JP2023114666A - コンクリート製品の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】廃棄されたコンクリートから得られるセメントペーストを利用してコンクリート製品を製造するための方法を提供すること。【解決手段】この製造方法は、廃コンクリートからセメントペーストを回収すること、セメントペースト、水、骨材、および化学混和剤を混合してレディーミクストコンクリートを調製すること、レディーミクストコンクリートを成形すること、ならびに４００ｐｐｍ以上１００％以下の濃度で二酸化炭素を含むガスの存在下、成形されたレディーミクストコンクリートを養生することを含む。【選択図】図１
Description
本発明の実施形態の一つは、廃コンクリートから回収されたセメントペーストを用いてコンクリート製品を製造する方法、および上記方法を利用して二酸化炭素を固定する方法に関する。
廃棄されたコンクリート（廃コンクリート）を粉砕して二酸化炭素と処理することにより、二酸化炭素を固定して炭酸カルシウムが製造できることが知られている（例えば、特許文献１から５参照。）。また、このプロセスで得られる二酸化炭素を固定した廃コンクリートは、埋め戻し材などのリサイクル資材として利用できることが知られている（例えば、特許文献６参照。）。
本発明の実施形態の一つは、廃コンクリートから得られるセメントペーストを利用してコンクリート製品を製造するための方法を提供することを課題の一つとする。あるいは、廃棄されたコンクリートを利用して二酸化炭素を固定する方法を提供することを課題の一つとする。
本発明の実施形態の一つは、コンクリート製品の製造方法である。この製造方法は、廃コンクリートからセメントペーストを回収すること、セメントペースト、水、骨材、および化学混和剤を混合してレディーミクストコンクリートを調製すること、レディーミクストコンクリートを成形すること、ならびに４００ｐｐｍ以上１００％以下の濃度で二酸化炭素を含むガスの存在下、成形されたレディーミクストコンクリートを養生することを含む。
本発明の実施形態の一つは、二酸化炭素の固定方法である。この固定方法は、廃コンクリートからセメントペーストを回収すること、セメントペースト、水、骨材、および化学混和剤を混合してレディーミクストコンクリートを調製すること、レディーミクストコンクリートを成形すること、ならびに４００ｐｐｍ以上１００％以下の濃度で二酸化炭素を含むガスの存在下、成形されたレディーミクストコンクリートを養生することを含む。
以下、本発明の各実施形態について、図面などを参照しつつ説明する。ただし、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲において様々な態様で実施することができ、以下に例示する実施形態の記載内容に限定して解釈されるものではない。
図面は、説明をより明確にするため、実際の態様に比べ、各部の幅、厚さ、形状などについて模式的に表される場合があるが、あくまで一例であって、本発明の解釈を限定するものではない。本明細書と各図において、既出の図に関して説明したものと同様の機能を備えた要素には、同一の符号を付して、重複する説明を省略することがある。
本明細書では、コンクリートとは、原料の一つであるセメントが水と反応して生成するセメント水和物が硬化することで得られる、流動性を示さない硬化物を指す。したがって、骨材を含まないモルタルもコンクリートの範疇に含まれる。コンクリートには直径が５ｍｍ以下の細骨材および／または直径が５ｍｍを超える（例えば、５ｍｍよりも大きく２０ｍｍ以下、または１０ｍｍ以上２０ｍｍ以下）粗骨材を含んでもよい。一方、硬化前のコンクリート、すなわち、セメントと水を含み、かつ、完全に硬化せずに流動性を有する混合物をレディーミクストコンクリート（生コンクリートとも呼ばれる）と呼ぶ。レディーミクストコンクリートは、セメントと水のほか、骨材、および／またはＡＥ剤（気泡分散剤）流動化剤、増粘剤などの添加剤を含んでもよい。
本明細書では、セメントペーストとは、コンクリートのうち骨材を除く成分であり、主に硬化したセメント水和物で構成される。コンクリート内では、セメントペーストによって骨材同士が強固に固着される。セメントペーストは、セメント成分と呼ばれることもある。
本明細書では、養生とはレディーミクストコンクリートを硬化するための工程を指し、レディーミクストコンクリートを養生することにより、硬化したレディーミクストコンクリート、すなわちコンクリートが形成される。
＜第１実施形態＞
以下、本発明の実施形態の一つに係るコンクリート製品の製造方法（以下、単に本製造方法と記す。）について述べる。以下の説明から理解できるように、本製造方法では、廃コンクリートから得られるセメントペーストを利用してレディーミクストコンクリートが調整され、このレディーミクストコンクリートを養生してコンクリート製品を製造する際に二酸化炭素が用いられる。この過程において二酸化炭素がコンクリート製品に固定される。このため、本製造方法は、二酸化炭素の固定方法と言うこともでき、したがって、本発明の実施形態は、二酸化炭素の固定方法も含む。
以下、本発明の実施形態の一つに係るコンクリート製品の製造方法（以下、単に本製造方法と記す。）について述べる。以下の説明から理解できるように、本製造方法では、廃コンクリートから得られるセメントペーストを利用してレディーミクストコンクリートが調整され、このレディーミクストコンクリートを養生してコンクリート製品を製造する際に二酸化炭素が用いられる。この過程において二酸化炭素がコンクリート製品に固定される。このため、本製造方法は、二酸化炭素の固定方法と言うこともでき、したがって、本発明の実施形態は、二酸化炭素の固定方法も含む。
本製造方法のフローチャートを図１に示す。図１に示すように、本製造方法では、廃コンクリートから骨材が除去されてセメントペーストが回収され、セメントペーストに水や化学混和剤が混合されてレディーミクストコンクリートが調整される。このレディーミクストコンクリートを成形し、その後二酸化炭素を含むガスの存在下、レディーミクストコンクリートを養生することで、コンクリート製品が製造される。
１．廃コンクリートの粉砕、および骨材の除去によるセメントペーストの回収
本製造方法で利用できる廃コンクリートに制約はなく、ビルや橋、橋脚、ダム、道路などのコンクリート製建造物に由来する廃コンクリートでもよく、コンクリートブロック、モルタルブロック、レンガなどの小型のコンクリート製品に由来する廃コンクリートでもよい。
本製造方法で利用できる廃コンクリートに制約はなく、ビルや橋、橋脚、ダム、道路などのコンクリート製建造物に由来する廃コンクリートでもよく、コンクリートブロック、モルタルブロック、レンガなどの小型のコンクリート製品に由来する廃コンクリートでもよい。
図１、図２に示すように、まず、廃コンクリート１００は、骨材（粗骨材、細骨材）とセメントペーストを分離するために粉砕される。廃コンクリート１００の粉砕は、例えば大型の破砕機を用いて廃コンクリートを数十キロから数キロの大きさに一次粉砕する。廃コンクリートに鉄骨や木材、プラスチックなどの不純物が含まれる場合には、一次粉砕の際に除去すればよい。この時に生成する破砕されたコンクリート片１０２は、骨材（細骨材１０２ｂ、粗骨材１０２ｃ）がセメントペースト１０２ａによって固着された状態にある。このコンクリート片１０２を用いて後述するレディーミクストコンクリートを調製してもよいが、粉砕機を用いてさらにコンクリート片１０２に対して二次粉砕を行うことが好ましい。二次粉砕では、例えばローラーミル、ジェットミル、ハンマーミル、ピンミル、回転ミル、振動ミル、遊星ミルなどを粉砕機として用いればよい。二次粉砕により、セメントペースト１０２ａ、粗骨材１０２ｃ、細骨材１０２ｂの混合物が得られる。二次粉砕は、例えば、この混合物中の４０質量％から６０質量％の成分が５ｍｍ以下の粒径（または最大長、以下同じ。）を有するように行えばよい。
コンクリート片１０２を二次粉砕することで得られるセメントペースト１０２ａ、粗骨材１０２ｃ、細骨材１０２ｂの混合物を分級および／または篩分けし、粗骨材１０２ｃと細骨材１０２ｂを除去して粉体状のセメントペースト１０２ａを得る。分級は乾式分級でも湿式分級でもよい。分級機の構造や種類にも制約はなく、気流分級機、重力場分級機、慣性力場分級機、遠心力場分級機などを用いて分類すればよい。篩分けは、５ｍｍ以上、１０ｍｍ以上、または２０ｍｍ以上の粒径を有する成分を除去できるように行えばよく、回転式篩機や振動式篩機を適宜用いればよい。篩機の篩を通過した成分にセメントペースト１０２ａが主として含まれるため、この成分を回収し、その後の工程に用いる。なお、篩機の篩を通過した成分に骨材の一部が含まれてもよい。
２．混練と成形
引き続き、得られたセメントペースト１０２ａを用いてコンクリート製品を製造する。まず、セメントペースト１０２ａに水と化学混和剤を混合し、撹拌機、例えばコンクリートミキサー１０４内で練り混ぜる（混練）。セメントペースト１０２ａと水の質量比であるセメント比（水／セメント）は、製造するコンクリート製品に要求される特性に基づいて決定すればよいが、５０％から６５％の範囲から選択することが好ましい。化学混和剤としては、ＡＥ剤（気泡分散剤）、流動化剤、増粘剤、減水剤、凝結遅延剤、急結剤、水和熱抑制剤、防凍剤、収縮低減剤などから適宜選択すればよい。
引き続き、得られたセメントペースト１０２ａを用いてコンクリート製品を製造する。まず、セメントペースト１０２ａに水と化学混和剤を混合し、撹拌機、例えばコンクリートミキサー１０４内で練り混ぜる（混練）。セメントペースト１０２ａと水の質量比であるセメント比（水／セメント）は、製造するコンクリート製品に要求される特性に基づいて決定すればよいが、５０％から６５％の範囲から選択することが好ましい。化学混和剤としては、ＡＥ剤（気泡分散剤）、流動化剤、増粘剤、減水剤、凝結遅延剤、急結剤、水和熱抑制剤、防凍剤、収縮低減剤などから適宜選択すればよい。
混練においては、さらに骨材を加えてもよい。この骨材は、廃コンクリート１００またはコンクリート片１０２の粉砕によって分離された粗骨材１０２ｃや細骨材１０２ｂでもよく、別途準備した砂、砂利、軽石、高炉スラグなどでもよい。セメントペースト１０２ａと骨材の質量比も、得られるコンクリートブロックに求められる特性を考慮して適宜設定すればよく、例えば、セメントペースト１０２ａに対して３倍以上１０倍以下の質量の骨材を使用すればよい。また、骨材と共に、あるいは骨材に替わり、フライアッシュやスラグ、バイオマス灰や焼却灰などの灰、シリカヒュームなどを混和材として加えてもよい。
混練においては、新たにセメントを添加する必要は無い。これは、後述するように、廃コンクリート１００に由来するセメントペースト１０２ａが水の存在下二酸化炭素と反応（炭酸化）することで炭酸カルシウムの結晶が成長し、針状のネットワークを形成して強固な硬化物を与えるためである。
以上の工程により、流動性を有するレディーミクストコンクリートが得られる。ただし、ここで得られるレディーミクストコンクリートは高い流動性を有する必要は無く、パサパサの状態でもよい。すなわち、ここまでの工程で得られるレディーミクストコンクリートは、凝集したセメントペースト１０２ａの間に大量の空隙を有し、外部から力が加わった場合に容易に変形する固体の状態を有していればよい。
その後、レディーミクストコンクリートを鋳型１０６に充填し（図３）、加圧することで成形を行う。鋳型１０６の大きさや形状は、製造されるコンクリート製品の用途に応じて任意に決定すればよい。このとき、鋳型１０６の内部全体に高密度でレディーミクストコンクリートが充填されるよう、鋳型１０６および／または鋳型１０６内のレディーミクストコンクリートに振動を加え、混入した空気を除去してもよい。加圧時の圧力は、例えば１ＭＰａ以上１０ＭＰａ以下の範囲から選択すればよい。これにより、鋳型１０６から取り出した後のレディーミクストコンクリートが自立可能な状態となる。ここで、自立可能な状態とは、鋳型１０６から取り出された後でも成形によって創り出された三次元形状を維持できる状態を指す。なお、鋳型１０６内部には鉄筋を配置してもよい。成形後、レディーミクストコンクリートは鋳型１０６から取り出される（脱型）。
３．養生
その後、養生が行われる。養生は、専用の養生室で行ってもよく、あるいは固定容量を有する耐圧性容器や可撓性の袋などの密閉可能な容器１１０内で行ってもよい。耐圧性容器は、鉄やアルミニウム、ステンレスなどの金属、あるいは樹脂を用いて構成することができる。可撓性の袋は、可視光を透過する材料を含んでもよく、あるいは可視光を透過しない材料を含んでもよい。例えば、可撓性の袋は、ポリエチレンやポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリエチレン－ビニルアルコール共重合体などのガスバリア性の高い高分子材料を含んでもよい。あるいは、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトンなどの機械的強度の高い高分子（例えば、エンジニアリングプラスチック）の繊維を用いて可撓性の袋を構成してもよい。この繊維には、ガラス繊維や炭素繊維が複合されていてもよい。可撓性の袋を構成する材料のガス透過性が高い場合には、その内側および／または外側をアルミニウムなどの金属膜でコーティングしてもよい。容器１１０の大きさや形状は、成形されたレディーミクストコンクリート１０８が一つまたは複数収容可能なように調整される。
その後、養生が行われる。養生は、専用の養生室で行ってもよく、あるいは固定容量を有する耐圧性容器や可撓性の袋などの密閉可能な容器１１０内で行ってもよい。耐圧性容器は、鉄やアルミニウム、ステンレスなどの金属、あるいは樹脂を用いて構成することができる。可撓性の袋は、可視光を透過する材料を含んでもよく、あるいは可視光を透過しない材料を含んでもよい。例えば、可撓性の袋は、ポリエチレンやポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、ポリフッ化ビニル、ポリエチレン－ビニルアルコール共重合体などのガスバリア性の高い高分子材料を含んでもよい。あるいは、ポリアセタール、ポリアミド、ポリイミド、ポリエチレンテレフタレートなどのポリエステル、芳香族ポリカーボネート、ポリフェニレンエーテル、ポリスルフォン、ポリエーテルスルフォン、ポリフェニレンスルフィド、ポリエーテルケトンなどの機械的強度の高い高分子（例えば、エンジニアリングプラスチック）の繊維を用いて可撓性の袋を構成してもよい。この繊維には、ガラス繊維や炭素繊維が複合されていてもよい。可撓性の袋を構成する材料のガス透過性が高い場合には、その内側および／または外側をアルミニウムなどの金属膜でコーティングしてもよい。容器１１０の大きさや形状は、成形されたレディーミクストコンクリート１０８が一つまたは複数収容可能なように調整される。
養生は、成形されたレディーミクストコンクリート１０８を大気中の二酸化炭素濃度よりも高い濃度で二酸化炭素を含むガスと接触させることで行われる。すなわち、４００ｐｐｍ以上１００％以下の濃度で二酸化炭素を含むガスの存在下、成形したレディーミクストコンクリート１０８を養生（硬化）させる。養生室で養生を行う場合には、養生室に二酸化炭素を含むガスを供給すればよい。容器１１０で養生を行う場合には、容器１１０内を図示しない排気装置を用いて排気し、その後、二酸化炭素を含むガスを容器１１０に供給すればよい。二酸化炭素を含むガスの供給は、養生開始時だけ行ってもよく、定常的または断続的に行ってもよい。
二酸化炭素を含むガスは、二酸化炭素が充填されたボンベから供給してもよく、あるいは、養生を行う現場付近に二酸化炭素を大量に排出する施設（化学プラント、ゴミ焼却施設、火力発電所、その他各種工場など）が既設されている場合、これらの施設で排出されるガス、または排出ガスに対して脱塵、脱硫、脱硝などを行うことで得られる精製された二酸化炭素を二酸化炭素を含むガスとして利用してもよい。この場合、これらの施設が二酸化炭素を含むガスの供給源として機能し、二酸化炭素を運搬するためのコストが削減され、運搬に伴う二酸化炭素の更なる排出が防止される。
容器１１０を用いる場合には、二酸化炭素を含むガスの圧力は、１気圧（０．１０ＭＰａ）以上が好ましく、０．２０ＭＰａ以上２ＭＰａ以下、または０．５ＭＰａ以上１ＭＰａ以下がさらに好ましい。
図示しないが、二酸化炭素を含むガスに加湿器を接続し、水蒸気を添加して二酸化炭素を含むガスの湿度を適宜調整してもよい。例えば、二酸化炭素を含むガスの湿度を４０％以上１００％以下に調整してもよい。
養生の温度も任意に設定することができる。例えば、室温でもよく、あるいは室温以上の温度（例えば、４０℃以上６０℃以下）で行ってもよい。
養生の時間は、温度、二酸化炭素を含むガスの湿度と二酸化炭素濃度、レディーミクストコンクリート１０８の大きさ、水／セメント比などに応じて適宜決定すればよく、例えば１時間以上１ヶ月以下、１時間以上１０日以下、または１時間以上１２時間以下の範囲から選択すればよい。
養生室で養生を行う場合には、水またはアルカリ水溶液をレディーミクストコンクリート１０８に散布してもよい。水またはアルカリ水溶液の散布は、養生開始時だけに行ってもよく、あるいは定常的にまたは断続的に行ってもよい。アルカリ水溶液としては、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩、炭酸水素塩、または水酸化物の水溶液が例示される。水やアルカリ水溶液の温度は常温でもよく、４０℃以上１００℃以下でもよい。一方、容器１１０内で養生を行う場合には、水またはアルカリ水溶液を容器１１０内に供給してもよい。この場合にも、水またはアルカリ水溶液の供給は、養生開始時だけに行ってもよく、定常的にまたは断続的に行ってもよい。水またはアルカリ水溶液を散布または供給することで硬化速度を増大させることができるので、養生時間を短縮することができる。以上の工程により、脱型時の形状が反映されたコンクリート製品１１２を製造することができる。
４．メカニズム
養生によってレディーミクストコンクリート１０８が硬化するが、そのメカニズムは以下のように説明される。
養生によってレディーミクストコンクリート１０８が硬化するが、そのメカニズムは以下のように説明される。
ポルトランドセメントの主成分を構成する鉱物はエーライト（ケイ酸三カルシウム：３ＣａＯ・ＳｉＯ2）とビーライト（ケイ酸二カルシウム：２ＣａＯ・ＳｉＯ2）である。これらの鉱物が水と接触すると以下のような反応が進行し、ケイ酸カルシウム水和物（３ＣａＯ・２ＳｉＯ2・３Ｈ2Ｏ）と水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）2）を与える。このケイ酸カルシウム水和物と水酸化カルシウムがコンクリートのセメントペーストに相当する。このため、廃コンクリートから得られるセメントペーストもケイ酸カルシウム水和物と水酸化カルシウムが主成分となる。
廃コンクリートから得られる粉体状のセメントペーストに水を加えても硬化しないため、一定の強度を有する硬化物を得ることはできない。これは、ケイ酸カルシウム水和物と水酸化カルシウムは水和反応しないためである。しかしながら、二酸化炭素存在下で養生することでケイ酸カルシウム水和物と水酸化カルシウムは以下の反応式に従って二酸化炭素と反応（炭酸化）し、二酸化ケイ素と共に炭酸カルシウムを与える。
この反応が進行すると、セメントペースト中の水酸化カルシウムとケイ酸カルシウム水和物は、レディーミクストコンクリート中の隙間を埋めるように炭酸カルシウムの結晶を成長させて針状のネットワークを形成する。その結果、炭酸カルシウムの結晶のネットワーク内に酸化ケイ素が固定された強固な硬化物が生成する。すなわち、レディーミクストコンクリートが硬化し、高い圧縮強度を有するコンクリート製品１１２が得られる。
さらに、レディーミクストコンクリートの調整時においてフライアッシュや高炉スラグ、シリカヒュームなどの酸化ケイ素や酸化アルミニウムを含む混和材を用いる場合には、水酸化カルシウムとの反応（ポラゾン反応）が進行する。ポラゾン反応によって生成する安定なケイ酸カルシウム水和物やアルミン酸カルシウム水和物がコンクリート製品中の間隙を埋めるため、より緻密なコンクリート製品を得ることができる。
上記メカニズムに起因し、本製造方法では、新たにセメントを用いること無く、廃コンクリートから回収されたセメントペーストから新たなコンクリート製品を製造することができる。すなわち、廃コンクリートを単なる埋め戻し材や骨材といった副次的リサイクル材料に利用するだけでなく、セメントと実質的に同一の機能、すなわち、コンクリート製品を製造するために必須の機能である硬化機能を発現できる素材として活用することが可能となる。
また、セメントを製造するためには大量の二酸化炭素が必要とされるが、本製造方法ではセメントを別途準備する必要がない。すなわち、レディーミクストコンクリートの調整はセメントの非存在下で行われる。したがって、コンクリート製品の製造において二酸化炭素の排出を大幅に抑制することができる。また、本製造方法によって大量の二酸化炭素を炭酸カルシウムとしてコンクリート製品中に固定することができることから、本製造方法は、温室効果ガスの一つである二酸化炭素の低減に寄与する方法であると言える。
本発明の実施形態として上述した各実施形態は、相互に矛盾しない限りにおいて、適宜組み合わせて実施することができる。各実施形態を基にして、当業者が適宜構成要素の追加、削除もしくは設計変更を行ったものも、本発明の要旨を備えている限り、本発明の範囲に含まれる。
上述した各実施形態によりもたらされる作用効果とは異なる他の作用効果であっても、本明細書の記載から明らかなもの、又は、当業者において容易に予測し得るものについては、当然に本発明によりもたらされるものと理解される。
１００：廃コンクリート、１０２：コンクリート片、１０２ａ：セメントペースト、１０２ｂ：細骨材、１０２ｃ：粗骨材、１０４：コンクリートミキサー、１０６：鋳型、１０８：レディーミクストコンクリート、１１０：容器、１１２：コンクリート製品
Claims (8)
- 廃コンクリートからセメントペーストを回収すること、
前記セメントペースト、水、および化学混和剤を混合してレディーミクストコンクリートを調製すること、
前記レディーミクストコンクリートを成形すること、ならびに
４００ｐｐｍ以上１００％以下の濃度で二酸化炭素を含むガスの存在下、成形された前記レディーミクストコンクリートを養生することを含む、コンクリート製品の製造方法。 - 前記レディーミクストコンクリートの前記調製において、骨材がさらに添加される、請求項１に記載の製造方法。
- 前記ガスは水蒸気を含む、請求項１に記載の製造方法。
- 前記養生において、成形された前記レディーミクストコンクリートに水またはアルカリ水溶液を散布することをさらに含む、請求項１に記載の製造方法。
- 前記養生は、固定容量を有する容器、または可撓性の袋の中で行われる、請求項１に記載の製造方法。
- 前記容器または前記袋内に水またはアルカリ水溶液を供給することをさらに含む、請求項５に記載の製造方法。
- 前記アルカリ水溶液は、アルカリ金属またはアルカリ土類金属の炭酸塩、炭酸水素塩、または水酸化物の水溶液である、請求項４または６に記載の製造方法。
- 前記レディーミクストコンクリートの前記調製は、セメントの非存在下で行われる、請求項１に記載の製造方法。
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