JP6448066B2 - 石炭灰を原料に用いたコンクリート - Google Patents

Description

本発明は、石炭灰を原料に用いたコンクリートに関する。さらに詳しくは、石炭灰を原料に多く用いながらも、圧縮強度を一定の水準に保つことができるコンクリートに関する。

現在、石炭火力発電所は全国各地に立地している。さらに、その低い発電コストから、原子力発電所事故による電力不足を補うものとして、全国各地で建設が計画されている。一方で、石炭火力発電所では、多量の石炭が使用されるが、石炭の燃焼に伴って、フライアッシュなどの石炭灰も大量に発生し、その処理が課題となっている。
発生した石炭灰の一部は、生コンクリート製造の際に混和材として使われることもあるが、大部分は、埋立て処理されたり、セメント会社へ費用負担の上、処理委託をされているのが現状である。

この石炭灰の活用推進方法のひとつとして、生コンクリートを製造する際、混和材としての位置づけにとどまらず、骨材である砂利や砂の使用を少なくして、その代わりに石炭灰を使用することが試みられている。さらには、砂利や砂を用いずに、石炭灰のみを使用することも試みられている。石炭灰のみを使用するものとして、混練方法を工夫したり（特許文献１）、一度埋め立てられた石炭灰である既成灰を利用する方法が存在する（特許文献２）。
しかしながら、生コンクリートの原料に石炭灰が多く含まれると、さらには砂利や砂が全て石炭灰に置き換えられてしまうと、硬化後のコンクリートの強度が大きく低下してしまう問題点や、既成灰という特殊な原料を用いるという問題点があった。

特開昭６１−８９８０８号公報 特開２０１３−１２４２１２号公報

本発明の目的は、より多くの石炭灰を原料としつつも、硬化後のコンクリートの圧縮強度を一定の水準を保つことのできる、生コンクリートを提供することである。本発明のさらなる目的は、原料中の石炭灰の割合をより多くすることで、安価な生コンクリートを提供すると共に、石炭灰の活用を進めることである。

本発明者は、上記目的を達成するために種々検討の結果、事前加水した水分含有フライアッシュや、発電所のボイラー底部にたまるクリンカアッシュを配合することで、コンクリートの圧縮強度が大きくなることを見出し、本発明に到達した。すなわち本発明は以下の通りである。

１．水分含有フライアッシュを原料とした生コンクリート。
２．水分含有フライアッシュとクリンカアッシュを原料とした生コンクリート。
３．水分含有フライアッシュの含水率が１０〜４０重量％である前記１又は２の生コンクリート。
４．砂及び砂利は含まない、前記１〜３のいずれか１の生コンクリート。
５．ＡＥ剤を含まない前記１〜４のいずれか１項の生コンクリート。
６．原料にスラグを含む前記１〜５のいずれか１の生コンクリート。
７．原料に木粉を含む、前記１〜６のいずれか１の生コンクリート。
８．前記１〜７のいずれか１の生コンクリートの硬化体。
９．前記８の硬化体を粉砕してなる硬化体造粒物。
１０．フライアッシュに加水したのち一定時間放置し、少なくとも前記加水放置したフライアッシュ、セメント及び水を混練する、生コンクリートの製造方法。
１１．フライアッシュに加水したのち一定時間放置し、少なくとも前記加水放置したフライアッシュ、クリンカアッシュ、セメント及び水を混練する、生コンクリートの製造方法。

本発明によれば、より多くの石炭灰を使用しつつも、硬化後のコンクリート圧縮強度を一定の水準に保つことのできる生コンクリートを製造できる。より多くの石炭灰を使うことで、安価なコンクリートが製造できると共に、発電所で大量に発生する石炭灰の活用を進めることもできる。

流動性能（フロー値）の測定方法を示した。 体積膨張（膨張長さ）の測定方法を示した。 流動性能の測定結果を示した。 体積膨張（膨張長さ）の測定結果を示した。 供試体重量の測定結果を示した。 圧縮強度の測定結果を示した。 事前に加水しないフライアッシュを用いたコンクリートの圧縮強度を示した。 水分含有フライアッシュを用いたコンクリートの圧縮強度を示した。

以下に本発明を詳細に説明する。
コンクリートは、土木、建築構造物の材料として広く使われている。コンクリートは、各種材料を混合し硬化させたものであるが、硬化前のコンクリートは生コンクリートと呼ばれ、一般に、セメント、細骨材、粗骨材、水、混和剤、及び必要に応じて混和材を混合し、練ることで、製造される。
多くの場合、細骨材には砂、粗骨材には砂利が使われる。混和剤は、少量混合するもので、コンクリートの種々の性能を向上させる役割を果たし、例えば、気泡を発生させてコンクリートの練り混ぜをスムーズにするＡＥ剤（Air Entraining剤）、セメントを分散させる減水剤がある。混和材は、比較的、量多く混合するもので、火山灰や石炭灰などのセメントと反応して新しい化合物を生成するものや、コンクリートの収縮によるひび割れ防ぐために用いる膨張材、金属精錬のときに発生するスラグなどである。

本発明の生コンクリートでは、細骨材や粗骨材として、砂や砂利の代わりに石炭灰を用いることがきる。砂や砂利を、全て石炭灰に置き換えてもよいし、一部を置き換えてもよい。石炭灰は、事前に加水した水分含有フライアッシュや、クリンカアッシュを用いる。砂や砂利の使用量が少ないほど低コストで生コンクリートを製造できるし、石炭灰を活用することにもなる。

フライアッシュは、ボイラー内の燃焼によって生じた石炭灰が燃焼ガス中に浮遊したものを、集塵機で回収したものである。本発明では、フライアッシュに事前に加水した水分含有フライアッシュを使用する。この水分含有フライアッシュは、他の材料と混合する前に、フライアッシュに加水し、一定時間放置したものである。このとき加える水の量で含水率（重量％）を計算する。含水率（重量％）＝加水した水／（フライアッシュ＋加水した水）とする。含水率は１０〜４０重量％とするのが好ましく、１０〜３５重量％とするのがより好ましく、１５〜３５重量％とするのがさらに好ましく、１８〜２２重量％とするのが特に好ましい。含水率が低いと、流動性能が低下するとともに、多孔質であるフライアッシュの細孔（空隙）中に、空気が多く残る。空隙内の空気はコンクリートを蒸気養生させるときに、急激な昇温により膨張し、内部破裂を引き起こし、硬化後のコンクリートの圧縮強度を低下させる。含水率が高いと、混練する際フライアッシュが団粒化し、均一に混練するのが難しくなり、硬化後のコンクリートの圧縮強度が低下する。

クリンカアッシュは、ボイラー内の燃焼により生じた石炭灰の粒子が溶解して相互に凝集し、底部の水槽に落下堆積したものを粉砕機で粉砕し、粒度調整したものである。微細粒子であるフライアッシュと比較し、粒径は大きい。また水槽に落下堆積したものであり、あらかじめ一定程度の水分を含有している。
なお、フライアッシュやクリンカアッシュの石炭灰は必ずしも石炭火力発電所で発生したものでなくてもよく、例えば熱供給ボイラーから発生したものであってもよい。また、フライアッシュとクリンカアッシュの密度はほぼ同じであるとより好ましく、クリンカアッシュ密度に対するフライアッシュ密度の差異はプラスマイナス５％以下であるとより好ましい。比重の差異は混練度合に影響を与える可能性がある。

水分含有フライアッシュとクリンカアッシュの重量混合比は、好ましくは９５：５〜５０：５０、より好ましくは９５：５〜７０：３０、さらに好ましくは９５：５〜８５：１５である。クリンカアッシュの割合が一定程度以上であれば、流動性能が向上し、大きな強度を出すことができる。また、石炭火力発電所で発生するフライアッシュとクリンカアッシュの割合はおよそ９：１であり、石炭灰を無駄なく活用するという点でも、９０：１０近辺は都合がよい。
生コンクリートの総重量に対し、石炭灰（加湿前のフライアッシュ＋クリンカアッシュ）の重量比に特に制限はないが、好ましくは０．５〜０．７である。重量割合が高すぎると強度が低下してしまう可能性があるし、低すぎては、石炭灰の活用を進めるという点から不都合である。

混和剤は添加してもよいが、添加しなくてもよい。添加しなくとも水分含有フライアッシュとクリンカアッシュを原料とすれば、生コンクリートは流動性能を保つことができ、充分な混練ができるので、硬化後のコンクリート強度を維持することができる。混和剤を添加しなければ、より低コストで生コンクリートを製造できる。
生コンクリートの原材料としては、重量を増やすためにスラグを加えてもよい。また、漁礁を製造する際、コンクリートを材料とすることがあるが、その際、混合すると藻類の成長に有用とされる、木粉を加えてもよい。

コンクリートは下記のように製造される。
フライアッシュに事前に加水するときは、空気を巻き込みにくい方法であればどのようなものでもよいが、混練用ミキサーで撹拌しながら加水したり、加水後に混練して水を馴染ませる方法がある。また、実運用時の現実的な方法として、例えばフライアッシュを空中に飛ばしてそれに水を噴霧する方法がある。これは、高速回転する円板が縦に２枚並んだ、臼を縦にしたような装置にフライアッシュを投入し、フライアッシュを薄く回転分散させながら（空中に飛ばしながら）、圧力調整のできるアンローダーバルブから水を噴霧し、調製する方法である。
加水して放置する時間は、１２時間以上が好ましく、より好ましくは１８時間以上、さらに好ましくは２４時間以上である。放置する時間が長いほど、フライアッシュの粒子表面の凹凸に水が行きわたり、空隙の空気が追い出されるので好ましい。
放置後、セメント、水分含有フライアッシュ、クリンカアッシュ、水、必要に応じて、砂利、砂、混和剤、混和材を、混練する。セメントや水など各種材料の配合割合は、目標強度等に応じて設定する。できた生コンクリートを型に流し込んで成型する。成型後、コンクリートを養生する。必要に応じて、コンクリートを破砕して、粉砕物とする。

本発明のコンクリートの用途として、例えば、コンクリート製品は漁礁が考えられ、コンクリート粉砕物は、再生路盤材、土木工事の際の埋め戻し材、生コンクリートの骨材が考えられる。

以下に、本発明を実施例で説明する。

実施例１
フライアッシュを配合したコンクリートについて、事前加水すること、クリンカアッシュを配合することの効果を調べた。具体的には、混練後の流動性能、硬化後の体積膨張、密度、圧縮強度を調べ、その値を比較した。

１．コンクリートの製造
石炭灰は２つの発電所イ、ロから排出されたものをそれぞれ用いた。生コンクリートの配合は表１イ、ロに示した。
発電所イについては、事前加水しないフライアッシュを配合したコンクリート（比較実験例イ−Ａ（乾燥灰）、比較実験例イーＢ（乾燥灰＋ＡＥ剤））、事前加水した水分含有フライアッシュを配合したコンクリート（実験例イ−Ａ（３０％水分含有フライアッシュ）、実験例イ−Ｂ（全量水分含有フライアッシュ））を準備した。発電所ロについては、事前加水しないフライアッシュを配合したコンクリート（比較実験例ロ−Ａ（乾燥灰）、比較実験例ロ−Ｂ（乾燥灰＋ＡＥ剤））、水分含有フライアッシュを配合したコンクリート（実験例ロ−Ａ（２０％水分含有フライアッシュ））、水分含有フライアッシュとクリンカアッシュを配合したコンクリート（実験例ロ−Ｂ（２０％水分含有フライアッシュ＋クリンカアッシュ））を準備した。
表１の配合割合で、各種材料をミキサーに投入し混練した。水分含有フライアッシュは、フライアッシュに、事前に、表１ＦＷで示した量を加水し、小型ミキサーで撹拌し、１５時間放置して、調製した。ただし、実験例イ−Ｂ、全量事前に加水したものは、３２時間放置した。

２．各種数値の測定
混練後の流動性能については、混練した生コンクリートを、円筒を使って直径１０ｃｍ、高さ５ｃｍの円柱状とし、これを、振動機を使って２０秒間振動させ、振動後の直径（フロー値）を測定した（図１）。振動後の直径（フロー値）が大きいほど流動性能が高いこととなる。
硬化後の体積膨張（膨張長さ）については、直径１２．５ｃｍ、高さ２５ｃｍの円柱状の供試体型枠に、生コンクリートを流しいれ、養生完了後に、膨張長さを測定した（図２）。
密度については、体積を一定にして、そのときの重量を比較した。すなわち、硬化後の供試体コンクリートの重量を測定し、膨張したものついては、膨張した部位を除去して、重量を測定した。なお、主な原料に大きな違いがない場合、密度は大きい方が、中身が詰まっている優れたコンクリートといえる。
圧縮強度については、供試体コンクリートを使って、ＪＩＳ Ａ １１０８に従って測定した。

３．結果
流動性能、体積膨張（膨張長さ）、供試体重量、圧縮強度の測定結果を表２〜５、図３〜６に示した。なお、発電所ロのコンクリートは、養生後いずれも体積膨張しなかった（図表なし）。
実験例イーＡ（３０％水分含有フライアッシュ）は、比較実験例イ−Ａ（乾燥灰）と比べ、体積膨張（膨張長さ）は少なく（２７⇒７ｍｍ、表３、図４）、密度（供試体重量）も高く（４．８２７⇒５．１２６ｋｇ、表４、図５）、圧縮強度も大きかった（４．１３⇒１１．５Ｎ／ｍｍ^２、表５、図６）。
実験例イーＢ（全量加湿）も、比較実験例イ−Ａ（乾燥灰）と比べ、体積膨張（膨張長さ）は少なく（２７⇒２ｍｍ、表３、図４）、密度（供試体重量）も高く（４．８２７⇒５．３１０ｋｇ、表４、図５）、圧縮強度も大きかった（４．１⇒１２．８Ｎ／ｍｍ^２、表５、図６）。実験例イーＡ（３０％水分含有フライアッシュ）と比較しても、流動性能はやや劣るものの（表２、図３）、体積膨張（膨張長さ）（表３、図４）、密度（供試体重量）（表４、図５）、圧縮強度（表５、図６）は優れていた。
発電所ロについても、実験例ロ−Ａ（２０％水分含有フライアッシュ）は、比較実験例ロ−Ａ（乾燥灰）と比べ、体積膨張（膨張長さ）は同様で（共に膨張無し）、密度（供試体重量）は高く（５．３２８⇒５．５５６ｋｇ、表４、図５）、圧縮強度は大きかった（１３．４⇒１８．９Ｎ／ｍｍ^２、表５、図６）。比較実験例ロ−Ｂ（乾燥灰＋ＡＥ剤）と比較しても、密度は高く（５．３６２⇒５．５５６ｋｇ、表４、図５）、圧縮強度も大きかった（１２．３⇒１８．９Ｎ／ｍｍ^２、表５、図６）。
実験例ロ−Ｂ（２０％水分含有フライアッシュ＋クリンカアッシュ）の結果は、最も優れていて、体積膨張（膨張長さ）、供試体重量、圧縮強度のいずれも、比較実験例ロ−Ａ（乾燥灰）、比較実験例ロ−Ｂ（乾燥灰＋ＡＥ剤）、実験例ロ−Ａ（２０％水分含有フライアッシュ）と比較しても、ほとんど全ての項目で、最も優れているか、最も優れているものと同じ値であった（表２〜５、図３〜６）。
なお、流動性能は、事前加水しないフライアッシュを原料とした比較実験例の方が、水分含有フライアッシュを原料とした実験例より優れている傾向があるが（図３）、これは供試体の軽さや膨張性の大きさから空気の混入によるもので、圧縮強度には寄与しないと考えられる。

なお、２つの発電所から排出される石炭灰の性質について、その密度を測定し表６に示した。発電所イの石炭灰を使用したコンクリートは、圧縮強度等、各種値が発電所ロのものより結果が劣っているが、発電所イのフライアッシュの密度がやや大きく、生コンクリートの混練度合に何らかの影響を与えた可能性がある。

実施例２
フライアッシュとクリンカアッシュが配合されたコンクリートについて、事前加水した水分含有フライアッシュを配合することの効果を調べた。石炭灰は、発電所ロから排出されたものを使用した。
１．比較対照コンクリートの製造
フライアッシュに事前に加水せず、表７の配合割合でセメント、水、フライアッシュ、クリンカアッシュをミキサーに投入し混練した。これを成型し、８０℃で２４時間蒸気養生して、コンクリートを製造した（表７比較実験例１〜４）。

２．本発明のコンクリートの製造
フライアッシュに、表８の水分含有フライアッシュで示した量を、実施例１と同様の方法で加水して、２４時間放置し、これを水分含有フライアッシュとした。表８の配合割合でセメント、水、水分含有フライアッシュ、クリンカアッシュをミキサーに投入し、混練した。これを成型し、８０℃で２４時間蒸気養生して、コンクリートを製造した（表８実験例１〜４）。

３．圧縮強度及び単位質量の測定
直径１０ｃｍ、高さ２０ｃｍの円柱供試体を、比較実験例は材齢２日で、水分含有フライアッシュを用いた実験例は材齢４日で、圧縮強度試験に供した。試験方法はＪＩＳ Ａ １１０８に従った。
比較実験例の圧縮強度の測定結果を、表９、図７に、実験例の結果を表１０、図８に示した。比較実験例１〜４はいずれも目標強度の１８Ｎ／ｍｍ^２に達しなかったが、水分含有フライアッシュを配合した実験例１〜４は、いずれも目標強度に達した。実験例３は、比較実験例１と比較し、各材料の配合割合は全く同じだが、実験例３の強度は、比較実験例１と比べ大きかった（４．７⇒１８．３Ｎ／ｍｍ^２）。フライアッシュとクリンカアッシュを共に配合した場合も、フライアッシュに事前加水する（水分含有フライアッシュを使用する）ことで、圧縮強度が向上することがわかった。
単位重量は、一定の体積を持った供試体の重量で、コンクリート密度に相当する値である。実験例３を比較実験例１と比較すると、配合割合は同じであるにもかかわらず、実験例３の方が単位重量の値は大きい、つまり、水分含有フライアッシュを配合することで、コンクリート密度が大きくなることがわかった。これは、事前加水することで、膨張の原因となる空隙内の空気が追い出され、コンクリート密度を高くすることができたことによると考えられる。

本発明の生コンクリートは、より多くの石炭灰を原料としつつも、硬化後の圧縮強度を一定の水準に保つことができる。この生コンクリートを使用すれば、安価な生コンクリートを提供できると共に、石炭灰の活用を進めることもでき、土木、建築、電力業界に資するものである。

Claims (14)

1. ＡＥ剤を含まない、加水して１２時間以上放置した水分含有フライアッシュを原料とした生コンクリート。
2. 加水して１２時間以上放置した水分含有フライアッシュと、クリンカアッシュを原料とし、フライアッシュが細骨材、クリンカアッシュが粗骨材として用いられ、硬化促進剤を含まない生コンクリート。
3. ＡＥ剤を含まない、請求項２の生コンクリート。
4. 加水して１２時間以上放置した水分含有フライアッシュと、クリンカアッシュを原料とし、フライアッシュが細骨材、クリンカアッシュが粗骨材として用いられ、実質的に混和剤を含まない生コンクリート。
5. 前記水分含有フライアッシュの含水率が１０〜４０重量％である請求項１〜４のいずれか１の生コンクリート。
6. 砂及び砂利は含まない、請求項１〜５のいずれか１の生コンクリート。
7. 原料にスラグを含む請求項１〜６のいずれか１の生コンクリート。
8. 原料に木粉を含む、請求項１〜７のいずれか１の生コンクリート。
9. 請求項１〜８のいずれか１の生コンクリートの硬化体。
10. 請求項９の硬化体を粉砕してなる硬化体造粒物。
11. フライアッシュに加水したのち１２時間以上放置し、少なくとも、前記加水放置したフライアッシュ、セメント及び水を混練し、ＡＥ剤は混合しない、生コンクリートの製造方法。
12. フライアッシュに加水したのち１２時間以上放置し、少なくとも、前記加水放置したフライアッシュ、クリンカアッシュ、セメント及び水を混練し、硬化促進剤は混合せず、フライアッシュは細骨材、クリンカアッシュは粗骨材として用いる、生コンクリートの製造方法。
13. ＡＥ剤を混合しない請求項１２の生コンクリートの製造方法。
14. フライアッシュに加水したのち１２時間以上放置し、少なくとも、前記加水放置したフライアッシュ、クリンカアッシュ、セメント及び水を混練し、実質的に混和剤は混合せず、フライアッシュは細骨材、クリンカアッシュは粗骨材として用いる、生コンクリートの製造方法。