JP7292694B1 - 硬化物の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高硬度の硬化物の製造方法を提供する。【解決手段】硬化物は、無機物を粉砕した粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水を混合し、撹拌し、混合材を硬化させて形成したものである。無機物は産業廃棄物および自然物を含む。産業廃棄物は建築物などの構造物を破砕したときに発生するコンクリート、モルタル、瓦などを含む。自然物は貝殻、岩石、砂、ラテライト、動物の骨などを含む。また、無機物は脱水ケーキを含む。ウルトラファインバブル水に含まれる超微細気泡の平均粒径は約０．１３μｍ以下である。１ｃｃ当たりの超微細気泡の含有数は約１億個またはそれ以上である。硬化物の表面にアラミド繊維シートが張り付けられてもよい。混合材の材料にアルミナが追加されてもよい。【選択図】図１
Description
本発明は、硬化物の製造方法に関するものである。
下記の特許文献１にリグニンとセルロースとから選択される少なくとも一種およびコンクリート等の廃材を含む硬化物の製造方法が開示されている。リグニンとセルロースは植物由来の廃棄物などから得ることができる。
特許文献１は十分な強度を有することを開示しているが、さらに強度を高めることで材料の削減が可能になる。
本発明の目的は高硬度の硬化物の製造方法を提供することにある。
本発明の硬化物は、無機物からなる粉状体を生成する工程と、前記粉状体、ウルトラファインバブル水および接着剤を混合および撹拌して混合材を生成する工程と、前記混合材を型枠に流し込む工程と、前記混合材を硬化させる工程と、を含む。
本発明によると、ウルトラファインバブル水を利用することでウルトラファインバブル水が粉状体の奥深くまで浸透し、粉状体の奥深くまで水和反応が発生し、硬化物を強固にできる。
本発明の硬化物の製造方法について図面を参照して説明する。図面は説明のために模式的に示している。
[実施形態１]
硬化物は、無機物を粉砕した粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水を混合し、撹拌し、混合材を硬化させて形成したものである。
硬化物は、無機物を粉砕した粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水を混合し、撹拌し、混合材を硬化させて形成したものである。
無機物は産業廃棄物および自然物を含む。産業廃棄物は建築物などの構造物を破砕したときに発生するコンクリート、モルタル、瓦などを含む。自然物は貝殻、岩石、砂、ラテライト、動物の骨などを含む。また、無機物は脱水ケーキまたは汚泥などを含む。
無機物は粉砕されて粉状体になる。粉状体はカルシウムまたはカルシウム化合物が含まれる。カルシウム化合物は炭酸カルシウム、酸化カルシウム、珪酸三カルシウム、珪酸二カルシウム、アルミン酸三カルシウム、鉄アルミン酸四カルシウム、二水石膏などが含まれる。粉状体の平均粒径の一例は約３００μｍであるが、硬化物の硬度などに応じて適宜変更されてもよい。
接着剤は天然ゴム系、アクリル系、エポキシ系、シリコン系または酢酸ビニル系の材料で構成されるものが挙げられる。たとえば、接着剤としてゴムの木を原料とした（天然ゴム）ラテラックスを使用する。接着剤の平均粒径は約０．０２～１０μｍである。接着剤は１粒の粉状体の周囲に接着され、粉状体同士を接合する。天然ゴム系の接着剤を使用することで、環境負荷の小さな硬化物を製造できる。
ウルトラファインバブル水は水の中に超微細気泡を含む液体である。ウルトラファインバブル水に含まれる超微細気泡の平均粒径は約０．１３μｍ以下である。１ｃｃ当たりの超微細気泡の含有数は約1億個またはそれ以上である。超微細気泡の平均粒径、粉状体の平均粒径および接着剤の平均粒径の比はおおよそ１：１５,０００：７７になる。
ウルトラファインバブル水は物質の奥深くに浸透することができる。ウルトラファインバブル水は粉状体の表面に形成された微視的な穴および割れ目などの奥深くに浸透することができる。粉状体はカルシウムまたはカルシウム化合物を含んでおり、水によって水和反応し、硬化する。今回、ウルトラファインバブル水によって粉状体の奥深くまで水和反応がおこる。硬化物の硬度が高められる。
次に、硬化物の製造方法について説明する。（１）無機物からなる粉状体を生成する。無機物は、産業廃棄物となったコンクリートおよびモルタル、自然由来の貝殻（食用後の物を含む）、砂および岩石などの少なくとも１つを含む。コンクリートに鉄筋が含まれていた場合、鉄筋を取り除く。図１に示すように、準備された産業廃棄物１２などを破砕装置１４で粉砕して無機物からなる粉状体１６にする。破砕装置１４は複数のカッター１８が備えられており、そのカッター１８によって産業廃棄物１２などが破砕される。また、ヘドロなどを脱水して脱水ケーキにし、その脱水ケーキをふるいにかけてごみなどを取り除き、無機物からなる粉状体を生成してもよい。無機物は再利用品または自然界に多く存在するため、環境負荷が小さい。
（２）粉状体１６、接着剤およびウルトラファインバブル水を１つの容器２０に入れて混合し、さらに撹拌して混合材２２を形成する（図２）。粉状体１６、接着剤およびウルトラファインバブル水の割合は、粉状体１６が約７０～８０％、接着剤が約２０～１０％、ウルトラファインバブル水が約１０％である。硬化物の硬度に合わせて材料の割合を変更し、合計で１００％になるようにしてもよい。なお、材料の割合は一例であり、硬化物の硬度および形状などによって変更される場合がある。
混合および撹拌するために、容器２０に入れられた材料をプロペラ２４などでかき混ぜる撹拌機２６、混合材２２に直接的または間接的に振動を与える振動機、混合材２２の容器２０の角度を変化させる傾斜装置、混合材２２に風を当ててかき混ぜる送風機などを利用する。
粉状体１６、接着剤およびウルトラファインバブル水を１つずつ容器２０に入れて混合および撹拌してもよいし、それら複数を同時に容器２０に入れて混合および撹拌してもよい。また、粉状体１６と接着剤を混合させる途中または混合させた後、シャワーヘッドを通してウルトラファインバブル水を混合させてもよい。ウルトラファインバブル水がシャワーヘッドから多方向に広がって噴出され、ウルトラファインバブル水が粉状体１６と接着剤に混合されやすくする。粉状体１６はカルシウムまたはカルシウム化合物を含んでおり、粉状体１６はウルトラファインバブル水によって水和反応が生じ、硬化される。
（３）混合材２２を型枠に流し込む。型枠の中で混合材２２に気泡ができないように、混合材２２の中に振動装置を入れ、混合材２２の中で振動させて気泡を上方に抜けるようにしてもよい。混合材２２の硬化後に型枠から取り外せるように、型枠の内壁に離型用のシート、樹脂膜などを設けてもよい。
（４）型枠に流し込まれた混合材２２を硬化させる。硬化させるときに、混合材２２に圧力をかける。密閉可能であり、内部の雰囲気圧力を高めることが可能な圧力釜２８の中に型枠３０および混合材２２を入れてもよい（図３）。圧力釜内のヒータ３２を発熱させ、圧力釜内の温度を上げる。混合材２２が加熱され、その際に混合材２２から蒸発した水分によって圧力釜内の圧力が高まる。型枠３０の上部が開放されており、水蒸気３４によって混合材２２に圧力がかかる。たとえば、圧力釜２８の中の雰囲気温度は水が沸騰する温度、たとえば１００℃になるようにヒータ３２を設定する。混合材２２に含まれるウルトラファインバブル水は沸騰して水蒸気になることによって約１７００倍に膨張し、圧力釜内の圧力が高まる。硬化物の厚みにより適宜圧力を決定し、調節する。なお、圧力釜２８の内部にあるヒータ３２によって圧力釜内の雰囲気温度を上げたが、圧力釜２８の外部にヒータを配置し、そのヒータから圧力釜内の雰囲気温度を挙げられる構造であってもよい。圧力釜２８に対して吸気および排気できるように構成し、圧力釜２８の内部の圧力を調節できる構成であってもよい。
（５）混合材２２が硬化した後、圧力釜２８から型枠３０を取り出す。硬化物１０を型枠３０から取り外し、硬化物１０が完成する（図４）。硬化物１０は土木用構造物や建築物などに利用される。
以上のように、本発明はセメント、骨材（砂、砂利）を利用せずに硬化物１０を製造している。セメントおよび骨材は地球上で利用できる量が減少しているため、脱セメントおよび骨材を達成できる。従来技術のように木材などを利用していないため、強固な硬化物１０を製造することができる。硬化物１０の強度が強くなるため、構造物に使用する硬化物１０の厚みを薄くしたり、細くしたりすることも可能であり、材料の減量が可能になり、ＣＯ２排出量も削減できる。
[実施形態２]
実施形態１で製造された硬化物１０の周囲にアラミド繊維シートを張り付けてもよい。アラミド繊維シートは全芳香族アラミド繊維から構成される。アラミド繊維シートは、繊維を１方向または２方向に配列させてシート状にされている。硬化物１０の表面にアラミド繊維シートを巻いて張り付けられる。アラミド繊維シートを硬化物１０に張り付けることで、大きな外力（軸力、曲げモーメント、剪断力等）に対応できる。
実施形態１で製造された硬化物１０の周囲にアラミド繊維シートを張り付けてもよい。アラミド繊維シートは全芳香族アラミド繊維から構成される。アラミド繊維シートは、繊維を１方向または２方向に配列させてシート状にされている。硬化物１０の表面にアラミド繊維シートを巻いて張り付けられる。アラミド繊維シートを硬化物１０に張り付けることで、大きな外力（軸力、曲げモーメント、剪断力等）に対応できる。
アラミド繊維シートの張り付け方について説明する。（１）実施形態1で製造された硬化物１０の表面に対して下地処理をする。たとえば下地処理は硬化物１０の表面を研磨装置で研磨する。なお、下地処理が不要であれば省略してもよい。
（２）硬化物１０の表面に下塗り材を塗布する（プライマー処理）。下塗り材としてエポキシ樹脂が挙げられる。アラミド繊維シートの接着力を強化する。
（３）硬化物１０の表面に中塗り材３６を塗布し、硬化物１０の表面にアラミド繊維シート３８を張り付ける（図５）。中塗り材３６としてエポキシ樹脂が挙げられる。下塗り材と中塗り材３６は材料が異なっていてもよい。脱泡ローラで空気を抜きながらアラミド繊維シート３８を張り付けてもよい。中塗り材３６が乾燥する前に張り付ける。
（４）アラミド繊維シート３８の上から上塗り材４０を塗布する（図６）。アラミド繊維シート３８が見えなくなるように上塗り材４０を塗布することで、さらに強固な硬化物４２が製造される。上塗り材としてエポキシ系の塗装材が挙げられ、耐水性、耐薬品性または耐油性を有する材料であってもよい。
アラミド繊維シート３８によって当初の硬化物１０を補強できる。その硬化物１０は軸力、曲げモーメント、せん断力、ねじれ等に抵抗できる力が強くなる。硬化物４２の中に鉄筋などの補強材を入れるよりも強固に補強できる。アラミド繊維シート３８は、鉄筋などよりも引張り強度が強く、軽く、劣化しにくい。
上記アラミド繊維シート３８の代わりに炭素繊維シートを硬化物１０の表面に張り付けてもよい。炭素繊維シートは炭素繊維でできたシートであり、鉄の約１／４の軽さであり、鉄の約１０倍の強度を有する。硬化物１０の強度を高めることができる。
[実施形態３]
実施形態１において型枠３０に流し込まれた混合材２２に対して水蒸気３４で圧力釜内の圧力を高めて混合材２２に圧力をかけたが、他の方法で圧力をかけてもよい。たとえば、ホットプレス方式で、加熱と加圧により混合材２２の上方から荷重を加え、混合材２２に圧力をかけてもよい。
実施形態１において型枠３０に流し込まれた混合材２２に対して水蒸気３４で圧力釜内の圧力を高めて混合材２２に圧力をかけたが、他の方法で圧力をかけてもよい。たとえば、ホットプレス方式で、加熱と加圧により混合材２２の上方から荷重を加え、混合材２２に圧力をかけてもよい。
[実施形態４]
実施形態１において、必要に応じて混和剤を含めて硬化物１０を製造してもよい。混和剤は、粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水を混合して混合材を生成する際に混合してもよい。混和剤としては、減水剤、急結剤、凝結遅延剤、水和熱抑制剤などが挙げられる。
実施形態１において、必要に応じて混和剤を含めて硬化物１０を製造してもよい。混和剤は、粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水を混合して混合材を生成する際に混合してもよい。混和剤としては、減水剤、急結剤、凝結遅延剤、水和熱抑制剤などが挙げられる。
[実施形態５]
上記実施形態において、粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水を混合して撹拌したが、粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水にさらにアルミナ（酸化アルミニウム）を追加して混合してもよい。アルミナは粉状になっている。混合材にアルミナが含まれることで、硬化物１０の熱伝導率を高めることができる。所望の熱伝導率に応じて混合材におけるアルミナの割合を変更する。たとえば、製造する際に混合材の外面と内部の温度を均一にでき、均質な硬化物１０を製造しやすくなる。また、硬化物１０を地面などに設置することで、硬化物１０と設置した部分とで熱交換できるようになる。
上記実施形態において、粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水を混合して撹拌したが、粉状体、接着剤およびウルトラファインバブル水にさらにアルミナ（酸化アルミニウム）を追加して混合してもよい。アルミナは粉状になっている。混合材にアルミナが含まれることで、硬化物１０の熱伝導率を高めることができる。所望の熱伝導率に応じて混合材におけるアルミナの割合を変更する。たとえば、製造する際に混合材の外面と内部の温度を均一にでき、均質な硬化物１０を製造しやすくなる。また、硬化物１０を地面などに設置することで、硬化物１０と設置した部分とで熱交換できるようになる。
その他、本発明は、その主旨を逸脱しない範囲で当業者の知識に基づき種々の改良、修正、変更を加えた態様で実施できるものである。それぞれの実施形態は独立したものではなく、当業者の知識に基づき適宜組み合わせた態様で実施できるものである。
１０、４２：硬化物
１２：産業廃棄物
１４：破砕装置
１６：粉状体
１８：カッター
２０：容器
２２：混合材
２４：プロペラ
２６：撹拌機
２８：圧力釜
３０：型枠
３２：ヒータ
３4：蒸気圧
３６：中塗り材
３８：アラミド繊維シート
４０：上塗り材
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２８：圧力釜
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３６：中塗り材
３８：アラミド繊維シート
４０：上塗り材
Claims (3)
- 産業廃棄物からなるコンクリート、モルタルおよび瓦、自然物からなる貝殻、岩石、砂、ラテライトおよび動物の骨、脱水ケーキおよび汚泥の少なくとも１つを含む無機物からなる粉状体を生成する工程と、
前記粉状体、ウルトラファインバブル水および天然ゴム系、アクリル系、エポキシ系、シリコン系または酢酸ビニル系の材料で構成される接着剤を含む材料を粉状体が７０～８０％、接着剤が２０～１０％、ウルトラファインバブル水が１０％として合計で１００％になるようにして混合および撹拌し、ウルトラファインバブル水を粉状体の穴および割れ目に浸透させて混合材を生成する工程と、
前記混合材を型枠に流し込む工程と、
前記接着剤が粉状体の周囲に接着され、粉状体同士が接合されることで混合材を硬化させる工程と、
を含む硬化物の製造方法。 - 前記混合材を硬化させる工程が、混合材に圧力を加えながら硬化させる工程を含む請求項１の硬化物の製造方法。
- 前記混合材を硬化させて形成された硬化物の表面にアラミド繊維シートまたは炭素繊維シートを張り付ける工程を含む請求項１の硬化物の製造方法。
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2023
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