JP2007153633A - 人工骨材用造粒体、人工骨材及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 積み重ねしても崩れ難い形状の人工骨材を容易に製造するための人工骨材用造粒体の提供及び低コストで高い量産性が得られる該人工骨材の製造方法を提供する。
【解決手段】 セメント、非水硬性の無機粉末及び水を含有してなる造粒体であって、圧壊強度３００〜１０００Ｎ且つ内包含水率５〜４０％である人工骨材用造粒体、並びに該人工骨材用造粒体を加熱爆裂させてなり、形状が球、楕円体及びそれに近い形状以外の形状であることを特徴とする人工骨材。
【選択図】 なし

Description

本発明は、盛土材、路盤材、埋め戻し材などの積載充填使用するのに適した人工骨材およびその製造方法に関する。

盛土材、路盤材、埋め戻し材などに使用される骨材は、地盤への沈下や地盤への加圧を低減するため、軽量化された人工骨材が多用されている。このような人工骨材は、比重や強度といった骨材としての物理特性及びコスト等を考慮し、頁岩、真珠岩、松脂岩、黒曜石、抗火石、シラス等の天然鉱石粉或いは石炭灰や汚泥焼却灰、飛灰等の産業副産物に、必要により炭化珪素や酸化鉄等の発泡助剤、ガラス形成物質、セメント等の結合材を加えたものを原料に、一般に当該原料を造粒し、これを焼成発泡することで製造されている。（例えば、特許文献１参照。）ここで造粒は、製造コストが低く、高い量産性が得られ、整粒化し易い方法が望ましく、この条件を満たす造粒法として、転動造粒法が広く採用されてきた。（例えば、特許文献２参照。）この方法では、得られる造粒体の形状は、球や楕円体またはそれに近い形状になる。この造粒体から得られる人工骨材も、球や楕円体またはそれに近い滑らから曲面からなる形状となるため、表面摩擦力が小さく、例えば盛土材などとして骨材を山積みした場合や斜面に配設した場合、崩れ易いという施工上の欠点があった。このため、球や楕円体若しくはそれらに近い形状でなければ、当該欠点を回避できる可能性がある。そのような骨材は、例えば押出成形や加圧成形などの成形手法により、角が存在する或いは角張った形状の成形体を作製し、これを焼成すれば製造できる。しかし、このような成形体は角部が欠損し易く、回転窯等を用いての大量焼成には取扱上の慎重な配慮が必要となることに加え、転動造粒法に比べれば概して量産性に劣り、製造コストも高くなる。そこで、過剰配合水を加えた頁岩等の原料を混練後に加圧成形し、この成形塊を解砕刃と撹拌羽根の回転で切断すれば断面異形の粒が短時間に得られ、この粒に吸水性乾燥粉体を添加して焼成すれば断面が円形でない焼成粒が種々の形状寸法で得られることも知られている。（例えば、特許文献３参照。）この方法によれば、原料の加圧成形物からは大量の造粒物が極簡単に得られ、また様々な寸法の造粒物の同時作製も可能なものの、加圧成形の工程と造粒体への乾燥粉体添加工程が加わるため、手間や製造コストの増加要因になる。また、この方法では盛土材等の使用に値しないような微粉粒の生成を伴い易く、適性骨材としての収率は高くない。
特開平３−１７５７６２号公報 特開平８−２１７５０１号公報 特開平５−３１７６８０号公報

本発明は、前記実情に鑑み、積み重ねしても崩れ難く、盛土材等に適した形状の人工骨材及び低コストで高い量産性が得られる該人工骨材の製造方法を提供することを課題とする。

非水硬性の無機粉体にセメント等の水硬性結合材を加えて硬化質の含水造粒体を作製し、これを加熱すると内包水蒸気圧が上昇し、加熱条件等によっては爆裂を起こし、大半が粉状の破片となる。本発明者等は、該硬化質の含水造粒体を特定の圧壊強度と内包含水率にし、加熱条件を調整すれば爆裂させても粉化せず、しかも加熱に供する造粒体が球や楕円体またはそれに近い形状のものであっても、この爆裂により球や楕円体またはそれに近い形状以外の不定形状の人工骨材が極めて容易に得られたことから、本発明を完成させた。

即ち、本発明は、次の（１）で表される人工骨材用造粒体、（２）で表される人工骨材及び（３）〜（４）で表される人工骨材の製造方法である。（１）セメント、非水硬性の無機粉末及び水を含有してなる造粒体であって、圧壊強度３００〜１０００Ｎ且つ内包含水率５〜４０％（重量百分率）である人工骨材用造粒体。（２）前記（１）の人工骨材用造粒体を加熱爆裂させてなり、形状が球、楕円体及びそれに近い形状以外の形状であることを特徴とする人工骨材。（３）セメントと非水硬性の無機粉末及び水を含有してなり、圧壊強度３００〜１０００Ｎ且つ内包含水率５〜４０％の造粒体を、昇温速度２０〜１００℃／分で加熱爆裂させることを特徴とする人工骨材の製造方法。（４）造粒体が転動造粒法によって得られることを特徴とする前記（３）の人工骨材の製造方法。

本発明によれば、球や楕円体またはそれに近い滑らかな曲面からなる形状以外の不定形状の人工骨材が容易に得られ、単純に積載しても崩れにくく、盛土材として最適である。

本発明の人工骨材用造粒体は、成分的にはセメントと非水硬性の無機粉末及び水を含有するものからなり、当該無機粉末がセメントの結合相で固められたものであって、その圧壊強度が３００〜１０００Ｎであり、５〜４０％（重量百分率）の内包含水率を有するものである。成分含有されるセメントは、水硬性のものであれば何れのセメントでも良く、例えば普通ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントなどの各種ポルトランドセメント、中庸熱セメント、高ビーライトセメント、アルミナセメント、エコセメントの他、高炉セメントやフライアッシュセメント等の混合セメントでも良い。好ましくは、コスト的に安価で扱い易いことなどから普通ポルトランドセメントが良い。

本発明の人工骨材用造粒体に含有される非水硬性の無機粉末は、水と直接反応して硬化しないものであれば特に限定されず、例えば従来から人工軽量骨材原料として活用されている頁岩、流紋岩等の天然鉱石粉末や火山灰に留まらず、例えば粘土鉱物、石灰石、アルミナ等の粉末、産業副次生成物や廃棄物である例えば石炭灰、下水汚泥焼却灰、都市ゴミ焼却灰、シリカフューム等でも良い。無機粉末の粒度は特に制限されないが、好ましくは、セメントとの混合性が良く、造粒し易く、造粒体密度が高まること等の観点からブレーン比表面積でおよそ１０００〜５０００ｃｍ²／ｇとするのが適当である。

本発明の人工骨材用造粒体は圧壊強度が３００〜１０００Ｎであることを必須とするが、これは造粒体加熱により人工骨材を作製する際に、内包水分の気化による内圧を解放させずに蓄積し、当該圧によって造粒体を爆裂変形させ易くするためのもので、圧壊強度が３００Ｎ未満では造粒体が脆弱なため爆裂変形せずに内圧が解放され易く、また水硬性結合相による比較的緻密な表層組織も形成され難く、気化水蒸気が加熱中に造粒体から抜け易いので好ましくない。また圧壊強度が１０００Ｎを超えると強固になり過ぎて爆裂を起し難くなるので好ましくない。本発明の人工骨材用造粒体は内包含水率が５〜４０％（重量百分率、以下同じ。）であることも必須とする。好ましくは１５〜３０％とする。本発明で内包含水とは、人工骨材用造粒体内に存在し、造粒体表面の開口気孔と実質連通されていない箇所に留まっている水で、この水は加熱時に気化し、水蒸気が造粒体内部に閉じこめられるため内部ガス圧の発生源となる。内包含水率が５％未満では爆裂に繋がるような内部ガス圧が不足し、また４０％を超えると内部ガス圧過多となって爆裂しても微粉化し易いので好ましくない。尚、本発明では人工骨材用造粒体の開口気孔中に存在する水分量は特に制限されない。

本発明の人工骨材用造粒体は、前記のセメントと非水硬性無機粉末に加えて水を配合したものであり、更に必要に応じて例えばポリカルボン酸系、ナフタレンスルフォン酸系、リグニンスルフォン酸系等の減水剤・高性能減水剤や分散剤の類や例えばベントナイト、水ガラス等の粘結性成形助剤等の混和成分を本発明の効果を阻害しない限り適宜配合したものでも良い。本発明の人工骨材用造粒体は、水の配合により硬化させたもので、その形状は特に限定されないが、好ましくは、球や楕円体又はそれに近い形状（これらを総称して、以下「略球形」と称す。）であることが取扱中に接触して角欠け等を起こさず、また爆裂の駆動力となる内部圧力の偏在が少なくなるので良い。人工骨材用造粒体作製時に配合する水の量は、セメントと非水硬性無機粉末の合計量１００重量部に対し、１０〜５０重量部が好ましい。ここで、配合する水の量とは、例えば含水粘土鉱物等の間隙水や付着水を含む物質を無機粉末に使用したような場合、当該無機粉末に含まれる水分を合算した量とする。配合水量が１０重量部未満では造粒化し難くなることに加え、硬化後の人工骨材用造粒体中の内包含水率が不足し、爆裂を起こし難くなることから適当でなく、また５０重量部を超えるとスラリー状となり造粒に適し難くなり、造粒できても硬化が不良となって極めて脆弱な人工骨材用造粒体しか得られず、爆裂し難いため適当でない。

本発明の人工骨材は、前記の人工骨材用造粒体を加熱爆裂させたものであって、該爆裂によってその形状が球や楕円体又はそれに近い形状以外の形状（これらを総称して、以下「非球形」と称す。）になったものである。また、本発明の人工骨材の粒度は、積載充填使用への適し易さ等の観点から、およそ０．５〜５０ｍｍであることが好ましく、また比重は制限されない。

本発明の人工骨材の製造方法は、前記の如く所定量の少なくともセメントと非水硬性の無機粉末及び水を混合する。混合は注水後直ちに開始するのが望ましく、市販の混合機、攪拌機、混練機等を用いて行えば良い。得られた混合物は乾燥させずに造粒する。造粒は、例えば撹拌型、押出し型、圧縮型、転動型等の造粒装置を用いて行うことができ、またここに例示した以外の造粒装置を用いた方法でも良いが、望ましくは生産性及びコストの点で優れ、また粒径の調整も自在に行い易く、略球形の造粒体が得られることから転動造粒法が推奨される。得られた造粒体は、その内包含水率が５〜４０重量％の範囲に留まらせて、３００〜１０００Ｎの圧壊強度が発現されるまで養生するのが好ましい。養生は常温大気中で行うことができる。このようにして作製した人工骨材用造粒体は、昇温速度２０〜１００℃／分で加熱することによって爆裂し、加熱に供した人工骨材用造粒体の形状に拘わらず、概ね所望の大きさの実質非球形の人工骨材を得ることができる。昇温速度が２０℃／分未満では、内包圧によって造粒体に亀裂が生じることがあっても当該亀裂から内包水蒸気が徐々に抜け出て、爆裂に至る可能性が著しく低減することから好ましくなく、また昇温速度が１００℃／分を超えると爆裂した際、粉々になることがあるので好ましくない。尚、爆裂に要する加熱温度は、該造粒体の組成成分、内包含水率及び圧壊強度等によって変わるため特に制限されず、爆裂を起こすまで昇温すれば良いが、少なくとも約４００℃以上の温度は必要である。爆裂後は、それ以上昇温・加熱を行う必要は無く、自然放冷すれば実質非球形の人工骨材を製造することができる。

以下、実施例により本発明を具体的に詳しく説明するが、本発明はここで表す実施例に限定されるものではない。
＜人工骨材用造粒体の作製＞
次に記す各原料と水を表１に表す配合量となるよう、市販のリボン型混合機に一括投入し、約５分間混合した。
・普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）
・石炭灰粉末（ブレーン比表面積３５００ｃｍ²／ｇ）
・黒曜石粉末（ブレーン比表面積３５００ｃｍ²／ｇ）
・膨張性頁岩粉末（ブレーン比表面積３５００ｃｍ²／ｇ）
・ポリカルボン酸系の分散剤（商品名「コアフローＮＦ−１００」、太平洋マテリアル株式会社製）
・発泡剤（ＳｉＣ粉、市販試薬）

混合後、速やかに混合物を転動造粒機（造粒板直径１．８ｍ、パンの深さ６０ｃｍ、造粒板傾斜角４５°）を用いて、平均粒径約２５ｍｍで概ね球形の造粒体を作製した。該造粒体を約２０℃の大気中に７日間放置して養生を行った。養生後の造粒体は、次の方法で圧壊強度と内包含水率（重量百分率）を測定した。その結果を表２に表す。

＜圧壊強度の測定方法＞
養生後の造粒体から１０×１０×１５ｍｍの直方体を切り出し、これを１０×１０ｍｍの面を底面として一軸加圧機（島津製作所製オートグラフ）に設置し、常温下で載荷速度５ｍｍ／分で一軸加圧した。応力緩和が起こった時点の加圧力（Ｎ）を測定し、この値を圧壊強度とした。

＜内包含水率の測定方法＞
養生後の造粒体を１０５℃の乾燥機で約１時間乾燥させ、乾燥後の造粒体を粉末状に粉砕した。粉砕後直ちに該粉砕物の重量；Ｗ１（ｇ）を測定し、次いで重量測定後の粉砕物を１０５℃の乾燥機で約１時間乾燥させた後、乾燥後の粉砕物の重量；Ｗ２（ｇ）を測定した。測定したＷ１及びＷ２の値から、次式により造粒体の内包含水率；ＲＷ（重量％）を算出した。
ＲＷ＝１００×（Ｗ１−Ｗ２）／Ｗ２

＜人工骨材の作製＞
前記の如く作製した養生後の造粒体を、それぞれ電気炉を用い、表３に表す昇温速度で１０００℃まで加熱した。該温度に到達時点で加熱を停止し、常温近傍まで自然放冷して加熱物を取り出した。得られた加熱物の形状を目視で調べた。得られた加熱物のうち９５重量％以上が非球形の形状を呈したものを○、得られた加熱物のうち５重量％以上の量が略球形の形状を呈したもの又は得られた加熱物のうち５重量％以上の量が粒径０．５ｍｍ以下の粉状であったものを×とし、結果を表３に併せて表す。

表３より、本発明によれば、略球形の形状を呈する造粒体であっても、加熱爆裂によって粉末化することなく変形し、何れも実質的に非球形の人工骨材を容易に得ることができることがわかる。

本発明によって得られる人工骨材は、比較的低比重のものは、盛土材、路盤材、埋め戻し材などの積載充填使用するのに特に適する他、比較的高比重のものは、河川等の人工砂利や砂としても流冒され難いため活用できる可能性がある。また、非球形以外の不定形状の骨材を必要とするモルタルやコンクリートの骨材としても使用することができる。

Claims (4)

1. セメント、非水硬性の無機粉末及び水を含有してなる造粒体であって、圧壊強度３００〜１０００Ｎ且つ内包含水率５〜４０％である人工骨材用造粒体。
2. 請求項１記載の人工骨材用造粒体を加熱爆裂させてなり、形状が球、楕円体及びそれに近い形状以外の形状であることを特徴とする人工骨材。
3. セメントと非水硬性の無機粉末及び水を含有してなり、圧壊強度３００〜１０００Ｎ且つ内包含水率５〜４０％の造粒体を、昇温速度２０〜１００℃／分で加熱爆裂させることを特徴とする人工骨材の製造方法。
4. 造粒体が転動造粒法によって得られることを特徴とする請求項３記載の人工骨材の製造方法。