JP2017043517A

JP2017043517A - ジオポリマ固化体およびその製造方法

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Publication number: JP2017043517A
Application number: JP2015167632A
Authority: JP
Inventors: 雅人本間; Masahito Honma
Original assignee: Nippon Concrete Industries Co Ltd
Current assignee: Nippon Concrete Industries Co Ltd
Priority date: 2015-08-27
Filing date: 2015-08-27
Publication date: 2017-03-02
Anticipated expiration: 2035-08-27
Also published as: JP6601867B2

Abstract

【課題】効率的に製造できるジオポリマ固化体を提供する。【解決手段】ジオポリマ液と活性フィラーとが原料として用いられたジオポリマ固化体において、活性フィラーは、下水汚泥焼却灰と、フライアッシュ等とを混合して用いる。また、活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合が３０質量％以下である。また、アルカリ処理した下水汚泥焼却灰を用いてもよい。このようにアルカリ処理した下水汚泥焼却灰を用いる場合は、活性フィラーにおけるアルカリ処理した下水汚泥焼却灰の割合が７０質量％以下である。そして、このように廃棄物である下水汚泥焼却灰を活性フィラーとして利用しても、流動性や凝結開始時間を確保できるように適切に固化できるため、効率的に製造できる。【選択図】なし

Description

本発明は、活性フィラーとジオポリマ液とが原料として用いられたジオポリマ固化体およびその製造方法に関する。

ジオポリマ固化体は、アルミノ珪酸塩酸化物を主成分とする無機結合材であり、セメントコンクリートと同等の強度および長期安定性を有していることが知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この種のジオポリマ固化体は、活性フィラー（例えば、アルミノ珪酸粉末等）と、ジオポリマ液（アルカリ珪酸水溶液等のアルカリ活性剤）と、必要に応じて混合される石粉や骨材等とを混合して製造する。

活性フィラーであるアルミノ珪酸粉末としては、カオリン等の天然鉱物の他に、フライアッシュ、高炉スラグ粉末および下水汚泥焼却灰等の産業副産物等の廃棄物を使用することも可能である（例えば、特許文献２および３参照。）。

また、廃棄物を混合した活性フィラーを用いる場合には、ジオポリマ固化体の圧縮強さを確保する目的から、フライアッシュと高炉スラグ粉末の混合割合を調整する必要がある（例えば特許文献４参照。）。

また、ジオポリマ固化体では、アルカリ活性剤としてナトリウム化合物を用いることにより、急結することが知られているが、活性フィラーとして下水汚泥溶融スラグを用いると、急結することなく、施工の際の可使時間を確保できる（例えば、特許文献５参照。）。

特開平３−５００２５５号公報）特開平８−３０１６３９号公報特開２００８−２３９４４６号公報特開２０１３−１５８０号公報特開２０１０−１４３７７４号公報

ここで、特許文献２のように廃棄物を混合した活性フィラーを用いる場合には、特許文献４に記載されているようにフライアッシュと高炉スラグ粉末との混合割合を調整する必要があるのと同様に、下水汚泥焼却灰を活性フィラーとして用いる場合も、下水汚泥焼却灰の影響により適切な流動性が得られなかったり、急結したりして、作業的な観点からジオポリマ固化体を効率的に製造できない問題が考えられる。

また、特許文献５に記載された下水汚泥溶融スラグは、下水汚泥焼却灰をさらに溶融してスラグ化したものであるが、溶融スラグ化する際には多量のエネルギーを使って１３００℃付近で溶融する必要があり、溶融スラグ自体の製造コストが上昇してしまうため、一般的に流通しておらず、経済的な観点から効率的にジオポリマ固化体を製造できない問題が考えられる。

したがって、作業的な観点からも、経済的な観点からも効率的に製造できる、下水汚泥焼却灰を使用したジオポリマ固化体が求められていた。

本発明はこのような点に鑑みなされたもので、下水汚泥焼却灰を使用し、効率的に製造できるジオポリマ固化体およびその製造方法を提供することを目的とする。

請求項１に記載されたジオポリマ固化体は、ジオポリマ液と活性フィラーとが原料として用いられたジオポリマ固化体であって、前記活性フィラーは、下水汚泥焼却灰を含み、前記活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合が３０質量％以下であるものである。

請求項２に記載されたジオポリマ固化体は、ジオポリマ液と活性フィラーとが原料として用いられたジオポリマ固化体であって、前記活性フィラーは、アルカリ処理した下水汚泥焼却灰を含み、前記活性フィラーにおけるアルカリ処理した下水汚泥焼却灰の割合が７０質量％以下であるものである。

請求項３に記載されたジオポリマ固化体の製造方法は、ジオポリマ液と、下水汚泥焼却灰を３０質量％以下の割合で含む活性フィラーとを混合し反応させて未固化のジオポリマ組成物を生成し、この未固化のジオポリマ組成物を養生して固化するものである。

請求項４に記載されたジオポリマ固化体の製造方法は、下水汚泥焼却灰をアルカリ処理し、ジオポリマ液と、前記アルカリ処理後の下水汚泥焼却灰を７０質量％以下の割合で含む活性フィラーとを混合し反応させて未固化のジオポリマ組成物を生成し、この未固化のジオポリマ組成物を養生して固化するものである。

本発明によれば、廃棄物である下水汚泥焼却灰を使用しても適切に固化できるため、効率的に製造できる。

活性フィラーとジオポリマ液とを混合した後の流動性を示すグラフである。活性フィラーとジオポリマ液とを混合した後の凝結開始時間を示すグラフである。活性フィラーとジオポリマ液とを混合し固化した後の圧縮強さを示すグラフである。

以下、本発明の第１の実施の形態について詳細に説明する。

本発明に係るジオポリマ固化体は、ジオポリマ液と活性フィラーとが原料として用いられており、さらに必要に応じて、骨材である砂、砂利および砕石等が混合される。

ジオポリマ液は、珪酸錯体源となるアルカリ溶液であり、具体的には、珪酸ナトリウム水溶液（水ガラス）および珪酸カリウム水溶液の少なくともいずれかと、アルカリ補助材としての水酸化カリウム、水酸化ナトリウムおよび水酸化リチウムの少なくともいずれかとを混合した水溶液である。

活性フィラーは、アルミニウム等の金属を多く含有したものであり、例えば、フライアッシュ（石炭灰）、高炉スラグ粉末およびメタカオリンの少なくともいずれかと、下水汚泥を焼却した下水汚泥焼却灰とが混合して用いられる。

そして、ジオポリマ液と活性フィラーとを混合することにより、活性フィラーから溶出したアルミニウム等の金属がジオポリマ液と接して反応し、珪酸錯体を架橋してポリマ化する。

ここで、下水汚泥焼却灰は、例えばフライアッシュ等の他の活性フィラーと比較して、アルカリ溶液中で高濃度のアルミニウムイオンを溶出するため、下水汚泥焼却灰のみを活性フィラーとして使用した場合、混合物である未固化のジオポリマ組成物が急速に凝結してしまう。そのため、作業時間を確保できず、例えばブロック状等の任意の形状に成形しにくい。

したがって、下水汚泥焼却灰を活性フィラーとして用いる場合は、他の活性フィラーと混合して用いる必要があり、特に、アルカリ溶液との反応が比較的にゆるやかなフライアッシュと混合することが好ましい。

また、活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合が多くなるほど、ジオポリマ液と活性フィラーとを混合してから凝結が開始するまでの時間である凝結開始時間が短くなるとともに、混合物の流動性が低下する。そして、活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合が３０質量％より多くなると、混合物（未固化のジオポリマ組成物）を例えば型枠等に密に充填できなくなり、ジオポリマ固化体の圧縮強さが著しく低下する。

そこで、活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合は、３０質量％以下とした。また、施工現場での作業性の観点から未固化のジオポリマ組成物の凝結開始時間および流動性を考慮すると、活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合が２５質量％以下であると、凝固開始時間を６０分以上確保できるので好ましく、活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合が２０質量％以下である凝固開始時間を９０分以上確保できるのでより好ましい。

次に、上記ジオポリマ固化体の製造方法について説明する。

ジオポリマ固化体を製造する際には、まず、ジオポリマ液と下水汚泥焼却灰を３０質量％以下の割合で含む活性フィラーとを混合する。また、必要に応じて、不活性フィラーである石粉等や、骨材である砂、砂利および砕石等を混合する。

ジオポリマ液と活性フィラーとを混合すると、活性フィラーからアルミニウム等の金属が溶出し、この溶出した金属が、ジオポリマ液の珪酸と反応しポリマ化して、アルミノ珪酸塩酸化物が生成され、このアルミノ珪酸塩酸化物を含有した未固化のジオポリマ組成物が生成される。

また、この未固化ジオポリマ組成物を、例えば型枠等に充填し、所定の温度および時間で養生して固化させて、この固化したジオポリマ固化体を離型することで、所定の形状のジオポリマ固化体が得られる。

次に上記第１の実施の形態の効果等を説明する。

上記第１の実施の形態によれば、活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合を３０質量％以下にすることにより、ジオポリマ液と活性フィラーとを混合した未固化のジオポリマ組成物の流動性および凝結開始時間を確保できるため、成形しやすいとともに、固化後の圧縮強さを確保できる。

したがって、廃棄物である下水汚泥焼却灰を利用しても適切に固化できるため、流動性や凝結開始時間に起因する作業的な観点からも、材料コストに起因する経済的な観点からも効率的に製造できる。そのため、本来廃棄物として埋め立て等の処理をする必要がある下水汚泥焼却灰の再利用方法としても非常に有用である。

次に、第２の実施の形態を説明する。なお、上記第１の実施の形態と同一の構成及び作用については、その説明を省略する。

この第２の実施の形態は、上記第１の実施の形態の活性フィラーにおいて、アルカリ処理した後の下水汚泥焼却灰が用いられたものである。

すなわち、一旦アルカリ水溶液と混合して脱水乾燥した後の下水汚泥焼却灰と、フライアッシュ、高炉スラグ粉末およびメタカオリン等とを混合して活性フィラーとして用いる。

なお、アルカリ処理した下水汚泥焼却灰としては、下水汚泥焼却灰からリン回収のためにアルカリ処理した後の下水汚泥焼却灰を用いてもよい。

このようなアルカリ処理後の下水汚泥焼却灰を含む活性フィラーとジオポリマ液とを混合して、未固化のジオポリマ組成物を生成した後、所定の温度および時間で養生して、ジオポリマ固化体とする。

アルカリ処理後の下水汚泥焼却灰は、上記第１の実施の形態のように未処理の下水汚泥焼却灰と比べて、活性フィラーとして多くの量を使用できる。

すなわち、アルカリ処理後の下水汚泥焼却灰は、未処理の下水汚泥焼却灰と比べて、ジオポリマ液と混合した後の未固化のジオポリマ組成物の流動性が低下しにくいとともに、凝結開始時間が短くなりにくい。

そして、活性フィラーにおけるアルカリ処理後の下水汚泥焼却灰の割合が、７０質量％を超えると、ジオポリマ固化体の圧縮強さが低下する。

そこで、活性フィラーにおけるアルカリ処理後の下水汚泥焼却灰の割合は、７０質量％以下とした。また、施工現場での作業性の観点から未固化のジオポリマ組成物の凝結開始時間および流動性との関係を考慮すると、活性フィラーにおけるアルカリ処理後の下水汚泥焼却灰の割合は、６０質量％以下が好ましく、より好ましくは５０質量％以下である。

下水汚泥焼却灰と、ＪＩＳフライアッシュとを混合して活性フィラーとし、珪酸ナトリウム、水酸化カリウムおよび水を混合してジオポリマ液として、これら活性フィラーとジオポリマ液と珪砂とを混合して、ジオポリマ固化体（ジオポリマモルタル）を製造した。なお、活性フィラーとジオポリマ液と珪砂とは、質量比で、活性フィラー：ジオポリマ液：珪砂＝１：０．５６：２．７とした。

下水焼却汚泥は、下水汚泥を焼却した後、粒径調整した未処理焼却灰と、さらにアルカリ処理したアルカリ処理焼却灰とを使用した。

下水汚泥焼却灰のアルカリ処理では、下水汚泥焼却灰と濃度１Ｍの水酸化ナトリウム水溶液とを、質量比で下水汚泥焼却灰：水酸化ナトリウム水溶液＝１：５の割合で混合し、１時間後に洗浄および脱水した。

そして、活性フィラーにおける未処理焼却灰の割合を示す置換率やアルカリ処理焼却灰の割合を示す置換率を変動させて、それぞれ活性フィラーとジオポリマ液とを混合した後の、未固化のジオポリマモルタルの流動性および凝結開始を測定し、固化後のジオポリマモルタルの圧縮強さを測定した。

未処理焼却灰とＪＩＳフライアッシュとを活性フィラーとして用いた場合、置換率が大きくなると（活性フィラーにおける未処理焼却灰の割合が多くなると）、図１に示すようにジオポリマモルタル（ＧＰモルタル）の流動性が低下するとともに、図２に示すようにジオポリマモルタル（ＧＰモルタル）の凝結開始時間が短くなった。

置換率３５％（質量比）では、ほとんど流動しなくなり、３０分以内に凝結開始した。すなわち、未処理焼却灰を置換率３５％以上で使用すると、ブロック状のものを成形することが極めて困難であった。

また、活性フィラーにおける未処理焼却灰の置換率が大きくなると、図３に示すように、ジオポリマモルタル（ＧＰモルタル）の圧縮強さが低下し、置換率３５％（質量比）以上で、密に充填できなくなるため、圧縮強さが著しく低下した。

アルカリ処理焼却灰とＪＩＳフライアッシュとを活性フィラーとして用いた場合、置換率が大きくなると、図１に示すようにジオポリマモルタルの流動性が低下するとともに、図２に示すように凝結開始時間が短くなったが、置換率７０％（質量比）までは、ブロック状のものを成形することができた。すなわち、アルカリ処理焼却灰を置換率７０％を超えて使用すると、ブロック状のものを成形することが極めて困難であった。

また、活性フィラーにおけるアルカリ処理焼却灰の置換率が大きくなると、図３に示すように、ジオポリマモルタルの圧縮強さが緩やかに低下したが、未処理焼却灰を置換率３５％以上で用いた場合のように圧縮強さは著しく低下しなかった。

Claims

ジオポリマ液と活性フィラーとが原料として用いられたジオポリマ固化体であって、
前記活性フィラーは、下水汚泥焼却灰を含み、
前記活性フィラーにおける下水汚泥焼却灰の割合が３０質量％以下である
ことを特徴とするジオポリマ固化体。
ジオポリマ液と活性フィラーとが原料として用いられたジオポリマ固化体であって、
前記活性フィラーは、アルカリ処理した下水汚泥焼却灰を含み、
前記活性フィラーにおけるアルカリ処理した下水汚泥焼却灰の割合が７０質量％以下である
ことを特徴とするジオポリマ固化体。
ジオポリマ液と、下水汚泥焼却灰を３０質量％以下の割合で含む活性フィラーとを混合し反応させて未固化のジオポリマ組成物を生成し、
この未固化のジオポリマ組成物を養生して固化する
ことを特徴とするジオポリマ固化体の製造方法。
下水汚泥焼却灰をアルカリ処理し、
ジオポリマ液と、前記アルカリ処理後の下水汚泥焼却灰を７０質量％以下の割合で含む活性フィラーとを混合し反応させて未固化のジオポリマ組成物を生成し、
この未固化のジオポリマ組成物を養生して固化する
ことを特徴とするジオポリマ固化体の製造方法。