WO2010035603A1 - 保水用セラミックス、その製造方法及び保水構造体 - Google Patents

保水用セラミックス、その製造方法及び保水構造体 Download PDF

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retaining
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金谷学
新開誠司
井村竹応
倉内晴久
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株式会社Inax
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    • Y02P40/60Production of ceramic materials or ceramic elements, e.g. substitution of clay or shale by alternative raw materials, e.g. ashes

Definitions

  • the present invention relates to a water retention ceramic that is excellent in water retention and in which the retained water easily evaporates, a method for producing the water retention ceramic, and a water retention structure using the water retention ceramic.
  • Japanese Patent Application Laid-Open No. 2003-184199 discloses a cooling wall body in which water is applied to a wall body of a block made of porous ceramics so as to obtain a cooling effect such as hammering water by latent heat of evaporation.
  • a cooling effect such as hammering water by latent heat of evaporation.
  • porous ceramics produced by utilizing the foaming action of vermiculite during firing are described.
  • such a foamed ceramic sintered body has coarse pores and does not have high water retention.
  • the present invention relates to a water retention ceramic having high water retention, good evaporation of contained water, and high cooling effect due to latent heat of water evaporation, a method for producing the same, and a water retention structure using the water retention ceramic
  • the purpose is to provide.
  • the water retention ceramic of the present invention is made of sintered porous ceramics, and 53 to 70% of the total volume of the water retention ceramic is composed of pores having a pore diameter of 1 to 100 ⁇ m.
  • pores having a pore diameter of 10 to 50 ⁇ m preferably occupy 60% or more of the volume of pores having a pore size of 1 to 100 ⁇ m.
  • This water retaining ceramic is preferably 1 to 200 cm 3 in size.
  • This ceramic for water retention has a composition of SiO 2 : 55 to 70 wt% Al 2 O 3 : 15 to 25 wt% Total of Na 2 O and K 2 O: 1-10 wt% It is preferable that
  • the ceramic of this composition is excellent in hydrophilicity, and the water retention of the ceramic for water retention is good.
  • the method for producing the water-retaining ceramic of the present invention is a method for producing this water-retaining ceramic, wherein the ceramic raw material, the alumina cement and the powdery water-absorbing polymer are dry-mixed, then water is added and mixed, and then It has the process of shaping
  • the mixing ratio is ceramic materials: 80 to 95 wt% Alumina cement: 5-15wt% Water-absorbing polymer: 1 to 5 wt% Lithium carbonate: 1-5wt% It is preferable that
  • the water-retaining structure of the present invention is formed by spreading the water-retaining ceramic of the present invention on a building or the ground surface to a thickness of 2 to 20 cm.
  • the water retention ceramic of the present invention has a large amount of relatively fine pores, the water retention is high, the specific surface area of the surface is large, and the water evaporability is good. Accordingly, it is possible to quickly absorb a large amount of water by rain or water spray and prevent urban flooding. In addition, the pores of this pore diameter are not ultrafine. When freezing, the water in the pores is rapidly pushed out of the water retaining ceramic with the volume expansion of the water at the time of freezing. However, there is almost no risk of cracking.
  • water-retaining ceramics of the present invention water-retaining ceramics made of porous ceramics having a large amount of the fine pores described above can be produced.
  • this manufacturing method uses alumina cement as a part of the raw material, the strength of the molded body before firing is high, and shrinkage during drying can be suppressed. In addition, the onset of strength is rapid and the production efficiency of the ceramic for water retention is excellent.
  • the water-absorbing polymer expands significantly due to water absorption, the weight ratio of the water-absorbing polymer in the molded product before firing is low. Accordingly, the water-absorbing polymer is rapidly oxidized and burned during firing.
  • the water retention structure of the present invention in which this water retention ceramic is spread on the rooftop or garden of a building is excellent in the cooling effect of the building or garden.
  • FIG. 1a is a plan view for explaining test methods in Examples and Comparative Examples
  • FIG. 1b is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 1a
  • FIGS. 2a to 2e are pore diameter distribution diagrams of the pores of the water retention ceramic of the example.
  • FIGS. 3a to 3e are pore diameter distribution diagrams of the pores of the water retention ceramic of the comparative example.
  • FIG. 4a is a schematic cross-sectional view showing the test body 1
  • FIG. 4b is a graph showing a change with time in the temperature under the slab of the test bodies 1 to 3.
  • FIG. FIG. 5 is a graph showing the change with time of the slab surface temperature of the test bodies 1 and 3.
  • 6a is a schematic cross-sectional view showing the test body 4, and FIG.
  • FIG. 6b is a graph showing the change over time in the atmospheric temperature above the test bodies 4 and 5.
  • FIG. 7 is a graph comparing the initial and maintenance costs of cases 1 to 3.
  • FIG. 8 is a graph showing the transpiration and water absorption during the test period of the water retaining ceramic of the present invention and the lawn.
  • FIG. 9 is a graph showing the total of the transpiration amount and the water absorption amount of the water retention ceramic according to the present invention and the lawn.
  • FIG. 10 is an explanatory view of a test method in Examples and Comparative Examples, and is a schematic diagram showing a stacked state of water retaining ceramics on a pallet.
  • the water retaining ceramic of the present invention 53 to 70%, preferably 55 to 68% of the total volume of the water retaining ceramic is composed of fine pores having a pore diameter of 1 to 100 ⁇ m, preferably 15 to 40 ⁇ m. As described above, by containing a large amount of such fine pores, the water retention and water evaporation properties of the water retention ceramic are improved.
  • the pores having a pore diameter of 1 to 100 ⁇ m are pores having a pore diameter of 10 to 50 ⁇ m, preferably 15 to 40 ⁇ m.
  • the water-retaining ceramic of the present invention preferably comprises fine pores having a pore diameter of 15 to 40 ⁇ m in 10 to 70%, particularly 15 to 50% of the total volume of the water-retaining ceramic.
  • the total porosity of the water retention ceramic of the present invention is preferably 55 to 80%. If the total porosity of the water retaining ceramic is less than 55%, 53 to 70% of the total volume cannot be realized as a water retaining ceramic with fine pores of 1 to 100 ⁇ m, and if it is larger than 80%, the strength is insufficient. The practicality as a laying material is impaired.
  • the measurement of the pore diameter according to the present invention is performed according to JIS R 1655 using a mercury porosimeter.
  • This water retaining ceramic preferably has a size of about 1 to 1200 cm 3, particularly about 1 to 200 cm 3, especially about 20 to 100 cm 3 . This size is easy to spread on the rooftop or garden.
  • the shape of the water retaining ceramic is arbitrary, such as a spherical shape, an elliptical spherical shape (for example, a rugby ball shape), a cube, a rectangular parallelepiped, a spindle, a disk shape, a columnar body, and the like.
  • the ceramic for water retention When the ceramic for water retention is spread to a thickness of preferably 2 to 20 cm, particularly about 8 to 15 cm, the water retention capacity of the entire ceramic layer for water retention is increased, and sudden rain or temporary large amounts of water spraying is performed. But it can hold water well. Therefore, urban flooding can be prevented by spreading the water-retaining ceramic of the present invention in many buildings, gardens, open spaces, etc. in the city.
  • the water retaining ceramic is cooled by the latent heat of evaporation when water evaporates, the heat island phenomenon is prevented by spreading the water retaining ceramic of the present invention in many buildings, gardens, open spaces, etc. in the city. It becomes possible.
  • the water in the pores having the above pore diameter is easily pushed out of the water retaining ceramic during freezing, and the water retaining ceramic is hardly cracked even when subjected to repeated freezing and thawing action.
  • the composition of the ceramic constituting this ceramic for water retention is SiO 2 : 50 to 80 wt%, especially 55 to 70 wt%.
  • Al 2 O 3 10-30 wt%, especially 15-25 wt% Total of Na 2 O and K 2 O: 1-10 wt%, especially 3-7 wt% It is preferable that
  • Such an aluminosilicate ceramic containing a large amount of soda and potash is hydrophilic, and the water retention and water evaporation properties of the water retention ceramic are good.
  • CuO may be added to the water retaining ceramic in an amount of about 0.1 to 1.5 wt%.
  • the water retention ceramic of the present invention may be provided with a photocatalytic effect by applying a photocatalyst coating liquid to a part or the entire surface thereof, thereby improving the contamination resistance of the water retention ceramic by the purification action by the photocatalyst. Can do.
  • ceramic raw materials, alumina cement and powdered water-absorbing polymer and preferably further lithium carbonate are dry-mixed, then water is added and mixed, followed by molding, drying and firing. .
  • the blending ratio at this time is preferably Ceramic materials: 75-95wt%, especially 80-95wt%
  • Lithium carbonate 10 wt% or less, especially 1-10 wt%, especially 1-5 wt% It is.
  • the mixing ratio of water is about 130 to 170 wt% with respect to the total weight of all raw materials other than water, and about 80 to 150 times that of the water-absorbing polymer. It is preferable from the viewpoint of the water-absorbing expansibility of the water-absorbing polymer, subsequent drying, and firing efficiency.
  • the ceramic material one or more kinds of potash feldspar, clay, silica sand and the like can be used, but are not limited thereto. These ceramic materials are selected and used so that the ratio of SiO 2 , Al 2 O 3 , and Na 2 O + K 2 O is as described above.
  • alumina cement those specified in JIS can be used.
  • powdery water-absorbing polymer those having a particle size of about 10 to 50 ⁇ m, particularly about 20 to 30 ⁇ m are suitable.
  • water-absorbing polymer one of various kinds such as polyacrylate, saponified vinyl acetate / acrylic acid ester copolymer, starch / acrylic acid graft copolymer is used alone, or two or more kinds are mixed. Can be used.
  • a quantitative filling machine a cast molding machine, an extrusion molding machine, a honeycomb molding machine or the like can be used, but it is not limited thereto.
  • the molded body is preferably heated and dried at 80 to 250 ° C. for 5 to 40 hours, particularly 6 to 12 hours, and then preferably 1050 to 1200 ° C., particularly 1100 to 1150 ° C. for 0.2 to 20 hours, particularly 0.3 to Firing for 2 hours to obtain a sintered body.
  • a roller hearth kiln, a tunnel kiln, a shuttle kiln, etc. can be used for this baking.
  • the ceramic for water retention according to the present invention is a porous ceramic whose pore diameter and its ratio are strictly controlled, and has the performance of controlling water by absorbing rainwater and evaporating the absorbed water by solar radiation. Therefore, by laying the ceramics for water retention according to the present invention on the roof of a building, a passage of a private house or public facility, a plaza, a garden, etc., environmental measures such as A and B below can be achieved.
  • Environmental measures for individual buildings A-1. Energy-saving ⁇ CO 2 reduction of the building: By laying the ceramic for water retention of the present invention on the roof of the building, the roof slab temperature can be lowered and the power consumption of the air conditioning in the downstairs can be reduced by flood control and transpiration of rainwater by the ceramic for water retention. Moreover, the ambient temperature of the air-conditioning outdoor unit installed on the roof can be lowered, the air-conditioning operation efficiency of all floors can be improved, and the amount of power used can be reduced. In particular, it is possible to greatly reduce the amount of power used for air conditioning in the summer on the rooftop floor. As a result, CO 2 emission can be reduced.
  • the ceramic for water retention of the present invention has the same water retention and cooling performance as plants such as lawn, and is a highly durable, long-life and maintenance-free material that uses natural rainfall. Become. Although the current rooftop greening takes time and effort and maintenance costs are high, the water retention ceramic of the present invention can solve this problem.
  • the ceramic for water retention according to the present invention has a low thermal conductivity of about 0.2 W / m ⁇ K and a high heat insulating property. By laying this on the building roof, the roof slab temperature can be kept constant. it can. In addition, ultraviolet rays can be prevented. At present, repair of the waterproof layer is required in about 10 years, but the maintenance frequency can be reduced by applying the water retention ceramic of the present invention.
  • Guerrilla heavy rain measures Since the water retention ceramic of the present invention has a high flood control capability compared to lawn, peaking of guerrilla heavy rain can be expected if laid on the roof of the building as much as possible.
  • the water-retaining ceramic of the present invention can be produced using feldspar glitter, which has conventionally been regarded as waste, as a main raw material (for example, 90% of the raw material).
  • the feldspar glitter is a by-product when mining the feldspar of the tile raw material, and it has been conventionally regarded as waste.
  • the feldspar glitter can be effectively used.
  • a concrete slab 12 is laid in a box-shaped container having a bottom and four side surfaces made of a heat insulating material 11, and the ceramic for water retention according to the present invention (for example, an embodiment described later).
  • the water retaining ceramic manufactured in the same manner as in No. 2) was laid in a thickness of 10 cm to obtain a test body 1.
  • the laying area of the water retaining ceramic is 1 m 2 .
  • a temperature sensor 14 was provided between the bottom heat insulating material 11 and the concrete slab 12.
  • the test body 1 laid with the water retaining ceramic of the present invention had a temperature reduction effect of -8 ° C. at maximum under the slab temperature compared to the test body 3 without laying.
  • evaporation effect of the test body 1 was a bigger thing than the test body 2 which planted the lawn. From this result, it can be seen that rainwater control and transpiration with the ceramics for water retention of the present invention can lower the roof slab temperature and reduce the amount of electric power used for downstairs air conditioning.
  • the surface temperature of the roof slab is changed by the test body 1 in which the water retention ceramics 13 are laid and the temperature sensor 14 is provided, and the test body 3 in which the water retention ceramics are not laid.
  • the temperature measured by the temperature sensor 14 for 24 hours a day was examined, and the results are shown in FIG.
  • the general heat conductivity of the ceramic for water retention, concrete slab, and soil of the present invention is as shown below.
  • Water retaining ceramic of the present invention 0.20 W / m ⁇ K
  • Concrete slab 0.15 W / m ⁇ K Sat: 0.63 W / m ⁇ K
  • the daily change in the surface temperature of the roof slab is 2 ° C. in the test body 1 in which the water-retaining ceramic of the present invention is laid, whereas the test body in which the slab is not laid. 3 was 15 ° C. From this result, according to this invention, it turns out that the thermal load to the slab by solar radiation is reduced.
  • a concrete slab 12 is laid in a box-shaped container having a bottom portion and four side surfaces made of a heat insulating material 11, and the ceramic for water retention according to the present invention (for example, described later).
  • the ceramic for water retention 13) produced in the same manner as in Example 2 was laid to a thickness of 10 cm to obtain a test specimen 4.
  • the laying area of the water retaining ceramic is 1 m 2 .
  • a temperature sensor 14 was provided at a position 1 cm above the laying surface of the water retaining ceramic.
  • the test body 5 was not laid with ceramics for water retention. In this test body 5, a temperature sensor 14 was provided at a position 1 cm above the concrete slab 12.
  • the water retention ceramic according to the present invention is equivalent to the performance of plants such as lawn in flood control and transpiration, and has high durability, long life and does not require maintenance management utilizing natural rainfall.
  • the initial cost is 1 ⁇ 2 and the maintenance cost is much cheaper, which makes it a promising candidate for rooftop greening replacement.
  • the water retention ceramics according to the present invention has a transpiration capacity approximately twice that of lawn.
  • the increase in the transpiration area of the city of 20% is equivalent to a 20% increase in the transpiration area of the city, which is doubled, if the lawn is replaced.
  • FIG. 8 which compares the accumulated amount of transpiration and water absorption per unit volume for the period of 15 days from October 2 to October 16, the water-retaining ceramic and lawn of the present invention.
  • the water-retaining ceramic has a water absorption / transpiration rate that is more than twice that of the lawn.
  • the ceramics for water retention according to the present invention can be produced, for example, with 90% by weight of feldspar glitter, which has conventionally been regarded as waste, and 10% by weight of other materials.
  • the weight of the water retention ceramic of the present invention per unit area is 40 kg / m 2
  • Potassium feldspar Nagasaki No. 8 from Seto
  • Aichi Pref. Silica sand Katsuno Ceramics
  • Nagasaki Kira Nagao from Seto
  • Aichi Water-absorbing polymer Sanyo Chemical (Under particle size 20 ⁇ m by sieve (water-absorbing polymer A), particle size 20-50 ⁇ m (water-absorbing polymer B), particle size 50-100 ⁇ m Classification into (water-absorbing polymer C). )
  • Alumina cement manufactured by Lafarge Co., Ltd.
  • Lithium carbonate reagent grade
  • CuO reagent grade
  • Examples 1 to 5 Comparative Examples 1 to 5
  • Raw materials other than water were weighed in the proportions shown in Table 1, and mixed with a mixer (Nauta mixer manufactured by Hosokawa Micron Corporation) in a dry manner. Subsequently, water was added to the mixed powder in the ratio shown in Table 1 and kneaded. This was formed into a substantially disk shape having a diameter of 70 mm and a maximum thickness of 15 mm, and dried at 80 ° C. for 24 hours. This was fired in a roller hearth kiln (maximum firing temperature as shown in Table 1. Furnace passage time was 60 minutes) to produce a water retention ceramic.
  • the porosity was measured using a mercury porosimeter (manufactured by Quantachrome).
  • the pore size distribution of the pores is shown in FIGS. 2a-2e and 3a-3e.
  • the water retention amount was measured as follows.
  • the water retention ceramic is dried at 105 ° C., allowed to cool, weighed, and the weight (W 1 ) is determined. Next, after being immersed in water at 20 ° C. for 24 hours, it is pulled up and the surface water is wiped off with a damp cloth to make it saturated. This sample is weighed to determine the weight (W 2 ). Further, this saturated water retaining ceramic is put into the water in the measuring cylinder, and the volume (V) is obtained. The water retention amount (g / cm 3 ) is calculated by (W 2 ⁇ W 1 ) / V.
  • Freezing and thawing performance is the degree of damage by repeating the freezing and thawing cycle in which the saturated water-retaining ceramic is held at -20 ° C for 75 minutes and then frozen at 30 ° C for 90 minutes and then thawed 200 times. Was observed and evaluated as very good, good, and poor.
  • the transpiration performance is as follows. Place the dried water-retaining ceramic in a flat container with water at a depth of 5 mm and let it absorb water for 30 minutes, then pull it up.
  • the water absorption amount for 30 minutes is the same as the method for measuring water retention amount. Ask. About the volume, the volume at the time of measuring the water retention amount is used.
  • the water absorption amount (g / cm 3 ) for 30 minutes is defined as the transpiration performance.
  • the transpiration effect duration is the duration of the cooling effect due to the latent heat of evaporation, and was measured as follows.
  • a square-shaped frame 2 made of a foamed polystyrene plate having a thickness of 100 mm is placed on a pallet 1 made of recycled polypropylene resin having a thickness of 150 mm to form a container.
  • a container One side of this container is 1000 mm and the depth is 830 mm.
  • Aluminum foil is stretched on the outer peripheral surface of the container.
  • a polystyrene foam plate 3 is spread over to a thickness of 500 mm, and temperature sensors T 1 to T 5 are arranged at five locations on the upper surface thereof.
  • the concrete plate 4 having a thickness of 180 mm and a specific gravity of 2.2 is placed on the expanded polystyrene plate 3.
  • 50 kg of saturated water retaining ceramic 5 (shown only in FIG. 1b) is deposited on the concrete plate 4.
  • the deposition thickness is about 10 cm.
  • the above work is performed indoors at an air temperature of 20 ° C. and a humidity of 60% RH.
  • This container is left in a constant temperature and humidity chamber at 35 ° C. and 60% RH, and the number of days until the temperature detected by the temperature sensor rises to 35 ° C. is measured. This is the number of days for which the transpiration effect lasts.
  • the water retention ceramics of Examples 1 to 5 are excellent in evaporation performance and duration of evaporation effect, and also have good freeze-thaw resistance and water absorption.
  • Comparative Example 1 is inferior in evaporation performance, evaporation effect duration, and water absorption because the pore diameter is excessive.
  • Comparative Example 2 is inferior in freeze-thaw performance and water absorption because the pore diameter is too small.
  • Comparative Example 3 is inferior in strength, freezing and thawing performance, and water absorption because the porosity is excessively as high as 80%. Since Comparative Examples 4 and 5 have a low water retention amount, the evaporation effect duration days are short and the water absorption is also poor.

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Abstract

 焼結された多孔質セラミックスよりなる保水用セラミックスにおいて、該保水用セラミックスの全体積の53~70%が孔径1~100μmの気孔よりなる保水用セラミックス。窯業系原料、アルミナセメント及び粉末状吸水性ポリマーを乾式混合し、次いで水を添加して混合し、次いで成形、乾燥及び焼成する工程を有する該保水用セラミックスの製造方法。この保水用セラミックスが建造物又は地表に敷き詰められてなる保水構造体。保水性が高く、また包蔵した水の蒸発性が良好であり、水の蒸発潜熱による冷却効果が高い保水用セラミックスと、その製造方法と、この保水用セラミックスを用いた保水構造体が提供される。

Description

保水用セラミックス、その製造方法及び保水構造体
 本発明は、保水性に優れ、また保水した水が蒸発し易い保水用セラミックスと、この保水用セラミックスの製造方法と、この保水用セラミックスを用いた保水構造体に関する。
 多孔質セラミックスよりなるブロックの壁体に水を掛け、蒸発潜熱によって打ち水の如き冷却効果を得るようにした冷却壁体が特開2003-184199に記載されている。同号公報の0026~0027段落には、焼成時におけるバーミキュライトの発泡作用を利用して製造した多孔質セラミックスが記載されている。しかしながら、このような発泡セラミックス焼結体は、気孔が粗大であり、保水性が高くない。
 特開平8-73282の0005段落には、粘土、吸水性ポリマー及び水を混練し、成形した後、電子レンジで乾燥し、次いで1100℃で2時間焼成する多孔質セラミックスの製造方法が記載されている。同号公報には、吸水した吸水性ポリマーの粒径が0.1~2.0mmであると記載されている。このように、吸水性ポリマーの粒径が大きいと、多孔質セラミックスの気孔も粗大となり、多孔質セラミックスの保水性は高くない。
特開2003-184199 特開平8-73282
 本発明は、保水性が高く、また包蔵した水の蒸発性が良好であり、水の蒸発潜熱による冷却効果が高い保水用セラミックスと、その製造方法と、この保水用セラミックスを用いた保水構造体とを提供することを目的とする。
 本発明の保水用セラミックスは、焼結された多孔質セラミックスよりなり、該保水用セラミックスの全体積の53~70%が孔径1~100μmの気孔よりなる。
 この保水用セラミックスは、孔径10~50μmの気孔が1~100μmの気孔の体積の60%以上を占めることが好ましい。
 この保水用セラミックスは、1~200cmの大きさであることが好ましい。
 この保水用セラミックスは、組成が
   SiO:55~70wt%
   Al:15~25wt%
   NaO及びKOの合計:1~10wt%
であることが好ましい。
 この組成のセラミックスは、親水性に優れ、保水用セラミックスの保水性が良好となる。
 本発明の保水用セラミックスの製造方法は、この保水用セラミックスを製造する方法であって、窯業系原料、アルミナセメント及び粉末状吸水性ポリマーを乾式混合し、次いで水を添加して混合し、次いで成形、乾燥及び焼成する工程を有する。
 この保水用セラミックスの製造方法では、乾式混合時に炭酸リチウムを混合することが好ましい。
 原料に炭酸リチウムを配合すると、アルミナセメントの硬化が更に速いものとなる。
 この保水用セラミックスの製造方法では、配合割合が
   窯業系原料:80~95wt%
   アルミナセメント:5~15wt%
   吸水性ポリマー:1~5wt%
   炭酸リチウム:1~5wt%
であることが好ましい。
 本発明の保水構造体は、本発明の保水用セラミックスが建造物又は地表に厚さ2~20cmに敷き詰められてなるものである。
 本発明の保水用セラミックスは、比較的微細な気孔を多量に有するため、保水性が高いと共に、表面の比表面積も大きく、水の蒸発性がよい。従って、降雨や散水によって素早く多量の水を吸水し、都市型洪水を防止することができる。また、この孔径の気孔は、超微細というものではなく、凍結するときには、気孔内の水が凍結時の水の体積膨張に伴って保水用セラミックス外に速やかに押し出されるので、凍結融解が繰り返されても、割れるおそれが殆どない。
 本発明の保水用セラミックスの製造方法によると、上記の微細気孔を多量に有した多孔質セラミックスよりなる保水用セラミックスを製造することができる。
 この製造方法は、原料の一部にアルミナセメントを用いているため、焼成前の成形体の強度が高く、乾燥時の収縮を抑制することができる。また、強度発現が迅速であり、保水用セラミックスの製造効率に優れる。
 吸水性ポリマーは、吸水により著しく大きく膨張するので、焼成前の成形体中に占める吸水性ポリマーの樹脂分の重量割合が低い。従って、吸水性ポリマーは、焼成時に速やかに酸化焼失する。
 保水した保水用セラミックスからは、水の蒸発により大きな潜熱が奪われる。そのため、この保水用セラミックスを建物の屋上や庭などに敷き詰めた本発明の保水構造体は、建物や庭などの冷却効果に優れる。
第1a図は実施例及び比較例における試験方法を説明する平面図、第1b図は第1a図のB-B線断面図である。 第2a-2e図は実施例の保水用セラミックスの気孔の孔径分布図である。 第3a-3e図は比較例の保水用セラミックスの気孔の孔径分布図である。 第4a図は、試験体1を示す模式的な断面図、第4b図は試験体1~3のスラブ下温度の経時変化を示すグラフである。 第5図は試験体1,3のスラブ表面温度の経時変化を示すグラフである。 第6a図は試験体4を示す模式的な断面図、第6b図は試験体4,5の上方大気温度の経時変化を示すグラフである。 第7図はケース1~3の初期及び維持費用を比較するグラフである。 第8図は本発明の保水用セラミックスと芝生の試験期間内の蒸散・吸水量を対比して示すグラフである。 第9図は本発明の保水用セラミックスと芝生の蒸散量と吸水量の累計を対比して示すグラフである。 第10図は実施例及び比較例における試験方法の説明図であり、パレット上の保水用セラミックスの積重状態を示す模式図である。
 以下、本発明について更に詳細に説明する。
 本発明の保水用セラミックスは、その保水用セラミックスの全体積の53~70%好ましくは55~68%が、孔径1~100μm、好ましくは15~40μmの微細気孔よりなる。上述の通り、このように微細な気孔を多量に含むことにより、保水用セラミックスの保水性及び水の蒸発性が良好となる。
 好ましくは、この孔径1~100μmの気孔の60%以上、例えば70~95%が孔径10~50μm、好ましくは15~40μmの気孔よりなる。
 特に、本発明の保水用セラミックスは、その保水用セラミックスの全体積の10~70%、特には15~50%が孔径15~40μmの微細気孔よりなることが好ましい。
 なお、本発明の保水用セラミックスの全気孔率は、55~80%であることが好ましい。保水用セラミックスの全気孔率が55%未満では、全体積の53~70%が孔径1~100μmの微細気孔の保水用セラミックスの実現し得ず、80%よりも大きいと、強度が不足し、敷設材料としての実用性が損なわれる。
 なお、本発明に係る気孔の孔径の測定は、水銀ポロシメータを用い、JIS R 1655に従って行われる。
 この保水用セラミックスは、1~1200cm特に1~200cmとりわけ20~100cm程度の大きさであることが好ましい。この大きさのものは、屋上や庭などに敷き詰め易い。保水用セラミックスの形状は球形、楕円球状(例えばラグビーボール状)、立方体、直方体、錘形、円盤形状、柱状体など任意である。
 この保水用セラミックスを好ましくは厚さ2~20cm特に8~15cm程度に厚く敷き詰めることにより、保水用セラミックス層全体の保水容量が増大し、急激な降雨や一時的に多量の散水が行われたときでも、水を十分に保水することができる。従って、本発明の保水用セラミックスを都市の多くの建物や庭、空地等に敷き詰めることにより、都市型洪水を防止することも可能となる。
 また、この保水用セラミックスから、水が蒸発するときの蒸発潜熱により冷却が行われるので、本発明の保水用セラミックスを都市の多くの建物や庭、空地等に敷き詰めることにより、ヒートアイランド現象を防止することが可能となる。
 上記孔径の気孔内の水は、凍結時に保水用セラミックス外に押し出され易く、凍結融解作用を繰り返し受けても、保水用セラミックスが割れることは殆どない。
 この保水用セラミックスを構成するセラミックスの組成は
   SiO:50~80wt%とりわけ55~70wt%
   Al:10~30wt%とりわけ15~25wt%
   NaO及びKOの合計:1~10wt%とりわけ3~7wt%
であることが好ましい。
 かかるソーダ・カリを多く含むアルミノ珪酸塩系セラミックスは、親水性であり、保水用セラミックスの保水性及び水の蒸発性が良好となる。
 なお、湿潤状態にある保水用セラミックスに藻が発生することを防止するために、CuOを保水用セラミックス中に0.1~1.5wt%程度配合してもよい。
 本発明の保水用セラミックスには、その一部又は全面に光触媒コーティング液を塗布して光触媒効果を付与してもよく、これにより、光触媒による浄化作用で、保水用セラミックスの耐汚染性を高めることができる。
 次に本発明の保水用セラミックスの好適な製造方法について説明する。
 この保水用セラミックスを製造するには、窯業系原料、アルミナセメント及び粉末状吸水性ポリマー並びに好ましくは更に炭酸リチウムを乾式混合し、次いで水を添加して混合し、その後、成形、乾燥及び焼成する。この際の配合割合は、好ましくは、
  窯業系原料:75~95wt%、特に80~95wt%
  アルミナセメント:3~15wt%、特に5~15wt%
  吸水性ポリマー:0.5~10wt%、特に1~5wt%
  炭酸リチウム:10wt%以下、特に1~10wt%、とりわけ1~5wt%
である。
 なお、水の混合割合は、水以外の全原料の合計重量に対して130~170wt%程度であって、吸水性ポリマーに対して80~150倍程度とすることが、取り扱い性、成形性、吸水性ポリマーの吸水膨張性、その後の乾燥、焼成効率の面から好ましい。
 窯業系原料としては、カリ長石、粘土、珪砂などの1種又は2種以上を用いることができるが、これに限定されない。これらの窯業系原料をSiO、Al、NaO+KOの割合が前述となるように選択して用いる。
 アルミナセメントとしては、JISに定めるものを用いることができる。
 このアルミナセメントは、硬化が速いので、水を添加して混合し、成形すると、短時間のうちにハンドリングできる程度の成形体が得られる。
 粉末状吸水性ポリマーとしては、粒径10~50μm特に20~30μm程度のものが好適である。
 吸水性ポリマーとしては、ポリアクリル酸塩系、酢酸ビニル・アクリル酸エステル共重合体ケン化物、でんぷん・アクリル酸グラフト共重合体など、各種のものを1種を単独で、或いは2種以上を混合して用いることができる。
 この混合物を成形するには、定量充填機、鋳込成型機、押出成形機、ハニカム成形機などを用いることができるが、これに限定されない。
 この成形体を好ましくは80~250℃で5~40時間特に6~12時間加熱して乾燥した後、好ましくは1050~1200℃特に1100~1150℃で0.2~20時間特に0.3~2時間焼成して焼結体とする。この焼成には、ローラーハースキルン、トンネルキルン、シャトルキルン等を用いることができる。
[保水用セラミックスの応用例及びその効果]
 本発明の保水用セラミックスは、気孔径及びその割合が厳密に制御された多孔質セラミックスであり、雨水を吸水することにより治水し、また、吸水した水を日射によって蒸散させる性能を有する。
 従って、本発明の保水用セラミックスを、ビル屋上や個人住宅又は公共施設の通路、広場、庭等に敷設することにより、以下のA,Bのような環境対策を図ることができる。
A.個別ビルの環境対策
A-1.ビルの省エネ・CO削減:
 本発明の保水用セラミックスをビル屋上に敷設することにより、保水用セラミックスによる雨水の治水・蒸散で、屋上スラブ温度を下げ、階下の空調の使用電力量を減らすことができる。
 また、屋上に設置された空調室外機の周辺温度を下げ、全階の空調の運転効率を向上させ、使用電力量を減らすこともできる。特に、屋上階の夏場の空調の使用電力量を大きく低減することができる。
 この結果、COの排出量の削減も可能となる。
A-2.ビルの屋上緑化の代替:
 本発明の保水用セラミックスは、芝生等の植物と同様の保水、冷却性能を有すると共に、高耐久・長寿命かつ自然降雨を利用する維持管理不要な材料であるため、屋上緑化代替の有力候補となる。
 現状の屋上緑化は維持に手間が掛かり、管理費も高いが、本発明の保水用セラミックスによれば、この問題を解決できる。
A-3.ビルの屋上防水層のメンテナンス経費削減:
 本発明の保水用セラミックスは、熱伝導率が0.2W/m・K程度の低熱伝導性で断熱性が高いので、これをビル屋上に敷設することにより、屋上スラブ温度を一定に保つことができる。また、紫外線も防ぐことができる。
 現状では10年程度で防水層の補修が必要とされるが、本発明の保水用セラミックスを適用することにより、このメンテナンス頻度を低減できる。
B.都市の環境対策
B-1.ヒートアイランド対策:
 本発明の保水用セラミックスは、ビル屋上を占有する各種機器(室外機・熱源など)の下にも敷設できるので、本発明の保水用セラミックスを各所に敷設することにより、都市の蒸散面積を増やし、街区全体の温度をより一層低減することができる。
 また、本発明の保水用セラミックスは、芝生と比較して高い蒸散能力があるので、芝生に比べて単位面積当たりの温度低減効果も高い。
B-2.ゲリラ豪雨対策:
 本発明の保水用セラミックスは、芝生と比較して高い治水能力があるので、ビル屋上に可能な限り敷設すれば、ゲリラ豪雨のピークカットが期待できる。
B-3.資源の再利用
 本発明の保水用セラミックスは、従来、廃棄物とされていた長石キラを主原料(例えば原料の90%)として製造することができる。
 長石キラはタイル原料の長石を採掘する時の副産物であり、従来は廃棄物とされていたが、本発明によれば、長石キラの有効利用が図れる。
 以下に、本発明の保水用セラミックスによる上記A,Bの効果を示す実験例及び試算例を挙げる。
<A-1.ビルの省エネ・CO削減>
 第4a図に示すように、底部及び4側面が断熱材11で構成された箱型容器内にコンクリートスラブ12を敷設し、その上に、本発明の保水用セラミックス(例えば、後掲の実施例2と同様にして製造された保水用セラミックス)13を厚さ10cmに敷設し、試験体1とした。保水用セラミックスの敷設面積は1mである。なお、底部断熱材11とコンクリートスラブ12との間には、温度センサ14を設けた。
 別に、この保水用セラミックスの代りに芝生を植えたものを試験体2とし、保水用セラミックスを敷設しなかったものを試験体3とした。
 これらの試験体1~3を並べて置き、気温と、各試験体の温度センサ14の測定温度の経時変化を調べ、結果を第4b図に示した。
 なお、第4b図のグラフ中、吸水期間は、降雨のあった期間であり、それ以外は、曇ないし晴天であった。
 第4b図より明らかなように、本発明の保水用セラミックスを敷設した試験体1は、敷設なしの試験体3に対してスラブ下温度で最大-8℃の温度低減効果があった。しかも、試験体1の蒸散効果は、芝生を植えた試験体2よりも大きいものであった。
 この結果から、本発明の保水用セラミックスによる雨水の治水・蒸散で、屋上スラブ温度を下げ、階下の空調の使用電力量を減らすことができることが分かる。
 次に、第4a図に示すと同様に保水用セラミックス13を敷設すると共に温度センサ14を設けた試験体1と、保水用セラミックスを敷設していない試験体3により、屋上スラブ表面温度の変化を模擬するものとして、1日24時間の温度センサ14の測定温度を調べ、結果を第5図に示した。
 なお、本発明の保水用セラミックス、コンクリートスラブ及び土の一般的な熱伝導率は以下に示す通りである。
  本発明の保水用セラミックス:0.20W/m・K
  コンクリートスラブ    :0.15W/m・K
  土            :0.63W/m・K
 第5図より明らかなように、屋上スラブの表面温度の一日の変化量は、本発明の保水用セラミックスを敷設した試験体1では2℃であるのに対して、敷設していない試験体3では15℃だった。この結果から、本発明によれば、日射によるスラブへの熱負荷が軽減されることが分かる。
 次に、第6a図に示すように、底部及び4側面が断熱材11で構成された箱型容器内にコンクリートスラブ12を敷設し、その上に、本発明の保水用セラミックス(例えば、後掲の実施例2と同様にして製造された保水用セラミックス)13を厚さ10cmに敷設し、試験体4とした。保水用セラミックスの敷設面積は1mである。保水用セラミックスの敷設面の上方1cmの位置に温度センサ14を設けた。
 別に、保水用セラミックスを敷設しなかったものを試験体5とした。この試験体5ではコンクリートスラブ12の上方1cmの位置に温度センサ14を設けた。
 これらの試験体4,5を並べて置き、1日24時間の温度センサ14の測定温度の変化を調べ、結果を第6b図に示した。
 第6b図より明らかなように、保水用セラミックスを敷設した試験体4と敷設していない試験体5とでは、1cm上方の大気温度として、最大5℃の差があった。
 この結果から、本発明の保水用セラミックスを敷設することにより、屋上に設置された空調室外機の周辺温度を下げ、全階の空調の運転効率を向上させ、使用電力量を減らすことができることが分かる。
<A-2.ビルの屋上緑化の代替及びA-3.ビルの屋上防水層のメンテナンス経費削減>
 本発明の保水用セラミックスをビル屋上に敷設した場合(ケース1)と、これを敷設していない従来仕様(ケース2)と、芝生や低木を植えた屋上緑化の場合(ケース3)とで、単位面積当たりの初期費用(敷設ないし植栽費用)と20年間の維持(メンテナンス)費用を試算し、その比較結果を第7図に示した。
 第7図に示されるように、本発明の保水用セラミックスは初期費用のみでその後の維持管理は殆ど不要である。一方、保水用セラミックスを敷設しない従来仕様のケース2では、防水層の補修等の維持費がかかり、結果として、本発明品と同等である。
 屋上緑化のケース3では、初期費用に加えて、剪定、刈込み、芝刈り、施肥、除草、病害虫防除、灌漑装置の点検、その他の総合点検等の維持費用がかさみ、第7図に示す費用以外にも灌漑設備による散水のための運転に必要な電気代及び水道代がかかる。
 これらの結果から、前述の如く、本発明の保水用セラミックスは、治水・蒸散において、芝生等植物の性能と同等であると共に、高耐久・長寿命かつ自然降雨を利用した維持管理不要なものである上に、屋上緑化に比較して、初期費用は1/2、維持費用も格段に安く、屋上緑化代替の有力候補となることが分かる。
<B-1.ヒートアイランド対策>
 東京都23区内のビル屋上全てに本発明の保水用セラミックスを敷設すると、治水・蒸散に機能する都市の蒸散面積を10%増加させることができる。
 現在、ビルの屋上には機器類(室外機・熱源など)が設置されているが、本発明の保水用セラミックスは、ビル屋上の各種機器の下にも敷設できるので、都市の蒸散面積を増やし、街区全体の温度を大幅に低減することができる。
 本発明の保水用セラミックスと芝生の治水・蒸散の繰り返し試験結果を示す第9図から明らかなように、本発明の保水用セラミックスは、芝生の約2倍の蒸散能力があるため、上記の10%の都市の蒸散面積の増加は、芝生に替算すれば、2倍の20%の都市の蒸散面積の増加となり、更なる有効性が明らかである。
<B-2・ゲリラ豪雨対策>
 本発明の保水用セラミックスと芝生について、10月2日~10月16日の15日間にわたる期間の単位体積当たりの蒸散量と吸水量の累計を比較した第8図より明らかなように、本発明の保水用セラミックスは芝生よりも2倍以上の吸水・蒸散量を有する。
 ビル屋上に本発明の保水用セラミックスを10cmの厚さで50kmの面積に敷設すると180万mもの治水ができ、東京都23区で3mm/hrのゲリラ豪雨のピークカットを図ることができる。
<B-3.資源の再利用>
 本発明の保水用セラミックスは、例えば、従来廃棄物とされていた長石キラ90重量%と、その他の材料10重量%で製造することができる。単位面積当たりの本発明の保水用セラミックスの重量を40kg/mとすると、5000mの敷設に必要となる長石キラの量は、
 5000(m)×40(kg/m)×0.9÷1000=180ton
となる。
 即ち、本発明の保水用セラミックスを敷設面積として1日に5000m生産すると、必要な廃棄物(長石キラ)原料は、180ton/日であり、廃棄物の有効利用効果は極めて大きい。
 以下、実施例及び比較例について説明する。
 なお、以下の実施例及び比較例で用いた原料は次の通りである。
  カリ長石:愛知県瀬戸産 長石
  8号珪砂:勝野窯業製
  長石キラ:愛知県瀬戸産 長石
  吸水性ポリマー:三洋化成株式会社製 
     (篩によって粒径20μmアンダー(吸水性ポリマーA)、粒径
      20~50μm(吸水性ポリマーB)、粒径50~100μm
     (吸水性ポリマーC)に分級した。)
  アルミナセメント:ラファージュ株式会社製
  炭酸リチウム:試薬特級
  CuO:試薬特級
[実施例1~5、比較例1~5]
 水以外の原料を表1の割合で秤量し、ミキサ(ホソカワミクロン製ナウタミキサ)で乾式にて攪拌混合した。次いで、水を表1の割合でこの混合粉末に添加し、混練した。これを直径70mm、最大厚さ15mmの略円盤形状に成形し、80℃にて24時間乾燥した。これをローラーハースキルン(最高焼成温度は表1に示す通り。炉通過時間は60分)にて焼成し、保水用セラミックスを製造した。
 各保水用セラミックスについて成分分析を行うと共に特性測定を行った。結果を表1、表2に示す。
 なお、気孔率は、水銀ポロシメータ(Quantachrome株式会社製)を用いて測定した。気孔の孔径分布を第2a-2e図及び第3a-3e図に示す。
 保水量は、次のようにして測定した。
 保水用セラミックスを105℃で乾燥した後、放冷し、秤量し、重量(W)を求める。次いで、20℃の水中に24時間浸漬した後、引き上げ、表面水を湿った布で拭き取り、飽水状態とする。この試料を秤量し、重量(W)を求める。また、この飽水状態の保水用セラミックスをメスシリンダー中の水中に投入し、体積(V)を求める。保水量(g/cm)を(W-W)/Vにより算出する。
 強度は10cm×10cm×0.5cmのサンプルを作り3点曲げ試験(JTトーシ株式会社、50kNデジタル曲げ試験機)によって測定した。
 凍結融解性能は、上記飽水状態の保水用セラミックスを-20℃に75分保持して凍結させた後、30℃に90分保持して融解させる凍結・融解サイクルを200サイクル繰り返し、破損の程度を観察することによって調べ、非常に良好、良好、不良で評価した。
 蒸散性能は、水を深さ5mmに張った平たい容器内に、乾燥した保水用セラミックスを置き、30分吸水させた後、引き上げ、この30分間の吸水量を上記保水量の測定方法と同様にして求める。体積については保水量測定時の体積を用いる。この30分間の吸水量(g/cm)を蒸散性能とする。
 蒸散効果持続日数は、蒸発の潜熱による冷却効果の持続日数であり、次のようにして測定した。
 第1図に示す通り、厚さ150mmの再生ポリプロピレン樹脂製パレット1の上に、厚さ100mmの発泡スチロール板よりなる正方形状の囲枠2を載せ、容器とする。この容器の一辺は1000mm、深さは830mmである。容器の外周面にアルミ箔を張ってある。
 この容器内に厚さ500mmに発泡スチロール板3を敷き詰め、その上面の5箇所に温度センサT~Tを配置する。
 この発泡スチロール板3の上に厚さ180mm、比重2.2のコンクリート板4を載せる。このコンクリート板4の上に飽水状態の保水用セラミックス5(第1b図にのみ図示)を50kg堆積させる。堆積厚さは約10cm程度である。以上の作業は、気温20℃、湿度60%RHの屋内で行う。この容器を35℃、60%RHの恒温恒湿室中に放置し、温度センサの検出温度が35℃に上昇するまでの日数を測定する。これを蒸散効果持続日数とする。
 また、各実施例及び比較例で得られた保水用セラミックスについて、吸水性を調べるために、第10図に示すように、5個の保水用セラミックス31~35を用意し、水をはったパレット30上に、最下段の保水用セラミックス35がその底部から1mm程度水に浸かるようにして、5段積み重ね、この状態で1時間放置した後、最上段の保水用セラミックス31の重量変化から、この保水用セラミックス31の吸水率(吸水前の保水用セラミックスの重量に対する吸水した水の重量の割合)を算出した。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000002
[考察]
 表1の通り、実施例1~5の保水用セラミックスは、蒸発性能及び蒸発効果持続日数に優れ、耐凍結融解性能、吸水性も良好である。
 これに対し、比較例1は、気孔の孔径が過大であるため、蒸発性能及び蒸発効果持続日数、吸水性に劣る。
 比較例2は、気孔の孔径が過度に小さいため、凍結融解性能、吸水性に劣る。
 比較例3は、気孔率が80%と過度に大きいため、強度及び凍結融解性能、吸水性に劣る。
 比較例4,5は、保水量が低いため、蒸発効果持続日数が短く、吸水性も悪い。
 本発明を特定の態様を用いて詳細に説明したが、本発明の意図と範囲を離れることなく様々な変更が可能であることは当業者に明らかである。
 なお、本出願は、2008年9月25日付で出願された日本特許出願(特願2008-246129)及び2009年6月8日付で出願された日本特許出願(特願2009-137405)に基づいており、その全体が引用により援用される。

Claims (9)

  1.  焼結された多孔質セラミックスよりなる保水用セラミックスにおいて、
     該保水用セラミックスの全体積の53~70%が孔径1~100μmの気孔よりなることを特徴とする保水用セラミックス。
  2.  請求項1において、孔径10~50μmの気孔が1~100μmの気孔の体積の60%以上を占めることを特徴とする保水用セラミックス。
  3.  請求項1において、1~200cmの大きさであることを特徴とする保水用セラミックス。
  4.  請求項1において、セラミックスの組成が
       SiO:55~70wt%
       Al:15~25wt%
       NaO及びKOの合計:1~10wt%
    であることを特徴とする保水用セラミックス。
  5.  請求項4において、0.1~1.5wt%のCuOを含有することを特徴とする保水用セラミックス。
  6.  請求項1ないし5のいずれか1項に記載の保水用セラミックスを製造する方法であって、
     窯業系原料、アルミナセメント及び粉末状吸水性ポリマーを乾式混合し、
     次いで水を添加して混合し、
     次いで成形、乾燥及び焼成する
    工程を有することを特徴とする保水用セラミックスの製造方法。
  7.  請求項6において、乾式混合時に炭酸リチウムを混合することを特徴とする保水用セラミックスの製造方法。
  8.  請求項7において、配合割合が
       窯業系原料:80~95wt%
       アルミナセメント:5~15wt%
       吸水性ポリマー:1~5wt%
       炭酸リチウム:1~5wt%
    であることを特徴とする保水用セラミックスの製造方法。
  9.  請求項1ないし5のいずれか1項に記載の保水用セラミックスが建造物又は地表に厚さ2~20cmに敷き詰められてなる保水構造体。
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