JP4083410B2 - 軽量人工骨材及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、軽量人工骨材及びその製造方法に関し、更に詳細には、圧壊強度の高い美観性に優れた軽量人工骨材と、焼結時にペレットの亀裂やひび割れが生じ難く、形状保持性に優れた軽量人工骨材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、産業廃棄物として排出される石炭灰、焼却灰等の有効な利用方法として、これを焼結した軽量人工骨材が知られている。軽量人工骨材は、コンクリート等に混合して使用されることが多く、軽量人工骨材の使用により、強度を低下させることなくコンクリート建造物の軽量化を図ることができるので、注目されるようになってきている。
【０００３】
この焼成に供する成形物（ペレット）は、通常、骨材原料に、リグニン、ポリビニルアルコール、セルロース誘導体、カルボキシメチルセルロース等の有機系のバインダーや、ベントナイト、水ガラス等の無機バインダーを添加して製造される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、有機バインダーを使用する場合、生ペレット及び乾燥物の段階では十分な保形性が得られるが、加熱状態での強度が極端に悪くなるため、焼結炉内でペレットの割れや粉化が生じ、歩留まりが低下してしまうという欠点があった。この解決策として、焼成前に十分な強度を発現させるための乾燥工程を設けたり、添加量を増加させて強度の向上を図る必要があった。
【０００５】
また、無機系バインダーを使用する場合、乾燥物及び加熱状態の何れにおいても強度は優れているが、ペレット化する際の滑り性が悪いため内部に歪みが生じ、この歪みによる亀裂やひび割れが生じ易くなり、焼結後の圧壊強度の低下や表面の美観性の悪化をもたらすという問題があった。
【０００６】
本発明は上記従来の軽量人工骨材の問題点を解決するものであり、焼成初期段階での粉化、割れを抑制することにより、ペレットの歩留まり、形状保持性の向上を図り、焼結後に於ける圧壊強度が高く、しかも美観性に優れた軽量人工骨材及びその製造方法を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の軽量人工骨材は、骨材原料に、α化デンプン及びベントナイトを添加し、これを造粒し後、焼結して得られる軽量人工骨材であって、前記α化デンプンの膨潤度が、１５ｍｌ／ｇ以上、５０ｍｌ／ｇ以下であることを特徴とする。
【０００８】
α化デンプン及びベントナイトが骨材原料に添加されると、生ペレットの保湿性と粘結性が向上し、十分な保形性が得られるとともに、加熱状態での強度の保持性も向上する。また、ペレット化する際の滑り性が良好となり、内部に生ずる歪みも小さくなり、この歪みによる亀裂やひび割れがも生じ難くなる。従って、焼結後の骨材強度低下は生ぜず、充分に高い圧壊強度を有する軽量人工骨材が得られる。また、骨材表面の美観性も良好である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の軽量人工骨材の製造に用いられる生ペレットは、骨材原料から調製される。骨材原料の主原料としては石炭灰を挙げることができる。石炭灰以外に、例えば、頁岩、膨張頁岩、膨張粘土、焼却灰、下水汚泥焼却灰、上水汚泥脱水物、高炉スラグ微粉末、膨張スラグ、真珠岩、黒曜岩、松脂岩、ひる石等の他の無機原料を含み得る。更に、これらの無機原料の混合物も骨材原料として用いることができる。本発明の軽量人工骨材に於いては、石炭灰の有効利用という観点から、骨材原料は５０重量％以上の石炭灰を含有していることが好ましい。
【００１０】
本発明の軽量人工骨材には、α化デンプンが添加される。このα化デンプンは、造粒後の生ペレットに保湿性と粘結性とを付与するとともに、後述するベントナイトの添加による滑り性の低下によって内部亀裂が発生するのを防止するために加えられる。α化デンプンとは、例えば、β−デンプンを水又はアルカリ性水溶液に懸濁分散させ、必要に応じて加熱することにより得られる透明又は半透明の糊液状のもの、又はこれを急速に脱水乾燥して粉末状にしたものをいう。本発明に於いては、α化デンプンは、上記の透明又は半透明の糊液状のものをそのまま使用する場合、粉末状にしたものを骨材原料にそのまま添加する場合、及び粉末状のものを水に分散若しくは水と練り合わせて使用する場合の何れの方法によっても添加することができる。
【００１１】
本発明では、α化デンプンの原料デンプンの種類は特に限定されるものではなく、馬鈴薯、甘藷、小麦、トウモロコシ、タピオカ、サゴ、米等の何れの原料デンプン由来のものを使用することができ、また、これらの２種以上を混合して使用することができる。
【００１２】
本発明に於けるα化デンプンは、その膨潤度が、１５ｍｌ／ｇ以上５０ｍｌ／ｇ以下、２５ｍｌ／ｇ以上５０ｍｌ／ｇ以下のものが使用される。α化デンプンの膨潤度が上記より低いと保湿性及び粘結性が低下し、生ペレットの保形性が低下するので好ましくない。また、α化デンプンの膨潤度は高いほど好ましいが、実質的に膨潤度が５０ｍｌ／ｇを越えることは、後述する膨潤度の測定方法から判断して、考えられない。
【００１３】
本発明では、α化デンプンの膨潤度とは、以下のようにして測定された数値をいう。まず、試料２ｇを電子天秤を用いて精秤し、これを、純水約５０ｍｌを入れた１００ｍｌのビーカーに、マグネティックスターラーで撹拌しながら加えて溶解させる。その際、ダマにならないように注意する。次に、十分に溶解させた上記試料水溶液を、ビーカーに残らないようにして１００ｍｌのメスシリンダーに移す。１００ｍｌまで純水を加え、室温にて３時間放置する。３時間放置後、試料の容積（ｍｌ）を正確に読み取り、膨潤度＝３時後試料の容積（ｍｌ）／試料重量（ｇ）として求める。なお、β−デンプンをそのまま使用する場合に於ける膨潤度は、上述のビーカーにβ−デンプンを入れ、純水に代えて１％ＮａＯＨ溶液を使用して溶解し、１００ｍｌのメスシリンダーを１００ｍｌまで純水を加えることにより測定した。
【００１４】
本発明に於けるα化デンプンの添加量は、前記骨材原料に対して、０．１〜５重量％であることが好ましい。α化デンプンの添加量が０．１重量％より少ないと、保湿性、粘結性等の効果が得られず、５重量％を越えると、練り混ぜに使用する水量が多くなり、滑り性が悪化して内部歪みが生じやすくなるので好ましくない。
【００１５】
また、本発明の軽量人工骨材には、上記α化デンプンに加えてベントナイトが添加される。ベントナイトは、α化デンプンと同様に造粒後の生ペレットに保湿性と粘結性とを付与するために加えられる。
【００１６】
本発明では、ベントナイトは、その膨潤力が、１０ｍｌ／２ｇ以上４０ｍｌ／２ｇ以下、好ましくは１５ｍｌ／２ｇ以上４０ｍｌ／２ｇ以下、更に好ましくは１５ｍｌ／２ｇ以上３０ｍｌ／２ｇ以下のものが使用される。また、ベントナイトのメチレンブルーの吸着量が、２０ｍｍｏｌ／１００ｇ以上７０ｍｍｏｌ／１００ｇ以下、好ましくは、２５ｍｍｏｌ／１００ｇ以上６５ｍｍｏｌ／１００ｇ以下のものが使用される。ベントナイトの膨潤力及びメチレンブルーの吸着量が上記範囲を外れると、保湿性と粘結性とを付与し、滑り性を改善する効果が失われるので好ましくない。
【００１７】
本発明では、ベントナイトの膨潤力とは、日本ベントナイト工業会標準試験方法ＪＢＡＳ−１０４−７７に従い、以下のようにして測定された数値をいう。まず、試料２ｇを精製水１００ｍｌを入れた１００ｍｌの共栓付メスシリンダーに約１０回に分けて加える。その際、先に加えた試料がほとんど内壁に付着せずにスムーズにメスシリンダーの底に沈着するように１回に加えるベントナイトの量を加減し、先の試料がほとんど沈着した後に次の試料を加える。全試料を加え終わってから２４時間放置し、メスシリンダー内に退席した試料の見掛け容積を読み取る。膨潤力の単位は、ｍｌ／２ｇである。
【００１８】
また、本発明では、ベントナイトのメチレンブルーの吸着量とは、日本ベントナイト工業会標準試験方法ＪＢＡＳ−１０７−７７に従い、以下のようにして測定された数値をいう。まず、メチレンブルー３．４７ｇ相当量を精秤し、精製水に溶解して正しく１０００ｍｌとしたメチレンブルー溶液と、０．５Ｎ硫酸水溶液とを予め調製しておく。次に、試料を１０５〜１１０℃で十分に乾燥させ、デシケータ中で冷却した後、その０．５００±０．００１ｇを正確に秤量し、３００ｍｌの三角フラスコに入れる。次に、この三角フラスコに精製水５０ｍｌを加え、時計皿で蓋をして約１０分間、静かに煮沸する。冷却後、０．５Ｎ硫酸を２ｍｌ加える。次に、メチレンブルー溶液を１ｍｌづつ添加し、添加毎に３０秒間かき混ぜる。各添加の後、ガラス棒を用いて濾紙上に液の１滴を置く。濃いブルースポットの周囲に明るいブルーのハローが観察されたとき、溶液を２分間撹拌して再度スポットを作る。もしハローが消失したならばメチレンブルー溶液の添加を続ける。２分間撹拌しても１．５〜２ｍｍ幅のハローが残存するに至ったときを滴定の終点とする。メチレンブルーの吸着量＝０．０１Ｎメチレンブルー溶液消費量（ｍｌ）／０．５ｇにより、メチレンブルーの吸着量（ミリモル／１００ｇ）が計算される。
【００１９】
本発明に於けるベントナイトの添加量は、前記骨材原料に対して、１〜２０重量％、好ましくは１〜１０重量％である。ベントナイトの添加量が１重量％より少ないと、上述の保湿性、粘結性、滑り性等の効果が得られず、２０重量％を越えると、滑り性悪化により内部歪みがが生じ、亀裂やひび割れが生じやすくなるので好ましくない。
【００２０】
本発明の軽量人工骨材は、２０％以上５０％未満の気孔率を有していることが好ましい。この気孔率がこの範囲であれば、高い圧壊強度を維持しながら十分な軽量化を図ることができる。
【００２１】
【実施例】
本発明を実施例に基づいて説明する。なお、本明細書中における「部」又は「重量％」は、質量に基づいて求められるものである。
【００２２】
［生ペレットの製造］
表１に示す石炭灰５０重量部及び頁岩３３重量部からなる骨材原料に水１７部を加えたものに対し、表２に示すベントナイト及びα化デンプンを同表に示す添加量で加えた。ここで、表２の添加方法の欄の「Ａ」は、α化デンプン粉末をそのまま添加して使用することを表し、「Ｂ」は、水の代わりに１％ＮａＯＨ水溶液を使用して、β−デンプンをα化することを表している。これらの混合物を、容量３リットルのモルタルミキサーに入れ、低速回転で１０分間撹拌した後、ディスクペレッター（Ｆ−５型、日本パウダル製）を用いて直径９ｍｍ、長さ１５ｍｍのペレットに造粒し、実施例１〜６の生ペレットとした。
【００２３】
また、上記に於いて、表２の実施例１〜６の配合に代えて比較例１〜３の配合を用いて、上記実施例１〜６と同様の手順により、比較例１〜３の生ペレットを得た。
【００２４】
なお、石炭灰及び頁岩についての化学組成、比表面積、比重及び強熱減量は表１に示されているとおりであり、表２の添加量は、上述の石炭灰及び頁岩からなる骨材原料に対する重量％である。
【００２５】
［軽量人工骨材の製造］
上記の実施例１〜６の生ペレットを電気炉にて１１００℃まで１時間かけて昇温して焼結を行い、実施例１〜６の軽量人工骨材を得た。また、比較例１〜３の生ペレットも、上記と同じ条件で焼結し、比較例１〜３の軽量人工骨材とした。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
［乾燥ペレットの評価］
上記の「生ペレットの製造」に於いて製造した生ペレットを３００℃の乾燥機で５分間乾燥させた乾燥ペレットについて、ひび割れを目視で検査することにより、ひび割れ発生率を求め、その結果を表２に示した。また、乾燥ペレットを６ｍの高さから３０個を１個づつ落下させ、破壊したペレットの数を調べて、ペレット破壊率を求めた。
【００２９】
表２の結果から、実施例１〜６の乾燥ペレットは、比較例１〜３の乾燥ペレットに比較して、ペレット破壊率は少し小さくなる傾向を示すのみであるが、ひび割れ発生率に於いては、実施例１〜６の方が値が低くなっている。以上の結果から、ベントナイト及びα化デンプンの配合により、乾燥ペレットの形状保持性が向上し、崩れ、割れ等が生じ難いことが分かる。
【００３０】
［軽量人工骨材の評価］
上記の「軽量人工骨材の製造」の項に於いて製造した実施例１〜６の軽量人工骨材について、万能圧壊強度試験機（万能試験機ＭＩＥ−７３４−５、(株)マルイ製）を用いて圧壊強度を測定し、その結果を表２に示した。比較例１〜３の軽量人工骨材についても同様に圧壊強度を測定し、その結果を表２に併せて示した。また、実施例１〜６及び比較例１〜３の軽量人工骨材について気孔率を求めた。気孔率は（１−絶乾密度／真密度）×１００により求めた。ここで、絶乾密度は、ＪＩＳ Ａ １１３５に従って測定し、真密度は、自動密度測定器（オートピクノメータ：島津製作所(株)製）を用いて測定した。
【００３１】
表２の結果から分かるように、実施例１〜６の軽量人工骨材は、高い圧壊強度を示した。これに対して、比較例１〜３の軽量人工骨材では、実施例１〜６の軽量人工骨材に比較して圧壊強度は低い値であった。また、実施例１〜６の軽量人工骨材では、比較例１〜３の軽量人工骨材と比較して、ペレット破壊率を小さく保持したまま、ひび割れ発生率が大きく改善されている。
【００３２】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明の軽量人工骨材は、骨材原料に、α化デンプン及びベントナイトを添加し、これを造粒し後、焼結して得られるので、生ペレットの段階で形状保持性が向上し、生ペレットの造粒後焼結までの間に於ける崩れ、割れ、摩耗等の発生を防止することができる。従って、焼成後に於ける軽量人工骨材の圧壊強度を充分に高めることができ、美観も損なわれることがない。
【００３３】
また、本発明の軽量人工骨材の製造方法では、生ペレットの調製に際してα化デンプン及びベントナイトが添加されるので、上述のように造粒後に生ペレットが崩れたり、割れたり、摩耗したりすることがないため、これを焼結すると、圧壊強度が充分に高い軽量人工骨材を得ることができる。

Claims (10)

1. 骨材原料に、α化デンプン及びベントナイトを添加し、これを造粒し後、焼結して得られる軽量人工骨材であって、
   前記α化デンプンの膨潤度が、１５ｍｌ／ｇ以上、５０ｍｌ／ｇ以下であり、
   前記骨材原料１００重量％に対して、前記α化デンプンを０．５〜５重量％添加して焼成したことを特徴とする軽量人工骨材。
2. 前記ベントナイトの膨潤力が１０ｍｌ／２ｇ以上、４０ｍｌ／２ｇ以下であり、前記ベントナイトのメチレンブルーの吸着量が２０ｍｍｏｌ／１００ｇ以上、７０ｍｍｏｌ／１００ｇ以下である請求項１記載の軽量人工骨材。
3. 前記骨材原料１００重量％に対して、前記ベントナイトを１〜２０重量％で含有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の軽量人工骨材。
4. 前記骨材原料は、石炭灰を５０重量％以上含有していることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載の軽量人工骨材。
5. 前記軽量人工骨材は、２０％以上５０％未満の気孔率を有していることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載の軽量人工骨材。
6. 骨材原料にα化デンプン及びベントナイトを添加し造粒して生ペレットを調製し、次に、該生ペレットの焼結を行う軽量人工骨材の製造方法であって、
   前記α化デンプンの膨潤度が、１５ｍｌ／ｇ以上、５０ｍｌ／ｇ以下であり、
   前記骨材原料１００重量％に対して、前記α化デンプンを０．５〜５重量％添加して焼成することを特徴とする軽量人工骨材の製造方法。
7. 前記ベントナイトの膨潤力が１０ｍｌ／２ｇ以上、４０ｍｌ／２ｇ以下であり、メチレンブルーの吸着量が２０ｍｍｏｌ／１００ｇ以上、７０ｍｍｏｌ／１００ｇ以下である請求項６記載の軽量人工骨材の製造方法。
8. 前記骨材原料１００重量％に対して、前記ベントナイトを１〜２０重量％で含有していることを特徴とする請求項６又は７に記載の軽量人工骨材の製造方法。
9. 前記骨材原料は、石炭灰を５０重量％以上含有していることを特徴とする請求項６乃至８の何れかに記載の軽量人工骨材の製造方法。
10. 前記軽量人工骨材の気孔率が、２０％以上５０％未満であることを特徴とする請求項６乃至９の何れかに記載の軽量人工骨材の製造方法。