JP4166702B2 - 変性硫黄含有結合材の製造法及び変性硫黄含有材料の製造法 - Google Patents
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Description
しかし、硫黄単独の結合材では、得られる成形物の外表面が硫黄であるために着火性を有し、更には、機械的強度及び耐硫黄酸化細菌性にも劣るなどの多くの問題があり、その利用は必ずしも拡大していない。
そこで、このような問題を改良するために多くの添加用化合物が検討されている。添加用化合物としてのジシクロペンタジエンは、安価で経済牲に優れると共に、New Uses of Sulfur−II,1978,p68〜77に示されるように機械的強度において良好な作用を示すことが知られている。また、ビニルトルエン、ジペンテン、その他オレフィンオリゴマーを添加し硫黄の性状を改良して、舗装材、接着剤、シール材に用いる例(特公平2-25929号公報、特公平2-28529号公報)も知られている。アスファルト及び硫黄を混合使用する舗装材は実用化されている。
これまで硫黄は、結合材としての用途が知られており、各種の骨材と混合して成形物を製造し、土木建設資材として使用されている。しかし、硫黄単独の結合材を用いた成形物は、物性上の多くの課題があり使用方法が限定されている。
硫黄は、引火点207℃、自然発火温度245℃であるため着火性があり、表面に露出した硫黄は燃え易く、燃焼性に問題がある。また、硫黄は安定な固体状態において欠陥が無ければ高強度を示すが、液体状態から冷却固化する場合、斜方晶系、単斜晶系、不定形硫黄の3種が混在し、冷却条件によりそれらの比率が変わると共に、経過時間により変化していくために実際には欠陥が生じ易く脆いという問題がある。
硫黄が固体状態で最も安定なのは斜方晶系硫黄であり、斜方晶系硫黄は3種の中で最も密度が高いために時間と共に隙間ができ機械的強度が低下し、極端な場合は割れが生じる。またその隙間に水が染み込み、内部の封鎖物を溶解するため有害物の封鎖性が低下し、更に、土壌中又は水中に存在する硫黄酸化細菌が入り込みその表面を腐食させる問題が生じる。
また、冷却固化した前記結合材を、骨材と混合するために再加熱すると、再びジシクロペンタジエンとの重合反応が開始し硬化が進行する。この場合の結合材の適切な性状及び骨材と混合するための製造条件についても従来確立されていない。
更に、ジシクロペンタジエンにより改良した結合材を一般及び産業廃棄物封鎖用結合材として使用することは従来知られておらず、その製造条件も確立されてはいない。通常、一般及び産業廃棄物は埋め立てる方法又は焼却する方法で処分されるが、そのための処分場所は益々少なくなってきており、その再利用が極力求められている。例えば、鉄鋼スラグ、石炭灰、焼却灰等の廃棄物の場合、その成形物を土木埋立材、建設資材等に利用するには、圧縮強度、曲げ強度、引張り強度及び耐衝撃性等の機械的強度が必要である。また、産業廃棄物中に含まれる重金属化合物の溶出を防ぐための遮水性、裸火で着火しない難燃性、土中及び海中で表面硫黄を腐食する硫黄酸化細菌に対する耐久性も必要とされる。特に、焼却灰は、その中に重金属及びダイオキシン等の有害物質が含まれており、埋立に使用する場合には、その溶出を抑制する必要がある。鉄鋼業から排出される鉄鋼スラグは、舗装材用骨材及び土木材料に使用されるが、水に濡れるとポリ硫化物による黄濁水が発生し、環境に悪影響を与える。従って、これらの産業廃棄物を、土木建設資材として利用しうる上記各要求を満たし、循環使用を可能にした結合材が求められている。
本発明の別の目的は、一般及び産業廃棄物を原料骨材として用いた場合であっても、機械的強度、遮水性、耐着火性、耐硫黄酸化細菌性が良好で、土木・建設資材としての要求性能を十分充たす変性硫黄含有材料を、簡便な制御により得ることができる製造法を提供することにある。
また本発明によれば、前記工程(A)と、前記工程(B)と、工程(B)により得られた変性硫黄含有結合材及び骨材を重量比で1〜5:5〜9の割合で135〜155℃の温度下、該変性硫黄含有結合材の140℃における粘度を0.05〜1.2Pa・sの範囲内に維持しながら溶融混合する工程(C)と、工程(C)の溶融混合物を135℃以下に冷却する工程(D)とを含む変性硫黄含有材料の製造法が提供される。
更に本発明によれば、硫黄、ジシクロペンタジエン及び骨材を135〜155℃で0.02〜5時間、密閉状態で溶融混合する工程(X)と、工程(X)の溶融混合物を135℃以下に冷却する工程(Y)とを含み、工程(X)において、ジシクロペンタジエンの仕込み割合が、硫黄100重量部に対して0.1重量部以上、2重量部未満であり、骨材の仕込み割合が、硫黄及びジシクロペンタジエンの合計量と骨材量との重量比が1〜5:5〜9となる量である、変性硫黄含有材料の製造法が提供される。
本発明の製造法に用いる硫黄は、通常の硫黄単体であり、例えば、天然硫黄、石油又は天然ガスの脱硫によって生成した硫黄が使用できる。
工程(A)において、ジシクロペンタジエンの使用割合は、硫黄100重量部に対して、0.1重量部以上、2重量部未満、好ましくは1重量部以上、2重量部未満である。得られる結合材及び該結合材を使用し、骨材と混合する後述の変性硫黄含有材料の難燃性、遮水性、耐硫黄酸化細菌性等の性質は、ジシクロペンタジエンの使用量に関係し、通常は使用量が多いほど各性能が改善される。しかし、ジシクロペンタジエンの使用量は、硫黄100重量部に対して約2重量部で前記改善効果が飽和し、それ以上使用しても改善が少ない。
溶融混合による反応終了の時期は、溶融物の粘度により決定できる。該粘度は、140℃において0.05〜1.2Pa・sの範囲となる粘度であるが、得られる結合材から製造される成形物の強度、及び製造工程の作業性の観点から0.08〜0.5Pa・sが最適粘度である。該粘度が0.05Pa・s未満では、得られる結合材を利用した土木建設資材の強度が低くなり、ジシクロペンタジエンによる変性効果が不十分となる。粘度が高くなるに従い変性が進行し、得られる結合材の強度も高くなるが、1.2Pa・sを超えると撹拌・混合が困難となり、作業性が著しく悪化すると共に変性効果が飽和する。
焼却灰は、都市ごみ焼却炉又は産業廃棄物焼却炉等の各種燃焼炉から排出され、主成分が、シリカ、アルミナ、酸化カルシウム、酸化鉄等の酸化物であり、鉛、カドミウム、砒素等の有害金属の含有量も多い。該焼却灰は、汚水を出さない最終処分場で埋め立て処理されているが、本発明では該焼却灰も骨材として使用できる。
石炭灰は、発電用、加熱用等の各種石炭焚燃焼炉から排出され、コンクリート又は土木資材混合材として利用されている石炭灰が使用できる。
混合時間は、硫黄とジシクロペンタジエンとの重合による高粘度化及び硬化を避けるために製造物の性状が許す範囲で極力短時間が望ましい。但し、混合時間が短かすぎると結合材と骨材とが十分混合されず、得られる材料が連続相とならず隙間が開いたり、表面が滑らかにならない。混合が十分であれば材料は完全な連続相となり表面も滑らかであるので、混合は得られる材料の性能を考慮して適宜決定する必要がある。
前記造粒装置は特に限定されず、例えば、ドラム又は傾斜サラを具備した転動型形式装置、水平板又は傾斜板を具備した振動型形式装置が使用できる。
圧縮強度:φ5×10cmの円筒検体を作製し、作成後7日目に30トン加圧テンシロン圧縮強度測定器を用いて測定した。破砕までに検体が縮んだ率を歪み率とした。
吸水率:φ5×10cmの円筒検体を作製し、常温の水中に一定時間浸積後、取り出して表面の水分を拭き取る。その後、重量変化を計測し重量増加分を水分量として計算した。
耐硫黄酸化細菌性:NH4Cl 2.0g、KH2PO4 4.0g、MgCl2・6H2O 0.3g、CaCl2・2H2O 0.3g、FeCl2・4H2O 0.01g及びイオン交換水 1.0Lからなる溶液を塩酸でpH3.0に調整した培養液100mlと2cm×2cm×4cmの角柱検体とを、500mlバッフル付きフラスコに入れ、種菌(硫黄酸化細菌:Thiobacillus thiooxidans IFO 12544)を植菌後、28℃恒温室内で回転振とう培養(170rpm)し、植菌後からのpH変化及び試料状態を調べた。この際、pHの低下は、硫黄酸化細菌により硫黄が資化され硫酸イオンが生成したことを意味する。
難燃性:消防法における可燃性固体(危険物第2類)評価のための着火性試験に準拠して評価した。3秒以内に着火し、かつ10秒以上燃焼を継続する第1種可燃性固体並びに3秒を超えて10秒以内に着火し、かつ燃焼を継続する第2種可燃性固体に相当するものを「着火性あり」、10秒を超えて着火するもの及び燃焼を継続しないものを「危険性なし」とした。
密閉式撹拌混合槽の中に固体硫黄995gを入れ、120℃で溶解後130℃に保持した。その時の粘度をB型粘度計で測定したところ0.002Pa・sであった。続いて、約50℃に加熱溶解したジシクロペンタジエン5gをゆっくりと添加し、約5分間静かに撹拌して温度上昇のないことを確認してから140℃まで昇温した。反応が開始され、次第に粘度が上昇し、約5時間で粘度が0.1Pa・sに達したところで直ちに加熱を停止し、適当な型又は容器に流し込んで室温で冷却し結合材Aを得た。
次いで、140℃で予熱した、高炉スラグ670g及び石炭灰130gからなる骨材と、前記結合材A 200gを130℃に再加熱して溶解した溶解物とを140℃に保持した混練機内にほぼ同時に投入した。続いて20分間混練し、直径5cm、高さ10cmの円柱型に流し込んで冷却し検体を作製した。この検体を成形物Aとする。
硫黄の量を990g、ジシクロペンタジエンの量を10gとした以外は全て実施例1と同様に操作して結合材A及び成形物Aに対応する結合材B及び成形物Bを調製した。
硫黄の量を981g、ジシクロペンタジエンの量を19gとした以外は全て実施例1と同様に操作して結合材A及び成形物Aに対応する結合材C及び成形物Cを調製した。
硫黄の量を1000gとし、ジシクロペンタジエンを使用しなかった以外は全て実施例1と同様に操作してジシクロペンタジエンを含まない結合材D及び成形物Dを調製した。
120℃に加熱して溶解した硫黄199gと、約50℃に加熱溶解したジシクロペンタジエン1gと、140℃で予熱しておいた、高炉スラグ670g及び石炭灰130gからなる骨材とを140℃に保持した密閉式撹拌混練機内にほぼ同時に投入した。そのまま約5分間混練後、150℃まで温度上昇し150℃に達してから引き続き60分間混練した。得られた混練物を直径5.0cm、高さ10cmの円柱型に流し込んで冷却し、検体としての成形物Eを調製した。製造までに要した時間は65分間であった。
硫黄の量を198g、ジシクロペンタジエンの量を2gとした以外は全て実施例4と同様に操作して成形物Eに対応する成形物Fを調製した。製造までに要した時間は65分間であった。
硫黄の量を197g、ジシクロペンタジエンの量を3gとした以外は全て実施例4と同様に操作して成形物Eに対応する成形物Gを調製した。製造までに要した時間は65分間であった。
Claims (4)
- 硫黄100重量部とジシクロペンタジエン0.1重量部以上、2重量部未満とを135〜155℃で密閉状態において溶融混合する工程(A)と、工程(A)で得られる溶融物の140℃における粘度が0.05〜1.2Pa・sになった後に135℃以下に冷却し変性硫黄含有結合材を得る工程(B)とを含む変性硫黄含有結合材の製造法。
- 硫黄100重量部とジシクロペンタジエン0.1重量部以上、2重量部未満とを135〜155℃で密閉状態において溶融混合する工程(A)と、工程(A)で得られる溶融物の140℃における粘度が0.05〜1.2Pa・sになった後に135℃以下に冷却し変性硫黄含有結合材を得る工程(B)と、工程(B)により得られた変性硫黄含有結合材及び骨材を重量比で1〜5:5〜9の割合で135〜155℃の温度下、該変性硫黄含有結合材の140℃における粘度を0.05〜1.2Pa・sの範囲内に維持しながら溶融混合する工程(C)と、工程(C)の溶融混合物を135℃以下に冷却する工程(D)とを含む変性硫黄含有材料の製造法。
- 硫黄、ジシクロペンタジエン及び骨材を135〜155℃で0.02〜5時間、密閉状態で溶融混合する工程(X)と、工程(X)の溶融混合物を135℃以下に冷却する工程(Y)を含み、工程 (X) において、ジシクロペンタジエンの仕込み割合が、硫黄 100 重量部に対して 0.1 重量部以上、 2 重量部未満であり、骨材の仕込み割合が、硫黄及びジシクロペンタジエンの合計量と骨材量との重量比が 1 〜 5 : 5 〜 9 となる量である、変性硫黄含有材料の製造法。
- 工程(X)が、硫黄とジシクロペンタジエンとを密閉状態で溶融混合する工程(X1)と、工程(X1)の溶融混合物に骨材を混合して135〜155℃で0.02〜5時間溶融混合する工程(X2)とからなる請求の範囲3記載の製造法。
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