JP3421362B2 - アルミナセメント複合材 - Google Patents
アルミナセメント複合材Info
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Description
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、耐火性及び機械的強度
に優れたアルミナセメント複合材に関する。 【０００２】 【従来の技術】製鉄工業、金属溶解工業、電炉工業、溶
融塩工業等の如く、７００℃以上の高温度での耐火性建
材を必要とする分野は数多い。これらの高温作業現場で
の床、壁、その他の建築構造物は、１０００℃以上の高
温の溶融した金属と接するところもある。また、より高
性能の製品の品質を保持し、それを一定に生産するに
は、作業環境をクリーンな状態に保持することが必要で
ある。また、作業者にとってもクリーンな環境が望まれ
る。 【０００３】一般にコンクリートやモルタルとして広く
使用されているポルトランドセメント系材料は、使用温
度が１００℃以下ならば強度への影響はないが、１１０
℃以上になると収縮が生じると共に、水和物層間水も失
われ、続いて水酸基の脱水が起こって更に収縮してい
き、空隙が増大すると共にセメントボンドが失われ、強
度が低下する。３００℃以上になると、初期強度の１／
２程度にまでなる。更に６００℃以上になると、セメン
ト硬化物は原型をとどめない程ぼろぼろになり、機械的
強度は激減する。 【０００４】一方、高温条件下で使用できるセメント材
料として、アルミナセメントが知られている。これは、
ボーキサイトと石灰石とを混合し、溶融又はその一部が
溶融して焼結するまで加熱し、急冷粉砕し製造したセメ
ントである。このアルミナセメントは、早強性で摩耗や
衝撃にも強い特性を有している。また、硫酸イオンを含
む水にも安定である。 【０００５】また、アルミナセメントは、それのみを水
で硬化して用いるだけではなく、耐火性の粒状物や粉状
物を加え、水で練り、所望の形に仕上げるキャスタブル
耐火物やプラスチック耐火物の結合材としても使用され
ている。しかし、アルミナセメントをキャスタブル耐火
物等の結合材として使用した施工体は、高温に加熱した
場合に爆裂することがある。この爆裂は、マトリックス
内の自由水の脱離、及び水和物の脱水などによって生じ
た水が急激に蒸発することによって起こるものである。
その対策法としては、昇温条件を選択したり、爆裂防止
材を添加する方法がある。かかる爆裂防止材として、繊
維、塩基性乳酸アルミニウム等のコロイド、金属アルミ
ニウムが知られており、ここで爆裂防止用の繊維には、
ロックウール、ガラスファイバー、セラミックファイバ
ー、アルミナファイバー等があり、要求される温度範囲
によって適宜選択して使用される。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロック
ウールやガラスファイバーは、６００℃以上の温度で溶
融してしまうため、適用温度限度が低く、また、得られ
る製品は耐アルカリ品である必要がある。また、セラミ
ックファイバーやアルミナファイバーは高価格であり、
実用に供し難い。このように、現状では溶融した金属に
も充分耐え得る実用的な建造物用材料がいまだ提供され
ていないのが実状である。従って、上記の各種の高温環
境が必要な分野において使用可能な、高い耐火性と機械
的強度を有する建造物用材料が求められている。 【０００７】一方、今日の現代社会のエネルギーは、電
力に求められており、そのために、水力、火力、原子力
発電が行われているが、それぞれ問題を抱えている。火
力発電の場合には、石油や石炭を燃焼して利用している
が、それぞれ副生物の処理に問題がある。特に、後者の
石炭の場合には、燃焼灰であるフライアッシュが大量に
生成してくるが、その有効な処理方法のないのが実状で
あり、それの新しい利用が強く望まれているところであ
る。 【０００８】フライアッシュは、石炭を燃焼した際に生
成する灰分である。発電所において石炭の燃焼によって
生じる石炭灰は、その発生場所、形状、粒形等から、ク
リンカ、フライアッシュ、サンドアッシュ、グリーンア
ッシュ等に分類され、このうち８０〜９０％を占める細
粒分がフライアッシュであり、その生成量は、燃焼した
石炭のほぼ１／３である。大量に生成するフライアッシ
ュの処理方法は、一部フライアッシュセメントとして、
また路床材等として用いるなどの利用も試みられている
が、大部分は埋め立てられるのが実状である。地球資源
の有効利用の点から、フライアッシュの新しい展開が強
く望まれている。 【０００９】そこで、請求項１記載の発明は、上記した
従来の技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、
高い耐火性と機械的強度を有する、建造物用材料に適す
るアルミナセメント複合材を提供するとともに、フライ
アッシュの有効利用を目的とするものである。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、請
求項１記載の通り、石炭を燃焼させた際に副生するフラ
イアッシュを高温で溶融、繊維化したフライアッシュウ
ールであって、そのまま若しくは石灰岩等の副原料を添
加することによりシリカを３５〜４２重量％含んだフラ
イアッシュウールをアルミナセメントに対して１０〜２
５重量％の範囲で含有することを特徴とするアルミナセ
メント複合材により達成されることが判った。 【００１１】本発明で用いられるフライアッシュウール
は、石炭を燃焼させた際に副生する石炭灰（フライアッ
シュ）を千数百度の高温で溶融紡糸して繊維化すること
により得ることができる。原料のフライアッシュはロッ
クウールの原料となる玄武岩や安山岩又は高炉スラグ等
の化学組成と類似しており、ロックウールとほぼ同等の
性能を持つ繊維の製造が可能であることが判明した。フ
ライアッシュウールはロックウールに比して、比較的繊
維長を長くできるため断熱性の点で有利であり、また溶
融温度が高いことから耐熱性に優れている。更に、上記
の如きフライアッシュの有効利用という社会的要請に合
致すると共に、経済性に優れている。 【００１２】原料となるフライアッシュの成分は、石炭
の産地によって異なっているが、主たるものはニ酸化珪
素（シリカ）とアルミナであり、この２つの無機質で、
全体の６０〜８０％を占める。その他、少量の酸化第ニ
鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウムなどが含まれて
いる。フライアッシュウールの品質保持のためには、原
料であるフライアッシュの成分が安定していることが好
ましい。また、できるだけ二酸化珪素含量が低く、アル
ミナ含量が高いフライアッシュの方が、高温における粘
度が小さく低温融解が可能と考えられるため好ましい。
また、フライアッシュウールの組成と溶解性をロックウ
ールのそれらと近似させるために、フライアッシュに石
灰岩等の副原料を添加することができる。 【００１３】フライアッシュウールは、従来のミネラル
ウール製造法を用いて製造することができ、例えば粉状
体の原料を固めて投入するキューポラによるバッチシス
テム法（キューポラ方式）、原料を粉体のまま直接投入
する電気炉を用いた電気炉法（例えばＧｅｏｔｅｃｈ社
によるＧｅｏｔｅｃｈ方式）等が挙げられる。特に電気
炉法は、電力原単位が低い、収率が高い、ショット球
（繊維化しない粒子）混入率が低い、長めの繊維長が期
待できる等の利点を有するため好ましい。フライアッシ
ュウールは、場合により、繊維の末端についているショ
ット球を水ひ操作により取り除いてもよい。高温融体の
繊維化には、適性な粘度が得られる温度での融解が必要
であり、原料の石炭灰の組成にもよるが、１１００〜１
９００℃、特に１４００〜１７００℃の温度が適当であ
る。 【００１４】フライアッシュウールの直径や表面状態を
走査電子顕微鏡で観察すると、表面は平滑で、大部分は
ガラス状（無定形）である。フライアッシュウールの直
径は１〜１０μｍ程度の分布をもち、平均直径はほぼ３
μｍである。繊維長は２０〜３００ｍｍ程度である。Ｘ
線回折分析を行うと、二酸化珪素（α−クリストバライ
ト）の回折線のみが見られ、その他の回折線はなかっ
た。フライアッシュウールの耐熱性は、熱分析装置を用
い、空気中１３００℃まで加熱して検討した。その結
果、熱重量曲線には何の変化も見られないで重量の増減
はなかった。また、示差熱曲線では、１０００℃以下に
は明確な吸熱、発熱ピークはなかったが、１０００℃付
近に発熱ピーク、１１７５℃近辺に吸熱ピークがそれぞ
れ見られた。前者の発熱はガラス質フライアッシュウー
ルの結晶化であり、後者の吸熱はフライアッシュウール
の融解によるものであった。事実、分析後の白金製試料
皿中には、繊維状のフライアッシュウールはなくなり、
溶融固化したもののみであった。従って、このフライア
ッシュウールを用いた複合材料の使用温度は、結晶化の
生じない温度以下、即ち１０００℃以下であることが好
ましい。但し、短時間であるならば、１１７５℃の融点
付近までならば使用可能である。この温度範囲は従来か
ら提供されている各種セラミックファイバーと言われる
ものと同程度である。 【００１５】アルミナセメントは、アルミン酸カルシウ
ムを主成分とする無機質の水硬性セメントである。アル
ミナセメントの性質は、ＣａＯやＡｌ2Ｏ3等の組成や粒
子径等によって異なる。早強性や機械的強度を主目的と
した場合には、ＣａＯの割合が多く、耐火性を目指した
場合にはＡｌ2Ｏ3の割合を多くすることが好ましい。ま
た必要に応じてその他の添加剤、例えば骨材、安定化
剤、流動化剤等を加えることができる。 【００１６】アルミナセメント複合材料中に含有させる
ことができるフライアッシュウールの量は、用いるアル
カリセメントの水／セメント（Ｗ／Ｃ）比などによっ
て、適宜設定することができる。一般にフライアッシュ
ウール含有量が多いほど曲げ強度を高くすることができ
有利である。アルミナセメント複合材料中のフライアッ
シュウール含有量は、通常１〜４０重量％であり、特に
１０〜２５重量％の範囲が好ましい。 【００１７】フライアッシュウールを必要に応じて適当
な繊維長さになるよう適宜細かくした後、通常の方法に
従い、アルミナセメントペースト中に添加、混合し、分
散させることにより、アルミナセメント複合材料とし、
硬化、必要に応じて養生させて耐熱性に優れたアルミナ
セメント複合材を得ることができる。また、フライアッ
シュウールを含有するアルミナセメント複合材の機械的
強度は、初期固化後、オートクレーブ中でスチール養生
することによって更に向上させることができる。 【００１８】本発明に従うフライアッシュウールを含有
するアルミナセメント複合材は、種々の建築構造物に適
用して優れた耐火性及び強度を発揮することができる
が、特に製鉄工業、金属溶解工業、電炉工業、溶融塩工
業等の如き、高温度を必要とする作業現場での床、壁、
その他の建築構造物に好ましく適用される。また、本発
明のアルミナセメント複合材は、キャスタブル耐火物や
プラスチック耐火物としてそのまま建造物用材料に用い
てもよいし、あるいはペースト状のアルミナセメント複
合材を煙突内部の如く高温度が必要な部分や、高層建築
物の床、壁の一部などに吹き付け、塗布などして用いて
もよい。 【００１９】以上のことから、フライアッシュウール
は、セメント補強に利用されているロックウール、ガラ
ス繊維及びセラミックファイバーの様な欠点がなく、ま
た、優れた耐熱性があることが判明すると同時に、優れ
た耐火度を有するアルミナセメント材と複合することに
より、優れた耐火性と、更には予想以上の機械的強度と
を有する建築用複合材料を得ることができたものであ
る。更に、フライアッシュウールは廃棄物であるフライ
アッシュを原料とするため、経済性に優れている。 【００２０】 【実施例】以下本発明を実施例により例証するが、本発
明はこれらに限定されるものではない。 実施例１ 高い機械的強度をもち工事用として製造されたアルミナ
セメント（電気化学工業製）と、キャスタブル耐火物の
結合材として高い耐火性をもつハイアルミナセメント
（電気化学工業製）の二種類のアルミナセメントを用い
た。フライアッシュウール（中国製；特性は後述の参考
例１参照）を、長さ０．５ｃｍ〜１ｃｍ程度になるよう
に手で細かくした後、所定のＷ／Ｃ比のセメントペース
ト中に、所定量のフライアッシュウールを添加し、充分
にハンドミキサーで混合した後、プラスチック型枠（縦
６４ｍｍ、幅３４ｍｍ、高さ８ｍｍ）中に流し込んだ。
１日後に脱型し、水中で１週間養生した。風乾後、得ら
れたセメント板の嵩密度、曲げ強度（三点曲げ強度、支
点距離５０ｍｍ）、ヤング率（曲げ強度測定時の荷重−
たわみ曲線の初期直線部の傾きより算出）及び圧縮強度
（流し込み面に対して直交方向から加圧）を求めた。そ
れらの結果を表−１に示す。ここで、ＦＡＷ／Ｃは、フ
ライアッシュウール／セメントの重量比を示す。また、
（ ）内は平均値を示す。 【００２１】 【表１】 【００２２】フライアッシュウールの添加量は、Ｗ／Ｃ
比が０．４の場合にはセメント重量の２５％まで、Ｗ／
Ｃ比が０．３の場合にはセメント重量の１５％まで混合
可能であった。得られたセメント板の嵩密度は２．０〜
２．３ｇ／ｃｍ3程度であった。曲げ強度はフライアッ
シュウール含有量の増加とともに高くなり、最高曲げ強
度はハイアルミナセメントから作られた試供体におい
て、その強度は２０３ｋｇ／ｃｍ2、測定した中には２
１０ｋｇ／ｃｍ2を示すものもあった。そして、ハイア
ルミナセメントから作られた試供体の方が、アルミナセ
メントの場合よりも曲げ強度は高くなっていた。 【００２３】フライアッシュウールを添加していないセ
メント単味の曲げ強度（７日強度）は、アルミナセメン
トでは３５ｋｇ／ｃｍ2、ハイアルミナセメントでは３
１ｋｇ／ｃｍ2であった。従って、フライアッシュウー
ルを添加すると、無添加の場合よりも前者（１８７ｋｇ
／ｃｍ2）では５．３倍、後者（２０３ｋｇ／ｃｍ2）で
は６．５倍も強化された。また、圧縮強度はフライアッ
シュウールの含有量に拘らず、１０００〜１４００ｋｇ
／ｃｍ2であった。フライアッシュウールを添加してい
ないセメント単味の圧縮強度はアルミナセメントではＷ
／Ｃが０．４では６４０ｋｇ／ｃｍ2、Ｗ／Ｃが０．３
では８１５ｋｇ／ｃｍ2、ハイアルミナセメントではそ
れぞれ５７０ｋｇ／ｃｍ2及び６６０ｋｇ／ｃｍ2であっ
た。従って、フライアッシュウールを添加すると、無添
加の場合よりも前者（１４１９ｋｇ／ｃｍ2）、後者
（１１０８ｋｇ／ｃｍ2）ともに１．７倍ほど強化され
た。 【００２４】尚、ポルトランドセメントとフライアッシ
ュウールから作られた複合材は、フライアッシュウール
添加量がセメント重量の２５％まで可能であった。作ら
れた試料の嵩密度は１．９６ｇ／ｃｍ3、曲げ強度は８
０ｋｇ／ｃｍ2、圧縮強度は５５０ｋｇ／ｃｍ2にしかす
ぎなかった。したがって、本発明のようにアルミナセメ
ントを使用することによって、フライアッシュウールの
機械的特性が著しく発現された。 【００２５】実施例２ 耐火性について検証するために、上記のようにして得ら
れたフライアッシュウール含有アルミナセメント複合材
を９００℃に加熱して、熱的変化、機械的強度を調べ
た。実施例１に記載の方法で作製したフライアッシュウ
ール含有アルミナセメント複合材を、角型電気炉中に入
れ、３００℃／時間の昇温速度で６００℃に加熱し、同
温度に１０分間保持した。試料を電気炉中から取り出
し、放冷した。また、加熱温度を８００℃、９００℃に
したものについても上記と同様に１０分間づつ保持し、
熱処理した。処理後の試片は、自然放冷後、重量を測定
するとともに曲げ強度及び圧縮強度を求めた。加熱後の
試料は若干白色味を帯びたが、特に大きな変化はなかっ
た。それらの結果を表−２に示す。 【００２６】 【表２】 【００２７】耐火試験によって、試料の収縮率はいずれ
の熱処理温度でも０．８％程度で僅かであった。また、
嵩密度は２．２ｇ／ｃｍ3程度から１．７ｇ／ｃｍ3程度
に低下した。重量減少率は、いずれの温度でも２２％程
度であり、充分に実用に供し得ることが判った。熱処理
後の曲げ強度は、熱処理温度が高くなるにつれてやや低
くなったが、９００℃に１０分間保持しても、まだ８０
〜１００ｋｇ／ｃｍ2の曲げ強度を有していた。 【００２８】次に、実施例１に記載の方法で作製した各
フライアッシュウール含有アルミナセメント複合材の曲
げ強度を測定した後、二つに破断した試片を用いて耐熱
性の評価を行った。この耐熱試験には、特に機械的強度
の高いものを５種類用意した。作製したフライアッシュ
ウール含有アルミナセメント複合材（２ｃｍ×５ｃｍ）
を角型電気炉中に入れ、上記の場合と同じようにして、
６００℃、８００℃及び９００℃にて各々１０分間熱処
理した。処理後の試片は、自然放冷後、重量を測定する
とともに圧縮強度を求めた。加熱後の試料は若干白色味
を帯びたが、特に大きな変化はなかった。それらの結果
を表−３に示す。 【００２９】 【表３】【００３０】重量減少率は、いずれの場合も２５％程度
であった。９００℃に加熱することによって圧縮強度は
低下したが、それでも３５０ｋｇ／ｃｍ2程度の強度は
有しており、耐熱性に優れていることが判る。このなか
で特に注目されることは、アルミナセメントを用い、Ｗ
／Ｃが０．３で、フライアッシュウール添加量（ＦＡＷ
／Ｃ）が０．１の場合であるが、９００℃に加熱して
も、驚くべきことに、８１０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮強度を
保持していた。これは優れた耐火物である。同様の実験
をポルトランドセメントを用いた場合について行った
が、８００℃に３０分間加熱すると試料の形態は維持し
ているが、機械的強度は測定不能な程弱くなっていた。
これらのことから、本試料は耐熱性に格段に優れている
ことが判る。 【００３１】実施例３ フライアッシュウール含有アルミナセメント複合材を９
００℃に所定時間（最高２時間）加熱し、熱的変化、機
械的強度などを検討した。機械的特性の高い試料の得ら
れる条件で作製した２種類のフライアッシュウール含有
アルミナセメント複合材を、角型電気炉に入れ、３００
℃／時間の昇温速度で９００℃に加熱し、同温度に所定
時間（１０分、３０分、６０分、１２０分）経過後に試
料を電気炉中から取り出し、放冷した。処理後の試片
は、重量及び試料の寸法を測定するとともに、曲げ強
度、ヤング率及び圧縮強度を求めた。それらの結果を表
−４に示す。 【００３２】 【表４】【００３３】９００℃に１２０分保持しても、若干白色
味を帯びたが、特に大きな変化はなかった。測定試料数
が１点であるため、ばらつきは見られるが、９００℃に
１２０分間保持しても１００ｋｇ／ｃｍ2程度の曲げ強
度を維持し、加熱前の強度の２／３程度であった。一般
的に耐火物の場合には、圧縮強度には比較的強いが、曲
げ強度は余り高くない。本実施例の結果から、この材料
はタフネスを有し、耐火性材料として好ましい性質を有
することは明きらかである。一方、アルミナセメントか
ら作られた試供体の加熱処理後の圧縮強度は、５４０ｋ
ｇ／ｃｍ2であった。ハイアルミナセメントの場合も、
３６０ｋｇ／ｃｍ2であった。これらのことからも、フ
ライアッシュウール含有アルミナセメント複合材は、耐
熱性、機械的特性に優れた材料であることが判る。 【００３４】参考例１ 実施例１から実施例３で用いたフライアッシュウールの
原料（フライアッシュ）の化学成分及びフライアッシュ
ウールの繊維の特性をそれぞれグラスウール及びロック
ウールと対比させて表−５及び表−６に示す。 【００３５】 【表５】 【００３６】 【表６】 【００３７】 【発明の効果】本発明に従い、アルミナセメントにフラ
イアッシュウールを含有させることにより、耐火性及び
機械的強度の優れたアルミナセメント複合体を得ること
ができ、フライアッシュウールがアルミナセメントの爆
裂防止材として使用できるとともに、繊維補強材として
も機能することが判った。また、経済性に優れており、
従来の課題であった石炭灰の有効利用を達成できる。
に優れたアルミナセメント複合材に関する。 【０００２】 【従来の技術】製鉄工業、金属溶解工業、電炉工業、溶
融塩工業等の如く、７００℃以上の高温度での耐火性建
材を必要とする分野は数多い。これらの高温作業現場で
の床、壁、その他の建築構造物は、１０００℃以上の高
温の溶融した金属と接するところもある。また、より高
性能の製品の品質を保持し、それを一定に生産するに
は、作業環境をクリーンな状態に保持することが必要で
ある。また、作業者にとってもクリーンな環境が望まれ
る。 【０００３】一般にコンクリートやモルタルとして広く
使用されているポルトランドセメント系材料は、使用温
度が１００℃以下ならば強度への影響はないが、１１０
℃以上になると収縮が生じると共に、水和物層間水も失
われ、続いて水酸基の脱水が起こって更に収縮してい
き、空隙が増大すると共にセメントボンドが失われ、強
度が低下する。３００℃以上になると、初期強度の１／
２程度にまでなる。更に６００℃以上になると、セメン
ト硬化物は原型をとどめない程ぼろぼろになり、機械的
強度は激減する。 【０００４】一方、高温条件下で使用できるセメント材
料として、アルミナセメントが知られている。これは、
ボーキサイトと石灰石とを混合し、溶融又はその一部が
溶融して焼結するまで加熱し、急冷粉砕し製造したセメ
ントである。このアルミナセメントは、早強性で摩耗や
衝撃にも強い特性を有している。また、硫酸イオンを含
む水にも安定である。 【０００５】また、アルミナセメントは、それのみを水
で硬化して用いるだけではなく、耐火性の粒状物や粉状
物を加え、水で練り、所望の形に仕上げるキャスタブル
耐火物やプラスチック耐火物の結合材としても使用され
ている。しかし、アルミナセメントをキャスタブル耐火
物等の結合材として使用した施工体は、高温に加熱した
場合に爆裂することがある。この爆裂は、マトリックス
内の自由水の脱離、及び水和物の脱水などによって生じ
た水が急激に蒸発することによって起こるものである。
その対策法としては、昇温条件を選択したり、爆裂防止
材を添加する方法がある。かかる爆裂防止材として、繊
維、塩基性乳酸アルミニウム等のコロイド、金属アルミ
ニウムが知られており、ここで爆裂防止用の繊維には、
ロックウール、ガラスファイバー、セラミックファイバ
ー、アルミナファイバー等があり、要求される温度範囲
によって適宜選択して使用される。 【０００６】 【発明が解決しようとする課題】しかしながら、ロック
ウールやガラスファイバーは、６００℃以上の温度で溶
融してしまうため、適用温度限度が低く、また、得られ
る製品は耐アルカリ品である必要がある。また、セラミ
ックファイバーやアルミナファイバーは高価格であり、
実用に供し難い。このように、現状では溶融した金属に
も充分耐え得る実用的な建造物用材料がいまだ提供され
ていないのが実状である。従って、上記の各種の高温環
境が必要な分野において使用可能な、高い耐火性と機械
的強度を有する建造物用材料が求められている。 【０００７】一方、今日の現代社会のエネルギーは、電
力に求められており、そのために、水力、火力、原子力
発電が行われているが、それぞれ問題を抱えている。火
力発電の場合には、石油や石炭を燃焼して利用している
が、それぞれ副生物の処理に問題がある。特に、後者の
石炭の場合には、燃焼灰であるフライアッシュが大量に
生成してくるが、その有効な処理方法のないのが実状で
あり、それの新しい利用が強く望まれているところであ
る。 【０００８】フライアッシュは、石炭を燃焼した際に生
成する灰分である。発電所において石炭の燃焼によって
生じる石炭灰は、その発生場所、形状、粒形等から、ク
リンカ、フライアッシュ、サンドアッシュ、グリーンア
ッシュ等に分類され、このうち８０〜９０％を占める細
粒分がフライアッシュであり、その生成量は、燃焼した
石炭のほぼ１／３である。大量に生成するフライアッシ
ュの処理方法は、一部フライアッシュセメントとして、
また路床材等として用いるなどの利用も試みられている
が、大部分は埋め立てられるのが実状である。地球資源
の有効利用の点から、フライアッシュの新しい展開が強
く望まれている。 【０００９】そこで、請求項１記載の発明は、上記した
従来の技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、
高い耐火性と機械的強度を有する、建造物用材料に適す
るアルミナセメント複合材を提供するとともに、フライ
アッシュの有効利用を目的とするものである。 【００１０】 【課題を解決するための手段】本発明の上記目的は、請
求項１記載の通り、石炭を燃焼させた際に副生するフラ
イアッシュを高温で溶融、繊維化したフライアッシュウ
ールであって、そのまま若しくは石灰岩等の副原料を添
加することによりシリカを３５〜４２重量％含んだフラ
イアッシュウールをアルミナセメントに対して１０〜２
５重量％の範囲で含有することを特徴とするアルミナセ
メント複合材により達成されることが判った。 【００１１】本発明で用いられるフライアッシュウール
は、石炭を燃焼させた際に副生する石炭灰（フライアッ
シュ）を千数百度の高温で溶融紡糸して繊維化すること
により得ることができる。原料のフライアッシュはロッ
クウールの原料となる玄武岩や安山岩又は高炉スラグ等
の化学組成と類似しており、ロックウールとほぼ同等の
性能を持つ繊維の製造が可能であることが判明した。フ
ライアッシュウールはロックウールに比して、比較的繊
維長を長くできるため断熱性の点で有利であり、また溶
融温度が高いことから耐熱性に優れている。更に、上記
の如きフライアッシュの有効利用という社会的要請に合
致すると共に、経済性に優れている。 【００１２】原料となるフライアッシュの成分は、石炭
の産地によって異なっているが、主たるものはニ酸化珪
素（シリカ）とアルミナであり、この２つの無機質で、
全体の６０〜８０％を占める。その他、少量の酸化第ニ
鉄、酸化カルシウム、酸化マグネシウムなどが含まれて
いる。フライアッシュウールの品質保持のためには、原
料であるフライアッシュの成分が安定していることが好
ましい。また、できるだけ二酸化珪素含量が低く、アル
ミナ含量が高いフライアッシュの方が、高温における粘
度が小さく低温融解が可能と考えられるため好ましい。
また、フライアッシュウールの組成と溶解性をロックウ
ールのそれらと近似させるために、フライアッシュに石
灰岩等の副原料を添加することができる。 【００１３】フライアッシュウールは、従来のミネラル
ウール製造法を用いて製造することができ、例えば粉状
体の原料を固めて投入するキューポラによるバッチシス
テム法（キューポラ方式）、原料を粉体のまま直接投入
する電気炉を用いた電気炉法（例えばＧｅｏｔｅｃｈ社
によるＧｅｏｔｅｃｈ方式）等が挙げられる。特に電気
炉法は、電力原単位が低い、収率が高い、ショット球
（繊維化しない粒子）混入率が低い、長めの繊維長が期
待できる等の利点を有するため好ましい。フライアッシ
ュウールは、場合により、繊維の末端についているショ
ット球を水ひ操作により取り除いてもよい。高温融体の
繊維化には、適性な粘度が得られる温度での融解が必要
であり、原料の石炭灰の組成にもよるが、１１００〜１
９００℃、特に１４００〜１７００℃の温度が適当であ
る。 【００１４】フライアッシュウールの直径や表面状態を
走査電子顕微鏡で観察すると、表面は平滑で、大部分は
ガラス状（無定形）である。フライアッシュウールの直
径は１〜１０μｍ程度の分布をもち、平均直径はほぼ３
μｍである。繊維長は２０〜３００ｍｍ程度である。Ｘ
線回折分析を行うと、二酸化珪素（α−クリストバライ
ト）の回折線のみが見られ、その他の回折線はなかっ
た。フライアッシュウールの耐熱性は、熱分析装置を用
い、空気中１３００℃まで加熱して検討した。その結
果、熱重量曲線には何の変化も見られないで重量の増減
はなかった。また、示差熱曲線では、１０００℃以下に
は明確な吸熱、発熱ピークはなかったが、１０００℃付
近に発熱ピーク、１１７５℃近辺に吸熱ピークがそれぞ
れ見られた。前者の発熱はガラス質フライアッシュウー
ルの結晶化であり、後者の吸熱はフライアッシュウール
の融解によるものであった。事実、分析後の白金製試料
皿中には、繊維状のフライアッシュウールはなくなり、
溶融固化したもののみであった。従って、このフライア
ッシュウールを用いた複合材料の使用温度は、結晶化の
生じない温度以下、即ち１０００℃以下であることが好
ましい。但し、短時間であるならば、１１７５℃の融点
付近までならば使用可能である。この温度範囲は従来か
ら提供されている各種セラミックファイバーと言われる
ものと同程度である。 【００１５】アルミナセメントは、アルミン酸カルシウ
ムを主成分とする無機質の水硬性セメントである。アル
ミナセメントの性質は、ＣａＯやＡｌ2Ｏ3等の組成や粒
子径等によって異なる。早強性や機械的強度を主目的と
した場合には、ＣａＯの割合が多く、耐火性を目指した
場合にはＡｌ2Ｏ3の割合を多くすることが好ましい。ま
た必要に応じてその他の添加剤、例えば骨材、安定化
剤、流動化剤等を加えることができる。 【００１６】アルミナセメント複合材料中に含有させる
ことができるフライアッシュウールの量は、用いるアル
カリセメントの水／セメント（Ｗ／Ｃ）比などによっ
て、適宜設定することができる。一般にフライアッシュ
ウール含有量が多いほど曲げ強度を高くすることができ
有利である。アルミナセメント複合材料中のフライアッ
シュウール含有量は、通常１〜４０重量％であり、特に
１０〜２５重量％の範囲が好ましい。 【００１７】フライアッシュウールを必要に応じて適当
な繊維長さになるよう適宜細かくした後、通常の方法に
従い、アルミナセメントペースト中に添加、混合し、分
散させることにより、アルミナセメント複合材料とし、
硬化、必要に応じて養生させて耐熱性に優れたアルミナ
セメント複合材を得ることができる。また、フライアッ
シュウールを含有するアルミナセメント複合材の機械的
強度は、初期固化後、オートクレーブ中でスチール養生
することによって更に向上させることができる。 【００１８】本発明に従うフライアッシュウールを含有
するアルミナセメント複合材は、種々の建築構造物に適
用して優れた耐火性及び強度を発揮することができる
が、特に製鉄工業、金属溶解工業、電炉工業、溶融塩工
業等の如き、高温度を必要とする作業現場での床、壁、
その他の建築構造物に好ましく適用される。また、本発
明のアルミナセメント複合材は、キャスタブル耐火物や
プラスチック耐火物としてそのまま建造物用材料に用い
てもよいし、あるいはペースト状のアルミナセメント複
合材を煙突内部の如く高温度が必要な部分や、高層建築
物の床、壁の一部などに吹き付け、塗布などして用いて
もよい。 【００１９】以上のことから、フライアッシュウール
は、セメント補強に利用されているロックウール、ガラ
ス繊維及びセラミックファイバーの様な欠点がなく、ま
た、優れた耐熱性があることが判明すると同時に、優れ
た耐火度を有するアルミナセメント材と複合することに
より、優れた耐火性と、更には予想以上の機械的強度と
を有する建築用複合材料を得ることができたものであ
る。更に、フライアッシュウールは廃棄物であるフライ
アッシュを原料とするため、経済性に優れている。 【００２０】 【実施例】以下本発明を実施例により例証するが、本発
明はこれらに限定されるものではない。 実施例１ 高い機械的強度をもち工事用として製造されたアルミナ
セメント（電気化学工業製）と、キャスタブル耐火物の
結合材として高い耐火性をもつハイアルミナセメント
（電気化学工業製）の二種類のアルミナセメントを用い
た。フライアッシュウール（中国製；特性は後述の参考
例１参照）を、長さ０．５ｃｍ〜１ｃｍ程度になるよう
に手で細かくした後、所定のＷ／Ｃ比のセメントペース
ト中に、所定量のフライアッシュウールを添加し、充分
にハンドミキサーで混合した後、プラスチック型枠（縦
６４ｍｍ、幅３４ｍｍ、高さ８ｍｍ）中に流し込んだ。
１日後に脱型し、水中で１週間養生した。風乾後、得ら
れたセメント板の嵩密度、曲げ強度（三点曲げ強度、支
点距離５０ｍｍ）、ヤング率（曲げ強度測定時の荷重−
たわみ曲線の初期直線部の傾きより算出）及び圧縮強度
（流し込み面に対して直交方向から加圧）を求めた。そ
れらの結果を表−１に示す。ここで、ＦＡＷ／Ｃは、フ
ライアッシュウール／セメントの重量比を示す。また、
（ ）内は平均値を示す。 【００２１】 【表１】 【００２２】フライアッシュウールの添加量は、Ｗ／Ｃ
比が０．４の場合にはセメント重量の２５％まで、Ｗ／
Ｃ比が０．３の場合にはセメント重量の１５％まで混合
可能であった。得られたセメント板の嵩密度は２．０〜
２．３ｇ／ｃｍ3程度であった。曲げ強度はフライアッ
シュウール含有量の増加とともに高くなり、最高曲げ強
度はハイアルミナセメントから作られた試供体におい
て、その強度は２０３ｋｇ／ｃｍ2、測定した中には２
１０ｋｇ／ｃｍ2を示すものもあった。そして、ハイア
ルミナセメントから作られた試供体の方が、アルミナセ
メントの場合よりも曲げ強度は高くなっていた。 【００２３】フライアッシュウールを添加していないセ
メント単味の曲げ強度（７日強度）は、アルミナセメン
トでは３５ｋｇ／ｃｍ2、ハイアルミナセメントでは３
１ｋｇ／ｃｍ2であった。従って、フライアッシュウー
ルを添加すると、無添加の場合よりも前者（１８７ｋｇ
／ｃｍ2）では５．３倍、後者（２０３ｋｇ／ｃｍ2）で
は６．５倍も強化された。また、圧縮強度はフライアッ
シュウールの含有量に拘らず、１０００〜１４００ｋｇ
／ｃｍ2であった。フライアッシュウールを添加してい
ないセメント単味の圧縮強度はアルミナセメントではＷ
／Ｃが０．４では６４０ｋｇ／ｃｍ2、Ｗ／Ｃが０．３
では８１５ｋｇ／ｃｍ2、ハイアルミナセメントではそ
れぞれ５７０ｋｇ／ｃｍ2及び６６０ｋｇ／ｃｍ2であっ
た。従って、フライアッシュウールを添加すると、無添
加の場合よりも前者（１４１９ｋｇ／ｃｍ2）、後者
（１１０８ｋｇ／ｃｍ2）ともに１．７倍ほど強化され
た。 【００２４】尚、ポルトランドセメントとフライアッシ
ュウールから作られた複合材は、フライアッシュウール
添加量がセメント重量の２５％まで可能であった。作ら
れた試料の嵩密度は１．９６ｇ／ｃｍ3、曲げ強度は８
０ｋｇ／ｃｍ2、圧縮強度は５５０ｋｇ／ｃｍ2にしかす
ぎなかった。したがって、本発明のようにアルミナセメ
ントを使用することによって、フライアッシュウールの
機械的特性が著しく発現された。 【００２５】実施例２ 耐火性について検証するために、上記のようにして得ら
れたフライアッシュウール含有アルミナセメント複合材
を９００℃に加熱して、熱的変化、機械的強度を調べ
た。実施例１に記載の方法で作製したフライアッシュウ
ール含有アルミナセメント複合材を、角型電気炉中に入
れ、３００℃／時間の昇温速度で６００℃に加熱し、同
温度に１０分間保持した。試料を電気炉中から取り出
し、放冷した。また、加熱温度を８００℃、９００℃に
したものについても上記と同様に１０分間づつ保持し、
熱処理した。処理後の試片は、自然放冷後、重量を測定
するとともに曲げ強度及び圧縮強度を求めた。加熱後の
試料は若干白色味を帯びたが、特に大きな変化はなかっ
た。それらの結果を表−２に示す。 【００２６】 【表２】 【００２７】耐火試験によって、試料の収縮率はいずれ
の熱処理温度でも０．８％程度で僅かであった。また、
嵩密度は２．２ｇ／ｃｍ3程度から１．７ｇ／ｃｍ3程度
に低下した。重量減少率は、いずれの温度でも２２％程
度であり、充分に実用に供し得ることが判った。熱処理
後の曲げ強度は、熱処理温度が高くなるにつれてやや低
くなったが、９００℃に１０分間保持しても、まだ８０
〜１００ｋｇ／ｃｍ2の曲げ強度を有していた。 【００２８】次に、実施例１に記載の方法で作製した各
フライアッシュウール含有アルミナセメント複合材の曲
げ強度を測定した後、二つに破断した試片を用いて耐熱
性の評価を行った。この耐熱試験には、特に機械的強度
の高いものを５種類用意した。作製したフライアッシュ
ウール含有アルミナセメント複合材（２ｃｍ×５ｃｍ）
を角型電気炉中に入れ、上記の場合と同じようにして、
６００℃、８００℃及び９００℃にて各々１０分間熱処
理した。処理後の試片は、自然放冷後、重量を測定する
とともに圧縮強度を求めた。加熱後の試料は若干白色味
を帯びたが、特に大きな変化はなかった。それらの結果
を表−３に示す。 【００２９】 【表３】【００３０】重量減少率は、いずれの場合も２５％程度
であった。９００℃に加熱することによって圧縮強度は
低下したが、それでも３５０ｋｇ／ｃｍ2程度の強度は
有しており、耐熱性に優れていることが判る。このなか
で特に注目されることは、アルミナセメントを用い、Ｗ
／Ｃが０．３で、フライアッシュウール添加量（ＦＡＷ
／Ｃ）が０．１の場合であるが、９００℃に加熱して
も、驚くべきことに、８１０ｋｇ／ｃｍ2の圧縮強度を
保持していた。これは優れた耐火物である。同様の実験
をポルトランドセメントを用いた場合について行った
が、８００℃に３０分間加熱すると試料の形態は維持し
ているが、機械的強度は測定不能な程弱くなっていた。
これらのことから、本試料は耐熱性に格段に優れている
ことが判る。 【００３１】実施例３ フライアッシュウール含有アルミナセメント複合材を９
００℃に所定時間（最高２時間）加熱し、熱的変化、機
械的強度などを検討した。機械的特性の高い試料の得ら
れる条件で作製した２種類のフライアッシュウール含有
アルミナセメント複合材を、角型電気炉に入れ、３００
℃／時間の昇温速度で９００℃に加熱し、同温度に所定
時間（１０分、３０分、６０分、１２０分）経過後に試
料を電気炉中から取り出し、放冷した。処理後の試片
は、重量及び試料の寸法を測定するとともに、曲げ強
度、ヤング率及び圧縮強度を求めた。それらの結果を表
−４に示す。 【００３２】 【表４】【００３３】９００℃に１２０分保持しても、若干白色
味を帯びたが、特に大きな変化はなかった。測定試料数
が１点であるため、ばらつきは見られるが、９００℃に
１２０分間保持しても１００ｋｇ／ｃｍ2程度の曲げ強
度を維持し、加熱前の強度の２／３程度であった。一般
的に耐火物の場合には、圧縮強度には比較的強いが、曲
げ強度は余り高くない。本実施例の結果から、この材料
はタフネスを有し、耐火性材料として好ましい性質を有
することは明きらかである。一方、アルミナセメントか
ら作られた試供体の加熱処理後の圧縮強度は、５４０ｋ
ｇ／ｃｍ2であった。ハイアルミナセメントの場合も、
３６０ｋｇ／ｃｍ2であった。これらのことからも、フ
ライアッシュウール含有アルミナセメント複合材は、耐
熱性、機械的特性に優れた材料であることが判る。 【００３４】参考例１ 実施例１から実施例３で用いたフライアッシュウールの
原料（フライアッシュ）の化学成分及びフライアッシュ
ウールの繊維の特性をそれぞれグラスウール及びロック
ウールと対比させて表−５及び表−６に示す。 【００３５】 【表５】 【００３６】 【表６】 【００３７】 【発明の効果】本発明に従い、アルミナセメントにフラ
イアッシュウールを含有させることにより、耐火性及び
機械的強度の優れたアルミナセメント複合体を得ること
ができ、フライアッシュウールがアルミナセメントの爆
裂防止材として使用できるとともに、繊維補強材として
も機能することが判った。また、経済性に優れており、
従来の課題であった石炭灰の有効利用を達成できる。
─────────────────────────────────────────────────────
フロントページの続き
(56)参考文献 実開 平１−170841（ＪＰ，Ｕ)
(58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名)
C04B 14/00 - 28/36
B09B 3/00
Claims (1)
- (57)【特許請求の範囲】 【請求項１】 石炭を燃焼させた際に副生するフライア
ッシュを高温で溶融、繊維化したフライアッシュウール
であって、そのまま若しくは石灰岩等の副原料を添加す
ることによりシリカを３５〜４２重量％含んだフライア
ッシュウールをアルミナセメントに対して１０〜２５重
量％の範囲で含有することを特徴とするアルミナセメン
ト複合材。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10654392A JP3421362B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | アルミナセメント複合材 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP10654392A JP3421362B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | アルミナセメント複合材 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH05301755A JPH05301755A (ja) | 1993-11-16 |
| JP3421362B2 true JP3421362B2 (ja) | 2003-06-30 |
Family
ID=14436289
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP10654392A Expired - Fee Related JP3421362B2 (ja) | 1992-04-24 | 1992-04-24 | アルミナセメント複合材 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3421362B2 (ja) |
-
1992
- 1992-04-24 JP JP10654392A patent/JP3421362B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH05301755A (ja) | 1993-11-16 |
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