JP2019055904A - Production method of geopolymer molding body, and geopolymer molding body manufacturing system - Google Patents

Production method of geopolymer molding body, and geopolymer molding body manufacturing system Download PDF

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Abstract

To provide a production method of a geopolymer molding body in which a time capable of mixing a solidification material and an alkali stimulant is long, less energy is required for manufacturing a solidified body, and a time required for manufacturing the solidified body is short.SOLUTION: A production method of a geopolymer molding body according to the embodiment, includes a mixing process and a compression process. In the mixing process, a mixture is obtained by mixing a solidification material and an alkali stimulant. In the compression process, a geopolymer molding body is formed by compressing and molding the mixture, in which the alkali stimulant contains hydrate. When compressing the mixture in the compression process, the mixture is heated so as to eliminate crystalline water from the hydrate, thus the reaction between the solidification material and the alkali stimulant is advanced.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ジオポリマー成型体の製造方法、および、ジオポリマー成型体製造システムに関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a geopolymer molded body and a geopolymer molded body manufacturing system.

放射性廃棄物は、一般に、セメント、ガラス、アスファルト、エポキシ樹脂などの固化材を用いて固化される。   Radioactive waste is generally solidified using a solidifying material such as cement, glass, asphalt, or epoxy resin.

セメントは、安価であると共に、操作性に優れるため、多く使用されている。しかし、セメントは、水和鉱物を生成して硬化するので、固化体の構造中に水和物を有すると共に、調製時の水のうち余剰な水が固化体に存在する。このため、セメントは、高線量の放射線に曝された場合、放射線によって水が分解し、水素が発生する可能性がある。アスファルトおよびエポキシ樹脂は、有機物であるため、長期にわたって高線量の放射線に曝された場合、分解してガスが発生する可能性がある。そのため、高線量の放射線廃棄物の固化においては、無機材料であるガラスを固化材として用いて固化することが有力視されている。しかし、ガラスを用いた固化は、1000℃程度の温度で熱処理を行うことが必要になるため、費用がかかると共に、作業性が悪化する場合がある。   Cement is often used because it is inexpensive and has excellent operability. However, since cement produces hydrated minerals and hardens, it has hydrates in the structure of the solidified body, and surplus water in the water during preparation exists in the solidified body. For this reason, when cement is exposed to a high dose of radiation, water may be decomposed by the radiation and hydrogen may be generated. Since asphalt and epoxy resin are organic substances, they may decompose and generate gas when exposed to a high dose of radiation over a long period of time. Therefore, in solidifying high-dose radiation waste, it is considered promising to solidify using inorganic material glass as a solidifying material. However, solidification using glass requires heat treatment at a temperature of about 1000 ° C., which is expensive and may deteriorate workability.

上記の固化材の代替材料として、ジオポリマーが注目されている(たとえば、特許文献1参照)。ジオポリマーとは、アルミニウム(Al)およびケイ素(Si)などを主成分とする非晶質材料の重合体であって、セメントと同様に、無機材料である。ジオポリマーは、セメントと異なり、固化体の構造に水和物が存在しない。このため、ジオポリマーを用いた場合には、余剰な水を加熱による乾燥で除去した場合であっても、固化体の構造に対して影響が小さい。したがって、ジオポリマーを固化材として用いた場合には、水素の発生量を低減することができる。   As an alternative material for the above solidifying material, a geopolymer has attracted attention (for example, see Patent Document 1). A geopolymer is a polymer of an amorphous material mainly composed of aluminum (Al), silicon (Si), and the like, and is an inorganic material like cement. Unlike cement, the geopolymer has no hydrate in the structure of the solidified body. For this reason, when a geopolymer is used, even if it is a case where excess water is removed by drying by heating, an influence with respect to the structure of a solidified body is small. Therefore, when a geopolymer is used as a solidifying material, the amount of hydrogen generated can be reduced.

特開2014−35202号公報JP 2014-35202 A

ジオポリマーは、固化材(バインダ)とアルカリ刺激剤とが原料として用いられる。固化材は、たとえば、アルミニウム(Al)およびケイ素(Si)を含むアルミナシリカである。アルカリ刺激剤は、たとえば、アルカリ性の水酸化物(水酸化ナトリウムなど)、アルカリ性のケイ酸塩(ケイ酸ナトリウムなど)である。ジオポリマーは、固化材とアルカリ刺激剤との間において縮重合反応が生じることによって固化体として形成される。   In the geopolymer, a solidifying material (binder) and an alkali stimulant are used as raw materials. The solidifying material is, for example, alumina silica containing aluminum (Al) and silicon (Si). The alkaline stimulant is, for example, an alkaline hydroxide (such as sodium hydroxide) or an alkaline silicate (such as sodium silicate). The geopolymer is formed as a solidified body by a condensation polymerization reaction occurring between the solidifying material and the alkaline stimulant.

ジオポリマーの固化体を作製する際には、固化材とアルカリ刺激剤との間の反応が短時間で起こり、固化材とアルカリ刺激剤とを含む混合物の粘度が上昇する。このため、混合可能な時間が短い。   When producing a solidified body of a geopolymer, a reaction between the solidifying material and the alkaline stimulant occurs in a short time, and the viscosity of the mixture containing the solidifying material and the alkaline stimulant increases. For this reason, the mixing time is short.

その他、ジオポリマーの固化体を作製する際に、乾燥処理や熱養生処理を行う場合には、その処理に多くのエネルギーが必要であると共に、処理の実行のために長い時間が必要になる。   In addition, when producing a solidified body of geopolymer, when performing a drying process or a heat curing process, a large amount of energy is required for the process, and a long time is required for the execution of the process.

したがって、本発明が解決しようとする課題は、固化材とアルカリ刺激剤とを混合可能な時間が長く、固化体を作製する際に必要なエネルギーが少なく、かつ、固化体を作製する際に要する時間が短い、ジオポリマー成型体の製造方法、および、ジオポリマー成型体製造システムを提供することである。   Therefore, the problem to be solved by the present invention is that the time during which the solidifying material and the alkali stimulant can be mixed is long, less energy is required to produce the solidified body, and it is necessary to produce the solidified body. It is to provide a method for manufacturing a geopolymer molded body and a geopolymer molded body manufacturing system that have a short time.

実施形態に係るジオポリマー成型体の製造方法は、混合工程と圧縮工程とを有する。混合工程では、固化材とアルカリ刺激剤とを混合することによって混合物を得る。圧縮工程では、混合物を圧縮して成型することによってジオポリマー成型体を形成する。ここでは、アルカリ刺激剤は、水和物を含む。そして、圧縮工程において混合物の圧縮が行われる際には、水和物から結晶水が脱離するように混合物が加熱され、固化材と前記アルカリ刺激剤との間の反応が進行する。   The manufacturing method of the geopolymer molding which concerns on embodiment has a mixing process and a compression process. In the mixing step, a mixture is obtained by mixing the solidifying material and the alkali stimulant. In the compression step, a geopolymer molded body is formed by compressing and molding the mixture. Here, the alkaline stimulant includes a hydrate. And when compression of a mixture is performed in a compression process, a mixture is heated so that crystal water may detach | desorb from a hydrate, and reaction between a solidification material and the said alkali stimulant advances.

本発明によれば、固化材とアルカリ刺激剤とを混合可能な時間が長く、固化体を作製する際に必要なエネルギーが少なく、かつ、固化体を作製する際に要する時間が短い、ジオポリマー成型体の製造方法、および、ジオポリマー成型体製造システムを提供することができる。   According to the present invention, a geopolymer having a long mixing time of a solidifying material and an alkali stimulator, a small amount of energy required for producing a solidified material, and a short time required for producing a solidified material. The manufacturing method of a molded object, and a geopolymer molded object manufacturing system can be provided.

図1は、第1実施形態において、ジオポリマー成型体の製造方法を示すフロー図である。FIG. 1 is a flowchart showing a method for producing a geopolymer molded body in the first embodiment. 図2は、第1実施形態において、ジオポリマー成型体製造システムを模式的に示すブロック図である。FIG. 2 is a block diagram schematically showing a geopolymer molded body manufacturing system in the first embodiment. 図3は、実施例のサンプル、比較例の各サンプル、固化材、アルカリ刺激剤、および、固化材とアルカリ刺激剤との混合物について、X線構造解析を行った結果を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the results of X-ray structural analysis of the sample of the example, each sample of the comparative example, the solidifying material, the alkali stimulating agent, and the mixture of the solidifying material and the alkali stimulating agent.

<第1実施形態>
[A]ジオポリマー成型体の製造方法
図1は、第1実施形態において、ジオポリマー成型体の製造方法を示すフロー図である。
<First Embodiment>
[A] Method for Producing Geopolymer Molded Body FIG. 1 is a flowchart showing a method for producing a geopolymer molded body in the first embodiment.

本実施形態においては、図1に示すように、混合工程ST10と圧縮工程ST20とを順次行うことによって、ジオポリマー成型体を作製する。各工程の詳細について順次説明する。   In this embodiment, as shown in FIG. 1, a geopolymer molded body is produced by sequentially performing a mixing step ST10 and a compression step ST20. The details of each process will be described sequentially.

[A−1]混合工程ST10
混合工程ST10においては、ジオポリマーの原料として、少なくとも固化材とアルカリ刺激剤とを混合することによって、混合物を得る。
[A-1] Mixing step ST10
In the mixing step ST10, a mixture is obtained by mixing at least a solidifying material and an alkali stimulant as a raw material for the geopolymer.

[A−1−1]固化材
固化材は、たとえば、アルミニウム(Al)およびケイ素(Si)を含むアルミナシリカである。アルミナシリカは、たとえば、メタカオリン、高炉スラグ、焼却灰、飛灰(フライアッシュを含む)、ゼオライト、モルデナイト、シリカフューム、非晶質の二酸化ケイ素、酸化アルミニウム、水酸化アルミニウムである。ここでは、飛灰は、フライアッシュを含む。フライアッシュは、微粉砕した石炭を燃焼した後に捕集された飛灰であり、製品として管理されるものである。
[A-1-1] Solidified material The solidified material is, for example, alumina silica containing aluminum (Al) and silicon (Si). Alumina silica is, for example, metakaolin, blast furnace slag, incinerated ash, fly ash (including fly ash), zeolite, mordenite, silica fume, amorphous silicon dioxide, aluminum oxide, and aluminum hydroxide. Here, fly ash includes fly ash. Fly ash is fly ash collected after burning finely pulverized coal and is managed as a product.

[A−1−2]アルカリ刺激剤
アルカリ刺激剤は、たとえば、アルカリ性の水酸化物、アルカリ性のケイ酸塩である。アルカリ性の水酸化物は、たとえば、水酸化リチウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化ルビジウム、水酸化セシウムである。アルカリ性のケイ酸塩は、たとえば、ケイ酸リチウム、ケイ酸ナトリウム、ケイ酸カリウム、ケイ酸ルビジウム、ケイ酸セシウムである。ケイ酸塩としては、オルトケイ酸塩、メタケイ酸塩など、さまざまな形態のものを用いることができる。また、上記と共に、アルミン酸塩をアルカリ刺激剤として添加してもよい。
[A-1-2] Alkali stimulator The alkali stimulator is, for example, an alkaline hydroxide or an alkaline silicate. The alkaline hydroxide is, for example, lithium hydroxide, sodium hydroxide, potassium hydroxide, rubidium hydroxide, or cesium hydroxide. Alkaline silicates are, for example, lithium silicate, sodium silicate, potassium silicate, rubidium silicate, cesium silicate. As the silicate, various forms such as orthosilicate and metasilicate can be used. In addition to the above, aluminate may be added as an alkali stimulant.

本実施形態において、アルカリ刺激剤は、水和物を含む。たとえば、ケイ酸塩の水和物、アルミン酸塩の水和物がアルカリ刺激剤として用いられる。水和物は、結晶水(水和水)を含有する物質であって、ジオポリマーの原料において水分提供材として作用する。つまり、水和物であるアルカリ刺激剤は、アルカリ刺激剤として作用すると共に、水分提供材としても作用する。ケイ酸塩の水和物は、たとえば、ケイ酸リチウム水和物、ケイ酸ナトリウム水和物(メタケイ酸ナトリウム九水和物(NaSiO・9HO)など)、ケイ酸カリウム水和物(四ケイ酸カリウム一水和物など)、ケイ酸ルビジウム水和物、ケイ酸セシウム水和物である。アルミン酸塩水和物は、たとえば、アルミン酸リチウム水和物、アルミン酸ナトリウム水和物、アルミン酸カリウム水和物(アルミン酸カリウム三水和物など)、アルミン酸ルビジウム水和物、アルミン酸セシウム水和物である。 In this embodiment, the alkaline stimulant includes a hydrate. For example, silicate hydrates and aluminate hydrates are used as alkali stimulants. Hydrates are substances containing water of crystallization (hydration water) and act as a moisture providing material in the raw material of the geopolymer. That is, the alkali stimulant which is a hydrate acts as an alkali stimulator and also acts as a moisture providing material. Hydrates of silicates, for example, lithium silicate hydrate, (such as sodium metasilicate nonahydrate (Na 2 SiO 3 · 9H 2 O)) Sodium silicate hydrate, potassium silicate hydrate (Such as potassium tetrasilicate monohydrate), rubidium silicate hydrate, and cesium silicate hydrate. Aluminate hydrate includes, for example, lithium aluminate hydrate, sodium aluminate hydrate, potassium aluminate hydrate (potassium aluminate trihydrate, etc.), rubidium aluminate hydrate, cesium aluminate It is a hydrate.

水和物であるアルカリ刺激剤は、融点が100℃以下であるものが好ましく、たとえば、メタケイ酸ナトリウム九水和物(NaSiO・9HO;融点48℃)、メタケイ酸ナトリウム五水和物(NaSiO・5HO;融点72℃)が好適に使用される。これと共に、水和物であるアルカリ刺激剤は、混合物の調製作業を行う作業場の温度よりも融点が高く、混合物の調製時に融解しないものが、さらに好ましい。具体的には、水和物であるアルカリ刺激剤は、融点が50℃以上100℃以下であることが好ましい。 Alkaline stimulant is a hydrate is preferably one having a melting point of 100 ° C. or less, for example, sodium metasilicate nonahydrate (Na 2 SiO 3 · 9H 2 O; mp 48 ° C.), sodium metasilicate pentahydrate A Japanese product (Na 2 SiO 3 .5H 2 O; melting point 72 ° C.) is preferably used. At the same time, it is more preferable that the alkaline stimulant which is a hydrate has a melting point higher than the temperature of the workplace where the mixture is prepared and does not melt when the mixture is prepared. Specifically, the alkali stimulant that is a hydrate preferably has a melting point of 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.

[A−1−3]その他
上記の他に、水を浄化するために用いられた放射性核種吸着剤などの放射性廃棄物を被固化物としてジオポリマーの原料に混合してもよい。また、他の粉砕可能な固体の廃棄物を被固化物としてジオポリマーの原料に混合してもよい。
[A-1-3] Others In addition to the above, radioactive waste such as a radionuclide adsorbent used for purifying water may be mixed as a solidified material with the raw material of the geopolymer. Further, other pulverizable solid waste may be mixed as a solidified material with the raw material of the geopolymer.

また、ジオポリマー成型体を固化体として作製するために、必要であれば、適宜、水を添加してもよい。具体的には、混合物中の固形物の総重量に対して、水の重量が、たとえば、20分の1以下になるように、水の添加を行ってもよい。   Moreover, in order to produce a geopolymer molded body as a solidified body, water may be appropriately added if necessary. Specifically, water may be added so that the weight of water is, for example, 1/20 or less of the total weight of solids in the mixture.

[A−1−5]混合
上記した各原料は、たとえば、容器に投入された後、撹拌機を用いて混合される。その結果、混合工程ST10では、混合物が得られる。
[A-1-5] Mixing Each raw material described above is, for example, put into a container and then mixed using a stirrer. As a result, a mixture is obtained in the mixing step ST10.

[A−2]圧縮工程ST20
つぎに、図1に示すように、混合工程ST10の実行後には、圧縮工程ST20を行う。
[A-2] Compression step ST20
Next, as shown in FIG. 1, after the mixing step ST10, the compression step ST20 is performed.

圧縮工程ST20では、混合工程ST10で得た混合物を圧縮して成型することによって、ジオポリマー成型体を形成する。本実施形態の圧縮工程ST20においては、混合物を圧縮する際に、その混合物を加熱する。つまり、本実施形態の圧縮工程ST20は、熱圧縮処理を行う。ここでは、圧縮成型機を用いて混合物の圧縮成型を行う際に、たとえば、ヒータを用いて混合物を外部から加熱する。   In compression process ST20, a geopolymer molded object is formed by compressing and shape | molding the mixture obtained by mixing process ST10. In compression process ST20 of this embodiment, when compressing a mixture, the mixture is heated. That is, the compression process ST20 of the present embodiment performs a thermal compression process. Here, when performing compression molding of the mixture using a compression molding machine, for example, the mixture is heated from the outside using a heater.

その結果、本実施形態では、圧縮によって固化材とアルカリ刺激剤とが密着すると共に、加熱によって固化材およびアルカリ刺激剤の温度が上昇する。本実施形態においては、アルカリ刺激剤が水和物を含む。このため、圧縮時の加熱によって水和物から結晶水(水和水)が脱離し、その脱離で生じた水分が反応場として機能する。その結果、本実施形態においては、固化材とアルカリ刺激剤との間の反応が効果的に進行し、ジオポリマーが形成される。   As a result, in this embodiment, the solidifying material and the alkaline stimulant are brought into close contact with each other by compression, and the temperature of the solidifying material and the alkaline stimulant is increased by heating. In this embodiment, the alkaline stimulant includes a hydrate. For this reason, crystal water (hydration water) is desorbed from the hydrate by heating during compression, and the water generated by the desorption functions as a reaction field. As a result, in the present embodiment, the reaction between the solidifying material and the alkaline stimulant proceeds effectively, and a geopolymer is formed.

圧縮工程ST20において、混合物に印加される圧力は、たとえば、1メガパスカル[MPa]以上であることが好ましい。これにより、ジオポリマー成型体の密度が高くなり、ジオポリマー成型体の形状が安定化する。   In compression process ST20, it is preferable that the pressure applied to a mixture is 1 megapascal [MPa] or more, for example. Thereby, the density of a geopolymer molded object becomes high and the shape of a geopolymer molded object is stabilized.

また、圧縮工程ST20において、混合物の温度は、アルカリ刺激剤である水和物が融解する温度であり、たとえば、48℃以上、100℃以下の範囲であることが好ましい。上記温度範囲の下限値よりも温度が低い場合には、固化反応に必要な水が生成しないため、固化反応が進まない問題が生ずる場合がある。これに対して、上記温度範囲の上限値よりも温度が高い場合には、固化反応に必要な水が蒸発し、固化反応が進まなくなる問題が生ずる場合がある。   Moreover, in compression process ST20, the temperature of a mixture is a temperature which the hydrate which is an alkali stimulant melt | dissolves, for example, it is preferable that it is the range of 48 to 100 degreeC. When the temperature is lower than the lower limit of the above temperature range, water necessary for the solidification reaction is not generated, and thus there may be a problem that the solidification reaction does not proceed. On the other hand, when the temperature is higher than the upper limit of the above temperature range, there is a case where water necessary for the solidification reaction evaporates and the solidification reaction does not proceed.

[A−3]その他の工程
図示を省略しているが、圧縮工程ST20の実行後には、必要に応じて、養生工程と乾燥工程とを実行してもよい。
[A-3] Other process Although illustration is abbreviate | omitted, you may perform a curing process and a drying process as needed after execution of compression process ST20.

養生工程では、圧縮工程ST20で得たジオポリマー成型体を養生することによって、反応を更に進行させる。ここでは、ジオポリマー成型体に含まれる水が反応場として機能し、反応が更に進行する。   In the curing process, the reaction is further advanced by curing the geopolymer molded body obtained in the compression process ST20. Here, the water contained in the geopolymer molded body functions as a reaction field, and the reaction further proceeds.

乾燥工程では、たとえば、養生工程が実行されたジオポリマー成型体に存在する水分を蒸発させて除去する。乾燥工程では、自然乾燥によって乾燥を実行してもよく、乾燥機を用いた乾燥を実行してもよい。   In the drying process, for example, water present in the geopolymer molded body that has been subjected to the curing process is removed by evaporation. In the drying step, drying may be performed by natural drying, or drying using a dryer may be performed.

[B]ジオポリマー成型体製造システム
図2は、第1実施形態において、ジオポリマー成型体製造システムを模式的に示すブロック図である。
[B] Geopolymer molded body manufacturing system FIG. 2 is a block diagram schematically showing a geopolymer molded body manufacturing system in the first embodiment.

図2に示すように、本実施形態のジオポリマー成型体製造システムは、少なくとも、混合部10と圧縮成型部20とを備える。本実施形態のジオポリマー成型体製造システムを構成する各部の詳細について順次説明する。   As shown in FIG. 2, the geopolymer molded body manufacturing system of this embodiment includes at least a mixing unit 10 and a compression molding unit 20. The detail of each part which comprises the geopolymer molded object manufacturing system of this embodiment is demonstrated sequentially.

[B−1]混合部10
混合部10は、たとえば、容器11と撹拌機12とを含み、上記した混合工程ST10を実行する。つまり、混合部10では、ジオポリマーの原料として、固化材とアルカリ刺激剤とを混合することによって、混合物を得る。
[B-1] Mixing unit 10
The mixing unit 10 includes, for example, a container 11 and a stirrer 12 and executes the above-described mixing step ST10. That is, in the mixing part 10, a mixture is obtained by mixing a solidification material and an alkaline stimulant as a raw material of a geopolymer.

具体的には、混合部10では、たとえば、容器11に上記した各原料が投入された後に、撹拌機12を用いて各原料が混合される。   Specifically, in the mixing unit 10, for example, after the respective raw materials described above are charged into the container 11, the respective raw materials are mixed using the stirrer 12.

[B−2]圧縮成型部20
圧縮成型部20は、たとえば、型枠21と加圧機22と加熱機23とを含み、上記した圧縮工程ST20を実行する。つまり、混合部10で得た混合物を圧縮して成型することによって、ジオポリマー成型体を形成する。本実施形態の圧縮成型部20においては、混合物を圧縮する際に、その混合物を加熱する。
[B-2] Compression molding part 20
The compression molding unit 20 includes, for example, a mold 21, a pressurizer 22, and a heater 23, and executes the above-described compression step ST20. That is, a geopolymer molded body is formed by compressing and molding the mixture obtained in the mixing unit 10. In the compression molding part 20 of this embodiment, when compressing a mixture, the mixture is heated.

具体的には、圧縮成型部20においては、混合部10で得た混合物が型枠21に導入され、その型枠21に導入された混合物に加圧機22が圧力を加えて圧縮する。このとき、加熱機23が、その型枠21に導入された混合物を型枠21の外部から加熱する。   Specifically, in the compression molding unit 20, the mixture obtained in the mixing unit 10 is introduced into the mold 21, and the pressurizer 22 applies pressure to the mixture introduced into the mold 21 and compresses the mixture. At this time, the heater 23 heats the mixture introduced into the mold 21 from the outside of the mold 21.

[B−3]その他
なお、図示を省略しているが、ジオポリマー成型体製造システムは、上記した養生工程を行う養生部と、上記した乾燥工程を行う乾燥部とを備えていてもよい。養生部は、たとえば、養生室の温湿度を調節する空調機を備えている。乾燥部は、たとえば、乾燥室の温湿度を調節する空調機を備えている。
[B-3] Others Although not shown, the geopolymer molded body manufacturing system may include a curing unit that performs the curing process described above and a drying unit that performs the drying process described above. The curing unit includes, for example, an air conditioner that adjusts the temperature and humidity of the curing room. The drying unit includes, for example, an air conditioner that adjusts the temperature and humidity of the drying chamber.

[C]まとめ
以上のように、本実施形態では、固化材とアルカリ刺激剤との混合物を圧縮して成型する際に、加熱機を用いて混合物を加熱する。本実施形態においては、アルカリ刺激剤が水和物を含む。このため、本実施形態では、上述したように、圧縮成型時の加熱によって水和物から結晶水(水和水)が脱離し、その脱離で生じた水分が反応場として機能する。つまり、本実施形態では、圧縮時の加熱によって水和物から結晶水(水和水)が脱離する前は、固化材とアルカリ刺激剤との間の反応が進行しにくい。したがって、本実施形態では、混合工程ST10において、固化材とアルカリ刺激剤の混合可能な時間を長くすることができる。
[C] Summary As described above, in this embodiment, when a mixture of a solidifying material and an alkali stimulant is compressed and molded, the mixture is heated using a heater. In this embodiment, the alkaline stimulant includes a hydrate. For this reason, in this embodiment, as described above, crystal water (hydrated water) is desorbed from the hydrate by heating at the time of compression molding, and the water generated by the desorption functions as a reaction field. That is, in this embodiment, the reaction between the solidifying material and the alkaline stimulant is unlikely to proceed before the crystal water (hydrated water) is desorbed from the hydrate by heating during compression. Therefore, in this embodiment, in mixing process ST10, the time which can mix a solidification material and an alkaline stimulant can be lengthened.

また、本実施形態では、上述したように、圧縮成型時の加熱によって水和物から結晶水(水和水)を脱離させることによって固化材とアルカリ刺激剤との間の反応が効果的に進行するので、養生工程の実行および乾燥工程の実行が不要である。仮に、養生工程や乾燥工程の実行を行う場合であっても、その工程を実行する時間を短くすることができる。したがって、本実施形態においては、固化体を作製する際に必要なエネルギーが少なく、かつ、固化体を作製する際に要する時間を短くすることができる。   Further, in the present embodiment, as described above, the reaction between the solidifying material and the alkaline stimulant is effectively performed by removing crystal water (hydrated water) from the hydrate by heating at the time of compression molding. Since the process proceeds, it is not necessary to perform the curing process and the drying process. Even if the curing process and the drying process are performed, the time for performing the process can be shortened. Therefore, in the present embodiment, less energy is required for producing the solidified body, and the time required for producing the solidified body can be shortened.

<第2実施形態>
[A]ジオポリマー成型体の製造方法
本実施形態では、第1実施形態の場合と同様に、混合工程ST10と圧縮工程ST20とを順次行うことによって、ジオポリマー成型体を作製する。しかし、本実施形態の混合工程ST10では、第1実施形態の場合と異なり、発熱物質を更に混合することによって混合物を得る。発熱物質は、鉄、亜鉛、アルミニウム、ニッケル、ズズから選択される金属材料で形成された金属粉であって、酸化反応によって発熱する。このため、本実施形態の圧縮工程ST20では、第1実施形態の場合と異なり、発熱物質の発熱によって混合物が加熱される。つまり、混合物は、型枠21の内部において、発熱物質により生じた熱で加熱される。
Second Embodiment
[A] Method for Producing Geopolymer Molded Body In this embodiment, a geopolymer molded body is produced by sequentially performing the mixing step ST10 and the compression step ST20, as in the case of the first embodiment. However, in the mixing step ST10 of the present embodiment, unlike the case of the first embodiment, a mixture is obtained by further mixing the exothermic substances. The exothermic substance is a metal powder formed of a metal material selected from iron, zinc, aluminum, nickel, and tin, and generates heat by an oxidation reaction. For this reason, in the compression step ST20 of the present embodiment, unlike the case of the first embodiment, the mixture is heated by the heat generated by the heat generating material. That is, the mixture is heated with heat generated by the exothermic substance inside the mold 21.

[B]まとめ
以上のように、本実施形態では、混合工程ST10において発熱物質を更に混合することによって混合物を得るので、圧縮工程ST20においては発熱物質の発熱によって混合物が加熱される。したがって、本実施形態では、第1実施形態の場合と同様に、固化材とアルカリ刺激剤とを混合可能な時間を長くすることができる。また、本実施形態においては、第1実施形態の場合と同様に、固化体を作製する際に必要なエネルギーが少なく、かつ、固化体を作製する際に要する時間を短くすることができる。
[B] Summary As described above, in this embodiment, since the mixture is obtained by further mixing the exothermic substance in the mixing step ST10, the mixture is heated by the exothermic substance in the compression step ST20. Therefore, in this embodiment, the time which can mix a solidification material and an alkaline stimulant can be lengthened similarly to the case of 1st Embodiment. Further, in the present embodiment, as in the case of the first embodiment, the energy required for producing the solidified body is small, and the time required for producing the solidified body can be shortened.

なお、発熱物質の添加と共に、活性炭などの成分を適宜添加してもよい。活性炭を添加した場合には、活性炭の孔に空気が取り込まれるため、発熱物質の酸化反応に必要な酸素の供給が促進される。   In addition to the addition of the exothermic substance, components such as activated carbon may be added as appropriate. When activated carbon is added, since air is taken into the pores of the activated carbon, supply of oxygen necessary for the oxidation reaction of the exothermic substance is promoted.

以下より、実施例などに関して、表1を用いて説明する。なお、表1において、実施例1(実施例1−1〜1−3)は、上記した第1実施形態の場合に相当する。実施例2は、上記した第2実施形態の場合に相当する。   Hereinafter, examples will be described with reference to Table 1. In Table 1, Example 1 (Examples 1-1 to 1-3) corresponds to the case of the first embodiment described above. Example 2 corresponds to the case of the second embodiment described above.

Figure 2019055904
Figure 2019055904

[1]サンプルの作製
(実施例1−1)
実施例1−1では、表1に示すように、下記に示すジオポリマーの原料を混合する混合工程ST10を行うことによって、混合物を得た。
[1] Preparation of sample (Example 1-1)
In Example 1-1, as shown in Table 1, the mixture was obtained by performing mixing process ST10 which mixes the raw material of the geopolymer shown below.

・固化材:メタカオリン・・・17.1g
・アルカリ刺激剤:メタケイ酸ナトリウム九水和物・・・34g
-Solidifying material: metakaolin ... 17.1g
・ Alkali stimulant: Sodium metasilicate nonahydrate 34g

つぎに、表1に示すように、上記の混合物を圧縮して成型する圧縮工程ST20を実行することによって、ジオポリマー成型体を形成した。   Next, as shown in Table 1, a geopolymer molded body was formed by executing a compression step ST20 for compressing and molding the above mixture.

具体的には、混合物として得た20gの混合粉体を直径が30mmである型枠に入れた。そして、圧力が20.0MPaであって、圧縮時間が10分間である圧縮成型条件で、圧縮成型を行った。この圧縮成型を行う際には、混合物の中心温度が50℃になるように、加熱機を用いて混合物を外部から加熱した。その後、型枠から圧縮された混合物をジオポリマー成型体として取り出した。   Specifically, 20 g of the mixed powder obtained as a mixture was put in a mold having a diameter of 30 mm. Then, compression molding was performed under compression molding conditions where the pressure was 20.0 MPa and the compression time was 10 minutes. When performing this compression molding, the mixture was heated from the outside using a heater so that the center temperature of the mixture would be 50 ° C. Thereafter, the mixture compressed from the mold was taken out as a geopolymer molded body.

(実施例1−2)
実施例1−2では、表1に示すように、圧縮工程ST20において、圧縮時間が30minである点を除き、実施例1−1の場合と同様な条件で、ジオポリマー成型体の作製を行った。
(Example 1-2)
In Example 1-2, as shown in Table 1, in the compression step ST20, a geopolymer molded body was produced under the same conditions as in Example 1-1 except that the compression time was 30 min. It was.

(実施例1−3)
実施例1−3では、表1に示すように、圧縮工程ST20において、混合物の中心温度が85℃である点を除き、実施例1−1の場合と同様な条件で、ジオポリマー成型体の作製を行った。
(Example 1-3)
In Example 1-3, as shown in Table 1, in the compression step ST20, the geopolymer molded article was formed under the same conditions as in Example 1-1 except that the center temperature of the mixture was 85 ° C. Fabrication was performed.

(実施例2)
実施例2では、表1に示すように、混合工程ST10では、実施例1−1の場合と異なり、発熱物質として10gの鉄粉を添加した。また、実施例2では、圧縮工程ST20において外部からの加熱を行なわず、発熱物質の発熱によって混合物の加熱を行った。つまり、内部からの加熱を行った。これらの点を除き、実施例2では、実施例1−1の場合と同様な条件で、ジオポリマー成型体の作製を行った。
(Example 2)
In Example 2, as shown in Table 1, in the mixing step ST10, unlike the case of Example 1-1, 10 g of iron powder was added as a heat generating material. In Example 2, the mixture was heated by the heat generated by the exothermic material without external heating in the compression step ST20. That is, heating from the inside was performed. Except for these points, in Example 2, a geopolymer molded body was produced under the same conditions as in Example 1-1.

(比較例1)
比較例1では、表1に示すように、圧縮工程ST20を実行する際には、実施例1−1の場合と異なり、混合物の加熱を実行しなかった。そして、圧縮工程ST20の実行後には、実施例1−1の場合と異なり、養生工程ST30を行った。養生工程ST30では、表1に示す養生条件で養生を実行することによって、ジオポリマー成型体を作製した。
(Comparative Example 1)
In Comparative Example 1, as shown in Table 1, when performing the compression step ST20, unlike the case of Example 1-1, the mixture was not heated. And after execution of compression process ST20, unlike the case of Example 1-1, curing process ST30 was performed. In the curing step ST30, a geopolymer molded body was produced by performing curing under the curing conditions shown in Table 1.

(比較例2)
実施例2は、表1に示すように、圧縮工程ST20において、混合物の中心温度が30℃である点を除き、実施例1−1の場合と同様な条件で、ジオポリマー成型体の作製を行った。
(Comparative Example 2)
In Example 2, as shown in Table 1, in the compression step ST20, a geopolymer molded body was produced under the same conditions as in Example 1-1 except that the center temperature of the mixture was 30 ° C. went.

[2]試験内容
上記のように作製した各例のサンプルについて、表1に示すように、一軸圧縮強度、固化体平均高さ、および、固化体平均直径の計測を行った。これと共に、各例のサンプルについて、水和物のピーク有無の確認を行った。
[2] Test contents As shown in Table 1, the uniaxial compressive strength, the average solidified body height, and the average solidified body diameter were measured for the samples of each example produced as described above. At the same time, the presence or absence of a hydrate peak was confirmed for the samples of each example.

[2−1]一軸圧縮強度の計測法
一軸圧縮強度の計測は、以下のように実行した。まず、径が3cmである円筒状の供試体を試験機に装填した。そして試験機において、供試体に圧力を加え、供試体が破壊したときの圧力値を測定した。そして、その測定した圧力値を単位面積当たりに換算することで、一軸圧縮強度を算出した。
[2-1] Measuring method of uniaxial compressive strength The measurement of uniaxial compressive strength was performed as follows. First, a cylindrical specimen having a diameter of 3 cm was loaded into a testing machine. In the test machine, pressure was applied to the specimen, and the pressure value when the specimen was broken was measured. And the uniaxial compressive strength was computed by converting the measured pressure value per unit area.

[2−2]固化体平均高さ、固化体平均直径、および、密度の計測法
固化体平均高さ、固化体平均直径、および、密度の計測は、以下のように実行した。固化体平均高さ、固化体平均直径は、ノギスを用いて固化体の高さと直径を、2点以上、測定して平均値として求めた。また、密度は、重量計の測定値と、平均高さ及び平均直径から算出した体積から算出した。
[2-2] Method of measuring average solidified body height, average solidified body diameter, and density Measurement of average solidified body height, average solidified body diameter, and density was performed as follows. The average height of the solidified body and the average diameter of the solidified body were obtained as average values by measuring the height and diameter of the solidified body using two calipers at two or more points. Moreover, the density was calculated from the volume calculated from the measured value of the weigh scale, the average height, and the average diameter.

[2−3]水和物のピーク有無の確認
水和物のピーク有無の確認は、X線構造解析の結果を用いて行った。X線構造解析は、各例のサンプルを粉砕した粉砕物に関してX線回折法で実行した。水和物のピーク有無は、各例について求めたX線回折スペクトルにおいて、入射ビームの入射角(回折角度2θ)が31°付近である部分に水和物に起因するピークが有るか否かに応じて判断した。ここでは、参考のために、固化材、アルカリ刺激剤、および、固化材とアルカリ刺激剤との混合物のそれぞれに関しても、X線構造解析を実行した。
[2-3] Confirmation of presence or absence of hydrate peak The confirmation of the presence or absence of the hydrate peak was performed using the results of X-ray structural analysis. The X-ray structural analysis was performed by the X-ray diffraction method on the pulverized product obtained by pulverizing the sample of each example. The presence or absence of a hydrate peak is determined by whether or not there is a peak due to the hydrate in a portion where the incident angle (diffraction angle 2θ) of the incident beam is around 31 ° in the X-ray diffraction spectrum obtained for each example. Judged accordingly. Here, for reference, the X-ray structural analysis was also performed for each of the solidifying material, the alkali stimulating agent, and the mixture of the solidifying material and the alkali stimulating agent.

図3は、実施例のサンプル、比較例の各サンプル、固化材、アルカリ刺激剤、および、固化材とアルカリ刺激剤との混合物について、X線構造解析を行った結果を示す図である。図3において、(1)は、固化材として用いたメタカオリンに関するX線回折スペクトルである。(2)は、アルカリ刺激剤として用いたメタケイ酸ナトリウム九水和物に関するX線回折スペクトルである。(3)は、メタカオリンとメタケイ酸ナトリウム九水和物との混合物(圧縮前)に関するX線回折スペクトルである。(4)は、比較例1のサンプルに関するX線回折スペクトルである。(5)は、比較例2のサンプルに関するX線回折スペクトルである。(6)は、実施例1−1のサンプルに関するX線回折スペクトルである。(7)は、実施例1−3のサンプルに関するX線回折スペクトルである。図3において、横軸は、回折角度2θであり、縦軸は、最大値に応じて正規化された回折強度である。なお、実施例1−2および実施例2に関するX線回折スペクトルは、実施例1−1の場合とほぼ同様であるため、図示を省略する。   FIG. 3 is a diagram showing the results of X-ray structural analysis of the sample of the example, each sample of the comparative example, the solidifying material, the alkali stimulating agent, and the mixture of the solidifying material and the alkali stimulating agent. In FIG. 3, (1) is an X-ray diffraction spectrum relating to metakaolin used as a solidifying material. (2) is an X-ray diffraction spectrum for sodium metasilicate nonahydrate used as an alkali stimulant. (3) is an X-ray diffraction spectrum for a mixture (before compression) of metakaolin and sodium metasilicate nonahydrate. (4) is an X-ray diffraction spectrum for the sample of Comparative Example 1. (5) is an X-ray diffraction spectrum for the sample of Comparative Example 2. (6) is an X-ray diffraction spectrum for the sample of Example 1-1. (7) is an X-ray diffraction spectrum for the sample of Example 1-3. In FIG. 3, the horizontal axis represents the diffraction angle 2θ, and the vertical axis represents the diffraction intensity normalized according to the maximum value. In addition, since the X-ray-diffraction spectrum regarding Example 1-2 and Example 2 is substantially the same as the case of Example 1-1, illustration is abbreviate | omitted.

[3]試験結果
上記のように行った各例の試験結果について順次説明する。
[3] Test Results The test results of each example performed as described above will be sequentially described.

[3−1]一軸圧縮強度について
表1に示すように、一軸圧縮強度は、実施例1−1、実施例1−2、実施例1−3、および、実施例2の方が、比較例1および比較例2よりも、十分に大きい。つまり、圧縮工程ST20において混合物の圧縮が行われる際に水和物から結晶水が脱離するように混合物を加熱し、固化材とアルカリ刺激剤との間の反応を進行させることによって、養生工程を実行しなくても、一軸圧縮強度が十分に大きいジオポリマー成型体を作製することができる。
[3-1] About uniaxial compressive strength As shown in Table 1, the uniaxial compressive strength is higher in Example 1-1, Example 1-2, Example 1-3, and Example 2 than in Comparative Example. It is sufficiently larger than 1 and Comparative Example 2. That is, when the mixture is compressed in the compression step ST20, the mixture is heated so that water of crystallization is desorbed from the hydrate, and the reaction between the solidifying material and the alkali stimulant is advanced, thereby the curing step. Even if it does not perform, a geopolymer molded object with sufficiently large uniaxial compressive strength can be produced.

各実施例の結果と比較例2の結果とを比較して判るように、混合物の圧縮が行われる際に混合物の内部温度を50℃以上にすることで、十分に一軸圧縮強度が大きいジオポリマー成型体が作製された。実施例1−1の結果と実施例1−3の結果とを比較して判るように、混合物の内部温度を高くすることによって、ジオポリマー成型体の一軸圧縮強度を大きくすることができる。さらに、実施例1−1の結果と実施例1−2の結果とを比較して判るように、圧縮時間を長くすることによって、ジオポリマー成型体の一軸圧縮強度を大きくすることができる。   As can be seen by comparing the results of each Example and the results of Comparative Example 2, when the mixture is compressed, the internal temperature of the mixture is set to 50 ° C. or higher so that the uniaxial compressive strength is sufficiently large. A molded body was produced. As can be seen by comparing the results of Example 1-1 and the results of Example 1-3, the uniaxial compressive strength of the geopolymer molded body can be increased by increasing the internal temperature of the mixture. Furthermore, the uniaxial compressive strength of a geopolymer molded object can be enlarged by lengthening compression time so that it may understand by comparing the result of Example 1-1 and the result of Example 1-2.

また、実施例1−1の結果と実施例2の結果とを比較して判るように、発熱物質の発熱によって混合物の加熱を行った場合も同様に、ジオポリマー成型体の一軸圧縮強度を十分に大きくすることができる。   In addition, as can be seen by comparing the results of Example 1-1 and the results of Example 2, the uniaxial compressive strength of the geopolymer molded body is also sufficient when the mixture is heated by the heat generated by the exothermic material. Can be large.

[3−2]水和物のピーク有無
表1に示すように、水和物のピークは、比較例2の場合に存在していたが、他の各例では、存在していなかった。この結果から、比較例2の場合においては、アルカリ刺激剤である水和物が残存しているので、固化材とアルカリ刺激剤との間の反応が十分に進行していないことが判る。これに対して、他の各例においては、アルカリ刺激剤である水和物が残存していないので、固化材とアルカリ刺激剤との間の反応が十分に進行していることが判る。その結果、実施例1−1、実施例1−2、実施例1−3、および、実施例2の方が、比較例1および比較例2よりも、一軸圧縮強度が十分に大きくなったと考えられる。
[3-2] Presence / absence of hydrate peak As shown in Table 1, the hydrate peak was present in the case of Comparative Example 2, but was not present in the other examples. From this result, in the case of Comparative Example 2, it can be seen that the reaction between the solidifying material and the alkaline stimulant does not sufficiently proceed because the hydrate which is the alkaline stimulant remains. On the other hand, in each of the other examples, since the hydrate which is an alkali stimulant does not remain, it can be seen that the reaction between the solidifying material and the alkali stimulant is sufficiently advanced. As a result, Example 1-1, Example 1-2, Example 1-3, and Example 2 were considered to have sufficiently higher uniaxial compressive strength than Comparative Example 1 and Comparative Example 2. It is done.

なお、本発明は上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階では、上述した実施例以外にも様々な形態で実施することができる。本発明は、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、追加、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments as they are, and can be implemented in various forms other than the above-described examples in the implementation stage. The present invention can be variously omitted, added, replaced, and changed without departing from the gist of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…混合部、11…容器、12…撹拌機、20…圧縮成型部、21…型枠、22…加圧機、23…加熱機。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Mixing part, 11 ... Container, 12 ... Stirrer, 20 ... Compression molding part, 21 ... Mold, 22 ... Pressurizer, 23 ... Heater.

Claims (6)

固化材とアルカリ刺激剤とを混合することによって混合物を得る混合工程と、
前記混合物を圧縮して成型することによってジオポリマー成型体を形成する圧縮工程と
を有し、
前記アルカリ刺激剤は、水和物を含み、
前記圧縮工程において前記混合物の圧縮が行われる際には、前記水和物から結晶水が脱離するように前記混合物が加熱され、前記固化材と前記アルカリ刺激剤との間の反応が進行する、
ジオポリマー成型体の製造方法。
A mixing step of obtaining a mixture by mixing a solidifying material and an alkali stimulant;
A compression step of forming a geopolymer molding by compressing and molding the mixture,
The alkaline stimulant includes a hydrate,
When the mixture is compressed in the compression step, the mixture is heated so that water of crystallization is desorbed from the hydrate, and the reaction between the solidifying material and the alkali stimulant proceeds. ,
A method for producing a geopolymer molding.
前記圧縮工程においては、加熱機を用いて前記混合物の加熱が行われる、
請求項1に記載のジオポリマー成型体の製造方法。
In the compression step, the mixture is heated using a heater.
The manufacturing method of the geopolymer molded object of Claim 1.
前記混合工程においては、発熱物質が前記混合物に添加され、
前記圧縮工程においては、前記発熱物質の発熱によって前記混合物が加熱される、
請求項1または2に記載のジオポリマー成型体の製造方法。
In the mixing step, a pyrogen is added to the mixture,
In the compression step, the mixture is heated by the heat generated by the exothermic material.
The manufacturing method of the geopolymer molded object of Claim 1 or 2.
前記発熱物質は、鉄、亜鉛、アルミニウム、ニッケル、ズズから選択される金属材料で形成された金属粉である、
請求項3に記載のジオポリマー成型体の製造方法。
The exothermic substance is a metal powder formed of a metal material selected from iron, zinc, aluminum, nickel, and sud,
The manufacturing method of the geopolymer molded object of Claim 3.
前記アルカリ刺激剤は、融点が50℃以上100℃以下である、
請求項1から4のいずれかに記載のジオポリマー成型体の製造方法。
The alkali stimulant has a melting point of 50 ° C. or higher and 100 ° C. or lower.
The manufacturing method of the geopolymer molded object in any one of Claim 1 to 4.
固化材とアルカリ刺激剤とを混合することによって混合物を得る混合部と、
前記混合物を圧縮して成型することによってジオポリマー成型体を形成する圧縮成型部と
を有し、
前記アルカリ刺激剤は、水和物を含み、
前記圧縮成型部において前記混合物の圧縮が行われる際には、前記水和物から結晶水が脱離するように前記混合物が加熱され、前記固化材と前記アルカリ刺激剤との間の反応が進行する、
ジオポリマー成型体製造システム。
A mixing section for obtaining a mixture by mixing the solidifying material and the alkali stimulant;
A compression molding part that forms a geopolymer molding by compressing and molding the mixture,
The alkaline stimulant includes a hydrate,
When the mixture is compressed in the compression molding section, the mixture is heated so that water of crystallization is desorbed from the hydrate, and the reaction between the solidifying material and the alkali stimulant proceeds. To
Geopolymer molding production system.
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