(57)【要約】【課題】石炭灰を成型過程を経て骨材化するにあたり前養生条件時間の短縮を図ることが出来、且つ石炭灰の品質のバラつきによる硬化時間の遅延を抑制することが出来る成型用モルタル組成物を提供する。【解決手段】石炭灰１００質量部に対して、ポルトランドセメント１５〜４５質量部、カルシウムアルミネート１．５〜４質量部、石膏１．５〜４質量部、及び凝結調整剤０．０５〜０．９質量部を含有する混合粉末に加水することで得られる成型用モルタル組成物。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭灰１００質量部に対して、ポルトランドセメント１５〜４５質量部、カルシウムアルミネート１．５〜４質量部、石膏１．５〜４質量部、及び凝結調整剤０．０５〜０．９質量部を含有する混合粉末に加水することで得られる成型用モルタル組成物。
【請求項２】
混合粉末１００質量部に対して水２３〜３３質量部を加水することで得られる請求項１記載の成型用モルタル組成物。
【請求項３】
蒸気養生することで得られる請求項１又は２記載の成型用モルタル組成物。
【請求項４】
人工骨材用である請求項１〜３のいずれかに記載の成型用モルタル組成物。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石炭灰を人工骨材として再資源化して有効利用するための成型用モルタル組成物に関する。
【背景技術】
【０００２】
火力発電所などの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ため、石炭灰の有効利用が大きな課題となっている。石炭灰の有効利用方法としては、人工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。この石炭灰による骨材の製造方法の一つとして、石炭灰にセメント、石膏、廃ガラス等を添加して成型後蒸気養生して製造する方法が知られている（特許文献１、２）。
【０００３】
石炭灰をセメントで成型し固化する場合には、石炭灰にセメントを加えた混合物を加水し、撹拌などの作製手段によって作製しているが、人工骨材などの用途に適合するまで固化物の強度を増進させるには、硬化時間（前養生時間）が非常に長くかかるのが現状である。そこで石炭灰とセメントからなる混合物を加水して作製する工程において、混合物を加温することによって型枠成型時からセメントの水和反応を進行させることで成型物の硬化時間を短縮する方法が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２９２５８７号公報
【特許文献２】特開２００１−３２２８４７号公報
【特許文献３】特開２００４−１４８７０９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献３記載の方法によれば、養生時間は短縮されたものの、石炭焚きボイラーから発生する石炭灰には品質のバラつきがあり、石炭灰等の材料の品質のバラつきによって、硬化時間にバラつきがあり、硬化するまでの間の耐衝撃性、耐振動性等が十分でなく、安定した強度を有する人工骨材が得られないという問題があった。
従って、本発明の課題は、石炭灰を大量に使用した骨材等の成型物を作製する場合の前養生時間を短縮させることが出来、加えて石炭灰などの品質のバラつきによる硬化時間の遅延を抑制させることが出来る成型用モルタル組成物を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
そこで本発明者は、成型用モルタル組成物の硬化までの時間の短縮と安定化を図るべく種々検討した結果、石炭灰及びセメントに加えてカルシウムアルミネート、石膏及び凝結調整剤を一定量の範囲で配合した混合粉末を用いれば、短かい養生時間で硬化し、かつ硬化性が安定するため、結果として型枠回転率が向上することを見出し、本発明を完成した。
【０００７】
すなわち、本発明は、次の〔１〕〜〔４〕を提供するものである。
【０００８】
〔１〕石炭灰１００質量部に対して、ポルトランドセメント１５〜４５質量部、カルシウムアルミネート１．５〜４質量部、石膏１．５〜４質量部、及び凝結調整剤０．０５〜０．９質量部を含有する混合粉末に加水することで得られる成型用モルタル組成物。
〔２〕混合粉末１００質量部に対して水２３〜３３質量部を加水することで得られる〔１〕記載の成型用モルタル組成物。
〔３〕蒸気養生することで得られる〔１〕又は〔２〕記載の成型用モルタル組成物。
〔４〕人工骨材用である〔１〕〜〔３〕のいずれかに記載の成型用モルタル組成物。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の成型用モルタル組成物を用いれば、短時間で、かつ石炭灰の品質が相違しても硬化するまでの耐衝撃性、耐振動性が安定しており、安定して強度の高い人工骨材として有用な成型物が得られる。また、原料石炭灰の品質がバラついても、同一の硬化時間で安定して強度の高い成型物が得られるため、型枠回転率が高く、大量生産に向いている。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
本発明の成型用モルタル組成物は、石炭灰１００質量部に対して、ポルトランドセメント１５〜４５質量部、カルシウムアルミネート１．５〜４質量部、石膏１．５〜４質量部、及び凝結調整剤０．０５〜０．９質量部を含有する混合粉末に加水することで得られる。
【００１１】
本発明で使用する石炭灰は、火力発電所などの石炭焚きボイラーから排出される石炭灰であれば、何れも使用することができるが、長期強度発現の主体となる無定形のＳｉＯ2化合物が大きく減少することにより骨材強度が低下するのを防止し、石炭灰中のフラックス成分が減少することにより強度発現の主体となる無定形のＳｉＯ2化合物の生成が困難になるのを防止する点から、ＳｉＯ2の含有率が３０〜８０質量％の石炭灰を用いることが好ましい。
また、本発明で使用する石炭灰は、フライアッシュでもクリンカアッシュでもよいが、粒子分布が０．１ｍｍ以下が９０％以上を占めるフライアッシュである必要はなく、粒度分布が０．１〜１ｍｍが５０％、１ｍｍ以上が５０％程度のクリンカアッシュでよい。
【００１２】
本発明で使用するポルトランドセメントは、通常市販されている普通、早強、中庸熱、および超早強等の各種ポルトランドセメントであれば、何れでも問題はないが、普通セメントがより好ましい。ポルトランドセメントの使用量としては、石炭灰１００質量部に対して、１５〜４５質量部であり、より好ましくは、２５〜３５質量部である。ポルトランドセメント使用量が１５質量部未満の場合、結合材量が少ないため練り込むのが困難になる、あるいは強度発現性が不良になる恐れがある。また、４５質量部を超える場合、初期凝結向上の効果が薄れる恐れがある。
【００１３】
本発明で使用するカルシウムアルミネートは、初期凝結や強度発現性を向上させるものであり、ＣａＯ原料やＡｌ2Ｏ3原料等を混合したものをキルンで焼成したり、電気炉で溶融したりするなどの熱処理をして得られるものであり、注水後の初期にセメント組成物の凝結を起こさせる速硬成分である。
【００１４】
カルシウムアルミネートの鉱物成分としては、Ｃ3Ａ（３ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）、Ｃ12Ａ7（１２ＣａＯ・７Ａｌ2Ｏ3）、ＣＡ（ＣａＯ・Ａｌ2Ｏ3）およびＣＡ2（ＣａＯ・２Ａｌ2Ｏ3）などで示されるカルシウムアルミネート熱処理物を粉砕したものなどが挙げられる。さらに、その他の成分として、ＳｉＯ2を含有するアルミノ珪酸カルシウム、Ｃ12Ａ7の１つのＣａＯをＣａＦ2などのハロゲン化物で置き換えたＣ11Ａ7・ＣａＸ2（Ｘはフッ素のハロゲン）、ＳＯ3成分を含むＣ4Ａ3・ＳＯ3、ならびに、ナトリウム、カリウム、およびリチウム等のアルカリ金属が一部固溶したカルシウムアルミネートなどが挙げられ、これらの一種または二種以上が使用可能である。これらの中では、反応活性の面でＣａＯ／Ａｌ2Ｏ3のモル比が１．２〜１．６である熱処理物を急冷したカルシウムアルミネートが好ましい。
【００１５】
また、カルシウムアルミネートに十分な速硬性を付与させるためにガラス化率が２５％以上のものが好ましい。ここでガラス化率は次の方法で導出することができる。すなわち、セメント組成物に含まれる各鉱物の質量（ＭＳ）を粉末Ｘ線回折により内部標準法等で定量し、定量できた含有鉱物相の総和質量（ＭＣ）を算出し、残部が純ガラス相と見なし、次式でガラス化率を求める。
【００１６】
（数１）
ガラス化率（％）＝（１−ＭＣ／ＭＳ）×１００
【００１７】
カルシウムアルミネートの使用量としては、石炭灰１００質量部に対して、１．５〜４質量部であり、好ましくは、２〜３質量部である。カルシウムアルミネートの使用量が１．５質量部未満の場合、初期凝結の効果が薄れる恐れがある。また、４質量部を超える場合、過度に凝結が進み過ぎて練り込むのが困難になる恐れがある。
【００１８】
本発明で使用する石膏は、凝結を促進させるものであり、例えば、無水石膏、半水石膏、および二水石膏であり、これらの１種または２種以上が使用可能である。これらの中では、凝結促進の効果の面から無水石膏が好ましい。石膏の使用量は、石炭灰１００質量部に対して、１．５〜４質量部であり、好ましくは、２〜３質量部である。石膏の使用量が１．５質量部未満の場合、過度の凝結が進み過ぎて練り込むのが困難になる恐れがある。また、４質量部を超える場合、初期凝結が遅延する恐れがある。
【００１９】
本発明で使用する凝結調整剤は、石炭灰、ポルトランドセメント、カルシウムアルミネート、石膏から練り上げられたモルタルに対しての凝結効果を補助するものであれば何れであっても良い。例えば、石膏以外のアルカリ金属の硫酸塩、炭酸塩、炭酸水素塩、硝酸塩、亜硫酸塩および水酸化物などが挙げられる。その中でも、硫酸ナトリウム、炭酸リチウム、水酸化カルシウムなどがコスト面または効果の面から好ましい。凝結調整剤の使用量は、石炭灰１００質量部に対して、０．０５〜０．９質量部であり、好ましくは、０．１〜０．８質量部である。凝結調整剤の使用量が０．０５質量部未満の場合、効果が発現されない恐れがある。また、０．９質量部を超える場合、異常凝結により練り込むのが困難になる、あるいは強度発現が不良になる恐れがある。
【００２０】
また、本発明の成型用モルタル組成物は前記成分に加えて、本発明の効果を喪失させない範囲で他の成分を含有するものであっても良い。含有可能な成分として、モルタルやコンクリートに使用できる減水剤類（高性能減水剤、高性能ＡＥ減水剤または分散剤あるいは流動化剤と称されているものも含む。）、粉塵低減剤、収縮低減剤、膨張材等を挙げることができる。好ましくは、流動性の確保より高性能減水剤を含むのが良い。使用可能な減水剤の有効成分は限定されず、アルカリアリルスルホン酸系、ナフタレンスルホン酸系、メラミンスルホン酸系またはポリカルボン酸系等の高性能減水剤が挙げられる。
【００２１】
本発明の成型用モルタル組成物は、前記混合粉末に加水して練り上がりが可能な範囲であれば、特に水量について問題はないが、均一に練り上げること、または流動性確保のための減水剤過剰添加による凝結遅延を防止し、初期凝結遅延を防止する点から、混合粉末を１００質量部とした場合、水量２３〜３３質量部で練り上げることがより好ましい。
【００２２】
加水後、成型し、養生することにより成型物が得られる。ここで成型は、通常型枠に充填して行うのが好ましい。
本発明の成型用モルタル組成物について、練り上がり後の養生については、特に限定されない。養生条件の一例として、早期の強度発現を高める目的で、蒸気養生を行うこと出来る。蒸気養生の条件としては、高圧蒸気養生、常圧蒸気養生が挙げられるが、常圧蒸気養生が好ましい。養生条件としては、０．５〜１．５時間程度の前養生を置き、次いで６５〜８０℃で６〜１０時間の常圧養生を行うのが好ましい。
【００２３】
上記養生により、１日後には、人工骨材として使用可能な圧縮強度、例えば１５Ｎ／ｍｍ2以上の圧縮強度を有する成型物が得られる。得られた成型物は、必要により適度な大きさに粉砕して人工骨材として使用できる。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例によって具体的に説明する。本発明は記載された実施例に限定されるものではない。
【００２５】
［使用材料］
石炭灰（表１）、ポルトランドセメント、カルシウムアルミネート、石膏、凝結調整剤を表２の配合割合で調合し、混合粉末（Ｐ）とした。使用材料の詳細は、以下の通りである。
・石炭灰（ＦＡ）；表１に表す（ＦＡ１〜ＦＡ３）
・ポルトランドセメント（Ｃ）；普通ポルトランドセメント（太平洋セメント社製）
・カルシウムアルミネート（ＣＡ）；Ｃａ／Ａｌ（ｍｏｌ）＝１．３、ガラス化率＝４０％
・石膏；無水石膏（ＣＳ）（市販品）
・凝結調整剤；ぼう硝（ＮＳ）（市販品）、炭酸リチウム（ＬＣ）（市販品）、水酸化カルシウム（ＣＨ）（市販品）
・高性能ＡＥ減水剤；ポリカルボン酸系高性能減水剤（液体）  固形分濃度３０％
【００２６】
２０℃環境下で、表２で調合した混合粉末（Ｐ）１００質量部に対して、水２１〜３５質量部を加えてホバートミキサにて混合してモルタルを作製した。また、このときフレッシュ性状の調整を行うために混合粉末１００質量部に対してポリカルボン酸系高性能減水剤０〜０．０５質量部を水に溶解させ用いた。
【００２７】
［成型保持性の評価］
作製したモルタルをＪＩＳ  Ｒ  ５２０１フロー試験に準じて評価を行った。但し、フローコーンは直ちに取り去るのではなく、１５分ならびに６０分後取り去ることとした。この時の１５秒間での１５回落下運動前後のフロー変動率を成型保持性として評価した。なお、評価は、全て２０℃環境下において行った。この結果を表３に示す。
【００２８】
（数２）
フロー変動率（成型保持性）（％）＝（１５打フロー後フロー値）／（１５打フロー前フロー値）×１００
【００２９】
［凝結性状の評価］
作製したモルタルについて断面積０．１２５ｃｍ2のプロクター針を使用して、プロクター貫入抵抗値を測定することで凝結性状の評価を行った。２０℃環境下において、０ｍｉｎ（モルタル作製直後）、１５ｍｉｎ、６０ｍｉｎ後のプロクター貫入抵抗値を測定した。この測定結果を表３に示す。
【００３０】
［強度発現性の評価］
作製したモルタルを直ちに、内寸５０×１００ｍｍの円筒型枠に充填し、前置きを１時間置いて昇温速度２０℃／ｈで７０℃まで昇温し当該温度で８時間保持して蒸気養生を行い、材齢１日のモルタル硬化成型体を得た。この成型体の２０℃での一軸圧縮強度を測定した。結果を表３に示す。
【００３１】
【表１】
2015117161.tif 000002
【００３２】
【表２】
2015117161.tif 000003
【００３３】
【表３】
2015117161.tif 000004
【００３４】
表３で示すように、本発明の成型用モルタル組成物は、練り上がり直後からの硬化までの凝結性が良好であり、フロー変動率から耐衝撃性、耐振動性に対して強いものと考えられる。また、プロクター貫入抵抗値より初期の強度発現性が良好であることがわかる。これに対して、本発明の範囲外のモルタルは、フロー変動率が大きく、耐衝撃性、耐振動性に対して弱く、強度発現の伸びも小さかったり（例えばＮｏ．１−１１，１−１２，１−１５，１−１６，１−１８）、モルタル作製の際、練り上げることが困難となった（例えば、Ｎｏ．１−１０，１−１３，１−１４）さらに、表３の結果から、本発明のモルタルについて蒸気養生を行ったところ、良好な強度発現性を示し、強度低下が見られなかったことから、養生条件として蒸気養生を用いることができることがわかる。また、本発明のモルタルは、石炭灰の組成の相違に影響されず、同様の硬化性を示した。