JP4160467B2 - 人工骨材の製造方法およびその方法によって製造された人工骨材 - Google Patents

Description

本発明は、シリカ（ＳｉＯ₂ ）を含有する、各種の産業廃棄物スラッジから人工骨材を製造する方法に関する。

建設汚泥，浚渫土砂，砕石プラント（砂利プラントを含む。）で発生する土石粉スラッジなどのシリカ（ＳｉＯ₂ ）を含有する産業廃棄物スラッジは、近年、環境保全や資源の有効利用の観点から、人工骨材として再生し、道路用路盤材、土木構造物用裏込め材および基礎材、下水工事用埋め戻し材などの各種土木資材として利用されている。これらの骨材は、再生路盤材、再生クラッシャランと呼ばれ、現在、ＪＩＳＡ５００１に規定された「道路用砕石」の路盤材（クラッシャラン）の規格Ｃ−４０、Ｃ−３０、Ｃ−２０と同等の品質を満足するものに対してＲＣ−４０、ＲＣ−３０、ＲＣ−２０の各規格が制定され（「プラント再生舗装技術指針」日本道路協会、１９９２年１２月発行）、これらはＲＣ材として業界で広く認知されている。

前記人工骨材の製造方法としては、例えば特開２００１−１２１１９６号公報（特許文献１）には、シリカ含有泥土スラッジに対して含有水分量の調整とカルシウム化合物の混合とを行い、含水率が５〜３５重量％の範囲内の泥土質原料を得る水分調整・混合工程と、前記泥土質原料を原料として造粒を行って造粒物を得る造粒工程と、前記造粒物を水熱処理により固化して固化物を得る水熱固化工程とからなるシリカ含有泥土スラッジの処理方法が記載されている。水分調整は、脱水、乾燥などによりスラッジ中の水分を除去したり、生石灰、セメントなどのカルシウム化合物の添加量を水熱処理に必要な量を超えて過剰に添加したりすることによって行われる。
また、特開２００１−９４１３号公報（特許文献２）には、廃棄物に石灰源材及びシリカ源材の少なくともいずれかを添加してＣａＯ／ＳｉＯ₂重量比およびＣａＯ＋ＳｉＯ₂の重量割合を調整した後、水を加えて混練し、必要に応じて１００mm以上の大きさに成形、造粒した混練物を前養生した後、水熱処理を行って固化体とし、ついで固化体を破砕処理して不定形の粒状体とする廃棄物の固化・安定化法が記載されている。前記前養生は、水熱処理にて強度と安全性の高い固化体を得るための処理である（段落番号０００４）。
特開２００１−１２１１９６号公報（特許請求の範囲） 特開２００１−９４１３号公報（特許請求の範囲、段落番号０００４）

しかしながら、特許文献１に記載された処理方法では、スラッジを造粒に適した粘度に調整する必要があるため、含水率に制限があり、一般的に含水率が３０〜６０％程度ある建設汚泥や浚渫土砂等の高含水率の産業廃棄物スラッジでは水分調整を行う必要がある。また、水分調整した泥土質原料を造粒するために、特殊な混合・造粒機が必要である。さらに、泥土質原料を造粒した造粒物を元にして得られた骨材は、粒径分布が偏ったものになりやすく、ＲＣ材と同等の粒度分布を備えた骨材を得るには、種々のサイズの造粒骨材を混合し、粒度を調整しなけらばならないという問題がある。

一方、特許文献２にかかる処理方法では、石灰源材を添加混練した混練物を造粒、成形しない場合、この混練物はスラリー状であり、形状を保持することができないため、鋼製型枠に収容して水熱処理をする必要がある。しかし、このような形態で水熱処理すると、水熱処理により硬化した固化体を型枠から取り出すためには大きな労力を要し、また抜型の際に型枠の内面に固化体の残滓が強固に付着するため、その除去が困難で、多大な労力を要する。また、型枠から取り出した固化体は大きな塊であり、これを破砕することは困難である。このため、水熱処理により硬化させた固化体を効率よく破砕するには、前養生の前にやはり含水率を調整した混練物を造粒や成形をしなければならず、さらに固化体を例え１００mm程度のサイズに調整しても、その固化体は水熱処理により強固に固化、硬化したものであるため、耐久性に優れた頑丈な構造の破砕機が必要になる。

本発明はかかる問題に鑑みなされたもので、建設汚泥等の含水率の高い廃棄物スラッジであっても含水率の低減調整が不要で、しかも混合・混練物を造粒、成形することなく、また水熱処理により強固に固化した固化物を破砕することなく、種々の粒径を備えた骨材を簡単に得ることができる人工骨材の製造方法およびその方法によって製造された人工骨材を提供することを目的とする。

本発明の人工骨材の製造方法は、シリカを含有する産業廃棄物スラッジにカルシウム供給材を添加混合してカルシウム含有スラッジを得る混合工程と、前記カルシウム含有スラッジを養生して安定化し、スラッジ脆性固化体を得る養生工程と、前記スラッジ脆性固化体を解砕して解砕粒を得る解砕工程と、前記解砕粒を水熱処理して強固に固化、硬化させる水熱処理工程とを備える。

この製造方法によると、養生工程によってカルシウム含有スラッジは安定化し、すなわち石灰成分の吸水反応（水和反応）によりスラッジ中の遊離水分が低減し、スラッジ中の土とカルシウムイオンとの間にイオン交換反応が生じて土粒子が凝集化（団粒化）し、またスラッジ中に含まれるシリカとカルシウムとが反応（ポラゾン硬化反応）して硬化し、さらにスラッジ中の炭酸や大気中の炭酸ガスとカルシウムとが反応して固結化して、スラッジ脆性固化体が得られる。このスラッジ脆性固化体は、圧縮強度が０．０３〜０．５ＭＰａ程度のものであり、水熱反応によって強固に固化したものでないので、極めて容易に養生槽あるいは養生容器から取り出すことができ、その解砕も極めて容易である。しかも、解砕により種々の粒度を含む、ＲＣ材に適した粒度分布の解砕粒が得られる。この解砕粒は水熱処理工程により強固に固化、硬化した骨材に形成される。この際、解砕粒は予め所定の粒度に解砕されているので、水熱処理後の固化物を破砕する必要はなく、そのための頑丈な破砕機も不要である。もちろん、カルシウム含有スラッジを造粒、成形する必要はなく、そのための造粒機や成形機も不要である。

前記混合工程において使用するカルシウム供給材としては、セメントあるいはセメントを主剤とするセメント系固化材が好ましい。これらのカルシウム供給材は、スラッジ中の水分を取り込み、セメント水和物（３ＣａＯ・２ＳｉＯ₂ ・３Ｈ₂Ｏ ）として固化するため、安定化作用に優れるからである。

また、前記養生工程において、大気中に放置するだけでもよいが、積極的に加熱して２０〜８０℃程度の温度で保温して養生することが好ましい。これによって、安定化を促進して、スラッジ脆性固化体を形成するまでの時間を短縮することができ、生産性を向上させることができる。

また、前記解砕工程において、前記スラッジ脆性固化体の解砕に際しては、一対のロール間あるいはベルトとロール間を通すことによって解砕することが好ましい。これらの手法は簡単な装置によって実現することができ、ロール隙間、あるいはロールとベルトとの隙間を調整することで、その隙間より大きい固化体を選択的に解砕することができ、過粉砕を容易に防止することができ、ＲＣ材に要求される粒度分布を備えた解砕粒、引いては骨材を容易に得ることができる。

本発明の製造方法によれば、水熱処理により強固に固化、硬化した固化物を粉砕処理するのではなく、カルシウム供給材を添加混合したカルシウム含有スラッジを養生して安定化したスラッジ脆性固化体を解砕し、その解砕粒を水熱処理するため、カルシウム含有スラッジを造粒、成形する必要がなく、これに伴いスラッジの水分低減調整も不要であり、また強固に固化、硬化した水熱処理固化物を粉砕する必要もなく、高強度であり、しかも種々のサイズの粒度分布を備えた骨材を容易に得ることができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。図１は実施形態に係る人工骨材の製造方法の処理フローを示し、シリカを含む産業廃棄物スラッジは、混合工程Ｓ１、養生工程Ｓ２、解砕工程Ｓ３および水熱処理工程Ｓ４を経てＲＣ材として適した人工骨材に再生される。

前記混合工程Ｓ１は、建設汚泥、浚渫土砂、砕石プラント（砂利プラントを含む。）で発生する土石粉スラッジ、工場スラッジなどのシリカを含む産業廃棄物スラッジにカルシウム供給材を添加混合してカルシウム含有スラッジを得る工程である。通常、建設汚泥、浚渫土砂等は含水率が６０％（重量％、以下同様）程度以下であるが、本発明ではこの程度の含水率では水分を低減させる必要はなく、そのまま原料として用いることができる。なお、含水率が６０％を超えるような場合、適宜の沈殿槽にて固形分を沈殿させ、上澄み液を排水することによってスラッジ中の含水率を容易に６０％以下にすることができる。

前記カルシウム供給材としては、セメント、セメントを主剤とするセメント系固化材、生石灰（ＣａＯ）、消石灰（Ｃａ（ＯＨ）２）などのカルシウム化合物を用いることができる。これらの内では、セメントおよび生石灰、特にセメントが土質安定化作用に優れるため好ましい。セメント系固化材は、主剤のセメントのほか、例えば高分子凝集剤が補助成分として含まれていてもよい。

カルシウム供給材の添加量は、水熱処理に必要とされるカルシウムを供給すればよい。水熱処理は、トバモライト（５ＣａＯ・６ＳｉＯ₂ ・５Ｈ₂Ｏ ）などのカルシウムシリケート（ケイ酸カルシウム）を生成させることにある。トバモライトの結晶のＣａとＳｉの重量比（Ｃａ／Ｓｉ）は５／６であるため、トバモライトを主として生成させる場合、理論的にはカルシウム含有スラッジにおけるカルシウムとシリコンとの重量比（Ｃａ／Ｓｉ）が５／６以下となるようにカルシウム供給材を産業廃棄スラッジに添加すればよい。通常の操業では、前記カルシウム供給材は、混合物に対して５〜２０％程度となるように添加される。

前記養生工程は、前記カルシウム含有スラッジを養生槽に入れ、大気中で放置し、あるいは２０〜８０℃程度に加熱した保温室にて保温し、スラッジを安定化させてスラッジ脆性固化体を得る工程である。大気中で安定化するには数日を要するが、外気温より高い温度で、２０〜８０℃程度の水熱反応が生じない温度で加熱、保温することにより、安定化を促進することができ、安定化に要する時間を短縮することができる。２０〜８０℃に加熱する場合、温度が低いのでボイラの排熱や高温ドレン水を熱源として利用することができる。

前記スラッジ脆性固化体は、スランプ値が０cmの脆い塊であり、ショベルカーなどにより養生槽から簡単に取り出すことができる。スラッジ脆性固化体は、スランプ値が０cmであっても、ある程度の圧縮強度を有する方が後述の水熱処理により高強度化が容易であるので、スラッジ脆性固化体の圧縮強度が０．０３ＭＰａ以上、好ましくは０．１ＭＰａ以上になるように養生するのがよい。もっとも、スラッジ脆性固化体の圧縮強度が高くなり過ぎると、養生槽からの取り出しや、解砕が困難になるので、その上限は０．５ＭＰａ程度に止めることが好ましい。なお、スランプ値とは、上の内径が１０cm、下の内径が２０cm、高さが３０cmの鋼製中空コーンに混合直後のカルシウム含有スラッジを詰め、所定期間養生後にコーンを引き抜いて取り出したものの高さと最初の高さ（３０cm）との差をいう。

前記解砕工程は、安定化したスラッジ脆性固化体を不定形で、種々の粒度を有する解砕粒に解砕する工程である。前記スラッジ脆性固化体は強度も低く、脆いものであるため、簡単な設備によって容易に解砕することができる。解砕方法としては、ジョークラッシャやコーンクラッシャなどによる圧縮破砕、インパクトクラッシャやハンマークラッシャなどによる衝撃破砕、ロール同士，あるいはロールとベルトとの隙間を通すことによって破砕するロール破砕など適宜の破砕手法を採ることができる。もっとも、圧縮破砕では処理対象物の強度が低いため、圧縮時に突き固め現象（パッキング）が発生し易く、また衝撃破砕では処理対象物の全量が衝撃荷重を受け、過粉砕に成りやすいという問題がある。一方、ロール破砕ではこれらの問題がなく、簡単な設備によって実現することができる。また、ロール破砕ではロール隙間を調整することで、それより大きな塊を選択的に破砕することができるため、所期の粒度分布の解砕粒を容易に得ることができる利点がある。

前記ロール破砕を行うための解砕装置の３例について図を参照して簡単に説明する。
図２は掻き出しロータ型解砕装置であり、ベルトフィーダ１と、ベルト搬送面の上に設けられた掻き出しロータ２とを備えている。前記掻き出しロータ２は、ホッパ３と、前記ホッパ３の排出口に回転自在に付設された掻き出しロール４とによって構成されている。この装置では、ホッパ２の供給口（上部開）より供給されたスラッジ脆性固化体は、ホッパ３の排出口を通り、ベルト５と掻き出しロール４との隙間より適宜排出され、その際に前記隙間より大きな塊は破砕され、前記隙間の寸法以下の種々のサイズの解砕粒に解砕される。なお、掻き出しロールの外周面には、通常、径外方向に掻き出しフィン（図示省略）が突設される。以下の解砕装置においても、ロールの外周面に同様の掻き出しフィンを設けることができる。
図３はロールスクリーン型解砕装置であり、互いに鉛直下方に向けて回転する一対のロール１１，１２が複数組横方向に列設されたロールスクリーンを有している。ロールスクリーンの上にはホッパ１４が設けられ、ホッパ１４の供給口から投入されたスラッジ脆性固化体は、ロール１１，１２の隙間より大きな塊が解砕されつつ、前記隙間を通って下方に排出される。
図４はダブルロールクラッシャ型解砕装置であり、比較的大きな直径を有し、鉛直下方に向けて回転する一対のロール２１，２２を備え、このロール対の上にホッパ２３が付設されている。ホッパ２３の供給口より投入されたスラッジ脆性固化体は、ロール２１，２２の隙間より大きな塊が解砕されつつ、前記隙間を通って下方に排出される。

前記スラッジ脆性固化体は前記解砕工程により解砕粒に破砕された後、水熱処理工程Ｓ４にて個々の解砕粒が水熱反応にて強固に固化される。解砕粒は適宜の鋼製処理容器に入れて水熱処理されるが、この解砕粒は安定化処理されているため、水熱処理により解砕粒同士の結合はほとんど生じない。また、解砕粒と型枠ともほとんど付着しない。このため、水熱処理後、処理容器を反転することによって、処理容器からの処理済みの解砕粒を容易に取り出すことができる。また、容器内面には残滓がほとんど付着しないため、残滓の付着に伴う処理容器の清掃やメンテナンスもほとんど必要がない。

水熱処理は、通常、オートクレーブ中で養生することによって行われる。飽和蒸気圧下でのオートクレーブ養生により、造粒物中のＳｉＯ₂ とＣａＯ等のカルシウム化合物とが反応してカルシウムシリケート（ケイ酸カルシウム）が生成される。この結果、土粒子同士が強固に固着し、硬化した固化物が得られる。水熱処理では、カルシウムシリケートのうちでも、１３０〜３００℃程度の比較的低温で結晶が成長し、強度の高いトバモライトを生成させるように水熱処理条件を設定することが好ましい。かかる水熱処理条件としては、反応温度（オートクレーブ養生温度）が１３０〜３００℃程度、反応時間（養生時間）が１〜２４ｈｒ程度である。典型的な処理条件は温度１８０℃で５ｈｒ程度である。

このような製造工程によって製造された骨材は、水熱処理後の強固に固化、硬化した固化物を粉砕することなく、また粒度調整を行うことなく、ＲＣ材として適合する粒度分布を有し、８〜５０ＭＰａ程度の圧縮強度を有するものとなり、ＲＣ材として好適に利用することができる。勿論、その製造に際して、造粒装置や成形装置は必要ではなく、また水熱処理後の固化物を破砕するような頑丈な破砕装置も不要である。

産業廃棄物スラッジとして、含水率が３０〜５０％の建設汚泥（地下鉄トンネル工事現場から採取）を用い、またカルシウム供給材として生石灰およびセメントを用い、これらが表１に示す種々の割合となるように建設汚泥に添加混合してカルシウム含有スラッジを調製した。

このカルシウム含有スラッジを大気（平均気温２５℃）中で養生させた。養生期間によって養生中のカルシウム含有スラッジ（養生スラッジ）の安定化状態をスランプ値および圧縮強度を測定することによって評価した。評価結果を表１に示す。

表１より、原料（建設汚泥）の含水率が５０％と高い場合であっても、カルシウム供給材の添加量が１０％程度で、混合後２日間養生することによってスランプ値が０cmのスラッジ脆性固化体となり、圧縮強度は生石灰を用いたものでは０．０３ＭＰａとやや低いものの、セメントを用いたものでは０．１ＭＰａが得られた。

２日間養生して得られたスラッジ脆性固化体をベルトフィーダに掻き出しロータを設けた簡易な解砕装置を用いてベルトとロールとの隙間を調製して解砕した。

解砕によって得られた解砕粒を鋼製の処理容器に入れてオートクレーブにて水熱処理を行った。処理条件は１８０℃、保持時間５ｈｒとした。水熱処理後、オートクレーブから処理容器を取り出して、解砕粒の状態を観察したところ、解砕粒同士の付着はほとんどなく、また解砕粒と容器内面との付着もほとんどなく、処理容器を反転することによって処理容器から水熱処理後の解砕粒を容易に取り出すことができた。この解砕粒の圧縮強度を測定したところ、８〜５０ＭＰａ程度であり、強固に固化、硬化された骨材となっていることが確認された。

さらに、前記骨材の粒度分布を測定した。その結果を図５に示す。図５には、ＲＣ４０材の粒度分布の許容範囲（斜線領域）も併せて示した。図５より、本発明方法によって製造された骨材は、ＲＣ４０材の粒度範囲に入っていることが確認された。

本発明は、建設汚泥，浚渫土砂，砕石プラント（砂利プラントを含む。）で発生する土石粉スラッジなどのシリカを含有する産業廃棄物スラッジを原料とし、その有効利用を図る人工骨材の製造方法に適用される。本発明によって製造された人工骨材は、道路用路盤材、土木構造物の裏込め材や基礎材などの土木資材として好適に利用される。

本発明の実施形態に係る人工骨材の製造工程を示すフロー図である。 スラッジ脆性固化体の解砕に適した掻き出しロータ型解砕装置の断面模式図である。 スラッジ脆性固化体の解砕に適したロールスクリーン型解砕装置の断面模式図である。 スラッジ脆性固化体の解砕に適したダブルロールクラッシャ型解砕装置の断面模式図である。 実施例にかかる人工骨材の粒度分布を示すグラフ図である。

符号の説明

Ｓ１ 混合工程
Ｓ２ 養生工程
Ｓ３ 解砕工程
Ｓ４ 水熱処理工程

Claims (6)

1. シリカを含有する産業廃棄物スラッジにカルシウム供給材を添加混合してカルシウム含有スラッジを得る混合工程と、
   前記カルシウム含有スラッジを養生して安定化し、スラッジ脆性固化体を得る養生工程と、
   前記スラッジ脆性固化体を解砕して解砕粒を得る解砕工程と、
   前記解砕粒を水熱処理して強固に固化する水熱処理工程とを有する、人工骨材の製造方法。
2. カルシウム供給材として、セメントあるいはセメントを主剤とするセメント系固化材を用いる、請求項１に記載した製造方法。
3. 前記養生工程において、０．０３〜０．５ＭＰａの圧縮強度を有するスラッジ脆性固化体を得る、請求項１または２に記載した製造方法。
4. 前記養生工程において、２０〜８０℃の温度で保温して養生する、請求項１から３のいずれか１項に記載した製造方法。
5. 前記解砕工程において、前記スラッジ固化体を一対のロール間あるいはベルトとロール間を通すことによって解砕する、請求項１から４のいずれか１項に記載した製造方法。
6. 請求項１から５のいずれか１項に記載した人工骨材の製造方法によって製造された人工骨材。
   

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