(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭灰を主原料とした成形物を焼成して得られる人工骨材であって、骨材中の全鉄量に対する２価の鉄の割合（以下、Ｆｅ2+／全Ｆｅ）の値が３５％以下であり、２４時間吸水率が３％以下、圧潰強度が１２０kgf以上であることを特徴とする人工骨材。
【請求項２】
石炭灰を主原料とした成形物を焼成する人工骨材の製造方法であって、骨材の見かけ比重が、その原料成形物の見かけ比重よりも大きくなる収縮焼成で、骨材中のＦｅ2+／全Ｆｅの値が３５％以下となるように焼成することを特徴とする人工骨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、石炭灰を主原料とした高強度で低吸水性を有し、高比重である人工骨材とその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、石炭灰を主原料とした人工骨材及びその製造方法に関しては、数多くの提案がなされている。これらの方法は、主として見かけ比重が１．３前後の人工軽量骨材の製造を目的としたもので、ロータリーキルンで発泡膨脹焼成するか、移動火格子炉により半焼結させるかして、空隙の多い人工骨材を製造しようとするものである。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
前述のように従来の方法においては、空隙の多い多孔質な骨材となる。すなわち、従来のロータリーキルンによる方法では発泡膨脹焼成であり、骨材の圧潰強度は７０ｋｇｆ程度と弱く、また移動火格子炉による方法では骨材の２４時間吸水率は１０％以上となるため、用途等、適用範囲が限定されたものとなっている。このような骨材をコンクリート用骨材として使用する場合、軽量ではあるものの天然石骨材使用コンクリートと同等の性能は期待できない。すなわち、高強度用途への使用は不可であること、骨材内部に水が吸水されるのでコンクリートの流動性が低下すること、コンクリートの耐凍結融解性の低下によるコンクリートの耐久性が低下すること、等の問題点が挙げられる。
【０００４】
この発明は、このような事情に鑑みなされたもので、大部分が廃棄物となっている石炭灰を多量に使用し、天然石骨材に匹敵する高強度で低吸水性を有する高比重で、緻密な人工骨材及びその製造方法を提供することを目的とし、資源の有効利用とすることをも目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、この発明によれば、石炭灰を主原料とした成形物を焼成して得られる人工骨材であって、骨材中の全鉄量に対する２価の鉄の割合（以下、Ｆｅ2+／全Ｆｅ）の値が３５％以下であり、２４時間吸水率が３％以下、圧潰強度が１２０kgf以上であることを特徴とする。
【０００６】
また、この発明の人工骨材の製造方法によれば、石炭灰を主原料とした成形物を焼成する人工骨材の製造方法であって、骨材の見かけ比重が、その原料成形物の見かけ比重よりも大きくなる収縮焼成で、骨材中のＦｅ2+／全Ｆｅの値が３５％以下となるように焼成することを特徴とする。尚、％はいずれも重量％を示す。以下、この発明を詳細に説明する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明で使用する石炭灰は、ＪＩＳで規定されるフライアッシュは勿論、一般に原粉と称されるフライアッシュ及びシンダーアッシュも含めて広い意味での石炭灰を指す。これら石炭灰は、必要に応じて粉砕処理し、平均粒径を２５μｍ以下とする。石炭灰の平均粒径は小さいほど緻密な骨材を得ることができるが、粉砕に要する動力費が上昇し、経済的ではない。ちなみに、ここでの平均粒径は積算粒度分布曲線における５０％粒子径を指し、以下同様とする。
【０００８】
上記石炭灰を主原料とし、これに必要に応じて粘結材及び添加材と水を加えて成形物とする。粘結材としては、ベントナイトやモンモリロナイト、カオリンなどの粘土などを使用する。また、ペレットの軟化温度を低下させ、骨材の緻密化を促進し、吸水率を低下させる目的で、添加材を用いてもよい。添加材としては炭酸カルシウム、水酸化カルシウムなどを用いることができる。これらの粘結材及び添加材は、原料に対し４０重量部まで添加してもよい。
【０００９】
石炭灰と上記粘結材及び添加材を添加混合し、水を加えて調湿、混練し、成形することによって焼成用成形物（以下、ペレットと記述することもある）を製造する。原料の成形方法はパン型ペレタイザーなどの転動造粒や、押出し成形、加圧成形などが適用できる。
【００１０】
この発明の、高強度で低吸水性を有し、見かけ比重がその原料成形物の見かけ比重よりも大きくなる収縮焼成、すなわち、原料成形物の見かけ比重／骨材の見かけ比重を収縮比とすると、この収縮比が１より小、好ましくは０．９より小、となる骨材を得るには、焼成時の温度条件とその温度条件でのペレットの炭素含有量を特定の範囲に制御することが必要であることを実験によって見いだした。すなわち、原料成形物中の炭素含有量を温度が１０００℃に達するまでに少なくとも０．２％以下、好ましくは０．１％以下にすることが望ましい。なお、炭素量がこれを上回って残留していると、以降の発泡によって骨材が緻密化せず不適当である。また、炭素酸化の指標となる製品中のＦｅ２＋／全Ｆｅとしては、３５％以下、好ましくは３０％以下となることが望ましい。
【００１１】
この過程を以下に説明する。骨材中の発泡は、主に原料石炭灰中の未燃残留炭素の酸化によって起こる。ペレット内の炭素は、焼結点以前では、ペレット外気中の酸素による酸化の他、ペレット内部の酸化第２鉄の還元による酸化で減少していくと考えられる。しかし、このような炭素の初期酸化が不十分なまま昇温し高温域に達すると、残留炭素によって還元された酸化第１鉄が軟化点の低下を引き起こし、ペレットが溶融するため、炭素の酸化によるガスが外部に拡散しにくくなり骨材は発泡する。そのため、発泡して比重が低下した骨材製品のＦｅ２＋／全Ｆｅは、高い値を示す。パイロットスケールのロータリーキルンでの実験を行い、キルン内サンプルを取り出してキルン内サンプリング位置、温度条件、各物性を検討した結果、初期酸化が充分であればＦｅ２＋／全Ｆｅは高くならず、製品中のＦｅ２＋／全Ｆｅが３５％以下、好ましくは３０％以下であれば、緻密な骨材を製造することができることを見いだした。
【００１２】
上記成形物の焼成は、前述の物性が達成されるような従来の焼成炉及び焼成方法で行われることが望ましい。ロータリーキルンを例にとると、窯尻温度を高くしてキルン中の酸化促進温度域を広くしたり、キルン内の酸素濃度を高くしたり、滞留時間を長くしたり、あるいは、キルン充填率を低くしたりするなどの焼成を行う。また、このキルンの操業条件は、製品を適宜サンプリングしてＦｅ２＋／全Ｆｅを測定することによって管理することもできる。さらに、特に高炭素含有原料の場合には仮焼キルンを設けた２段キルンを設置したり、キルン内にリフターを設置したりする他、高温空気酸化など、積極的に残留炭素の酸化が促進される焼成方法であればなおよい。尚、原料成形物中の炭素の酸化方法は特に限定されるものではない。
【００１３】
このとき石炭灰の化学組成により融点などの物性が異なるので、予め電気炉などで焼成試験を行い、焼成温度を確認し、最高比重到達温度を把握することが望ましい。融点の高い石炭灰には前述の添加材を加えることも有効である。また、温度上昇によってぺレットが溶融し、焼成炉内でペレット同士が互いに融着することがあるので、溶融温度もあわせて把握しておくことが望ましい。焼成の際には、融着を防止するために融着防止材をペレットに吹きかけてもよい。融着防止材としては、ケイ砂、アルミナ粉など融点が高く骨材品質に影響を与えないものが望ましい。また、焼成後の冷却速度は骨材強度に影響を与えるため、少なくとも７００℃までは毎分５０℃以下で徐冷されることが望ましい。
【００１４】
以上説明した、この発明による人工骨材は、Ｆｅ２＋／全Ｆｅが３５％以下、好ましくは３０％以下であり、圧潰強度が１２０ｋｇｆ以上、２４時間吸水率が３％以下の、極めて高強度で低吸水性を有し、収縮焼成によって収縮比が１以下、好ましくは０．９以下に高比重緻密化としたもので、天然石骨材代替として有効に使用することができる。
【００１５】
また、この発明によれば、焼成時にペレット温度が１０００℃に達するまでにペレット中の炭素含有量を０．１％以下にすることによって、その後の必要以上の軟化点降下、発泡を防ぐことができ、製品中のＦｅ２＋／全Ｆｅが３０％以下となり、緻密化し、高強度で低吸水性を有する高比重の骨材とする。それと共に、Ｆｅ２＋／全Ｆｅが低いことにより、コンクリート中での骨材中の鉄の自然酸化による膨脹がなく、長期にわたって安定である骨材とする。
【００１６】
【実施例】
（実施例１）
使用した石炭灰の性状を表１に示す。石炭灰（Ｍ２）９５重量部にベントナイト５重量部を調合し、加湿混練後、１８００ｍｍφのパンペレタイザーで調湿しながら造粒し、見かけ比重１．５２の球状ペレットを得た。このペレットを４５０ｍｍφ×８３４０ｍｍのロータリーキルンで表２に示す焼成条件で焼成し、実施例１の骨材を得た。これに対し同じペレットを表２の比較例１の焼成条件で焼成し、比較例１の骨材を得た。それぞれの焼成において、キルン内ペレットのサンプリングを行い、ペレットの物性を調べるとともに、キルン内の温度分布を測定すると図１の結果となった。実施例１と、比較例１の製品骨材の物性、１０００℃到達時における残留炭素量、焼成に供した原料ペレットの見かけ比重等の比較を表３に示す。
【００１７】
【表１】
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【００１８】
【表２】
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【００１９】
【表３】
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【００２０】
（実施例２）
表１の石炭灰（Ｃ２）７７．７重量部に炭酸カルシウム１７．３重量部とベントナイト５重量部を調合し、加湿混練後、１８００ｍｍφのパンペレタイザーで調湿しながら造粒し、見かけ比重１．５９の球状ペレットを得た。このペレットを４５０ｍｍφ×８３４０ｍｍのロータリーキルンで表４に示す焼成条件で焼成し、実施例２の骨材を得た。これに対し同じペレットを表４の比較例２の焼成条件で焼成し、比較例２の骨材を得た。実施例１の場合と同様に、それぞれの焼成において、キルン内ペレットのサンプリングとキルン内の温度分布の測定を行った。実施例２と、比較例２の製品骨材の物性、１０００℃到達時における残留炭素量、焼成に供した原料ペレットの見かけ比重等の比較を表５に示す。
【００２１】
【表４】
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【００２２】
【表５】
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【００２３】
（実施例３）
表１の石炭灰（Ｃ１）９５重量部にベントナイト５重量部を調合し、加湿混練後、１８００ｍｍφのパンペレタイザーで調湿しながら造粒し、見かけ比重１．５４の球状ペレットを得た。このペレットを４５０ｍｍφ×８３４０ｍｍのロータリーキルンで表６に示す焼成条件で焼成し、実施例３の骨材を得た。これに対し同じペレットを表６の比較例３−１及び３−２の焼成条件で焼成し、比較例３−１及び３−２の骨材を得た。それぞれの焼成において、キルン内ペレットのサンプリングとキルン内の温度分布の測定を行った。実施例３と、比較例３−１及び３−２の製品骨材の物性、１０００℃到達時における残留炭素量、焼成に供した原料ペレットの見かけ比重等の比較を表７に示す。
【００２４】
【表６】
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【００２５】
【表７】
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【００２６】
実施例１、実施例２、及び実施例３は、それぞれの骨材製品の各物性、すなわち絶乾比重、２４時間吸水率、圧潰強度が、ともに優れた結果であるのに対して、比較例１、比較例２、比較例３−１及び３−２のそれはいずれも劣るものであった。
【００２７】
【発明の効果】
この発明によれば、石炭灰を用いて極めて高強度、低吸水率を有する高比重の骨材で、天然石骨材代替として大量に有効利用することができ、石炭灰の再資源化に大いに貢献するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１及び比較例１のキルン内サンプリング位置における、ペレットの絶乾比重、２４時間吸水率、残留炭素、Ｆｅ２＋／全Ｆｅ値、及びキルン内温度測定値を示した図である。
【図１】
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