JP4814154B2

JP4814154B2 - 廃石膏を利用した耐火組成物、耐火成形体、耐火被覆構造体、及び耐火被覆層の形成方法

Info

Publication number: JP4814154B2
Application number: JP2007134682A
Authority: JP
Inventors: 原田　　進; 秀典小嶋; 貴郎齋藤
Original assignee: 富士川建材工業株式会社
Priority date: 2007-05-21
Filing date: 2007-05-21
Publication date: 2011-11-16
Anticipated expiration: 2027-05-21
Also published as: JP2008285390A

Description

本発明は、廃石膏ボードの有効な再利用に関し、廃石膏を利用して各種の構造物や建築物等を火災等から保護することができる，廃石膏を利用した耐火組成物、耐火成形体、耐火被覆構造体、及び耐火被覆層の形成方法に関する。

アスファルトやコンクリートなどはリサイクル率が８０％以上を越えているが、廃石膏ボードのリサイクル率は未だ１０％に満たない程度である。埋め立て処理場も不足しており、廃材の処理が追いつかず、大きな問題となっている。
廃石膏ボードを埋め立てる場合には、管理型の産業廃棄物最終処分場に処分することとされているが、廃石膏ボードの紙を除いた石膏部分のみを埋め立てる場合には、安定型の産業廃棄物最終処理場で処分することが可能となっている。ところが、近年、廃棄物処分場において硫化水素が発生するという想定されていない事例が各地にみられ、環境上の問題となっている。

廃石膏ボードを単に廃棄処分するのではなく、二次利用を図る方法が提案されており、例えば特許文献１には、廃石膏ボードを粉砕して得られた石膏粉を泥土と混合して改良土に改善する方法が提案されている。
特許文献２には、廃石膏ボード粉末と酸化鉄の微粉末と石灰を混ぜて土質安定材して再資源化する提案がなされている。
特許文献３には、無機繊維と、水硬性物質と、廃石膏ボードの粉砕物を焼成して得た焼成粉砕物よりなり、防火性、耐火性、吸音性、曲げ強度、及び湿度に対する寸法安定性が高い複合板が提案されている。
特開２００３−３１３５５４号公報特開２００４−２０３９１２号公報特開２００４−５１３９６号公報

しかしながら、前記特許文献１，２の各提案はいずれも廃石膏を土壌に混合して用いるものであるため、土壌汚染の観点から問題が生ずる懸念があった。また、前記特許文献３では、水硬性物質と混合するものであるため、汚染の観点では問題が起こりにくいが、廃石膏を単なる骨材として用いるに過ぎないので、用途面から積極的な利用の促進は図られないものであった。

一方、二次履工を省略したシールドトンネルでは、火災時にはセグメントが直接炎に曝されるため、高温になることが想定され、特にＲＣセグメントのような圧縮強度の大きな高強度コンクリートは、通常のコンクリートに比べ、一般的に水セメント比が小さくなるほどコンクリートが緻密になるので、含水量、昇温速度、壁厚が大きくなるほど爆裂し易いと考えられている。

そこで、本発明は、建築廃材となった廃石膏ボードを再利用することで、例えば各種の構造物や建築物等を火災等から保護することができる耐火被覆層等として有効に利用でき、建築廃材の減少を促進できる廃石膏を利用した耐火組成物、耐火成形体、耐火被覆構造体、及び耐火被覆層の形成方法を提供することを目的とする。

本発明者らは、廃石膏ボードには２０％以上の結晶水が含まれていることに着目し、これを耐火被覆材を構成する材料として使用することにより、耐火性に大きく寄与するのではないかと考えた。
廃棄物処理事業社で粉砕分別された粉砕廃石膏は二水石膏であり、火災時に高温に曝されると、以下に示すように、二水石膏（ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ）中の結晶水が熱分解し、水蒸気（Ｈ₂Ｏ）となって徐々に放出され、温度の上昇を遅らせる働きをする。
ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ → ＣａＳＯ₄・１／２Ｈ₂Ｏ（３／２Ｈ₂Ｏ）
二水石こう加熱半水石膏脱水蒸発
加熱温度１００℃の場合、加熱時間１時間までは二水石膏のままで水は離脱されず、２時間から６時間で半水石膏に変わり、水が離脱される。
加熱温度１５０℃の場合は１時間加熱までに半水石膏に変わる。
このような特徴を生かし、耐火被覆材の材料として利用することで、火災時に初期の段階で効果的に建造物の温度上昇を防ぎ保護することができる。
また、廃石膏は、単に吸熱材として利用できるだけではなく、０．１ｍｍ〜５ｍｍの粒径を利用して、耐火被覆材の軽量化を図る骨材としても利用することができ、さらにその大きさの混合バランスでコテ作業性、吹き付け作業性、脱落性等の改善を行うことができる。廃石膏の一部は結合材としての機能も果たす。

そこで、本発明は、上記に鑑み提案されたもので、少なくとも水硬性セメントを含む無機質結合材と、廃石膏ボードを０．１〜５．０ｍｍに粉砕した粉砕廃石膏と、軽量骨材とからなることを特徴とする廃石膏を利用した耐火組成物に関するものである。

また、本発明は、前記の耐火組成物に水を添加して調整し、型枠に打設して成型してなることを特徴とする廃石膏を利用した耐火成形体をも提案する。

さらに、本発明は、前記の耐火組成物に水を添加して調整し、構造体上に耐火被覆層を形成してなることを特徴とする廃石膏を利用した耐火被覆構造体をも提案する。

また、本発明は、前記の耐火組成物に水を添加して調整し、吹付けあるいはコテ塗りにより、構造部材上又はラス上に耐火被覆層を形成することを特徴とする廃石膏を利用した耐火被覆層の形成方法をも提案する。尚、この耐火被覆層の形成方法は、耐火被覆構造体の施工方法と言い換えることもできる。

本発明の耐火組成物は、０．１〜５．０ｍｍに粉砕した粉砕廃石膏を吸熱材兼骨材として含有するものであって、後述する耐火成形体として、或いは耐火被覆層として有効に利用することができ、廃物利用の観点からだけではなく、用途面からも積極的な利用の促進が図られるものである。また、廃石膏ボードを用いるので、資源環境面で貢献すると共に低コストである。

また、本発明の耐火成形体は、前記耐火組成物を例えばボード状に成形して耐火性に優れた内装又は外装用壁材として利用することができる。

さらに、本発明の耐火被覆構造体は、前記耐火組成物を構造材、例えば鉄製の構造部材やＲＣなどのセメント系の構造部材、或いは内装用又は外装用の壁材などの上に耐火被覆層を形成してなるものであり、各種の構造物や建築物等に耐火被覆層を形成して容易に耐火性を付与或いは向上することができる。

また、本発明の耐火被覆層の形成方法は、前記耐火組成物を構造材、例えば鉄製の構造部材やＲＣなどのセメント系の構造部材、或いは内装用又は外装用の壁材などの上に、吹き付け又はコテ塗りにより耐火被覆層を形成するものであり、或いは軸組工法、枠組工法などの木造住宅のラス上又は乾式パネル上にコテ塗りにより耐火被覆層を形成するものであり、何等特殊な手法並びに材料を用いるものではないので、極めて実用的価値が高いものである。また、木造住宅では、防・耐火性能を向上させることができる。

本発明の耐火組成物は、少なくとも水硬性セメントを含む無機質結合材１００重量部と、廃石膏ボードを０．１〜５．０ｍｍに粉砕し、吸熱材兼骨材として用いる粉砕廃石膏１５〜５００重量部と、無機質軽量骨材１０〜２００重量部と、有機質軽量骨材２〜２０重量部とを含有してなるものである。これらの各材料成分について以下に説明する。

無機質結合材として、水及び／又は湿気により硬化する結合材では、石こう、天然セメント、普通ポルトランドセメント、アルミナセメント、石灰混合セメント、混合ポルトランドセメント、高硫酸塩スラグセメント等から選択される水硬性セメントを必須成分とする。
そして、前記水硬性セメントに加えて、石灰、ドロマイト、マグネシアセメント等から選択される気硬性セメントを適宜添加して利用してもよい。

廃石膏ボートを０．１〜５．０ｍｍに粉砕した粉砕廃石膏は、本発明では吸熱材兼骨材として用いるものであり、前述のように廃棄物処理事業社にて粉砕分別されるものであって、その有効成分は二水石膏及び半水石膏である。また、この粉砕廃石膏の平均粒径が０．１ｍｍより小さいものはパウダー状となって取り扱い性が悪くなる。また、その平均粒径が５．０ｍｍより大きいものは作業性が悪くなり、具体的にはコテ塗り性や面仕上がり状態が悪くなる。この粉砕廃石膏の原材料である廃石膏ボードは廃材であるため、粉砕廃石膏は低コストであり、例えば吸熱成分として知られている水酸化アルミニウムと比較すると、およそ価格は１０分の１程度である。

前記粉砕廃石膏は、本発明においては吸熱材兼骨材として用いるが、他の吸熱物質を併用するようにしてもよい。
この吸熱物質は、高熱環境下で、熱分解して水を発生する物質として定義され、例えば１００℃から６００℃へとなるように加熱した際に減量する物質としては、(1)水酸化アルミニウム、ギブザイトミネラル、ボーマイト、ジアスポールなどの酸化アルミニウムの水和物、(2)斜方沸石、ヒューランダイト、モルデナイトなどのゼオライト物質、(3)アロファン、ハロイサイト、非発泡又は発泡ひる石などのシリカ−アルミナ物質、(4)ブルサイト、アタパルジャイトなどのマグネシア物質、(5)サテンホワイト、エトリンジャイト、ドロマイト、硼酸などの他の物質が挙げられる。

また、前記の粉砕廃石膏（及び吸熱物質）は、１５〜５００重量部の範囲で配合されることが望ましく、１５重量部より少ない場合には、吸熱による鋼材温度上昇の鈍化の程度が小さく耐火性に劣る。５００重量部を越える時は、相対的に結合材の配合量が少なくなり、実用上必要となる強度が得られない。

無機質軽量骨材は、天然鉱物の発泡又は膨張した物質である膨張バーミキュライト、パーライト、膨張頁岩、軽石、シラスバルーン等の他、シリカゲルを発泡させた物、各種のスラグを造粒して発泡させた物、ガラス屑を造粒して発泡させた物、粘土粉体を造粒して発泡させた物等のような人工軽量骨材を含む。これらの膨張又は発泡した物質のうち、結晶的にみてさほど「ガラス化」が進んでいないもので且つかさ比重の小さいものが好ましく、例えば膨張バーミキュライト、パーライト、軽石、シラスバルーンが望ましい。
この無機質軽量骨材は、前記のように１０〜２００重量部の範囲で配合されることが望ましく、１０重量部未満の時は、作業性及び耐火性能が劣り、２００重量部を越える時は、耐火材の強度が得られない。

有機質軽量骨材としては、合成樹脂又はゴムの発泡物等が利用され、その例としては、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリエチレン−酢酸ビニル共重合物、ポリプロピレン、ポリウレタン、ポリ塩化ビニル、ポリ塩化ビニリデン、天然ゴム、合成ゴム等の発泡物などがある。尚、軽量であれば必ずしも発泡である必要はなく、繊維状や不織布状の物質も採用できる。この有機質軽量骨材は、粒径範囲として０．３〜２．５ｍｍにあるものを用いる時、より効果的となる。これは、この範囲にある有機質軽量骨材を用いた時に、作業性や平滑性が良くなる為である。この有機質軽量骨材が０．３ｍｍより小さい粒径のものである時、所定のフロー値を得るための水量が多くなり作業性が低下する。逆に２．５ｍｍより大きなものを用いた時には表面の平滑性が低下する。
この有機質軽量骨材は、前記のように２〜２０重量部の範囲で配合されることが望ましい。耐火被覆材を加熱したとき、その加熱によって受ける熱量は、有機質軽量骨材の溶融等の変化のために使用され、その変化に使用された熱量分だけ、耐火被覆材の温度上昇が抑えられるそして、この有機質軽量骨材の量が２重量部未満の時は、上述した作用を十分に発揮できないので、耐火性能に劣り、２０重量部を越える時は、それほど強度のない素材の割合が増加するのであるから、モルタルの強度が得られない。

そして、このような成分等よりなる耐火組成物に水を添加して調整し、型枠に打設したものが耐火成形体（ボード）であり、構造体上に耐火被覆層を形成したものが耐火被覆構造体である。
使用する環境や要求される耐火特性によって、それぞれ異なるが、本発明の耐火組成物、耐火成形体、或いは構造体の耐火被覆層として用いる際には、前記の成分に限定されるものではなく、必要に応じて適宜に以下の成分を添加することができる。
例えば増量材として、耐火粘土、耐火性酸化物、珪砂、石灰等の粉体を採用できる。
また、亀裂防止や粘性調整材として、ガラス繊維、岩綿繊維、パルプ繊維等の繊維状物や界面活性剤などを採用できる。
さらに、タレ防止材や分離防止材や粘度調整材として、セルロース系水可溶性樹脂や液状の合成樹脂エマルションあるいは水に混ぜた時エマルションとなる再乳化型粉末樹脂等を採用でき、それらは、耐火性能を阻害せず、機械的強度や付着性に問題のない範囲において適量配合できる。

以下、本発明を実施例により説明する。
表１〜２において、無機質結合材をＡ成分、吸熱物質（水酸化アルミニウム）をＢ成分、中央環境開発株式会社（廃棄物再生事業者登録番号；第Ｇ００１８９号）にて０．５ｍｍアンダーおよび３ｍｍアンダーに粉砕分別された粉砕廃石膏をＣ成分、無機質軽量骨材をＤ成分、有機質軽量骨材をＥ成分とすると、前記実施例１〜３および比較例１〜２の成分の特徴は下記の通りである。比較例は従来の耐火被覆材配合である。
・実施例１；Ｂ成分なし、Ｃ成分やや少なめ（０．５ｍｍアンダー）
・実施例２；Ｂ成分少なめ、Ｃ成分中位（０．５ｍｍアンダー）
・実施例３；Ｂ成分なし、Ｃ成分多め（０．５ｍｍアンダー６８％、３ｍｍアンダー３２％）
・比較例１；Ｂ成分中位、Ｃ成分なし
・比較例２；Ｂ成分多め、Ｃ成分なし

〔耐火性能確認試験１〕
耐火性能の検証にＪＩＳ加熱曲線に用いて２時間の類似した燃焼試験を行い、試験体の変形、剥離、脱落の有無を確認した。試験体はＨ型の鋼材に耐火被覆材を３０ｍｍの厚さで施工し、昇温時の鋼材温度または加熱終了時の鋼材温度を記録した。図１はその温度分布を示したものである。

《実験結果》
図１に示す様に、燃焼開始から６０分後の比較例１の鋼材温度は１５０．４℃、実施例１の鋼材温度は１２４．２℃であり、鋼材温度が２００℃付近に達するまで実施例１は比較例１と比較して上昇温度は緩やかである。これは前記に表記した粉砕廃石膏の初期の燃焼で水を離脱する特徴の効果をあらわしている。

〔耐火性能確認試験２〕
耐火性能の検証にドイツの「ＲＡＢＴ曲線」を用いた１時間の類似の燃焼試験において、炉内温度は駐車場における自動車の火災実験より、梁とスラブの鋼材温度が最大で７００℃前後であることから７００℃で設定し、試験体の変形、剥離、及び脱落の有無を確認した。図２〜３は耐火被覆材を３０ｍｍの厚さで施工したコンクリート試験体の表面温度を表した図である。

《実験結果》
図２に示す様に、実施例２は吸熱物質（水酸化アルミニウム）と粉砕廃石膏を併用したもので、初期の燃焼では粉砕廃石膏の効果で温度上昇は緩やかあり、以後の温度上昇も水酸化アルミニウムで押さえられると判断される。

《実験結果》
図３に示す様に、実施例３は比較例２の吸熱物質（水酸化アルミニウム）多めに対し、粉砕廃石膏を重量比で置き換えたもので、粉砕廃石膏の効果でさらに温度上昇は緩やかあり、以後の温度上昇も押さえられていると判断される。

〔耐火性能確認試験３〕
耐火性能の検証にドイツの「ＲＡＢＴ曲線」を用いた類似の燃焼試験において、炉内温度はトンネルにおける自動車火災で、１００ＭＷ相当の火災を想定した１２００℃１時間の設定で行い、試験体の変形、剥離、脱落の有無を確認した。図４は耐火被覆材を３０ｍｍの厚さで施工したコンクリート試験体の表面温度を表した図である。

《実験結果》
トンネルを構成するＲＣセグメントが火災時に強度低下または爆裂を生じさせないコンクリートの表面温度は３５０℃以下で設定され、図４に示す様に、コンクリートの表面温度は最高で１７６．８℃であり、建造物を保護する効果があると判断される。

〔諸性能試験及び結果〕
表３に、実施例の諸性能結果を示し、その判定の評価基準は次のようにした。
（１）モルタルポンプの材料圧送性
プツマイスター製ポンプ使用
○…詰まり、過負荷なく施工できる
×…詰まり又は過負荷があり施工に問題がある
（２）吹付け性ダレ
○…ダレが発生しない
×…多くのダレが発生し施工に問題がある
（３）吹付け性跳ね返り
○…材料の跳ね返り少ない
×…材料の跳ね返り多く施工に問題がある
（４）仕上げ性ネット伏せ込み性
グラスファイバーネット（５×５ｍｍメッシュ富士川建材工業製）使用
○…容易に伏せ込みが出来る
△…やや伏せ込み難く施工に時間がかかる
×…伏せ込み難く施工に問題がある
（５）仕上げ性コテ塗り性
○…平滑に押さえられる
×…平滑に押さえられない
（６）圧縮強度の評価（ＪＩＳＡ１１０８）
○…圧縮強度が０．９８Ｎ／ｍｍ２以上
×…圧縮強度が０．９８Ｎ／ｍｍ２未満
（７）曲げ強度の評価（ＪＩＳＡ６９１６）
○…圧縮強度が０．４９Ｎ／ｍｍ２以上
×…圧縮強度が０．４９Ｎ／ｍｍ２未満
（８）付着強度の評価（ＪＩＳＡ１１７１）
○…圧縮強度が０．０５Ｎ／ｍｍ２以上
×…圧縮強度が０．０５Ｎ／ｍｍ２未満
（９）変形の評価
○…燃焼後の試験体に変形がない
×…燃焼後の試験体に変形がある
（１０）剥離の評価
○…燃焼後の試験体に剥離がない
×…燃焼後の試験体に剥離がある
（１１）脱落の評価
○…燃焼後の試験体に脱落がない
×…燃焼後の試験体に脱落がある

《結果》

この表３から明らかなように本発明の実施例１〜３はいずれも諸性能および耐火試験後の性能全ての点で優れており好適であった。

〔施工性試験〕
実施例１の耐火被覆材を富士川建材工業の工場内鉄骨柱（３００×３００×５６００ｍｍ）にコテ塗にて施工した。作業性は良好であり、６ヶ月後の経過を観察したが、クラックの発生はなく良好であった。

実施例における耐火性能確認試験１の結果を示すグラフである。実施例における耐火性能確認試験２の結果を示すグラフである。実施例における耐火性能確認試験２の結果を示すグラフである。実施例における耐火性能確認試験３の結果を示すグラフである。

Claims

少なくとも水硬性セメントを含む無機質結合材１００重量部と、廃石膏ボードを０．１〜５．０ｍｍに粉砕し、吸熱材兼骨材として用いる粉砕分別廃石膏１５〜５００重量部と、無機質軽量骨材１０〜２００重量部と、有機質軽量骨材２〜２０重量部とを含有してなることを特徴とする廃石膏を利用した耐火組成物。
請求項１に記載の耐火組成物に水を添加して調整し、型枠に打設して成型してなることを特徴とする廃石膏を利用した耐火成形体。
請求項１に記載の耐火組成物に水を添加して調整し、構造体上に耐火被覆層を形成してなることを特徴とする廃石膏を利用した耐火被覆構造体。
請求項１に記載の耐火組成物に水を添加して調整し、吹付けあるいはコテ塗りにより、構造部材上又はラス上に耐火被覆層を形成することを特徴とする廃石膏を利用した耐火被覆層の形成方法。