JPH11335146A

JPH11335146A - 人工軽量骨材の製造方法およびこの方法により得られた人工軽量骨材

Info

Publication number: JPH11335146A
Application number: JP34853698A
Authority: JP
Inventors: Takeshi Naganami; 武長南; Atsushi Kagakui; 敦加岳井; Shingo Sudo; 真悟須藤; Koji Kawamoto; 孝次川本
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1998-03-23
Filing date: 1998-12-08
Publication date: 1999-12-07

Abstract

(57)【要約】【課題】入手が容易で低価格な添加剤を少量添加する
ことにより、絶乾比重を小さくでき、比較的低温で高強
度を発現し、かつ高品質な人工軽量骨材を安価に製造す
る方法およびこの方法により得られた人工軽量骨材を提
供する。【解決手段】石炭灰に、廃ガラスからなる融点降下剤
と粘結剤および発泡剤とを混合して粉砕し、該粉砕物を
成型した後、焼成し、また前記粉砕物を湿式混練した後
に成型・乾燥し、ついで焼成する人工軽量骨材の製造方
法を特徴とするものである。さらに前記焼成を９５０℃
〜１３００℃の温度範囲内で実施し、そして前記廃ガラ
スを、全骨材配合量に対してガラス中に含有する合計の
低融点酸化物換算で２重量％以上で４０重量％未満添加
して、またさらに前記発泡剤が、酸化鉄と、炭化珪素ま
たは炭材の少なくとも１種とからなることが好ましい。
また前記製造方法により得られ、かつ絶乾比重が０．５
〜１．５で、一軸圧縮破壊荷重が５０ｋｇｆ以上であ
り、また吸水率が１０％以下である人工軽量骨材を特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は人工軽量骨材に関
し、具体的には石炭火力発電所や石炭焚きボイラーなど
から発生する石炭灰を、特に土木・建築用などの人工軽
量骨材として再資源化して有効利用するための人工軽量
骨材の製造方法およびこの方法により得られた人工軽量
骨材に関するものである。

【従来の技術】

【０００２】石炭は、石油に比べて資源が豊富で単位発
熱量当たりの価格も安価なことから、国内のエネルギー
政策により、特に発電用燃料として大幅な使用量の増加
が計画または実施されつつある。その結果、石炭火力発
電所や石炭焚きボイラーなどから発生する石炭灰が、石
炭使用量にほぼ比例して増加している結果、急増する石
炭灰の有効利用法が大きな課題となっている。

【０００３】このような石炭灰の有効利用としては、人
工軽量骨材としての利用がその需要量の大きさから大量
処理の面で適している。しかしながら、石炭灰はシンタ
ーグレート方式で一部が骨材化されているものの、人工
骨材としての利用は国内では極めて少ないのが現状であ
る。その原因は、石炭火力発電所や石炭焚きボイラーな
どでは、ボイラーの水管やボイラー壁への灰の付着を軽
減するために、高融点の灰を発生する石炭を選択して使
用していることにある。

【０００４】すなわち、石炭火力発電所や石炭焚きボイ
ラーなどから発生する石炭灰は、一般的には融点が高
く、軽量骨材化するには低融点の粘土や頁岩を多量に混
合して焼成しなければならない。しかし、これらの粘土
や頁岩を多量に確保するのが困難であること、これらの
粘土や頁岩を採掘・運搬・前処理・混合するのに多くの
費用を要する結果、人工軽量骨材の製造コストが高くな
っていること、また単位製品当たりの石炭灰の使用率が
低いことから石炭灰の有効利用上好ましくないこと、さ
らに石炭灰を使用して得られた人工軽量骨材の絶乾比重
が１．３〜１．４程度であって用途が制限されてしま
い、この絶乾比重がより小さな軽質の人工軽量骨材を製
造する技術が未だに開発されていないことなどの問題か
ら石炭灰を人工軽量骨材として有効に再利用することが
なされていなかった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような実
状に鑑みてなされたものであり、入手が容易で低価格な
添加剤を少量添加することにより、絶乾比重を小さくで
き、比較的低温で高強度を発現し、かつ高品質な人工軽
量骨材を安価に製造する方法およびこの方法により得ら
れた人工軽量骨材を提供することを目的とするものであ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、単位製品
当たりの石炭灰の使用率を増加してその有効利用率を高
め、絶乾比重を小さくできるとともに高強度を発現で
き、かつ安価な製造方法について鋭意検討した結果、主
原料である石炭灰に、廃ガラスからなる融点降下剤と粘
結剤および発泡剤とを混合した骨材配合とすることによ
り上記課題を解決し得ることを見出し本発明を完成する
に至った。

【０００７】すなわち、上記課題を解決するための本発
明の第１の実施態様は、石炭灰に、廃ガラスからなる融
点降下剤と粘結剤および発泡剤とを混合して粉砕し、該
粉砕物を成型した後、焼成し、また前記粉砕物を湿式混
練した後に成型・乾燥し、ついで焼成する人工軽量骨材
の製造方法を特徴とするものである。さらに前記焼成を
９５０℃〜１３００℃の温度範囲内で実施し、そして前
記廃ガラスを、全骨材配合量に対してガラス中に含有す
る合計の低融点酸化物換算で２重量％以上で４０重量％
未満添加して、またさらに前記発泡剤が、酸化鉄と、炭
化珪素または炭材の少なくとも１種とからなることが好
ましい。

【０００８】また本発明の第２の実施態様は、前記第１
の実施態様に係る製造方法により得られ、かつ絶乾比重
が０．５〜１．５で、一軸圧縮破壊荷重が５０ｋｇｆ以
上であり、また吸水率が１０％以下である人工軽量骨材
を特徴とするものである。

【０００９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細およびその作
用についてさらに具体的に説明する。本発明は、廃ガラ
スからなる融点降下剤を石炭灰に添加することにより、
石炭灰の融点を９５０℃〜１３００℃、好ましくは１０
００℃〜１２５０℃の工業的に焼成し易い温度に低下さ
せ、かつ発泡剤として平均粒度１０μｍ以下の酸化鉄
と、炭化珪素および／または石炭やコークスなどの炭材
を添加することによって絶乾比重が０．５〜１．５程度
の強度が高い人工軽量骨材の製造方法を特徴とするもの
である。ここで特に絶乾比重を１以下にするには、骨材
配合量の全体に対するＦｅ_２Ｏ_３量を３重量％以上にす
る必要がある。なお炭材は焼成時の造粒したぺレット内
部の還元状態の調整にも機能する。

【００１０】まず本発明において使用する融点降下剤に
ついて、以下に記述する。石炭灰は、液相を生成して焼
結する温度が１４００〜１５００℃と極めて高い場合が
多い。人工軽量骨材を１４００〜１５００℃で焼成する
ことは、焼成設備の耐火度やエネルギーコストおよび発
泡剤の選定が困難な点で実用的ではない。従来、このよ
うな高耐火度の原料を焼成する場合には融点降下剤とし
てアルカリ金属類を多く含む低耐火度の粘土や頁岩など
の天然鉱物や特開平９−７７５４０号公報に報告されて
いるようなビンガラスなどの廃ガラスを多量に加える方
法が一般的であった。

【００１１】本発明者らは粘土、頁岩類の添加効果を種
々検討した結果、これらを構成する成分のうちでアルカ
リ金属類が少量で液相温度を著しく低下することを確認
した。このような液相温度の低下効果を発揮する元素
は、前記アルカリに限らず、低融点酸化物を構成する元
素、例えば硼素、鉛などのいずれのものでもその効果を
発揮することを確認している。

【００１２】そこで、本発明者らは先に工業用のアルカ
リ金属化合物、例えば炭酸ナトリウムや炭酸カリウムな
どのアルカリ金属の化合物と石炭灰とを混合して１００
０〜１２００℃で加熱溶融してガラス状としたものを冷
却粉砕して石炭灰に添加するに際して、特にガラス状に
した融点降下剤を骨材配合量の全体に対して５重量％以
上となるように添加すると、焼成温度が９５０℃〜１３
００℃、好ましくは１０００℃〜１２５０℃において、
造粒したペレット内部から均一に発泡した高強度な人工
軽量骨材を焼成することができることを見出した。しか
し工業薬品を使用できるとはいえコスト的に十分満足で
きるものではない。

【００１３】本発明者らは、さらに安価な製造方法につ
いて検討した結果、廃ガラスが融点降下剤となり得ると
いう知見を得た。本発明で用いる廃ガラスは特に限定さ
れるものでなく、例えばソーダ石灰ガラス、カリ石灰ガ
ラス、カリ鉛ガラス、ホウケイ酸ガラスなどが挙げられ
る。

【００１４】つぎに本発明に係る人工軽量骨材におい
て、骨材配合量の全体に対する廃ガラスの好ましい添加
量は、ガラス中に含まれる合計の低融点酸化物換算で２
重量％以上で４０重量％未満の範囲である。これは、石
炭灰の化学組成が炭種により異なるものの、ＳｉＯ_２：
５０〜５５重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：２５〜３０重量％、Ｎ
ａ_２Ｏ：０．２〜２重量％、Ｋ_２Ｏ：０．２〜１重量％
からなり、前記廃ガラスの添加量によって融点降下が大
きく、かつ溶化温度幅が長くなること、および骨材の焼
成特性と石炭灰利用率の向上の観点からである。そして
添加量を前記の範囲とした理由は、２重量％未満ではそ
の効果が十分に発揮されず、他方４０重量％以上では融
点の降下効果がそれ以上得られず、かつ廃ガラス使用量
の増加により石炭灰の利用率が低下するため好ましくな
いからである。

【００１５】また、粘結剤は造粒物の成型性と強度を付
与するために添加するもので、粘結剤の種類は特に限定
されないが、例えばベントナイト、水ガラスなどの無機
類、澱粉、糖蜜、リグニン、ポリビニルアルコール、メ
チルセルロース、天然ゴム、パルプ廃液などの有機類が
挙げられる。またその添加量も特に限定されないが、添
加効果およびコストを考慮すると０．５〜１０重量％の
範囲が好ましい。

【００１６】つぎに発泡剤は人工軽量骨材の絶乾比重を
０．５〜１．５程度に制御するために添加する。発泡剤
としては、前記効果を発揮するものであれば特に限定さ
れないが、例えば酸化鉄の中でも酸化度の高いヘマタイ
トが好ましい。酸化鉄の粒度は特に限定されないが、焼
成中の炭材による脱酸素反応を促進するために１０μｍ
以下とすることが好ましい。また骨材配合量の全体に対
する好ましいＦｅ_２Ｏ _３添加量は、１〜１０重量％であ
る。その理由は１重量％未満では発泡剤としての効果が
少なく、人工軽量骨材の絶乾比重を０．５〜１．５程度
まで制御できず、他方１０重量％を超えても発泡による
軽量化の効果は増加しないからである。なお酸化鉄の比
重は石炭灰と比較して著しく大きく、発泡が促進されな
いと人工軽量骨材の比重を増加させることになる。

【００１７】炭化珪素は、造粒したペレットが加熱によ
り多量の液相を生成するときに、酸化鉄と効率よく反応
して発生するＣＯ、ＣＯ_２ガスを捕捉してペレットの発
泡膨潤を促進する。骨材配合量の全体に対する炭化珪素
の添加量は、０．１〜１０重量％であることが好まし
い。すなわち０．１重量％未満では絶乾比重の軽量化に
対する効果が十分でなく、絶乾比重１．０以下の骨材が
得られない。他方１０重量％を超えても軽量効果は増大
しないためである。

【００１８】また炭材は、効果は小さいが酸化鉄と反応
して発泡作用といった機能を発揮する。したがって炭化
珪素の一部を炭材に置き換えたりすることが可能であ
る。なお炭材は焼成中のペレット内部の還元度を調整す
る効果が大である。骨材配合量の全体に対する炭材の添
加量は、０．２〜１０重量％であることが好ましい。す
なわち、０．２重量％未満では発泡による軽量化の効果
が得られず、他方１０重量％を超えても発泡膨張による
軽量化効果は増加せず、逆に未燃焼の炭素がぺレット内
部に残留して人工軽量骨材の強度を低下させる可能性が
あるからである。

【００１９】本発明に用いる石炭灰は特に限定されるも
のでなく、例えばフライアッシュとシンダアッシュの混
合物である原粉、ＪＩＳＡ６２０１に適合するような
フライアッシュ、粗粉、クリンカアッシュを含む全ての
石炭灰を用いることができる。また前記石炭灰の粒度に
も特に影響されない。

【００２０】本発明に用いる粉砕方法は、混合した骨材
配合の原料が平均粒径３０μｍ以下、好ましくは２０μ
ｍ以下まで微粉砕できるものであればいずれの方法でも
よく、例えばポットミル、振動ミル、遊星ミルなどのボ
ールミル、衝突式のジェット粉砕機、ターボ粉砕機など
が挙げられる。

【００２１】つぎに主原料の石炭灰と融点降下剤、粘結
剤および発泡剤との混合粉砕物は必要に応じて湿式混練
するが、採用する混練方法は特に限定されず公知の混練
装置を用いることができる。

【００２２】成型方法としては、所定の径になるように
成型できるものであればよく、例えばパンペレタイザー
や押出成型機を用いると簡便である。

【００２３】また焼成法は特に限定されないが、例えば
連続操業や品質の均一性を勘案すればロータリーキルン
を用いることが好ましく、所望とする骨材特性に合わせ
て雰囲気を任意に選択できる。例えば、燃焼ガス中の酸
素濃度を３〜１２％、焼成温度を９５０〜１３００℃、
好ましくは１０００〜１２５０℃、前記焼成温度での成
型体の滞留時間を１０〜１２０分間となるようにキルン
の勾配、回転数、ダムの設置や内径といったキルン構造
などを勘案してロータリーキルン操作することが好まし
い。なお焼成前に施す乾燥法も特に限定されるものでな
いが、場合によっては成型体を直接ロータリーキルンに
投入して、該ロータリーキルン内にて乾燥と焼成を同時
に行うことも勿論できる。

【００２４】

【実施例】以下実施例および比較例により、本発明をさ
らに説明する。ただし本発明は下記実施例に限定される
ものでない。また用いた石炭灰の主成分は、ＳｉＯ_２：
５６．２０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：３２．１０重量％、Ｆ
ｅ_２Ｏ _３：３．５７重量％、ＣａＯ：０．５９重量％、
ＭｇＯ：１．４０重量％、Ｎａ _２Ｏ：０．２２重量％、
Ｋ_２Ｏ：０．４８重量％である。

【００２５】［実施例１］石炭灰５７．７重量％、べン
トナイト５重量％、へマタイト５重量％、炭化珪素０．
５重量％、コークス２重量％、糖蜜０．７重量％および
ソーダ石灰ガラスである廃ガラス２９．１重量％（Ｎａ
_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＝４％）からなる骨材配合原料を、ボール
ミルにて混合粉砕した。該粉砕物に水を添加しながら、
パンペレタイザーで直径約５〜１５ｍｍの球状に造粒し
た後、１０５℃で通風乾燥した。その後該乾燥骨材をロ
ータリーキルン（煉瓦内径４００ｍｍ×長さ６０００ｍ
ｍ）に供給して、燃焼ガス中の酸素濃度１０％、１１０
０℃の条件下で焼成して骨材ａ（実施例１）を得た。こ
のようにして得られた骨材ａを評価するためＪＩＳＡ
１１１０に基づいて絶乾比重と吸水率を、また一軸圧縮
破壊荷重により圧漬強度を測定し、その結果を下記する
表１に示す。なお圧潰強度は圧潰試験機によって直径１
０ｍｍの各骨材について測定し、その平均値を求めた。

【００２６】［実施例２〜１６および比較例１〜３］実
施例１において、石炭灰５９．７重量％、べントナイト
５重量％、ヘマタイト５重量％、炭化珪素０．５重量
％、糖蜜０．７重量％およびソーダ石灰ガラスである廃
ガラス２９．１重量％（Ｎａ_２Ｏ十Ｋ_２Ｏ＝４％）とし
た以外は実施例１と同様にして骨材ｂ（実施例２）を、
石炭灰４３．９重量％、ベントナイト５重量％、へマタ
イト５重量％、炭化珪素０．５重量％、コークス２重量
％およびソーダ石灰ガラスである廃ガラス４３．６重量
％（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＝６％）とした以外は実施例１と
同様にして骨材ｃ（実施例３）を、石炭灰４６．９重量
％、べントナイト２重量％、へマタイト５重量％、炭化
珪素０．５重量％、コークス２重量％およびソーダ石灰
ガラスである廃ガラス４３．６重量％（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２
Ｏ＝６％）とした以外は実施例１と同様にして骨材ｄ
（実施例４）を、ロータリーキルンの温度を９００℃、
１１３０℃、１１５０℃、１１７０℃とした以外は実施
例１と同様にして、それぞれ骨材ｅ（比較例１）、骨材
ｆ（実施例５）、骨材ｇ（実施例６）、骨材ｈ（実施例
７）を、石炭灰４７．５重量％、べントナイト５重量
％、へマタイト５重量％、炭化珪素０．５重量％、コー
クス２重量％およびカリ石灰ガラスである廃ガラス４
０．０重量％（Ｋ_２Ｏ＝６％）とした以外は実施例１と
同様にして骨材ｈ（実施例８）を、石炭灰４４．５重量
％、べントナイト５重量％、へマタイト５重量％、炭化
珪素０．５重量％、コークス２重量％およびホウケイ酸
ガラスである廃ガラス４３．０重量％（Ｂ_２Ｏ_３＝５．
５％）とした以外は実施例１と同様にして骨材ｉ（実施
例９）を、石炭灰６５．７重量％、べントナイト５重量
％、ヘマタイト５重量％、炭化珪素０．５重量％、コー
クス２重量％、糖蜜０．７重量％およびソーダ石灰ガラ
スである廃ガラス２１．１重量％（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＝
３％）とし、ロータリーキルンの温度を１１７０℃、１
１９０℃とした以外は実施例１と同様にして、それぞれ
骨材ｋ（実施例１０）、骨材ｌ（実施例１１）を、石炭
灰５１．７重量％、ベントナイト５重量％、へマタイト
５重量％、炭化珪素０．５重量％、コークス２重量％、
糖蜜０．７重量％およびソーダ石灰ガラスである廃ガラ
ス３５．１重量％（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＝５％）とし、ロ
ータリーキルンの温度を１１３０℃、１１５０℃とした
以外は実施例１と同様にして、それぞれ骨材ｍ（実施例
１２）、骨材ｎ（実施例１３）を、石炭灰８３．５重量
％、ベントナイト５重量％、ヘマタイト５重量％、炭化
珪素０．５重量％、コークス２重量％およびソーダ石灰
ガラスである廃ガラス４重量％（Ｎａ_２Ｏ＋Ｋ_２Ｏ＝
０．５５％）とした以外は実施例１と同様にして骨材ｏ
（比較例２）を、石炭灰６３．４重量％、へマタイト５
重量％、炭化珪素０．５重量％、コークス２重量％およ
びソーダ石灰ガラスである廃ガラス２９．１重量％（Ｎ
ａ_２Ｏ十Ｋ_２Ｏ＝４％）とし、粘結剤としてのベントナ
イトを添加しなかった以外は実施例１と同様にして骨材
ｐ（比較例３）を、実施例３においてロータリーキルン
の温度を１０４０℃、１０６０℃、１０８０℃とした以
外は実施例３と同様にして、それぞれ骨材ｑ（実施例１
４）、骨材ｒ（実施例１５）、骨材ｓ（実施例１６）を
得た。得られた骨材ｂ〜ｓについて実施例１と同様の評
価試験を行い、その結果を表１に併せて示す。

【００２７】

【表１】

【００２８】表１から分かる通り、実施例１による骨材
ａは絶乾比重１．５０、圧潰強度１５０ｋｇｆ以上、吸
水率７．５％であった。そして実施例１、２、５、１０
〜１６による骨材ａ、ｂ、ｆ、ｋ〜ｎ、ｑ〜ｓは絶乾比
重が１．０５〜１．５、吸水率が９．０％以下で、圧潰
強度が８７ｋｇｆ以上を超える高強度の骨材であった。
また実施例３、４、６〜９による骨材ｃ、ｄ、ｇ〜ｊは
絶乾比重０．９５以下でも市販の人工軽量骨材と同等以
上である５１ｋｇｆ以上の圧潰強度を有し、かつ吸水率
が５．１〜５．９％と低かった。一方比較例１による骨
材ｅは焼成温度が低いために発泡が不十分である結果、
所望とする軽量骨材が得られなかった。また比較例２に
よる骨材ｏでは廃ガラス添加量が少ないために融点降下
が不十分である結果、所望とする軽量骨材が得られず、
さらに比較例３による骨材ｐでは粘結剤が添加されなか
ったために乾燥骨材の強度が低く、ロータリーキルン投
入時の衝撃によって割れや欠けが多発してしまった。

【００２９】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、石炭火
力発電所や石炭焚きボイラーなどから発生する石炭灰を
原料として極めて軽質で強度が高く、かつ高品質な人工
軽量骨材を低コストで効率的に生産することができる。
したがって産業廃棄物を埋め立てて処理することなく、
特に軽量化を必要とする土木・建築材料などに再資源化
できることから、環境の保全とエネルギーの安定供給に
多大な効果を奏する。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者川本孝次千葉県市川市中国分３−18−５住友金属鉱山株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】石炭灰に、廃ガラスからなる融点降下剤
と粘結剤および発泡剤とを混合して粉砕し、該粉砕物を
成型した後、焼成することを特徴とする人工軽量骨材の
製造方法。
【請求項２】前記粉砕物を湿式混練した後に成型・乾
燥し、ついで焼成することを特徴とする請求項１記載の
人工軽量骨材の製造方法。
【請求項３】前記焼成を９５０℃〜１３００℃の温度
範囲内で実施することを特徴とする請求項１または２記
載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項４】前記廃ガラスを、全骨材配合量に対して
ガラス中に含有する合計の低融点酸化物換算で２重量％
以上で４０重量％未満添加することを特徴とする請求項
１〜３のいずれか１項記載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項５】前記発泡剤が、酸化鉄と、炭化珪素また
は炭材の少なくとも１種とからなることを特徴とする請
求項１〜４のいずれか１項記載の人工軽量骨材の製造方
法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項記載の製造
方法により得られ、かつ絶乾比重が０．５〜１．５で、
一軸圧縮破壊荷重が５０ｋｇｆ以上であり、また吸水率
が１０％以下であることを特徴とする人工軽量骨材。