JP4159658B2

JP4159658B2 - 人工軽量骨材の製造方法

Info

Publication number: JP4159658B2
Application number: JP19811598A
Authority: JP
Inventors: 智幸菅谷; 至克原田; 芳次西; 泰文寺光
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2008-10-01
Anticipated expiration: 2018-06-30
Also published as: JP2000016846A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭灰を主原料とした、高強度で、しかも加圧下における吸水率も含めて、吸水率の低い人工軽量骨材が得られる人工軽量骨材の製造方法に関する。
【０００２】
近年、土地のより一層の有効利用等の観点から、建築物の超高層化及び大規模化の傾向は益々顕著になってきている。このような超高層ないしは大規模な建築物を実現するためには、該建築物の自重を軽減することが極めて重要である。この自重軽減の観点から、高強度を発現しつつ軽量化を図った軽量コンクリートが強く望まれている。
【０００３】
上記軽量コンクリートの実現のためには、該コンクリートを構成する骨材自体の特性も極めて重要であることから、近年においては、良好なコンクリート特性を発現し得る人工軽量骨材の開発が盛んに行われている。
なかでも、未利用資源の開発、産業廃棄物の利用等の問題の解決を図るために、火力発電所、各種工場の燃焼炉等において石炭の燃焼の際に排出される石炭灰を有効利用して人工軽量骨材を製造する方法が望まれている。
【０００４】
しかしながら、前記石炭灰は、火力発電所、各種工場で燃料として用いられる石炭の炭種の違いや、燃焼温度等の条件により、その化学組成や性状は大きく変動するものである。そのため、該石炭灰を用いて品質の安定した人工軽量骨材を製造することは困難であった。
【０００５】
また、軽量コンクリートに用いられる人工軽量骨材に必要な特性としては、強度が高いことは勿論、加圧下における吸水率も含めて、吸水率が低いことが挙げられる。
【０００６】
これは、コンクリート強度は配合した骨材の強度にも影響され、特に軽量骨材を用いたコンクリートにおいては、骨材強度が該コンクリート強度に及ぼす影響は通常の骨材を用いたコンクリートにおける場合と比べて顕著であること。
【０００７】
さらに、例えば「JIS A 1135（構造用軽量粗骨材の比重及び吸水率試験方法）」に準じて求められた吸水率の高い骨材は、良好な作業性を有する軽量コンクリートを得るためにはその使用前に充分な吸水処理を必要とし、該吸水処理を
行わずに軽量コンクリートの骨材として用いた場合には、該コンクリートのフレッシュ性状において練り混ぜ後の急速なスランプロスを発生させたり、或いはポンプ圧送性が低下するという施工面の問題が生じるためである。
【０００８】
また、上記吸水率が低い骨材であっても、該骨材内部の気泡が表面まで連通している骨材の場合においては、実施工において、例えばポンプ圧送等の作業時に該骨材に掛かる圧力に起因して骨材表面の一部分から水が骨材の内部に入り込み、スランプロスを発生させたり、ポンプ圧送性を低下させるという問題を生じるためである。
【０００９】
また、これらの吸水した骨材を使用したコンクリートでは、硬化後のコンクリートの凍結融解抵抗性を低下させるという問題も生じさせることもあるためでもある。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明が課題とすることは、化学組成等が異なる石炭灰を用いても、「JIS A 1135（構造用軽量粗骨材の比重及び吸水率試験方法）」に準じて測定される吸水率（以下、単に「吸水率」と称す）が2.0％以下で、かつ40kgf/cm²の加圧下における吸水率（以下、「加圧吸水率」と称す）が8.0％以下であり、さらに強度が「JIS Z 8841（造粒物−強度試験方法）」に準じて測定される圧壊強度（以下、単に「圧壊強度」と称す）で1000Ｎ以上の性状を有する人工軽量骨材を安定して製造することができる、人工軽量骨材の製造方法を提供することを課題とする。
【００１１】
なお、本発明は、「JIS A 1135（構造用軽量粗骨材の比重及び吸水率試験方法）」に準じて測定される絶乾比重が、1.0〜1.5程度の人工軽量骨材を対象にするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した性状を有する人工軽量骨材の製造方法について鋭意研究した結果、石炭灰を含む原料混合物の粒径及び化学組成、更には焼成工程における昇温条件及び冷却条件が非常に重要であることを見いだし、本発明を完成させた。
【００１３】
即ち、本発明は、最大粒径が100μｍ以下、平均粒径が５〜20μｍで、かつSiO₂含有量が45〜75％、Al₂O₃含有量が10〜30％であり、その他の成分を10〜30％含有する混合物であって、石炭灰、粘着材、および必要に応じて添加される無機物質から成る混合物を造粒し、1100℃までに該造粒物中の可燃還元物量が1％以下となるように該造粒物を昇温し、1150〜1350℃にて焼成・発泡させ、さらに、該発泡焼成物を少なくとも、800℃までは300℃／min以下の速度で徐冷することを特徴とする人工軽量骨材の製造方法である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。本発明では、まず、最大粒径が100μｍ以下、平均粒径が５〜20μｍで、かつSiO₂含有量が45〜75％、Al₂O₃含有量が10〜30％であり、その他の成分を10〜30％含有する混合物であって、石炭灰、粘着材、および必要に応じて添加される無機物質から成る混合物（以降、原料混合物と称す）を造粒する。このような、原料混合物を使用することにより、造粒が容易であり、且つ焼成（・発泡）時においても、気泡の形成に適した粘性と一般にいわれている10⁶〜10⁷NS/m²が得られ易く、加圧吸水率及び吸水率が共に低く、また圧壊強度が高い人工軽量骨材を製造できる。
【００１５】
石炭灰としては、火力発電所、各種工場等において石炭を燃焼した際に発生する石炭灰、例えば、フライアッシュ、シンダーアッシュ、ボトムアッシュ、クリンカーアッシュ等を使用することができる。
粘着材としては、デキストリン、ポリビニルアルコール、メチルセルロース、アクリル樹脂、リグニン、ベントナイト、水ガラスのいずれかが好適に使用可能であり、これらの粘着材の２種以上を組み合わせて用いてもよい。なかでも、取り扱いの容易性及びコストの点から、ベントナイトが最も好ましい。
粘着材の配合割合は、原料混合物100重量部中、内割りで0.1〜10重量部が好ましい。この粘着材の添加量は、その種類によって異なるが、リグニンなどの有機材料では、0.1〜3.0重量部、ベントナイトなどの無機材料では1.0〜10重量部、更には3.0〜7.0重量部が好適に使用可能である。
この粘着材は、乾燥及び焼成工程において造粒物のハンドリング性を保持するためにも添加され、粘着材の量が上記の範囲外では、ハンドリング性の保持が困難となり、好ましくない。
【００１６】
本発明において、100μｍを超える粒子が存在する原料混合物、或いは平均粒径が20μｍを越える原料混合物では、焼成後の骨材の加圧吸水率及び吸水率が共に高くなるため好ましくない。また、平均粒径が５μｍに満たない原料混合物は、実操業において粉砕に手間がかかるうえ、ハンドリング性の低下により造粒するのも困難となるため好ましくない。
【００１７】
更に、化学組成（SiO₂、Al₂O₃及びその他の成分量）が前記範囲を外れる原料混合物は、焼成物同士が融着し易くなり大塊状物となったり、気泡の形成に適した粘性が得られ難く、発泡のさいの泡が破壊して粗大気泡となったり、ガス抜けのため開放気孔となったりするため、加圧吸水率及び吸水率が共に低く、また圧壊強度が高い人工軽量骨材を製造することが困難となる。
このように、本発明においては、原料混合物の化学組成が重要である。
石炭灰は、その使用した石炭の炭種や燃焼温度等の条件により、化学組成が大きく変動するものであるが、通常、SiO₂が多く、次いでAl₂O₃を多く含んでおり、その他にはCaO、Fe₂O₃、MgO、Na₂O、K₂Oなどを含んでいる。
SiO₂量が45〜75％で、Al₂O₃量が10〜30％であるような石炭灰は、前記した粘着材と組み合わせただけでも、原料混合物の化学組成を所定範囲にすることができる。
一方、SiO₂量が45〜75％で、Al₂O₃量が10〜30％の組成から大きく外れる石炭灰では、粘着材と組み合わせただけでは、原料混合物の化学組成を所定範囲にすることは困難である。そこで、このような石炭灰を使用する場合は、無機物質をさらに添加して、原料混合物の化学組成を調整する必要がある。ここで、無機物質としては、原料混合物のSiO₂量を調整できるようなSiO₂含有量の多い物質、例えば、流紋岩系ガラス質粉末（具体的には、真珠岩、黒曜石、マレカナイト等）、ガラス粉末（具体的には、各種ガラス瓶、窓ガラス、ガラス繊維を始め種々のガラス製品やその廃材の粉末等）等のガラス質粉末や、原料混合物のAl₂O₃量を調整できるような物質、例えば、水酸化アルミニウム、アルミニウム粉末、アルミスラッジ等が挙げられる。これら無機物質は、２種以上併用してもかまわない。
なお、無機物質を添加する場合、その配合割合は、石炭灰の有効利用の促進や原料コストの点から、石炭灰100重量部に対して、50重量部以下とすることが好ましい。
【００１８】
本発明において、原料を混合する方法は、特に限定するものではなく、例えば、所定の最大粒径および平均粒径を有する各原料を混合してもよいし、予め原料を混合しておき、該混合物を所定の最大粒径および平均粒径となるように粉砕してもよい。
また、原料混合物を造粒する方法、さらには該造粒物を乾燥する方法も、特に限定するものではなく、公知ないし慣用の装置、手法が使用可能である。また、造粒物の粒径は、製造する骨材の用途等によっても異なる場合があるが、通常は、発泡後の骨材の粒径が「JIS A 5002（構造用軽量コンクリート骨材）」に適合する直径5〜15mmとなるように造粒するのが好ましい。
【００１９】
次に、焼成・冷却条件を説明する。
本発明において、上記造粒物は、1100℃までに該造粒物中の可燃還元物量が1％以下となるように昇温し、1150〜1350℃にて焼成・発泡させる。
ここで、1100℃までに造粒物中の可燃還元物量が1％以下となるように昇温するのは、例えば、▲１▼20℃／min以下の昇温速度で、ゆっくりと焼成温度まで昇温することや、▲２▼900〜1000℃程度まで、比較的急激に昇温（例えば、50〜150℃／min程度）し、該温度で10〜20分程度保持した後、さらに焼成温度まで昇温する等、の条件で昇温させることにより可能である。人工軽量骨材の生産性の点からは、昇温時間を短縮できる▲２▼に相当する昇温条件が好ましい。この場合の昇温速度は、焼成に用いる装置の性能等に応じて適宜決めればよい。また、可燃還元物は、主に石炭灰中に含まれていた未燃炭素であるので、もともと未燃炭素量が１％未満である石炭灰や、未燃炭素量が１％未満となるように予め未燃炭素を除去した石炭灰、を原料として使用することも、勿論有効である。
なお、焼成時間は、４〜10分程度とすることが好ましい。
【００２０】
1100℃を超えた段階において、造粒物中に1％を超える可燃還元物が残る昇温条件では、該可燃還元物が1150〜1350℃における焼成・発泡に悪影響を与えるため、加圧吸水率及び吸水率が共に低く、また圧壊強度が高い人工軽量骨材を製造することが困難となる。
焼成温度が1150℃未満では、加圧吸水率及び吸水率が共に低い人工軽量骨材を製造することが困難となる。一方、焼成温度が1350℃を超えると、焼成物同士が融着し易くなり大塊状物となるため好ましくない。
【００２１】
発泡させた後の焼成物（発泡焼成物）は、少なくとも、800℃までは300℃／min以下の速度で徐冷する。
ここで、発泡焼成物の少なくとも800℃までの徐冷は、焼成に用いる焼成装置内に、発泡後においても暫時滞留させることにより可能であり、その後焼成装置から排出して自然冷却等の方法により冷却し、人工軽量骨材とする。
【００２２】
800℃を超える温度から自然冷却等の方法で急激に冷却したり、800℃までの冷却速度が300℃／minを超えると、熱歪みにもとづくクラック等を多く有する人工軽量骨材となり、加圧吸水率が高く、また圧壊強度が低くなるので好ましくない。
なお、冷却速度を50℃／min未満とすることは、実操業においては困難であり、且つ生産性も低いものとなるため、冷却速度は50℃／min以上とすることが好ましい。
【００２３】
本発明で用いる焼成装置は、特に限定されず、外熱・内熱式キルン等の公知の装置を用いることができる。
【００２４】
【実施例】
以下、実施例により本発明を説明する。
使用した石炭灰、ベントナイト、アルミスラッジ及び真珠岩の化学分析値を表１に示す。なお、化学分析は、「JIS R 5202(ポルトランドセメントの化学分析方法）」に準じて測定した。
【００２５】
【表１】

【００２６】
各材料を、表２に示す配合割合で混合し、パン型ペレタイザーで造粒し乾燥して造粒物を作成した。
【００２７】
【表２】

【００２８】
上記造粒物を、表３に示す条件で焼成・冷却した。なお、焼成には、（株）モトヤマ製の超高速昇温電気炉（スーパーバーン）を用いて行った。焼成時間は、５分とした。
【００２９】
【表３】

【００３０】
評価方法を以下に示す。
１．造粒物中の可燃還元物量
電気炉の温度が1100℃に達した段階で、造粒物を電気炉から取り出し、冷却後、該造粒物を乳鉢で粉砕した。粉砕後、空気雰囲気中でのＴＧ／ＤＴＡ分析を行い、400〜800℃における重量減少量から、可燃還元物量を算出した。
２．人工軽量粗骨材の絶乾比重と吸水率
「JIS A 1135（構造用軽量粗骨材の比重及び吸水率試験方法）」に準じて測定した。
３．人工軽量粗骨材の加圧吸水率
10リットルのオートクレーブ内に骨材を入れ、加圧ポンプを用いて40kgf/cm ²の加圧水下に2時間曝した場合の吸水量を測定した。
４．人工軽量粗骨材の圧壊強度
オートグラフ（（株）島津製作所製）を用い測定した。なお、圧壊強度は、粒径14mmの骨材を50個測定し、その平均値を算出した。
その結果を表４に示す。
【００３１】
【表４】

【００３２】
以上、説明した本発明にかかる人工軽量骨材の製造方法によれば、化学組成等が異なる石炭灰を用いても、吸水率が2.0％以下、加圧吸水率が8.0％以下、且つ圧懐強度が1000Ｎ以上の性状を有する人工軽量骨材を安定して製造することができる。

Claims

最大粒径が100μｍ以下、平均粒径が５〜20μｍで、かつSiO₂含有量が45〜75％、Al₂O₃含有量が10〜30％であり、その他の成分を10〜30％含有する混合物であって、石炭灰、粘着材を混合して成る混合物を造粒し、
1100℃までに該造粒物中の可燃還元物量が1％以下となるように該造粒物を昇温し、1150〜1350℃にて焼成・発泡させ、さらに、該発泡焼成物を少なくとも、800℃までは300℃／min以下の速度で徐冷することを特徴とする人工軽量骨材の製造方法。