JP4035561B2 - モルタル・コンクリート用膨張・速硬性材料の製造方法 - Google Patents

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豊 佐々木
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、モルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料に関し、特に流動床燃焼炉の燃焼灰を用いたモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
最近、石炭火力発電において、低カロリー炭の利用、そこで使用する石炭粉の粗粒化、さらに低温焼成によるＮＯx 低減、などの利点から流動床ボイラーの使用の研究が進められている。従来の微粉炭燃焼は、１２００℃以上の高温を発生させて装置を大型化させるのに対し、流動床ボイラーは中小規模の火力発電所にも対応できるところから今後普及することが予想される。
【０００３】
しかしながら、流動床ボイラーの普及は、これによって発生する石炭灰の性状が、その有効利用に問題を残している。即ち、原料の石炭を微粉炭燃焼よりも低温の８５０℃付近で燃焼させるために、未燃分が数％にも及ぶことがある。また、燃焼が石灰石との共存下で行なわれ脱硫反応を伴うため、燃焼灰に石灰分と硫黄分の含有量が多く、微粉炭燃焼灰のようにセメント、コンクリートの混和材として用いることは通常出来ないといった問題がある。
【０００４】
さらに、セメント原料の粘土代替原料として使用するにしても、Ａｌ2 Ｏ3 、ＣａＯ、ＳＯ3 成分のみが高く、ＳｉＯ2 分が少ないといった問題があって、セメント原料として使用する使用量も限られ、反面その分だけ埋め立処分される量が増加する。しかも、埋立地の確保はますます困難で、仮に埋立地が確保できてそこに廃棄されても固化し、造成地の利用に支障をきたす恐れがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、流動床燃焼炉の燃焼灰の新たな有効利用を意図したもので、流動床燃焼炉の燃焼灰に石こう、アルミナ源、石灰源を混合した原料を焼成し、これを粉砕してモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料を得ようとするものである。
【０００６】
この発明は、９５０℃強熱減量が５０％以下で粒径を１ mm 以下に調整した流動床燃焼炉の燃焼灰の５重量％以上に、石こう、アルミナ源及び石灰源の少なくとも一種を加えた調合原料を８００℃〜１２００℃で焼成し、ここに得たカルシウムサルホアルミネートを主成分とするクリンカーをブレーン比で２０００cm２／g以上に粉砕することを特徴とするモルタル・コンクリート用膨張・速硬性材料の製造方法（請求項１）、前記燃焼灰が、集塵機で集められた燃焼灰及び燃焼炉の下部に落下した燃焼灰の少なくとも一種である請求項１記載のモルタル・コンクリート用膨張・速硬性材料の製造方法（請求項２）および前記調合原料の焼成前にオートクレーブ処理を行う請求項１または２に記載のモルタル・コンクリート用膨張・速硬性材料の製造方法（請求項３）である。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明は、流動床燃焼石炭灰に含有されているＡｌ2 Ｏ3 、ＣａＯ、ＳＯ3 成分に注目し、これを用いてモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料を得ようとするものである。
【０００８】
流動床ボイラーは、燃焼炉に粗粉砕した石炭とともに、流動媒体として石灰石が投入される。ここに投入された石灰石は、燃焼中の流動媒体であると同時に、石炭中の脱硫剤の役目を兼ねている。ここで作動した石灰及び発生した石炭灰は、流動層の層高調節のために間欠的に抜き出され、石灰、石こう分を多く含むベッドマテリアル灰（以下「ＢＭ灰」という。）として回収される。
【０００９】
この回収されたＢＭ灰は、ふるい分けされて粗粒分は再び燃焼炉に投入される場合があるが、ふるい下の微粉は従来廃棄されていた。また、燃焼ガスに同伴し炉外へ飛散する微細な石炭灰は、電気集塵機、バックフイルタ又はサイクロン等で補集される（以下に、これらを「ＥＰ灰」という）。ＥＰ灰はこれまで有効利用されることなく殆ど廃棄されていた。
【００１０】
この発明は、こうした流動床燃焼灰のＢＭ灰又はＥＰ灰がモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料の化学組成に類似することに着目し、これに石こう、アルミナ源、石灰源の少なくとも一種を加えて調合して、８００℃以上で焼成してカルシウムサルホアルミネートを主成分とするクリンカーを得て、これを粉砕しモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料とするものである。
【００１１】
この発明で用いる主原料は、流動床燃焼灰のＢＭ灰及びサイクロン灰又はＥＰ灰である。従来の微粉炭燃焼が１２００℃以上と高温になるのに対し、流動床燃焼は８５０℃程度と低温であるために、流動床燃焼灰は準安定状態で少量のエネルギーで容易に反応を起こさせることが出来る。この流動床燃焼灰は、粒径１mm以下に調整して使用する。粒径が１mmを超えるとこれを加熱した際の、石こう、アルミナ源などとの反応が十分に行われない。また、流動床燃焼灰は９５０℃強熱減量５０％以下のものを用いることが必要である。
【００１２】
流動床燃焼灰は、これに石こう、アルミナ源、石灰源を混合して調合原料とするが、その際に流動床燃焼灰を５重量以上％配合する。流動床燃焼灰が５重量％未満では、準安定状態の流動床燃焼灰が少なく反応性が悪くなり、必要な化学組成のモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料が得られない。流動床燃焼灰の配合比を５重量％以上として目標調合原料とする。
【００１３】
その他の原料は石こう、アルミナ源、石灰源である。石こうは排脱石こうが好適に用いられる他、二水石こう、半水石こう、無水石こうの各種石こうが使用できる。アルミナ源はボーキサイトやその副生品の赤泥が、石灰源は通常石灰石が用いられる。
【００１４】
上記の各種原料は、これをＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、Ｆｅ2 Ｏ3 、ＣａＯ及びＳＯ3 換算で、それぞれＳｉＯ2 ８〜１５重量％、Ａｌ2 Ｏ3 １８〜２２重量％、Ｆｅ2 Ｏ3 １．０〜２．０重量％、ＣａＯ３７〜５５重量％及びＳＯ3 １７〜３０重量％となるようにして調合原料とする。
【００１５】
以上の調合原料は、８００℃以上で焼成してカルシウムサルホアルミネートを主成分とするクリンカーとする。ここでの焼成温度は８００℃以上とする。焼成温度が８００℃未満であると反応が十分でなく水和時にエトリンガイトが生成せず膨脹材として適当でない。焼成物はこれを粉砕するが、粉末度はブレーン比で２０００cm2 ／ｇ以上とする。ブレーン比が２０００cm2 ／ｇ未満では水和反応を十分に起こさせることができず好ましくない。
【００１６】
請求項３の発明は、調合原料を焼成する前にオートクレーブ処理を行うものである。このオートクレーブ処理によって非晶質ゲルが促進され反応性向上の効果を得ることができる。ここでのオートクレーブ処理は、１８０℃，１．５気圧以上の処理とする。オートクレーブ処理が１８０℃、１．５気圧未満であると、ゲル化が十分でなく効果が不充分である。
【００１７】
以上の本発明のモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料は、通常セメントに５〜３０％配合し、モルタル又はコンクリートに使用される。これによって、コンクリートなどの硬化を促進するとともに、コンクリートの硬化にともなって生ずる乾燥、収縮を補填して、その際に生ずるコンクリートのひび割れなどを未然に防止することが可能となる。
【００１８】
【実施例】
（実施例１）
表１のNo.1〜No.8に示す各種の流動床燃焼灰を準備した。これと併せてNo.9に微粉炭燃焼灰を準備した。また、石炭燃焼灰以外の原料は表２に示すものを準備した。
【００１９】
【表１】
Figure 0004035561
【００２０】
【表２】
Figure 0004035561
表１及び表２に示す各種流動床燃焼灰、微粉炭燃焼灰及びその他の原料を用いて、表３に示す目標調合となるようにして表４に示す原料配合を行なった。
【００２１】
【表３】
Figure 0004035561
【００２２】
【表４】
Figure 0004035561
【００２３】
表４に示すＡ〜Ｎの調合原料の平均粒度（μｍ）は、同表に示す通りとした。また、Ａ〜Ｎの調合原料の中で、Ｅは ig.lossが５０％を超え、本願発明で規定した調合原料の範囲外となっている。調合原料Ｆ，Ｇは、平均粒径が１mmを超え、これも本願発明で規定する原料の範囲外となっている。調合原料Ｍは流動床燃焼炉灰の使用量が３％で、これも本願発明の調合原料の範囲から外れている。Ｎは微粉炭灰の使用である。
【００２４】
上記の原料は、２０リットル・ヘンシェルミキサで混合し、混合中に水分を噴霧して粒径１０〜３０mmに造粒した。この造粒物を径６５０mm、長さ１０ｍのロータリーキルンで、表５に示すように８００〜１２００℃、滞留時間５分で焼成しクリンカーを得た。これをボールミルで平均粒径２０μｍになるように粉砕してモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料を得、これに水を加えて水和させた。
【００２５】
この水和物についてエトリンガイドの生成の有無をＸ線パターンで調べた。その結果、本願発明の範囲内にある調合原料で得られたクリンカーは、カルシウムサルホアルミネートを主成分とし、他にカルシウムアルミネート、石こう、石灰等を含み、これを粉砕したセメント水和物にあっては、いずれもエトリンガイドの生成が認められた（No.1〜4, No.8 〜12, No.15 〜17）。
【００２６】
これに対し、本願発明の範囲外のクリンカーでは、未燃分やムライトが、また粒径が１mm以上の原料では消石灰層が多く存在し、これを用いたセメント水和物にあっては、エトリンガイトの生成が認められなかった（No.5〜7, No.13〜14）。なお、No.18 は焼成温度を６００℃としたものである。
【００２７】
【表５】
Figure 0004035561
【００２８】
（実施例２）
表４の調合原料Ａ，Ｂ及びＣを用い、スラリー濃度１５％として表６の条件でオートクレーブ処理を行い、所定の温度まで２０℃／分で昇温し、その温度で１時間保持したのちスラリーを濾過し、その後これを８００℃で焼成してクリンカーを得た。これを粉砕し実施例１と同様にして水和した。この水和物についてエトリンガイトの生成の有無を実施例１と同様にして調べた。その結果を表６に示した。なお、表６には比較例として、微粉炭燃焼灰や粒径１mm以上の流動床燃焼灰などを使用した事例を併せて示した。
【００２９】
【表６】
Figure 0004035561
【００３０】
次に、上記の実施例１及び２で得られた膨脹・速硬性材料の評価を次の通りにして行った。
表５の２及び５、表６の１及び８のクリンカーを、ブレーン比表面積で２２００cm2 ／ｇに粉砕してモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材料とした。これを用いて表７に示すコンクリートを作成した。これを JIS A 6202 に準拠し、幅１００mm×高さ１００mm×長さ３６０mmの供試体を用いて、７日、２８日の長さ変化を測定した。その結果を表８に示した。表８に示すように、本願発明のモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材を用いたものはいずれも JIS規格以上の値を示している。
【００３１】
【表７】
Figure 0004035561
【００３２】
【表８】
Figure 0004035561
【００３３】
【発明の効果】
本発明によると、原料の一部に流動床燃焼炉の燃焼灰を用いて良好なモルタル・コンクリート用膨脹・速硬性材が得られるので、今後ますます火力発電所などで発生することが予測される流動床燃焼炉の燃焼灰の有効利用がこの分野でも可能となるようになった。

Claims (3)

  1. ９５０℃強熱減量が５０％以下で粒径を１ mm 以下に調整した流動床燃焼炉の燃焼灰の５重量％以上に、石こう、アルミナ源及び石灰源の少なくとも一種を加えた調合原料を８００℃〜１２００℃で焼成し、ここに得たカルシウムサルホアルミネートを主成分とするクリンカーをブレーン比で２０００cm２／g以上に粉砕することを特徴とするモルタル・コンクリート用膨張・速硬性材料の製造方法。
  2. 前記燃焼灰が、集塵機で集められた燃焼灰及び燃焼炉の下部に落下した燃焼灰の少なくとも一種である請求項１記載のモルタル・コンクリート用膨張・速硬性材料の製造方法。
  3. 前記調合原料の焼成前にオートクレーブ処理を行う請求項１または２に記載のモルタル・コンクリート用膨張・速硬性材料の製造方法。
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