〜１００μｍであることにもよる。
【００１６】
砂系ダストのＳｉＯ_２分は４０〜８０質量％であることが好ましい。発明者らの試験結果によれば、砂系ダストは４０〜８０質量％のＳｉＯ_２分を含有していることで、水熱固化用調合物としての役割を果たしやすい。ＳｉＯ_２分が４０質量％未満であれば、水熱固化体が十分な量のケイ酸カルシウム水和物を生じず、水熱固化体が十分な強度を発揮しない。逆に、ＳｉＯ_２分が８０質量％を超えれば、反応性の高い粘土分の含有量が低くなり、水熱固化体が十分な強度を得ることが困難となる。この意味において、上記特開昭４９−１２８０１６号公報記載の製造方法で用いる珪砂産業廃棄物は、９０質量％以上のＳｉＯ_２分を含有しており、水熱固化体の製造方法に適し難い。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を試験により説明する。
【００１８】
「調合工程」
図１に示す調合工程Ｓ１として、まず、廃砂及び砂系ダスト等を用意する。廃砂及び砂系ダストの化学組成を表１に示し、廃砂及び砂系ダストの鉱物組成を図２に示し、廃砂及び砂系ダストの粒度分布を図３図に示す。図２において、ＱはＱｕａｒｔｚ（ＳｉＯ_２）、ＣはＣｒｉｓｔｏｂａｌｉｔｅ（ＳｉＯ_２）、ＡはＡｌｂｉｔｅ（ＮａＡｌＳｉ_３Ｏ_８）、ＯはＯｒｔｈｏｃｌａｓｅ（ＫＡｌＳｉ_３Ｏ_８）、ＭはＭｕｓｃｏｖｉｔｅ（ＫＡｌ_２Ｓｉ_３Ｏ_１０（ＯＨ）_２）、ＭｏはＭｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅ（Ｃａ_０．２（Ａｌ，Ｍｇ）_２Ｓｉ_４Ｏ_１０（ＯＨ）_２・４Ｈ_２Ｏ）である。
【００１９】
【表１】

【００２０】
これらにより、廃砂は、ＳｉＯ_２分を８２．８０質量％含有し、主に石英、長石及び雲母から構成されることがわかる。また、廃砂は、平均粒径が約２００μｍであり、比較的粗い粒子であることもわかる。一方、砂系ダストは、ＳｉＯ_２分の含有量が５９．３０質量％と低く、主に石英、長石、雲母及び粘土（モンモリロナイト：Ｍｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅ）から構成され、Ａｌ_２Ｏ_３分に富む雲母等のＸＲＤのピークが廃砂よりも高くなっていることがわかる。また、砂系ダストは、平均粒径が約３０μｍであり、かなり細かい粒子であることもわかる。
【００２１】
そして、表２に示すように、廃砂を使用した調合（試験１）と、砂系ダストを使用した調合（試験２）とをそれぞれ検討し、これらの使用済み鋳物砂にＣａＯ／ＳｉＯ_２（モル比）＝０．５となるように消石灰を添加した。また、添加水量を最適な成形密度が得られるように調整した。これら試験１、２の各原料を混合し、試験１、２の水熱固化用調合物を用意する。
【００２２】
【表２】

【００２３】
「成形工程」
次いで、図１に示す成形工程Ｓ２として、乾式プレス成形機を用い、試験１、２の水熱固化用調合物を成形圧力３０ＭＰａ、成形サイズ１０ｍｍ×１５ｍｍ×４０ｍｍにて一軸加圧成形し、試験１、２の成形体とする。
【００２４】
「水熱工程」
この後、水熱工程Ｓ３として、試験１、２の成形体を１８０°Ｃの飽和水蒸気圧下で水熱処理し、ケイ酸カルシウム水和物を生じて固化した試験１、２の水熱固化体を得る。なお、ＳｉＯ_２分に廃砂だけを用いた試験１の成形体に対しては、廃砂の粒径が大きく、反応性が低いことが予想されたため、２０時間という比較的長い水熱処理を行った。他方、ＳｉＯ_２分に砂系ダストだけを用いた試験２の成形体に対しては、砂系ダストの粒径が小さく、反応性が高いことが予想されたため、１０時間という比較的短い水熱処理を行った。
【００２５】
「乾燥工程」
乾燥工程Ｓ４として、水熱工程Ｓ３後、試験１、２の水熱固化体を８０°Ｃの乾燥機内に２日間保持し、乾燥させる。なお、比較のため、試験１、２の成形体に対し、水熱処理をせずに乾燥のみを行った試験１、２の試験体も用意した。
【００２６】
「評価」
試験１、２の水熱固化体及び試験体に対し、曲げ強度（ＭＰａ）、嵩密度（ｇ／ｃｍ^３）、質量変化率（％）、寸法変化率（％）及び生成相（ＸＲＤ）の測定を行った。曲げ強度の測定は、三点曲げ試験法により、スパン間距離３０ｍｍ、クロスヘッドスピード０．５ｍｍ／分の条件下で行った。質量変化率は、成形工程Ｓ２直後の成形体の質量から加水分を計算で取り除いた質量を求め、この質量から乾燥工程Ｓ４後の水熱固化体又は試験体までの質量の変化率である。また、寸法変化率は、成形工程Ｓ２直後の成形体から乾燥工程Ｓ４後の水熱固化体又は試験体までの長さの変化率である。
【００２７】
曲げ強度、嵩密度、質量変化率及び寸法変化率の測定結果を表３に示す。また、水熱固化体及び試験体のＸＲＤの測定結果を図４示す。図４において、（ａ）が試験１の試験体の結果を示し、（ｂ）が試験１の水熱固化体の結果を示し、（ｃ）が試験２の試験体を示し、（ｄ）が試験２の水熱固化体の結果を示す。また、Ｑ、Ｃ、Ａ、Ｏ、Ｍ及びＭｏは図２と同様であり、ＰはＰｏｒｔｌａｎｄｉｔｅ（Ｃａ（ＯＨ）_２）、ＣａはＣａｌｃｉｔｅ（ＣａＣＯ_３）、ＴはＴｏｂｅｒｍｏｒｉｔｅ（Ｃａ_５（Ｓｉ_６Ｏ_１８Ｈ_２）・４Ｈ_２Ｏ）、ＨはＨｙｄｒｏｇａｒｎｅｔ（Ｃａ_３Ａｌ_２（ＳｉＯ_４）（ＯＨ）_８）である。
【００２８】
【表３】

【００２９】
これらより、廃砂、砂系ダストのいずれを使用した場合においても（試験１、２）、未処理の成形体よりも水熱処理後の固化体の曲げ強度は増加しており、水熱処理により強度発現することがわかる。特に、砂系ダストを使用した場合（試験２）、曲げ強度は１６．９ＭＰａという比較的高い値を示した。成形サイズを１０ｍｍ×１５ｍｍ×４０ｍｍから２００ｍｍ×２００ｍｍ×６０ｍｍ等のブロック形状にスケールアップした場合、曲げ強度が１／３〜１／２程度に低下することを考慮しても、砂系ダストによれば、インターロッキングブロック等の製品規格である曲げ強度５ＭＰａ以上を達成できる見込みがあると予想される。
【００３０】
また、廃砂及び砂系ダストのいずれを使用した場合でも（試験１、２）、強度発現が示されたのは、水熱処理に伴い、消石灰とこれらの中の鉱物とが反応し、ＴｏｂｅｒｍｏｒｉｔｅやＨｙｄｒｏｇａｒｎｅｔが生成したためであると考えられる。砂系ダストを使用した調合（試験２）では、１８０°Ｃ×１０時間の水熱処理により添加した消石灰は全て消費され、ＴｏｂｅｒｍｏｒｉｔｅやＨｙｄｒｏｇａｒｎｅｔの生成が明瞭に認められた。また、水熱処理に伴い、砂系ダスト中のＭｏｎｔｍｏｒｉｌｌｏｎｉｔｅやＡｌｂｉｔｅ等のＸＲＤピークの減少が認められていることから、これらの鉱物が消石灰と反応したと考えられる。一方、廃砂を使用した調合（試験１）では、１８０°Ｃ×２０時間の水熱処理を行っても添加した消石灰が残存しており、生成相もＨｙｄｒｏｇａｒｎｅｔのみであり、Ｔｏｂｅｒｍｏｒｉｔｅの生成が認められなかった。これは、廃砂は、粒子径が粗く、水熱反応性が低かったためであると考えられる。この水熱反応性の低さが廃砂を使用した調合（試験１）において、曲げ強度が砂系ダストを使用した調合（試験２）よりも低い値を示した一因であると考えられる。このため、ＳｉＯ_２分を砂系ダストだけで構成した方が強度の高い水熱固化体を製造できることがわかる。
【００３１】
さらに、嵩密度に関しては、廃砂を使用した調合（試験１）が１．７４ｇ／ｃｍ^３を示し、これは砂系ダストを使用した調合（試験２）の１．５１ｇ／ｃｍ^３よりも高い値である。つまり、曲げ強度とは逆の傾向を示している。これは、廃砂の方が砂系ダストよりも粒子径が粗いため、成形時の充填率が増したためであると考えられる。なお、水熱処理による嵩密度の大きな変化は特に認められなかった。
【００３２】
また、質量変化率に関しては、いずれの調合においても（試験１、２）、わずかに増加する傾向が示された。これは、調合工程Ｓ１で添加した消石灰が処理プロセス中に空気中の二酸化炭素と反応（炭酸化反応）し、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ_３）が生成したためであると考えられる。
【００３３】
さらに、寸法変化率に関しては、試験１、２の試験体が乾燥工程Ｓ４により収縮する傾向を示したのに対して、試験１、２の水熱固化体は、水熱工程Ｓ３及び乾燥工程Ｓ４を経て膨張する傾向が示された。特に、砂系ダストを使用した調合（試験２）では、約０．２％という比較的大きな膨張が認められるが、これは砂系ダスト中の有機分が水熱処理時に膨潤し、膨張に影響した可能性が考えられる。
【００３４】
以上の評価から、砂系ダストを含有する使用済み鋳物砂と、他の原料とで水熱固化用調合物のＳｉＯ_２分を構成しても、十分な強度をもつ水熱固化体を製造できることがわかる。水熱固化用調合物に植物繊維等の繊維、貝殻やガラス片等の骨材を含め、水熱固化体の強度をさらに高めることができることはいうまでもない。
【００３５】
また、廃砂及び砂系ダストは、その構成材料が元々は天然原料ではあるが、鋳物砂を形成すべくケイ砂とベントナイト等を配合して作製した工業材料をもとに発生するため、粘土分の含有量等がさほど大きく変動することはない。このため、砂系ダストを含有する使用済み鋳物砂を用いても、水熱固化体を安定して製造することができる。さらに、廃砂及び砂系ダストは、ほぼ乾燥した形態で提供されるため、乾式プレス法により成形工程を行うことが便宜である。また、こうして得られた成形体は水熱工程中に割れ難く、得られる水熱固化体の嵩密度も高く、十分な強度を発揮しやすい。また、廃砂や砂系ダストを予め乾燥する必要がないため、製造コストの低廉化も実現可能である。
【００３６】
したがって、この水熱固化体の製造方法によれば、十分な強度を有する水熱固化体を安定的にかつ安価に製造することができるため、広範囲の使用済み鋳物砂の再利用をより一層実現することができることがわかる。特に、上記特開平６−３２１６５１号公報記載の製造方法では、使用済み鋳物砂の含有量が１〜２０質量％であるのに対し、試験２の製造方法では、砂系ダストの含有量が７３．２質量％であり、より大量の使用済み鋳物砂を再利用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の試験に係る製造方法を示す流れ図である。
【図２】本発明の試験に係る製造方法で用いた廃砂及び砂系ダストの鉱物組成を示すＸ線チャートである。
【図３】本発明の試験に係る製造方法で用いた廃砂及び砂系ダストの粒度分布を示すグラフである。
【図４】本発明の試験に係る製造方法で作製した水熱固化体及び試験体の鉱物組成を示すＸ線チャートである。
【符号の説明】
Ｓ１…調合工程
Ｓ２…成形工程
Ｓ３…水熱工程

Claims

ＣａＯ分及びＳｉＯ_２分を含む水熱固化用調合物を用意する調合工程と、該水熱固化用調合物を成形して成形体とする成形工程と、該成形体を水熱処理してケイ酸カルシウム水和物を生じて固化した水熱固化体を得る水熱工程とを有する水熱固化体の製造方法において、
前記水熱固化用調合物は鋳造後に回収された使用済み鋳物砂を含み、該使用済み鋳物砂は砂系ダストを含有し、成形工程を乾式プレス法により行うことを特徴とする水熱固化体の製造方法。
ＳｉＯ_２分を砂系ダストだけで構成していることを特徴とする請求項１記載の水熱固化体の製造方法。
砂系ダストは粘土分を含有していることを特徴とする請求項１又は２記載の水熱固化体の製造方法。
粘土分はモンモリロナイトを含有していることを特徴とする請求項３記載の水熱固化体の製造方法。
砂系ダストは平均粒径が１０〜１００μｍであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の水熱固化体の製造方法。
砂系ダストのＳｉＯ_２分は４０〜８０質量％であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の水熱固化体の製造方法。