JP2015145319A

JP2015145319A - アノーサイトを含有する焼成物

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Publication number: JP2015145319A
Application number: JP2014018325A
Authority: JP
Inventors: 昂平大村; Kohei Omura; 関　卓哉; Takuya Seki; 卓哉関; 中村　明則; Akinori Nakamura; 明則中村; 弘義加藤; Hiroyoshi Kato
Original assignee: Tokuyama Corp
Current assignee: Tokuyama Corp
Priority date: 2014-02-03
Filing date: 2014-02-03
Publication date: 2015-08-13

Abstract

【課題】石炭灰を主成分としてアノーサイトを含有する焼成物を得ようとした場合、非晶質相の生成が起きやすい場合があった。
【解決手段】９５０℃での強熱後の残分が、ＣａＯが１０〜２５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が１０〜３０質量％、ＳｉＯ_２が４０〜６５質量％、ＭｇＯが２〜７質量％の範囲内にある原料を１０００〜１４００℃で焼成し、アノーサイトを２０〜７０質量％、オージャイト、ダイオプサイド、ヘデンバージャイトを合算して１０〜５０質量％含み、且つ非晶質相含有量が２０質量％以下である焼成物とする。
【選択図】なし

Description

本発明はアノーサイトを主成分とする焼成物に関する。

近年の地球環境問題と関連して、廃棄物、副産物等の有効利用は重要な課題となっている。セメント産業、セメント製造設備の特徴を生かし、セメント製造時に原料や燃料として廃棄物を有効利用あるいは処理を行うことは、安全かつ大量処分が可能という観点から有効とされている。

廃棄物、副産物等の中で、石炭灰、都市ゴミ焼却灰、高炉水砕スラグ、高炉徐冷スラグ等、特に石炭灰は、通常のセメントクリンカー組成に比べ、Ａｌ_２Ｏ_３含有量が多い。そのためこのような廃棄物、副産物等の使用量を増加させた場合、セメントクリンカー成分のうち間隙相に当たるアルミネート相の含有量が増加することになり、セメント物性に影響が生じる。従って、セメント製造での廃棄物、副産物等の使用量は、Ａｌ_２Ｏ_３成分の量により制約を受け、多量に使用できないという問題がある。

そのような中、上記石炭灰を主成分としてアノーサイトを含有する焼成物を製造し、セメント混合材や細骨材とする技術が提案されている（特許文献１、２参照）。

また、セメントを用いてモルタルやコンクリートを製造する際に、細骨材（砂）は必須の成分である。しかしながら、環境破壊等の懸念から、良質の細骨材を多量に採取するには困難が伴うようになってきている。

特許第４４９４７４３号公報特許第４４５６８３２号公報

ここで、アノーサイトは化学式ＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８で表される。すなわち、ＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２が１：１：２の比率で構成する鉱物である。従って、原料として当該組成比のものを用いれば、ほぼ１００％の割合でアノーサイトを生じる。

しかしながら、前記廃棄物を有用な材料に変換しようとする目的に鑑みれば、上記のような割合の原料とすること自体に現実性が無く、どうしてもある程度の組成のぶれが存在することは避けられない。さらに、廃棄物を原料とする場合、上記３成分以外の金属成分の混入も避けることができない。

そして、発明者等の検討によれば上記３成分の組成比のずれによって非晶質相の生成が起きやすくなる。

ここで、非晶質相はアルカリ性条件下での反応性を有するため、非晶質相が多量に存在する場合には、当該非晶質相が水と反応して体積膨張を起こしたり、あるいは化学抵抗性を低下させたりするなどの問題を生じる。

本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を行った。そしてその結果、焼成物中にアノーサイト以外の鉱物が生成しても多くの場合には問題が生じないことを見出した。この知見に基づき検討を行い、原料中のＣａＯ、Ａｌ_２Ｏ_３及びＳｉＯ_２の含有量を特定の範囲内とし、且つＭｇＯ量を２〜７質量％とすることによって、アノーサイトに加えオージャイト、ダイオプサイド、ヘデンバージャイトの３種類の鉱物のうち少なくとも１種類以上を生成させることで非晶質相の生成割合を低く抑えられることを見出し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、アノーサイトを２０〜７０質量％、オージャイト、ダイオプサイド、ヘデンバージャイトを合算して１０〜５０質量％含み、且つ非晶質相含有量が２０質量％以下である焼成物である。

当該焼成物は９５０℃での強熱後の残分が、ＣａＯが１０〜２５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が１０〜３０質量％、ＳｉＯ_２が４０〜６５質量％、ＭｇＯが２〜７質量％の範囲内にある原料を１０００〜１４００℃で焼成して得られる。

本発明の焼成物は、化学的に安定性の高いアノーサイト、オージャイト、ダイオプサイド及びヘデンバージャイトを主成分とするため、セメント混合材や細骨材などとして有用である。

本発明の焼成物はアノーサイトを２０〜７０質量％、オージャイト、ダイオプサイド、ヘデンバージャイトを合算して１０〜５０質量％含む。なおアノーサイト（灰長石）はＣａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８で表される三斜晶系の、オージャイト（普通輝石）は（Ｃａ，Ｍｇ，Ｆｅ）_２Ｓｉ_２Ｏ_６で表される単斜晶系の、ダイオプサイド（透輝石）はＣａＭｇＳｉ_２Ｏ_６で表される単斜晶系の、ヘデンバージャイト（灰鉄輝石）はＣａＦｅＳｉ_２Ｏ_６で表される単斜晶系の鉱物である。

本発明において、焼成物中のアノーサイトの含有率は好ましくは２５〜６０質量％である。またオージャイト、ダイオプサイド及びヘデンバージャイトは合算して１０〜２５質量％であることが好ましい。

さらにアノーサイトの含有率が、オージャイト、ダイオプサイド及びヘデンバージャイトを合算した含有率よりも多いことが好ましい。アノーサイトと、オージャイト、ダイオプサイド及びヘデンバージャイトを合算した含有率は５０〜１００質量％であることが好ましく、７０質量％以上であることがより好ましい。

本発明の焼成物においては、非晶質相（ガラス相）含有量が２０質量％以下でなくてはならない。非晶質相が多いと該非晶質相が水と反応して体積膨張を起こしたり、あるいは化学抵抗性を低下させたりするなどの問題を生じる。好ましくは１０質量％以下、より好ましくは５質量％以下である。

上記本発明の焼成物は、その成分として、９５０℃での強熱後の残分が、ＣａＯを１０〜２５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３を１０〜３０質量％、ＳｉＯ_２を４０〜６５質量％、ＭｇＯを２〜７質量％の範囲に調製した原料を用い、これを焼成することにより好適に製造できる。この範囲とすることにより、目的とする鉱物が十分に生じ、また非晶質相の量を少なくすることができ、セメント混合材や細骨材等として適当な物性を有するものとなる。

ここで、９５０℃での強熱後の残分とするのは、例えば石炭灰等の廃棄物・副産物を原料の一部として用いた場合、これら原料が水分や可燃成分（未燃カーボンなど）を含むことが多くある。よって、原料が含む該水分や未燃カーボンなどを除去し、１０００〜１４００℃の温度で焼成した場合の化学組成に、より正確に反映させるためのものである。例えば、石炭灰によっては、上記水分や未燃カーボンがほとんど含まれていないものから、３０質量％近く含むものまである。また原料の一部として石灰石を用いた場合には、焼成により脱離する二酸化炭素の質量を考慮する必要がある。そのため、これらを除いた化学組成でなくては、十分に目的とする鉱物を生じさせる組成か否かを決定することはできない。

上記組成を有する原料としては、廃棄物の有効利用という観点から石炭灰を主原料とすることが好ましい。但し、一般的な石炭灰は前記範囲と比較するとＣａＯおよびＭｇＯ含有率が低いため、副原料として当該石炭灰よりもＣａＯおよびを用いることが望ましい。

ＣａＯ含有率の高い原料としては代表的には、石灰石、貝殻、生石灰、消石灰が挙げられ、またＭｇＯ含有率の高い原料としては、高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグ、廃煉瓦等が挙げられる。

また本発明においては、上記以外の副原料として、フライアッシュ、シリカフューム、建設発生土、下水汚泥、都市ゴミ焼却灰、下水汚泥焼却灰、等を使用することができる。さらにはポルトランドセメントクリンカー原料として公知の他の原料を用いることもできる。

なお、原料の強熱残分の化学組成が上記範囲に入っているか否かについては、当該原料をＪＩＳＲ５２０２「ポルトランドセメントの化学分析法」やＪＩＳＲ５２０４「セメントの蛍光Ｘ線分析法」などに準拠した方法により測定、確認すれば良い。また、９５０℃での強熱はＪＩＳＲ５２０２中の「５．強熱減量の定量方法」に準じて行う。

本発明において、上記焼成物の原料の焼成温度は１０００℃以上とすることが好ましい。焼成温度が１０００℃未満の場合には上記鉱物の生成が不十分となる場合がある。より好ましい焼成温度は１１００℃以上である。また、焼成温度が１４００℃を上回る場合には、原料が溶融、ガラス化する傾向があるため、上記鉱物の生成が困難となる場合がある。従って、焼成時の最高温度は１４００℃以下が好ましく、１３５０℃以下がより好ましい。

焼成時間は、焼成温度にもよるが、一般的には０．５〜１０時間、好ましくは１〜５時間である。

焼成に際しては各原料を粉末にしておくことが望ましい。粉末度としては、セメントクリンカー焼成原料と同程度でよく、一般には９０ミクロン篩残が２０〜３０％程度である。

焼成方法は特に限定されず、上記温度と時間を得られる装置であれば特に限定されないが、既存のポルトランドセメント製造設備を使用できるという観点からＮＳＰキルンや、ＳＰキルンに代表されるセメントキルン等の高温加熱が可能な装置が好適に使用できる。また、大量生産あるいは大量処理の観点からも当該セメント製造設備を用いることが好ましい。

本発明で得られる焼成物には上記鉱物以外の鉱物が存在していても良く、具体的にはゲーレナイト、ムライト、ウォラストナイト、クオーツ、ビーライト等が挙げられる。

本発明の焼成物は、ポルトランドセメントクリンカーおよび石膏と共に粉砕、または個別に粉砕した後、混合することにより水硬性組成物とすることができる。該焼成物の混合割合は、一般的にはポルトランドセメントクリンカー１００質量部に対して１〜５０質量部、好ましくは１〜３０質量部である。使用する石膏については、二水石膏、半水石膏、無水石膏等のセメント製造として公知の石膏が特に制限なく使用できる。石膏の添加量は、水硬性組成物中のＳＯ_３量が１．５〜５．０質量％となるように添加することが好ましく、１．８〜３．０質量％となるような添加量がより好ましい。本発明による焼成物、ポルトランドセメントクリンカーおよび石膏の粉砕方法については、公知の技術が特に制限なく使用できる。ポルトランドセメントクリンカーは、その製造方法、組成に特に制限なく公知のものが使用できる。

また、当該水硬性組成物には、さらに高炉スラグ、シリカ質混合材、フライアッシュ、炭酸カルシウム、石灰石等の混合材や粉砕助剤を適宜、添加混合、混合粉砕してもよい。また、塩素バイパスダスト等を混合してもよい。

当該水硬性組成物の粉末度は、特に制限されないが、２８００〜４５００ｃｍ^２／ｇに調整されることが望ましい。

さらに必要に応じ、粉砕後に高炉スラグ、フライアッシュ等を混合し、高炉スラグセメント、フライアッシュセメント等にすることも可能である。

本発明による焼成物は、ＪＩＳ規格外のセメント製造原料や、セメント系固化材等の原料としてもよい。

さらに本発明で得られた焼成物は、ふるい法で粒径２．５ｍｍ以下になるまで粉砕することにより、モルタルやコンクリートを製造する際の細骨材とすることも可能である。

以下、実施例により本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

用いた石炭灰は３種類で、いずれも日本国内の火力発電所から排出されたものである。これらの石炭灰と高炉徐冷スラグを混合し、表１に示す化学組成の原料１〜３を得た。また、表1に示す石炭灰１〜３は、原料１〜３の調合に用いた石炭灰である。化学組成は蛍光Ｘ線分析により求めた。

実施例として、原料１〜３をそれぞれ１１５０℃で１時間焼成し、焼成物を得た。得られた焼成物を粉末Ｘ線回折における内部標準法を用いたリートベルト解析により、含有されるアノーサイト等の鉱物の定量および非晶質相の定量を実施した。また、参考例として石炭灰１〜３を同条件において単独で焼成し、分析した。その結果を表２に示す。

上記組成を有する原料としては、廃棄物の有効利用という観点から石炭灰を主原料とすることが好ましい。但し、一般的な石炭灰は前記範囲と比較するとＣａＯおよびＭｇＯ含有率が低いため、副原料として当該石炭灰よりもＣａＯおよびＭｇＯ含有率の高い原料を用いることが望ましい。

Claims

アノーサイトを２０〜７０質量％、オージャイト、ダイオプサイド、ヘデンバージャイトを合算して１０〜５０質量％含み、且つ非晶質相含有量が２０質量％以下である焼成物。
９５０℃での強熱後の残分が、ＣａＯが１０〜２５質量％、Ａｌ_２Ｏ_３が１０〜３０質量％、ＳｉＯ_２が４０〜６５質量％、ＭｇＯが２〜７質量％の範囲内にある原料を１０００〜１４００℃で焼成して得られる、請求項１に記載する焼成物の製造方法。
原料として石炭灰、高炉徐冷スラグのうち、少なくとも１種類以上を用いる、請求項１に記載する焼成物の製造方法。