(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
粒径が75μm 以下の膨張性頁岩100 重量部に対して石炭灰10〜200 重量部を配合した水分量が35wt％以下である原料に結合剤を添加して混練し、押出し式成型機を用いて造粒し、焼成した後、篩分けを行うことを特徴とする高強度人工骨材の製造方法。
【請求項２】
前記した造粒を行うに際して、円周壁部に複数個の貫通孔を有する回転中空円筒と、該回転中空円筒と軸芯が平行な回転円柱または前記した回転中空円筒と軸芯が平行な他の回転中空円筒とから構成される押出し式成型機を用い、前記した回転中空円筒の円周面と、前記した回転円柱の円周面または前記した他の回転中空円筒の円周面との間に、前記した原料の混練物を供給し造粒することを特徴とする請求項１に記載の高強度人工骨材の製造方法。
【請求項３】
前記した焼成を行うに際してロータリーキルンまたは流動焙焼炉を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度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、膨張性頁岩を用いた人工骨材の製造方法に関し、特に、高強度の人工骨材を製造することが可能な高強度人工骨材の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、軽量コンクリートの骨材として、主として、膨張性頁岩を焼成して製造した人工骨材が用いられている。
【０００３】
また、上記した人工骨材を用いた軽量コンクリートは土木用のコンクリート、建築用のコンクリートとして用いられている。
【０００４】
図３に、従来の人工骨材の製造工程を示す。
【０００５】
原石（膨張性頁岩）は先ず粗粉砕し、篩分けによって、粒径が20〜５mmの頁岩（以下粗精石と記す）、粒径が５〜３mmの頁岩（以下中精石と記す）、および粒  径が３mm以下の頁岩（以下細精石と記す）を得る。
【０００６】
次に、得られた粗精石、中精石、細精石をそれぞれ焼成し、篩分けを行うことによって、粗骨材（粒径：20〜５mmφ、絶乾比重：1.29±0.05）、中骨材（粒径：５〜３mmφ、絶乾比重：1.45±0.05）、細骨材（粒径：−３mmφ、絶乾比重：1.65±0.05）が製造される。
【０００７】
粗骨材は天然の砂利、細骨材は天然の砂に対応するコンクリート材料として使用されている。
【０００８】
また、上記した製造方法で製造された人工骨材の内、主として粗骨材が、路盤材あるいは地耐力をカバーする軽量裏込材など各種土木用として使用されている。
【０００９】
上記した粗骨材を使用した軽量コンクリートは、普通のコンクリートより20〜30％軽く、強度は普通コンクリートと同等の性能を有している。
【００１０】
しかしながら、コンクリートの重要な必要特性である圧縮強度などの強度をさらに向上させるために、粗骨材自体の強度をさらに高くすることが可能な人工骨材およびその製造方法の開発が望まれている。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、土木用などに用いるための高強度の人工骨材を製造することが可能な高強度人工骨材の製造方法を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
請求項１に記載の本発明は、粒径が75μm 以下の膨張性頁岩100 重量部に対して石炭灰10〜200 重量部を配合した水分量が35wt％以下である原料に結合剤を添加して混練し、押出し式成型機を用いて造粒し、焼成した後、篩分けを行うことを特徴とする高強度人工骨材の製造方法である。
【００１３】
請求項２に記載の本発明は、前記した造粒を行うに際して、円周壁（かべ）部に複数個の貫通孔を有する回転中空円筒と、該回転中空円筒と軸芯が平行な回転円柱または前記した回転中空円筒と軸芯が平行な他の回転中空円筒とから構成される押出し式成型機を用い、前記した回転中空円筒の円周面と、前記した回転円柱の円周面または前記した他の回転中空円筒の円周面との間に、前記した原料の混練物を供給し造粒することを特徴とする請求項１に記載の高強度人工骨材の製造方法である。
【００１４】
請求項３に記載の本発明は、前記した焼成を行うに際してロータリーキルンまたは流動焙焼炉を用いることを特徴とする請求項１または２に記載の高強度人工骨材の製造方法である。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明をさらに詳細に説明する。
【００１６】
本発明者らは、コンクリートの重要な必要特性である圧縮強度などの強度をさらに向上させるために、粗骨材自体の強度をさらに高くすることが可能な人工軽量骨材およびその製造方法について鋭意検討した結果、下記知見(1) 〜(3) を得、本発明に至った。
【００１７】
(1)：微粒の頁岩と石炭灰を配合した原料を用いた粗骨材の製造；
微粒の頁岩と石炭灰を組み合わせることによって、極めて強度の高い粗骨材を製造することが可能である。
【００１８】
(2)：押出し式成型機を用いた造粒法による粗骨材の製造；
造粒工程において、原料の混練物を、押出し式成型機を用いて造粒することが好ましい。
【００１９】
また、押出し式成型機としては、（i ）円周壁部に複数個の貫通孔を有する回転中空円筒および（ii）回転中空円筒と軸芯が平行な(a) 回転円柱もしくは(b) 回転円筒もしくは(c) 円周壁部に複数個の貫通孔を有する回転中空円筒の両者から構成される押出し式成型機を用いることが好ましい。
【００２０】
(3)：ロータリーキルンまたは流動焙焼炉を用いた焼成法による粗骨材の製造；
焼成工程においては、ロータリーキルンまたは流動焙焼炉を用いることが好ましい。
【００２１】
以下、前記した本発明における知見（１）〜（３）について説明する。
知見 [1]：
図１に、本発明の高強度人工骨材の製造方法の工程図の一例を示す。
【００２２】
原石（膨張性頁岩）は先ず粗粉砕し、篩分けによって、粗精石（20〜５mm）、中精石（５〜３mm）、細精石（３mm以下）を得る。
【００２３】
本発明によれば、例えば、原石（膨張性頁岩）の粉砕、篩分けによって発生した細精石（３mm以下）をさらに微粉砕し、篩分けし、粒径が75μm 以下の頁岩（以下微粉頁岩とも記す）を得る。
【００２４】
次に、得られた微粉頁岩と石炭灰とを混合し、造粒し、焼成した後、篩分けを行うことによって、目的とする高強度の粒径：20〜５mmφである粗骨材を得ることができる。
【００２５】
これは、上記した製造条件下において、粒径が75μm 以下の頁岩（微粉頁岩）と微粒子から構成される石炭灰とが相互に分散性良く混合すると共に、相互に組成が近いため、それぞれの粒子が焼成過程で強固に結合するためと考えられる。
【００２６】
また、本発明によれば、土木用などに用いられる粒径の大きな粗骨材（20〜５mmφ）が、対原料収率に優れた方法で製造することが可能となったが、本効果も上記した作用によって、造粒物の強度、焼成品の強度が高いことによると考えられる。
【００２７】
本発明においては、粒径が75μm 以下の頁岩（微粉頁岩）、石炭灰それぞれの好適配合割合は、微粉頁岩：100 重量部に対して、石炭灰：10〜200 重量部である。
【００２８】
石炭灰が上記した配合割合（重量部）未満の場合、または上記した配合割合（重量部）を超える場合は、いずれも目的とする高強度の粗骨材を得ることが困難となる。
【００２９】
以下、本発明において使用する石炭灰について述べる。
【００３０】
〔本発明において使用する石炭灰〕
産業廃棄物としての石炭灰は、主成分がSiO2、Al2O3 および鉄の酸化物であり、頁岩の組成に近い。
【００３１】
上記した石炭灰を、前記した微粉頁岩に添加して混合し、造粒後、焼成することによって、高強度の粗骨材を製造することが可能であると共に、産業廃棄物のリサイクルが可能となる。
【００３２】
さらには、近年、産業廃棄物として発生する石炭灰の処分が重要な問題となっているが、この問題も解決できる。
【００３３】
本発明において使用する石炭灰としては、100 ℃乾燥後の試料の組成が下記組成である石炭灰が好ましい。
【００３４】
（本発明において使用する石炭灰の好適組成）
SiO2：50〜70wt％、Al2O3 ：15〜30wt％、Fe2O3 ：0.5 〜10wt％
〔全配合原料中の好適水分量〕
前記した本発明においては、全配合原料中の水分量が35wt％以下であることが好ましい。
【００３５】
さらには、前記した本発明においては、全配合原料中の水分量が10〜35wt％であることがより好ましい。
【００３６】
これは、全配合原料中の水分量が35wt％超えの場合、造粒物の一部が、焼成工程への搬送過程および焼成炉内の乾燥領域において団塊状となり、また逆に、10wt％未満の場合、原料同士の結合力が不足し、造粒工程で所定の粒径の造粒物が得られず、いずれの場合も粒径が20〜５mmφの粗骨材の対原料収率が低下するためである。
【００３７】
〔配合原料中への結合剤の添加〕
本発明においては、配合原料中に結合剤を添加することが好ましい。
【００３８】
結合剤としては、ベントナイト、リグニン、パルプ廃液、ポリビニルアルコールおよびカルボキシメチルセルロースなどから選ばれる１種以上が例示され、ベントナイトを用いることがより好ましい。
【００３９】
結合剤の添加量は、例えばベントナイトを用いる場合、微粉頁岩と石炭灰の合計量100 重量部に対して１〜10重量部であることが好ましく、さらには微粉頁岩と石炭灰の合計量100 重量部に対して１〜５重量部であることがより好ましい。
知見 [2]：（押出し式成型機を用いた造粒法による人工骨材の製造方法）；
前記した知見（１）においては、高強度の骨材を得るために、造粒を行うに際して、水分量が35wt％以下である前記した原料の混練物を、押出し式成型機（押出し式造粒機）を用いて造粒することが好ましい。
【００４０】
さらには、前記した知見（１）においては、水分量が10〜35wt％である前記した原料の混練物を、押出し式成型機を用いて造粒することがより好ましい。
【００４１】
本発明によれば、押出し式成型機を用いることによって、生産性に優れた方法で人工骨材を製造できるばかりでなく、極めて高強度の人工骨材を製造することが可能となった。
【００４２】
押出し式成型機（押出し式造粒機）としては、混練物をダイスから押し出す方式であれば特に制限を受けるものではない。
【００４３】
また、押出し式成型機（押出し式造粒機）としては、（i ）円周壁部に複数個の貫通孔を有する回転中空円筒および（ii）該回転中空円筒と軸芯が平行な(a) 回転円柱もしくは(b) 回転中空円筒もしくは(c) 円周壁部に複数個の貫通孔を有する回転中空円筒の両者から構成される押出し式成型機を用いることが好ましい。
【００４４】
これは、押出し式の成型機を用いることによって、微粉頁岩と石炭灰との接触がより緊密となり、前記した焼成時における微粉頁岩のバインダ効果がより大きくなり、得られる骨材の強度が大となるためである。
【００４５】
図２に、本発明に係わる押出し式成型機（押出し式造粒機）の要部を斜視図によって示す。
【００４６】
図２(a) は、円周壁部に複数個の貫通孔を有する回転中空円筒と該回転中空円筒と軸芯が平行な回転円柱とから構成される押出し式成型機を示し、図２(b) は、円周壁部に複数個の貫通孔を有する相互に軸芯が平行な一対の回転中空円筒から構成される押出し式成型機を示す。
【００４７】
図２において、１、５は円周壁（かべ）部Ｗに複数個の貫通孔３i 、3Ai 、3Bi を有する回転中空円筒、２は回転中空円筒１と軸芯が平行な回転円柱、３i 、3Ai 、3Bi は回転中空円筒１、５の円周壁部Ｗを貫通する貫通孔、４は円柱状の造粒物、６は押出し式成型機（押出し式造粒機）、AX1 、AX1A、AX1Bは回転中空円筒１、５の軸芯、AX2 は回転円柱２の軸芯、ｆ1 は原料の供給方向、ｆ2 は造粒物の排出方向、ｆ3 は回転中空円筒１、５、回転円柱２、各々の回転方向、Ｗは回転中空円筒１、５の円周壁部を示す。
【００４８】
図２(a) に示される押出し式成型機６においては、供給原料は、回転中空円筒１と回転円柱２の間に供給され、貫通孔３i から回転中空円筒１の中空部内に押し出される過程で、圧縮成型された後、円柱状の造粒物４が回転中空円筒１の中空部から排出される。
【００４９】
また、図２(b) に示される押出し式成型機６においては、供給原料は、回転中空円筒１と回転中空円筒５の間に供給され、相互に相対する位置をずらした貫通孔3Ai 、貫通孔3Bi から回転中空円筒１、５それぞれの中空部内に押し出される過程で、圧縮成型された後、円柱状の造粒物４が回転中空円筒１、５それぞれの中空部から排出される。
【００５０】
上記した本発明によれば、前記したように、造粒時に、微粉頁岩と石炭灰との接触がより緊密となり、焼成時における微粉頁岩の前記したバインダ効果がより大きくなり、強度が大な粒径が20〜５mmφの粗骨材を、生産性に優れると共に、さらに対原料収率に優れた方法で製造することが可能となった。
知見 [3]：（ロータリーキルンまたは流動焙焼炉を用いた焼成法による人工骨材の製造方法）；
本発明においては、焼成工程においてロータリーキルンまたは流動焙焼炉を用いることが好ましい。
【００５１】
これは、造粒物をロータリーキルンまたは流動焙焼炉を用いて焼成することによって、造粒物の個々の粒子の温度が均一となり、全体の粒子が均一に発泡、膨張し、強度に優れた人工骨材が製造できるためである。
【００５２】
さらに、本発明によれば、前記した図２に例示した押出し式成型機とロータリーキルンを併用することによって、前記した作用によって、強度が大で粒径が20〜５mmφの粗骨材である人工骨材を生産性および対原料収率に優れた方法で製造することが可能となった。
【００５３】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明する。
【００５４】
（実施例１）
図１に示す製造工程にしたがって、粒径が75μm 以下の膨張性頁岩（微粉頁岩）、石炭灰、結合剤を用いて人工軽量骨材を製造した。
【００５５】
すなわち、微粉頁岩、石炭灰、結合剤を表１に示すように所定量配合し、得られた配合原料に水を添加し、混練機で混練した。
【００５６】
上記した微粉頁岩の粒径は、レーザーを用いた回折法で測定した値である。
【００５７】
石炭灰としては下記組成の石炭灰を用いた。
【００５８】
（石炭灰）
100 ℃乾燥後の試料の組成：SiO2；61wt％、Al2O3 ；19wt％、Fe2O3 ；４wt％
次に、得られた混練物を、前記した図２(a) に示す押出し式成型機を用いて造粒し、ロータリーキルンによって焼成した後、目開き20mmφ、５mmφの篩で篩分けを行い、人工軽量骨材を製造した。
【００５９】
なお、造粒時の水の添加率は、微粉頁岩100 重量部に対して28重量部（全配合原料中の水分量：20〜25wt％）とし、焼成温度は1130℃とした。
【００６０】
次に、得られた粗骨材（20〜５mmφ）の圧潰強度、絶乾比重および24時間吸水率を測定すると共に、下記試験方法による粗骨材（20〜５mmφ）の破砕試験を行った。
【００６１】
〔粗骨材（20〜５mmφ）の破砕試験方法〕
英国規格（British Standard）；ＢＳ−812
鋼製試験容器（内径：154mm 、内高：140mm の円筒形容器）に所定量の試料を試料の層の厚さが約10cmとなるように充填し、試料の上にプランジャーを載置する。
【００６２】
試験容器を圧縮試験機に据え、毎分４tfの割合で一様に載荷する。
【００６３】
上記破砕試験後の試験容器内の試料を2.5mm の篩で篩い、篩下の重量を求め、試験に供した全試料の量とから破砕値（破砕率）（％）を求める。
【００６４】
破砕値が7.5 〜12.5％となったとき、そのときの荷重Ｐ(tf)と破砕値CV（％）とから下記式(1) によって10％破砕荷重(tf)（以下ＢＳ破砕強度と記す）を計算する。
【００６５】
10％破砕荷重(tf)（ＢＳ破砕強度）＝｛14Ｐ(tf)／〔CV（％）＋４〕｝………(1)
さらに、本実施例においては、下記式(2) に基づき粗骨材の対原料収率を求めた。
【００６６】
粗骨材の対原料収率＝〔得られた粗骨材（20〜５mmφ）の乾量／（使用した微粉頁岩の灼熱減量を差し引いた乾量＋使用した石炭灰の乾量）〕×100 ％…………(2)
得られた実験結果を、原料配合割合と併せて表１に示す（本発明例１、比較例１）。
【００６７】
表１に示されるように、微粉頁岩と石炭灰を用いることによって、目的とする強度が優れた粒径：20〜５mmφである粗骨材を対原料収率に優れた方法で得ることができた（本発明例１）。
【００６８】
なお、造粒機としてパン型ペレタイザを用い同様にして人工軽量骨材を製造した結果（比較例２）を、表１に併せて示す。
【００６９】
本実験結果から、本発明にしたがって押出し式成型機を用いることによって、高強度の人工軽量骨材が製造可能であることが分かる。
【００７０】
【表１】
0003619838.tif 000002
【００７１】
（実施例２）
造粒機として前記した図２(b) に示す押出し式成型機を用いた以外は実施例１と同様にして人工軽量骨材を製造した。
【００７２】
各原料の配合割合および得られた実験結果を表２に示す。
【００７３】
表２に示されるように、微粉頁岩と石炭灰を用い、押出し式成型機によって造粒した造粒物を焼成、篩分けを行うことによって、目的とする強度が優れた人工軽量骨材を対原料収率に優れた方法で製造することができた（本発明例２）。
【００７４】
【表２】
0003619838.tif 000003
【００７５】
【発明の効果】
本発明によれば、微粉頁岩、石炭灰それぞれの特性を有効に活用し、強度に優れた人工骨材を製造することが可能となった。
【００７６】
さらに、本発明によれば、産業廃棄物としての石炭灰を、人工骨材の原料として使用する結果、大幅な省資源を達成することが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の高強度人工骨材の製造方法の一例を示す工程図である。
【図２】本発明に係わる押出し式成型機の要部を示す斜視図である。
【図３】従来の人工骨材の製造方法を示す工程図である。
【符号の説明】
１、５  円周壁部Ｗに複数個の貫通孔を有する回転中空円筒
２  回転中空円筒と軸芯が平行な回転円柱
３i 、3Ai 、3Bi   回転中空円筒の円周壁部Ｗを貫通する貫通孔
４  円柱状の造粒物
６  押出し式成型機（押出し式造粒機）
ｆ1   原料の供給方向
ｆ2   造粒物の排出方向
ｆ3   回転中空円筒、回転円柱の回転方向
AX1 、AX1A、AX1B  回転中空円筒の軸芯
AX2   回転円柱の軸芯
Ｗ  回転中空円筒の円周壁部
【図１】
0003619838.tif 000004
【図２】
0003619838.tif 000005
【図３】
0003619838.tif 000006