JP4388262B2

JP4388262B2 - 流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法

Info

Publication number: JP4388262B2
Application number: JP2002249515A
Authority: JP
Inventors: 健澄川; 和俊樋野; 良三奥田; 稔明杉山; 信博北村; 聖治名越
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Takenaka Civil Engineering and Construction Co Ltd; Chugoku Koatsu Concrete Industries Co Ltd
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc; Takenaka Civil Engineering and Construction Co Ltd; Chugoku Koatsu Concrete Industries Co Ltd
Priority date: 2002-08-28
Filing date: 2002-08-28
Publication date: 2009-12-24
Anticipated expiration: 2022-08-28
Also published as: JP2004083369A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、石灰石を流動媒体とする石炭焚き流動床炉の燃焼灰（以下、これを流動床灰、又はＰＦＢＣ灰という。）を、粒度調整をすることなく原粉のまま使用して、土木・建築用の例えば砂代替え材などとして利用可能な人工骨材を高い生産性で製造する方法の技術分野に属する。
【０００２】
【従来の技術】
脱硫効果のある石灰石を流動媒体とする石炭焚き加圧流動床式火力発電所は、燃焼と同時に硫黄酸化物を除去して、窒素酸化物の発生が少ない発電所であるため、今後増加が予想される。そこで、この種の火力発電所から発生する流動床灰（ＰＦＰＣ灰）の有効利用法が早急に解決するべき課題となっている。
【０００３】
石灰石を流動媒体とする石炭焚き加圧流動床炉の流動床灰は自硬性を有することが知られ、水のみでも圧縮造粒することができる（特開２０００−１６９２０４号公報）が、海水を使用することにより固化物の強度が増加することも報告されている。化学組成から見ると、流動床灰は、普通灰とは下記の点に著しい相違点が認められる。
（１）普通灰よりもＣａＯ，ＳＯ_３が著しく多く、自硬性を示す。
（２）普通灰よりもＳｉＯ_２，Ａｌ_２Ｏ_３が少ない。
（３）普通灰よりも塩基度が高い。
（４）普通灰よりも強熱減量が大きい。
【０００４】
また、物理的性質の面から見た場合、流動床灰と普通灰とは、下記する点を注目することができる。
（５）普通灰よりも密度が大きい。
（６）フロー値比が普通灰より小さい。
（７）活性度指数は両者が同程度である。
【０００５】
上記したように、流動床灰は普通灰とは異なった性質を有するので、これまでの普通灰の利用法とは異なる固化物製造方法の開発が求められている。
【０００６】
我が国の中国地方における骨材事情は、瀬戸内海域の海砂採取規制により安定供給に懸念があり、よって代替骨材（砂代替材など）の実用化レベルの開発が強く求められている。
【０００７】
石炭灰および流動床灰を利用する人工骨材の製造方法に関する従来技術としては、およそ下記するような発明が公知である。
【０００８】
（ｉ）特開平７-２０６４９１号公報には、石炭灰を粒度調整し、粘結材（石灰石・生石灰・水酸化カルシウム）と水を加えて造粒し焼成することにより、絶乾比重２．０以上、吸水率３．０％以下、圧縮強度４００kgf/cm^２以上の普通コンクリート用人工骨材を製造する方法が提案されている。
【０００９】
（ii）特開平９−１２３４９号公報には、石炭灰５０〜７０重量部に、セメント５０〜３０重量部を混ぜ、平均粒径を１２μｍ以下に粉砕したものに、水１０〜２０粉体重量％を加えて高圧造粒または転動造粒し、蒸気養生することで、嵩密度２．１以上、吸水率５．０％以下、圧縮強度８００kgf/cm^２以上のコンクリート用骨材又は埋め戻し材、路盤材などに利用できる人工骨材の製造方法が提案されている。
【００１０】
（iii）特開２０００−７３９４号公報には、石炭灰に、硫酸カルシウムと、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの３種から選ばれた少なくとも１種を混合して平均粒径１５μｍ以下に粉砕し、発泡剤と水を添加してスラリー化したあと、型枠に流し込んで養生し、半硬化物を成型後に高圧蒸気養生して硬化物を得た後、表面に防水材を含有させて乾燥し、嵩比重が０．５〜１．５で、吸水率が１０％以下、圧壊強度１１０kgf/cm^２の安価で高強度な人工骨材の製造方法が提案されている。
【００１１】
（iv）特開２０００−２８１４０５号公報には、石炭灰に、石灰質原料と硫酸カルシウムとを混合・粉砕し、得られた混合粉と水とを混合してスラリー状にした後、前記スラリーに金属アルミニウム粉末を加えて型枠に流し込み、所望の比重、強度になるように発泡膨張させて生ケーキを得る。前記の生ケーキは１００mm角ぐらいに切断し、更に２０mm以下に破砕して造粒化し、それを高圧蒸気養生、又は常圧養生と高圧蒸気養生とを併用することにより、所望の比重と圧潰強度を有して、土木、建築用に利用できる人工骨材の製造方法が提案されている。
【００１２】
（ｖ）特開２０００−１６９２０４号公報には、流動床灰に水のみ、又は水とセメントを加え、高圧で圧縮造粒すること、及び前記流動床灰の一部を微粉炭燃焼灰に置換した混合灰とし、前記の置換率を７０％以下とすること、並びに圧縮増粒用の内部滑沢材および（又は）セメント固化用の減水剤を添加することをそれぞれ特徴とする、裏込め材や路盤材、コンクリート用骨材等に利用可能な人工骨材の製造方法が提案されている。
【００１３】
ところで、土木、建築資材に求められる品質のうち、一軸圧縮強度に関しては、下記[表１]に例示したように、用途に応じて達成するべき強度範囲がそれぞれに求められている。要するに、製造した人工骨材の圧縮強度が４０Ｎ／ｍｍ２以上であれば、一般資材として適用可能であることがわかる。
【００１４】
【表１】

【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、石炭灰或いは流動床灰を再利用する人工骨材の製造方法の開発と研究は種々行なわれている。
【００１６】
そこで次なる研究課題は、流動床灰を利用した人工骨材の市場性と事業化を検討する上で重要な、早期に安定した製品を得られる製造方法を開発することである。
【００１７】
本発明の目的は、早期に強度を得るための高温養生方法を開発して、流動床灰を利用した人工骨材の生産性を高め、製造コストを可及的に引き下げると共に、市場の要求量（需要）を充分に満たすだけの供給量を達成可能な、流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法を提供することである。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決し、目的を達成する手段として、請求項１に記載した発明に係る流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法は、
石灰石を流動媒体とする石炭焚き流動床炉の燃焼灰（流動床灰）原粉に、水又は海水を加えて練り混ぜた後、ロールプレス機で加圧成形し、養生して人工骨材を製造する方法において、
燃焼灰原粉に水又は海水を加える練り混ぜは、流動床灰１００重量部に対して、加える水又は海水の粉体重量比を加圧成形が可能な範囲となる１２〜２０％として均一に行い、ロールプレス機による加圧成形は線荷重５０〜７０ＫＮ／ｃｍの大きさで行い、
加圧成形した成形固化物の養生工程は、３０℃〜６０℃の早期高温養生を恒温室で少なくとも４日間行って、同成形固化物の一軸圧縮強度を、土木工事用材料中の砂代替材として必要な一軸圧縮強度１０Ｎ／ｍｍ２以上にすることを特徴とする。
【００１９】
請求項２に記載した発明に係る流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法は、
石灰石を流動媒体とする石炭焚き流動床炉の燃焼灰（流動床灰）原粉に、水又は海水を加えて練り混ぜた後、ロールプレス機で加圧成形し、養生して人工骨材を製造する方法において、
燃焼灰原粉に水又は海水を加える練り混ぜは、流動床灰１００重量部に対して、加える水又は海水の粉体重量比を加圧成形が可能な範囲となる１２〜２０％として均一に行い、ロールプレス機による加圧成形は線荷重５０〜７０ＫＮ／ｃｍの大きさで行い、
加圧成形した成形固化物の養生工程は、３０℃〜６０℃の早期高温養生を恒温室で少なくとも４日間行って、同成形固化物の一軸圧縮強度を、土木工事用材料中の砂代替材として必要な一軸圧縮強度１０Ｎ／ｍｍ２以上にすることを特徴とする。
【００２０】
請求項３に記載した発明は、請求項１又は２に記載した流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法において、
前記水又は海水に代えて、水と海水を混合したものを加えて練り混ぜを行うことを特徴とする。
【００２１】
請求項４に記載した発明は、請求項１又は２に記載した流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法において、
養生工程の後に成形固化物の解砕、分級の工程を行うことを特徴とする。
【００２２】
因みに、流動床灰は、一般の石炭灰と異なり、石灰石（ＣａＯ）および石膏（ＳＯ_３）を含むため水を加えると水和反応でエトリンガイトを生成して固化する。また、流動床灰は余剰なＣ_３Ａ（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）を含むため、エトリンガイトは更にモノサルフェート、更にサルフェート・ハイドレート固溶体へと変わって板状晶となって組織は緻密化し強度が増していく。本発明において３０℃〜６０℃での高温養生を行うのは、前記の反応を促進するものである。
【００２３】
【発明の実施形態と実施例】
次に、請求項１乃至４に記載した発明に係る流動床灰を原料として人工骨材を製造する方法の実施形態を、図１のフローに基づいて説明する。
【００２４】
請求項１、２記載の発明に係る製造方法は先ず、石灰石を流動媒体とする石炭焚き流動床炉の燃焼灰（流動床灰）を粒度調整をしない原粉のまま用い、この原粉に、水又は海水、若しくは水と海水を混合したもの（請求項３記載の発明）を計量しつつ加えて練り混ぜを行う。流動床灰１００重量部に対して、加える水または海水の粉体重量比（粉体とは、請求項１の場合は乾燥した流動床灰、請求項２の場合はセメントを含む。）は、加圧成形が可能範囲となる１２〜２０％程度とする。流動床灰のみを練り混ぜる場合、又は流動床灰とセメントを混合する場合のいずれでも同じである。なお、以下の説明においては、粉体重量比１２％〜２０％の用語に代えて、含水比１２％〜２０％の用語で表現する場合がある。
【００２５】
上記の練り混ぜ工程は、均一に混合できる能力のあるモルタルミキサー等の混合装置を使用し、水または海水を加えながら流動床灰単独の練り混ぜ、または流動床灰とセメントとの均一混合を行なう。
【００２６】
海水は、硬化促進剤として流動床灰の練り混ぜに単独で用いるほか、請求項２記載の発明のようにセメントを添加する混合にも用い、双方において強度増加の作用効果を期待する。使用されるセメントの種類としては、普通セメント、高炉セメント、フライアッシュセメント、シリカヒューム、高炉スラグ微粉末等々が考えられる。
【００２７】
請求項２記載の発明の場合、セメントの添加量は、人工骨材に必要とされる強度に応じて、流動床灰１００重量部に対して５〜２５重量部の範囲とする。２５重量部を越えると製造コストが高くなりすぎるほか、添加量の増加が強度に影響する度合いが低いからである。逆に、５重量部以下でも、強度に影響する度合いが低いからである。
【００２８】
上記のようにして均一な練り混ぜを行った後に、ロールプレス機にて加圧成形する。加圧成形は、ロールプレス機の加圧力を線荷重で５０〜７０ＫＮ/cm程度の大きさで行う。ロールプレス機は、ロール部のセグメントと称する型枠を取り替えることにより、言うなれば煎餅の如き板状成形物の加圧成形、又は豆炭形状のブリケット状成形物の加圧成形など、成形品の形状変更が容易に可能である。ロールプレス機は、高圧加圧成形に適し、連続加圧成形が可能で生産能力に優れるという理由で選定した。
【００２９】
加圧・成形直後の固化物については、固化が不十分なため、一部の固化物はロール成形機から落下する際に破砕され、細粒化することがある。
【００３０】
そこで粒径が５mm以下の微粒分を除去するメッシュあるいはスクリーンによる分級装置を使用し、５mm以下の微粒分を除去し、除去した５mm以下の微粒分（未成形分）は、再度の練り混ぜ、加圧成形工程へリターンさせ、成形物製造の歩留まりを向上させる。リターンさせた固化物は、強度、密度共に若干向上することが確認されている。粒径が５mm以上の有効成形品（固化物）は、次の養生工程へ進める。
【００３１】
養生工程については、ＰＦＢＣ灰の成形固化物に関して、早期の高温養生が養生方法として有効か否かの基礎的検討を次のように行った。
【００３２】
使用したＰＦＢＣ灰の化学分析結果を下記［表２］に示した。このＰＦＢＣ灰に水粉体比２０％の水道水又は海水（人工海水）を加え、ホバートミキサーで混合した。次に加圧成形機により標準仕様寸法が、直径２４ｍｍ、高さ２４ｍｍとなるように成形し固化させた。加圧成形機の載荷圧力は５０Ｎ／ｍｍ２とした。前記の成形固化物は密封できるプラスチック容器へ入れて、先ず予備養生として２０℃気中の養生室で１日養生した。続いて、前記の成形固化物をプラスチック容器ごと２０℃、３０℃、４０℃、６０℃の恒温室へ入れて、４日又は２８日間の養生を行った。しかる後に、前記のように高温養生したＰＦＢＣ灰成形固化物の一軸圧縮強度試験を行った。
【００３３】
【表２】

【００３４】
下記［表３］は、ＰＦＢＣ灰固化物の圧縮強度の試験結果を示している。そして、図２は、当該［表３］を基にして、ＰＦＢＣ灰成形固化物と養生温度との関係を示している。［表３］中の記号ｎは成形固化物の個数、Ｓは標準偏差、μは平均値を示す。また、［表３］中の（）内数値は蒸気による設定温度で４日間養生した後に、２０℃に養生温度を下げて合計材令２８日間養生したものの圧縮強度を示している。一軸圧縮強度は、ＪＩＳＡ１１０７に準じ、長さの補正係数を０．８９として補正した値を示す。
【００３５】
【表３】

【００３６】
上記の［表３］と図２からは、大要、次のことが明らかになった。
（１）養生温度が３０℃以上で、材令４日のＰＦＢＣ灰成形固化物の一軸圧縮強度は、養生温度が２０℃の同じく材令４日のＰＦＢＣ灰成形固化物の一軸圧縮強度に比較して著しく大きな強度になっている。例えば養生温度が２０℃による材令２８日の一軸圧縮強度に匹敵する数値を確認できた。
（２）養生温度が３０℃〜６０℃のＰＦＢＣ灰成形固化物の一軸圧縮強度にはさしたる差はない。
（３）つまり、養生温度が３０℃〜６０℃のＰＦＢＣ灰成形固化物は、４日間の短期間養生で早期に出荷できる品質、強度であることがわかった。
（４）なお、練り混ぜ水に海水を使用した場合、ＰＦＢＣ灰の成形固化物の一軸圧縮強度は、水道水を使用した場合に比較して１０％程度増大することも確認できた（図２を参照）。
【００３７】
以上の検討結果を踏まえて、請求項１、２記載の発明の場合、ＰＦＢＣ灰成形固化物の養生工程は、３０℃〜６０℃の高温養生を少なくとも４日間行うことを特徴とする。高温養生の熱源としては、ＰＦＢＣ灰の発生源である加圧流動床式火力発電所の余剰蒸気を利用することが可能であり、至便で経済的である。
【００３８】
高温養生の具体的方法としては、例えば図３に例示したように、恒温室として構築した養生施設の床上にＰＦＢＣ灰の成形固化物１を山盛り状態に堆積させ、この積み付け部の真上に温水シャワー配管（蒸気配管）２を配置し、直接温水シャワーを散布してＰＦＢＣ灰の成形固化物１の温度を上昇させて、上記３０℃〜６０℃の高温養生温度を保つ。勿論、散水後の水切りは確実に行う。
【００３９】
図４は、床暖房式の高温養生方法を示す。即ち、恒温室として構築した養生施設の床に、蒸気配管等による加熱源を有する床暖房設備３を設置し、その上にＰＦＢＣ灰の成形固化物１を山盛り状態に堆積させ、この積み付け部を下から加温して温度を上昇させ、上記３０℃〜６０℃の高温養生温度を保つのである。
【００４０】
図５は、サイロ方式による高温養生方法の例を示す。
これは骨材ビン基礎工１０で支持した骨材ビン１１の外周面に断熱材（心材がウレタンフォームで、外面をアルミニューム合金メッキ板で包装したもの）１２で被覆して均一な温度管理が行える構成とし、更に骨材ビン１１の内周面に発電所の余剰蒸気を熱源として流す蒸気配管１３を配置したものである。骨材ビン１１の内部には、投入したＰＦＢＣ灰の成形固化物の落下衝撃による破損を防ぐ手段としての滑り台１４が、入口１５から出口１６の間に螺旋形状に設置されている。この滑り台１４にも、蒸気配管が付設される。この骨材ビン１１を用いたサイロ方式による高温養生方法も、入口１５から出口１６までの間で、ＰＦＢＣ灰の成形固化物が３０℃〜６０℃の高温養生温度下で少なくとも４日間滞在することを条件として実施される。養生を終えたＰＦＢＣ灰の成形固化物は、順次に先入れ先出しの形で骨材ビン１１の搬出口１６から取り出し、製品として搬送される。
【００４１】
なお、具体的に試験は行わなかったが、請求項２記載の発明のように、固結材としてセメントを適量加えたＰＦＢＣ灰の成形固化物は、当然、セメントを添加しない請求項１記載の発明に係るＰＦＢＣ灰の成形固化物よりも遙かに大きな一軸圧縮強度を発揮することは想像に難くない。即ち、セメントを添加しない請求項１記載の発明に係るＰＦＢＣ灰の成形固化物の上記一軸圧縮強度は、土木工事用材料の中でも砂代替え材として必要な強度を有することは、表３を表１の数値と対比して明らかである。よって、サンドコンパクションパイル工法（ＳＣＰ工法）に使用するＳＣＰ砂材料、或いはグラベルコンパクションパイル工法（ＧＣＰ工法）に使用するＧＣＰ砂材料としての代替えに適性が認められる。したがって、請求項２記載の発明のように、固結材としてセメントを適量加えたＰＦＢＣ灰の成形固化物は、更に高強度が要求される路盤材、粗骨材などとしての代替え適性があると考えられる。
【００４２】
なお、上記請求項１〜３に記載した発明に係る流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法の実施において、必要があると認めるときは、養生工程の後に成形固化物の解砕、分級の工程を行うことも特徴とする（請求項４記載の発明）。
【００４３】
【発明の効果】
請求項１〜４に記載した発明に係る流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法によれば、３０℃〜６０℃の高温養生を少なくとも４日間で早期に有効に行うことができ、短期間に製品強度に達した人工骨材を安価に製品化できる。従って、人工骨材製品の需要に対する速やかな適時供給及び高い品質管理を実現して市場への対応性に優れるのである。勿論、事業化に際してはＰＦＢＣ灰の発生源である火力発電所の余剰蒸気を利用することが出来るし、それでＰＦＢＣ灰の有効利用まで図れるので一石二鳥である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の製造方法を示すフロー図である。
【図２】ＰＦＢＣ灰成形固化物の養生温度と一軸圧縮強度の関係を、練り混ぜ水が海水と真水の場合に分けて示した特性図である。
【図３】高温養生の実施例を示した概念図である。
【図４】高温養生の異なる実施例を示した概念図である。
【図５】高温養生の異なる実施例を示した概念図である。

Claims

石灰石を流動媒体とする石炭焚き流動床炉の燃焼灰（流動床灰）原粉に、水又は海水を加えて練り混ぜた後、ロールプレス機で加圧成形し、養生して人工骨材を製造する方法において、
燃焼灰原粉に水又は海水を加える練り混ぜは、流動床灰１００重量部に対して、加える水又は海水の粉体重量比を加圧成形が可能な範囲となる１２〜２０％として均一に行い、ロールプレス機による加圧成形は線荷重５０〜７０ＫＮ／ｃｍの大きさで行い、
加圧成形した成形固化物の養生工程は、３０℃〜６０℃の早期高温養生を恒温室で少なくとも４日間行って、同成形固化物の一軸圧縮強度を、土木工事用材料中の砂代替材として必要な一軸圧縮強度１０Ｎ／ｍｍ２以上にすることを特徴とする、流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法。
石灰石を流動媒体とする石炭焚き流動床炉の燃焼灰（流動床灰）原粉に、水又は海水とセメントを加えて練り混ぜた後、ロールプレス機で加圧成形し、養生して人工骨材を製造する方法において、
燃焼灰原粉に水又は海水とセメントを加える練り混ぜは、流動床灰１００重量部に対して、セメントの添加量を５〜２５重量部の範囲とし、加える水又は海水の粉体重量比は加圧成形が可能な範囲となる１２〜２０％として均一に行い、ロールプレス機による加圧成形は線荷重５０〜７０ＫＮ／ｃｍの大きさで行い、
加圧成形した成形固化物の養生工程は、３０℃〜６０℃の早期高温養生を恒温室で少なくとも４日間行って、同成形固化物の一軸圧縮強度を、土木工事用材料中の砂代替材として必要な一軸圧縮強度１０Ｎ／ｍｍ２以上にすることを特徴とする、流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法。
前記水又は海水に代えて、水と海水を混合したものを加えて練り混ぜを行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載した流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法。
養生工程の後に成形固化物の解砕、分級の工程を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載した流動床灰を原料とする人工骨材の製造方法。