JP4225737B2 - 人工骨材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメントモルタルに対する親和性に優れた人工骨材とその製造方法に関する。より詳しくは、セメントモルタルに対して優れた親和性を有することによってコンクリートの特性向上に寄与する高品質の人工骨材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セメントの骨材について、天然骨材の枯渇問題を背景に、従来、人工骨材について数多くの研究がなされており、種々の特性を有した人工骨材が市場に出回っている。これらの人工骨材は製法によって焼成タイプと非焼成タイプに大別される。このうち前者はロータリーキルンなどの焼成炉を用いて骨材原料を発泡または焼結させたものが知られている。また、後者は骨材原料をセメント等で固化したもの、あるいは固化物を蒸気養生などによりさらに高強度化したものなどが知られている。これらの人工骨材の品質（絶乾密度、吸水率、圧壊強度など）は使用原料や製法によって様々であり、その特性に応じて使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の人工骨材に共通な問題として、強度特性や凍結融解特性などのコンクリート特性が天然骨材を使用した場合に比較して低く、天然骨材と同等のレベルを確保するのが難いと云う問題がある。これは人工骨材の圧壊荷重が天然骨材よりも低く、吸水率が高いことによるものと従来考えられており、種々の改善策が検討されているが、有効な解決策は見出されていないのが現状である。
【０００４】
本発明は、焼成型の人工骨材における従来の上記問題を解決したものであり、コンクリートの強度特性や凍結融解特性などが天然骨材を使用したコンクリートと遜色のない、あるいはそれ以上の高特性を具現化することのできる人工骨材とその製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、焼成した人工骨材であって、骨材表面にセメントの固着層が形成されていることを特徴とする人工骨材に関する。この人工骨材は具体的には、セメントの固着層が、骨材表面側の中間相と外側のセメント相、あるいは中間相と外側のセメント水和相からなる人工骨材である。
【０００６】
本発明は、人工骨材の焼成下で、骨材表面にセメントを吹き付けてセメントの固着層を形成することを特徴とする人工骨材の製造方法に関する。この製造方法は具体的には、人工骨材の融着温度下で、攪拌下の人工骨材表面にセメントを吹き付けてセメント固着層を形成する製造方法である。なお、本発明においてセメントとは、その半製品であるセメントクリンカ粉末を含むものであり、本発明の製造方法はセメントに代えてセメントクリンカー粉末を人工骨材の融着温度下で吹き付ける方法を含む。
【０００７】
人工骨材を配合したコンクリートについて、その強度特性や凍結融解特性などが天然骨材を使用した場合よりも劣るのは、人工骨材自体の吸水率や圧壊荷重などの特性に依存するところも大きいが、セメントモルタルに対する骨材の親和性も大きく影響することが本発明において見い出された。この知見に基づき、本発明は骨材表面にセメントの固着層を形成することによってセメントモルタルに対する骨材の親和性を高め、コンクリートの強度特性や凍結融解特性を高めたものである。
【０００８】
骨材表面のコンクリート固着層は、人工骨材の焼成下、好ましくは骨材の融着温度下でセメントを骨材表面に吹き付けることによって形成することができる。骨材を入れた焼成炉内が融着温度に達すると骨材の表面が溶け始めるが、ここにセメントを吹き付けると、溶融した骨材表面で骨材の構成鉱物とセメント鉱物とが混じりあったガラス質の中間相が形成され、その外側にセメント粉からなる被覆相（セメント相）が存在する。これが冷却すると、セメント相が上記中間相を介して骨材表面に固着した状態になる。本発明のセメント固着層とは、例えばこのような骨材表面側の中間相および外側のセメント相からなるものを云う。
【０００９】
また、一般に人工骨材は自然吸水させて出荷する場合が多い。骨材の使用時には、骨材をセメントや水と練り混ぜた状態でポンプ圧送を行うが、骨材の吸水性によってコンクリートスラリーの水分が吸収され、練り混ぜ水分量が相対的に減少して流動性を低下させるため、予め骨材に吸水させることが一般的である。この場合、セメント固着層のセメント相はセメント水和相になる。本発明においてセメント固着層とは以上のように外側のセメント相がセメント水和相に改質したものを含む。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の人工骨材は回転窯などによって焼成した人工骨材であり、その骨材表面にセメント固着層が形成されたものである。このセメント固着層は、先に述べたように、骨材側の骨材成分とセメント成分が混じり合った反応中間相によってその外側のセメント相が骨材表面に強固に結合したものである。表面のセメント相はセメント水和物でもよい。
【００１１】
骨材表面に中間相を介して固着されたセメント相あるいはセメント水和相はセメントモルタルに対する親和性に優れており、骨材表面のセメント相はコンクリート中でセメント水和相を形成し、コンクリートのセメント水和相と一体に結合する。これによって強度特性や凍結融解特性などのコンクリート特性が天然骨材を使用した場合と同等あるいはそれ以上に向上する。
【００１２】
骨材表面のセメント固着層は、骨材焼成時において、攪拌下、骨材の融着温度下で骨材にセメントを吹き付けることによって形成することができる。ここで骨材の融着温度とは、骨材の表面が溶け始め、骨材が形状を保持できる程度に溶融する温度範囲を云う。骨材の構成成分によって溶融温度は異なる。因みに、石炭灰を主原料とした人工骨材の融着温度は概ね１２００℃〜１３００℃である。真珠岩を主原料とした人工骨材の融着温度は概ね１３００℃〜１３５０℃、頁岩を主原料としたものは概ね１１５０℃〜１２５０℃である。骨材の焼成時にセメントを吹き込んでも、焼成温度が骨材の融着温度より低いと、骨材表面が溶融しないので上記溶融中間相が形成されず、骨材表面に強固に結合したセメント固着層が得られない。
【００１３】
なお、融着温度下で骨材表面が溶融し始めるので個々の骨材が相互に接着しやすくなる。これを防止するため焼成炉内の骨材を攪拌した状態にするのが好ましい。例えば回転焼成炉を用いると良い。また、炉内を融着温度以上に加熱すると骨材の形状が崩れるので、炉内を融着温度範囲に制御する。
【００１４】
骨材に吹き付けるセメントの量は、骨材、焼成条件あるいはコンクリートの特性によっても異なるが、概ね１〜１０wt％程度である。また使用するセメントは普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱セメント、アルミナセメントなど通常のセメントを用いることができる。なお、セメントモルタルとの親和性を高めるためには、コンクリートに使用するセメントと同種のセメントが好ましい。
【００１５】
骨材にセメントを吹き付ける方法は、例えばバーナ側の窯前に設けた窓等を通じて吹込管を装入し、融着温度下の骨材にセメントがかかるように吹込管を通じて圧縮空気によって吹き込めば良い。なお、骨材の焼成に回転窯を使用すれば、骨材表面に均一にセメント固着層を形成するうえで有利である。火格子焼成のように被焼成物が静置された状態で焼成される方法では、炉内にセメントを吹き込んでも骨材表面に均一なセメント固着層を形成することが困難である。また、融着温度下で骨材の表面が溶け出した状態でセメントを吹き付けるのが好ましい。加熱前に予め骨材にセメントを吹き付けておいたものや、昇温途中でセメントを吹き付けたものは目的のセメント固着層が形成されない。
【００１６】
骨材表面にセメント固着層を形成した本発明の人工骨材はこの状態で使用してもよく、あるいは焼成後の人工骨材に水を散布し、セメント固着層のセメント相をセメント水和相に転換させて使用してもよい。この選択は人工骨材の出荷形態などに合わせて行えばよい。
【００１７】
本発明の人工骨材は、従来知られている原料や方法によって製造された人工骨材は勿論のこと、資源の有効利用の観点から選択される石炭灰、下水汚泥、各種焼却灰、廃ガラスなどを原料として製造された人工骨材など様々なタイプの人工骨材について広く用いることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に示す。
〔実施例１〜３〕
天然鉱物である真珠岩の粉砕物を主原料（95wt％）にし、成形助剤としてベントナイト（4.8wt％）と発泡剤（SiC：0.2wt％）を加えて混合し、この混合粉末をパンペレタイザーによって粒径５〜２０mmの球状ペレットに造粒し、これをロータリーキルン(φ1.2m×20m)で焼成して人工骨材を得た。この焼成時に、原料ペレットの融着温度下で、普通ポルトランドセメントまたは早強ポルトランドセメントを炉内に吹き込み、骨材表面にセメント固着層を有する人工骨材を製造した（実施例１、２）。また実施例１の人工骨材に水を散布して固着層のセメント相をセメント水和物にした人工骨材を得た（実施例３）。これを表１に示した。一方、セメントを吹き付けないものを比較例１として示した。
【００１９】
〔実施例４、５〕
石炭火力発電所から排出された石炭灰と普通ポルトランドセメントとを混合し（石炭灰：90wt％、普通ポルトランドセメント：10wt％）、この混合粉末をパンペレタイザーによって粒径５〜２０mmの球状ペレットに造粒し、これをロータリーキルン(φ3.6m×66m)で焼成して人工骨材を得た。この焼成時に、原料ペレットの融着温度下で、普通ポルトランドセメントを炉内に吹き込み、骨材表面にセメント固着層を有する人工骨材を製造した（実施例４）。さらに実施例３と同様の方法によって骨材表面の固着層のセメント相をセメント水和物にした人工骨材を得た（実施例５）。これを表１に示した。一方、セメントを吹き付けないものを比較例２として示した。
【００２０】
〔実施例６、７〕
天然岩石の頁岩を破砕し、篩い分け機によって粒径５〜２０mmに粒度調整した後にロータリーキルン(φ3.6m×66m)で焼成して人工骨材を得た。この焼成時に、原料ペレットの融着温度下で、普通ポルトランドセメントを炉内に吹き込み、骨材表面にセメント固着層を有する人工骨材を製造した（実施例６）。さらに実施例３と同様の方法によって骨材表面の固着層のセメント相をセメント水和物にした人工骨材を得た（実施例７）。これを表１に示した。一方、セメントを吹き付けないものを比較例３として示した。
【００２１】
表１に示す各骨材を用い、表２の配合比に従ってコンクリートを調製した。このコンクリートについてフレッシュ性状、圧縮強度試験を行った。この結果を表３に示す。なお、参考例として普通骨材（珪石粉末）を用いた結果を表３に併記した。表３の結果に示すように、骨材表面にセメント固着層を形成した本発明の人工骨材を用いたコンクリートは、セメント固着層のない従来の人工骨材（比較例１〜３）を用いたコンクリートに比べて同等のフレッシュ性状を有し、しかも圧縮強度および凍結融解抵抗性は大幅に向上している。さらに、本発明の人工骨材を用いたものは、普通骨材を用いたコンクリートに比較した場合でも圧縮強度が１０％以上向上しており、凍結融解抵抗性において同等以上の性能を有している。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の人工骨材によれば、コンクリートの強度特性や凍結融解特性などが天然骨材を使用したコンクリートと遜色のない、あるいはそれ以上の高特性を具現化することができる。
【００２３】
【表１】
【００２４】
【表２】
【００２５】
【表３】
【発明の属する技術分野】
本発明は、セメントモルタルに対する親和性に優れた人工骨材とその製造方法に関する。より詳しくは、セメントモルタルに対して優れた親和性を有することによってコンクリートの特性向上に寄与する高品質の人工骨材とその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
セメントの骨材について、天然骨材の枯渇問題を背景に、従来、人工骨材について数多くの研究がなされており、種々の特性を有した人工骨材が市場に出回っている。これらの人工骨材は製法によって焼成タイプと非焼成タイプに大別される。このうち前者はロータリーキルンなどの焼成炉を用いて骨材原料を発泡または焼結させたものが知られている。また、後者は骨材原料をセメント等で固化したもの、あるいは固化物を蒸気養生などによりさらに高強度化したものなどが知られている。これらの人工骨材の品質（絶乾密度、吸水率、圧壊強度など）は使用原料や製法によって様々であり、その特性に応じて使用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
従来の人工骨材に共通な問題として、強度特性や凍結融解特性などのコンクリート特性が天然骨材を使用した場合に比較して低く、天然骨材と同等のレベルを確保するのが難いと云う問題がある。これは人工骨材の圧壊荷重が天然骨材よりも低く、吸水率が高いことによるものと従来考えられており、種々の改善策が検討されているが、有効な解決策は見出されていないのが現状である。
【０００４】
本発明は、焼成型の人工骨材における従来の上記問題を解決したものであり、コンクリートの強度特性や凍結融解特性などが天然骨材を使用したコンクリートと遜色のない、あるいはそれ以上の高特性を具現化することのできる人工骨材とその製造方法を提供するものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、焼成した人工骨材であって、骨材表面にセメントの固着層が形成されていることを特徴とする人工骨材に関する。この人工骨材は具体的には、セメントの固着層が、骨材表面側の中間相と外側のセメント相、あるいは中間相と外側のセメント水和相からなる人工骨材である。
【０００６】
本発明は、人工骨材の焼成下で、骨材表面にセメントを吹き付けてセメントの固着層を形成することを特徴とする人工骨材の製造方法に関する。この製造方法は具体的には、人工骨材の融着温度下で、攪拌下の人工骨材表面にセメントを吹き付けてセメント固着層を形成する製造方法である。なお、本発明においてセメントとは、その半製品であるセメントクリンカ粉末を含むものであり、本発明の製造方法はセメントに代えてセメントクリンカー粉末を人工骨材の融着温度下で吹き付ける方法を含む。
【０００７】
人工骨材を配合したコンクリートについて、その強度特性や凍結融解特性などが天然骨材を使用した場合よりも劣るのは、人工骨材自体の吸水率や圧壊荷重などの特性に依存するところも大きいが、セメントモルタルに対する骨材の親和性も大きく影響することが本発明において見い出された。この知見に基づき、本発明は骨材表面にセメントの固着層を形成することによってセメントモルタルに対する骨材の親和性を高め、コンクリートの強度特性や凍結融解特性を高めたものである。
【０００８】
骨材表面のコンクリート固着層は、人工骨材の焼成下、好ましくは骨材の融着温度下でセメントを骨材表面に吹き付けることによって形成することができる。骨材を入れた焼成炉内が融着温度に達すると骨材の表面が溶け始めるが、ここにセメントを吹き付けると、溶融した骨材表面で骨材の構成鉱物とセメント鉱物とが混じりあったガラス質の中間相が形成され、その外側にセメント粉からなる被覆相（セメント相）が存在する。これが冷却すると、セメント相が上記中間相を介して骨材表面に固着した状態になる。本発明のセメント固着層とは、例えばこのような骨材表面側の中間相および外側のセメント相からなるものを云う。
【０００９】
また、一般に人工骨材は自然吸水させて出荷する場合が多い。骨材の使用時には、骨材をセメントや水と練り混ぜた状態でポンプ圧送を行うが、骨材の吸水性によってコンクリートスラリーの水分が吸収され、練り混ぜ水分量が相対的に減少して流動性を低下させるため、予め骨材に吸水させることが一般的である。この場合、セメント固着層のセメント相はセメント水和相になる。本発明においてセメント固着層とは以上のように外側のセメント相がセメント水和相に改質したものを含む。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の人工骨材は回転窯などによって焼成した人工骨材であり、その骨材表面にセメント固着層が形成されたものである。このセメント固着層は、先に述べたように、骨材側の骨材成分とセメント成分が混じり合った反応中間相によってその外側のセメント相が骨材表面に強固に結合したものである。表面のセメント相はセメント水和物でもよい。
【００１１】
骨材表面に中間相を介して固着されたセメント相あるいはセメント水和相はセメントモルタルに対する親和性に優れており、骨材表面のセメント相はコンクリート中でセメント水和相を形成し、コンクリートのセメント水和相と一体に結合する。これによって強度特性や凍結融解特性などのコンクリート特性が天然骨材を使用した場合と同等あるいはそれ以上に向上する。
【００１２】
骨材表面のセメント固着層は、骨材焼成時において、攪拌下、骨材の融着温度下で骨材にセメントを吹き付けることによって形成することができる。ここで骨材の融着温度とは、骨材の表面が溶け始め、骨材が形状を保持できる程度に溶融する温度範囲を云う。骨材の構成成分によって溶融温度は異なる。因みに、石炭灰を主原料とした人工骨材の融着温度は概ね１２００℃〜１３００℃である。真珠岩を主原料とした人工骨材の融着温度は概ね１３００℃〜１３５０℃、頁岩を主原料としたものは概ね１１５０℃〜１２５０℃である。骨材の焼成時にセメントを吹き込んでも、焼成温度が骨材の融着温度より低いと、骨材表面が溶融しないので上記溶融中間相が形成されず、骨材表面に強固に結合したセメント固着層が得られない。
【００１３】
なお、融着温度下で骨材表面が溶融し始めるので個々の骨材が相互に接着しやすくなる。これを防止するため焼成炉内の骨材を攪拌した状態にするのが好ましい。例えば回転焼成炉を用いると良い。また、炉内を融着温度以上に加熱すると骨材の形状が崩れるので、炉内を融着温度範囲に制御する。
【００１４】
骨材に吹き付けるセメントの量は、骨材、焼成条件あるいはコンクリートの特性によっても異なるが、概ね１〜１０wt％程度である。また使用するセメントは普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱セメント、アルミナセメントなど通常のセメントを用いることができる。なお、セメントモルタルとの親和性を高めるためには、コンクリートに使用するセメントと同種のセメントが好ましい。
【００１５】
骨材にセメントを吹き付ける方法は、例えばバーナ側の窯前に設けた窓等を通じて吹込管を装入し、融着温度下の骨材にセメントがかかるように吹込管を通じて圧縮空気によって吹き込めば良い。なお、骨材の焼成に回転窯を使用すれば、骨材表面に均一にセメント固着層を形成するうえで有利である。火格子焼成のように被焼成物が静置された状態で焼成される方法では、炉内にセメントを吹き込んでも骨材表面に均一なセメント固着層を形成することが困難である。また、融着温度下で骨材の表面が溶け出した状態でセメントを吹き付けるのが好ましい。加熱前に予め骨材にセメントを吹き付けておいたものや、昇温途中でセメントを吹き付けたものは目的のセメント固着層が形成されない。
【００１６】
骨材表面にセメント固着層を形成した本発明の人工骨材はこの状態で使用してもよく、あるいは焼成後の人工骨材に水を散布し、セメント固着層のセメント相をセメント水和相に転換させて使用してもよい。この選択は人工骨材の出荷形態などに合わせて行えばよい。
【００１７】
本発明の人工骨材は、従来知られている原料や方法によって製造された人工骨材は勿論のこと、資源の有効利用の観点から選択される石炭灰、下水汚泥、各種焼却灰、廃ガラスなどを原料として製造された人工骨材など様々なタイプの人工骨材について広く用いることができる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に示す。
〔実施例１〜３〕
天然鉱物である真珠岩の粉砕物を主原料（95wt％）にし、成形助剤としてベントナイト（4.8wt％）と発泡剤（SiC：0.2wt％）を加えて混合し、この混合粉末をパンペレタイザーによって粒径５〜２０mmの球状ペレットに造粒し、これをロータリーキルン(φ1.2m×20m)で焼成して人工骨材を得た。この焼成時に、原料ペレットの融着温度下で、普通ポルトランドセメントまたは早強ポルトランドセメントを炉内に吹き込み、骨材表面にセメント固着層を有する人工骨材を製造した（実施例１、２）。また実施例１の人工骨材に水を散布して固着層のセメント相をセメント水和物にした人工骨材を得た（実施例３）。これを表１に示した。一方、セメントを吹き付けないものを比較例１として示した。
【００１９】
〔実施例４、５〕
石炭火力発電所から排出された石炭灰と普通ポルトランドセメントとを混合し（石炭灰：90wt％、普通ポルトランドセメント：10wt％）、この混合粉末をパンペレタイザーによって粒径５〜２０mmの球状ペレットに造粒し、これをロータリーキルン(φ3.6m×66m)で焼成して人工骨材を得た。この焼成時に、原料ペレットの融着温度下で、普通ポルトランドセメントを炉内に吹き込み、骨材表面にセメント固着層を有する人工骨材を製造した（実施例４）。さらに実施例３と同様の方法によって骨材表面の固着層のセメント相をセメント水和物にした人工骨材を得た（実施例５）。これを表１に示した。一方、セメントを吹き付けないものを比較例２として示した。
【００２０】
〔実施例６、７〕
天然岩石の頁岩を破砕し、篩い分け機によって粒径５〜２０mmに粒度調整した後にロータリーキルン(φ3.6m×66m)で焼成して人工骨材を得た。この焼成時に、原料ペレットの融着温度下で、普通ポルトランドセメントを炉内に吹き込み、骨材表面にセメント固着層を有する人工骨材を製造した（実施例６）。さらに実施例３と同様の方法によって骨材表面の固着層のセメント相をセメント水和物にした人工骨材を得た（実施例７）。これを表１に示した。一方、セメントを吹き付けないものを比較例３として示した。
【００２１】
表１に示す各骨材を用い、表２の配合比に従ってコンクリートを調製した。このコンクリートについてフレッシュ性状、圧縮強度試験を行った。この結果を表３に示す。なお、参考例として普通骨材（珪石粉末）を用いた結果を表３に併記した。表３の結果に示すように、骨材表面にセメント固着層を形成した本発明の人工骨材を用いたコンクリートは、セメント固着層のない従来の人工骨材（比較例１〜３）を用いたコンクリートに比べて同等のフレッシュ性状を有し、しかも圧縮強度および凍結融解抵抗性は大幅に向上している。さらに、本発明の人工骨材を用いたものは、普通骨材を用いたコンクリートに比較した場合でも圧縮強度が１０％以上向上しており、凍結融解抵抗性において同等以上の性能を有している。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の人工骨材によれば、コンクリートの強度特性や凍結融解特性などが天然骨材を使用したコンクリートと遜色のない、あるいはそれ以上の高特性を具現化することができる。
【００２３】
【表１】
【表２】
【表３】
Claims (1)
- 人工骨材の融着温度下で、攪拌下の人工骨材表面にセメントを吹き付けてセメントの固着層を形成することを特徴とする人工骨材の製造方法。
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