JP4030636B2

JP4030636B2 - 下水汚泥焼却灰を用いたセメント組成物およびこのセメント組成物の使用方法

Info

Publication number: JP4030636B2
Application number: JP35015297A
Authority: JP
Inventors: 孝彦西村; 純野川; 明男廣島; 清鯉渕; 安飯島; 正機大門; 悦郎坂井
Original assignee: DC Co Ltd
Current assignee: DC Co Ltd
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2017-12-05
Also published as: JPH11171628A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥焼却灰の有効利用に関するもので、さらに詳しくは、下水汚泥焼却灰を用いたセメント組成物およびこのセメント組成物の使用方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
下水汚泥焼却灰の多くは、埋め立て処分されている。また、近年では埋め立て処分場の確保が困難になり、資源として有効利用する方法として、コンポスト化（肥料）、スラグ化して建築材料の骨材としての利用、圧縮成形して焼成したレンガとしての利用、結合材（水、バインダー）を加えた後、混練、造粒、乾燥して焼成した軽量骨材としての利用、さらにセメントを製造する際の原料の一部としての利用がある。
【０００３】
都市ごみや産業廃棄物の焼却処理施設から発生する焼却灰の多くは、焼却主灰と塩素、アルカリを多量に含有する焼却飛灰を混合して、セメント固化あるいはキレート作用を有する薬剤処理して管理型の最終処分場で埋め立て処分されている。また、近年、一般廃棄物の焼却灰を減容および無害化するために、焼却灰を溶融しスラグ化している自治体もある。しかしながら、この溶融法でも集塵工程から塩素、アルカリを多く含むダストが発生している。
【０００４】
セメント産業においては、近年、産業廃棄物や下水汚泥、都市ごみ焼却灰の有効利用が進むにつれて、原料および燃料から持ち込まれる塩素およびアルカリが多くなり、焼成工程における予熱機（プレヒーター）閉塞等の運転上のトラブル解消とセメント品質維持のために、焼成工程に塩素、アルカリバイパス装置を設置し、セメントキルン排ガスから塩素、アルカリ主成分としたダストを抽出している。このダストの一部は、セメント製造の仕上工程で、ＪＩＳ規格を満足する範囲でセメントに添加混合して処理される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
下水汚泥焼却灰をスラグ、レンガ、軽量骨材などとして有効利用するには、莫大な設備投資と溶融あるいは焼成工程におけるエネルギーを多く必要とするために、広く普及していないのが現状である。
また、セメントを製造する際の原料の一部としての利用は、セメント中のＰ₂Ｏ₅がある一定量以上になるとセメントの凝結時間が長くなるためにその使用量が制限され、多量に処理することは出来ない。
さらに、セメント混和材あるいは、クリンカと石膏を粉砕してセメントを製造する工程に同時に下水汚泥焼却灰を添加して得たセメントも、凝結時間が長くなるという問題点があり、有効に活用することが出来ない。
【０００６】
塩素、アルカリバイパスダストは、セメントに極少量添加して再利用されているものの、他に有効に活用されていない。都市ごみ焼却施設から発生する焼却飛灰に至っては、全く有効利用されていないのが現状である。
したがって、本発明の目的は、下水汚泥焼却灰および塩素、アルカリバイパスダスト、焼却飛灰等の塩素を多く含むダストを用いたセメント組成物としての有効利用とこのセメント組成物の使用に関する技術を提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上述した本発明の目的は、下水汚泥焼却灰５〜３０重量％、塩素を含有したダスト０〜１０重量％、高炉スラグ微粉末１０〜５０重量％、石膏３〜１５重量％、石灰０〜８重量％およびセメント８２〜２０重量％からなることを特徴とするセメント組成物によって達成される。
【０００８】
また、前記下水汚泥焼却灰を９０μｍふるい残分が０．５％以下になるように粉砕および／又は分級した下水汚泥焼却灰を用いることを特徴とする上記のセメント組成物によって達成される。
【０００９】
さらに、上記のセメント組成物を水と混練する際、塩化カルシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムおよび塩素を含有したダストおよび石灰のうち１種類以上をセメント組成物１００重量％に対して、０．５〜１０重量％添加することを特徴とするセメント組成物の使用方法によって達成される。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態について説明する。本発明は、下水汚泥焼却灰中にはポゾラン反応性を有する成分（ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃）とセメント水和を遅延する成分（Ｐ₂Ｏ₅）があることに着目し、いかにして下水汚泥焼却灰の反応性を引き出し、且つＰ₂Ｏ₅によるセメントの凝結遅延を抑制するか鋭意研究し、本発明を完成するに至った。
【００１１】
下水汚泥焼却灰は、汚泥を凝集する工程で用いる凝集剤の種類によって、高分子凝集剤系と消石灰、酸化第二鉄系に大別される。凝集剤として消石灰と酸化第二鉄を用いる場合の焼却灰の化学成分は、高分子凝集剤に比べて、ＣａＯ、Ｆｅ₂Ｏ₃および塩素が多く含まれ、ＣａＯはリン酸カルシウムとフリーライム（生石灰）の鉱物として存在している。したがって、消石灰、塩化第二鉄系は、水に対するリン酸の溶出が少ないのに対して、高分子凝集剤は、水に比較的速くリン酸が溶出し、セメントの凝結を遅延する。この遅延を抑制する材料としては、塩素を１０％以上含むダストあるいは塩化カルシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウム等の塩化物が有効であり、また、石灰も下水汚泥焼却灰から溶出したリン酸をリン酸カルシウムとして固定し、セメントの水和を正常にする働きがあり有効な材料である。
【００１２】
本発明のセメント組成物は、下水汚泥焼却灰５〜３０重量％、塩素を含有したダスト０〜１０重量％、高炉スラグ微粉末１０〜５０重量％、石膏３〜１５重量％、石灰０〜８重量％およびセメント８２〜２０重量％である。下水汚泥焼却灰の重量％を５〜３０重量％としたのは、発生したままの焼却灰を使用する場合は、水と混練したときのセメントの流動性が悪くなるために５〜１０重量％が好ましく、焼却灰を９０μｍふるい残分が０．５％以下に粉砕および／又は分級した焼却灰を使用する場合は、３０重量％まで使用しても、流動性は変化しないためである。下水汚泥焼却灰のうち、サイクロンをへた後の集塵機で補集した焼却灰であれば、粉砕および／又は分級しなくても３０重量％まで使用できる。
【００１３】
塩素を多く含有するダストには、具体的に都市ゴミや産業廃棄物の焼却施設から発生する焼却飛灰、焼却灰を溶融法等でさらに減容化する処理施設から発生する集塵ダスト、セメント工場あるいは焼却処理施設、減容化処理施設に設置される塩素、アルカリバイパス装置から発生するダストがある。本発明に用いるダストは、これらのダストのうち塩素が１０％以上（例えば１０％〜４０％）含有するものであり、塩素が１０％以下では、本発明であるセメント組成物の水和を促進する効果が小さい。しかし、塩素が１０％以下の含有量のダストでも使用することは可能である。塩素を１０％以上含有したダストの重量％を０〜１０重量％としたのは、ダストをセメント組成物と混合するときに使用する場合と水と混練するときに使用する場合とがあるためである。また、セメント組成物中のダストの重量％は、１０重量％が上限であり、それ以上増やしても効果はなく、好ましくは５〜７重量％である。
【００１４】
高炉スラグ微粉末は、アルカリ雰囲気で自硬する潜在水硬性を有する材料で、石膏の存在下でより水和反応する性質があり、石膏とともに本発明のセメント組成物になくてはならないものである。高炉スラグ微粉末の重量％は、１０〜５０重量％であり、好ましくは、２０〜３０重量％である。また、高炉スラグ微粉末の粉末度は、特に限定されるものではない。粉末度が大きいほど性能は向上するが、経済性も考慮するとブレーン値で３０００ｃｍ²／ｇ以上が好ましく、より好ましくは、４０００〜７０００ｃｍ²／ｇである。
また高炉スラグ微粉末には、有害重金属を固定化する性質があるが、この性質を有効利用しないで、凝結時間および強度発現性に主眼を置くのであれば、高炉スラグ微粉末を使用する必要はない。さらに詳しく説明すると、下水汚泥焼却灰、石灰、ポルトランドセメントおよび下水汚泥焼却灰、石灰、石膏、ポルトランドセメントからなるセメント組成物は、高炉スラグ微粉末を含む本発明のセメント組成物と遜色ない初期強度を発現するが、長期強度は本発明であるセメント組成物の方が高く、且つ、有害重金属の固定性能が高い。
【００１５】
石膏の重量％は３〜１５重量％であり、好ましくは５〜１０重量％である。石膏は、下水汚泥焼却灰中のＡｌ₂Ｏ₃、高炉スラグ微粉末およびセメント、さらに石灰と反応し、エトリンガイトをセメント硬化体中に生成させるために必要な材料である。ここで使用する石膏は、無水、半水、２水のいずれでも使用できる。また、粉末度は、プレーン値で３０００ｃｍ²／ｇ以上が好ましい。
【００１６】
石灰は、下水汚泥焼却灰のうち高分子凝集剤系の焼却灰を使用するときには水に溶出するリン酸の固定になくてはならないものである。消石灰、塩化第二鉄系の焼却灰の場合で焼却灰中にフリーライム（生石灰）がある一定以上含まれるときには、石灰は不要である。
また、石灰は、塩素を１０％以上含有したダストの場合と同様に、セメント組成物を混合するときに使用する場合と水と混練するときに使用する場合とがある。いずれの場合においても石灰の重量％の上限は、８重量％以下であり、好ましくは、２〜５重量％である。したがって、本発明におけるセメント組成物中の石灰の重量％は、０〜８重量％とした。
【００１７】
本発明に使用するセメントは、ポルトランドセメント、フライアッシュセメント、シリカセメント、アルミナセメント、超速硬セメントであり、単独あるいは組み合わせて用いることができる。
また、本発明におけるセメントの重量％は、８２〜２０重量％であり、好ましくは、５０〜３０重量％である。なお高炉スラグ微粉末とポルトランドセメントの代わりに、高炉セメントを用いることもできる。
さらに、膨脹材や石灰石微粉末等の混和材を使用することも可能である。
【００１８】
下水汚泥焼却灰は、一般にサイクロン灰と電気集塵機灰が混合されて発生するために比較的粗い粒子と非常に細かい粒子からなっている。粗い粒子は、ポーラスであるために吸水率が高く且つ水と混練した後の流動性が非常に悪い。そこで、下水汚泥焼却灰を多量にセメント組成物に使用するためには、ボールミル、ローラミル、バーテックミル等による粉砕、粉砕と分級、あるいは分級して微粉なものとして使用する必要がある。
【００１９】
セメント組成物と水を混練する際に、セメント組成物の凝結時間を速くするために、塩化カルシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムをセメント組成物１００重量％に対して０．５〜５．０重量％、好ましくは、１〜３重量％添加する。特許請求の範囲で０．５〜１０重量％としたのは、塩素を１０％以上含有したダストを使用する場合は、上限が１０重量％であるからである。
さらに、凝結時間を速くする手段として、炭酸アルカリ、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水ガラス等の各種のアルカリ刺激剤を用いることができる。
【００２０】
セメント組成物と水を混練する際に使用する石灰の重量％は、セメント組成物１００重量％に対して０．５〜８重量％、好ましくは、２〜５重量％である。さらに詳しく説明すると、下水汚泥焼却灰中のフリーライム量と水に溶出するリン酸の量、セメント組成物中の焼却灰の重量％によって最適な石灰重量％が決まる。ここで使用する石灰は、生石灰、消石灰のいずれでも使用できるが、取り扱いの容易な消石灰の方が望ましい。
【００２１】
本発明のセメント組成物を用いてコンクリートを混練するときに、ＪＩＳＡ６２０４のＡＥ剤、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能ＡＥ減水剤や流動化剤あるいは高性能減水剤等の化学混和剤を添加して、コンクリートの流動性を向上させ、且つ混練水量を低減することにより、所要の強度を発現した成形物および構造物を得ることができる。
さらに、水中不分離性や高流動性のコンクリートを目的とした場合には分離低減剤と高性能ＡＥ減水剤等を併用することもできる。
塩素を含む添加剤で凝結をコントロールする場合は、舗装コンクリート、ＩＬＢ、テトラポット、植生コンクリート、河川護岸コンクリート等の無筋コンクリートとして使用することが好適である。
また、必要に応じて、パーライトやゼオライト等の軽量骨材、カーボン繊維、ビニロン繊維、ガラス繊維、ステンレス繊維あるいはアラミド繊維等の繊維物質、さらに、鋼材としてステンレス、エポキシ塗装鉄筋、ＦＲＰロッドも使用することが可能である。アウターケーブル方式を採用する場合には、塩素が入っていても通常の鋼材が使用できる。
石灰で凝結コントロールする場合は、一般のセメントと同様に広く普及している鉄筋コンクリートとして使用することができる、特に、土中、水中のコンクリート構造物に好適である。
当然なことではあるが、本発明のセメント組成物は、土やヘドロ等を固める固化材としても使用することができる。さらに、水ガラスと併用する裏込め注入用のセメントとしても使用することができる。
【００２２】
［実施例］
以下の実施例および比較例に用いた材料は次の通りである。

ＣａＣｌ₂、ＫＣｌ、ＮａＣｌは試薬を用いた。
【００２３】
以下の実施例および比較例の試験方法は次の通りである。
１．凝結時間ＪＩＳＲ５２０１
２．モルタルフローＪＩＳＲ５２０１−１９７０
３．モルタル強さＪＩＳＲ５２０１−１９７０
水／結合材＝０．６５
結合材：砂＝１：２
砂：山口県豊浦産ＪＩＳ標準砂
【００２４】
実施例および比較例のセメント組成物の配合重量％を図１の表１に記載した。
【００２５】
［実施例１］
下水汚泥焼却灰をそのまま使用した場合と粉砕して９０μｍふるい残分が０．１％にして使用した場合のモルタルの流動性を測定し、その結果を図２の表２に記載した。
図２の表２の結果より明らかなように、粉砕した下水汚泥焼却灰を用いた場合は、３０重量％まで使用してもモルタルのフローはほとんど低下しない。
【００２６】
［実施例２］
図１の表１に記載したセメント組成物の凝結時間とモルタル圧縮強さを図３の表３に記載した。図３の表３の結果から明らかなように、下水汚泥焼却灰はセメント凝結時間を長くし、特に粉砕した下水汚泥焼却灰は、遅延効果が大きい。塩素バイパスダストおよび消石灰は、本発明であるセメント組成物の凝結時間を短くする効果が認められた。圧縮強さは、粉砕した下水汚泥焼却灰の方が高いことから、下水汚泥焼却灰はポゾラン反応性を有していることが確認された。
また、塩素バイパスダストは、本発明であるセメント組成物の材齢３，７日の初期強さを増進する効果が認められた。消石灰は、強さにほとんど影響しないことも確認された。
【００２７】
［実施例３］
図１の表１に記載したＮＯ．３のセメント組成物１００重量％に対して、ＣａＣｌ₂、ＫＣｌ、ＮａＣｌ、塩素バイパスダストおよび消石灰を１〜５重量％添加した場合の凝結時間を図４の表４に記載した。
図４の表４の結果から明らかなように、消石灰、ＣａＣｌ₂、ＫＣｌ、塩素バイパスダスト、ＮａＣｌの順に凝結時間を短くする効果が大きいことが認められた。
【００２８】
【発明の効果】
本発明のセメント組成物は、下水汚泥焼却灰、塩素を含有したダストおよび製鉄所から副生する高炉スラグ等からなる環境低負荷型、且つ都市型のこれまでにない新しいセメントである。このセメント組成物の強度発現性は、普通ポルトランドセメントや高炉セメントとほぼ同等で、且つ凝結時間も任意にコントロールできることから、広く普及することが期待できる。また、塩素を含む添加剤で凝結コントロールする場合は、無筋コンクリート用のセメントとして使用し、石灰で凝結コントロールする場合は、一般のセメントと同様に使用することができるので、本発明の効果は極めて大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】セメント組成物の配合重量を示す図表
【図２】モルタルの流動性の測定結果を示す図表
【図３】セメント組成物の凝結時間とモルタル圧縮強さを示す図表
【図４】実施例３による凝結時間を示す図表

Claims

下水汚泥焼却灰５〜３０重量％、塩素を含有したダスト０〜１０重量％、高炉スラグ微粉末１０〜５０重量％、石膏３〜１５重量％、石灰０〜８重量％およびセメント８２〜２０重量％からなることを特徴とするセメント組成物。
前記下水汚泥焼却灰を９０μｍふるい残分が０．５％以下になるように粉砕および／又は分級した下水汚泥焼却灰を用いることを特徴とする請求項１に記載のセメント組成物。
請求項１および２に記載のセメント組成物を水と混練する際、塩化カルシウム、塩化カリウム、塩化ナトリウムおよび塩素を含有したダストおよび石灰のうち１種類以上をセメント組成物１００重量％に対して、０．５〜１０重量％の範囲で添加することを特徴とするセメント組成物の使用方法。