JP2005225717A

JP2005225717A - 人工軽量骨材の製造方法及び人工軽量骨材

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Publication number: JP2005225717A
Application number: JP2004036003A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Ueyasu; 知伸上保; Katsushi Ono; 勝史小野; Hiroyuki Ninomiya; 浩行二宮; Norifumi Nagata; 憲史永田
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-02-13
Filing date: 2004-02-13
Publication date: 2005-08-25
Anticipated expiration: 2024-02-13
Also published as: JP4377256B2

Abstract

【課題】石炭灰を主原料とし、粉砕などの多大な手間を要さず、また発泡剤などを添加することなく、軽量で、しかも低吸水率、且つ高強度の人工軽量骨材を得ることのできる製造方法を提供すること。
【解決手段】結晶質シリカの含有量が４０重量％以上の石炭灰に、水硬性材料を３〜２０重量％加えて成形物とした後、該成形物を１１００〜１４００℃で焼成する人工軽量骨材の製造方法とした。
【選択図】なし

Description

本発明は、人工軽量骨材の製造方法及び人工軽量骨材に関するもので、特に、石炭灰を主原料に用いた人工軽量骨材の製造方法及び人工軽量骨材に関するものである。

電力需要の増大に伴い、石炭灰の発生量は増大傾向にある。これと合わせて、石炭灰の有効利用に関わる技術開発が様々な分野で取り組まれており、例えば、石炭灰に種々の副原料を加えて、これを焼成して緻密化し、コンクリート用などの骨材として利用する試みも数多くなされている。

骨材の需要は莫大であることから、大量に発生する石炭灰の有効利用先として大きな期待が寄せられているが、炭種やボイラの形式・構造等によって発生する石炭灰の化学成分は大きく異なるため、製造過程での取扱いが困難であり、また、石炭灰に含まれる未燃カーボンが骨材組織の緻密化を阻害するなどの問題があり、石炭灰を主原料とした焼成型の人工骨材は、まだ大きく普及していないのが現状である。

特に、近年の建築物などの構造物は、省エネルギー、省資源及び耐震性の向上のため、軽量化及び断熱化が進められており、これに必要な軽量コンクリート用の骨材とし、優れた品質の人工軽量骨材を安価に製造する方法が求められているが、従来より提案されている石炭灰を主原料に用いた人工軽量骨材の製造方法は、国内で市販されている膨張頁岩系の人工軽量骨材に比して製造コストが嵩み、さらには吸水率、強度等の品質が劣ると言う課題があり、その企業化は進んでいない。

こうしたことから、特許文献１では、石炭灰を粉砕せしめてブレーン比表面積を増加させ、これによって原料造粒物の緻密化を図り、焼成時における未燃カーボン分の燃焼などによる造粒物の強度低下、崩壊などを阻止し、軽量で吸水率の少ない骨材を得る方法が開示されているが、この方法の場合には、粉砕コストの増大が懸念される。
また、特許文献２乃至４などには、軽量化を図るために石炭灰に炭化珪素などの発泡剤を添加することが開示されているが、このような無機質発泡剤は高価なものがほとんどで、やはり原価の高騰を招く要因となる。

特開昭６１−１６３１５２号公報特開平７−４１３４３号公報特開平１１−１１６２９９号公報特開２０００−１１９０５０号公報

そこで、本発明は、石炭灰を主原料とし、粉砕などの多大な手間を要さず、また高価な発泡剤などを添加することなく、軽量で、しかも低吸水率、且つ高強度の人工軽量骨材を得ることのできる製造方法を提供することを課題とし、またこのような優れた性状の石炭灰を主原料とした人工軽量骨材を提供することを課題とする。

本発明者らは、上記した課題を解決するため鋭意研究を行った結果、石炭灰に水硬性材料を添加混合して成形すれば、成形物の内部組織が緻密化でき、焼成時における未燃カーボン分の燃焼などによる成形物の強度低下、崩壊などを阻止でき、低吸水率で高強度の骨材が得られること、また、石炭灰中の結晶シリカの含有量が所定量以上であれば、焼成による高密度化が避けられ、発泡剤などを添加することなく、軽量な骨材を得られるという知見を得、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明は、結晶質シリカの含有量が４０重量％以上の石炭灰に水硬性材料を加えて成形物とした後、該成形物を１１００〜１４００℃で焼成する人工軽量骨材の製造方法である。

ここで、上記水硬性材料としては、ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメントなどの各種セメントであることが好ましく、また、その添加量は、３〜２０重量％であることが好ましい。また、上記成形物の焼成は、ロータリーキルン等の回転式の焼成炉で行なうことが好ましい。

また、本発明は、石炭灰と水硬性材料との成形物の焼成品から成る人工軽量骨材であって、絶乾密度が１．０〜１．５ｇ／ｃｍ³、２４時間吸水率が６％以下、直径が５〜１０ｍｍの粒子の圧壊荷重が０．５ｋＮ以上、直径が１０〜１５ｍｍの粒子の圧壊荷重が１．０ｋＮ以上である人工軽量骨材である。

上記した本発明に係る人工軽量骨材の製造方法によれば、粉砕等の多大な手間を要することなく、また高価の発泡剤を添加することなく、極めて簡易な製造プロセスで、軽量で、且つ低吸水率、高強度の人工軽量骨材を得ることができ、更には大量生産にも対応することができる。
また、上記した本発明に係る人工軽量骨材によれば、軽量で、且つ低吸水率、高強度であるため、軽量コンクリート用の骨材としての利用が期待でき、しかも、石炭火力発電所からの廃棄物を主原料とするため、廃棄物の有効利用と言う観点からも優れた効果を奏する発明となる。

以下、上記した本発明に係る人工軽量骨材の製造方法及び人工軽量骨材の実施の形態を説明する。

本発明において使用する石炭灰は、石炭火力発電所などから排出される石炭灰であれば、何れのものでも使用でき、また、粒度調整の成されていない、いわゆる原粉のまま使用することができる。但し、石炭灰中の結晶質シリカの含有量は、４０重量％以上であることを必須とする。

これは、石炭灰中の結晶質シリカの含有量が４０重量％に満たない場合には、高密度化され易く、絶乾密度が１．５ｇ／ｃｍ³以下の軽量骨材を得るためには、別途、発泡剤などの添加剤が必要となり、製造コストが高騰するためである。
なお、結晶質シリカには、石英、トリディマイト、クリストバライトなどが挙げられるが、これらの何れのものでも構わない。
ここで、上記石炭灰中の結晶質シリカ含有量は、粉末Ｘ線回析による内部標準法等の公知の手法により定量することができる。

また、本発明において使用する水硬性材料とは、ポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメントなどの各種セメント、二水石膏、無水石膏などの各種石膏、さらにはメチルセルロースなどの水溶性高分子などが挙げられるが、これらの中でも、特に各種セメントを使用することは、成形物中に珪酸カルシウム水和物が生成され、成形物内部の組織を更に緻密化できるために特に好ましい。

上記水硬性材料の添加量は、３〜２０重量％が好ましく、５〜１７重量％が特に好ましい。
これは、水硬性材料の添加量が３重量％に満たない場合には、成形物の緻密化が不十分となるためであり、逆に２０重量％を越える量の水硬性材料を添加すると、石炭灰の使用量が低減し、石炭灰の有効利用が図れないためである。

また、本発明においては、上記石炭灰、水硬性材料の他、必要に応じて成分調整材、粘結材などを添加することができる。

上記成分調整材は、石炭灰の成分によって非常に高温焼成を必要とするものや、急激に軟化し易いなどと言った特異な場合において添加すれば良く、例えば、ＳｉＯ₂源としては、ケイ石粉、粘土、カオリンなどと言ったものが挙げられ、またＡｌ₂Ｏ₃源としては、アルミナ粉、アルミ灰などが挙げられる。また、ＣａＯ源としては、石灰粉などが挙げられる。
なお、成分調整材としては、上記のものに限ったものではなく、なかには成分調整の目的だけでなく、その他の役割を果たすものも含まれても構わない。

また、本発明において使用し得る粘結材とは、粘土質無機物質であって、前述した粘土、カオリンと言ったものや、ベントナイト、パルプ製造時に廃液に含まれるリグニンなどが挙げられ、これらは成形時において、成形物の粘性を高めることで物理的破壊を防ぐ役割がある。

更に、本発明では、上記以外の成分を原料として配合使用することもできるが、この場合、例えばアルカリ金属塩などの低融点化合物は、骨材中にガラス相過多となる可能性があるため、積極的な使用は避けることが好ましい。

上記した原料を使用し、混合、成形した後、焼成に供する。

上記原料の混合、成形は、既存の方法で構わないが、中でも混合は、圧縮空気を送り込むことで粉体を拡散させるブレンディング方式で行なうことが、大量生産が可能で効率的であるために好ましい。成形は、所定の粒径となるように成形できれば方法は問わず、パンペレタイザーを使用した転動造粒、加圧成形機を使用したプレス造粒、ヘンシェルミキサーなどを使用した攪拌造粒などが挙げられる。

上記原料成形物の焼成は、均一加熱、大量処理及び連続投入が可能であることから、ロータリーキルンなどの回転式の焼成炉を使用して行なうことが好ましい。
焼成温度は、１１００〜１４００℃が好ましい。これは、１１００℃に満たない焼成温度では、十分な焼結反応が進まないためであり、逆に１４００℃を越える焼成温度である場合には、成形物が軟化することでキルン内壁に融着するなどの安定焼成の妨げとなるために好ましくない。

なお、本人工軽量骨材を得る上で、焼成時における昇温速度は特に限定されず、また、特定温度での保持の有無も規定されない。
また、燃料としては、重油、微粉炭、再生油、ＬＰＧ、ＮＰＧなど一般的に用いられているものであれば、単体或いは混焼で使用しても良い。

石炭灰を焼成した場合、その化学成分により差異はあるものの、ＣａＯ−ＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系鉱物、及び／又はＳｉＯ₂−Ａｌ₂Ｏ₃系鉱物となる。そして、両者の比重を比較した場合、前者の方が後者よりも軽いことから、これらの鉱物の相対的な量比によって焼成物の密度は決定される。本発明者らは、原料として使用する石炭灰中の結晶質シリカの含有量に着目し、この結晶質シリカの含有量が４０重量％以上である場合には、上記鉱物の量比が軽量骨材として適性なバランスとなることを見出し、本発明を完成した。

焼成後は、約７００℃以下まで自然放冷することが推奨されるが、以後は、自然放冷でも炉外急冷を行なってもよい。

このようにして製造された骨材は、絶乾密度が１．０ｇ／ｃｍ³以上，１．５ｇ／ｃｍ³以下、２４時間吸水率が０．１％以上，６％以下、直径が５ｍｍから１０ｍｍの骨材の圧壊荷重が０．５ｋＮ以上、直径が１０ｍｍから１５ｍｍの骨材の圧壊荷重が１．０ｋＮ以上のものが得られる。
この骨材は、絶乾密度はＪＩＳに規定される構造用人工軽量粗骨材のＭ品に相当するものであるが、吸水率は極めて低レベルであり、天然骨材と同程度のものである。

表１に示した種々の化学成分割合の石炭灰を使用し、水硬性材料として普通ポルトランドセメント、粘結材としてベントナイトを各々使用し、これらの原料を表２に示した種々の配合割合でブレンディング方式により混合した後、パンペレタイザーで粒径５〜２０ｍｍに成形し、得られた成形物を、直径が１．５ｍ、長さが２０ｍのロータリーキルンを用い、表２に併記した焼成温度で各々焼成した。

得られた焼成ペレットの絶乾密度及び吸水率を、ＪＩＳＡ１１３５「構造用軽量粗骨材の密度及び吸水率試験方法」に準拠して測定した。また、焼成ペレットの圧壊荷重を、ＪＩＳＺ８８４１「造粒物の強度試験方法」に準拠して測定した。なお、圧壊荷重の測定は、直径が５〜１０ｍｍの粒子と、直径が１０〜１５ｍｍの粒子の２群について行なった。
測定結果を、表３に示す。

表３より、本発明に係る製造方法（実施例１〜３）によれば、低密度で、しかも低吸水率、高強度の人工軽量骨材が得られることが確認できる。
しかし、原料として使用する石炭灰中の結晶質シリカの含有量が、本発明において規定する含有量に満たない場合（比較例１〜３）は、絶乾密度が１．５ｇ／ｃｍ³以下の軽量骨材は得られず、また、水硬性材料を添加混合しない場合（比較例１，２）は、高密度でありながら、吸水率、圧壊荷重とも本発明品より劣り、焼成品の外見からも生焼けのごとく淡い色合いを呈していた結果となった。そこで、比較例品の品質向上を目的に、焼成温度を上昇するなどの焼成条件を検討したものの、頻繁な融着などの発生から、安定した連続運転は実現できなかった。

以上、本発明に係る人工軽量骨材の製造方法及び人工軽量骨材の実施例を記載したが、本発明は、何ら既述の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の技術的思想の範囲内において、種々の変形及び変更が可能であることは当然である。

Claims

結晶質シリカの含有量が４０重量％以上の石炭灰に水硬性材料を加えて成形物とした後、該成形物を１１００〜１４００℃で焼成することを特徴とする、人工軽量骨材の製造方法。
上記水硬性材料がポルトランドセメント、高炉セメント、フライアッシュセメントなどの各種セメントであることを特徴とする、請求項１に記載の人工軽量骨材の製造方法。
上記水硬性材料の添加量が３〜２０重量％であることを特徴とする、請求項１又は２に記載の人工軽量骨材の製造方法。
上記成形物の焼成が回転式の焼成炉で行なわれることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の人工軽量骨材の製造方法。
石炭灰と水硬性材料との成形物の焼成品から成る人工軽量骨材であって、絶乾密度が１．０〜１．５ｇ／ｃｍ³、２４時間吸水率が６％以下、直径が５〜１０ｍｍの粒子の圧壊荷重が０．５ｋＮ以上、直径が１０〜１５ｍｍの粒子の圧壊荷重が１．０ｋＮ以上であることを特徴とする、人工軽量骨材。