JP2007217244A - コンクリート用混和材の品質管理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】スラリー安定化処理した石炭灰がンクリート用混和材に適するように管理基準を定めて品質管理方法を提供する。
【解決手段】
本発明の石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法は、石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物の塩基性灰の確認、未燃カーボン含有量、ｐＨ測定及び粒度分布を順次測定し、測定基準値に合格した石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物をスラリーとし、スラリー濃度が基準値を合格したスラリーをコンクリート用混和材として使用する石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、石炭灰及び石炭灰と同様の形態で発生する燃焼系産業廃棄物を安定化処理してスラリー状態にしてコンクリート用混和材として使用する時のスラリー製造過程の品質管理に関するものである。

石炭火力発電所で発生する石炭灰及び燃焼系産業廃棄物（一般廃棄物や下水汚泥等の産業廃棄物等の廃棄物を焼却処理施設で処理した際に発生する焼却灰）は、従来、セメント原料として使用され、極僅かの良質な石炭灰はコンクリート原料に使用されているが、大半が埋め立て処分されている。良質でない無処理の石炭灰及び燃焼系産業廃棄物は、未燃カーボン及び遊離ＣａＯを多く含有している。燃焼系産業廃棄物を良質の石炭灰と同様に大量にコンクリート用混和材として使用するには、石炭灰は、（１）ｐＨが中性の範囲にあること、（２）未燃カーボンの含有率が多いと空気連行性やフレッシュコンクリートの流動性を阻害するので規定値以下であること、（３）遊離ＣａＯの含有量が多いとその消化膨張に伴うクラック並びに強度低下の原因になるので規定量以下であること、などが要求される。

石炭灰をコンクリート原料に適した性状に処理するための安定化処理技術に関しては、例えば、特許文献１に開示されている。特許文献１には、石炭灰と表面活性剤を含む水をミキサーに注入し、ミキサー内に空気を圧送し、電磁石を内蔵した攪拌板で撹拌することにより、起泡させて未燃カーボンを低減させるとともに、空気のＣＯ_２で中和し、電磁石で鉄分を分離し、生成されたスラリー状の安定化処理石炭灰を、水と混和剤を加えてセメント及び骨材と混練させる、石炭灰コンクリートの製造方法が開示されている。
特開平１１−１７１６１５号公報

スラリー安定化処理した石炭灰を混和材としてコンクリートへ使用するには、性状が一定した品質のよいスラリーを製造するための品質管理方法を確立し、そのために最適の管理基準を決めなければならない。

そこで、本発明は、スラリー安定化処理した石炭灰がコンクリート用混和材に適するように管理基準を定めて品質管理方法を提供するものである。

本発明の石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法は、石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物の塩基性灰の確認、未燃カーボン含有量、ｐＨ測定及び粒度分布を順次測定し、測定基準値に合格した石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物をスラリーとし、スラリー濃度が基準値を合格したスラリーをコンクリート用混和材として使用することを特徴とする。

品質管理は、未燃カーボン含有量の管理基準値を４％以下、ｐＨの管理基準値を９以下、粒度分布の管理基準値を対象試料と完全分散状態の粒度分布のピーク値の比が９５％以下、スラリー濃度の管理基準値を規定濃度に対して±５％以内とする。

本発明により、石炭灰及び燃焼系産業廃棄物を工業的に安定化処理してスラリーとし、性状が一定した品質のよいコンクリート用混和材として使用することができるスラリーの品質管理システムを確立することができる。

また、本発明によって、石炭灰及び燃焼系産業廃棄物を安定化処理したスラリーを混和材として使用したコンクリートを工業製品として成立させることができる。

図１は本発明による石炭灰のスラリー品質管理のフロー図である。

図１において、品質管理のために、ステップＳ１〜Ｓ４により石炭灰のｐＨ、未燃カーボン含有量、スラリーのｐＨ、粒度分布の測定が実施される。

まず、受け入れられたロットの石炭灰をスラリー化する前にｐＨ計で石炭灰のｐＨを測定し、塩基性灰の判定をする（Ｓ１）。塩基性の石炭灰は、安定化処理の工程に送る。塩基性でない石炭灰は、本システムの対象外なので、産業廃棄物として処理する。

安定化処理工程は、例えば、前記特許文献１に記載されている方法に従って、石炭灰と表面活性剤を含む水をミキサーに注入し、ミキサー内に空気を圧送し、電磁石を内蔵した攪拌板で撹拌することにより、起泡させて未燃カーボンを低減させるとともに、空気のＣＯ_２で中和し、電磁石で鉄分を分離する。

浮遊選鉱により未燃カーボンを除去し、未燃カーボン含有量を測定し、未燃カーボン含有率の判定をする（Ｓ２）。未燃カーボンを多量に含んだフロス灰を回収し、テール灰のみにする。未燃カーボンが基準値を満たしていない場合は浮遊選鉱を継続する。回収した未燃カーボンを多量に含んだフロス灰は、含有カロリーを利用してアスファルト原料に使用する。

石炭灰をコンクリートに混合する際、石炭灰に含有される未燃カーボンが減水剤等のコンクリート用化学混和剤を吸着し、これら混和剤が発現する性能を阻害する。また、未燃カーボンが多く含有される石炭灰を使用するとコンクリートの流動性が低下する傾向にある。ＪＩＳ Ａ ６２０１−１９９９（コンクリート用フライアッシュ）ではＩＩ種の強熱減量を５．０％以下と規定している。

図２は、未燃カーボン含有量とフローの関係を示すグラフである。図２において、単位セメント量２８５ｋｇ／ｍ^３、単位水量１８５ｋｇ／ｍ^３で、単位石炭灰量３３２ｋｇ／ｍ^３とした調合における未燃カーボン含有率とフロー値の関係を示す。図２中の丸数字１〜４は同じ石炭灰で未燃カーボンの量を変化させている。未燃カーボン含有率を低減させた場合は、フローが大きくなり、未燃カーボン含有率をＪＩＳＩＩ種規定値５．０％以下とした場合、その効果が顕著に見られ、状態の良いモルタルとなる。これらをもとに、安定化処理後の未燃カーボン含有率をＪＩＳＩＩ種規定値５％以下となるように設定する。

本発明の品質管理では、未燃カーボン含有率の管理基準を、フローが顕著に大きくなる４％以下に設定する。

図３は、石炭灰の未燃カーボンを、浮遊選鉱によって除去した場合、未燃カーボンの分離効率と処理条件を、スラリー濃度とテール灰の強熱減量の関係で示すグラフである。

図３において、スラリー濃度や未燃カーボン捕集剤であるケロシン並びに起泡剤であるパイン油の濃度を組み合われることにより目標値管理のための最適な処理条件が得られる。図３では強熱減量（≒未燃カーボン含有率）１６％の石炭灰についても、強熱減量４．０％以下に処理できることを示している。

未燃カーボン含有率の管理は、強熱減量法より短時間で測定可能なメチレンブルー吸着量で行う。図４はメチレンブルー溶液ＵＶ吸収スペクトル（Ｍｕｓｗｅｌｌｂｒｏｏｋフロス）の経時変化を示すグラフである。セメント協会標準試験方法によるフライアッシュのメチレンブルー吸着量試験方法では、「ＵＶ吸収スペクトルの波長を６６５ｎｍ付近で測定する」と規定されているが、図４に示すように、ピークスペクトルは６２０ｎｍ付近と６６５ｎｍ付近に２箇所存在している。６６５ｎｍ付近の波長では同一試料でも経時変化により、吸光度が大きく変化している。それに対して６２０ｎｍ付近の波長では、経時変化に依存せず吸光度は、ほぼ一定の値を示す。

本発明では、スラリー品質管理システムにおいて測定法として定着しているメチレンブルー吸着量測定方法を用いながら、吸光度測定を６２０ｎｍの波長に特定した点にある。６２０ｎｍのメチレンブルー吸着量から未燃カーボン含有率を算定することによって精度の高い品質管理を実現することができる。なお、メチレンブルー吸着量試験は、強熱減量試験で同定する。

未燃カーボン含有率が基準値を満足している時は、次の工程に進む。

未燃カーボンの除去が終了後、遊離ＣａＯを中和するために空気攪拌を行い、ｐＨを測定し、ｐＨの判定をする（Ｓ３）。

遊離ＣａＯの中和に関する化学反応式を以下に示す。
ＣＯ_２ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｈ_２ＣＯ_３
ＣａＯ ＋ Ｈ_２Ｏ → Ｃａ（ＯＨ）_２
Ｃａ（ＯＨ）_２ ＋ Ｈ_２ＣＯ_３ → ＣａＣＯ_３ ＋ ２Ｈ_２Ｏ
この化学反応式におけるＣＯ_２の供給源は、大気中のＣＯ_２である。今、１％の遊離ＣａＯを含有している石炭灰１、０００ｔを安定化処理した場合、空気中のＣＯ_２を約７．８６ｔ固定することができる。排出権取引の内、ＣＯ_２ガスの固定によって排出権を獲得すれば、ＣＯ_２１ｔあたり３、０００円とすれば、石炭灰を１、０００ｔ安定化処理すれば、２３、５８０円の排出権を獲得できる。

図５に塩基性石炭灰を空気で中和したときのスラリー化に伴うｐＨの経時変化を示すグラフである。試料に用いた石炭灰は遊離ＣａＯの含有率が高いため、加水直後はｐＨ１３を超える高いアルカリ性を示す。空気を吹き込みながら撹拌を続けると２日目からｐＨの低下が見られる。この時、処理を停止すると再びｐＨは上昇する。これは処理を停止した時点で未溶解のＣａＯが溶出してｐＨを上昇させるためと考えられる。ＣＯ_２ガスで中和処理すればより早くｐＨは低下するが、処理を停止すると同様の傾向を示す。これは石炭灰に含有される遊離ＣａＯの溶解にある程度の時間がかかるためであり、コスト的に無駄なく処理を行うには空気中のＣＯ_２濃度程度で時間をかけて処理する方が効果的である。

遊離ＣａＯの中和管理はｐＨ計で行う。遊離ＣａＯを完全に中和させた時の平衡状態のｐＨは、８．５である。実際には図５に示すように、ｐＨが９を下回るまで中和処理を行うと、攪拌処理を停止してもｐＨが１０以上まで上昇することはなく、コンクリートの品質を低下させることはない。

本発明では、中和処理判定の基準として連続して３回ｐＨが９以下であることで確認すること、およびその判定間隔（ｉ−２、ｉ−１、ｉ）を定めたことである。管理基準を以下のように設定する。
管理基準：［ｐＨ］ｉ−２ ＝ ［ｐＨ］ｉ−１ ＝ ［ｐＨ］ｉ ≦ ９．０
スラリーｐＨが規定値以下になったことを確認して次の工程に移る。

粉体をスラリー化する最大の利点は、コンクリートに用いた場合に良好な流動性が得られることである。図６はスラリー化によるモルタルフローの変化を示すグラフである。

高性能ＡＥ減水剤の添加量（粉体比０．７％）を他の条件と同一にし、スラリー化時間のみ変化させた場合のモルタルの流動性を示している。図６から明らかなように、スラリー化のために水中で１日間攪拌した石炭灰を使用したモルタルフロー値は著しく向上し、スラリー化しない石炭灰を用いた場合には２００ｍｍ程度であった値が、スラリー化時間２日目以降では３００ｍｍ以上のフロー値となった。スラリー化時間１日間で静置した場合にもフロー値の低下はみられないことから、スラリー化時間１日間で石炭灰が一次粒子に分散し、その後は凝集しない状態、即ちスラリーになっている。スラリー化処理をしない場合、この場合、水中で３分間撹拌して一時的に分散させ、以後そのまま静置したものが該当するが、静置時間の増加に伴いフロー値が低下しており、スラリー化をしないままで用いた場合よりも流動性が低下する。

図７は目標フローを１８０±１ｍｍにするための高性能ＡＥ減水剤添加量とスラリー化時間の関係を示すグラフである。高性能ＡＥ減水剤の添加量はスラリー化時間３日まで著しく低下し、同７日で１／３程度まで低減できる。なお、図中にはフロー値比がＪＩＳＩ種に相当する高品質石炭灰をスラリー化しないで、高性能ＡＥ減水剤のみでフロー値を出した場合の添加量ならびに添加率を示しているが、スラリー化処理を３日程度行うことで同等の性状が得られることを示した。上記の結果はスラリー中の粒子の分散状態がフレッシュコンクリートの流動性並びに混和材の添加量に影響を与えることを示すものである。この粒子分散状態の程度をスラリーの粒度分布で管理する手法により、粒子分散状態の判定と同時にスラリーを構成する粒径に関する情報も得られるという優れた効果が得られる。

スラリー粒子の分散度を判定するためスラリーの粒度分布を測定し、粒度分布の判定を行う（Ｓ４）。図８にスラリー化時間と粒度分布ピーク値の関係の模式図を示す。スラリーに超音波分散処理を行い、完全分散状態にした時の粒度分布のピーク値粒径を１とする。攪拌を続ければ、スラリーの粒度分布のピーク値粒径も１に近づく。粒度分布の管理基準は目標値９５％管理とする。粒度分布測定の手順は、管理対象スラリーの粒度分布のピーク値粒径（１）を求めた後、対象試料に対して超音波分散処理を行い、完全分散状態にした時の粒度分布のピーク値粒径（２）を求め、その比を算定する。管理基準は対象試料と完全分散状態の粒度分布のピーク値の比が１．００〜１．０５の範囲内とする。

粒度分布が規定値の範囲内（９５％以内）であることを確認した後、スラリー濃度を計測する。スラリー濃度は比重計により測定し、管理基準を以下のように設定する。スラリー濃度の管理基準は、規定濃度に対して±５％以内とする。規定濃度に対する管理範囲の関係は表１の通りとする。

これら計測の品質を有する管理証明としてミルシートを発行しコンクリート用混和材として出荷する。

本発明による石炭灰のスラリー品質管理のフロー図である。 未燃カーボン含有量とフローの関係を示すグラフである。 未燃カーボンの分離効率と処理条件を、スラリー濃度とテール灰の強熱減量の関係で示すグラフである。 メチレンブルー溶液ＵＶ吸収スペクトル（Ｍｕｓｗｅｌｌｂｒｏｏｋフロス）の経時変化を示すグラフである。 塩基性石炭灰を空気で中和したときのスラリー化に伴うｐＨの経時変化を示すグラフである。 スラリー化によるモルタルフローの変化を示すグラフである。 目標フローを１８０±１ｍｍにするための高性能ＡＥ減水剤添加量とスラリー化時間の関係を示すグラフである。 スラリー化時間と粒度分布ピーク値の関係を示す模式図である。

符号の説明

Ｓ１：塩基性灰の判定
Ｓ２：未燃カーボン含有率の判定
Ｓ３：ｐＨの判定
Ｓ４：粒度分布の判定

Claims (5)

1. 石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物の塩基性灰の確認、未燃カーボン含有量の測定、空気撹拌後のｐＨ測定及び粒度分布の測定を行い、各測定基準値に合格した石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物をスラリーとし、スラリー濃度が基準値を合格したスラリーをコンクリート用混和材として使用することを特徴とする石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法。
2. 未燃カーボン含有量の管理基準値を４％以下、ｐＨの管理基準値を９以下、粒度分布の管理基準値を対象試料と完全分散状態の粒度分布のピーク値の比が９５％以下、スラリー濃度の管理基準値を規定濃度に対して±５％以内とすることを特徴とする請求項１記載の石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法。
3. 未燃カーボン含有率をメチレンブルー吸着量測定方法の吸光度測定を６２０ｎｍのスペクトル波長で行い算定することを特徴とする請求項１記載の石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法。
4. 空気撹拌後のｐＨ判定の基準として連続して３回ｐＨが９以下であることで確認することを特徴とする請求項１、２又は３記載の石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法。
5. スラリーの粒度分布の測定によりスラリー粒子の分散度を判定基準とすることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の石炭灰及び／又は燃焼系産業廃棄物のスラリー品質管理方法。

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