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【発明の名称】 人工骨材の製造方法およびこの方法により得られた人工骨材
【発明者】 【氏名】長南 武

【氏名】川本 孝次

【氏名】加岳井 敦

【氏名】須藤 真悟

【要約】 【課題】本発明は簡単かつ安価に製造することが可能で、入手が容易で低価格な添加剤を添加することにより、高強度、高品質、かつ低吸水率な非焼成型の人工骨材を製造する方法およびこの方法により得られた人工骨材の提供を課題とする。

【解決手段】石炭灰と、硫酸カルシウムと、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの3種から選ばれた少なくとも1種とを混合して平均粒径を15ミクロン以下、好ましくは10ミクロン以下に粉砕し、該粉砕物に要すれば発泡剤と水とを添加してスラリ−化したあと型枠に鋳込んで養生し、半硬化させ、得られた半硬化物を所望のサイズに成型し、その後高圧蒸気養生して硬化物を得、次いで得た硬化物の表面に防水剤を含有させて乾燥して人工骨材を得る。
【特許請求の範囲】
【請求項1】 石炭灰と、硫酸カルシウムと、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの3種から選ばれた少なくとも1種とを混合して混合物を得、該混合物を平均粒径15ミクロン以下に粉砕し、該粉砕物に要すれば発泡剤と水とを添加してスラリ−化した後、型枠に鋳込んで養生し、半硬化させ、得られた半硬化物を所望のサイズに成型し、その後高圧蒸気養生して硬化物を得、次いで得た硬化物の表面に防水剤を含有させて乾燥して人工骨材を得ることを特徴とする人工骨材の製造方法。
【請求項2】 防水剤がシリコ−ンオイル、アルキルシリケ−トおよびその部分重合体などの有機ケイ素化合物の少なくともいずれか1種であり、防水剤の添加量が、骨材重量に対して2重量%以下である請求項1記載の製造方法。
【請求項3】 硫酸カルシウムの添加量が、CaSO4換算で0.5〜10重量%であり、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの内の少なくとも1種の添加量が、単独あるいは合量で1〜50重量%であり、この際に酸化カルシウムと水酸化カルシウムの量をCaO換算にて計算する請求項1または2記載の製造方法。
【請求項4】 120℃〜250℃で1時間以上、好ましくは3時間以上の高圧蒸気養生をすることを特徴とする請求項1〜3記載のいずれかの製造方法。
【請求項5】 請求項1〜4記載のいずれかの方法で得られる人工骨材であり、嵩比重が0.5〜1.5で、かつ吸水率が10%以下である人工骨材。
【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、土木・建築用などを人工骨材として再資源化するための人工骨材の製造方法、およびこの方法により得られた人工骨材に関する。
【0002】
【従来の技術】石炭は、石油に比べて資源が豊富で単位発熱量あたりの価格も安価なことから、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、あるいは増加が予測されている。そのため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】多量に発生する石炭灰を有効利用するためには、大きな需要量が見込まれる物に再利用することが必要であり、この点より人工骨材としての利用が最適とされている。事実、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。しかし、大多数の石炭灰は国内では人工骨材として再利用されていない。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ところにある。
【0004】すなわち、上記石炭より発生する高融点の石炭灰を使用しようとすると、軽量骨材化するために多量の低融点の粘土や頁岩を石炭灰に混合して焼成しなければならないが、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用いるためには、採掘、運搬、前処理といった工程で多額の費用を要する結果、人工骨材の製造コストが高くなること、また単位製品あたりの石炭灰の使用率を低くせざるを得ず、石炭灰の有効利用上必ずしも好ましとは言えないこと、さらにはこのようにして得られた従来の人工骨材は吸水率が高く、骨材として使用するに際して種々の困難があることなどの問題が有るからである。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】本発明は上記状況よりなされたものであり、簡単かつ安価に製造することが可能で、入手が容易で低価格な添加剤を添加することにより、高強度、高品質、かつ低吸水率な非焼成型の人工骨材を製造する方法およびこの方法により得られた人工骨材の提供を課題とする。
【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、高強度で低吸水率の人工骨材の安価な製造方法について鋭意検討した結果、石炭灰と、セメントと、硫酸カルシウムと、酸化カルシウムおよび/または水酸化カルシウムから選ばれた少なくとも1種との混合粉砕物に、所定量の水を添加してスラリ−化したあと型枠に鋳込んで養生し、得られた半硬化物を所望のサイズに成型したあと高圧蒸気養生を施して人工骨材とし、該人工骨材の表面に防水剤を含有させて乾燥することにより、上記問題点を解決でき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第1の発明は、石炭灰と、硫酸カルシウムと、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの3種から選ばれた少なくとも1種とを混合して平均粒径を15ミクロン以下、好ましくは10ミクロン以下に粉砕し、該粉砕物に要すれば発泡剤と水とを添加してスラリ−化したあと型枠に鋳込んで養生し、半硬化させ、得られた半硬化物を所望のサイズに成型し、その後高圧蒸気養生して硬化物を得、次いで得た硬化物の表面に防水剤を含有させて乾燥して人工骨材を得るものである。
【0008】本発明において、硫酸カルシウムの添加量は、人工骨材の強度と吸水率および石炭灰の有効利用率の点より、CaSO4換算で0.5〜10重量%であることが望ましい。また、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの添加量は合量1〜50重量%であることが望ましい。なお、この際酸化カルシウムと水酸化カルシウムの量はCaO換算にて計算する。
【0009】高圧蒸気養生は、生産性および骨材強度の点から120℃〜250℃で1時間以上、好ましくは3時間以上とすることが好ましい。
【0010】本発明において使用しうる防水剤は特に限定されないが、シリコ−ンオイル、アルキルシリケ−トおよびその部分重合体などの有機ケイ素化合物が好ましい。また、骨材重量に対する防水剤の添加量は、コストの点から2重量%以下、好ましくは1重量%以下である。
【0011】また、本第2の発明は、前記第1の発明より得られる人工骨材であり、嵩比重が0.5〜1.5で、かつ吸水率が10%以下である人工骨材である。
【0012】
【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。
【0013】本発明は石炭灰と、硫酸カルシウムと、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの内から選ばれる少なくとも1種とを15μm以下、好ましくは10μm以下に粉砕し、得た粉砕物に、所定量の水と要すれば発泡剤とを添加してスラリ−化したあと型枠に鋳込んで室温で養生し、得られた半硬化物を成型して所定の蒸気養生を施して人工骨材とし、該人工骨材の表面に防水剤を含有させて乾燥することによって安価に人工骨材を製造できるという特徴がある。
【0014】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、JIS A6201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、前記石炭灰の粒度は特に限定されるものではない。
【0015】また本発明で用いるセメントは特に限定されないが、例えばJIS規格で規定されている普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸ポルトランドセメント、耐硫酸塩ポルトランドセメント、白色セメント、超速硬セメント、アルミナセメント、シリカセメント、高炉セメント、フライアッシュセメントなどが挙げられる。
【0016】必要に応じ添加されるカルシウム源は石炭灰中の主成分であるシリカやアルミナとのポゾラン反応によってさらに高強度を発現させるために、酸化カルシウム、水酸化カルシウムが好ましい。また、硫酸カルシウムも特に限定されず、二水石膏、半水石膏、排煙脱硫石膏などが挙げられる。
【0017】そして、前記石炭灰と、硫酸カルシウムと、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムの内の少なくとも1種との混合物は平均粒径15μm以下、好ましくは10μm以下になるように微粉砕することが必要である。この際用いる粉砕方法は所定の平均粒径まで粉砕できるものであればよく特に限定しない。例えば、ポットミル、振動ミル、遊星ミルなどのボ−ルミル、衝突式のジェット粉砕機、タ−ボ粉砕機などが挙げられる。なお、混合物を上記平均粒径に粉砕するのは、最終的に得られる建材の強度と吸水率の点からである。
【0018】骨材化における硫酸カルシウムの配合量は、人工骨材の強度と吸水率および石炭灰の利用率向上の点からCaSO4換算で0.5〜10重量%が好ましく、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムとからなる群より選ばれた少なくとも1種の配合量は、同様の理由から1〜50重量%が好ましい。これらの範囲を外れると得られる人工骨材の強度が劣り、吸水率が高まり、かつ石炭灰の利用率を向上することができないからである。なお、酸化カルシウムと水酸化カルシウムの添加量の計算はCaO換算で行う。
【0019】また、骨材重量に対する防水剤の添加量は、コストの点から外割で2重量%以下、好ましくは1重量%以下である。
【0020】また、石炭灰と硫酸カルシウムと、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムとの混合物は所定量の水で湿式混練するが、採用する混練装置も特に限定されず汎用の混練装置を用いることができる。
【0021】湿式混練に用いる水量は、固形分に対して60〜100重量%とすることが好ましい。60重量%未満では粘性が高く、実操業の際にノズルから吐出し難い。一方、100重量%を超えると半硬化状態となるまでに長時間を要するため、生産性が悪くなる。
【0022】前記のような湿式混練時に、必要に応じて発泡剤を添加する。発泡剤はアルミニウム粉末が好ましく、添加量は特に限定されるものではないが固形分に対して0.1重量%以下が好ましい。なお、このとき同時に気泡安定剤を併用することが好ましい。
【0023】このようにして調整したスラリ−を型枠に鋳込んで養生するが、型枠は特に限定されず、例えばバッチ式の箱形や半硬化体を細分するピアノ線メッシュを備え、かつ押し切り装置に合わせた大きさで連続的に鋳込み細分化が可能な型枠などが挙げられる。ピアノ線メッシュの線径や目開きも特に限定されるものでなく、所望の粒径の骨材が得られるように適宜選択すればよい。そして、養生時の温度は生産性を考慮した場合、30〜90℃が好ましい。
【0024】半硬化体を所望の大きさに切断するには、例えば張力をかけたピアノ線で切断するか、または鋼製の丸棒などで破断して細粒化し、これを転動造粒機にかけて角取りを行うと同時に表層の細孔を潰して緻密化させる。次に、このように成形した半硬化体を更に養生する。
【0025】養生方法は、湿潤養生、常圧の蒸気養生および高圧の蒸気養生が知られているが、本発明では高圧蒸気養生法を用いる。常圧蒸気養生のみでは強度発現まで長期間の養生を要するために生産性が悪く、また高圧蒸気養生を施した骨材と比較して強度の点で劣るといった欠点がある。高圧蒸気養生はオ−トクレ−ブ中で行うが、硫酸カルシウム、セメント、酸化カルシウム、水酸化カルシウムなどの割合によって最適条件が変化するために予めこれらの割合に応じて条件を求めておくことが好ましいが、生産性および骨材強度の点から120℃〜250℃で1時間以上、好ましくは3時間以上養生する。
【0026】このように高圧蒸気養生を施して骨材化した後、得られた骨材の表面に防水剤を含有させて乾燥することが好ましい。この際使用する防水剤は特に限定されないが、シリコ−ンオイル、アルキルシリケ−トおよびその部分重合体などの有機ケイ素化合物が挙げられる。また、骨材重量に対する防水剤の添加量は、コストの点から2重量%以下、好ましくは1重量%以下である。
【0027】
【実施例】以下の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。
【0028】なお、用いた石炭灰の主成分は、SiO2:56.20% ,Al23:32.10%, Fe23:3.57%, CaO:0.59%, MgO:1.40%, Na2O:0.22% , K2O:0.48%のものである。
【0029】[実施例1]石炭灰79重量%、セメント20重量%、半水石膏1重量%からなる骨材配合原料を、ボ−ルミルにて平均粒径が5μmとなるように混合粉砕した。該粉砕物130gと水86.7gを万能混合攪拌機にて混練してスラリ−化し、これを40℃に保持した型枠に流し込み40℃で相対湿度95%雰囲気下において3.5時間の養生を行った。半硬化した成形体を脱型後、目開き10mm、線径0.25mmφのピアノ線メッシュで押し切りながら直径約10mmの立方体状に切断し、パンペレタイザ−で転動しながら約10mmφの球状に加工した。これをオ−トクレ−ブに充填し、185℃(蒸気圧10.5kg/cm2)で8時間の高圧蒸気養生を行った。
【0030】得られた骨材を有機変性シリコ−ンオイル(東レ・ダウコ−ニング・シリコ−ン社製 BY16−846)を25%含有するトルエン溶液を含浸させた後、120℃で2時間乾燥して0.7%のシリコ−ンオイル被覆人工骨材を得た。 このようにして得た人工骨材の評価として、嵩比重と吸水率および圧漬強度(一軸圧縮破壊荷重)の測定を行った。なお、圧潰強度は圧潰試験機によって、吸水率はJIS A 1110によって直径10mmの各人工骨材について測定し、その平均値を求めた。評価結果を表1に示した。 表1に示すように、嵩比重1.44、吸水率4.3%、圧潰強度105kgfの骨材が得られた。
【0031】[実施例2]有機変性シリコ−ンオイルの添加量を0.9重量%となるした以外は実施例1と同様にして実施例2を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、実施例2は嵩比重1.45、吸水率2.2%、圧潰強度110kgfの骨材が得られた。
【0032】[実施例3]石炭灰89重量%、セメント10重量%、半水石膏1重量%とした以外は実施例1と同様にして実施例3を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.46、吸水率3.9%、圧潰強度36kgfの骨材が得られた。
【0033】[実施例4]石炭灰85重量%、セメント10重量%、酸化カルシウム4重量%、半水石膏1重量%とした以外は実施例1と同様にして実施例4を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.44、吸水率5.4%、圧潰強度69kgfの骨材が得られた。
【0034】[実施例5]混練時に、発泡剤としてアルミニウム粉末0.026gおよび気泡安定剤としてオレイン酸0.09gを添加し、4時間かけて半硬化した以外は、実施例1と同様にして実施例5を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.26,吸水率4.6%、圧潰強度61kgfの骨材が得られた。
【0035】[実施例6]アルミニウム粉末0.078gとした以外は、実施例5と同様にして実施例6を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.04、吸水率5%、圧潰強度30kgfの骨材が得られた。
【0036】[実施例7]石炭灰84重量%、セメント15重量%、半水石膏1重量%とした以外は、実施例5と同様にして実施例7を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.24、吸水率4.1%、圧潰強度40kgfの骨材が得られた。
【0037】[実施例8]骨材配合原料を平均粒径10μmになるように粉砕し、4.5時間かけて半硬化した以外は実施例5と同様にして実施例8を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.22、吸水率4.5%、圧潰強度60kgfの骨材が得られた。
【0038】[実施例9]骨材配合原料を平均粒径14μmになるように粉砕し、7時間かけて半硬化した以外は実施例5と同様にして実施例9を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.17,吸水率4.5%、圧潰強度53kgfの骨材が得られた。
【0039】[実施例10]半硬化体を1辺が約10mmの立方体状に切断した後、パンペレタイザ−で極緩く転動させた以外は実施例5と同様にして実施例10を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.89、吸水率7.7%、圧潰強度43kgfの骨材が得られた。
【0040】[実施例11]石炭灰69重量%、セメント30重量%とした以外は、実施例10と同様にして実施例11を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.96、吸水率7.3%、圧潰強度82kgfの骨材が得られた。
【0041】[実施例12]石炭灰59重量%、セメント40重量%とした以外は、実施例10と同様にして実施例12を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.99、吸水率7.4%、圧潰強度101kgfの骨材が得られた。
【0042】[実施例13]石炭灰49重量%、セメント50重量%とした以外は、実施例10と同様にして実施例13を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.11、吸水率7.1%、圧潰強度111kgfの骨材が得られた。
【0043】[実施例14]石炭灰79重量%、酸化カルシウムをCaO換算で20重量%とした以外は、実施例1と同様にして実施例14を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.31、吸水率7.7%、圧潰強度93kgfの骨材が得られた。
【0044】[実施例15]有機変性シリコ−ンオイルの添加量を0.9重量%となるした以外は実施例1と同様にして実施例15を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、実施例14は嵩比重1.33、吸水率4.5%、圧潰強度96kgfの骨材が得られた。
【0045】[実施例16]石炭灰89重量%、酸化カルシウムをCaO換算で10重量%、半水石膏1重量%とした以外は実施例1と同様にして実施例16を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.43、吸水率7.8%、圧潰強度90kgfの骨材が得られた。
【0046】[実施例17]石炭灰85重量%、酸化カルシウムをCaO換算で10重量%、セメント4重量%、半水石膏1重量%とした以外は実施例1と同様にして実施例4を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.50、吸水率7.5%、圧潰強度103kgfの骨材が得られた。
【0047】[実施例18]混練時に、発泡剤としてアルミニウム粉末0.026gおよび気泡安定剤としてオレイン酸0.09gを添加し、4時間かけて半硬化した以外は、実施例14と同様にして実施例18を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.15,吸水率8.2%、圧潰強度54kgfの骨材が得られた。
【0048】[実施例19]アルミニウム粉末0.078gとした以外は、実施例18と同様にして実施例19を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.95、吸水率9.0%、圧潰強度27kgfの骨材が得られた。
【0049】[実施例20]石炭灰84重量%、酸化カルシウムをCaO換算で15重量%、半水石膏1重量%とした以外は、実施例18と同様にして実施例20を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.17、吸水率8.0%、圧潰強度49kgfの骨材が得られた。
【0050】[実施例21]骨材配合原料を平均粒径10μmになるように粉砕し、4.5時間かけて半硬化した以外は実施例18と同様にして実施例21を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.13、吸水率8.4%、圧潰強度51kgfの骨材が得られた。
【0051】[実施例22]骨材配合原料を平均粒径14μmになるように粉砕し、7時間かけて半硬化した以外は実施例18と同様にして実施例22を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.07,吸水率8.8%、圧潰強度46kgfの骨材が得られた。
【0052】[実施例23]半硬化体を1辺が約10mmの立方体状に切断した後、パンペレタイザ−で極緩く転動させた以外は実施例18と同様にして実施例23を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.81、吸水率9.7%、圧潰強度40kgfの骨材が得られた。
【0053】[実施例24]石炭灰69重量%、酸化カルシウムをCaO換算で30重量%とした以外は、実施例23と同様にして実施例24を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.83、吸水率9.8%、圧潰強度50kgfの骨材が得られた。
【0054】[実施例25]石炭灰59重量%、酸化カルシウムをCaO換算で40重量%とした以外は、実施例23と同様にして実施例25を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.84、吸水率9.2%、圧潰強度55kgfの骨材が得られた。
【0055】[実施例26]石炭灰49重量%、酸化カルシウムをCaO換算で50重量%とした以外は、実施例23と同様にして実施例26を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重0.85、吸水率8.8%、圧潰強度59kgfの骨材が得られた。
【0056】[比較例1]有機変性シリコーンオイルの添加量を0重量%とした以外は実施例1と同様にして比較例1を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように嵩比重1.44、吸水率32.1%、圧潰強度103kgfと吸水率が30%以上と高い骨材であった。
【0057】[比較例2]高圧蒸気養生を行わず常圧蒸気養生のみ7日間行った以外は、実施例5と同様にして比較例2を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.33、吸水率が4.8%、圧潰強度11kgfと圧潰強度が低い骨材であった。
[比較例3]有機変性シリコーンオイルの添加量を0重量%とした以外は実施例14と同様にして比較例3を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように嵩比重1.31、吸水率40.5%、圧潰強度91と吸水率が30%以上と高い骨材であった。
【0058】[比較例4]高圧蒸気養生を行わず常圧蒸気養生のみ7日間行った以外は、実施例14と同様にして比較例4を得た。評価結果を表1に併せて示す。表1に示すように、嵩比重1.23、吸水率が8.3%、圧潰強度5kgfと圧潰強度は低い骨材であった。
[従来例1,2]市販の人工骨材であるメサライト(従来例1)とエフエイライト(従来例2)の評価結果を表1に併せて示す。 表1に示すように、いずれの骨材も高強度であるが、吸水率が10%以上と高い。
【0059】

【0060】
【発明の効果】本発明は以上のように構成されているので、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、非焼成型の人工骨材を低コストで効率的に生産することができる。従って、産業廃棄物を埋め立てて処理することなく、特に土木・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寄与するところ大である。
【出願人】 【識別番号】000183303
【氏名又は名称】住友金属鉱山株式会社
【出願日】 平成10年6月23日(1998.6.23)
【代理人】
【公開番号】 特開2000−7394(P2000−7394A)
【公開日】 平成12年1月11日(2000.1.11)
【出願番号】 特願平10−175505