JPH10279332A

JPH10279332A - 環境調和型水硬性組成物の製造方法

Info

Publication number: JPH10279332A
Application number: JP9096644A
Authority: JP
Inventors: Tomonobu Ueyasu; 知伸上保; Yoshiaki Tsuchida; 良明土田; Taku Nakano; 卓中野; Shunichiro Uchida; 俊一郎宇智田
Original assignee: Chichibu Onoda Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は都市ゴミ焼却灰をはじめとした都市
型総合廃棄物を原料として使用しても所定量のカルシウ
ムクロロアルミネートが生成され、品質が安定した水硬
性組成物を製造することを課題とする。【解決手段】都市ゴミ焼却灰をはじめとした都市型総
合廃棄物を用い、成分調整に石灰粉、粘土などの天然資
源あるいは、その他生活／産業廃棄物等を混合して原料
を調合し、焼成して得られるクリンカー中にカルシウム
クロロアルミネート（１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＣ
ｌ₂）が１５〜３０％含まれる水硬性組成物の製造にお
いて、硫酸化合物をＳＯ₃として約１〜４％添加し、原
料を調合する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は生活廃棄物で、主と
して投棄処分される都市ゴミを再資源化することを特徴
しまた重金属等を溶出して環境に悪影響を及ぼさない環
境調和型水硬性組成物の製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】人間社会が高度に進展するにともない、
環境保全は大きな社会問題であり、都市ゴミ焼却灰をは
じめとした一般廃棄物、その他の生活／産業廃棄物の著
しい増加によりその処理が大きな社会問題となってい
る。これらの生活／産業廃棄物の有効利用、再資源化は
各方面で進められているが、決定的な方法がなく多くは
投棄されている。

【０００３】近年、都市ゴミ焼却灰などを最終的に処分
する場所の確保が困難になり、年々増加するこれらの都
市ゴミ焼却灰を投棄処分するのではなく、セメントと同
等に利用可能な上記の鉱物から構成される水硬性組成物
とするための原料として有効に利用しようとする試みが
なされてきている。

【０００４】都市ゴミ焼却灰の化学成分は発生源により
多少変化するが、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、Ｃａ
Ｏ、ＭｇＯ、アルカリ（Ｎａ₂Ｏ又はＫ₂Ｏ）、塩素、重
金属等を含む。このような組成物は有効利用の手段とし
て、従来、セメントに増量材として混合使用したり、ブ
ロック用骨材または増量材として一部使用されてきた
が、多くはそのまま投棄されてきている。また，重金属
の含有量の多い場合は溶融処理して重金属の溶出が生じ
ないようにしてから処分される。しかし、焼却場などの
処分場において処分する際にはすべての処分場において
重金属を処理するための設備が完備されているわけでは
なく、重金属を含有した焼却灰がそのまま投棄され、投
棄地において二次公害の発生が懸念されている。

【０００５】一方、セメント製造においては、Ｓｉ
Ｏ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、Ｆｅ₂Ｏ₃、ＣａＯ、ＭｇＯを含む天然
原料や産業副産物がセメント用原料として使用されてい
るが、都市ゴミのように塩素を含む原料は近代化したセ
メント製造プロセスの焼成段階、予熱交換器において調
合原料の付着・閉塞が生じ、安定的な操業が不可能であ
る。また、セメントの用途において塩素による鉄筋の腐
食が懸念され全く利用されていない状態である。また、
省エネルギー型セメントとしては，塩素を含む高塩基性
カルシウムクロロシリケート、カルシウムクロロオルソ
シリケート、カルシウムクロロアルミネート及びカルシ
ウムクロロアルミノフェライトからなるセメントおよび
その製造方法が公知であり、石灰成分、アルミナ成分、
シリカ成分、鉄成分、マグネシウム含有成分およびカル
シウムクロライドからなる原料混合物を１０００〜１２
００℃の範囲内で焼成、粉砕することによって製造され
ることが知られている（特公昭５８ー５７３７８）。

【０００６】また、従来、投棄やセメントの増量材とし
て一部をそのまま混合して建設資材として使用されてい
た都市ゴミ焼却灰を貝殻や下水汚泥に生石灰を添加した
下水汚泥乾粉、その他、生活／産業廃棄物などと混合
し、適切な化学成分に調整し、焼成・粉砕して得る資源
リサイクル化を特徴とする環境調和型の水硬性組成物お
よびその製造方法が知られている。この製造方法は、化
学成分調整用として従来から使用されている粘土や珪
石、石灰石を一部使用する。これらを焼成処理すると、
都市ゴミ焼却灰に含まれる重金属の溶出量は大幅に低減
され、資源のリサイクル化が可能になるばかりでなく、
通常のセメントに類似した使用が可能となる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、都市ゴ
ミ焼却灰には、１０％程度含有する塩素以外にも、アル
カリ成分（Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ）を数％含有しているも
のもあるために、このようなものを原料として使用し、
１１００〜１４００℃で焼成した場合には、アルカリ成
分が塩素を揮散せしめ、所定量の塩素含有鉱物が生成し
なくなる。すなわち、所定量のカルシウムクロロアルミ
ネートが生成せずに三酸化カルシウムアルミネート（３
ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）が多く生成してしまう。この鉱物が
多く生成した水硬性組成物は、注水直後の瞬時に水和反
応し、事実上施工時の使用時間を確保することが困難で
ある。水硬性組成物の品質が常に一定なものを製造する
ことが困難な状況であった。したがって本発明は都市ゴ
ミ焼却灰をはじめとした都市型総合廃棄物を原料として
使用しても所定量のカルシウムクロロアルミネートが生
成され、品質が安定した水硬性組成物を製造することを
課題とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の環境調和型水硬性組成物の製造方法は都市
ゴミ焼却灰をはじめとした都市型総合廃棄物を用い、成
分調整に石灰粉、粘土などの天然資源あるいは、その他
生活／産業廃棄物等を混合して原料を調合し、焼成して
得られるクリンカー中にカルシウムクロロアルミネート
（１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＣｌ₂）が１５〜３０
％含まれる水硬性組成物の製造において、硫酸化合物を
ＳＯ₃として約１〜４％添加し、原料を調合することを
特徴とする環境調和型水硬性組成物の製造方法を提供す
る（請求項１）。また、この発明において、成分調整原
料としてＦｅ₂Ｏ₃を１〜１０％含有することが好ましい
（請求項２）。さらに好ましくは、この発明において、
前記クリンカーをブレ−ン比表面積が２０００ｃｍ²／
ｇ以上に粉砕し、粉砕時あるいは粉砕した後に石膏を適
当量添加することである（請求項３）。

【０００９】以下この発明の詳細を説明するが、配合、
組成等は特に明示する場合を除いていずれも重量％を示
す。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明の原料として用いる都市型
総合廃棄物は都市ゴミ焼却灰や貝殻、下水汚泥乾粉、そ
の他塩化ビニルなど生活／産業廃棄物を言う。これらの
都市型総合廃棄物には、塩素を含有するもの、アルカリ
分を含有するもの、あるいは、両者ともに含有するもの
など多様にあるが、これらを適当な割合で調合し焼成す
ることで塩素を含有する鉱物カルシウムクロロアルミネ
ート（１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＣｌ₂）を含有す
るセメントを製造することができる。塩素含有鉱物（カ
ルシウムクロロアルミネート）を生成させる場合、塩素
は組成物の焼結の鉱化剤としての役割と水硬性組成物の
一部として包含されるが、適切な水硬性組成物を得るた
めの調合原料中の塩素量は、２〜２０％であり、都市ゴ
ミ焼却灰中の塩素量が共存するアルカリと反応する量を
差し引いてこの値より低い場合は塩素含有物質を原料の
一部として追加使用する。また、環境調和型水硬性組成
物の物性は塩素含有鉱物の量比などに対応した物性を示
す。追加添加される塩素含有物質としては、塩化カルシ
ウムや塩化アルミニウム、塩化ビニル焼却物等が使用で
きる。

【００１１】環境調和型水硬性組成物は、都市ゴミ焼却
灰、貝殻、下水汚泥乾粉の他、石灰石などの石灰質原
料、粘土や珪石、アルミ灰、ボーキサイトなどのアルミ
ナおよび珪酸質原料、鉄原料及び塩素含有物質を適切に
調整し焼成する。これらの調合原料を必要以上の高温で
焼成したり、アルカリ（Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ）が多い場
合、鉱化剤としての役割と水硬性組成物の一部に取り込
まれる塩素が揮散し、適切な組成物が生成せず、キルン
内に溶融物が付着・閉塞し、安定な製造操作ができなく
なる。一方、低温で焼成した場合も十分な反応が進行せ
ず、適切な組成物が得にくくなることから、焼成温度と
しては、１１００〜１４００℃が適当である。

【００１２】当該組成物を得るには、請求項１記載にあ
るように無水もしくは二水石膏など硫酸化合物から構成
される物質を調合原料中にあらかじめＳＯ₃として１〜
４％以下となるように添加することが必要となる。この
硫酸化合物の添加量がＳＯ₃として１％以下では、上記
目的を達成することが困難であり、すなわち、適正量の
塩素含有鉱物が生成せずに三酸化カルシウムアルミネー
トが生成してしまい、品質が安定した水硬性組成物を得
ることは困難となる。また，添加量がＳＯ₃として４％
以上であると、ロータリーキルンなどの回転窯で焼成す
るさいに易焼成性が低下し、十分な焼結反応が進行しに
くくなると同時に、焼成温度を高めにすることから塩素
の揮散を助長することになり、所定量の塩素含有鉱物が
生成しづらくなる。これらのことから、調合原料中にあ
らかじめ添加する硫酸化合物はＳＯ₃として１〜４％と
することが望ましい。

【００１３】また、原料の粉末度はセメントクリンカー
の易焼成性にかなりの影響を及ぼすが、８８μｍ残分で
２０％以下であれば、粉末度による易焼成性の相違は少
ない。また，当該調合原料中に含まれるＦｅ₂Ｏ₃成分は
易焼成性を良好とならしめるように作用するこことが確
かめられ、上記調合原料中の最適Ｆｅ₂Ｏ₃含有量は１〜
１０％であり、望ましくは２〜７％である。調合原料中
のＦｅ₂Ｏ₃含有量を上記範囲に調整すれば、調合原料の
易焼成性が大幅に改善される。

【００１４】都市ゴミ焼却灰中のアルカリ（Ｎａ₂Ｏお
よびＫ₂Ｏ）含有量は５〜７％の範囲にあるが、アルカ
リ成分はカルシウムクロロアルミネートの生成量に影響
を及ぼし、都市ゴミ焼却灰の調合割合を適当量調整し、
調合原料中のアルカリ成分の含有量が少なくとも５％以
下となるように調製することが望ましい。アルカリが多
い場合、上記組成物の生成が抑制され、水硬性組成物の
硬化性が低下するばかりでなく、セメントとして使用さ
れる場合も硬化体の寸法安定性に悪影響を示す。

【００１５】このようにして得られた焼結物の環境調和
型水硬性組成物のうちにはエーライト（３ＣａＯ・Ｓｉ
Ｏ₂）およびビーライト（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）などのカ
ルシウムシリケートが含まれ、これは初期および長期強
度に寄与し、カルシウムクロロアルミネートは数時間以
降の強度発現に対応する。従って、従来セメントに混合
使用したり、ブロック用骨材または増量材として使用し
たり、そのまま投棄または、溶融して都市ゴミ焼却灰中
の重金属の溶出を抑制して処理してきた都市ゴミ焼却灰
を、環境調和型水硬性組成物として従来のセメントと類
似した使用が可能となり、資源のリサイクルとして有効
に活用することができる。また、調合原料の化学成分に
よってはカルシウムクロロオルソシリケートおよびカル
シウムクロロアルミノフェライトが存在することがある
が、強度発現や凝結にはあまり寄与せず、本発明の必須
成分ではなく、本質的な役割をなすものではない。

【００１６】ここで、各鉱物の生成量は組成物の生成過
程及び平衡関係から便宜的に次式により算出されるが、
都市ゴミ焼却灰を使用して焼結物を焼成するに当たり、
調合原料にＦｅ₂Ｏ₃は１〜１０％に調製することが望ま
しく、アルカリ量を５％以下とすることによりロータリ
ーキルンなどの加熱機による焼成を安定的に、良好な品
質を確保することが可能となる。次式においてＡはＣ₃
Ｓ、ＢはＣａＯ、ＣはＳｉＯ₂、ＤはＡｌ₂Ｏ₃、ＥはＦ
ｅ₂Ｏ₃、ＦはＣ₂Ｓ、ＧはＣ₁₁Ａ₇・ＣａＣｌ₂、ＨはＣ₄
ＡＦを表す。単位はすべて重量％である。

【００１７】

【数１】

【００１８】

【数２】

【００１９】

【数３】

【００２０】

【数４】

【００２１】また、当該水硬性組成物のうちカルシウム
クロロアルミネートを所定量生成させることが重要とな
るが、その生成量は使用原料のうち都市ゴミ焼却灰中の
Ａｌ₂Ｏ₃含有量に大きく依存する。上記に示したとお
り、カルシウムクロロアルミネートは１５〜３０％が好
ましく、このカルシウムクロロアルミネートが１５％以
下であると、都市ゴミ焼却灰の使用割合が極端に減少
し、生活／産業廃棄物の有効利用の観点から好ましくな
い。また、３０％以上であると硬化体の寸法安定性に悪
影響を及ぼす恐れがあるために、これを超えることは好
ましくない。よって、当該組成物中のカルシウムクロロ
アルミネートは１５〜３０％の範囲が望ましい。

【００２２】都市ゴミ焼却灰には、１０％程度含有する
塩素以外にも、アルカリ成分（Ｎａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ）を
５％以上含有しているものもあるために、このようなも
のを原料として使用し、１１００〜１４００℃で焼成し
た場合には、アルカリ類が塩素を揮散せしめ必要な塩素
が不足してしまい、所定量の水硬性組成物が生成しなく
なる。すなわち、所定量のカルシウムクロロアルミネー
トが生成せずに三酸化カルシウムアルミネートが多く生
成する。この鉱物が多く生成した水硬性組成物は、注水
直後直ちに水和反応し、事実上施工時の使用時間を確保
することが困難であり使用できない。このような場合
は、水硬性組成物を得るさい、無水もしくは二水石膏な
ど硫酸化合物から構成される物質を調合原料中にあらか
じめＳＯ₃として１〜４％以下となるように添加する
と、１１００〜１４００℃の焼成によって、調合原料中
のアルカリ分は一部は硫酸根と化合し焼結物に残存する
ようになる。その結果、塩素はアルカリによってクリン
カー鉱物の生成に必要な量以上揮散せずに、塩素含有鉱
物であるカルシウムクロロアルミネートの生成に寄与す
ることが明らかとなった。

【００２３】したがって、上記の方法によって多量に発
生する都市ゴミ焼却灰の化学組成がいかなる場合におい
て、特に含有するアルカリ成分が多い灰においても、セ
メントの製造分野において有効に利用することが可能と
なり、さらに燃料の消費量を低減させ、クリンカーを粉
砕するためのエネルギーを低減させるなど省エネルギー
の観点から大きく省エネルギーに寄与するものである。

【００２４】焼成した焼結物は、通常の粉砕ミルにより
粉砕して使用する。この場合の粉末度は、当該水硬性組
成物自身の強度発現と密接に関係し、ブレーン比表面積
で２０００ｃｍ²／ｇ以上、望ましくは３５００〜５０
００ｃｍ²／ｇ程度とするのがよい。

【００２５】また、粉砕する場合に添加する凝結調節材
は、二水石膏、半水石膏、無水石膏のいずれでもよい
が、カルシウムクロロアルミネート又はカルシウムアル
ミネートの含有量が多い焼結物には無水石膏を用いるの
が望ましい。また、石膏の添加量は焼結物中のＡｌ₂Ｏ₃
量に対しＳＯ₃としてＳＯ₃／Ａｌ₂Ｏ₃モル比で０．３〜
１．５の範囲に留めるのが組成物の物性として良好であ
る。このほか、クエン酸等の有機酸や硫酸アルカリ、硝
酸アルカリ、塩化アルカリ等はフレッシュ水硬性組成物
の流動性を高めたり、硬化時間を遅延するのに効果的で
ある。

【００２６】

【実施例】以下本発明を更に詳細に理解できるように当
該物質の製造と性質を具体的に示す幾つかの実施例を挙
げて説明する。尚、ここですべての実施例においてクリ
ンカー中の鉱物組成はＸ線回折および化学分析により定
量的に決定したものである。

【００２７】ここで使用した代表的な原料種の化学成分
を表１に示す。これらの原料種よりＣａＯ／（ＳｉＯ₂
＋Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｆｅ₂Ｏ₃）の組成比が１．７〜２．２とな
るように調合したときの調合割合を表２に示し、焼成し
て得た焼結物を粉砕し調製した水硬性組成物の鉱物組
成、ＪＩＳ法に準じた凝結及び強度発現性を表３に示
す。

【００２８】

【表１】

【００２９】

【表２】

【００３０】

【表３】

【００３１】表３において、「Ｃ」はＣａＯを、「Ｓ」
はＳｉＯ₂を、「Ｆ」はＦｅ₂Ｏ₃を、「Ａ」はＡｌ₂Ｏ₃
を示す。表３より、調合原料を調製するときにセッコウ
を使用していない比較例については、クリンカー鉱物中
に３ＣａＯ・Ａｌ₂０₃が生成し、ＪＩＳモルタルにおけ
る凝結時間がごく短いことから施工時の作業性を困難に
してしまうことが明らかである。さらに、硬化体寸法安
定性に欠けることから強度発現性も良好とはいえず、品
質的に安定したものが得られにくい。セッコウを使用し
た実施例については、十分な凝結時間が確保され、強度
発現性も良好な安定したセメントを得ることが可能とな
った。

【００３２】また、硬化モルタルについて実施した環境
基準法に則り測定した重金属などの溶出試験結果では、
重金属の溶出量は環境基準以下であった。

【００３３】

【発明の効果】本発明による組成物とその製造方法は上
記のように、セメントの用途において全く利用されてい
ない都市ゴミ焼却灰、特に塩素含有量の多い都市ゴミ焼
却灰を貝殻や下水汚泥乾粉、その他生活／産業廃棄物な
どと混合し、焼成・粉砕して普通のセメントと同様に使
用できる水硬性組成物を得ることが可能となり、また、
重金属等の溶出のない環境に悪影響を及ぼさない品質の
安定した水硬性組成物を得ることができる。

フロントページの続き (72)発明者宇智田俊一郎千葉県佐倉市大作二丁目４番２号秩父小野田株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】都市ゴミ焼却灰をはじめとした都市型総
合廃棄物を用い、成分調整に石灰粉、粘土などの天然資
源あるいは、その他生活／産業廃棄物等を混合して原料
を調合し、焼成して得られるクリンカー中にカルシウム
クロロアルミネート（１１ＣａＯ・７Ａｌ₂Ｏ₃・ＣａＣ
ｌ₂）が１５〜３０％含まれる水硬性組成物の製造にお
いて、硫酸化合物をＳＯ₃として約１〜４％添加し、原
料を調合することを特徴とする環境調和型水硬性組成物
の製造方法。
【請求項２】成分調整原料としてＦｅ₂Ｏ₃を１〜１０
％含有することを特徴とする請求項１記載の環境調和型
水硬性組成物の製造方法。
【請求項３】前記クリンカーをブレーン比表面積が２
０００ｃｍ²／ｇ以上に粉砕し、粉砕時あるいは粉砕し
た後に石膏を適当量添加することを特徴とする請求項１
又は２記載の環境調和型水硬性組成物の製造方法。