JP2007320826A

JP2007320826A - 骨材

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Publication number: JP2007320826A
Application number: JP2006155182A
Authority: JP
Inventors: Masayuki Notoya; 雅之能登屋; Hidekazu Todoroki; 秀和轟
Original assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Current assignee: Nippon Yakin Kogyo Co Ltd
Priority date: 2006-06-02
Filing date: 2006-06-02
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2026-06-02
Also published as: JP4777829B2

Abstract

【課題】フェロニッケルを製錬する際に副生成物として得られるフェロニッケルスラグ微粒砂を用いて、天然砂と同等以上の強度を有する骨材を提供する。
【解決手段】ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子を、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を介して結合させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、道路用、土木用等の骨材に関するものである。

従来からの骨材としては、微粒砂を塊とし、石炭灰を混和剤とし、セメントをバインダーとして造粒した道路用又は土木用の骨材がある。しかしながら、このような骨材は、骨材自体の軽量化には好都合であるが、近年のコンクリート構造物のプレキャスト化の増加に伴い、高強度軽量化を目的とした骨材への関心が高まっている現状を鑑みれば、必要に応じた強度を有することは困難であり、用途的にはかなり限定されてしまう。

また、アルミナを含有させることにより、一般の人工骨材と比べて密度が高く高強度とされる人工骨材が報告されている（例えば、特許文献１及び２参照。）。しかしながら、これらの焼成骨材を製造する場合、アルミナ系原料は、それ自体が高融点であることから、焼結助材の役割を果たすためには、焼成温度が高温である必要がある。そのため、１４００℃以下の焼成温度では、比重にバラツキが出やすく空隙率も増し、強度も不安定となってしまい、安定的な品質が得られない。

さらに、これらの焼成骨材は、主たる目的を軽量化としているため、普通コンクリートに用いるための普通骨材とした場合、前述したように、高融点原料であるがゆえに、普通骨材に適合するように高密度化するには、長い時間の高温焼成が必要となり、さらなるコストの増加につながり、人工骨材を使用するメリットが無くなり、現実的な骨材とは言えない。

したがって、これらの従来技術は、骨材の性能及び質、コストを目的としたものではなく、むしろフライアッシュやアルミドロスなどの産業廃棄物の有効利用を主目的とした焼成骨材である。

特開平１０−２５１０４８号公報特開２００５−２８１０７５号公報

本発明は、フェロニッケルを製錬する際に副生成物として得られるフェロニッケルスラグ微粒砂を用いて、天然砂と同等以上の強度を有する骨材を提供することを目的としている。

発明者らは、上記課題を解決するために、種々の条件で酸化物を焼結して得られた焼結塊について検討を重ねた結果、焼結塊のミクロ組織において、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子が、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相によって結合された場合に、良好な強度を有する骨材が得られることを見い出した。したがって、本発明の骨材は、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子を、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を介して結合させたことを特徴としている。

また、本発明の骨材においては、化学成分が、ＳｉＯ_２：３０〜７０重量％、ＦｅＯ：５〜１５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５重量％、ＣａＯ：１〜１０重量％、ＭｇＯ：１０〜４０重量％からなることが好ましい。

本発明によれば、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子が、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相によって結合されることにより、天然砂と同等以上の強度が発揮され、具体的には、ＪＩＳＡ１１２１に準じたすりへり減耗率を１８％以下にすることができる。また、近年、環境保護などの観点から、天然砂の入手が困難となってきているが、本発明によれば、フェロニッケル製造の副産物を利用することができることから、地球環境保全に大きく寄与するものでもある。

なお、ＪＩＳＡ１１２１に準じたすりへり減耗率とは、原料をペレット状に成型し、これを加熱炉に装入し、８００〜１５００℃にて焼成した焼結塊に対して、ロサンゼルス試験機によりすりへり試験を行い、１．７ｍｍの網篩を通過した重量の割合であり、本発明においては、天然砂のすりへり減耗率が１８％以下であることから、１８％以下のものを良好として評価した。

本発明の骨材は、図１に示すように、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子１を、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト２及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相３を介して結合させたミクロ組織を有するものである。なお、符号４は、（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏ・（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３スピネルを示したものである。

このようなミクロ組織は、平衡状態図などを参照すると、以下のように形成されたものと推測される。（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相は、焼成温度においては液体であり、適正な量の液相を形成することにより、骨格であるＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子を取り囲み、この液体部分が凝固する際にそれぞれの相が形成される。そのため、パイロキシン粒子の周囲に形成されたオージャイトによって、パイロキシン粒子の結合力が高められ、天然砂と同等以上の強度が発揮される。なお、ここで言う液相とは、オージャイトとＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の和である。

また、パイロキシンは骨材の骨格を成す鉱物相であり、本発明においては、パイロキシンの体積率が６０体積％以上であることが好ましく、６５体積％以上であることがより好ましい。体積率が６０％未満では、十分な強度を確保できない。

さらに、ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシン中の不純物元素としては、ＦｅＯ、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３、Ｃｒ_２Ｏ_３が含まれ、この不純物元素の合計は１５重量％以下であることが好ましい。パイロキシンは、それ単体では融点が１５５７℃と高いが、不純物元素が混入すると融点が下がり、骨格が崩れてしまい、ひいては、強度の低下を引き起こすので、１５重量％以下とした。

また、本発明においては、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の体積率は、１０〜４０体積％であることが好ましい。これら２つの相は、焼成温度において、液体として存在し、パイロキシンの結晶を結合して強度を確保する役割を持つ。そのため、結合強度の観点から、１０体積％以上の体積率が必要である。しかしながら、体積率が４０体積％を超えると、焼結塊そのものの強度が低下してしまうため好ましくない。

さらに、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の各構成成分については、ＣａＯ：３〜１５ｍａｓｓ％、ＳｉＯ_２：４０〜７０ｍａｓｓ％、Ａｌ_２Ｏ_３：１０〜３０ｍａｓｓ％、ＭｇＯ：０．３〜７ｍａｓｓ％、ＦｅＯ：３〜１５ｍａｓｓ％であることが好ましい。これらの範囲は、相の融点と流動性の観点から規定したものであり、この範囲においては、融点が１０００〜１３００℃付近となって焼結に有効に作用するとともに、パイロキシンの結晶間に、効果的に充填するに足る十分な流動性を有する。また、本発明の骨材を製造する通常の条件においては、ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相はガラス相になる確率が高いが、ガラス相の形成がなくてもよい。

また、本発明の骨材における化学成分は、ＳｉＯ_２：３０〜７０重量％、ＦｅＯ：５〜１５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５重量％、ＣａＯ：１〜１０重量％、ＭｇＯ：１０〜４０重量％からなることが好ましい。以下、これらの各成分について説明する。

ＳｉＯ_２は、焼結塊の骨格であるＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンを６０体積％以上形成するために必要な成分であると同時に、焼成温度において液体である（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を構成するためにも必要な成分である。このＳｉＯ_２の含有量が３０重量％未満では、十分な液体を得ることが出来ず、良好な強度が得られず、すりへり減耗率も１８％を超えてしまう。一方、この含有量が７０重量％を超えて高いと、６０体積％以上のＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンが得られなくなるため、良好な強度が得られず、すりへり減耗率も１８％を超えてしまう。そのため、本願発明におけるＳｉＯ_２の含有量を３０〜７０重量％に規定した。

ＦｅＯは、焼成温度において液体である（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を構成するために有効な成分であり、ＦｅＯの含有量が最低５％以上は必要となる。逆に、この含有量が１５重量％を超えると、（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏ・（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３スピネルが増加し、強度の低下を招く。特にスピネルが２０体積％を超えると、強度の低下が著しい。（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏ・（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３スピネルが強度の低下を招く理由は、結晶が析出するとき、体積収縮するので、晶出部周辺に空隙部ができるためと考えられる。そのため、本願発明におけるＦｅＯの含有量を５〜１５重量％に規定した。

Ａｌ_２Ｏ_３は、焼成温度において液体であるＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を形成するために有効な成分であり、Ａｌ_２Ｏ_３の含有量が０．１重量％以上は必要である。逆に、この含有量が５重量％を超えて高くなると、（Ｍｇ，Ｆｅ）Ｏ・（Ｃｒ，Ａｌ）_２Ｏ_３スピネルが増加し、強度の低下を招く。そのため、本願発明におけるＡｌ_２Ｏ_３の含有量を０．１〜５重量％に規定した。また、この含有量は０．５〜３重量％であることがより好ましい。

ＣａＯは、本発明においてとても重要な成分である。ＣａＯがないと、焼成温度において液体である（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相のいずれも自発的に形成されない。すなわち、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＦｅＯのみでは液体は形成されず、ＣａＯの存在によって、初めて液体を形成することができる。そのため、ＣａＯの含有量が１重量％以上は必要である。しかし、この含有量が１０重量％を超えて高すぎると、液相率が４０体積％を越えてしまう。ひいては、ロータリーキルン内にて原料の付着現象が生じ、生産性を著しく低下させる。そのため、本願発明におけるＣａＯの含有量を１〜１０重量％に規定した。また、この含有量は１．５〜７重量％であることが好ましく、２〜５重量％であることがより好ましい。

ＭｇＯは、焼結塊の骨格であるＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンを形成するために必要な成分であり、ＭｇＯの含有量が１０重量％以上は必要である。もともと、ＭｇＯは融点が２８００℃と著しく高融点な酸化物であるため、含有量が４０重量％を超えると、液相が形成されにくくなる。具体的には、４０重量％を超えると、液相率が１０体積％を下回って低くなり、十分な強度を持つ焼結塊が得られない。そのため、本願発明におけるＭｇＯの含有量を１０〜４０重量％に規定した。

さらに、本発明の骨材の化学成分においては、ＭｇＯ／ＳｉＯ_２が０．４５〜０．６０であることが好ましく、０．４７〜０．５９であることがより好ましく、０．４８〜０．５８であることがさらに好ましい。ＭｇＯ／ＳｉＯ_２の比率は、原料の融点を間接的に表す重要な指標である。すなわち、この比率が０．４５より低すぎると、融点が低下しキルンへの付着問題を起こす。逆に、この比率が０．６０を超えて高いと、融点が高くなり、焼結塊の強度が確保できない。

本発明の骨材は、例えば、ロータリーキルンを用いて、フェロニッケルスラグを焼成することにより製造することができる。具体的には、粒度０．２ｍｍ以下の微粒フェロニッケルスラグを、水分含有量１０〜２５％に調節して、サイズ３０ｍｍ以下のペレットを成型し、これを、ロータリーキルンに装入し、１２００〜１３５０℃で焼成する。ここで、焼成温度をこの範囲にする理由は、１２００℃よりも低いと、十分な量の液相が形成せず、十分な強度を持つ焼結塊が得られず、一方、１３５０℃を超えて高いと、液相が増加しすぎてロータリーキルン内での原料付着問題が生じたり、スピネル相の割合が高くなり、焼結塊の強度が低下するといった問題を有するためである。

また、焼成後の冷却は、空冷が好ましい。その理由は、空隙が少なく、十分な強度を確保することができるからである。さらに、このようにして製造された焼結塊を、普通骨材に用いる場合には、ＪＩＳＡ５０１５に規定されている表乾密度２．４５ｇ／ｃｍ^３以上、吸水率３．０％以下であることが望ましい。なお、本発明の骨材を製造する方法は、これに限定されるものではない。

次に、本発明の製造例を用いて、本発明の効果を説明する。
１．骨材の製造
＜製造例１＞
表１に示すような篩目０．０７５ｍｍ以下１００重量％のフェロニッケルスラグ細骨材と、バインダーであるセメントとを、表２に示すように、重量比で８５：１５で混合し、この混合物を造粒し、乾燥させて、粒度５〜１５ｍｍの従来の骨材を製造した。

＜製造例２〜７＞
表３に示した化学成分を有する篩目０．０７５ｍｍ以下１００重量％のフェロニッケルスラグ微粒砂を、水分含有量１０％に調節した後、サイズ５〜３０ｍｍのペレットを成型し、これを、内径０．４５ｍ、長さ８．３４ｍ、回転数１２６ｒｐｈのロータリーキルンに装入し、焼成温度１３００℃で焼成し、粒度５〜１５ｍｍの本発明の骨材を製造した。なお、表３に示した化学成分については、蛍光Ｘ線分析装置により測定した値である。

２．評価
上記のようにして製造された製造例１〜７の骨材について、走査電子顕微鏡によりミクロ組織を観測し、本発明の骨材である製造例２〜７については、請求項１に規定する構造を有することを確認した後、これらの骨材について、ロサンゼルス試験機を用いたすりへり減耗率を測定し、それぞれの強度を評価した。なお、このすりへり減耗率は、上述したＪＩＳＡ１１２１に準じたすりへり減耗率であり、天然砂のすりへり減耗率（１８％以下）を基準として評価した。

次いで、製造例２〜８の骨材について、走査電子顕微鏡及びエネルギー分散型分析装置を用いて、パイロキシン、オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の面積率を測定し、この面積率から体積率を算出した。また、エネルギー分散型分析装置を用い、これらの各鉱物相の化学成分を２０点分析して測定した。さらに、これらの骨材について、表乾密度及び吸水率を、細骨材の密度および吸水率試験方法ＪＩＳＡ１１０９、粗骨材の密度および吸水率試験方法ＪＩＳＡ１１１０に基づき測定した。これらの結果は表２及び４に示した。

表２から明らかなように、製造例１の従来の骨材は、すりへり減耗率が４０．２％と高く、天然砂に比べて強度が非常に劣るものであった。これに対して、製造例２〜７の本発明の骨材は、すりへり減耗率が１３．６〜１６．１％と低く、天然砂と同等以上の強度を有することが示された。

表４から明らかなように、製造例５は、化学成分が好適な範囲を逸脱し、パイロキシンの体積率が６０体積％未満であるため、また、製造例６及び７は、化学成分が好適な範囲を逸脱し、オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の体積比が１０重量％未満であるため、すりへり減耗率が１９．６〜２５．６％とやや高くなることが示された。これに対し、化学成分、並びに、パイロキシン、オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の体積率が好適な範囲である製造例２〜４では、すりへり減耗率が１３．６〜１６．１％と低く、天然砂と同等以上の強度を有することが示された。また、表乾密度及び吸水率についても、本発明のより好適な態様である製造例２〜４において良好であることが示された。

本発明の骨材の走査電子顕微鏡写真を模式的に示した図である。

符号の説明

１…パイロキシン、２…オージャイト、
３…ＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相、４…スピネル。

Claims

ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの粒子を、（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相を介して結合させたことを特徴とする骨材。
化学成分が、ＳｉＯ_２：３０〜７０重量％、ＦｅＯ：５〜１５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：０．１〜５重量％、ＣａＯ：１〜１０重量％、ＭｇＯ：１０〜４０重量％からなることを特徴とする請求項１に記載の骨材。
前記ＭｇＯ・ＳｉＯ_２パイロキシンの体積率は、６０体積％以上であることを特徴とする請求項１又は２に記載の骨材。
前記（Ｍｇ，Ｃａ，Ｆｅ）Ｏ・ＳｉＯ_２オージャイト及びＣａＯ−ＳｉＯ_２−Ａｌ_２Ｏ_３−ＭｇＯ−ＦｅＯ系相の体積率は、１０〜４０体積％であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の骨材。
ＪＩＳＡ１１２１に準じたすりへり減耗率が、１８％以下であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の骨材。