JP2007238370A - 軽量骨材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】コンクリートに用いられた軽量骨材からシリカが溶出するのを抑制でき、これにより、アルカリシリカゲルの発生を抑制し、アルカリシリカゲルの膨張によるコンクリートのひび割れを抑制できる軽量骨材の製造方法、及び軽量骨材の提供を課題とする。
【解決手段】原料１０を粉砕又は造粒する工程１１と、粉砕又は造粒する工程１１によって粉砕又は造粒された原料１０を焼成する工程１２とを含み、粉砕又は造粒する工程１１で、原料１０中にシリカ（SiO2）に付着する特性を有する改質材１４を供給する。
【選択図】図１

Description

本発明は、鉄道又は道路用の橋梁や高架橋の上部工などを軽量コンクリートで構築する際に使用される軽量骨材の製造方法、及び軽量骨材に関する。

コンクリートを製造する場合、アルカリ骨材反応を起こさない骨材を使用することが基本となる。なお、アルカリ骨材反応とは、周知のように、コンクリートの劣化に関係する現象のひとつであり、コンクリート中のアルカリ（Ｎａ₂ＯやＫ₂Ｏ）と骨材中のシリカ鉱物などが反応し、吸水して膨張する性質を有する生成物が生じる結果、コンクリートを変形させたりひび割れを生じさせ、静弾性係数や圧縮強度等の力学特性を低下させる現象である。

アルカリ反応性の評価方法で「無害でない」と判定されれば、抑制対策を講ずる必要がある。一般的には、アルカリ総量を抑制する方法が広く用いられる。しかし、例えば高架橋の上部工など、単位セメント量が多くなる場合には、アルカリ総量抑制を満足できないことがある。この場合は、できる限りアルカリ反応性の低い骨材を用いることが望ましい。

一方、コンクリートの軽量化を図るために従来から軽量骨材が用いられている。従来の軽量骨材は、原料となる頁岩（堆積岩の一種。1/16mm以下の鉱物粒子（粘土）が水中で水平に堆積したものが固結してできる。）、パーライト（黒曜石、真珠岩、松脂岩を焼いて仕上げた軽量の骨材。）、流紋岩、河川堆積物などの鉱物を粉砕又は造粒し、これを高温で焼成することにより製造するのが一般的であった。

しかしながら、従来の軽量骨材は、頁岩、パーライト、河川堆積物などの鉱物を高温で焼成する際に、アルカリと反応性を有する非晶質シリカ（Si02）が生成されるために、次のような問題が発生していた。

すなわち、非晶質のシリカは、pHの高い（アルカリ性）水溶液に溶出しやすい特性を有する。また、この非晶質のシリカは、コンクリート材料であるセメントや混和剤などから供給されるナトリウム（Na）やカリウム（K）などのアルカリと反応して、アルカリシリ
カゲルを生成する。

そして、このアルカリシリカゲルが、吸水することにより異常に膨張し、コンクリートにひび割れが発生するという問題があった。このため、この問題を解決する手法として、アルカリ総量を規制する方法が用いられることがある。

しかし、アルカリ総量を抑制する方法では、上記のように、例えば高架橋の上部工など、単位セメント量が多くなる場合には、アルカリ総量抑制を満足できないという問題が生じることがある。

本発明は、かかる従来の問題点を解決するためになされたもので、コンクリートに用いる軽量骨材からシリカが溶出するのを抑制でき、これにより、アルカリシリカゲルの発生を抑制し、コンクリートにひび割れが発生するのを抑制できる軽量骨材の製造方法、及び軽量骨材を提供することを目的とする。

（１）本発明の軽量骨材の製造方法は、
原料を粉砕又は造粒する工程と、前記粉砕又は造粒する工程によって粉砕又は造粒された前記原料を焼成する工程とを含む軽量骨材の製造方法において、
前記粉砕又は造粒する工程で、前記原料中にシリカと結合する特性を有する改質材を供給することを特徴とする軽量骨材の製造方法。

上記原料としては、頁岩、パーライト、河川堆積物などを例示できる。本発明では、軽量骨材を製造する際に、原料を粉砕又は造粒する工程で、原料中に改質材が供給される。これにより、原料に改質材が混入される。この改質材は、アルカリと接触してもアルカリシリカゲルを生成しにくい性質を有しており、原料の焼成工程で生成されるシリカのアルカリ反応性を低減させる。

このように、吸水膨張性を有するアルカリシリカゲルの発生を抑制することにより、コンクリートに発生するひび割れを抑制できる。

なお、コンクリート中のアルカリ量が多い場合には、改質材の量を調整する（増量する）ことにより、軽量骨材のアルカリ反応性を低減できる。

（２）また、本発明の軽量骨材の製造方法は、
原料を粉砕又は造粒する工程と、前記粉砕又は造粒する工程で粉砕又は造粒された前記原料を焼成する工程とを含む軽量骨材の製造方法において、
前記焼成する工程で、前記原料中のシリカをコーティングして溶出を防止する特性を有する改質材を供給することを特徴とする。

本発明では、原料の焼成工程で原料中に供給された改質材が、原料の表面に付着される。これにより、上記と同様に、本発明の軽量骨材がコンクリートに使用された際に、軽量骨材からシリカが溶出するのを抑制でき、シリカとナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリとが反応して生成されるアルカリシリカゲルの発生、及びこのアルカリシリカゲルの吸水、膨張によるコンクリートのひび割れを抑制できる。

（３）前記改質材としては、アルミナ（酸化アルミニウム）（Al₂O₃）、水酸化アルミ
ニウム（Al(OH)₃）、ムライト、カオリン、ボーキサイト、バンド頁岩等のハイアルミナ
含有物などを例示できる。これらを一種類又は複数種類供給する。

（４）また、本発明の軽量骨材の改質方法は、
人工軽量骨材または天然軽量骨材の表面に、改質材を付着させることを特徴とする。

本発明では、既に製造された人工軽量骨材又は天然軽量骨材を、コンクリート中のシリカと反応しにくい軽量骨材に改質できる。そして、これらの改質された人工軽量骨材又は天然軽量骨材を用いてコンクリートを製造することにより、アルカリシリカゲルの発生、及びコンクリートのひび割れを抑制できる。

（５）また、本発明の軽量骨材は、
骨材表面に、アルカリとの反応性を示すシリカ鉱物などとアルカリ分が直接接することを抑制するべく、コーティングが施されていることを特徴とする。

（６）前記コーティングの材料としては、前記改質材を例示できる。

（７）また、前記コーティングの材料としては、コンクリートと馴染みがよい樹脂材料を例示できる。

本発明では、原料の粉砕又は造粒工程、若しくは原料の焼成工程で原料中に供給された改質材が、原料の焼成工程で生成されるシリカをコーティングする。

これにより、本発明の軽量骨材を用いてコンクリートを製造する際に、コンクリートからシリカが溶出するのを抑制でき、シリカとアルカリ分が反応して生成されるアルカリシリカゲルの発生を抑制できる。これによって、アルカリシリカゲルが吸水して膨張することにより発生するコンクリートのひび割れを抑制できる。

また、本発明では、既に製造された人工軽量骨材又は天然軽量骨材の表面に、シリカの溶出を抑制するコーティングが施されているので、軽量骨材中のシリカ鉱物がアルカリと反応するのを抑制でき、アルカリシリカゲルの発生、及びコンクリートのひび割れを抑制できる。

次に、本発明に係る軽量骨材の製造方法、及び軽量骨材について、図面を参照して詳細に説明する。

〈第１の実施の形態〉
図１は、本発明に係る軽量骨材の製造工程を示す図である。この軽量骨材の製造工程は、原料１０の粉砕又は造粒工程１１と、ここで粉砕又は造粒された原料１０を焼成する焼成工程１２とを含んでいる。上記原料１０としては、頁岩、パーライト、河川堆積物などを例示できる。

また、本発明では、上記粉砕又は造粒工程１１で、原料１０中に非晶質のシリカ（SiO2）と結合する特性を有する改質材１４が供給される。この改質材１４としては、アルミナ（Al₂O₃）、水酸化アルミニウム（Al(OH)₃）、ムライト、カオリン、ボーキサイト、バンド頁岩等のハイアルミナ含有物などを例示できる。

これらの改質材１４は、粉末状を呈している。また、改質材１４は、一種類又は複数種類供給される。原料１０の粉砕方法としては、乾式粉砕、湿式粉砕などを例示できる。

原料１０の粉砕又は造粒工程１１で原料１０中に粉末状の改質材１４が供給されると、図２に示すように、原料１０の間に改質材１４が混入される。

この状態で、原料１０及び改質材１４が焼成工程１２に供給されて焼成され、軽量骨材１が製造される。上記焼成工程１２では、原料１０からシリカが生成されることがある。

焼成工程１２でシリカが生成された場合、このシリカが原料１０内に混入されている改質材１４が付着する。この付着物質は、ナトリウム（Na）やカリウム（K）などのアルカ
リ分に接触しても、アルカリシリカゲルを生成しにくい特性を有している。

従って、この軽量骨材１３を用いてコンクリートを製造した場合、セメントなどから供給されるアルカリ分で、pHの高い（アルカリ性）水溶液が生じても、軽量骨材１３からシリカが溶出するのを抑制できる。

これにより、シリカ鉱物とコンクリート中のアルカリ分とが反応して生成されるアルカ
リシリカゲルの発生を抑制できるので、このアルカリシリカゲルが吸水して膨張することにより発生するコンクリートのひび割れを抑制できる。

例えば、使用セメント量が多いプレストレストコンクリート（ＰＣ）部材では、総アルカリ量の規制値（例えば３．０ｋｇ／ｍ³以下）を満たすことができない場合がある。

このような場合、従来は、コンクリート構造物にアルカリが浸透してアルカリ骨材反応を起こすケースがあった。また、骨材中の可溶性シリカ（SiO₂）が、コンクリート構造物の細孔中の水溶液中に溶出し、アルカリ分と反応してアルカリシリカゲルが生成され、このアルカリシリカゲルが周囲の水を吸水して膨張することにより、コンクリートにひび割れが発生することがあった。

これに対して、本発明の軽量骨材１３を用いたコンクリート構造物は、規制値以上のアルカリが供給される場合であっても、軽量骨材１３中のシリカが溶出するのを抑制できる。これにより、アルカリシリカゲルの発生、及びこのアルカリシリカゲルの膨張によるコンクリートのひび割れを抑制できる。

〈第２の実施の形態〉
上記第１の実施の形態では、原料１０の粉砕又は造粒工程１１で、原料１０中に改質材１４を供給したが、図３に示すように、原料１０の焼成工程１２で、原料１０に改質材１４を供給することができる。

原料１０の焼成工程１２では、図４に示すように、キルン１５を用いて焼成が行われる。このキルン１５は、周知のように、耐火物を内張した円筒状の横型炉であり、この横型炉の傾斜と回転により原料１０を移動させ、乾燥、着火、燃焼させることによって軽量骨材１３を焼成する。なお、図４中の符号１６はバーナー、１７はローラ、１８はローラ受けである。

本実施形態では、キルン１５を用いて原料１０を約１１００℃で加熱する。このとき、アルミナ(Al₂O₃）を含む鉱物を微粉砕した改質材１４を、圧縮空気でキルン１５内の原料１０に噴射することにより供給する。これにより、図５に示すように、焼成された軽量骨材１３の表面１３ａに、改質材１４であるアルミナなどが付着されて改質される。

このようにして製造された軽量骨材１３の骨材表面１３ａと、骨材内部１３ｂとにおけるシリカ（SiO2）、改質材１４であるアルミナ(Al₂O₃）などの含有量を、図６に示す。

図６から分かるように、骨材表面１３ａにおけるシリカの含有量は、骨材内部１３ｂにおけるシリカの含有量よりも少ない。これは、骨材表面１３ａのシリカが、アルミナ（改質材）１４と結合したからである。

また、骨材表面１３ａにおけるアルミナの含有量は、骨材内部１３ｂにおけるアルミナの含有量よりも多い。これは、骨材表面１３ａにアルミナが付着しているからである。

図７は、軽量骨材１３の表面から採取した試料Ｓ１と、軽量骨材１３の内部から採取した試料Ｓ２を用いて行った、溶解シリカ量ＳＣの測定結果を示す。

図７から分かるように、骨材表面１３ａから採取した試料Ｓ１における溶解シリカ量ＳＣの方が、骨材内部１３ｂから採取した試料Ｓ２における溶解シリカ量ＳＣよりも少なくなっている。

この測定結果からも、アルミナなどの改質材１４を骨材表面１３ａに付着させることによって、骨材から溶出するシリカ量を減少でき、コンクリートから溶出したシリカがアルカリと反応する可能性が低下することが分かる。

図８は、本発明の軽量骨材１３を用いてコンクリート供試体を形成し、このコンクリート供試体を用いてアルカリ骨材反応試験を行った結果を示す。

図８から分かるように、アルカリ量が２．７８ｋｇ／ｍ³と多い場合でも、測定材齢が
６月のときに膨張率が０．０１％を超える場合はなかった。

このように、本発明の軽量骨材１３は、「コンクリートのアルカリシリカ反応性判定試験(JCI-AAR-3-1987」に規定されるアルカリ量（２．４ｋｇ／ｍ³）より多いアルカリ量であっても、「反応性有り」と判定されるアルカリ骨材反応による膨張を生じないことが確認された。

〈第３の実施の形態〉
図９は、本発明に係る第３の実施の形態の軽量骨材２０を示す。この軽量骨材２０は、既に製造された人工軽量骨材又は天然軽量骨材２１の表面２１ａに、シリカの溶出を抑制するべく、コーティング２２が施されている。

このコーティング２２の材料としては、上記改質材１４と同様に、アルミナ、水酸化アルミニウム、ムライト、カオリン、ボーキサイト、バンド頁岩等のハイアルミナ含有鉱物が好ましい。また、これ以外にも、フェノール樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂等のコンクリートと馴染みがよい樹脂材料で、シリカの溶出を抑制できるものであれば、コーティング材として任意に選択できる。

コーティング方法としては、上記コーティング材を水でスラリー状にし、この中に既に完成している人工軽量骨材又は天然軽量骨材２１を入れる方法、或いは、上記コーティング材を人工軽量骨材又は天然軽量骨材２１に吹き付けるなどの方法を例示できる。

このようにして製造された軽量骨材２０を用いてコンクリートを製造した場合は、コーティング２２の作用によって、軽量骨材２０からシリカが溶出するのを抑制できる。また、溶出されたシリカは、コーティング２２の材料である改質材１４と結合する。従って、シリカとアルカリとの反応を抑制し、アルカリシリカゲルの生成、及びこのアルカリシリカゲルの膨張によるコンクリートのひび割れを抑制できる。

本発明に係る第１の実施の形態における軽量骨材の製造方法を示す工程図である。 本発明に係る第１の実施の形態における骨材原料に改質材が混入された状態を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態における軽量骨材の製造方法を示す工程図である。 本発明に係る第２の実施の形態におけるキルン内の原料に改質材を噴射する方法を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態における軽量骨材を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態における軽量骨材の骨材表面と骨材内部のシリカやアルミナなどの含有量を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態における軽量骨材の熔解シリカ量を示す図である。 本発明に係る第２の実施の形態における軽量骨材を用いたコンクリートによるアルカリシリカ反応性判定試験結果を示す図である。 本発明に係る第３の実施の形態における軽量骨材のコーティングを示す図である。

符号の説明

１０ 軽量骨材の原料
１１ 粉砕又は造粒工程
１２ 焼成工程
１３ 軽量骨材
１３ａ 骨材表面
１３ｂ 骨材内部
１４ 改質材
１５ キルン
２０ 軽量骨材
２１ 人工軽量骨材又は天然軽量骨材
２１ａ 骨材表面
２２ コーティング

Claims (7)

1. 原料を粉砕又は造粒する工程と、前記粉砕又は造粒する工程によって粉砕又は造粒された前記原料を焼成する工程とを含む軽量骨材の製造方法において、
   前記粉砕又は造粒する工程で、前記原料中のシリカをコーティングして溶出を抑制する特性を有する改質材を供給することを特徴とする軽量骨材の製造方法。
2. 原料を粉砕又は造粒する工程と、前記粉砕又は造粒する工程で粉砕又は造粒された前記原料を焼成する工程とを含む軽量骨材の製造方法において、
   前記焼成する工程で、前記原料中のシリカをコーティングして溶出を防止する特性を有する改質材を供給することを特徴とする軽量骨材の製造方法。
3. 前記改質材は、アルミナ、水酸化アルミニウム、ムライト、カオリン、ボーキサイト、バンド頁岩等のハイアルミナ含有鉱物の少なくとも一つを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の軽量骨材の製造方法。
4. 人工軽量骨材または天然軽量骨材の表面に、シリカをコーティングして溶出を抑制する特性を有する改質材を付着させることを特徴とする軽量骨材の改質方法。
5. 骨材表面に、シリカの溶出を抑制するコーティングが施されていることを特徴とする軽量骨材。
6. 前記コーティングの材料は、シリカをコーティングして溶出を抑制する特性を有する改質材を含むことを特徴とする請求項５に記載の軽量骨材。
7. 前記コーティングの材料は、コンクリートと馴染みがよい樹脂材料であることを特徴とする請求項５又は６に記載の軽量骨材。

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