JP5186610B1

JP5186610B1 - 焼成物

Info

Publication number: JP5186610B1
Application number: JP2012205751A
Authority: JP
Inventors: 大亮黒川
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2012-05-23
Filing date: 2012-09-19
Publication date: 2013-04-17
Anticipated expiration: 2032-09-19
Also published as: JP2014001122A; JP2014001127A; JP6042246B2

Abstract

【課題】原料として廃棄物等を有効に使用することができるとともに、モルタルやコンクリート用の骨材、路盤材、盛土材及び埋め戻し材等の好適な材料として使用することができる焼成物を提供する。
【解決手段】２ＣａＯ・ＳｉＯ₂１００質量部に対して、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂を１０〜１００質量部含有し、かつ３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が２０質量部以下である焼成物であって、焼成物１００質量％中に、フッ素を０．０３〜０．２質量％含有する焼成物。
【選択図】なし

Description

本発明は、モルタルやコンクリート用の骨材、路盤材、盛土材及び埋め戻し材等の土木・港湾材料として好適に用いることができる焼成物に関する。

近年、経済成長や都市部への人口集中等に伴い、産業廃棄物や一般廃棄物等が急増している。従来より、これら廃棄物の大半は、焼却することによって減容化した後、埋め立て処分されているものの、埋め立て処分場における残余容量が逼迫化しつつある現状下では、新しい廃棄物処理方法の確立が急務である。かかる急務に対応すべく、例えば、特許文献１には、原料として廃棄物等を有効に使用することができる焼成物が提案されている。

かかる焼成物は、粉砕することによりセメント添加材として使用することもでき、また粉砕せずとも、そのままモルタルやコンクリート用の骨材、路盤材、盛土材や埋め戻し材等の材料として使用することもできる。

特開２００４−２１５５号公報

しかしながら、近年、我が国におけるセメント生産量は減少傾向にあるため、上記焼成物をセメント添加材として使用するのみでは、急増する廃棄物等を多量に消費するのは困難である。また、かかる焼成物を骨材や路盤材等に用いたとしても、これらに用いるのに好適な高い圧壊強度を実現する上で十分な容重や粉砕耐性を付与するには、依然として改善の余地がある。

したがって、本発明の目的は、原料として廃棄物等を有効に使用することができるとともに、モルタルやコンクリート用の骨材、路盤材、盛土材及び埋め戻し材等の好適な材料として使用することができる焼成物を提供することにある。

そこで本発明者は、種々検討したところ、特定の鉱物組成を有するとともに特定量のフッ素を含有することにより、圧壊強度を十分に高め得る容重及び粉砕耐性を兼ね備えた焼成物が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

すなわち、本発明は、２ＣａＯ・ＳｉＯ₂（以下、Ｃ₂Ｓと称する）１００質量部に対して、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂（以下、Ｃ₂ＡＳと称する）を１０〜１００質量部含有し、かつ３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃（以下、Ｃ₃Ａと称する）の含有量が２０質量部以下である焼成物であって、焼成物１００質量％中に、フッ素を０．０３〜０．２質量％含有する焼成物を提供するものである。

本発明の焼成物によれば、原料として廃棄物等を用いても、容重を増大することができるとともに粉砕耐性をも高めることができるため、優れた圧壊強度をもたらし、モルタルやコンクリート用の骨材、路盤材、盛土材及び埋め戻し材等の材料として好適に用いることが可能である。したがって、急増する廃棄物等を多量に消費する上でも、非常に有用な焼成物である。

本発明において、容重を測定する際に用いる測定容器及び漏斗の形状及び寸法を示す図である。本発明において、容重を測定する際、測定容器中に挿入された漏斗上に、焼成物を充填した状態を示す図である。

以下、本発明について詳細に説明する。
本発明の焼成物は、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して、Ｃ₂ＡＳを１０〜１００質量部含有し、かつＣ₃Ａの含有量が２０質量部以下である焼成物であって、焼成物１００質量％中に、フッ素を０．０３〜０．２質量％含有する。

上記Ｃ₂Ｓは、水硬性を有しており、コンクリートや路盤等中で緩和に反応を進行させ、これらコンクリートや路盤等を緻密化して強度を高めることができる。また、上記Ｃ₂ＡＳは、水硬性を有しないものの、炭酸化によって緻密化するため、コンクリートの中性化を抑制したり、路盤等の強度を高めたりする効果を発揮することができる。

本発明の焼成物中におけるＣ₂ＡＳの含有量は、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して、１０〜１００質量部であって、好ましくは２０〜９０質量部であり、より好ましくは２５〜８０質量部である。Ｃ₂Ｓ１００質量部に対し、Ｃ₂ＡＳの含有量が１０質量部未満であると、焼成物の吸水率が増大するおそれがあるとともに、冷却の際に焼成物が粉状化する現象（ダスティング）が生じるおそれがある。また、１００質量部を超えると、高温において融液が増加するおそれがあるので、焼成可能温度の幅が狭まる傾向にある。

上記Ｃ₃Ａは、焼成物の吸水率を低下させる観点、及び骨材や路盤材等として用いた際に膨張破壊が発生するのを防止して、コンクリートや路盤等の耐久性が低下するのを抑制する観点から、その含有量を減じるのがよい。具体的には、本発明の焼成物中におけるＣ₃Ａの含有量は、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対して、２０質量部以下であって、好ましくは０〜１０質量部である。

本発明の焼成物は、フッ素を含有する。これにより、十分に容重を増大させながら粉砕耐性を増強させることができ、圧壊強度を十分に高めることが可能となる。本発明の焼成物中におけるフッ素の含有量は、焼成物１００質量％中に、０．０３〜０．２質量％であって、好ましくは０．０３５〜０．１５質量％であり、より好ましくは０．０４〜０．１質量％である。焼成物１００質量％中におけるフッ素の含有量が０．０３質量％未満であると、容重が小さくなるおそれがあるとともに、粉砕耐性が低下するおそれがある。また、焼成物１００質量％中におけるフッ素の含有量が０．２質量％を超えると、水に浸漬した際、環境基準値を超える量のフッ素が焼成物から溶出するおそれがある。

本発明の焼成物における亜鉛の含有量は、優れた粉砕耐性を実現する等の観点から、焼成物１００質量％中に、好ましくは０．０３〜０．５質量％であり、より好ましくは０．０４〜０．４質量％であり、さらに好ましくは０．０５〜０．２質量％である。焼成物１００質量％中における亜鉛の含有量が０．０３質量％未満であると、粉砕耐性が低下するおそれがある。また、焼成物１００質量％中における亜鉛の含有量が０．５質量％を超えると、コンクリートを製造した際、焼成物から水中に亜鉛が溶出して凝結を遅延させる等の要因となるおそれがある。

本発明の焼成物におけるＳＯ₃の含有量は、焼成処理を容易にする観点、焼成物における高い圧壊強度や耐摩耗性を保持する観点、及び吸水率を低減して安定性を高める観点から、焼成物１００質量％中に、好ましくは１．５質量％以下であり、より好ましくは１．０質量％以下である。

このような組成の焼成物を製造するための原料としては、一般のポルトランドセメントクリンカー原料、すなわち、石灰石、生石灰、消石灰等のＣａＯ原料、珪石、粘土等のＳｉＯ₂原料、粘土等のＡｌ₂Ｏ₃原料、鉄滓、鉄ケーキ等のＦｅ₂Ｏ₃原料を使用することができる。
フッ素原料としては、蛍石、フッ素汚泥等を使用することができる。
亜鉛原料としては、工業用酸化亜鉛のほか、廃タイヤ、廃油、金属スラグ等を使用することができる。
ＳＯ₃原料としては、廃石膏ボード、廃硫酸等の廃棄物原料を使用することができる。また、石膏も使用することができる。さらに、ペトコークス等の高硫黄含有燃料を使用することもできる。

さらに、本発明の焼成物におけるＰ₂Ｏ₅の含有量は、ダスティングを防止する観点から、好ましくは０．３質量％以上であり、より好ましくは０．４質量％以上であり、さらに好ましくは０．５質量％以上である。焼成物１００質量％中におけるＰ₂Ｏ₅含有量が０．３質量％未満であると、ダスティングが発生して粉状物が多くなる場合がある。また、焼成物１００質量％中におけるＰ₂Ｏ₅の含有量は、焼成物のコスト等の観点から、好ましくは２０質量％以下であり、より好ましくは１５質量％以下であり、さらに好ましくは１０質量％以下である。
なお、焼成物中のＰ₂Ｏ₅の含有量は、下水汚泥等のリン含有廃棄物を原料として使用したり、リン酸水素カルシウム等の工業材料を使用したりすることによって調整することができる。

上記のように、焼成物１００質量％中におけるＰ₂Ｏ₅の含有量が０．３質量％未満であると、ダスティングが発生する場合があるが、これを効果的に防止するには、焼成物中のＫ₂Ｏ及び／又はＮａ₂Ｏの合計含有量を調整するのがよい。すなわち、本発明の焼成物におけるＰ₂Ｏ₅の含有量が０．３質量％未満であるとき、ダスティング防止や焼成のし易さ向上の観点から、Ｋ₂Ｏ及び／又はＮａ₂Ｏの合計含有量は、好ましくは１．０〜５．０質量％であり、より好ましくは１．５〜４．５質量％であり、さらに好ましくは２．０〜４．０質量％である。
なお、焼成物中のＫ₂Ｏ及び／又はＮａ₂Ｏの合計含有量は、廃ガラス等の廃棄物を原料として使用したり、炭酸ナトリウム等の工業材料を使用したりすることによって調整することができる。

また、本発明においては、焼成物の原料として、産業廃棄物、一般廃棄物、汚染物及び建設発生土から選ばれる１種以上を用いることもでき、廃棄物の有効利用を促進させることができるので、天然資源や環境保護の面からも好ましい。ここで、産業廃棄物としては、例えば石炭灰；生コンスラッジ；下水汚泥、浄水汚泥、建設汚泥、製鉄汚泥等の各種汚泥；ボーリング廃土、各種焼却灰、鋳物砂、ロックウール、廃ガラス、高炉２次灰、建設廃材、コンクリート廃材などが挙げられる。一般廃棄物としては、例えば下水汚泥乾粉、都市ごみ焼却灰、貝殻等が挙げられる。汚染物としては、重金属汚染土壌、有機物汚染土壌、フッ素汚染土壌等が挙げられる。建設発生土としては、建設現場や工事現場等から発生する土壌や残土、さらには廃土壌等が挙げられる。

なお、焼成物の原料組成によっては、特に、上記産業廃棄物、一般廃棄物、汚染物及び建設発生土から選ばれる１種以上（以下、廃棄物原料と称する）を原料として用いた場合、４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・Ｆｅ₂Ｏ₃（以下、Ｃ₄ＡＦと称する）が生成することがあるが、本発明の焼成物においては、好ましくはＣ₂ＡＳの一部、より好ましくはＣ₂ＡＳ中の７０質量％以下がＣ₄ＡＦで置換されてもよい。Ｃ₄ＡＦがこの範囲を超えて置換されると、焼成の温度範囲が狭くなって製造の管理が困難となるおそれがある。

本発明の焼成物の鉱物組成（Ｃ₄ＡＦ、Ｃ₃Ａ、Ｃ₂ＡＳ、Ｃ₂Ｓ）は、使用原料や焼成物中のＣａＯ、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃の各含有量（重量％）から、次式により求めることができる。
Ｃ₄ＡＦ＝３．０４×Ｆｅ₂Ｏ₃
Ｃ₃Ａ＝１．６１×ＣａＯ−３．００×ＳｉＯ₂−２．２６×Ｆｅ₂Ｏ₃
Ｃ₂ＡＳ＝−１．６３×ＣａＯ＋３．０４×ＳｉＯ₂＋２．６９×Ａｌ₂Ｏ₃＋０．５７×Ｆｅ₂Ｏ₃
Ｃ₂Ｓ＝１．０２×ＣａＯ＋０．９５×ＳｉＯ₂−１．６９×Ａｌ₂Ｏ₃−０．３６×Ｆｅ₂Ｏ₃

なお、本発明の焼成物におけるフッ素、亜鉛及びＳＯ₃の含有量は、得られた焼成物の組成から求められる値である。したがって、例えば、使用原料中にフッ素が不足する場合、その不足分を調整するために、上記フッ素原料を混合して用いればよい。混合割合は、使用原料の組成に応じて、得られる焼成物中の含有量が本発明の範囲内になるよう、適宜決定すればよい。

本発明の焼成物は、上記のような原料を適宜混合し、焼成することにより製造することができる。各原料を混合する方法は特に限定されず、慣用の装置等を用いて行えばよい。また、焼成する際の焼成温度は、１０００〜１３５０℃が好ましく、１１５０〜１３５０℃であるのがより好ましい。焼成温度が１０００℃未満であると、フリーライム量を低減させることが困難となるおそれがあり、１３５０℃を超えると、原料混合物が溶融してしまうおそれがある。

焼成に用いる装置は特に限定されず、例えばロータリーキルン等を用いることができる。また、ロータリーキルンを用いて焼成する際には、燃料代替廃棄物、例えば廃油、廃タイヤ、廃プラスチック等を使用することもできる。

なお、焼成物中にフリーライム（遊離石灰）が多く存在すると、コンクリート用骨材として使用した場合に、膨張破壊する可能性がある。したがって、焼成物１００質量％中におけるフリーライム量は、好ましくは０．４質量％以下であり、より好ましくは０．２質量％以下であり、さらに好ましくは０．１質量％以下である。

本発明の焼成物の容重は、高い圧壊強度を実現する観点から、好ましくは１２５０〜１４５０ｇ／Ｌであり、より好ましくは１２８０〜１４００ｇ／Ｌである。なお、容重とは、図１に示す測定容器（内容積２５０ｍＬ）及び漏斗を用い、漏斗を介して焼成物を測定容器に充填したときの質量と測定容器自体の質量とから、次式（Ｘ）により求められる値を意味する。
容重（ｇ／Ｌ）＝（焼成物が充填された測定容器質量（ｇ）−測定容器自体の質量（ｇ））×４．０・・・（Ｘ）

より具体的には、測定容器及び漏斗は、図１に示す形状及び寸法で、材質及び厚さは特に制限されない。
ＪＩＳＺ８８０１に規定された標準網ふるい９．５mm及び４．７５mm、又はこれらに準ずる板ふるいを用い、焼成物２kgをふるい分け、９．５mmふるいを通過し、４．７５mmふるい残分の粒径の焼成物を試料とする。図２に示すように、測定容器中に挿入された漏斗上に焼成物試料を、すりきりいっぱいまで静かに注ぎ入れる。次に、注意して、静かに漏斗を引き上げる。なお、焼成物が漏斗脚部に詰まり、円滑に流れ落ちない場合は、試料を容器に充填する操作からやり直す。

漏斗を引き上げた後、容器内の試料の表面は、その突出した部分と窪んだ部分が同じ程度になるよう、指先でならす。試料の充填が終了したら、容器とともにその質量を１ｇ単位まで正確にはかりとり、上記式によって容重の値を算出する。なお、容重の測定は、原則として２回実施し、その平均値を用いるが、２回の測定値の差は２０ｇ／Ｌ以内としなければならない。

本発明の焼成物の吸水率は、焼成物における高い圧壊強度や耐摩耗性を保持しつつ安定性を高める観点から、好ましくは５％以下、より好ましくは３．５％以下である。なお、吸水率とは、「ＪＩＳＡ１１１０（粗骨材の密度及び吸水率試験方法）」に準じて測定される値を意味する。

本発明の焼成物のすりへり減量は、焼成物における高い圧壊強度を保持しつつ良好な耐摩耗性を付与する観点から、好ましくは３０％以下であり、より好ましくは２５％以下であり、さらに好ましくは２０％以下である。

本発明の焼成物は、コンクリート用の骨材、路盤材、埋め戻し材等の土木・港湾材料として用いることができる。コンクリート用の骨材としては、細骨材、粗骨材のいずれにも使用することができる。

本発明の焼成物の粒度は、上記土木・港湾材料として好適に用いる観点から、好ましくは０．１〜１００ｍｍであり、特に粗骨材として使用する場合には、ふるい分け等により、例えば粒度を５ｍｍ以上に調整して用いるのがよい。

以下、本発明について、実施例に基づき具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。

［実施例１］
（１）焼成物の製造
石灰石、粘土、下水汚泥、土及び蛍石の原料を使用して、表１に示す鉱物組成（Ｃ₂Ｓ１００質量部に対するＣ₂ＡＳ、Ｃ₄ＡＦ及びＣ₃Ａの質量部）、並びにフッ素、亜鉛、ＳＯ₃及びフリーライムの含有量（焼成物１００質量％中における質量％）である焼成物を製造した。焼成は、小型ロータリーキルンを用いて、１３００℃で行った。この際、燃料として、一般的な重油のほか、廃油や廃プラスチックを使用した。

（２）焼成物の物性評価
得られた焼成物について、容重、吸水率、すりへり減量及び粉砕耐性を評価した。結果を表１に示す。

（i）容重（ｇ／Ｌ）
ＪＩＳＺ８８０１に規定された標準網を用い、上記の測定方法にしたがって、上記式（Ｘ）により求めた。

（ii）吸水率（％）
ＪＩＳＡ１１１０（粗骨材の密度及び吸水率試験方法）に準じて測定した。

（iii）すりへり減量（％）
ＪＩＳＡ１１２１（ロサンゼルス試験機による粗骨材のすりへり試験方法）に準じて測定した。

（iv）粉砕耐性（ダスティングの防止）：０．６ｍｍ通過分・１００μｍ通過分（質量％）
得られた焼成物約５ｋｇを、下部間隔約１０ｍｍに調整した大型ジョークラッシャで粉砕した。次いで、粉砕した焼成物を、目開き９．５２ｍｍのふるいにかけ、ふるい上の試料に対し、さらに下部間隔約３ｍｍに調整した小型ジョークラッシャで粉砕した。得られたふるい通過分と小型ジョークラッシャで粉砕した試料を混ぜ合わせ、４．０ｋｇ秤量した。秤量した試料を、粉砕助剤のジエチレングリコール１．８ｍＬとともにボールミルに加え、７０ｒｐｍで５００回転した後、５０回転で払出をした。得られた粉砕物の０．６ｍｍ通過分（質量％）及び１００μｍ通過分（質量％、ただし０．６ｍｍ通過分を１００質量％とする）を測定し、粉砕耐性やダスティングの防止効果を評価する上での指標とした。かかる通過分の値が小さいほど、粉砕耐性が高い焼成物であり、特に１００μｍ通過分の値が小さいほど、ダスティングを有効に防止して良好な焼成物が得られていると判断できる。
結果を表３に示す。

表１の結果より、Ｃ₂Ｓ１００質量部に対し、１０〜１００質量部のＣ₂ＡＳ、２０質量部以下のＣ₃Ａを含有し、かつフッ素を０．０３〜０．２質量％含有する焼成物１〜５、及び８〜９は、高い容重を有しつつ優れた粉砕耐性を示し、良好な物性を兼ね備えることがわかる。

（３）コンクリートの調製
下記材料を用い、表２に示す配合割合で、コンクリートを調製した。
セメント（Ｃ）：普通ポルトランドセメント（太平洋セメント（株）製）
細骨材（Ｓ）：静岡県小笠郡産陸砂
粗骨材（Ｇ）：表１に示す焼成物Ｎｏ.２及び焼成物Ｎｏ.３
普通ポルトランドセメントクリンカー
硬質砂岩砕石
水（Ｗ）：水道水
ＡＥ減水剤（ＷＲＡ）：リグニンスルホン酸系減水剤（ポゾリスNo.70、ＢＡＳＦポゾリス社製）

（４）コンクリートの物性評価
表２で得られた各コンクリートについて、圧縮強度、中性化及び長さ変化を評価した。結果を表３に示す。

（ｉ）圧縮強度
ＪＩＳＡ１１０８（コンクリートの圧縮強度試験方法）に準じて、材齢２８日、９１日及び１年の圧縮強度を測定した。

（ii）中性化
材齢２８日まで標準養生し、その後、温度２０℃、相対湿度６０％の室内で２８日間乾燥させた供試体について、ＣＯ2濃度５％、温度２０℃、相対湿度６０％の条件下で、促進中性化試験を行なった。フェノールフタレインの１％エタノール溶液を噴霧し、未着色部分の厚さから、中性化深さを求めた。

（iii）長さ変化
水中養生３ヶ月後のコンクリートの長さ変化を、ＪＩＳＡ１１２９−３に準じて測定した。

Claims

２ＣａＯ・ＳｉＯ₂１００質量部に対して、２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂を１０〜１００質量部含有し、かつ３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃の含有量が２０質量部以下である焼成物であって、焼成物１００質量％中に、フッ素を０．０３〜０．２質量％含有する焼成物。
焼成物１００質量％中に、亜鉛を０．０３〜０．５質量％含有する請求項１に記載の焼成物。
焼成物１００質量％中におけるＳＯ₃の含有量が、１．５質量％以下である請求項１又は２に記載の焼成物。
焼成物１００質量％中におけるＰ₂Ｏ₅の含有量が、０．３質量％以上である請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼成物。
焼成物１００質量％中におけるＰ₂Ｏ₅の含有量が０．３質量％未満であり、かつＫ₂Ｏ及び／又はＮａ₂Ｏを合計で１．０〜５．０質量％含有する請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼成物。
２ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂の一部が、４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・Ｆｅ₂Ｏ₃で置換されている請求項１〜５のいずれか１項に記載の焼成物。
容重が、１２５０〜１４５０ｇ／Ｌである請求項１〜６のいずれか１項に記載の焼成物。
産業廃棄物、一般廃棄物、汚染物及び建設発生土から選ばれる１種以上を原料とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の焼成物。