JP3720272B2 - 土木材料の製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炉内脱硫方式の流動床石炭ボイラー灰からの土木材料の製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
石炭は他の化石燃料に比べ埋蔵量も豊富で、長期的には安定供給可能な重要なエネルギーである。我が国も世界有数の石炭消費国であり、エネルギー資源の多様化対策から今後も石炭エネルギーへの依存度が高まると予想されている。通商産業省資源エネルギー庁の資料によると、石炭火力発電所から発生する石炭灰は、1996年度で約720万トン、2005年度には約1,370万トンに達すると予測されている。
【０００３】
石炭灰の有効利用率は、1996年度で約70%であり、主な分野はセメント分野、土木分野、建築分野、農林・水産分野、その他である。この中で、セメント原料としての利用が大きなウェイトを占めている。セメント原料としての利用は、セメントの原料の一つである粘土代替えとしての利用であるが、JISフライアッシュ(JIS A 6201)を除き、殆どの場合、産業廃棄物扱いであり、セメントメーカーへ委託処理費用を支払わなければならない。
【０００４】
このため石炭灰の利用分野の開発、特に石炭灰からの有価物製造技術の開発が望まれている。
周知の通り、石炭灰から建築材料あるいは土木材料を製造する方法の特許は多数出願されている。その殆どは石炭灰に硬化材と水を混合後、成形あるいは造粒し、その後、養生(自然養生、特定温湿度条件下の養生)あるいは水蒸気処理して硬化を促進して硬化体を得るか、焼結して硬化体を得る方法である。また得られた硬化体を粉砕する方法もある。また、硬化体を得る際、各種の硬化促進剤を併用する方法もある。
【０００５】
この硬化材にはセメント、CaO、Ca(OH)₂、無水石膏、半水石膏、２水石膏などが使用されている。硬化促進剤にはアルカリ金属水酸化物、特定カチオン塩、海水、燐酸、硫酸鉄、塩化鉄などが使用されている
これらの方法では、硬化材および/または硬化促進剤を使用するので安価な硬化体を得ることができない。また、特定温湿度条件下の養生や水蒸気処理や焼結では、専用の設備が必要となるし、多量のエネルギーを消費するので安価な硬化体を得ることができない。
【０００６】
また、得られた硬化体を粉砕する方法では、設備が複雑となり実用的ではない。
本発明に比較的類似する特許としては、特開昭59-68203、特許1753653、特開平03-252375、特開平02-225349がある。
【０００７】
特開昭59-68203では、石炭焚きボイラーなどから排出される石炭灰に水または海水を加えて造粒後、埋め立て材として活用する方法が開示されている。この目的は微細な石炭灰の輸送途中や埋立施工時の飛散を防止することにある。また埋め立て時に圧潰することが必要であり、造粒物の強度は小さい。本発明の特定粒子径の造粒物硬化体を得るものではない。
【０００８】
特許1753653は、石炭灰にセメントおよび水を加え、低速回転する容器内に高速回転する撹拌羽根を備えた高速混合機で高速混合造粒し、粒径が0.15〜5mm程度の石炭灰砂を製造する方法である。この方法では、造粒物の製造にセメントを必須物質としており、安価な造粒物を得ることはできない。
【０００９】
特開平03-252375では、石炭灰にセメントおよび特定の粉体(高炉スラグ粉、製鋼スラグ粉、砕石粉、鋳物廃物)および水を加え造粒し、所定期間湿空養生し石炭灰含有透水性構築体を得る方法が開示されている。この方法ではセメントおよび特定の粉体が必須物質であり、安価な硬化体を得ることができない。
【００１０】
特開平02-225349では、微粉炭の石炭に石灰石を混入し、流動燃焼させて生じた石炭灰に水を加えて加熱成型することにより、石炭灰を建材、構造材などへ有効利用を図る方法が開示されている。この方法では成型体を硬化に加熱処理を必須としており、本発明のエネルギーを必要としない自然養生とは異なり、安価な成型体を得ることができない。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、今後、発生量の増加が予測される石炭灰を有価物として有効利用を推進することを目的とし、製造方法が簡単で製造コストが安価な土木材料を提供するものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記課題の解決について種々検討した結果、炉内脱硫方式の流動床石炭ボイラー灰は水と接触すると硬化する性質があること、石炭灰と水を造粒機内で混合すると簡単に造粒物が得られること、この造粒物を自然養生すると十分な強度を有する硬化体となること、また、この造粒物硬化体は、例えば、盛土材料、凍上抑制材料として使用できることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１３】
本発明の石炭灰は、国内産、海外炭の区別なく使用できる。
炉内脱硫方式の流動床石炭ボイラーにおいては、脱硫を目的として石灰石が微粉石炭に投入され、炉内で燃焼される。大気へ放出する排煙中のSOxやNOxの濃度を目標値以下とするように石灰石投入量がコントロールされるが、本発明の土木材料としての使用の面から、当該石炭灰中のCaO含有率が5〜20%になるように石灰石を投入することが望ましい。CaO含有率が5%未満では得られる石炭灰造粒物硬化体の強度が不足する。CaO 含有率が20%を超える場合は十分な強度の造粒物硬化体は得られるが、石炭ボイラーに投入する石灰石が多量となり発電コストが高くなり実用的ではない。
【００１４】
石炭灰に加える水量には適正な範囲があり、石炭灰100重量部に対して水20〜50重量部とする必要がある。水量が20重量部未満であると石炭灰の湿潤が不十分であるため、粒子径の制御が難しなり、しかも造粒物の硬化が不十分となる。一方、水量が50重量部を超えると、石炭灰が泥状を呈し大きな団塊となり、本発明の平均粒子径5mm以下の造粒物が得られない。
【００１５】
粒状の造粒物が得られる型式であれば造粒機の型式は特に限定はないが、効率よく造粒物を製造する観点から、低速回転する容器内に高速回転する撹拌羽根を備えた高速造粒機が望ましい。
【００１６】
自然養生の条件には、温度、湿度の制約はない。養生時間は造粒物の硬化が十分になるように5日間以上とすることが望ましい。
本発明で得られる造粒物硬化体の使用分野は、土木材料として広い用途に使用できるが、例えば、盛土材料、凍上抑制用用材料、埋め戻し材料として好適である。
【００１７】
【発明の実施の形態】
炉内脱硫方式の石炭ボイラー灰が水との接触で硬化するメカニズムは次のように考えられる。
【００１８】
当該石炭灰の主成分は、Al₂O₃，SiO₂，CaOである。CaOは一部石炭由来のイオウ酸化物と反応してCaSO₄となっている。これが水と接触すると下記のポゾラン反応が進行し硬化する。
【００１９】
ポゾラン反応は、カルシウムシリケート相、カルシウムアルミネート相、エトリンガイトの生成反応である。反応式を次に示す。

この性質を利用して、当該石炭灰と水を造粒機内で十分混合して得られた造粒物を自然養生するだけで簡単に造粒物硬化体を製造できる。
【００２０】
【実施例】
供試した石炭灰は、日本製紙（株）勇払工場1号ボイラー(炉内脱硫方式流動床石炭ボイラー)から排出されたものであり、その化学組成を表1に示す。
【００２１】
【表１】

【００２２】
表１の石炭灰について日本アイリッヒ（株）製高速造粒機で粒子径および75μｍ篩いを通過する微粒子含有率の異なる造粒物を製造した。製造条件を表２に示す。
【００２３】
【表２】

【００２４】
表２の造粒物1〜7を約１ヶ月間自然養生し硬化体1〜7を得た。この密度と含水比(水分率)を表3に、粒度分布を表4に示す。
尚、粒子径0.075〜4.75mmは標準篩いによる分析、粒子径0.00157〜0.05309mmは沈降法による分析である。
【００２５】
【表３】

【００２６】
【表４】

【００２７】
【表５】

【００２８】
表３、表４および表５に示した造粒物硬化体を盛土材料として使用する場合の適性を試験した結果を実施例1に、凍上抑制層用材料として使用した場合の適性を試験した結果を実施例2に示す。
【００２９】
実施例 1
路床面が原地盤より高いため原地盤上に土を盛り立てて築造した道路の部分を盛土部という。この盛土材料に要求される品質としては、第1に、施工に際して施工機械が直接路床面で作業するので、作業に必要なトラヒィカビリティが必要である。このトラヒィカビリティを評価する試験方法としてはコーン指数の測定がある。第2に、盛土部は上部の舗装と一体となって交通荷重を支持するので、十分な強度と支持力を有する必要がある。このため、盛土材料で最も重要なことは、材料が均一に良く締め固まっており、土構造物としての恒久性を保つことである。この締め固まり度合いを評価する試験方法としては突き固め試験がある。
【００３０】
造粒物硬化体1〜7についてコーン指数を測定した。また突き固め試験A,c法を行い、最適含水比と最大乾燥密度を求めた。この締め固め度合いを比較するため粉体状石炭灰A、Bを同様に突き固めた時のデータも参考として載せた。結果を表６に示す。
【００３１】
造粒物硬化体1〜7ともコーンが刺さらないほど強固な状態であり、施工機械が走行可能な十分なコーン指数を有している。一例として、15t級普通ブルドーザーの走行性を確保できるコーン指数はqc=500kN/cm²である(社団法人日本道路協会発行の道路土工施工指針（発行日：昭和５２年１月３１日）に記載)。
【００３２】
最大乾燥密度は最も充填されていると考えられる粉体状石炭灰の突き固め後の乾燥密度を100%として、造粒物硬化体1〜4で92〜96%、造粒物硬化体5〜7で87〜89%の密度となっており、造粒物硬化体は粒状であるにも拘わらず、十分締め固められていることがわかる。
【００３３】
以上のように造粒物硬化体は十分盛土材料として使用することができる。
【００３４】
【表６】

【００３５】
実施例 2
凍上被害は、凍上そのものによる舗装破壊と、春の融解期に起こる路床・路盤の支持力低下による亀甲状のひび割れがある。この道路の凍上現象は、北海道、東北地方や山岳地帯における寒冷地の道路などで問題となっており、この凍上の対策工法の一つとして、寒冷地の道路では凍上を起こしにくい材料を使用し、凍上抑制層を設ける。この材料が凍上抑制層用材料である。凍上試験の試験方法、凍結様式および判定の方法は、社団法人日本道路協会発行の道路土工排水工指針に記載されている。
【００３６】
造粒物硬化体1〜7の凍上抑制層用材料としての適性を試験するため凍上試験を行った。突き固めE,c法の最適含水比、締め固め度90%供試体を作成し、7日養生後、凍上試験を行った。その結果を表７及び表８に示す。
【００３７】
造粒物硬化体の平均粒径を2.8mm以上および75μｍ以下の微細粒子の含有率を10%以下とすれば、凍上試験で合格し、凍上抑制層用材料として使用できる。
【００３８】
【表７】

【００３９】
【表８】

【００４０】
凍結様式1：コンクリート状凍結
凍結様式2：微細霜降状を含むコンクリート状凍結
【００４１】
【発明の効果】
本発明は、今後、発生量の増加が予測される石炭灰を有価物として有効利用する途を拓くものであり、簡単な製造方法でしかも安価に土木材料を提供する技術である。
【００４２】
本発明の産業上の利用価値は高い。

Claims (4)

1. 炉内脱硫方式の流動床石炭ボイラー灰100重量部と水20〜50重量部を造粒機内で混合後、自然養生して、平均粒子径9.5mm以下の造粒物硬化体である盛土材料を製造することを特徴とする土木材料の製造方法。
2. 突き固め試験 A,c 法による最適含水比における最大乾燥密度が、 0.870 〜 1.001g/cm ³ であることを特徴とする請求項１記載の製造方法。
3. 炉内脱硫方式の流動床石炭ボイラー灰 100 重量部と水 20 〜 50 重量部を造粒機内で混合後、自然養生して、平均粒子径2〜9.5mmであり、75μｍ以下の微細粒子の含有率が10重量%以下の造粒物硬化体である凍上抑制層用材料を製造することを特徴とする土木材料の製造方法。
4. 炉内脱硫方式の流動床石炭灰ボイラー灰中のCaO含有率が5〜20重量%である、請求項１〜３いずれか記載の土木材料の製造方法。