JP2007186910A - セラミックス系焼結体、バラスト、及びバラスト道床 - Google Patents

Abstract

【課題】 強度が高く細粒化しにくいセラミックス系焼結体、バラスト、及びバラスト道床を提供すること。
【解決手段】アルミナ及び石炭灰に、エタノールを溶媒として加え、ボールミルを用いて混合、粉砕し、スラリーを得た。このスラリーから、減圧式の防爆型振動乾燥機を用いてエタノールを除去し、アルミナ、石炭灰混合粉末を得た。この混合粉末を、手動式油圧プレスを用いて成型し、さらに、大型大気焼結用スーパーカンタル炉を用い、最高温度１５００にて焼結して、セラミックス系焼結体３を得た。このセラミックス系焼結体３は、道床バラスト石質試験のうち、単位容量重量、摩損率、硬度、圧縮粉砕率、形状の試験の全項目において合格であった。また、曲げ強度、圧縮強度、弾性率について、実機の道床バラストと同等以上である事を確認した。
【選択図】 なし

Description

本発明は、多様な用途に用いられるセラミックス系焼結体、鉄道軌道等で用いられるバラスト及びバラスト道床に関する。

従来より、鉄道軌道においてバラスト道床を用いることが知られている。すなわち、図１４に示すように、バラスト３を路盤５の上に敷き詰めて成るバラスト道床７の上に、まくら木９を介してレール１１を敷いて鉄道軌道１を構成する（特許文献１）。このようなバラスト道床７は、重い車両の走行を合理的に支え、かつ経済的にも優れている。

一般に、バラスト道床を構成するバラストの条件としては、材料が強固であって摩損や風化に対して強いことや、適当な粒径と粒度をもち、締め固めその他の作業が容易であること等が要求される。これまで、主として安山岩、硬砂岩、花崗岩等の自然の岩石をクラッシャーで適当な粒径に破砕したものをバラストとして用いてきた。
特開平０８−０２７７０１号公報

しかしながら、従来のバラストは、列車走行の繰り返し荷重やＭＴＴ（マルチプル・タイ・タンパ）による締め固め作業等による外力によって、摩損及び破砕が徐々に進み、経年と共に細粒化する。バラストが細粒化すると、土砂の混入とあいまって排水不良となる。この結果、雨水等により噴泥に至って、道床が沈下しやすくなり、浮きまくら木（まくら木下部の道床が沈下してまくら木が浮いた状態になること）等による軌道狂いの発生を助長させる。また、乾燥すると道床が固結して弾力性を失うなど、軌道の支承体としての安定性に欠け、道床本来の機能を果たさなくなる。

このため、従来のバラスト道床では、細粒化したバラストを全く新しいバラストと入れ替える道床更換や、道床内に混入した土砂のみをふるって排除し、体積減少分を新しいバラストで埋め戻す道床フルイ分け作業等の保守作業を永続的に実施しなければならなかった。また、上記の通り従来のバラストの材料は自然の岩石であり、近い将来バラスト資源の枯渇化も予想される。従って、作業面、経済面、及び環境面から、バラストの長寿命化や保守作業を低減させることが望まれていた。

また、今後、列車の高速化によって列車が巻き起こす風が一層強くなり、バラストが飛散してしまう恐れがある。
本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、強度が高く細粒化しにくく、飛散しにくいセラミックス系焼結体、バラスト、及びバラスト道床を提供することを目的とする。

（１）請求項１の発明は、
セラミックス成分と石炭灰とを含む混合物を焼結してなるセラミックス系焼結体を要旨とする。

本発明のセラミックス系焼結体は、岩石等から成る従来のバラストと同程度以上の密度を持ち、強度、弾性率は従来のバラストよりも遙かに高く、摩損や破砕が生じにくい。そのため、本発明のセラミックス系焼結体を、例えば、鉄道軌道のバラスト道床に用いれば、耐久性が高く、細粒化しにくい。

また、本発明のセラミックス系焼結体は、従来は廃棄されていた石炭灰を原料として利用するので、原料費を低減させることができる。さらに、本発明によれば、従来は埋め立てにより廃棄していた石炭灰の再利用が可能となるので、石炭灰の埋め立て後の飛散等による環境汚染の問題や埋め立て地の不足、投棄費の高騰といった問題を解決することができる。

本発明のセラミックス系焼結体は、バラスト材に限られず、各種建築用材、具体的には、セメント、コンクリート、天然岩石等の代用としての、骨材、コンクリートブロック、レンガ、外壁材等として用いることができる。

本発明におけるセラミックス成分としては、例えば、アルミナ、ムライト、ジルコニア等が挙げられる。
また、本発明における石炭灰としては、例えば、微紛炭燃焼ボイラの燃焼ガスから集じん器で採取された石炭灰（フライアッシュ）、微紛炭燃焼ボイラの燃焼ガスが、空気予熱器・節炭器などを通過する際に落下採取された石炭灰（シンダアッシュ）、微紛炭燃焼ボイラの炉底に落下して採取された石炭灰（クリンカアッシュ）等が挙げられ、特にフライアッシュが好適である。フライアッシュとしては、例えば、その化学組成が、ＳｉＯ₂：４４．６〜７４．０重量％、Ａｌ₂Ｏ₃：１６．４〜３８．３重量％、Ｆｅ₂Ｏ₃：０．６〜２２．７重量％、ＭｇＯ：０．２〜２．８重量％、ＣａＯ：０．１〜１４．３重量％のものが挙げられる。

セラミックス成分と石炭灰との混合比率（重量比）は、１：０．０１〜３の範囲が好適であり、特に、１：０．２〜２の範囲が好適である。
セラミックス成分と石炭灰とを含む混合物は粉末であることが好ましい。この粉末の粒径は、１〜１００μｍの範囲が好適であり、特に、１〜５０μｍの範囲が好適である。

混合物を焼結する条件は、最高温度が１１００〜１５５０℃の範囲である条件が好ましく、特に、１２００〜１４００℃の範囲が好ましい。
（２）請求項２の発明は、
前記混合物がさらにアルカリ金属含有成分を含むことを特徴とする請求項１記載のセラミックス系焼結体を要旨とする。

本発明のセラミックス系焼結体は、アルカリ金属含有成分を含むことにより、焼結時の温度が低くても（例えば、１２００℃以下でも）、充分に焼結が進み、強度、弾性率等の性能も充分高くなる。つまり、本発明のセラミックス系焼結体は、高温で焼結する必要がないので、低コストで製造することができる。

アルカリ金属含有成分としては、例えば、ナトリウム金属塩等のアルカリ金属塩が挙げられ、具体的には、珪酸ナトリウム、塩化ナトリウム、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、炭酸水素ナトリウム等が挙げられる。

アルカリ金属含有成分の配合量は、セラミックス成分と石炭灰との合計１００重量部に対して、５〜３０重量部の範囲が好ましく、特に、１０〜２５重量部の範囲が好ましい。
（３）請求項３の発明は、
前記セラミックス成分がアルミナ系セラミックスを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス系焼結体を要旨とする。

本発明のセラミックス系焼結体は、アルミナ系セラミックスを含むことにより、強度、弾性率などの性能が一層高い。
アルミナ系セラミックスとしては、例えば、アルミナ、アルミナと他のセラミックスとの混合物等が挙げられる。
（４）請求項４の発明は、
前記セラミックス成分がジルコニア系セラミックスを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス系焼結体を要旨とする。

本発明のセラミックス系焼結体は、ジルコニア系セラミックスを含むことにより、密度（単位体積あたりの重量）を一層高くすることができる。そのことにより、本発明のセラミックス焼結体をバラストとして使用した場合に、列車が巻き起こす風が強くても、バラストが飛散しにくいという効果を奏する。

ジルコニア系セラミックスとしては、例えば、ジルコニア、ジルコニアと他のセラミックスとの混合物が挙げられる。
セラミックス系焼結体全体に占めるジルコニア系セラミックスの割合は、１０〜７０重量％の範囲が好適であり、特に２０〜５０重量％の範囲が好適である。
（５）請求項５の発明は、
請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス系焼結体から成るバラストを要旨とする。

本発明のバラストは、強度、弾性率が高く、摩損や破砕が生じにくい。そのため、本発明のバラストで鉄道軌道のバラスト道床を形成すれば、耐久性が高く、細粒化しにくい。
（６）請求項６の発明は、
請求項５に記載のバラストで構成されることを特徴とするバラスト道床を要旨とする。

本発明のバラスト道床を形成するバラストは、強度、弾性率が高く、摩損や破砕が生じにくい。そのため、本発明のバラスト道床によれば、道床更換や道床フルイ分け作業等の保守作業の頻度を少なくすることができる。
（７）請求項７の発明は、
セラミックス成分と石炭灰とを含む混合物を作成する第１工程と、前記混合物を焼結する第２工程と、を有するセラミックス系焼結体の製造方法を要旨とする。

本発明によれば、強度や弾性率が高く、摩損や破砕が生じにくいセラミックス系焼結体を製造することができる。
第１工程においては、例えば、セラミックス成分と石炭灰とを含むスラリーを製造し、そのスラリーをボールミル等の手段を用いて混合、粉砕し、その後、スラリーの溶媒を除去することで、粉末状の混合物を作成することができる。上記スラリーの溶媒としては、例えば、エタノール等のアルコール、蒸留水、水道水等が挙げられる。

第２工程における焼結では、例えば、最高温度を１３５０〜１５５０℃の範囲内とすることができる。
（８）請求項８の発明は、
前記第１工程においてさらにアルカリ金属含有成分を混合するとともに、前記焼結時の最高温度が１１００〜１４００℃の範囲にあることを特徴とする請求項７記載のセラミックス系焼結体の製造方法を要旨とする。

本発明によれば、混合物がアルカリ金属含有成分を含むことにより、焼結時の温度が低くても（例えば、１２００℃以下でも）、充分に焼結が進み、製造されるセラミックス系焼結体の強度、弾性率等の性能が充分高くなる。つまり、本発明によれば、高温で焼結する必要がないので、低コストでセラミックス系焼結体を製造することができる。
（９）請求項９の発明は、
前記第１工程において、前記セラミックス系成分としてジルコニア系セラミックスを混合することを特徴とする請求項７又は８に記載のセラミックス系焼結体の製造方法を要旨とする。

本発明で製造されるセラミックス系焼結体は、ジルコニア系セラミックスを含むことにより、密度（単位体積あたりの重量）を一層高くすることが出来、そのことにより、飛散防止という点で有利である。

実施例を用いて本発明を具体的に説明する。

ａ）セラミックス系焼結体の製造
以下のようにして、セラミックス系焼結体を製造した。
ａ−１）原料調整
原料として、アルミナと、石炭灰（フライアッシュ）を準備した。このアルミナは、一般的な昭和電工（株）製の標準粒Ａ−１３−Ｍ（平均粒径６０μｍ、カタログデータ）である。また、石炭灰は、碧南火力発電所で採取され、（株）テクノ中部碧南事業所において表１に示す品質を確認されたものである。

上記アルミナ及び石炭灰に、エタノールを溶媒として加え、ボールミルを用いて混合、粉砕し、スラリーを得た。具体的には、ボールミルの１ポットに、アルミナ５００ｇ、石炭灰５００ｇ、エタノール２．５Ｌを充填して混合粉砕を行った。ボールミルのアルミナポット容量は５Ｌであり、混合、粉砕の手段としてのφ５、φ１５アルミナ玉石充填量は、１ポット当たり２１００ｇであり、混合、粉砕時間は約１７時間である。混合、粉砕は、ボールミルの４ポットを一組として行い、これを６セット行った。よって、合計２４ポッド分のスラリーが得られた。

次に、混合、粉砕により得られたスラリーから、減圧式の防爆型振動乾燥機（中央加工機（株）製、ＶＵ−４５振動乾燥機）を用いてエタノールを除去し、アルミナ、石炭灰混合粉末を２４Ｋｇ得た。この乾燥はボールミルによる処理の４ポッド分ごとに行った。得られた混合粉末は、目開き４２５μｍのフルイを通し、成型用の粉末とした。

ａ−２）成形
上記ａ−１）で製造した成型用の粉末を、最大２０ｔｏｎまで加圧可能な手動式油圧プレスを用いて成型した。成形体は、φ１００ｍｍの円柱型のもの、７０ｍｍ×７０ｍｍ×ｈの直方体のもの、４２ｍｍ×７４ｍｍ×ｈの直方体のもの、３０ｍｍ×４０ｍｍ×ｈの直方体のものをそれぞれ製造した。ここで、ｈは成形体の高さ（ｍｍ）であり、成形型への成型用粉末の充填量により定まる。

上記の成形体を焼結後に現用バラスト材（具体的には表２の粒度分布）と同様の形状、大きさとなるように、手作業で加工（切削、分割）した。
ａ−３）焼結
上記ａ−２）で製造した成形体を、炉内焼結スペースが６００Ｗ×５００Ｈ×６００Ｌの中外エンジニアリング（株）製の大型大気焼結用スーパーカンタル炉を用いて焼結し、セラミックス系焼結体を得た。焼結時の温度の推移は、図１に示すように、最高温度が１５００℃となるようにした。

ｂ）バラストとしての特性評価
次に、上記ａ）で製造したセラミックス系焼結体を道床バラストとして用い、バラストとしての特性を評価した。以下、具体的に説明する。

上記ａ）で得られたセラミックス系焼結体を、目開き６３ｍｍのフルイ、目開き５３ｍｍのフルイ、目開き３７．５ｍｍのフルイ、目開き３１．５ｍｍのフルイ、目開き１９ｍｍのフルイ、及び目開き９．５ｍｍのフルイを用いて、各粒度別に選別した。セラミックス系焼結体の各フルイにおける残留量は、表２に示す道床バラストとしての必要量以上であった。

次に、各フルイにおいて残留したセラミックス系焼結体を混合したものを用いて、（財）鉄道総合技術研究所において実施する、道床バラスト石質試験のうち、単位容積重量、摩損率、硬度、圧縮粉砕率、形状の試験を実施した。以下に、試験方法を示す。

(i) 単位容積重量
試験容器（２０×２０×２５ｃｍ）全体にセラミックス系焼結体を満たし、容器の上縁を平らにする。このとき、１／３ずつ満たすごとに、容器を振幅５０ｍｍで上下に振動させる。次に、試験容器に入ったセラミックス系焼結体を他のボールに移し、ボールとセラミックス系焼結帯の全体重量を秤量する。下記式により、単位容積重量を算出する。

単位容積重量＝（（全体重量）―（ボール重量））／１０―⁴
(ii)摩損率
フルイ分けしたときの粒径分布が下記表３となるような、セラミックス系焼結体のサンプルを用意する。尚、表３において粒径５３．０の区分にあるものは、目の大きさが５３．０ｍｍのフルイの上に残るものであり、粒径３７．５の欄にあるものは、目の大きさが５３．０ｍｍのフルイは通過するが、目の大きさが３７．５ｍｍのフルイの上に残るものである。その他の区分においても同様である。

このサンプルを、ロサンゼルス式摩損試験器で１０００回転させる（約３５分間）。
次に、サンプルを取り出し、目の大きさが１．７ｍｍであるフルイを用いてフルイ分けする。その後、フルイの上に残ったものを水洗し、乾燥させてから、重量を測定する。下記式により、摩損率を算出する。ここで、Ｗ１は、上記重量測定での測定値（単位はグラム）である。

摩損率＝（（５０００―Ｗ１）／５０００）×１００（％）
(iii)硬度
セラミックス系焼結体から、直径２．５ｃｍ、長さ６０ｍｍの円柱形のテストピースを作成し、そのテストピースの一方の底面を塗料で塗りつぶす。この塗りつぶした底面を、塗料の色が消えるまで、ドリーのすりへり摩耗試験器を使用して擦る。この段階でテストピースの重量を測定し、その測定値をＷａとする。次に、２８ＲＰＭで１０００回転させ、再び重量を測定し、そのときの測定値をＷｂとする。下記式により硬度を算出する。

硬度＝２０−（（Ｗａ―Ｗｂ）／３）
尚、計量は１０^-3ｇ単位で行い、回転時には石英砂を１０００回転で８．２Ｋｇ程度散布する。

(iv)圧縮粉砕率
フルイ分けしたときの粒径分布が下記表４となるような、セラミックス系焼結体のサンプルを用意する。尚、表４において粒径５３．０の区分にあるものは、目の大きさが５３．０ｍｍのフルイの上に残るものであり、粒径３７．５の欄にあるものは、目の大きさが５３．０ｍｍのフルイは通過するが、目の大きさが３７．５ｍｍのフルイの上に残るものである。その他の区分においても同様である。

上記サンプルを、上記「(i) 単位容積重量」の項と同様に、容器に入れる。そして、圧縮試験器にセットし、５０ｔまで加圧した状態で１５〜２０分間保持した後、除荷する。次に、目の大きさが５３．０ｍｍ、３７．５ｍｍ、３１．５ｍｍ、１９．０ｍｍ、９．５ｍｍ、４．７ｍｍ、１．７ｍｍのフルイを用いて、フルイ分けする。サンプルを圧縮試験器にかける前の残留加積曲線と、圧縮試験器にかけた後の残留加積曲線を図１３に示す。圧縮試験器にかける前の残留加積曲線よりも下側の部分（図１３において斜線で表される部分と格子線で表される部分）の面積をＦｖとし、圧縮試験器にかけた後の残留加積曲線よりも下側の部分（図１３において格子線で表される部分）の面積をＦｎとしたとき、圧縮粉砕率は下記式により算出できる。

圧縮粉砕率＝（（Ｆｖ―Ｆｎ）／Ｆｖ）×１００（％）
(v)形状
セラミックス系焼結体をフルイを用いて、下記の表５のようにフルイ分けした。

そして、それぞれの区分において、扁平制限値と細長制限値を定めた。それらの値を上記表５に示す。
それぞれの区分において、粒の厚みが扁平制限値以下であるものの重量を算出した。フルイ目５３．０の区分において、粒の厚みが扁平制限値以下であるものの重量をＷＳ５３．０とし、フルイ目３７．５の区分において、粒の厚みが扁平制限値以下であるものの重量をＷＳ３７．５とし、フルイ目３１．５の区分において、粒の厚みが扁平制限値以下であるものの重量をＷＳ３１．５とし、フルイ目１９．５の区分において、粒の厚みが扁平制限値以下であるものの重量をＷＳ１９．０とする。

また、それぞれの区分において、粒の長さが細長制限値以上であるものの重量を算出した。フルイ目５３．０の区分において、粒の長さが細長制限値以上であるものの重量をＷＬ５３．０とし、フルイ目３７．５の区分において、粒の長さが細長制限値以上であるものの重量をＷＬ３７．５とし、フルイ目３１．５の区分において、粒の長さが細長制限値以上であるものの重量をＷＬ３１．５とし、フルイ目１９．５の区分において、粒の長さが細長制限値以上であるものの重量をＷＬ１９．０とする。

そして、扁平度を下記式により算出する。
扁平度＝（（ＷＳ５３．０＋ＷＳ３７．５＋ＷＳ３１．５＋ＷＳ１９．０）／Ｗ）×１００（％）
また、細長度を下記式により算出する。

細長度＝（（ＷＬ５３．０＋ＷＬ３７．５＋ＷＬ３１．５＋ＷＬ１９．０）／Ｗ）×１００（％）
尚、上記各式において、Ｗはセラミックス系焼結体全体の重量である。

上記各試験の結果を表６に示す。

また、表６には、各項目についての、合格ライン、要特認ラインを併せて示す。表６により明らかなように、本実施例のセラミックス系焼結体は、全ての試験項目で道床バラストとして合格であった。尚、要特認ラインとは、地域的条件により、合格ラインを満たす物理的性質のものが得られない場合に許容できるラインを意味する。

ｃ）セラミックス系焼結体の作用効果
(i)本実施例１のセラミックス系焼結体は、現状のバラスト材と同程度の密度でありながら、強度、弾性率は現状のバラスト材よりも遙かに高く、摩損や破砕が生じにくい。そのため、本実施例１のセラミックス系焼結体をバラスト材に用いれば、耐久性が高く、細粒化しにくい。

(ii)本実施例１のセラミックス系焼結体は、従来は廃棄されていた石炭灰を原料として利用できるので、原料費を低減させることができる。さらに、従来は埋め立てにより廃棄していた石炭灰の再利用が可能となるので、石炭灰の埋め立て後の飛散等による環境汚染の問題や埋め立て地の不足、投棄費の高騰といった問題を解決することができる。

(iii)本実施例１のセラミックス系焼結体は、強度、弾性率が高いという特性を有するため、バラスト材に限られず、各種建築用材、具体的には、セメント、コンクリート、天然岩石等の代用としての、骨材、コンクリートブロック、レンガ、外壁材等として用いることができる。

ｄ）セラミックス系焼結体の試験
本実施例１のセラミックス系焼結体の作用効果を確かめるために、以下の試験を行った。

ｄ−１）試料の作成
上記ａ）で製造したセラミックス系焼結体を加工し、４点曲げ強度、圧縮強度、及び弾性率試験用の試験片を作成した。具体的には、以下の手順で行った。

(i)ダイヤモンドバンドソーを用い、セラミックス系焼結体を厚さ５〜１０ｍｍの平板状に切り出した。ここで、使用砥石の刃厚は０．５ｍｍ、バンド長さは２９７０ｍｍ、粒度は♯８０とした。

(ii)次に、平面研削盤を用い、前記(i)で切り出した平板における切断面の面出し研削加工を行った。使用した砥石の刃厚は１５ｍｍ、砥石径は２００ｍｍ、粒度は♯４００であった。

(iii)次に、ダイヤモンドスライサーを用い、前記(i)、(ii)で作成した平板を切り分けた。その寸法は、後述する圧縮強度、弾性率の測定に用いるものについては、縦１２．５ｍｍ、横５ｍｍ、厚さ５ｍｍの形状とした。また、後述する４点曲げ強度の測定に用いるものについては、縦４０ｍｍ、横４ｍｍ、厚さ３ｍｍの形状とした。使用した砥石の刃厚は０．６ｍｍ、砥石径は１７６ｍｍ、粒度は♯１７０であった。

(iv)次に、平面研削盤を用い、荒研削加工と仕上げ研削加工を行い、試験片を完成した。荒研削に使用した砥石の刃厚は１５ｍｍ、砥石径は２００ｍｍ、粒度は♯４００であった。また、仕上げ研削に使用した砥石の刃厚は１０ｍｍ、砥石径は２００ｍｍ、粒度は♯８００であった。

ｄ−２）４点曲げ強度、圧縮強度、弾性率の測定
上記ｄ−１）で作成したセラミックス系焼結体の試験片を用い、４点曲げ強度、圧縮強度、及び弾性率を測定した。また、比較例として、現用道床バラストである名古屋砂岩（名古屋地区で採取された砂岩、以下同様）、三島安山岩、豊橋輝緑岩、静岡玄武岩、高強度セメント１（具体的には日本セメント製）、及び高強度セメント２（具体的にははデンカ製）についても、同様に測定を行った。

４点曲げ強度はＪＩＳ Ｒ １６０１に基づき測定し、圧縮強度はＪＩＳ Ｒ １６０８に基づき測定した。また、弾性率は、圧縮強度測定値の応力とひずみから求めた。４点曲げ強度及び圧縮強度の測定装置としては、インストロン（株）社製の万能試験機（型番５５８２）を用いた。

４点曲げ強度の測定結果を図２に示し、圧縮強度の測定結果を図３に示し、弾性率の測定結果を図４に示す。
図２に示すように、本実施例１のセラミックス系焼結体の密度は、約２．７ｇ／ｃｃであり、現用道床バラストとほぼ同程度であったが、４点曲げ強度は、現用道床バラストの平均値である３９ＭＰａの約２倍であり、高強度セメント（高密度セメント１と高密度セメント２）の平均値である２５ＭＰａの約３倍であった。また、図３、図４に示すように、本実施例１のセラミックス系焼結体の圧縮強度及び弾性率は、現行バラストや高強度セメントの測定値よりも顕著に高かった。

ｅ）その他
本実施例１では、セラミックス系焼結体の製造工程において、上記ａ）に記載したように、ボールミルの１ポットに、アルミナ５００ｇ、石炭灰５００ｇ、エタノール２．５Ｌを充填して混合粉砕を行っているが、ボールミルへの各原料の充填量をそれぞれ半分にしてセラミックス系焼結体を製造すれば、その密度を２．９ｇ／ｃｃ程度に高めることができ、強度、弾性率が更に向上する。これは、ボールミルでの粉砕、混合効果が向上することで、セラミックス系焼結体のクラック長さ（気孔の大きさ）が小さくなるためであると考えられる。

また、セラミックス系焼結体の焼結時の最高温度を１６００℃とすることができる。この場合、焼結による緻密化が一層促進され、セラミックス系焼結体の密度を一層高くすることができる。

ａ）セラミックス系焼結体の製造
以下のようにして、セラミックス系焼結体を製造した。
ａ−１）原料調整
原料として、アルミナと、石炭灰（フライアッシュ）と、珪酸ソーダとを準備した。このアルミナ及び石炭灰は前記実施例１と同様のものである。また、珪酸ソーダは関東化学（株）の試薬であって、組成がＳｉＯ₂：３５〜３８％、Ｎａ₂Ｏ₃：１７〜１９％のものである。

前記実施例１のａ―１）と同様にして、アルミナと石炭灰との混合粉末を得た。すなわち、アルミナ及び石炭灰にエタノールを溶媒として加え、ボールミルを用いて混合、粉砕してスラリーを得、そのスラリーから、減圧式の防爆型振動乾燥機を用いてエタノールを除去し、アルミナ、石炭灰混合粉末を２４Ｋｇ得た。そして、得られた混合粉末を、目開き４２５μｍのフルイに通し、成型用の混合粉末とした。

次に、得られた混合粉末に珪酸ソーダを添加し、乳鉢にて混合して、珪酸ソーダ添加粉末を作成した。珪酸ソーダ添加粉末は、アルミナと石炭灰との混合粉末１００重量部に対し、珪酸ソーダを１０重量部加えたもの（以下、１０％添加粉末とする）と、珪酸ソーダを２０重量部加えたもの（以下、２０％添加粉末とする）とをそれぞれ作成した。

次に、珪酸ソーダ添加粉末を、５００℃にて仮焼した。この仮焼を行う理由は以下の通りである。一般的に、珪酸ソーダは水飴状の無色な液状であり、加熱することによってその体積が膨張するので、加熱時の珪酸ソーダの体積膨張による、成形体の割れ、気孔の発生、崩壊等を予防するために仮焼をすることが望ましい。

ａ−２）成形
上記ａ−１）で製造した成型用の粉末（１０％添加粉末及び２０％添加粉末）を、最大２０ｔｏｎまで加圧可能な手動式油圧プレスを用いて成型した。成形体は、φ２０ｍｍの円柱型のもの、５０ｍｍ×６０ｍｍ×ｈの直方体のものをそれぞれ製造した。ここで、ｈは成形体の高さ（ｍｍ）であり、成形型への成型用粉末の充填量により定まる。

ａ−３）φ２０ｍｍの円柱型に成形した成形体の焼結及び密度測定
上記ａ−２）で製造した、φ２０ｍｍの円柱型に成形した成形体を、炉内焼結スペースが６００Ｗ×５００Ｈ×６００Ｌの中外エンジニアリング（株）製の大型大気焼結用スーパーカンタル炉を用いて焼結し、セラミックス系焼結体を得た。焼結は、最高温度が１０００℃の条件、１１００℃の条件、１２００℃の条件、１３００℃の条件、１４００℃の条件でそれぞれ行った。そして、それぞれの条件で焼結させたセラミックス系焼結体の密度を測定した。図６に、その結果を示す。

１０％添加粉末を用いて製造されたセラミックス系焼結体（以下、１０％添加焼結体とする）では、最高温度１２００℃までは、焼結温度の上昇とともに密度も上昇するが、それ以上の最高温度では、密度はほぼ一定となる。

２０％添加粉を用いて製造されたセラミックス系焼結体（以下、２０％添加焼結体とする）では、最高温度１２００℃における密度が、その上下の最高温度での密度よりも顕著に高くなっている。

このように、最高温度１２００℃という比較的低温で本実施例２のセラミックス系焼結体の密度が高くなる理由は以下のように推測できる。
混合粉末に含まれる石炭灰のうち、シリカは６０％以上であり、アルミナも２０％以上含まれている（表１参照）から、混合粉末の主成分はアルミナとシリカであるが、図５の状態図に示すように、アルミナとシリカのみを含む系よりも、Ｎａ₂Ｏを添加した系の方が液相になり易い。本実施例２のセラミックス系焼結体においては、珪酸ソーダ中のＮａと原料粉末中のＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂とが反応し、１２００℃以下の比較的低温でも液相を生成し、焼結が進行して密度が高くなると推測できる。また、最高温度１３００℃以上で焼結したセラミックス系焼結体の表面に、発泡したと思われる痕跡が認められる。これは、珪酸ソーダ添加による液相生成により、比較的低温での焼結体が形成されることを裏付けている。

ａ−４）直方体に成形した成形体の焼結
上記ａ−２）で製造した、５０ｍｍ×６０ｍｍ×ｈの直方体の成形体を、炉内焼結スペースが６００Ｗ×５００Ｈ×６００Ｌの中外エンジニアリング（株）製の大型大気焼結用スーパーカンタル炉を用いて焼結し、セラミックス系焼結体を得た。焼結は、最高温度が１２００℃の条件、１３００℃の条件でそれぞれ行った。

ｂ）セラミックス系焼結体の作用効果
上記ａ―４）で得られたセラミックス系焼結体の密度を測定するとともに、前記実施例１のｄ）と同様に、４点曲げ強度、圧縮強度、及び弾性率の測定を測定した。セラミックス系焼結体のうち、２０％添加焼結体の４点曲げ強度の測定結果を図７に示し、圧縮強度の測定結果を図８に示し、弾性率の測定結果を図９に示す。

本実施例２のセラミックス系焼結体は、最高温度１２００℃という比較的低温で焼結したにも係わらず、密度は、約２．７ｇ／ｃｃであり、現用道床バラストとほぼ同程度であり、４点曲げ強度は、現用道床バラストの平均値である３９ＭＰａの約２．５倍であり、高強度セメント（高密度セメント１と高密度セメント２）の平均値である２５ＭＰａの約４倍であった。また、図８、図９に示すように、本実施例２のセラミックス系焼結体の圧縮強度及び弾性率は、現行バラストや高強度セメントの測定値よりも顕著に高かった。

本実施例２のセラミックス系焼結体は、上記のように、比較的低温で焼結しても、充分な密度、４点曲げ強度、圧縮強度、及び弾性率を有するので、焼結時の温度を下げることができ、その結果として、製造コストを低減することができる。

ａ）セラミックス系焼結体の製造
以下のようにして、セラミックス系焼結体を製造した。
ａ−１）原料調整
原料として、アルミナと、石炭灰（フライアッシュ）と、ジルコニアとを準備した。このアルミナ及び石炭灰は前記実施例１と同様のものである。また、ジルコニアは東ソー（株）製のＴＺ−３Ｙ（型番）である。

アルミナ、石炭灰、及びジルコニアを表７に示す割合で混合し、原料粉末Ａ〜Ｃを作成した。原料粉末Ａ〜Ｃのそれぞれについて、さらに溶媒としてのエタノールを加え、ボールミルを用いて混合、粉砕してスラリーを得、そのスラリーから、減圧式の防爆型振動乾燥機（中央加工機（株）製、ＶＵ−４５振動乾燥機）を用いてエタノールを除去し、アルミナ、石炭灰、及びジルコニアの混合粉末（ただし、原料粉末Ａの場合はアルミナと石炭灰のみ）各２４Ｋｇを得た。ここで、原料粉末Ａから得られたものを混合粉末Ａとし、原料粉末Ｂから得られたものを混合粉末Ｂとし、原料粉末Ｃから得られたものを混合粉末Ｃとする。そして、得られた混合粉末Ａ〜Ｃを、それぞれ、目開き４２５μｍのフルイに通し、成型用の混合粉末Ａ〜Ｃとした。

ａ−２）成形
上記ａ−１）で製造した成型用の混合粉末Ａ〜Ｃを、それぞれ、最大２０ｔｏｎまで加圧可能な手動式油圧プレスを用い、成型した。成形体は、５０ｍｍ×６０ｍｍ×ｈの直方体のものを、混合粉末Ａ〜Ｃのそれぞれについて２個ずつ製造した。ここで、ｈは成形体の高さ（ｍｍ）であり、成形型への成型用粉末の充填量により定まる。

ａ−３）成形体の焼結
上記ａ−２）で製造した成形体を、炉内焼結スペースが６００Ｗ×５００Ｈ×６００Ｌの中外エンジニアリング（株）製の大型大気焼結用スーパーカンタル炉を用い、最高温度１５００℃の条件で焼結し、セラミックス系焼結体を得た。なお、混合粉末Ａを用いて製造したものをセラミックス系焼結体３−Ａとし、混合粉末Ｂを用いて製造したものをセラミックス系焼結体３−Ｂとし、混合粉末Ｃを用いて製造したものをセラミックス系焼結体３−Ｃとする。

ｂ）セラミックス系焼結体の作用効果
上記ａ―３）で得られたセラミックス系焼結体３−Ａ〜３−Ｃの密度を測定するとともに、前記実施例１のｄ）と同様に、４点曲げ強度、圧縮強度、及び弾性率の測定を測定した。４点曲げ強度の測定結果を図１０に示し、圧縮強度の測定結果を図１１に示し、弾性率の測定結果を図１２に示す。図１０〜１２には、前記実施例１のｄ−２）と同様に、比較例として、名古屋砂岩、三島安山岩、豊橋輝緑岩、静岡玄武岩、高強度セメント１、及び高強度セメント２の測定値も記載している。

本実施例３のセラミックス系焼結体３−Ａ〜３−Ｃのうち、ジルコニアを含むセラミックス系焼結体３−Ｂ、３−Ｃの密度は３ｇ／ｃｃ以上であり、非常に高かった。
また、本実施例３のセラミックス系焼結体３−Ａ〜３−Ｃは、４点曲げ強度、圧縮強度、及び弾性率において、比較例の測定値よりも顕著に高く、しかも、前記実施例１のセラミックス系焼結体よりも、４点曲げ強度、圧縮強度、及び弾性率の測定値が一層高かった。

本実施例３のセラミックス系焼結体は、上記のように、密度が高いため（重量化が実現できるため）、列車が巻き起こす風によっても飛散しにくい。
また、本実施例３のセラミックス系焼結体は、機械的特性（強度、弾性率）において優れている。

混合粉末を焼結する時の温度パターンを表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び４点曲げ強度を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び圧縮強度を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び弾性率を表すグラフである。 Ａｌ₂Ｏ₃−ＳｉＯ₂−Ｎａ₂Ｏ系化合物の状態図である。 セラミックス系焼結体について、焼結温度と密度との関係を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び４点曲げ強度を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び圧縮強度を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び弾性率を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び４点曲げ強度を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び圧縮強度を表すグラフである。 セラミックス系焼結体の密度及び弾性率を表すグラフである。 圧縮粉砕率の算出方法を表す説明図である。 バラスト道床を用いた鉄道軌道の構成を表す説明図である。

符号の説明

１・・・鉄道軌道
３・・・バラスト
５・・・路盤
７・・・道床
９・・・まくら木
１１・・・レール

Claims (9)

1. セラミックス成分と石炭灰とを含む混合物を焼結してなるセラミックス系焼結体。
2. 前記混合物がさらにアルカリ金属含有成分を含むことを特徴とする請求項１記載のセラミックス系焼結体。
3. 前記セラミックス成分がアルミナ系セラミックスを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のセラミックス系焼結体。
4. 前記セラミックス成分がジルコニア系セラミックスを含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックス系焼結体。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載のセラミックス系焼結体から成るバラスト。
6. 請求項５に記載のバラストで構成されることを特徴とするバラスト道床。
7. セラミックス成分と石炭灰とを含む混合物を作成する第１工程と、
   前記混合物を焼結する第２工程と、を有するセラミックス系焼結体の製造方法。
8. 前記第１工程においてさらにアルカリ金属含有成分を混合するとともに、前記焼結時の最高温度が１１００〜１４００℃の範囲にあることを特徴とする請求項７記載のセラミックス系焼結体の製造方法。
9. 前記第１工程において、前記セラミックス系成分としてジルコニア系セラミックスを混合することを特徴とする請求項７又は８に記載のセラミックス系焼結体の製造方法。

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