JP3326571B2 - 石炭灰による人工骨材の製造方法及び人工骨材並びにそれを用いたコンクリート - Google Patents

石炭灰による人工骨材の製造方法及び人工骨材並びにそれを用いたコンクリート

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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】この発明は、石炭灰(フライアッ
シュ)による人工骨材の製造方法及び人工骨材並びにそ
れを用いたコンクリートに関するものある
【0002】
【従来の技術】軽量骨材は日本工業規格A5002にお
いて、人工軽量骨材、天然軽量骨材、副産軽量骨材等が
粗骨材の絶乾比重により1.0未満のL型、1.0〜
1.5のM型、1.5〜2.0のH型に区別されてい
る。
【0003】人工軽量骨材の原料として石炭焚きボイラ
などの排ガスから回収される石炭灰(フライアッシュ)
が用いられている。この石炭灰を用いて軽量骨材を製造
する場合には石炭灰の比表面積又は粒度分布を規制した
り、更には、補助原料を添加したりして、該石炭灰を造
粒し、その造粒物を焼成して製品を得ている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】従来の軽量骨材は石炭
灰以外の原料、例えば、膨張頁岩で製造された人工骨材
に比し、製造コストが高い割りには圧縮強度が低く、
又、吸水率も高い。そのため、この軽量骨材をコンクリ
ート骨材に用いたコンクリートは、必要にして十分な圧
縮強度、引張強度、、静弾性係数、を得ることができな
いので、土木、建築用コンクリートとして利用できな
い、という問題がある。この問題は、軽量骨材を天然骨
材と同様な性能、即ち、絶乾比重が2.0以上、吸水率
が3.0%以下、圧縮強度が400kg/cm2以上、
にすることにより解決する。
【0005】本発明は前記事情に鑑み、土木、建築用普
通コンクリート骨材として使用することができる人工骨
材を得るとともに、石炭灰の用途を拡大し、その有効利
用を図ることを目的とする。他の目的は、必要にして十
分な圧縮強度、引張強度、静弾性係数、を有するコンク
リートを得ることである。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者は、石炭灰で人
工骨材を製造する場合、基本的に焼結前の石炭灰の造粒
物(ペレット)を緻密化することにより人工骨材の圧縮
強度が高くなることに気がついた。
【0007】そこで、緻密な造粒物を得るために実施可
能な方法を追求した結果、石炭灰の粒度分布を次の範囲
内にすると石炭灰を極端に細かくしなくても達成できる
ことが分かった。即ち、石炭灰の粒度分布が、6μm未
満 20%以上,6〜24μm 40%〜60%,24
〜44μm 30%以下,の範囲に80%以上入るこ
と。このような粒度分布を採用した場合に緻密な造粒物
ができる理由は、石炭灰の粗粒同士の隙間が中粒で満た
され、更に、石炭灰の粗粒と中粒の間隙が細粒で埋めら
れるためである。
【0008】実際の製造工程では、石炭灰にベントナイ
ト、水ガラス、セメントなどの粘結剤と水とを加えて造
粒し、その造粒物(ペレット)をロータリキルン等の焼
成炉により加熱焼結するが、本発明者は造粒物の水分を
加熱工程までに16%以下、好ましくは12〜13%程
度まで乾燥することにより造粒物は更に緻密化し、高強
度の人工骨材が得られることを知った。
【0009】更に、石炭灰にブレーン比表面積1000
〜10000cm2/gの石灰石、好ましくは、500
0〜10000cm2の石灰石粉末(炭カル)を、石炭
灰の性状に合わせて適量、例えば、CaO換算で石灰石
の40%以下程度加えると絶乾比重を高めることができ
ることも分かった。
【0010】そこで、本発明者は上記事実に基き次の発
明を完成させた。 (1)粒度分布が、6μm未満20%以上,6〜24μ
m 40%〜60%,24〜44μm 30%以下,の
範囲に80%以上入るように石炭灰を調整した後、該石
炭灰に粘結材と水とを加えて造粒し、その造粒物を焼成
することを特徴とする石炭灰による人工骨材の製造方
法。
【0011】(2)粒度分布が、6μm未満20%以
上,6〜24μm 40%〜60%,24〜44μm
30%以下,の範囲に80%以上入るように石炭灰を調
整した後、該石炭灰に粘結材と水とを加えて造粒し、そ
の造粒物を焼成することにより形成されたことを特徴と
する人工骨材。
【0012】(3)粒度分布が、6μm未満20%以
上,6〜24μm 40%〜60%,24〜44μm
30%以下,の範囲に80%以上入るように石炭灰を調
整した後、該石炭灰に粘結材と水とを加えて造粒し、そ
の造粒物を焼成することにより絶乾比重が2.0以上、
吸水率が3.0%以下、圧縮強度が400kg/cm2
以上、の人工骨材を形成し、該人工骨材をコンクリート
骨材としたことを特徴とするコクリート。
【0013】
【作用】焼成前の石炭灰の造粒物は緻密化するので本発
明により製造した人工骨材は絶乾比重2.0以上、吸水
率3.0%以下、圧縮強度400kg以上、となる。そ
のため、該人工骨材を用いたコンクリートは天然骨材を
用いたものと同様となるので、一般の土木、建築用コン
クリートとして利用可能となる。
【0014】
【実施例】この発明の実施例を詳細に説明する。石炭焚
きボイラなどから発生する石炭灰は石炭の種類によりそ
の化学成分が相違し、例えば、表1の様な相違が見られ
る。尚、石炭灰Aは、豪州炭の燃焼により発生する石炭
灰、石炭灰Bは中国炭の燃焼により発生した石炭灰、石
炭灰Cはカナダ灰の燃焼により発生した石炭灰、をそれ
ぞれ示す。
【0015】
【表1】
【0016】本発明の第一実施例を図1〜図3により説
明する。石炭灰Aをボールミルで粉砕し、その後分級機
により分級し、表2に示す粒度分布にする。
【0017】
【表2】
【0018】表2において、Xは細粒側が多い細粒品、
Yは粉末調整品、Zは粗粒側が多い粗粒品、をそれぞれ
示す。
【0019】各分級灰に粘結剤としてベントナイト5重
量部と水20重量部を加えパグミルで混合した後パン型
造粒機で造粒し10〜15mmφの造粒物(ペレット)
を形成する。
【0020】該造粒物をロータリキルンで焼結して人工
骨材を製造し、その絶乾比重、吸水率、圧縮強度、を測
定したところ、図1〜図3の通りであった。
【0021】図1は、粒度分布による焼成温度と絶乾比
重との関係を示す図である。焼成温度を1140〜12
80℃の範囲にわたって変化させたところ、細粒品X、
粉末調製品Yでは、1150〜1210℃の範囲内で絶
乾比重が2.0以上となり、特に1180℃では最高値
2.4となった。しかし、上記1140〜1280℃の
範囲では粗粒品Zの絶乾比重は1.8程度以下にしか達
しなかった。
【0022】図2は、粒度分布による焼成温度と吸水率
との関係を示す図である。焼成温度を1140〜128
0℃の範囲にわたって変化させたところ、細粒品X、粉
末調製品Yでは、1150〜1280℃の範囲内で吸水
率が3.0%以下となり、又、粗粒品Zでは、1190
〜1280℃の範囲で吸水率が3%以下となった。
【0023】図3は、粒度分布による焼成温度と圧縮強
度との関係を示す図である。焼成温度を1140〜12
80℃の範囲にわたって変化させたところ、細粒品X、
粉末調製品Yでは、1160〜1240℃の広い範囲で
圧縮強度が400kg/cm 2以上となり、又、粗粒品
Zでは、1180〜1200℃の狭い範囲でしか圧縮強
度が400kg/cm2以上とならなかった。
【0024】要するに、石炭灰の粒度分布を細かくして
天然の骨材に近ずけることを試みても絶乾比重、吸水
率、圧縮強度、には限界があり、逆に、粒度分布を粗粒
品側にすると、絶乾比重、吸水率、圧縮強度が低下して
くるが、この傾向は他の石炭灰においても同様である。
【0025】この実験から石炭灰の粒度分布が、6μm
未満20%以上,6〜24μm 40%〜60%,24
〜44μm 30%以下,の範囲に80%以上入るよう
にすると、絶乾比重2.0〜2.5、吸水率3.0%以
下、圧縮強度400kg/cm2以上、の人工骨材を得
ることができることが明らかとなった。
【0026】本発明の第2実施例を図4〜図6により説
明する。表1に示した石炭灰A、石炭灰B、石炭灰Cに
つき粉末調整し、焼成温度と絶乾比重との関係について
調査した。 それぞれの石炭灰B、C、を表2の石炭灰
Aの粉末調製品Yと同様の粒度粉末、即ち、6μm未満
30%、6〜24μm 50%、24〜44μm 20
%以下,の範囲に80%以上入るように調整し、各分級
灰に粘結剤としてベントナイト5重量部と水20重量部
を加えパグミルで混合した後パン型造粒機で造粒し、1
0〜15mmφの造粒物(ペレット)を形成する。
【0027】該造粒物をロータリキルンで焼結し人工骨
材を製造し、その絶乾比重、吸水率、圧縮強度、を測定
したところ、図4〜図6の通りであった。
【0028】図4は、石炭灰A、B、Cの種類による焼
成温度と絶乾比重との関係を示す図である。焼成温度を
1140〜1280℃の範囲にわたって変化させたとこ
ろ、石炭灰Aでは1150〜1210℃の範囲内で、石
炭灰Bでは1185〜1240℃の範囲内で、更に、石
炭灰Cは1220〜1260℃の範囲内で絶乾比重が
2.0以上に達した。
【0029】即ち、いずれの石炭灰A、B、C もある
焼成温度域で絶乾比重が2.0以上となり、焼成温度を
適宜設定することにより更に絶乾比重を高くすることが
可能である。この傾向は本実施例に用いた石炭灰以外の
石炭灰についても同様であり、絶乾比重2.0〜2.5
の範囲の人工骨材を製造することができる。
【0030】図5は、石炭灰A、B、Cの種類による焼
成温度と吸水率との関係を示す図である。石炭灰Aで
は、1150℃以上、石炭灰Bでは1165℃以上、石
炭灰Cでは1195℃以上でそれぞれ吸水率が3.0%
以下となった。石炭灰A、B、Cのいずれも焼成温度を
高くすることにより吸水率を下げることができる。
【0031】図6は、石炭灰A、B、Cの種類による焼
成温度と圧縮強度との関係を示す図である。石炭灰Aで
は焼成温度が1160〜1240℃の範囲内で、石炭灰
Bでは1185〜1260℃の範囲内、又、石炭灰Cで
は、1200〜1275℃の範囲、の時に圧縮強度が4
00kg/cm2以上となった。
【0032】石炭灰A、B、Cのいずれもある焼成温度
の上昇と共に、圧縮強度が増加し、更に焼成温度を高め
ると低下してくる。この傾向は絶乾比重と同様である。
これは、骨材粒の表面が溶融ガラス化するとともに、骨
材の中では気泡が発生し成長するため絶乾比重及び圧縮
強度とも最高点に達した後、下降する為である。この傾
向は本実施例以外の石炭灰についても同様の結果が得ら
れており、400kg/cm2 以上の圧縮強度を得るこ
とができる。
【0033】本発明の第3実施例を図7により説明す
る。石炭灰Aに粉末の炭カルを加えて造粒し、その造粒
物を焼結して人工骨材を形成した。この石炭灰Aの化学
成分及び粒度分布は、前記表1、表2の粉末調製品Yと
同じである。
【0034】この人工骨材の焼成温度と絶乾比重との関
係を測定したところ、図7の通りとなった。図7におい
て、a、b、cはそれぞれブレーン比表面積1000
(cm2/g)の炭カルをCaO換算で石炭灰Aに対
し、それぞれ10重量%、25重量%、40重量%添加
した場合を示し、又、dはブレーン比表面積10000
(cm2/g)の炭カルをCaO換算で40重量%添加
した場合を示す。
【0035】この図より明らかな様に、a、b、c、d
は焼成温度が1140℃以上で絶乾比重が2.0以上と
なるが、aでは1210℃、bでは1220℃、cでは
1225℃、dでは1230℃を越えると絶乾比重が
2.0未満となってしまう。
【0036】以上より、炭カルのブレーン比表面積が一
定の場合炭カルの石炭灰に対する割合を増加することに
より絶乾比重が上がっており、又、炭カルのブレーン比
表面積を大きくすることにより更に絶乾比重を大きくす
ることができる。なお、骨材の強度は、絶乾比重と相関
が深く、一般には絶乾比重は強度の目安として扱われて
いる。
【0037】要するに、石炭灰にブレーン比表面積10
00〜10000cm2/gの石灰石をCaO換算で4
0重量%以下程度加えることにより、絶乾比重2.0〜
2.7の人工骨材が得られる。これを40重量%超えて
添加すると骨材焼結後の冷却時に破球、ひび割れ、など
が発生しやすくなり好ましくない。
【0038】本発明の第4実施例を図8により説明説明
する。第2実施例と同様に粉末調整した石炭灰A、石炭
灰B、石炭灰Cのそれぞれにブレーン比表面積5000
cm2/gの生石灰を25重量%添加して造粒し、その
造粒物を焼結して人工骨材を形成した。それぞれの人工
骨材の焼成温度と圧縮強度との関係を測定したところ、
図8に示す通りであった。
【0039】石炭灰Aでは、1170℃〜1230℃の
範囲、石炭灰Bでは、1205℃〜1235℃の範囲、
石炭灰Cでは、1225℃〜1255℃の範囲、の焼成
温度により焼成すると、圧縮強度が500kg/cm2
以上となった。
【0040】図8は、図6と同様の傾向を示している
が、圧縮強度が高くなっている。即ち、生石灰を添加す
ることにより人工骨材の圧縮強度を高めることができ
る。この傾向は実施例以外の石炭灰でも同様の結果を得
ることができ、水酸化カルシウムを添加してもほぼ同様
の結果を得ることができる。
【0041】なお、吸水率については、図5と同様石炭
灰の種類により焼成温度に差はあるが、吸水率が1%以
下となっており、前記以外の石炭灰についても吸水率を
3.0%以下にすることができる。
【0042】本発明の第5実施例を説明する。この実施
例は本発明の製造方法で得られた人工骨材Aイ、Aロ、A
ハ、を用いたコンクリートに関するものである。ここで
人工骨材Aイは、石炭灰Aを表2の粉末調整品Yと同じ
粒度に調整したものにブレーン比表面積1、000cm
2/gの炭カルをCaO換算で10重量%添加し、ベン
トナイト5重量%と水20重量%を加えて造粒した後焼
成し絶乾比重2.03としたものである。
【0043】人工骨材Aロは、石炭灰Aを表2の粉末調
整品Yと同じ粒度に調整したものにブレーン比表面積
1、000cm2/gの炭カルをCaO換算で25重量
%添加し、ベントナイト5重量%と水20重量%を加え
て造粒した後焼成し絶乾比重2.1としたものである。
【0044】人工骨材Aハは、石炭灰Aを表2の粉末調
整品Yと同じ粒度に調整したものにブレーン比表面積1
0、000cm2/gの炭カルをCaO換算で25重量
%添加し、ベントナイト5重量%と水20重量%を加え
て造粒した後焼成し絶乾比重2.32としたものであ
る。
【0045】各人工骨材Aイ、Aロ、Aハ、を使用したコ
ンクリートの配合を表3に示す。尚、比較として天然骨
材である岩瀬産砕石を粗骨としたものを併せて示す。表
3において、Cは普通ポルトランドセメント、Wは水、
Sは細骨材(小笠産陸砂)、Gは粗骨材、N0.70は
AE減水剤、303AはEA調整剤、をそれぞれ示す。
【0046】
【表3】
【0047】表3の配合によるコンクリートの品質を表
4に示す。
【表4】
【0048】表4の結果から、天然砕石と人工骨材との
コンクリートの性能を比較すると、スランプ値が砕石に
比べて大きく、人工骨材の形状が球形であり、フレッシ
ュコンクリートの流動性が改善されているのみならず圧
縮強さも7日、28日では差が無く、コンクリーート骨
材として天然砕石の代替が可能である。
【0049】本発明の第6実施例を説明するが、この実
施例はセメント量を変えた場合の各コンクリートの性状
に関するものである。表5に各コンクリートの配合を示
す。なお、表5において、Cは普通ポルトランドセメン
ト、Wは水、Sは細骨材(小笠産陸砂)、Gは粗骨材、
N0.70はAE減水剤、303AはEA調整剤、をそ
れぞれ示す。
【0050】
【表5】
【0051】表5の配合によるフレッシュコンクリート
の性状を表6に、又、硬化コンクリートの測定結果を表
7、表8、表9に示す。
【0052】
【表6】
【0053】
【表7】
【0054】
【表8】
【0055】
【表9】
【0056】本実施例では、コンクリート中のセメント
量の少ない場合でもコンクリートの性能を代表する圧縮
強度、引張強度、静弾性係数、において天然砕石を用い
たコンクリートより優れた値を示している。
【0057】その理由として、人工骨材自身の強度が大
きいこと、人造品であるため砕石に比し均質な骨材が得
られること、骨材の成分がセメントに近いこともあり骨
材とマトリックスとの付着が砕石に比し優れているこ
と、などが考えられる。
【0058】
【発明の効果】この発明は以上の様に構成したので、造
粒物が緻密化する。そのため、該造粒物を焼成すると、
絶乾比重2.0以上、吸水率3.0以下、圧縮強度40
0kg/cm2以上の人工骨材となるので、天然骨材と
同等の特性を備えることができる。
【0059】本発明の人工骨材は、従来の軽量人工骨材
と異なり天然骨材と同等の特性を備えているので、一般
の土木、建築用普通コンクリート骨材として利用するこ
とができる。そのため、石炭灰の使用量を大幅に増加す
ることが可能となる。
【0060】本発明のコンクリートは、石炭灰による人
工骨材を用いるにもかかわらず、天然骨材を用いたコン
クリートと同様な特性を備えている。そのため、土木、
建築用コンクリートとしても用いることができる。この
コンクリート用骨材は、流動性に優れコンクリートの単
価水量が少なく高強度が得られ、特にセメントの使用量
が少ない配合では、一般砕石を用いたコンクリートより
も高強度なものが得られており、コンクリートの物性を
変えずに軽量化を図ることが可能となる。
【0061】この発明は、焼成温度などを適宜選択する
ことにより絶乾比重が1.5〜2.0のH型人工軽量骨材とす
ることも可能であり、特に、炭カル、生石灰、消石灰を
添加したものは、緻密で高強度な軽量体が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1実施例を示す図で、粒度分布によ
る焼成温度と絶乾比重との関係を示す。
【図2】粒度分布による焼成温度と吸水率との関係を示
す図である。
【図3】粒度分布による焼成温度と圧縮強度との関係を
示す図である。
【図4】本発明の第2実施例を示す図で、石炭灰の種類
による焼成温度と絶乾比重との関係を示す図である。
【図5】石炭灰の種類による焼成温度と吸水率との関係
を示す図である。
【図6】石炭灰の種類による焼成温度と圧縮強度との関
係を示す図である。
【図7】本発明の第3実施例を示す図で、炭カル添加に
よる焼成温度と絶乾比重との関係を示す。
【図8】本発明の第4実施例を示す図で、生石灰添加に
よる焼成温度と圧縮強度との関係を示す図である。
【符号の説明】
A 石炭灰 B 石炭灰 C 石炭灰 X 細粒品 Y 粉末調整品 Z 粗粒品
フロントページの続き (72)発明者 成島 良輔 山口県小野田市大字小野田6276番地 小 野田セメント株式会社 資源リサイクル 研究所内 (72)発明者 二宮 浩行 山口県小野田市大字小野田6276番地 小 野田セメント株式会社 資源リサイクル 研究所内 (72)発明者 久坂 浩司 千葉県佐倉市大作2−4−2 小野田セ メント株式会社 中央研究所内 (72)発明者 斎藤 郁夫 千葉県佐倉市大作2−4−2 小野田セ メント株式会社 中央研究所内 (72)発明者 渡邊 一成 佐賀県佐賀市兵庫町字渕2760の8 (72)発明者 草野 輝彦 東京都田無市西原町4の5の37の6の 308 (72)発明者 志水 修身 東京都新宿区新宿1−6−5 株式会社 電発コール・テック内 (56)参考文献 特開 昭62−256747(JP,A) 特開 昭62−216948(JP,A) 特開 昭62−265153(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 18/08 C04B 18/10

Claims (11)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】粒度分布が、6μm未満20%以上,6〜
    24μm 40%〜60%,24〜44μm 30%以
    下,の範囲に80%以上入るように石炭灰を調整した
    後、該石炭灰に粘結材と水とを加えて造粒し、その造粒
    物を焼成することを特徴とする石炭灰による人工骨材の
    製造方法。
  2. 【請求項2】石炭灰にブレーン比表面積1000〜10
    000cm2/gの石灰石を添加することを特徴とする
    請求項1記載の石炭灰による人工骨材の製造方法。
  3. 【請求項3】石炭灰にブレーン比表面積5000〜10
    000cm2/gの石灰石粉末をCaO換算で該石炭灰
    の40%以下添加することを特徴とする請求項1記載の
    石炭灰による人工骨材の製造方法。
  4. 【請求項4】石炭灰に生石灰を添加することを特徴とす
    る請求項1記載の石炭灰による人工骨材の製造方法。
  5. 【請求項5】石炭灰に水酸化カルシュウムを添加するこ
    とを特徴とする請求項1記載の石炭灰による人工骨材の
    製造方法。
  6. 【請求項6】造粒物の水分を16%以下に乾燥させた後
    焼成することを特徴とする請求項1記載の石炭灰による
    人工骨材の製造方法。
  7. 【請求項7】焼成温度が、1160゜〜1275゜Cであ
    ることを特徴とする請求項1記載の石炭灰による人工骨
    材の製造方法。
  8. 【請求項8】粒度分布が、6μm未満 20%以上,6
    〜24μm 40%〜60%,24〜44μm 30%
    以下,の範囲に80%以上入るように石炭灰を調整した
    後、該石炭灰に粘結材と水とを加えて造粒し、その造粒
    物を焼成することにより形成されたことを特徴とする人
    工骨材。
  9. 【請求項9】絶乾比重が2.0以上、吸水率が3.0%
    以下、圧縮強度が400kg/cm2以上、であること
    を特徴とする請求項8記載の人工骨材。
  10. 【請求項10】粒度分布が、6μm未満 20%以上,
    6〜24μm40%〜60%,24〜44μm 30%
    以下,の範囲に80%以上入るように石炭灰を調整した
    後、該石炭灰に粘結材と水とを加えて造粒し、その造粒
    物を焼成することにより人工骨材を形成し、該人工骨材
    をコンクリート骨材としたことを特徴とするコクリー
    ト。
  11. 【請求項11】人工骨材の絶乾比重が2.0以上、吸水
    率が3.0%以下、圧縮強度が400kg/cm2
    上、であることを特徴とする請求項10記載のコンクリ
    ート。
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