JP2007063104A - 多孔質セラミックス部材およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】舗装材料として十分な機械的強度と、吸水性、透水性および揚水性とを併せ持つセラミックス部材およびその製造方法を提供する。
【解決手段】組織内に、原料土に配合した有機繊維質に由来する微細かつ不規則な連続孔を有し、舗装材として十分な曲げ強度および圧縮強度、ならびに吸水性、透水性および揚水性を併せ持ち、雨水を内部に保持または土中に還元し、晴天時には表面から蒸散する水の蒸発潜熱により路面温度の上昇を抑制する機能を有する、れんが等の多孔質セラミックス部材を得る。
【選択図】なし

Description

本発明は、多孔質セラミックス部材およびその製造方法に関し、より具体的には、舗装材料として充分な機械的強度と、吸水性、透水性および揚水性とを併せ持つセラミックス部材およびその製造方法に関する。

地球環境問題が取りざたされる中、道路等の舗装材には、高い機械的強度や耐久性、快適な景観の創出に加え、夏期に路面温度が高熱化することに起因するヒートアイランド現象および地球温暖化の抑制、地下水の涵養、高度に舗装がなされたことによる路面の吸水性低下に起因する都市型水害の抑制等の新たな機能が求められている。

こうした機能発現のために、雨水等を保持しあるいは地中に通水し、かつ晴天時には、保持した水または地中より揚水した水の気化熱により路面温度を低下させることができるように、吸水性、透水性および揚水性を具備する舗装材が求められている。

れんがを始めとするセラミックス部材は、強度および耐久性に優れていると共に、独特の風合いを有しており、舗装材、建材等として適用した場合における景観性も良好である。そのため、れんがはヨーロッパを中心に古くから舗装材として使用されてきた。しかしながら、従来の舗装用セラミックス部材は、透水性等において十分ではなく、上記のような新たな機能を有しないばかりではなく、雨天時には水たまりを生じ、歩行時の水はねや転倒等の問題を生じることがあった。

赤れんがや陶器質タイル等は、かなり高い吸水性および揚水性を示すが、透水性が低い。これは、径の小さな気孔を多く含むことによる毛細管現象の寄与および気孔の連続性が低いことに由来するものと考えられる。一方、透水性を高める目的で製造された透水れんがブロックは、径の大きな連続孔を多く含むため、高い透水性を示すものの、吸水性、揚水性に乏しい。このように、吸水性、透水性および揚水性の全てを同時に具備し、かつ舗装材として十分な機械的強度、耐摩耗性を具備するセラミックス部材は、従来存在しなかった。

こうした課題を解決するための手段として、これまでに下記のような提案がなされている。

特開平９‐９５９０４号公報（特許文献１）には、路面温度の上昇を抑制する機能を有する舗装用路盤材として用いられる、セラミックス焼結体を用いた有孔表層に関する発明が開示されている。

特開平８‐３１９１７９号公報（特許文献２）には、金属製練時に生成されるガラス質スラグ、都市ゴミおよび／または下水汚泥を溶融して生成されるガラス質スラグ、無定形のガラス質物を含む石炭灰、少量の金属類、炭素及び揮発性のガス成分が封入された状態で生成された焼却灰およびそれらの混合物からなる加熱によって容積を膨張した珪酸塩質粗粒子を骨格粒子とし、加熱によって容積を収縮した珪酸塩質組成物で焼結結合されており、骨格粒子間に多数の貫通間隙が生成されている材質構造を有することを特徴とする多孔質焼結体およびその製造方法に関する発明が開示されている。

特開２００３‐１４６７７２号公報（特許文献３）には、原料となる無機質粒体の一部に廃陶器質、スラグ、下水汚泥等の廃棄物由来のものを含む、適度な透水性を有し、保水性、揚水性、強度面で優れたブロックおよびその製造方法に関する発明が開示されている。

また、特開２００３‐７３１８１号公報（特許文献４）には、パルプスラッジを気孔形成材として用いる、顆粒状、ペレット状、球状等の無機多孔質体の製造方法に関する発明が開示されている。

特開平９‐９５９０４号公報 特開平８‐３１９１７９号公報 特開２００３‐１４６７７２号公報 特開２００３‐７３１８１号公報

しかしながら、前記特許文献１から３に開示された発明においては、いずれも無機質粒体として廃棄物が利用されており、焼結組織の一部をなすため、焼結により得られるセラミックス部材の品質がこれらの廃棄物の品質に左右されるおそれがある。また、これらのセラミックス部材を舗装材として適用する際には、その下部に、砕石、有孔アスファルト、布帛等よりなる水分貯留層を設ける等、施工に手間とコストを要する場合がある。

本発明者は、パルプスラッジその他の有機繊維質を原料土と混合し、焼結することによって、舗装材料として充分な機械的強度と、揚水性、透水性および吸水性とを併せ持ち、従来工法により施工することで機能を発揮するセラミックス部材が製造できることを見出し、本発明を完成するに至った。

上記課題を解決するための本発明の第１の形態は、組織内に微細かつ不規則な連続孔を有し、吸水率が７〜１３％、透水係数が１×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃ以上、揚水率の飽和値が９％以上、曲げ強度が３ＭＰａ以上、圧縮強さが３０ＭＰａ以上であることを特徴とする、れんが等の多孔質セラミックス部材に関するものである。ここで、「微細かつ不規則な連続孔」とは、前記の特性を同時に具備しうるような任意の平均気孔半径、孔径分布および開気孔容積等を有する気孔をいい、好ましくは、気孔形成材として原料土に配合し、焼成過程において消失する有機繊維質に由来するものである。

本発明の第２の形態は、原料土に有機繊維質を混合する工程と、成型物を形成する工程と、前記成型物を焼成する工程とを含む、セラミックス部材の製造方法に関するものである。前記有機繊維質は、好ましくは、パルプ、パルプスラッジ、綿、絹、羊毛等の天然繊維、ナイロン（登録商標）、ポリエステル等の合成繊維およびレーヨン等の再生繊維を含む化学繊維、い草、もみがらならびにおがくずからなる群から選択される。これらは単独で用いてもよく、また２種類以上の任意の組み合わせで用いてもよい。

本発明の第３の形態は、上記セラミックス部材を使用する、路盤の舗装方法に関するものである。

本発明により、舗装材料として充分な機械的強度と、揚水性、透水性および吸水性とを併せ持つセラミックス部材を安価かつ簡便に提供することが可能になる。

また、本発明に係るセラミックス部材を舗装材として用いることにより、路面温度の上昇を抑え、都市部でのヒートアイランド現象の抑制効果が期待できる。セラミックス部材中に水が素早く取り込まれることから、地下水の涵養、都市型水害の抑制に対する効果が期待できる。

また、自然との調和性が高い、暖かみがある風合いを有するれんが等のセラミックス部材を舗装材に適用することにより、快適な都市景観の創出が期待できる。

さらに、有機繊維質として産業廃棄物等を使用することにより、これら廃棄物の有効利用を図ることができ、循環型社会の構築に貢献できる。本発明においては、有機繊維質は多孔性を付与するための「鋳型」として利用されており、焼成過程において消失するため、その品質により焼結体の品質が左右されることがないという利点を有する。

また、本発明によると、十分な機械的強度と、揚水性、透水性および吸水性とを併せ持つ舗装について、複雑な工程を要することなく、従来工法にしたがい簡便かつ安価に施工することが可能になる。

本発明に係る多孔質セラミックス部材は、吸水率が７〜１３％であることを特徴とする。前記の１３％という値は、ＪＩＳ Ｒ １２５０において規定される第３種れんがに求められる吸水率の最高値に相当し、吸水率が７％を下回ると揚水率も併せて低下し、また１３％を上回ると透水率が低下するため、いずれの場合においても揚水性、透水性および吸水性を併せ持つ多孔質セラミックス部材を得ることができず、好ましくない。

また、本発明に係る多孔質セラミックス部材は、透水係数が１×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃ以上、より好ましくは１×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃ〜１×１０^−１ｃｍ／ｓｅｃであることを特徴とする。透水係数が１×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃを下回ると透水性が十分でなくなり、また１×１０^−１ｃｍ／ｓｅｃを上回ると揚水性および吸水性が低下するため、いずれの場合においても揚水性、透水性および吸水性を併せ持つ多孔質セラミックス部材を得ることができず、好ましくない。

また、本発明に係る多孔質セラミックス部材は、揚水率の飽和値が９％以上であり、舗装材として設置した場合において、内部に保持された水および地盤から吸収した水を上面まで揚水、蒸散させることにより気化熱を奪い、路面の温度を抑制することが可能であることを特徴とする。

また、本発明に係る多孔質セラミックス部材は、曲げ強度が３ＭＰａ以上、圧縮強さが３０ＭＰａ以上であることを特徴とする。これらの機械的特性は、それぞれ、ＪＡＳＳ ７Ｍ‐１０１において規定される透水性インターロッキングブロックに求められる曲げ強度の最低値、およびＪＩＳ Ｒ １２５０において規定される第４種れんがに求められる圧縮強度の最低値に相当し、これらの値を下回ると、舗装材として十分な強度を具備していないため、好ましくない。

本発明に係るセラミックス部材は、有機繊維質を混合した原料土を成型後焼成することにより製造することができる。

原料土としては、セラミックス部材の製造に通常用いられる任意のものを用いることができ、例えばれんがの場合、赤系杯土等が挙げられる。れんがの原料土に混合すると、焼成により得られるれんがの吸水性および圧縮強度を向上させることが知られている、使用済みの耐火物、または少なくともアルミニウム酸化物、ケイ素の酸化物および鉄の酸化物を含む粉粒体を混合して用いることもできる。

気孔形成材として原料土に添加される有機繊維質は、パルプ、パルプスラッジ、綿、絹、羊毛等の天然繊維、ナイロン（登録商標）、ポリエステル等の合成繊維およびレーヨン等の再生繊維からなる化学繊維、い草、もみがらならびにおがくずからなる群から選択される。天然繊維および化学繊維については、これらよりなる糸を裁断して用いてもよいが、織物工場等で発生する繊維くずを用いてもよい。これらは単独で用いてもよく、また２種類以上の任意の組み合わせで用いてもよく、最も好ましくはパルプスラッジである。該有機繊維質の好ましい添加量は、原料土に対して１０〜５０ｖｏｌ％添加するのが好ましく、最も好ましくは３０ｖｏｌ％である。有機繊維質の添加量が１０ｖｏｌ％を下回ると、気孔の形成が十分でないため、吸水性、透水性および揚水率のいずれについても十分な値が得られず、また５０ｖｏｌ％を上回ると機械的強度が低下し、成型性も悪化するため、共に好ましくない。

原料土と有機繊維質との混合は、撹拌棒を備えた撹拌機、混合機またはモルタルミキサー等により行うことができる。また、適量の水を加えて加水混練してもよい。

原料土と有機繊維質との混合物の成型は、必要に応じて、振動プレス機、高圧プレス機等を用いたプレス成型、押出し成型機、土練機等を用いた押出し成型等の任意の方法により行うことができる。

成型体の焼成は、必要に応じて、トンネルキルン、ローラーハースキルン、電気炉等を用いて行うことができる。焼成により、有機繊維質は熱による炭化、空気酸化等を受けて消失し、所望の気孔を得ることができる。焼成温度は、６００〜１３００℃、好ましくは７００〜１２００℃、最も好ましくは１０００〜１１００℃である。焼成温度が６００℃を下回ると十分な機械的性質が発現せず、また１３００℃を上回ると開気孔の形成が阻害される結果、吸水性、透水性が低下するため、共に好ましくない。

多孔性セラミックス部材には、透水性を向上させるため、上面と下面とを貫く貫通孔を設けてもよい。該貫通孔の数は、十分な透水性を確保しつつ機械的強度を損なわない程度の数とするのが好ましい。また、目詰まりによる透水性の低下を防止するために、下面に向かい大径になるようテーパーを設けてもよく、塵埃の侵入を防ぐために上面側を閉塞してもよい。

本発明に係る多孔質セラミックス部材は、車道や歩道等の道路、広場や公園等の舗装材として好適に用いることができる。施工は通常のセラミックス部材を用いた場合と同様に行うことができるが、地盤の保水性が乏しい場合等には、地盤に適量の水分を供給し、舗装材の裏面を常に湿潤に保つことで、蒸発潜熱による路面温度上昇抑制効果を維持するために、適宜給水システムを設置してもよい。

以下、本発明の特徴をさらに明らかにするため、実施例に基づき詳細に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

本発明に係る多孔質セラミックス部材は、下記の方法により製造した。

赤系杯土を粉砕し、目開き０．５ｍｍの篩で分級した。これに、所定量の分級した有機繊維質および水を加え加水混練し、所定時間養生した。こうして得られた原料土‐有機繊維質混合物を、土練機で押出し成型した。成型後に重量測定および採寸を行い、１１０℃で２４時間乾燥後、所定の温度で焼成した。

吸水率は、試験片の乾燥重量（１１０℃で２４時間乾燥）ｍ_０（ｇ）および２４時間水に浸漬後静かに水中から取り出し、水滴が落ちなくなるまで放置後測定した湿潤重量ｍ（ｇ）から、次式により求めた。

吸水率（％）＝（ｍ−ｍ_０）／ｍ_０×１００

揚水率は、φ２．４ｍｍ×１００ｍｍの試験片を用い、容器にはった蒸留水に、長さ方向に対し１０ｍｍの高さまで試験片を浸漬し（試験中、常に１０ｍｍの高さまで浸漬させた状態にしておく）、所定時間経過後の重量変化により測定した。試験片の乾燥重量（１１０℃で２４時間乾燥）ｍ_０（ｇ）およびｔ分経過後静かに水中から取り出し、水滴が落ちなくなるまで放置後測定した湿潤重量ｍ_ｔ（ｇ）から、ｔ分経過後の揚水率を、次式により求めた。

ｔ分経過後の揚水率（％）＝（ｍ_ｔ−ｍ_０）／ｍ_０×１００

透水係数および曲げ強度はＪＡＳＳ ７Ｍ‐１０１に、圧縮強度はＪＩＳ Ｒ １２５０にそれぞれ準拠して測定した。

パルプスラッジの添加量と、吸水率および曲げ強度との関係を下表に示す。

パルプスラッジの原料土に対する添加量３０ｖｏｌ％（原料土１００重量部に対しパルプスラッジ１２．５重量部に相当）における圧縮強度、透水係数はそれぞれ３７．８ＭＰａ、１．６８×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃであり、共にＪＩＳ Ｒ １２５０およびＪＡＳＳ ７Ｍ‐１０１の規格を満足している。また、吸水率も添加量０ｖｏｌ％（通常の方法により製造したれんが）に比べ顕著に上昇しており、透水舗装材料として十分な透水性を有することも確認された。

揚水率と浸漬時間との関係を図１に示す。図中において「普通れんが」とは、パルプスラッジを添加していない通常の方法により製造したれんがを、「揚水性れんが」とは、「普通れんが」と同じ原料土を使用し、パルプスラッジ３０ｖｏｌ％を添加して製造した、本発明に係るれんがをそれぞれ意味する。あらゆる焼成温度において、パルプスラッジの添加により、得られた多孔質れんがの揚水性が顕著に増大していることがわかる。

また、９０×６０×２００ｍｍの直方体の試験片（試料ａ：パルプスラッジ添加量０ｖｏｌ％、試料ｂ：パルプスラッジ添加量１０ｖｏｌ％、試料ｃ：パルプスラッジ添加量３０ｖｏｌ％、試料ｄ：パルプスラッジ添加量５０ｖｏｌ％）を用いて、上述の揚水試験と同様の条件下で測定した、揚水された水の先端の水面からの高さの時間変化を下表に示す。

パルプスラッジを添加して焼成することにより、飽和することなく高い揚水性を維持し続けることが可能であることと、試料ｃにおいて特に揚水性向上効果が顕著であることがわかる。

路面温度上昇抑制効果の検証のための試験舗装は、厚さ６０ｍｍの揚水性れんがを用いて通常工法により施工した。２００５年４月１日より同年４月２９日まで、荒木窯業株式会社山田展示場において実施したフィールドテストの結果（各測定日における最高路面温度）を図２に示す。比較のため、アスファルト路面および普通透水れんがを用いた舗装面における測定値を併せて示す。

本発明に係る揚水性れんがを用いた舗装面の最高路面温度が、他に比べて顕著に低いのがわかる。４月２２日に、普通透水れんがを用いた舗装面における最高路面温度との差が１１．７℃と最大値を示しているが、これは、４月１９日から２０日にかけて降雨があったため、れんが内部および土中に十分な水分が供給され、その後晴天になった際に、気化熱による温度上昇抑制効果が最も顕著に現れた結果であると考えられる。

普通れんがと本発明に係る揚水性れんがにおける、浸漬時間と揚水率との関係を示す図である。 本発明に係る揚水性れんがを用いた舗装路面における、温度上昇抑制効果を示す図である。

Claims (7)

1. 組織内に微細かつ不規則な連続孔を有し、吸水率が７〜１３％、透水係数が１×１０^−２ｃｍ／ｓｅｃ以上、揚水率の飽和値が９％以上、曲げ強度が３ＭＰａ以上、圧縮強さが３０ＭＰａ以上であることを特徴とする、多孔質セラミックス部材。
2. 前記セラミックス部材がれんがであることを特徴とする、請求項１に記載の多孔質セラミックス部材。
3. 前記微細かつ不規則な連続孔が、原料土に配合した有機繊維質に由来するものであることを特徴とする、請求項１または２に記載の多孔質セラミックス部材。
4. 原料土に有機繊維質を混合する工程と、成型物を形成する工程と、前記成型物を焼成する工程とを含む、多孔質セラミックス部材の製造方法。
5. 前記セラミックス部材がれんがであることを特徴とする、請求項４に記載の多孔質セラミックス部材の製造方法。
6. 前記有機繊維質が、パルプ、パルプスラッジ、天然繊維、化学繊維、い草、もみがらおよびおがくずからなる群から選択される少なくとも１種類からなる、請求項４または５に記載の多孔質セラミックス部材の製造方法。
7. 請求項１から３のいずれか１項に記載のセラミックス部材を使用する、路盤の舗装方法。
   

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