(57)【要約】  本発明の実施形態の一例では、廃水処理施設からの下水汚泥を非石炭燃焼灰ケイ素アルミニウム廃棄物と混合する段階、その混合物を凝集させて凝集体を形成する段階、ならびにその凝集体を焼成処理して骨材を形成する段階を含む骨材の製造方法が開示される。その廃棄物は、例えば都市固形廃棄物焼却炉ボトムアッシュ、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダスト、セメントキルンダスト、廃棄物ガラス、高炉スラグ、キルンダストおよび／または花崗岩切断残留物を含むことができる。該方法はさらに、廃棄物混合に先立って、前記廃棄物を粉砕する段階を含むことができる。好ましくは、粉砕は湿式粉砕である。凝集体の焼成処理はロータリーキルンで行うことができる。得られた骨材は、軽量または通常重量の焼結またはガラス化骨材であることができる。骨材ならびに高および低カルシウムケイ素アルミニウム材料の骨材の製造方法も開示されている。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水処理施設からの下水汚泥を非石炭燃焼灰ケイ素アルミニウム廃棄物と混合する段階；
前記混合物を凝集させて凝集体を形成させる段階；ならびに
前記凝集体を焼成処理して骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項２】
前記廃棄物が、都市固形廃棄物焼却炉残留物、廃棄物ガラス、高炉スラグ、キルンダストまたは採鉱廃棄物のうちの１以上を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記都市固形廃棄物焼却炉残留物が、大気汚染防止残留物または焼却炉ボトムアッシュのうちの１以上を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記大気汚染防止残留物が焼却炉フライアッシュおよび焼却炉フィルターダストのうちの１以上を含む、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記キルンダストがセメントキルンダストを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記採鉱廃棄物が花崗岩切断残留物を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記廃棄物が前記下水汚泥より多くのカルシウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項８】
前記廃棄物が焼却炉フィルターダスト、焼却炉ボトムアッシュ、焼却炉フライアッシュ、セメントキルンダスト、廃棄物ガラスまたは高炉スラグのうちの１以上を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記廃棄物が乾燥重で９％を超えるカルシウムを含み、
前記下水汚泥が乾燥重で３％未満のカルシウムを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
前記骨材が乾燥重で約１０％未満のカルシウムを含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記混合物の乾燥重で約９９％〜約６０％の下水汚泥を前記混合物の乾燥重で約１％〜約４０％の前記廃棄物と混合する段階を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１２】
前記混合物の乾燥重で約８０％〜約９０％の下水汚泥を約１０％〜約２０％の前記廃棄物と混合する段階を含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記廃棄物が前記下水汚泥より少ないカルシウムを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記廃棄物が花崗岩切断残留物または廃棄物ガラスのうちの１以上を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記廃棄物が約１０％未満のカルシウムを含み；
前記下水汚泥が約１０％を超えるカルシウムを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記骨材が約１０％未満のカルシウムを含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記混合物の乾燥重で約５％〜約９５％の下水汚泥を前記混合物の乾燥重で約９５％〜約５％の前記廃棄物と混合する段階を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
前記混合物の乾燥重で約３０％〜約７０％の下水汚泥を前記混合物の乾燥重で約７０％〜約３０％の前記廃棄物と混合する段階を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記混合物の乾燥重で約３０％〜約５０％の下水汚泥を前記混合物の乾燥重で約７０％〜約５０％の前記廃棄物と混合する段階を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
混合に先立って前記廃棄物を粉砕する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２１】
前記廃棄物を湿式粉砕する段階を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
凝集に先立って下水汚泥および廃棄物の前記混合物を粉砕する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２３】
前記混合物をペレット化によって凝集させる段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２４】
前記廃棄物を湿式粉砕する段階；
湿式粉砕後に前記混合物から少なくとも一部の水を除去する段階；および
ペレット化時に前記除去した水の少なくとも一部を用いる段階
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
前記廃棄物を湿式粉砕する段階；
湿式粉砕後に前記混合物から少なくとも一部の水を除去する段階；
前記焼成処理凝集体を急冷する段階；および
急冷時に前記除去した水の少なくとも一部を用いる段階
をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２６】
前記混合物を凝集させて、直径が約３ｍｍ〜約４０ｍｍである凝集体とする段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２７】
前記凝集体を無機粉末でコーティングする段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２８】
凝集の前に前記下水汚泥および前記廃棄物を可塑性結合材と混合する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記可塑性結合材が粘土を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記粘土が前記混合物の乾燥重で約５％〜約２０％含まれる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記凝集体をロータリーキルンで焼成処理する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３２】
前記骨材が軽量骨材である、請求項１に記載の方法。
【請求項３３】
前記骨材が通常重量骨材である、請求項１に記載の方法。
【請求項３４】
前記凝集体を焼成処理して該凝集体をガラス化する段階を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３５】
少なくとも部分的に前記下水汚泥の前記廃棄物に対する割合ならびに焼成処理温度に基づいて、前記骨材の特定の特性を制御する段階をさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３６】
少なくとも部分的に前記割合および前記温度に基づいて前記骨材の密度を制御する段階を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
少なくとも部分的に前記割合および前記温度に基づいて吸水率を制御する段階を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
少なくとも部分的に前記割合および前記温度に基づいて強度を制御する段階を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３９】
廃水処理施設からの下水汚泥および非石炭燃焼灰、ケイ素アルミニウム廃棄物を含む混合物を製造する段階；
前記混合物を凝集させて凝集体を形成する段階；ならびに
前記凝集体を焼結する段階
を含む、焼結軽量骨材の製造方法。
【請求項４０】
前記廃棄物が、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダスト、焼却炉ボトムアッシュ、炉ボトムアッシュ、廃棄物ガラス、高炉スラグ、セメントキルンダストまたは花崗岩切断残留物のうちの１以上を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記混合物をペレット化によって凝集させる段階；ならびに
前記凝集体をロータリーキルンで焼結させる段階
を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４２】
所定の割合の下水汚泥を前記廃棄物に混合する段階；および
少なくとも部分的に所定の割合に基づいた温度で前記凝集体を焼結して、所定の密度を有する軽量骨材を形成する段階
を含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４３】
廃水処理施設からの下水汚泥；
非石炭燃焼灰、ケイ素アルミニウム廃棄物
を含む焼結軽量骨材であって、
前記下水汚泥および前記廃棄物の混合物をある温度で焼結することで、前記焼結軽量骨材が形成されるものである、焼結軽量骨材。
【請求項４４】
前記廃棄物が焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダスト、焼却炉ボトムアッシュ、廃棄物ガラス、高炉スラグ、セメントキルンダストまたは花崗岩切断残留物のうちの１以上を含む、請求項４３に記載の軽量焼結骨材。
【請求項４５】
乾燥重で約２％のカルシウム〜約１０％のカルシウムを含む、請求項４３に記載の軽量焼結骨材。
【請求項４６】
乾燥重で約３％〜約６％のカルシウムを含む、請求項４５に記載の軽量焼結骨材。
【請求項４７】
化学的に不活性である、請求項４３に記載の軽量焼結骨材。
【請求項４８】
約２ｍｍ〜約３０ｍｍの直径を有する、請求項４３に記載の軽量焼結骨材。
【請求項４９】
廃水処理施設からの下水汚泥；および
非石炭燃焼灰、ケイ素アルミニウム廃棄物
を含む、焼成処理骨材。
【請求項５０】
直径が約２ｍｍ〜約３０ｍｍである、請求項４９に記載の骨材。
【請求項５１】
焼結されている、請求項４９に記載の骨材。
【請求項５２】
ガラス化されている、請求項４９に記載の骨材。
【請求項５３】
通常重量骨材である、請求項４９に記載の骨材。
【請求項５４】
軽量骨材である、請求項４９に記載の骨材。
【請求項５５】
第２の材料が、都市固形廃棄物焼却炉残留物、廃棄物ガラス、セメントキルンダスト、花崗岩切断残留物または高炉スラグのうちの１以上を含む、請求項４９に記載の骨材。
【請求項５６】
下水汚泥からなる焼成処理骨材。
【請求項５７】
前記下水汚泥が重量基準で４０％未満の有機材料を含む、請求項５６に記載の骨材。
【請求項５８】
廃水処理施設からの下水汚泥および石炭燃焼施設からの炉ボトムアッシュ（「ＦＢＡ」）を混合する段階；
前記混合物を凝集させて凝集体を形成させる段階；ならびに
前記凝集体を焼成処理して骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項５９】
廃水処理施設からの下水汚泥；および
石炭燃焼施設からの炉ボトムアッシュ
を含む、焼成処理骨材。
【請求項６０】
廃水処理施設からの下水汚泥の含水量を低下させて、凝集が可能なレベルとする段階；
前記下水汚泥を凝集させる段階；および
前記凝集体を焼成処理して骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項６１】
前記下水汚泥を粉砕する段階；および
前記粉砕下水汚泥を篩い分けする段階
をさらに含む、請求項６０に記載の方法。
【請求項６２】
粘土または頁岩のうちの少なくとも一つを粉砕する段階；
廃水処理施設からの下水汚泥中の少なくとも一部の水を除去する段階；
前記下水汚泥を前記粘土または頁岩と混合する段階；
前記混合物をペレット化する段階；および
ロータリーキルン中で前記ペレットを焼成処理して骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項６３】
下水汚泥および粘土または頁岩の混合物を湿式粉砕する段階を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６４】
前記ペレットを焼結によって焼成処理する段階を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６５】
前記ペレットをガラス化によって焼成処理する段階を含む、請求項６２に記載の方法。
【請求項６６】
廃水処理施設からの下水汚泥を、以下の天然材料：粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイトまたは石膏のうちの１以上と混合する段階；
前記混合物を凝集させて凝集体を形成させる段階；および
前記凝集体を焼成処理して骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項６７】
前記１以上の天然材料と前記下水汚泥とを混合する前に、前記天然材料を加工する段階をさらに含む、請求項６６に記載の方法。
【請求項６８】
廃水処理施設からの下水汚泥；および
粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイトまたは石膏のうちの少なくとも１以上
を含む、焼成処理骨材。
【請求項６９】
以下の第１の材料：石炭燃焼からの粉砕燃料灰、石炭、粘土、頁岩、粘板岩、花崗岩切断残留物、廃棄物ガラスまたは炉ボトムアッシュのうちの１以上を、以下の第２の材料：焼却炉フライアッシュ、セメントキルンダスト、焼却炉フィルターダスト、高炉スラグ、石灰石、石膏、ドロマイトまたは廃棄物ガラスのうちの１以上と混合する段階；
前記混合物を凝集させて凝集体を形成させる段階；および
前記凝集体を焼成処理して骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項７０】
前記第１の材料が乾燥重で約３％未満のカルシウムを含み；
前記第２の材料が約９％を超えるカルシウムを含む、請求項６９に記載の方法。
【請求項７１】
廃水処理施設からの下水汚泥および都市固形廃棄物焼却炉からの焼却炉残留物を混合する段階；
前記混合物を凝集させて凝集体を形成させる段階；ならびに
前記凝集体を焼成処理して骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項７２】
前記焼却炉残留物が、焼却炉ボトムアッシュ、焼却炉フライアッシュまたは焼却炉フィルターダストのうちの１以上を含む請求項７２に記載の方法。
【請求項７３】
以下の第１の材料：石炭燃焼からの粉砕燃料灰または粘土のうちの１以上を、以下の第２の材料：粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイト、石膏、高炉スラグ、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダストまたはセメントキルンダストのうちの１以上と混合する段階；
前記混合物を凝集させて凝集体を形成させる段階；および
前記凝集体を焼成処理することで骨材を形成させる段階
を含む、骨材の製造方法。
【請求項７４】
以下の第１の材料：石炭燃焼からの粉砕燃料灰または粘土のうちの１以上；および
以下の第２の材料：粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイト、石膏、高炉スラグ、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダストまたはセメントキルンダストのうちの１以上
を含む、焼成処理骨材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は合成骨材、詳細には下水汚泥およびケイ素アルミニウム材料を含む合成骨材ならびに低カルシウムおよび高カルシウム含有ケイ素アルミニウム材料の組み合わせを含む合成骨材に関する。
【背景技術】
【０００２】
骨材は、コンクリート、石造物および空洞充填断熱材の必須成分である。骨材の他の用途には、充填物補助材または園芸用骨材などがある。骨材は、最小限の加工を施した自然源または加熱処理を行った天然材料由来である場合がある。骨材は合成品であることもある。例えば、採石場、地中立坑および河床などの自然源からの骨材は、通常、岩片、砂利、石および砂から構成され、それらは必要に応じて粉砕、洗浄および分粒して使用することができる。骨材を形成するのに用いることができる天然材料からの骨材には、粘土、頁岩および粘板岩などがあり、それらを焼成処理して、材料を膨張させる。例えば、ＯＰＴＩＲＯＣおよびＬＥＣＡは市販の膨張粘土骨材の例である。合成骨材は、廃棄物となり得る工業副産物を含む可能性がある。例えばＬＹＴＡＧは、微粉燃料灰（「ＰＦＡ」）を含む市販の焼結骨材であり、フライアッシュとも称される。ＰＦＡは、例えば発電所での石炭の燃焼から製造される。
【０００３】
建設で使用される天然骨材は非常に需要が大きい。しかしながら、骨材資源は有限であり、その材料の抽出および加工は、例えば環境問題、法律問題、入手可能性、都市膨張および輸送コストによって複雑になる。各種産業による廃棄物発生も著しく増加しており、それは環境的および法律的に許容される形で処分しなければならない。代表的には、発生する廃棄物のほとんどが、多大な費用をかけて埋め立て地で処分される。使用可能な埋め立て地が枯渇し、新たな場所の獲得が難しく、環境的に有害な効果の可能性があり、埋め立てのコストがかかるため、廃棄物の廃棄は長年にわたって大きな問題となってきた。
【０００４】
廃棄物を加工および変化させることで、コンクリートやその他の用途で使用される実用的な合成骨材を製造できれば、廃棄物の問題と天然骨材資源の枯渇の両方が解決されるものと考えられる。
【０００５】
骨材は、軽量または通常重量のものであることができる。軽量骨材（「ＬＷＡ」）は、ＡＳＴＭ規格Ｃ３３０で定義のように、２．０ｇ／ｍ３未満の粒子密度または１．１ｇ／ｃｍ３未満の乾燥疎充填かさ密度を有する。例えば砂利、砂および砕石からの通常重量骨材は、約２．４〜約２．９のかさ比重（乾燥機乾燥および表乾の両方）および約１．７ｇ／ｃｍ３以下のかさ密度を有する。高品質ＬＷＡは、均一な構造強度の強いが低密度の多孔質焼結セラミック核と水吸収を防ぐための高密度で連続的な比較的不透過性の表面層を有する。それらは、物理的に安定で、耐久性があり、環境的に不活性である。コンクリートで使用する場合、ＬＷＡは、十分な破砕強度および耐断片化性を有することで、得られるコンクリートが１０ＭＰａを超える強度および約１．５ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３の範囲の乾燥密度を有するものでなければならない。相対的に低密度のＬＷＡも製造可能である。ＬＷＡを含むコンクリート（「ＬＷＡコンクリート」）は、約０．３ｇ／ｃｍ３という低い密度を有することもできる。
【０００６】
合成軽量骨材（「ＬＷＡ」）は、構造用途での使用に関連してかなりの効果があることから非常に注目されてきた。ＬＷＡを含むコンクリート（「ＬＷＡコンクリート」）は、従来のコンクリートより２０〜３０％軽量であることができるが、同等の強度を有する。従来のコンクリートほど強くない場合であっても、ＬＷＡコンクリートは、構造上の死荷重が少ないことで、より長期間の使用、より狭い断面および構造における補強の軽減につながり得る。ＬＷＡコンクリートが相対的に低重量であることで、取り扱いが容易になり、輸送、装置および労働力のコストが節減される。ＬＷＡコンクリートでは、絶縁性、冷凍解凍性能、耐火性および音量低下も改善され得る。
【０００７】
生物廃水処理工場によって製造される下水汚泥は、体積および重金属含有量に関して重要な廃棄物である。下水汚泥は、一次沈殿もしくは二次沈殿、好気性消化もしくは嫌気性消化その他のプロセスなどの工場での各種処理段階時に堆積し、その後液体流から分離された沈殿固体を含む。下水汚泥の組成および特性は、使用される廃水処理プロセスおよび下水汚泥処理プロセスに応じて変動し得るものでもある。下水汚泥は、未処理であったり、消化されていたり、脱水されたものである場合がある。下水汚泥は、かなりの量の有機材料を含み、高濃度の重金属および病原体を含む可能性もある。下水汚泥は一般に、焼却によって不活性灰を形成することで処分されており、それは例えばラグーニング、埋め立て、肥料もしくは土壌コンディショニングとしての土地への散布および海洋投棄によって処分される。下水汚泥が未処理で土地に散布されたり埋め立て地で処分されると、望ましくない汚染が起こる可能性がある。
【０００８】
下水汚泥の再利用および処分は、無視できない経済的および環境的な問題を生じる。埋め立て地から浸出する可能性がある廃棄物中の重金属および病原体の存在は、隣接する土地および給水設備に対する脅威となる。埋め立て地の利用も次第に困難になりつつある。さらに、廃棄物の重量を大きくする下水汚泥中の大量の水の存在のために、輸送および処分のコストが大きくなる。
【０００９】
製造される別の重大な廃棄物は、都市固形廃棄物（「ＭＳＷ」）焼却から生じる灰流である。ＭＳＷ灰残留物の埋め立て地への処分は最初の廃棄物の体積の１／１０に過ぎないが、かなりの量の固体残留物が生じるために、その管理が問題となっており、その大半が現在は埋め立てられている。焼却炉ボトムアッシュ（「ＩＢＡ」）は、ＭＳＷ焼却炉残留物の総重量の約７５〜８０％を占める主要な灰流であり、スラグ、ガラス、セラミック、鉄金属および非鉄金属、鉱物、他の不燃物および未燃有機物の不均一混合物である。ＩＢＡは現在、堤防、舗道路盤および道路補助路盤の建設で、土壌安定化で、煉瓦、ブロックおよび敷石中で、そして特定用途での充填材として、そのままの形態（加熱処理せず）で使用される。比較的不活性な廃棄物であると考えられるが、これら用途での重金属の浸出が起こり得る。
【００１０】
ＭＳＷ焼却によって、燃焼ガス中に浮遊しているか、排気制御装置で回収されるダストの形態での粒子状残留物も生じ、それは大気汚染防止（「ＡＰＣ」）残留物と称される。それには、フライアッシュ、石灰、炭素および公害防止システムで回収された残留物などがある。焼却炉フィルターダスト（「ＩＦＤ」）は、焼却廃棄物１０００ｋｇ当たり２５〜３０ｋｇの割合で生じるバグハウスフィルターに回収されるＡＰＣ残留物であり、フライアッシュは場合によりＩＦＤを含み、合わせて灰流全体量の約１０％〜１５％を占める。ＭＳＷ焼却炉フライアッシュ（「ＩＦＡ」）は、重金属、ダイオキシン類、硫黄化合物および塩素化合物などの高濃度の有害材料を含むことから、ほとんどの欧州諸国で、有毒および危険残留物として分類されている。従って、それは特別な埋め立て地でのみ処分可能であり、それはコストが高く、環境的に安全ではない。
【００１１】
かなりの体積の残留物が、鉱物、鉱石および石の採掘によっても生じる。代表的な採掘操作には、抽出、選鉱、爆破、破砕、洗浄、篩い分け、切削（石）および備蓄などがある。これらの操作によって、処分を必要とする各種大きさの粉砕物、粉末、泥残留物および廃水などの廃棄物が生じる。例えば装飾石の切削からの大理石および花崗岩の廃棄物も、大量の廃棄泥を生じ、それは河川や沼地に廃棄される。花崗岩切断機および花崗岩切削機も、大量の粉末および泥廃棄残留物を生じる。「採鉱廃棄物」という用語は本明細書において、これら操作中に生じる廃棄物を指すのに用いられる。採鉱廃棄物は、処理を行ってから沼地や埋め立て地で処分して、環境汚染を防止する必要がある。他の採鉱廃棄物には、例えば石灰岩およびドロマイト尾鉱などがある。
【００１２】
発電所も、微粉燃料灰（「ＰＦＡ」）とも称される微粒子および炉ボトムアッシュ（「ＦＢＡ」）とも称される粗留分の形態での大量の灰残留物を生じる。比較的重い灰分が、発生する総石炭灰の２０〜３０％を占め、炉の底に落ちる画分である。ＦＢＡは現在、軽量コンクリート、ポルトランドセメント製造および他のアスファルトもしくは道路基盤用途で骨材として、そのままの形態で使用されている。
【００１３】
高い割合で生じる他の廃棄物には、セメントキルンダスト（「ＣＫＤ」）および高炉スラグなどがある。ＣＫＤは、製造工場の大気汚染防止ダスト回収システムで捕捉される微粉末のセメント製造操作副産物である。米国では、毎年約１４２０万トンのＣＫＤが生じており、発生するＣＫＤ全体の約６４％がセメント工場内で再利用されている。ＧＧＢＳは、高炉での鉄の生産および加工の非金属生産物である。米国では年間約１５５０万トンのＧＧＢＳが生じていると推定され、その大半が、骨材または絶縁材料としてセメント生産で使用されている。
【発明の開示】
【００１４】
発明の概要
廃棄物処理に関連する経済的負担および環境上の危険性から、廃棄物を安全で収益が得られる製品に変える別途技術を開発することが有利になっている。廃棄物の再利用による合成骨材などの建設・建築材料の製造は、大量の廃棄物を利用し、材料骨材用の再生できない原材料の需要を減らせる可能性が高くなることから、効果的な選択肢であると考えられる。
【００１５】
本発明の一実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥を非石炭燃焼灰ケイ素アルミニウム廃棄物と混合する段階を含む、骨材製造方法が開示される。その方法はさらに、前記混合物を凝集させて凝集体を形成する段階および前記凝集体を焼成処理して骨材を形成する段階を有する。前記廃棄物は、都市固形廃棄物焼却炉残留物、廃棄物ガラス、高炉スラグ、キルンダストおよび／または採鉱廃棄物を含み得る。都市固形廃棄物焼却炉残留物は、大気汚染防止残留物および／または焼却炉ボトムアッシュを含み得る。大気汚染防止残留物には、焼却炉フライアッシュおよび／または焼却炉フィルターダストなどがある。キルンダストはセメントキルンダストを含む。採鉱廃棄物には花崗岩切断残留物などがある。
【００１６】
一例において、前記廃棄物は下水汚泥より多くのカルシウムを含む。この例において、廃棄物には焼却炉フィルターダスト、焼却炉ボトムアッシュ、セメントキルンダスト、廃棄物ガラスおよび／または高炉スラグなどがある。廃棄物は９％を超えるカルシウムを含むことができ、下水汚泥は３％未満のカルシウムを含むことができる。得られる骨材は、乾燥重で約１０％未満のカルシウムを含むことができる。前記方法は、混合物の乾燥重で約９９％〜約６０％の下水汚泥を混合物の乾燥重で約１％〜約４０％の前記廃棄物と混合する段階を含むことができる。好ましくは前記方法は、混合物の乾燥重で約８０％〜約９０％の下水汚泥を約１０％〜約２０％の前記廃棄物と混合する段階を含む。
【００１７】
別の例では、前記廃棄物は下水汚泥より少ないカルシウムを含む。この例では、前記廃棄物は、炉ボトムアッシュ、花崗岩切断残留物および／または廃棄物ガラスを含むことができる。前記廃棄物は約１０％未満のカルシウムを含むことができ、前記下水汚泥は約１０％を超えるカルシウムを含むことができる。前記骨材は約１０％未満のカルシウムを含むことができる。その方法は、混合物の乾燥重で約５％〜約９５％の下水汚泥を混合物の乾燥重で約９５％〜約５％の前記廃棄物と混合する段階を含むことができる。好ましくは前記方法は、混合物の乾燥重で約３０％〜約７０％の下水汚泥を混合物の乾燥重で約７０％〜約３０％の前記廃棄物と混合する段階を含む。より好ましくは前記方法は、混合物の乾燥重で約３０％〜約５０％の下水汚泥を混合物の乾燥重で約７０％〜約５０％の前記廃棄物と混合する段階を含む。
【００１８】
前記方法はさらに、混合の前に前記廃棄物を粉砕する段階を含むことができる。好ましくは、前記粉砕は湿式粉砕である。下水汚泥と廃棄物の混合物は、好ましくは粉砕してから凝集を行う。好ましくは前記凝集は、ペレット化を含む。湿った粉砕廃棄物から、少なくとも一部分の水分を除去することができ、その水分の少なくとも一部分を、焼成処理した凝集体のペレット化および／または急冷時に用いることができる。得られる骨材は、約３ｍｍ〜約４０ｍｍの直径を有することができる。
【００１９】
前記凝集体は、無機粉末でコーティングすることができる。可塑性結合材を下水汚泥および廃棄物と混合してから凝集を行うことができる。前記可塑性結合材は粘土を含むことができる。前記粘土結合材は、前記混合物の乾燥重で約５％〜約２０％含まれることができる。
【００２０】
凝集体の焼成処理は、ロータリーキルンで行うことができる。得られた骨材は、例えば軽量骨材または通常重量骨材であることができる。凝集体はガラス化させることができる。少なくとも部分的に廃棄物に対する下水汚泥の割合および焼成処理温度に基づいて、骨材の特定の特性を制御することができる。その特定の特性には、骨材の密度、吸水率および／または強度などがあり得る。
【００２１】
本発明の別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥および非石炭燃焼灰、ケイ素アルミニウム廃棄物を含む混合物を製造する段階、前記混合物を凝集させて凝集体を形成する段階、ならびに前記凝集体を焼結する段階を含む、焼結軽量骨材の製造方法が開示される。前記廃棄物は、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダスト、焼却炉ボトムアッシュ、炉ボトムアッシュ、廃棄物ガラス、高炉スラグ、セメントキルンダストおよび／または花崗岩切断残留物を含むことができる。
【００２２】
本発明の別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥および非石炭燃焼灰、ケイ素アルミニウム廃棄物を含む焼結軽量骨材が開示される。下水汚泥および廃棄物の混合物を、焼結軽量骨材を形成する温度で焼結する。前記廃棄物は、例えば焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダスト、焼却炉ボトムアッシュ、廃棄物ガラス、高炉スラグ、セメントキルンダストおよび／または花崗岩切断残留物を含むことができる。前記軽量焼結骨材は、約２％のカルシウム〜約１０％のカルシウムを含むことができる。好ましくは軽量焼結骨材は、約３％〜約６％のカルシウムを含むことができる。軽量焼結骨材は化学的に不活性であることができる。
【００２３】
本発明の別の実施形態によれば、焼成処理骨材は、廃水処理施設からの下水汚泥および非石炭燃焼灰、ケイ素アルミニウム廃棄物を含む。前記骨材は、焼結またはガラス化することができる。前記骨材は、通常重量または軽量骨材であることができる。
【００２４】
別の実施形態によれば、焼成処理骨材は下水汚泥からなる。下水汚泥は、４０重量％未満の有機材料を含むことができる。
【００２５】
別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥および石炭燃焼施設からの炉ボトムアッシュ（「ＦＢＡ」）を混合する段階、前記混合物を凝集させて凝集体を形成する段階、前記凝集体を焼成処理して骨材を形成する段階を含む、骨材の製造方法が開示される。別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥および石炭燃焼施設からの炉ボトムアッシュを含む焼成処理骨材が開示される。
【００２６】
本発明の別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥の含水量を凝集可能なレベルまで低下させる段階、前記下水汚泥を凝集させる段階、および前記凝集体を焼成処理して骨材を形成する段階を含む、骨材の製造方法が開示される。
【００２７】
別の実施形態によれば、粘土または頁岩のうちの少なくとも一方を粉砕する段階、廃水処理施設からの下水汚泥中の水分の少なくとも一部を除去する段階、および前記下水汚泥を前記粘土または頁岩と混合する段階を含む、骨材の製造方法が開示される。前記混合物をペレット化し、得られたペレットをロータリーキルンで焼成処理して骨材を形成する。前記下水汚泥および前記粘土または頁岩の混合物を、湿式粉砕することができる。
【００２８】
別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥を粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイトおよび／または石膏と混合する段階を含む、骨材の製造方法が開示される。前記混合物を凝集させて凝集体を形成する。次に、凝集体を焼成処理して骨材を形成する。粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイトまたは石膏などの１以上の天然材料に加工処理を施してから、下水汚泥と混合することができる。
【００２９】
別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥ならびに粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイトおよび／または石膏を含む焼成処理骨材が開示される。
【００３０】
別の実施形態によれば、石炭燃焼からの粉砕燃料灰、石炭、粘土、頁岩、粘板岩、花崗岩切断残留物、廃棄物ガラスおよび／または炉ボトムアッシュを含むことができる第１の材料を、焼却炉フライアッシュ、セメントキルンダスト、焼却炉フィルターダスト、高炉スラグ、石灰石、石膏、ドロマイトおよび／または廃棄物ガラスを含むことができる第２の材料と混合する段階を含む、骨材の製造方法が開示される。前記混合物を凝集させて凝集体を形成し、その凝集体を焼成処理して骨材を形成する。前記第１の材料は乾燥重で約３％未満のカルシウムを含むことができ、前記第２の材料は約９％を超えるカルシウムを含むことができる。
【００３１】
本発明の別の実施形態によれば、廃水処理施設からの下水汚泥および都市固形廃棄物焼却炉からの焼却炉残留物を混合する段階、前記混合物を凝集させて凝集体を形成する段階および前記凝集体を焼成処理して骨材を形成する段階を含む、骨材の製造方法が開示される。前記焼却炉残留物は、焼却炉ボトムアッシュ、焼却炉フライアッシュおよび／または焼却炉フィルターダストを含むことができる。
【００３２】
本発明の別の実施形態によれば、石炭燃焼からの粉砕燃料灰もしくは粘土である第１の材料を含む第１の材料を、粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイト、石膏、高炉スラグ、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダストもしくはセメントキルンダストである１以上の第２の材料と混合する段階を含む、骨材の製造方法が開示される。前記混合物を凝集させ、その凝集体を焼成処理して骨材を形成する。
【００３３】
別の実施形態によれば、石炭燃焼からの粉砕燃料灰および／または粘土であることができる第１の材料および粘板岩、石灰、石灰石、ドロマイト、石膏、高炉スラグ、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダストおよび／またはセメントキルンダストであることができる第２の材料を含む焼成処理骨材が開示される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
加熱した場合の材料の挙動は、主としてその組成、粒度および鉱物組成によって決まる。所望の密度、吸水率などを有する焼結およびガラス化生産物の製造時に焼成処理温度で緻密化を制御するためには、流動性材料と耐火性鉱物との間の良好な比が必要である。シリカおよびアルミナなどの耐火性鉱物は、一般には高融点を有する。酸化物、炭酸塩もしくは硫酸塩の材料形態で存在するアルカリ土類金属であるカルシウムおよびマグネシウムならびにアルカリ金属であるナトリウムおよびカリウムなどの流動性鉱物の存在によって、材料中のシリカおよびアルミナならびに他の耐火性鉱物の融点が低下する。材料中の流動性鉱物の割合が高い場合、それに応じてガラスネットワーク形成性元素であるケイ素の割合が低くなる。流動性鉱物は、焼結ならびに混合物中の成分の最低共融点の温度での溶融を促進する。さらに、低粘度および高移動性を有する流動性鉱物は、液相の焼結により、関与する温度に応じて、焼結またはガラス化生産物の形成に役立つ。
【００３５】
下水汚泥は不均一廃棄物であり、その組成は、主として特定の廃水処理工場に入ってくる廃水流入の特徴ならびに廃水および汚泥処理プロセスに用いられる処理プロセスに応じて大きく変動し得るものである。下水汚泥は、焼成処理骨材の生産用の初期原料として本発明の一部の実施形態で用いられる。２つの異なる処理工場からの下水汚泥について、本発明の実施形態による骨材生産加工を行った。一つの廃水処理施設からの下水汚泥サンプル（サンプルＸ、下記の実施例１で説明）は、部分的に、約１６．０２％のシリカ（ＳｉＯ２）、６．８３％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および２０．２８％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含んでいた。やはり下記の実施例１で説明されるサンプルＹは、部分的に約３１．２４％のシリカ（ＳｉＯ２）、６．２２％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および１２．１２％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含んでいた。これらのサンプルは、多量のアルカリ土類金属であるカルシウムを含んでおり、それは汚泥中の残りの化合物の融点を下げるものである。従って、耐火性鉱物であるシリカおよびアルミナの融点より低い温度で緻密化が起こる。さらに、前記カルシウム成分は、液相焼結による焼結またはガラス化生産物の形成に役立つ融剤として作用する。混合物が焼結されるかガラス化されるかは、焼成処理温度および混合物の組成によって決まる。流動性鉱物は溶融して、低粘度・高移動性の液体を形成し、それは残りの耐火性鉱物を非常に急速に吸収および溶解させる。さらに、汚泥中に揮発性成分が存在することで、ケイ酸塩溶融物の移動性が高まる。この液体形成が、焼成処理温度を高くした場合のこの種類の下水汚泥の緻密化加速挙動の原因となっている。
【００３６】
第２の廃水処理施設からの下水汚泥サンプルは、これら融剤を低濃度で有していた。実施例４にて下記で説明するサンプルＺは、３．２０％の酸化カルシウム（ＣａＯ）、３．８０％の酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および３９．５０％の酸化ケイ素（ＳｉＯ２）の部分組成を有する低カルシウム下水汚泥の一例である。シリカなどの耐火性鉱物の濃度が相対的に高いために、相対的に高い温度で、より広い温度範囲にわたって緻密化が起こった。
【００３７】
本発明の一実施形態によれば、１００％の下水汚泥を含む焼成処理骨材およびそのような骨材の製造方法が開示される。下水汚泥を添加剤と混合して下水汚泥の組成を調整し、焼成処理時のその挙動を変えることで、骨材生産の制御がより良好になり得ることが認められた。従って、他の実施形態によれば、ある種の廃棄物および天然添加剤材料を下水汚泥と混合する。その追加材料の選択は、下水汚泥の組成によって決まる。好ましくは、その材料は、得られる骨材が約２％〜約１０％のカルシウム含有量を有するように選択される。より好ましくは、前記カルシウム含有量は約２％〜約６％である。
【００３８】
一実施形態の一例では、例えば、１０％を超えるカルシウム含有量などの高カルシウム含有量を有する下水汚泥を、下水汚泥の含有量より少ないカルシウム含有量を有する低カルシウムケイ素アルミニウム材料（「ＬＣＳＡＭ」）と混合して、下水汚泥の組成、従って焼成処理時のその緻密化挙動を変える。例えば、高カルシウム含有量ケイ素アルミニウム下水汚泥は、１０％を超えるカルシウム含有量を有することができ、ＬＣＳＡＭは約１０％未満のカルシウム含有量を有することができる。ＬＣＳＡＭは、本実施形態ではグループＡ添加剤または材料とも称される。ＬＣＳＡＭには、廃棄物ガラス（「ＷＧ」）、炉ボトムアッシュ（「ＦＢＡ」）などの廃棄物ならびに花崗岩切断残留物（「ＧＳＲ」）などのある種の採鉱廃棄物などがある。ＬＣＳＡＭには、天然材料粘板岩などもある。
【００３９】
高カルシウム下水汚泥へのＬＣＳＡＭの添加は、ＬＣＳＡＭから比較的低移動性で比較的高粘度の溶融物を提供することで、（１）材料の緻密化が遅延し、かつ／または（２）骨材の初期軟化、焼結および溶融の間の温度範囲が大きくなることが認められている。これによって、１００％高カルシウム下水汚泥の加工と比較して、骨材生産プロセスの制御の方が良好となることが認められている。
【００４０】
別の実施形態の例では、低カルシウム含有量を有する下水汚泥を、高カルシウムケイ素アルミニウム材料（「ＨＣＳＡＭ」）（本実施形態では、グループＢ添加剤または材料と称される）と混合する。低カルシウム下水汚泥は３％未満のカルシウム含有量を有することができ、ＨＣＳＡＭは９％を超えるカルシウム含有量を有することができる。本実施形態でのＨＣＳＡＭには、例えば（１）廃棄物：都市固形廃棄物（「ＭＳＷ」）残留物、セメントキルンダスト（「ＣＫＤ」）および高炉スラグ；ならびに（２）天然材料：石灰石、石膏およびドロマイトなどがある。都市固形廃棄物（「ＭＳＷ」）残留物には、大気汚染防止残留物および焼却炉ボトムアッシュ（「ＩＢＡ」）などがある。大気汚染防止残留物には、焼却却炉フライアッシュおよび焼却炉フィルターダストなどがある。
【００４１】
低カルシウム下水汚泥へのＨＣＳＡＭの添加によって、（１）下水汚泥含有骨材を焼成処理可能な温度範囲が狭くなり；（２）焼結および／またはガラス化を加速する液体溶融物が得られ；ならびに（３）温度および組成に応じた特定の特徴（例えば密度など）を有する骨材の生産が可能となることが認められている。
【００４２】
廃棄物ガラスは、無視できない量のカルシウムおよびナトリウム（それぞれ、９％および１２重量％）などの融剤成分ならびにシリカ（７１．７重量％）などの耐火性鉱物を含む。従って廃棄物ガラスは、下水汚泥の組成に応じて、グループＡおよびグループＢの両方の添加剤であることができる。すなわち、廃棄物ガラスは、高カルシウム下水汚泥のカルシウム含有量を低下させることができるか、または低カルシウム下水汚泥のカルシウム含有量を上昇させることができる。
【００４３】
一実施形態の別の例では、少なくとも１種類のＬＣＳＡＭと少なくとも１種類のＨＣＳＡＭの混合物からの合成骨材が生産される。一例では、ＬＣＳＡＭは３％未満のカルシウムを含み、ＨＣＳＡＭは１０％を超えるカルシウムを含む。ＬＣＳＡＭとＨＣＳＡＭの混合物が耐火性鉱物と流動性鉱物との間の良好な比率を提供して、焼成処理の制御を可能とすることが認められている。本実施形態でのＬＣＳＡＭには、例えば廃棄物：石炭燃焼施設からの粉砕燃料灰（「ＰＦＡ」）および上記の他のＬＣＳＡＭ、ならびに粘土、頁岩および粘板岩などがある。粘土は、例えばベントナイトおよび／またはカオリンであることができる。本実施形態でのＨＣＳＡＭは、ＭＳＷ焼却炉ボトムアッシュが含まれていないこと以外は、上記で記載のものと同じである。ＨＣＳＡＭのＬＣＳＡＭへの添加は、耐火性鉱物に対する融剤の割合が適切である所望の組成を混合物に与えて、所望の特性の骨材を製造するための生産プロセスの制御をより良好にすることを目的とするものである。
【００４４】
別の実施形態では、下水汚泥の第２の材料／添加剤に対する割合および焼成処理温度を制御することで、合成骨材の一定範囲の密度、多孔率および吸水率を得ることができる。
【００４５】
図１は、約９２０℃〜約１１５０℃の範囲にわたる、下水汚泥を含む骨材（下記実施例２のサンプルＸ）ならびに下水汚泥および花崗岩切断残留物の混合物を含む骨材についての焼結温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。１００％ＳＳを含む骨材に相当する曲線Ａは、温度が約９２０℃から約９６０℃に上昇するにつれて、密度が約１．２ｇ／ｃｍ３の低値から最大密度約２．５ｇ／ｃｍ３まで上昇することを示している。温度が９６０℃から９８０℃まで上昇するにつれて、密度は最大密度約２．５ｇ／ｃｍ３から１．７ｇ／ｃｍ３まで低下する。密度２．０ｇ／ｃｍ３以下の骨材は軽量骨材と称され、密度が２．０ｇ／ｃｍ３より高い骨材は通常重量骨材と称される。
【００４６】
製造物が焼結すると、下水汚泥中の融剤が溶融して液相を形成し、それが毛管作用によって下水汚泥中の粒子間の孔を充填することから、９２０℃から９６０℃への温度上昇に伴って密度が高くなる。孔が充填されるつれて密度が上昇し、サンプルの体積が小さくなる。さらに、液相中の相対的に小さい粒子が相対的に大きい粒子の方に拡散する。溶融材料は、硬化時に剛性でガラス質の非晶質骨格またはマトリックスを形成する。加工温度が上昇するにつれて、下水汚泥中のより多くの化合物が溶融して、実質的に全ての孔が消失し、よりガラス質の結晶性固体マトリックスが形成される。最大緻密化の温度では、ほぼ全ての孔が充填され、製造物はガラス化する。
【００４７】
さらに温度上昇するとサンプルの溶融および膨張が生じることから、９６０℃から９８０℃へと温度が上がると密度は急速に低下する。膨張は、溶融液相中への気体の取り込みによって生じるものであり、その気体はサンプルの一部の成分の気化によって生じるものである。捕捉された気体は孔を形成する。
【００４８】
図１に示したように、下水汚泥は、非常に狭い温度範囲で急速に焼結する。例えば、密度が約１．４ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３の範囲である１００％下水汚泥を含む焼結軽量骨材を製造するためには、焼結温度は９３０〜９４０℃の範囲内でなければならず、その幅はわずか１０℃である。さらに、下水汚泥の所与のサンプルの組成における変動により、加熱中に下水汚泥サンプルの挙動に大きな変動が生じる。従って、各種下水汚泥サンプルについての温度と密度の間の関係は、広い範囲で変動し得る。結果的に、密度、多孔率、吸水率などの所望の特徴を有する下水汚泥最終生成物を得ることは非常に困難である。このサンプル（高カルシウム）に類似の組成を有する下水汚泥の緻密化挙動を温度で制御することができないという点は、大量生産で必要な特性の骨材を製造する上での重大な障害となると考えられる。
【００４９】
本発明の実施形態で用いられる低カルシウムケイ素アルミニウム材料（ＬＣＳＡＭ）は、下水汚泥と比較して多くのシリカおよび少ないカルシウムを含む。上記のように、下記の実施例１および２で用いられる下水汚泥サンプル（サンプルＸ）は、約１６．０２％のシリカ（ＳｉＯ２）、６．８３％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および２０．２８％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含んでいた。天然ＬＣＳＡＭ粘土（例えばベントナイトおよびカオリン）、頁岩および粘板岩は、約４８％〜５８％のシリカ（ＳｉＯ２）、約１８％〜約２９％のアルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）および約３％未満の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含む。本発明のある種の実施形態で使用可能な採鉱廃棄物の一例である花崗岩切断残留物（「ＧＳＲ」）は、約６５％のシリカ（ＳｉＯ２）、約１５％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および約２．６％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含む。廃棄物ガラスは、約７２％のシリカ（ＳｉＯ２）、約２％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および約９％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含む。廃棄物ガラスはさらに、やはり融剤化合物である約１２％の酸化ナトリウム（Ｎａ２Ｏ）を含むことから、それを用いて、下水汚泥中の融剤の量を増加または低減することができる。石炭燃焼からの粉砕燃料灰（「ＰＦＡ」）と同じ組成を有する炉ボトムアッシュ（「ＦＢＡ」）は、約５２％のシリカ（ＳｉＯ２）、約２６％のアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）および約２％の酸化カルシウム（ＣａＯ）を含む。これらＬＣＳＡＭの別の成分は、下記の実施例に挙げてある。
【００５０】
図１に示したように、例えば６０％／４０％下水汚泥（「ＳＳ」）／花崗岩切断廃棄物（「ＧＳＲ」）混合物で、密度が約１．５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３である焼結軽量骨材を製造するには、焼結温度は約３０℃の範囲内（約１０１０℃〜約１０４０℃）とすることができる。４０％／６０％ＳＳ／ＧＳＲ混合物では、約１０１０℃〜約１０７５℃の６５℃の範囲内の温度で同様の密度を得ることができる。さらに、ＧＳＲ濃度が６０％まで上がると、焼結が遅れ、約１１１０℃で最大密度に達する（それと対照的に、１００％ＳＳの場合では９６０℃、６０％／４０％ＳＳ／ＧＳＲの場合では１０６０℃）。ＧＳＲが８０％以上までさらに増加すると４０％／６０％ＳＳ／ＧＳＲ混合物より広い温度範囲にわたって約１．５ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３の密度を有する軽量骨材となるものと予想される。その相対的に広い温度範囲によって、ＳＳの組成が変動したとしても所望の密度および他の特性を有する骨材の製造が容易になる。図１は、下記の実施例２の結果に基づいたものである。
【００５１】
図２は、約９８０℃〜約１１１０℃の範囲にわたる、下水汚泥を含む骨材（下記の実施例４におけるサンプルＺ）および下水汚泥およびセメントキルンダストの混合物を含む骨材についての焼結温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。１００％下水汚泥に相当する曲線Ｂは、温度が約９８０℃から約１０６０℃まで上昇するにつれて、密度が約１．９ｇ／ｃｍ３という低値から最大密度約２．４ｇ／ｃｍ３まで上昇することを示している。温度が１０６０℃から１１１０℃まで上昇するにつれて、密度は最大密度２．４ｇ／ｃｍ３から２．０ｇ／ｃｍ３まで低下する。２．０ｇ／ｃｍ３を超える密度を有する骨材は、通常重量骨材である。
【００５２】
図２に示したように、下水汚泥では、下水汚泥中の耐火性成分の量が多いために、緻密化が遅延し、初期材料軟化、焼結および溶融の間の温度間隔が広くなる。この例では、調べた温度では、１１０℃（１０００〜１１１０℃）の広い温度範囲で２．０ｇ／ｃｍ３〜２．４ｇ／ｃｍ３の密度を有する通常重量骨材が製造された。材料の緻密化挙動を加速して、予測可能性および生産制御が得られる温度範囲内で軽量および通常重量の両方の骨材を製造するには、高カルシウムケイ素アルミニウム、グループＢ材料（「ＨＣＳＡＭ」）を下水汚泥に加える。この例では、ＨＣＳＡＭはセメントキルンダスト（「ＣＫＤ」）である。ＣＫＤはかなりの量のＣａＯ（６３重量％）を含むことから、加速効果を得るには、ごく少量のＣＫＤでよい。下水汚泥中に５％のＣＫＤを加えることで、１００％下水汚泥混合物と同じ温度範囲で焼成処理した場合に、約１．７ｇ／ｃｍ３〜約２．４ｇ／ｃｍ３の密度を有する軽量骨材が製造される。下水汚泥に１０％のＣＫＤを加えると、９４０℃〜１０６０℃の焼成処理温度で、１．４ｇ／ｃｍ３という低い密度を有する軽量骨材および約２．４ｇ／ｃｍ３以下の密度を有する通常重量骨材が製造される。ＣＫＤをさらに加えると、混合物の緻密化がさらに加速され、それは大量骨材生産において予測可能な形で生産プロセスを制御する上での障害となり得ることから、好ましいものではない。
【００５３】
本発明の一実施形態による方法では、所定量の下水汚泥および下水汚泥の組成に応じてＬＣＳＡＭもしくはＨＣＳＡＭであることができる第２の材料を混合し、その混合物を凝集させ、凝集体を特定の温度で焼成処理することによって、骨材を形成する。上記のように、ＬＣＳＡＭは最初の下水汚泥よりカルシウム含有成分が少なく、ＨＣＳＡＭは下水汚泥よりカルシウムが多い。温度は、図１および２にグラフで示したものなどのデータに基づいて、少なくとも部分的に、ケイ素アルミニウム材料（「ＳＡＭ」）に対する下水汚泥の割合ならびに骨材の所望の密度および吸水率および／または強度などの他の特性に基づいて選択することができる。焼結を引き起こす温度が好ましい。好ましくは混合物を凝集させてから焼結を行って、所望の大きさおよび形状を有する凝集体を作ることで、焼結骨材を形成する。ペレット化が、好ましい凝集方法である。下水汚泥を乾燥させてから、第２の材料と混合することができる。あるいは、下水汚泥を、所望の含水量を有する湿形態で加えることで凝集を可能とすることができる。
【００５４】
図３は、粘土、頁岩、粘板岩、花崗岩切断残留物、廃棄物ガラスおよび炉ボトムアッシュなどのＬＣＳＡＭ粒子１２またはセメントキルンダスト、高炉スラグ、石灰石、石膏およびドロマイトなどのＨＣＳＡＭ粒子１２、ならびに下水汚泥粒子１４を含む凝集体１０の一例である。孔１６も示してある。凝集体１０は、本発明の一実施形態に従って、焼成処理、例えば焼結して骨材を形成することができる。焼成処理の際、酸化カルシウム、酸化ナトリウム、酸化カリウムおよび酸化マグネシウムなどの融剤化合物ならびに下水汚泥１４の最初の粒子および高もしくは低ケイ素アルミニウム材料（「ＳＡＭ」）粒子１２における加工温度以下の融点を有する他の化合物は溶融し、孔１６の中に流れ込む。ＳＡＭ粒子１２が非結晶固体である廃棄物ガラスである場合、他の結晶性ＳＡＭ粒子の融点よりかなり低い温度での粘性焼結による軟化ガラス粒子の溶融によって緻密化が起こる。
【００５５】
図４は、本発明の一実施形態による、凝集体１０の焼結から得られる骨材２０の一例の模式的断面図である。骨材２０は、下水汚泥およびＳＡＭの混合物を含む。凝集体は、下水汚泥のＳＡＭに対する割合および所望の密度および／または他の特徴によって決まる温度で焼結される。焼結骨材２０は、成分の溶融および／または結晶化から得られる、一部ガラス状および一部結晶化したマトリックス２４によって互いに結合した複数の粒子２２を含む。粒子２２は、シリカ、アルミナおよび加工温度より高い融点を有する他の鉱物を含むことができる。粒子２２は、焼結時に完全にまたは部分的に結晶化して、粒子２２間で別の結合を与える。骨材２０は好ましくは、下記でさらに説明される凝集体１０の無機材料によるコーティングで得られる高密度で連続的な比較的不浸透性の表面層２６を有する。顕微鏡的である場合があるチャンネル状で小さい表面孔２８ａであることができる内部孔２８も存在する。表面孔が内部孔とつながっていることで、骨材２０が水を吸収できるようになっている場合がある。吸水率は、孔の容積および接続性の指標である。
【００５６】
図５は、本発明の別の実施形態による、ガラス化骨材３０の一例の模式的断面図である。ガラス化骨材３０は、図４の焼結骨材と比較して、粒子２２が少なく、マトリックス２４が大きい。ガラス化は、凝集体成分のほとんどが融解する、下水汚泥のＳＡＭに対する特定の割合に関して最大緻密化の温度以上での凝集体１０の焼成処理から生じる。
【００５７】
密度が約１．２ｇ／ｃｍ３と低く、吸水率が約４０％を超え、強度が非常に低い高度に多孔性の軽量骨材ならびに密度が２．０ｇ／ｃｍ３以下である非常に強く良好に焼結した軽量骨材が、本発明の実施形態によって製造され得る。密度が約２．０ｇ／ｃｍ３より高く約２．６ｇ／ｃｍ３以下であり、吸水率がゼロに近い通常重量骨材も、本発明の実施形態によって製造され得る。下水汚泥およびＳＡＭによる、そしてある種のＳＡＭ間での骨材生産は、有利な再利用用途を提供するものである。
【００５８】
図６は、本発明の一実施形態による骨材製造方法１００の一例である。下水汚泥を、最初に段階１０５で乾燥させる。汚泥の乾燥は、例えば１１０℃の乾燥機で２４時間行うことができる。未処理汚泥の含水量が非常に高い場合、過剰の水分を、例えば濾過、重力沈降、綿状沈殿または沈殿によって除去してから、乾燥機で乾燥させる。代表的には、乾燥下水汚泥塊が形成される。その塊の大きさを小さくする必要がある場合がある。その後の加工に好適な微細粉末を好ましくは、段階１１０で、例えば乾式粉砕もしくは粉砕により、または乳棒および乳鉢を用いることで製造する。大量生産では、乾燥固体ケーキを、例えばハンマーミルによって粉砕して粉末とすることができる。粉砕下水汚泥粉末を、段階１１５で、例えば篩を用いて分離して、大きい粒子を除去する。下水汚泥中に存在する石、岩または金属などの粗い粒子も、好ましくは除去して、それ以降の加工に供する。分離は、例えば１５０ミクロンまたは８０ミクロンの開口を有するＡＳＴＭ標準ステンレスメッシュスクリーン上で下水汚泥粉末を機械的に振盪することで行うことができる。粒径が１５０ミクロン未満である下水汚泥を、さらに加工する。
【００５９】
表面積／体積比が高いと、小さい粒子の液相を介した相対的に大きい粒子への拡散が増加し、粉末が骨材全体でより良好に分布して充填密度が良好となることから、微細な粒径分布（約７１０ミクロン未満）を有する粉末は有利な特徴を有する。
【００６０】
下水汚泥は、ＳＡＭと直接混合して、例えば図６の段階１２５〜１５０に従うさらなる加工を可能とする上で好適な含水量をその材料が有する限りにおいて、生の湿った形で用いることもできる。過剰の含有水を、乾燥、濾過および／または他の方法によって再度除去して、好適な含水量としてから、添加剤との混合を行うことができる。この場合、段階１０５〜１２０は行わない。
【００６１】
次に段階１２５で、、段階１２０からの粉砕下水汚泥粉末を、微細粒子分布を有する粉末形態の適切なＳＡＭと混合する。混合は、バッチ式または連続式であることができる。ＳＡＭが粗い粒径分布を有する場合、例えば乾式もしくは湿式粉砕技術を用い、ハンマーミルまたはボールミルでそれを前粉砕してから、汚泥粉末とともにミキサーに加えることができる。いずれかの量の高または低カルシウムＳＡＭを、それぞれ低または高カルシウム下水汚泥に加えて、焼成処理性能を高めることができる。ＳＡＭに対する下水汚泥の好ましい範囲は、下水汚泥が高カルシウム下水汚泥であるか低カルシウム下水汚泥であるかによって決まる。本発明の一実施形態によれば、段階１２５で、ベントナイトおよびカオリンなどの粘土および／または頁岩を湿式粉砕する。
【００６２】
好ましくは、混合物の乾燥重で（「ＢＤＷＭ」）約５％〜約９５％の高カルシウム下水汚泥を、約９５％〜約５％のＬＣＳＡＭ、ＢＤＷＭと混合する。より好ましくは、約３０％〜約７０％の高カルシウム下水汚泥ＢＤＷＭを、約７０％〜約３０％のＬＣＳＡＭ、ＢＤＷＭと混合する。この範囲では、得られた骨材は乾燥重で約６％〜約１５％のカルシウム含有量を有する。より好ましくは、約３０％〜約５０％の高カルシウム下水汚泥ＢＤＷＭを、約７０％〜約５０％のＬＣＳＡＭ、ＢＤＷＭと混合する。この範囲では、得られた骨材は、乾燥重で約６％〜約１０％のカルシウム含有量を有する。骨材のカルシウム含有量が約２％〜約１０％であると、混合物の緻密化挙動の制御がより良好となって所望の特徴を有する骨材の生産が可能となり、カルシウム含有量が約３％〜約６％であると、さらに良好な制御が得られることが認められている。
【００６３】
好ましくは、約９９％〜約７０％の低カルシウム下水汚泥ＢＤＷＭを、約１％〜約３０％のＨＣＳＡＭ、ＢＤＷＭと混合する。より好ましくは、約８０％〜約９０％の低カルシウム下水汚泥ＢＤＷＭを、約２０％〜約１０％のＨＣＳＡＭ、ＢＤＷＭと混合する。これらの範囲は、上記のものと同様の骨材カルシウム含有量を提供するものである。
【００６４】
粘土などの可塑性結合材を加えて、造粒時の個々の粒子の水との物理的結合を強化することができ、それは段階１２５に記載されている。「可塑性結合材」という用語は、高い塑性指数を有する結合材材料を指す。少なくとも１０の塑性指数が好ましい。粘土結合材は、ＩＢＡ、ＳＡＭおよび粘土結合材の混合物の乾燥重で約５％〜約２０％を占めることができる。使用される結合材の量は、混合物中の個々の成分の可塑性など、下水汚泥およびＳＡＭの種類および特徴によって決まり得るものである。
【００６５】
粉末を十分に混合した後、段階１３０で、水を加えて、凝集に好適な稠度を得る。混合物は好ましくは、例えば粘土様混合物を有する。加える水の量は、混合物中の添加剤の量および種類に関係する。例えば、下水汚泥の粘土に対する割合が約８０％下水汚泥（「ＳＳ」）／２０％粘土である場合、必要な水の量は、ＳＳ／粘土混合物の総乾燥重の約２５重量％であることが認められている。その割合が６０％／４０％である場合、必要な水の量は約２８重量％であることが認められている。その割合が２０％／８０％である場合、必要な水の量は約３２％であることが認められている。下水汚泥を湿形態で用い、ＳＳ／ＳＡＭおよび適宜に粘土の混合物がさらなる加工を可能とする好適な含水量を有する場合、混合物に水を加える必要はない。
【００６６】
得られた混合物を、段階１３５で凝集させる。凝集は、ダストまたは粉末などの小さい微細粒子を集めてペレットなどのより大きい塊とする粒径拡大技術である。好ましくは、混合物をペレット化によって凝集させ、その場合に、気体もしくは液体中で分散している微細粒子を、他の外部圧縮力を用いずに回転によって大型化する。例えば、ペレット化回転ドラムまたはディスクを用いることができる。得られたペレットの強度は、粒子の特性、媒体中の水分量ならびに当業界で公知のような回転速度および回転ドラムの傾斜角度などの機械的プロセスパラメータによって決まる。回転ドラムの使用の例は、下記の実施例に記載されている。得られたペレットはほぼ球形であるかわずかに角張っており、混合物中の炭素含有量および鉄含有量に応じて、色は明褐色ないし暗褐色で変動する。その径は、例えば約３ｍｍ〜約４０ｍｍの範囲である。上記のように、図３はペレット１０の一例である。ペレット化に代えて押し出しを用いることができる。押し出しを行うとレンガ様材料が得られ、それは硬化後に破砕してより小さい粒子とすることができる。あるいは、圧縮を行って、錠剤その他の形状などの円柱形凝集体を得ることができる。
【００６７】
凝集混合物については、段階１４０で適宜に表面コーティングおよび乾燥を行う。使用される無機材料の量は少量であることができる。ペレットは、焼結温度で溶融しない無機材料でコーティングすることができる。ペレットは、その上にダストを散粉したり、ダスト中でペレットを回転させることでコーティングすることができる。コーティング材料の使用は、下水汚泥および選択される添加剤の特徴によって決まる。下水汚泥が高カルシウム下水汚泥である場合、無機材料は例えば、ダスト、粘土、粉砕頁岩および粘板岩の形態での花崗岩切断残留物もしくは炉ボトムアッシュなどのグループＡからのＬＣＳＡＭを含むことができると考えられる。下水汚泥が低カルシウム下水汚泥である場合、無機材料は、例えばセメントキルンダスト、焼却炉フライアッシュ、焼却炉フィルターダスト、石灰石、石膏および粉砕粒状高炉スラグなどのグループＢからのＨＣＳＡＭを含むことができる。
【００６８】
非粘着性材料の薄層でペレット表面を被覆することで、ペレット表面上に被膜が形成され、それは、例えば図４に示したように、ペレットのクラスタ化を低減し、ペレット強度を高め、骨材上に薄く緻密な外側被覆を形成する。粘土結合材を混合物に加える場合、粘土によって内部結合が向上することから、ペレットの完全性を高め、コーティングを形成するのにペレット表面のコーティングを行う必要はない。しかしながら、コーティングは一つの選択肢である。乾燥は、例えば約１１０℃の乾燥機で行うことができる。キルンでの湿ペレットの焼成処理では、急激な温度変化のためにひび割れや爆発が生じる可能性があることから、好ましくは乾燥を行う。
【００６９】
コーティングおよび乾燥を行ったペレットを、段階１４５で焼成処理する。焼成処理は、例えば下記でより詳細に記載しているように、混合物の組成および骨材の所望の特性に応じて、約１０００℃〜約１３５０℃の温度で行う。焼成処理は、最大緻密化温度以下の温度で起こる焼結または最大緻密化以上の温度で起こるガラス化であることができる。焼成処理は好ましくは、ロータリーキルンで行う。焼結によって、粒子間結合が形成されることで、それ以前は緩く結合していた粒子の強度および密度が高くなる。ガラス化により、最大緻密化温度で強度が高くなる。しかしながら、ガラス化はより高い温度で進行することから、上記のように、ガラス状非晶質マトリックスの膨張のために、密度および強度が低下する。
【００７０】
段階１５０で、水中で焼成処理骨材を急冷することができる。急冷によってペレットが冷やされて、溶融が停止する。急冷を行うと、得られた骨材２０は、再結晶が可能な空冷の場合より非晶質性の高いマトリックス２４を有するようになる。急冷によって、焼成処理骨材の硬度、靱性および耐摩耗性が向上することが、当業界では知られている。その水は、例えば室温（約３０℃）であることができる。
【００７１】
焼成処理および急冷を行った場合は、その後に、段階１５５で、所望の骨材サイズまでペレットを破砕および選別することができる。好ましくは、粗い骨材は、約４．７５〜約１９ｍｍの範囲である。例えば、より小さい骨材を、コンクリート中の微細骨材として用いることもできる。
【００７２】
焼成処理中のペレットの収縮のため、ペレットの大きさが約３ｍｍ〜約４０ｍｍの範囲である場合には、例えば焼成処理骨材の大きさは約２ｍｍ〜約３０ｍｍの範囲となり得る。選別された骨材の適切な大きさの範囲は、濾過用途に用いることができる約４ｍｍ〜約８ｍｍ、ならびにコンクリートで用いることができる約１２ｍｍ〜約１９ｍｍとすることができる。例えば、より小さい骨材（約２ｍｍまで低下）をコンクリート中の微細骨材として用いることもできる。
【００７３】
本発明の実施形態による焼成処理の結果として、骨材は、通常の環境条件下でほとんどの物質に対して化学的に不活性であると考えられている。
【００７４】
図７は、９９０℃で焼成処理した８０％／２０％のＳＳ／ベントナイトを含む混合物からの、本発明の実施形態によって作られた複数の焼結骨材の一例である。
【００７５】
図８は、本発明の一実施形態による骨材の製造方法２００の一例であり、その場合、粗い粒子分布を有する特定のＳＡＭを湿式粉砕してから、下水汚泥と混合する。そのような分布を有する本発明で用いられる添加剤には、ＩＢＡ、ＦＢＡおよび廃棄物ガラスなどがある。
【００７６】
段階２０５で、ボールミルの樽にＩＢＡを加え、段階２１０で水とともに粉砕する。粉砕を行って、ＩＢＡの粒径分布を微細な分布まで低下させて、焼成処理を向上させる。高い表面積／体積比によって、小さい粒子の液相を介した相対的に大きい粒子への拡散が増加し、粉末が骨材全体でより良好に分布して充填密度が良好となることから、微細粒径分布を有する粉末は有利な特徴を有する。得られた粒子は好ましくは、例えば約４５ミクロン以下の平均粒径を有する。より均一な粒径分布が得られることがわかっていることから、湿式粉砕が好ましい。さらに、湿式粉砕プロセスで用いられる液体は、凝集体を破壊し、粉末粒子の溶着を低減する傾向を有する。あるいはＩＢＡは、例えばハンマーミルで乾式粉砕することができる。図８の方法２００について、ＩＢＡの使用に関して説明するが、ＦＢＡまたは廃棄物ガラスを用いる場合、それらも好ましくは粉砕することは明らかである。
【００７７】
ＩＢＡは、例えば密閉された円柱形容器中で湿式粉砕することができ、水もしくはアルコールなどの液体媒体中の湿式ミルボールなどの粉砕球形媒体によって、媒体中に懸濁した粒子を破壊するだけの力が加わる。転動、振動、軌道回転および／または攪拌によって湿式ボールミルに運動を加えることができる。粉末粒径分布を制御する最も重要な変量は、粉砕速度（ｒｐｍ）、粉砕時間、粉砕媒体量、原料の初期粒径および所望の製造物径である。最も効率的な結果を得るには、ミルは少なくとも半分は粉砕媒体で満たされていなければならない。粉砕媒体は、例えば高密度のアルミニウム球であることができ、固体の約４倍の総重量とすることができる。至適な粉砕を行うには、小さい粉砕媒体が推奨される。アルミニウムまたはスチール球を用いる場合は、好ましい粒径は１／２〜５／８インチの範囲である。好ましくは、固体の約２倍量の液体を加える。粉砕は、例えば約８時間行うことができる。
【００７８】
段階２１５で、湿式粉砕ＩＢＡを、例えば篩で分離して、大きい粒子を除去する。粒子が大きすぎると、均一なペレットが形成されない。分離は多段階で行うことができる。例えばＩＢＡを、例えば３５５ミクロンまたは１５０ミクロンの開口を有するＡＳＴＭ標準ステンレスメッシュスクリーン上で機械的に振盪することができる。１５０ミクロン未満の粒径を有するＩＢＡをさらに加工する。１５０ミクロンを超える画分は、異なる種類の材料に分離することができ、それをＳＡＭ添加剤として、廃棄物ガラスとして再使用することができる。
【００７９】
段階２２０からの相対的に微細な画分の得られた粉砕スラリーを、段階２２５で脱水する。好ましくは、全ての遊離水を除去する。除去された水は廃水と称され、下記でさらに説明するように段階２６５で用いることができる。水は、例えばフィルタープレスその他の濾過装置で除去することができる。段階２３０で、脱水によって、固体の湿ったケーキ残留物が形成される。
【００８０】
段階２３５で、ケーキを乾燥させ、粉砕する。この段階によって、ケーキは粉末になる。ケーキは、例えば１１０℃の乾燥機で乾燥させることができる。粉末は、例えば乳鉢と乳棒によって粉砕することができる。大量生産では、乾燥固体ケーキを、例えば羽根付きミキサーまたはドライハンマーミルで粉砕して粉末とすることができることから、乾燥粉砕ＩＢＡ固体ケーキを同時に粉砕し、やはり粉末形態である生添加剤と連続的に混合することができる。
【００８１】
粉砕ＩＢＡを下水汚泥と混合する前に、段階２４０で汚泥を乾燥させる。汚泥は、例えば１１０℃の乾燥機で２４時間乾燥させることができる。製造された固体ケーキを、段階２４５で粉砕して粉末とする。その粉末は、例えば乾式粉砕もしくは破砕によって、または乳棒と乳鉢を用いて製造することができる。段階２５０で、汚泥粉末を１５０ミクロンまたは８０ミクロンの篩に通して、粗い粒子を除去する。段階２６０で、段階２５５の１５０ミクロン未満の画分を、粉砕ＩＢＡ粉末と十分に混合する。水を混合物に加えてから、段階２６５で湿粘土状混合物をペレット化する。水は、上記で述べた脱水段階２２５から得られた廃水の一部または全量であることができる。段階２６５〜２８５は、図６における段階１３０〜１５５に相当する。あるいは、下水汚泥を湿った状態でＩＢＡと混合することができる。しかしながら、混合物の造粒で水をさらに加える必要がないようにするには、適切な含水量が必要である。この場合、段階２４０〜２５５は必要ない。
【００８２】
ＩＢＡとともに下水汚泥を、ボールミル中で一緒に湿式粉砕してスラリーを得る場合、別の加工を行うことができる。次に、粉砕スラリーを一連の篩に通し、濾過装置で脱水して、粘度様固体ケーキを形成する。次に、その固体ケーキを１１０℃で乾燥させ、粉砕して微細粉末とし、それを水の存在下にさらにペレット化し、焼成処理して骨材を形成する。両方の材料の湿式粉砕から形成される粉砕スラリーを必要な含水量まで脱水して、混合物の直接ペレット化ができるようにすることもできる。形成されたペレットを約１１０℃で乾燥してから、キルンでの焼成処理段階に入れる。
【実施例】
【００８３】
以下の実験を行った。
【００８４】
実施例１
本実施例では、下水汚泥（「ＳＳ」）および廃棄物ガラス（「ＷＧ」）を含む合成骨材を製造した。本実施例で用いた３種類の異なるＳＳサンプルの平均化学組成（主要酸化物）を、下記の表Ａに示してある。下記の表Ｂは、これら３種類のサンプル中に存在する少量および微量の構成要素を示している。サンプルＸおよびサンプルＹは約６ヶ月の期間を空けて同じ工場から得たものであり、サンプルＺは第２の工場から得たものである。サンプルＸの酸化カルシウム含有量は２０．２８重量％であり；サンプルＹの酸化カルシウム含有量は１２．１２重量％であり；サンプルＺの酸化カルシウム含有量は３．２０重量％である。サンプルＸおよびＹは、高カルシウムＳＳと見なされ、サンプルＺは低カルシウムＳＳである。使用したＷＧの平均化学組成も、表Ａに示してある。ＷＧは、米国で生産されるガラスの約９０％を占めるソーダ石灰ガラス製であった。それは主として、二酸化ケイ素（７１．７重量％）、酸化ナトリウム（１２．１重量％）および酸化カルシウム（９．４重量％）からなり、他の少量成分には酸化アルミニウムおよび酸化マグネシウムなどがある。そのガラスの組成により、セラミックの生産に現在用いられている他のガラスより低い温度での液相焼結によって材料が緻密化されることから、エネルギー生産コストが削減される。ＳＳの組成に応じて、ＷＧは、緻密化温度範囲を上昇させるためのＬＣＳＡＭ、そして緻密化を加速するための融剤として作用するＨＣＳＡＭの両方として用いることができる。例えばＷＧを下水汚泥サンプルＸ、ＹおよびＺとともに用いて、合成骨材を製造することができる。
【表１】
2008538347.tif 000002
【表２】
2008538347.tif 000003
【００８５】
ＳＳサンプルＸおよびＷＧについて、下記の加工を行った。本実施例では、乾燥ＳＳ粉末にＷＧを加えてから、ペレット化を行った。
【００８６】
サンプルＸを１１０℃で２４時間乾燥機乾燥した。得られた乾燥ケーキをボールミルに加えて粉砕して粉末とした。そのミルは、３／４インチ（１９．０５ｍｍ）の高密度アルミナ球粉砕媒体約２．１７２ｋｇが入ったパスカル・エンジニアリング社（Pascal Engineering Co., Ltd.）の２１５８９型であった。粉砕粉末を１５０ミクロンの篩にかけて、粗い粒子を除去した。
【００８７】
用いたＷＧは、一部には、生ＩＢＡから分離された瓶および窓ガラスに由来するものであった。このＷＧを洗浄し、１１０℃で終夜乾燥機乾燥した。次に、ＷＧをジョー・クラッシャーで破砕し、分離して粒径を２ｍｍ〜６ｍｍに下げ、次に振動リングを用いることで、炭化タングステンテマ（Tema）ミル（Gy-Ro, Glen Creston Ltd., Brownfields, Englandから入手可能）で粉砕することで、体積の９５％（ｄ９５）が７１０ミクロン未満の粒径を有するようにした。再度カーバイドミルでさらに４分間乾式粉砕して、粒径分布をさらに小さくした。この微細ＷＧ画分を、本実施例で用いた。破砕ＷＧの粒径のｄ５０値は１９７．６ミクロンであり、それは４分間の乾式粉砕後には１９．８ミクロンまで低下した。さらに、７１０ミクロン篩によって分離されたＩＢＡの湿式粉砕スラリーからのＷＧも用いた。この画分も、４分間にわたってテマ乾式ミルで粉砕し、第１の画分と合わせた。
【００８８】
粉砕ＷＧを、１００％／０％、４０％／６０％、６０％／４０％および０％／１００％（ＳＳ／ＷＧ）の特定の割合で汚泥粉末に加えた。ＳＳおよびＷＧの粉砕粉末混合物を、バッチミキサー中で水（得られた混合物の総乾燥重量の約４０％以下）と混合し、水平方向に対して３０°の角度で約１７ｒｐｍで回転する直径４０ｃｍおよび長さ１メートルを有する回転ドラムペレタイザーに供給する。得られた「グリーン」ペレットは、ほぼ球形であるかわずかに角張っていた。その平均直径は約４ｍｍ〜約９．５ｍｍであった。４ｍｍ未満のペレットはドラムに戻して、再度ペレット化した。９．５ｍｍより大きいペレットは、手で割ってそれより小さいペレットとし、やはりペレタイザーに戻した。
【００８９】
ペレットを、その上にＰＦＡ粉末を散粉することで、石炭燃焼からのＰＦＡでコーティングした。次に、ペレットを約１１０℃で乾燥させ、長さ１５００ｍｍで内径が７７ｍｍであり、加熱領域の長さが９００ｍｍであるロータリーキルンに送った。キルンは、各種ＳＳ／ＷＧ混合物について９２０℃〜１２２０℃の温度で運転するように設定した。ペレットは、約１０分〜約１２分にわたり、約２．８ｒｐｍの速度で、ロータリーキルンのチューブ方向に移動・回転させた。本実施例では、キルンはカーボライト・ホープ・バレー（Carbolite Hope Valley）（英国）（ＧＴＦＲ１９５型）から入手可能な電気火力回転炉であった。焼成処理されたペレットはキルンから排出し、室温で放冷した。
【００９０】
留意すべき点として、温度−密度曲線（図１で示したものなど）はキルンごとに変化し得るものである。例えば、ＳＳおよびＷＧその他のＳＡＭの特定の割合に相当する曲線は、上記で示した特定のキルンを用いるものより若干低いか高い最大緻密化温度を有し得る。曲線の移動は、温度プロファイルの安定性、エネルギー損失などの特定のキルンの運転効率に関係する多くの要素に起因するものであると考えられる。従って、特定のキルンでのいくつかのサンプルを準備して、骨材が所望の特性を有する温度範囲を確認することが必要になる場合がある。
【００９１】
結果
下記の表Ｃ〜Ｄは、本実施例で形成される骨材の物理的および機械的特性をまとめたものである。留意すべき点として、それらの骨材は、ＳＳ中におけるＷＧの濃度が高くなるにつれてその特性を大きく変えた。
【００９２】
下記の表Ｃは、異なる温度（１０℃ずつ上昇させた）で焼成処理した異なる割合のＳＳおよびＷＧを含む骨材についての試験結果をまとめたものである。そのデータは、１００％下水汚泥についての４個の値の平均および全てのＷＧ含有サンプルの２個の値の平均である。データは、図９のグラフにプロットしてある。焼成処理骨材の相対乾燥密度はアルキメデスの方法を用いて計算し、吸水率は２４時間浸漬した後の「表面乾燥」サンプルの重量増加から求めた。
【００９３】
以上説明したように、混合物中のＷＧの量が増えると、ＷＧの量の増加に伴う下水汚泥の化学組成および鉱物学が変わったために、サンプルの初期軟化、最大緻密化および完全もしくはほぼ完全溶融の間の温度間隔が広くなった。得られた混合物中に存在するシリカの濃度上昇のために、ＷＧ増加に伴って、最大緻密化が起こる温度が高くなることも認められた。例えば、１００％サンプルＸのＳＳは、約９６０℃の最大緻密化温度を有する。６０％ＳＳ／４０％ＷＧの割合でのサンプルＸのＳＳおよびＷＧの混合物は、１０３０℃の最大緻密化温度を有し、４０％ＳＳ／６０％ＷＧの割合では最大緻密化温度は１０６０℃である。
【００９４】
しかしながら、ＳＳへのＷＧの組み込みは、他のＬＣＳＡＭの組み込みほど、ペレットが焼結する温度範囲を広くする上では有効ではないことが認められている。例えば、１００％ＳＳは約９３０℃〜約９４０℃の温度範囲（１０℃）で焼結して約１．４ｇ／ｃｍ３〜約１．８ｇ／ｃｍ３の軽量骨材を形成するが、６０％ＳＳ／４０％ＷＧは約９７０℃〜約１０００℃の温度（３０〜約３５℃）で焼結して、その密度範囲での骨材を形成する。この温度範囲は、骨材密度範囲については４０％ＳＳ／６０％ＷＧペレットのものと同様である。これは、融剤として作用する、ＷＧ中に存在する高濃度の酸化ナトリウムおよびカルシウムの存在によるものであると考えられている。融剤および溶融ガラスが低粘度溶融物を生じ、他の低カルシウムケイ素アルミニウム材料より密度が高く、多孔率が低い製造物を与えるとも考えられている。
【表３】
2008538347.tif 000004
【００９５】
図９および表Ｃで明らかなように、所定の組み合わせのＳＳおよびＷＧに関して、温度を用いて、焼結生産物の密度および他の特徴を求めることができる。例えば、ＳＳ／ＷＧの４０％／６０％混合物では、１０００℃での焼結によって、密度が約１．４ｇ／ｃｍ３であるＬＷＡが得られ、１０６０℃での同じ混合物の焼結によって、密度が約２．６ｇ／ｃｍ３である通常重量骨材が得られる。
【００９６】
表Ｃには、各種骨材の吸水率に対するＷＧ添加の効果も示してある。最大緻密化の温度より低い温度で生産されるＬＷＡは、代表的にはある程度の多孔性を有する。最大緻密化に近くなるにつれて、孔が溶融材料によって充填されることから、孔の大きさおよび数が徐々に低下してゼロとなる。多量のＳＳを含む骨材は、温度とともに吸水能力に急速な低下を示し、高ＷＧ骨材は温度とともにより緩やかな吸水率低下を示す。１００％ＷＧ骨材は、蒸発によって生じる孔を充填する溶融ガラスのために、調べた全ての温度で他の全ての混合物よりかなり低い吸水率を有している。
【００９７】
下記の表Ｄは、指定の焼成処理温度での特定のＳＳおよびＷＧの混合物について、骨材破砕値（「ＡＣＶ」）をパーセントとしてまとめたものである。ＡＣＶは、各種割合のＷＧ／ＳＳについて３種類の異なる温度で提供されている。ＡＣＶは、骨材強度に対して反比例している。選択された温度は、比較のため、異なる製造物特性および異なる微細構造を生じるものとした。各組み合わせでの相対的に低い温度では、本発明の好ましい実施形態に従って、焼結ＬＷＡを製造した。中間温度では、本発明の一実施形態に従って、良好に焼結またはガラス化した通常重量骨材が得られ、残留孔がわずかにあった。相対的に高い温度では、やはり本発明の一実施形態に従ってガラス化ＬＷＡが得られた。
【表４】
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【００９８】
ＡＣＶは相対的に低く、骨材の強度は最大緻密化の温度では相対的に高かった（中間温度）。その温度以下では、密度は相対的に低く、ＡＣＶは相対的に高く、個々の骨材またはバルク骨材の強度は相対的に低かった。その温度（中間温度）より高いと、サンプル溶融増加のために、密度および骨材強度が低下するにつれてＡＣＶが増加し始めた。骨材強度は、温度上昇に伴って骨材密度の同じ傾向を示し、予想通り、最大値まで上昇してから低下する。本発明の実施形態による表Ｄに示した温度で４０％ＳＳおよび６０％ＷＧを含むＬＷＡも、下記に示したように、約３４％のＡＣＶを有する市販の軽量骨材ＬＹＴＡＧより低いＡＣＶおよび高い強度を有する。
【００９９】
図９ならびに表ＣおよびＤに示した焼成処理骨材の特性に対する焼成処理温度およびＷＧ添加の効果に基づくと、１０００℃〜１１００℃の温度範囲で焼結し、約１．４ｇ／ｃｍ３〜約２．６ｇ／ｃｍ３の密度を有する骨材を与えた４０％ＳＳ／６０％ＷＧ混合物が好ましい。そのような骨材を、コンクリートにおける通常重量およびＬＷＡとしての用途などの広範囲の用途で用いることができる。この組み合わせは１００℃の最も広い温度範囲で焼結して、骨材を形成する。従って、焼結および他の焼成処理時のこの混合物の挙動ならびに得られた骨材の最終特性は、１００％ＳＳを含む骨材の場合より容易に制御可能である。この組み合わせの骨材の低い吸水率は、溶融ガラスが原因である。
【０１００】
表Ｅには、３つの特定温度での４０％ＳＳ／６０％ＷＧ混合物からの骨材の一部の物性（表Ｃからの相対乾燥密度および吸水率ならびにかさ密度）および機械特性（表ＤからのＡＣＶ）をまとめたものである。市販の骨材ＬＹＴＡＧ（焼結ＰＦＡ）およびＯＰＴＩＲＯＣ（膨張粘土）の相当する特性も表Ｅに示してある。個々の骨材特性は２０の測定値の平均値であり、バルク骨材特性は２つの測定値の平均である。
【表５】
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【０１０１】
ＬＹＴＡＧと１０００℃で焼結したＳＳ／ＷＧの４０％／６０％混合物を含む骨材の特性の比較から、ＷＧ含有骨材がＬＹＴＡＧのものに匹敵する個々およびバルクの骨材密度、それより高い吸水率および有意に低いＡＣＶを有していたことがわかり、それが圧縮下に負荷された場合にバルクとしてより高い応力に耐え得ることがわかる。ＯＰＴＩＲＯＣは、非常に低い密度、相対的に低い吸水率および非常に低い強度を有する。これは、ＯＰＴＩＲＯＣが高容量の分離した球形孔を有するハチの巣状の微細構造を有することから予想されるものである。
【０１０２】
実施例２
本実施例では、高カルシウムＳＳサンプルＸおよびＹならびにグループＢ、ＬＣＳＡＭ（２．６１％酸化カルシウム（ＣａＯ））である花崗岩切断残留物（「ＧＳＲ」）を含有させて合成骨材を製造した。これらの実験で用いたＳＳサンプルおよびＧＳＲの平均化学組成を、下記の表Ｆに示してある。実施例１で用いたものと同じ装置を、本実施では用いた。
【表６】
2008538347.tif 000007
【０１０３】
ＳＳサンプルＸおよびＹおよびＧＳＲについて、上記で記載し、図６に示した加工を行った。２５０メッシュの篩（６３ミクロン）を通したＧＳＲを乾燥汚泥粉末に加えてから、混合物をペレット化し、焼成処理した。
【０１０４】
篩処理して６３ミクロン未満としたＧＳＲ粉末を、１００％／０％、８０％／２０％、６０％／４０％および４０％／６０％（ＳＳ／ＧＳＲ）という特定の割合でＳＳ粉末に加えた。上記のように、混合物の稠度がペレット化を可能とするものとなるまで、バッチミキサーにて混合物に水を加えた（得られた混合物の総乾燥重基準で３５％以下）。混合物を回転ドラムに送り、ドラム末端で回収したペレットを４ｍｍおよび９．５ｍｍの篩で篩い分けした。そのペレットをＰＦＡでコーティングし（散布によって）、約１１０℃の乾燥機で終夜乾燥させた。次に、得られたグリーンペレットをロータリーキルン中にて約１０〜約１２分間焼結させた。ＳＳサンプルＸおよびＧＳＲダストから形成されたペレットを９２０℃〜１１５０℃の温度で焼成し、ＳＳサンプルＹおよびＧＳＲから形成したペレットを９９０℃〜１１９０℃の温度で焼成した。
【０１０５】
結果
下記の表Ｇ〜Ｈは、上記の方法によって形成された骨材の物性および機械特性をまとめたものである。
【０１０６】
骨材の相対乾燥密度および吸水率を、実施例１に記載の方法に従って求めた。本実施例では、２枚の平行なプレート間で個々の骨材に破壊まで負荷を加えることによって、圧縮強度を計算した。応力解析から、１個の球を直径に関して反対の２ヶ所でこのように調べると、その球の圧縮強度σは下記の等式によって与えられることが明らかになっている。
【数１】
2008538347.tif 000008
【０１０７】
式中、「ＩＡＣＳ」＝個々の骨材破砕強度、ｄ＝球直径（ｍｍ）およびＰ＝破壊負荷（Ｎ）である。各温度で作製した少なくとも１２個の骨材について行った試験から、圧縮強度の平均値を計算した。骨材が破壊するまで、圧縮試験装置によって負荷を加えた。装置のダイヤルゲージが、破壊を起こす負荷を示す読み取り値を与える。下記の等式：負荷（ポンド）＝５５０．９５（読み取り値）−１６２０．７；負荷（ｋｇ）＝負荷（ポンド）／２．２０５）によって、読み取り値から負荷を計算した。
【０１０８】
下記の表Ｇは、２つのサンプルＸおよびＹについての、異なる温度での各種割合のＳＳおよびＧＳＲを含む骨材に関する試験結果をまとめたものである。データは、サンプルＸおよびＹのそれぞれについて、図１および図１０のグラフにプロットしてある。表Ｇには、指定の焼結温度での特定のＳＳおよびＧＳＲ混合物に関してのＩＡＣＳ結果もまとめてある。上記で記載のように、混合物中のＬＣＳＡＭ（本例ではＧＳＲ）濃度が高くなると、ＧＳＲダストによる下水汚泥の化学組成および鉱物学の変化のために、サンプルの初期軟化、最大緻密化ならびに完全もしくはほぼ完全溶融の間の温度間隔が広くなった。
【表７】
2008538347.tif 000009
【０１０９】
高濃度のＳＳ、詳細にはサンプルＸを含む混合物からの骨材の吸水率は、温度上昇に伴って急速に低下するが、相対的に多量のＧＳＲとの混合物からの骨材では温度に伴う吸水率低下はさらに緩やかである。ＩＡＣＳは、予想通り、密度と同様の傾向を示し、最大緻密化の温度まで上昇し、それより高い温度では低下する。温度上昇に伴う骨材強度の上昇は、１００％ＳＳ混合物からの骨材では急速であり、ＧＳＲ量が上昇するにつれてより緩やかになる。
【０１１０】
これらの結果に基づくと、コンクリートでのＬＷＡなどの広範囲の用途で用いることができる焼結生産物を製造する上で好ましいＳＳ／ＧＳＲ混合物は、サンプルＸおよびＹの両方について、４０％／６０％のＳＳ／ＧＳＲ混合物である。ＧＳＲを含むＳＳの混合物から製造される骨材は、ＳＳ単独の場合より広い温度範囲で焼結することから、骨材の焼結時の挙動および最終特性を容易に制御することができる。４０％／６０％ＳＳ／ＧＳＲ混合物は、例えばサンプルＸの場合には、１０００℃〜１０９０℃の温度範囲で焼結して、密度が２．０ｇ／ｃｍ３未満であるＬＷＡを形成した。所望の特性および特徴（多孔率、密度、強度）を有する骨材を、より容易に製造することができる。
【０１１１】
図１および１０ならびに表Ｇから明らかなように、温度の制御によって、ＳＳの特徴および組成が既知である場合に、所定の組合せのＳＳおよびＧＳＲについて、所定の密度および他の特徴を有する骨材を製造することができる。例えば、サンプルＹ、すなわちＳＳ／ＧＳＲの４０％／６０％混合物を用いると、１０００℃での焼結によって、約１．４〜約１．５ｇ／ｃｍ３の密度を有するＬＷＡが得られ、約１１１０℃での焼結によって、約２．５ｇ／ｃｍ３の密度を有する通常重量骨材が得られた。
【０１１２】
表Ｈには、ＬＹＴＡＧ骨材の相当する特性とともに、４つの異なる温度でのサンプルＹのＳＳ／ＧＳＲの４０％／６０％混合物からの焼結骨材の物性（相対乾燥およびかさ密度、吸水率）および機械特性（ＡＣＶ）をまとめてある。最大緻密化の温度以下の温度で製造された骨材は、２．０ｇ／ｃｍ３未満の密度、相対的に低い吸水率および高い強度を有していた。従ってそれは、軽量コンクリートでの使用に非常に適したものであった。ＬＹＴＡＧは、これらの骨材より低い相対密度および骨材強度を有していた。
【表８】
2008538347.tif 000010
【０１１３】
実施例３
本実施例では、サンプルＹのＳＳ、中等度に高いカルシウムのＳＳ（酸化カルシウム（ＣａＯ）１２．１２％）およびＬＣＳＡＭ（酸化カルシウム（ＣａＯ）１．８２％）である粘板岩を含む焼成処理骨材を製造した。これらの実験で用いたサンプルＹのＳＳおよび粘板岩の平均化学分析を、下記の表Ｉに示してある。これらの実験では、下水汚泥サンプルＹを用いた。実施例１で用いたものと同じ装置を、ここで用いている。
【表９】
2008538347.tif 000011
【０１１４】
粘板岩について、図６に記載され、前記の実施例でより詳細に記載された加工を行った。
【０１１５】
下水汚泥を１１０℃で２４時間乾燥させてから、固体ケーキを粉砕して微粉末とした。粘板岩を、１００％／０％、８０％／２０％、６０％／４０％および４０％／６０％（ＳＳ／粘板岩）という特定の割合で下水汚泥粉末に加えた。バッチミキサーで水を混合物に加えて（得られた混合物の乾燥総重量基準で４５％以下）、ペレット化用の粘土様混合物を形成した。粘板岩が微細な粒径分布を有することから、それをＳＳ粉末と直接混合した。ＳＳとともにさらなる加工を行う前に、粘板岩を粉砕して微細な大きさとする必要がある場合がある。得られたグリーンペレットは、４ｍｍ〜９．５ｍｍの範囲のものであった。粘板岩を含むペレットを、粘板岩粉末でコーティングし、１１０℃で乾燥させ、上記のロータリーキルンに送った。得られたペレットを９９０〜１１６０℃の温度で約１０〜１２分間焼成してから、キルンから排出し、放冷して室温とした。
【０１１６】
結果
下記の表Ｊ〜Ｋは、特定のＳＳ／粘板岩混合物からの焼成処理骨材の物性および機械特性ならびに焼成処理温度をまとめたものである。焼成処理骨材の相対乾燥密度および吸水率を、実施例１に記載の方法に従って求めた。
【０１１７】
表Ｊには、物性結果（相対乾燥密度、吸水率）および機械特性（ＩＡＣＳおよびＡＳＭＩ）をまとめてある。そのデータは、図１１のグラフ上にプロットしてある。上記で説明したように、混合物中の粘土濃度が上昇すると、粘土によるＳＳの化学組成および鉱物学の変化のために、サンプルの初期軟化、最大緻密化および融点の間の温度間隔が広くなった。
【表１０】
2008538347.tif 000012
【０１１８】
高濃度のＳＳを含む混合物からのペレットの吸水率は、温度上昇に伴ってより急速に低下するが、多量の粘土を含む混合物からのペレットは温度に伴ってより緩やかな吸水率低下を示す。ＩＡＣＳおよびＡＳＭＩは、予想通り密度と同様の傾向を示し、最大緻密化の温度まで上昇し、それより高い温度では低下する。温度上昇に伴う骨材強度上昇は、１００％ＳＳ混合物からのペレットの場合はより急速であり、混合物中の粘土量の増加に伴ってより緩やかになる。
【０１１９】
焼結骨材の特性に対する温度およびベントナイト添加の効果に基づくと、密度が約１．６ｇ／ｃｍ３〜約２．４ｇ／ｃｍ３となった、１０３０℃〜１１６０℃の範囲の温度で焼結した４０％／６０％サンプルＹのＳＳ／粘板岩混合物が好ましい。焼結時のこの混合物の挙動および得られた焼結ＬＷＡの最終特性は、１００％サンプルＹのＳＳならびにＳＳおよび粘板岩の他の組合せより容易に制御することができ、製造がより容易になる。これらの実験で用いたものより低い温度でＳＳ／粘板岩ペレットを加工することで、より低い密度およびより高い吸水率を有する骨材も製造することができる。
【０１２０】
表Ｋには、ＬＹＴＡＧ骨材の相当する特性とともに、３つの特定温度でのＳＳ／粘板岩の４０％／６０％混合物からの骨材のある種の物性および機械特性をまとめてある。
【表１１】
2008538347.tif 000013
【０１２１】
表Ｋおよび図１１によって示したように、温度を制御することで、ＳＳおよび粘板岩の所定の組合せについて、所定の密度および他の特徴を有する骨材を製造することができる。必要とされる骨材特性に従って、この組合せから、ＬＹＴＡＧに匹敵するかそれに勝る特性を有する軽量骨材を製造することができる。
【０１２２】
表Ｌには、ＳＳおよび粘板岩の混合物から得られる焼成処理骨材の挙動をまとめてある。骨材が焼成処理される温度範囲、相当する密度、吸水率およびＡＳＭＩ範囲、ならびに異なる種類および割合のＳＡＭ／下水汚泥についての最大緻密化温度を示してある。
【表１２】
2008538347.tif 000014
【０１２３】
実施例４
本実施例では、サンプルＺ、低カルシウムＳＳ（酸化カルシウム（ＣａＯ）３．２０％）およびセメントキルンダスト（「ＣＫＤ」）、グループＡのＨＣＳＡＭ（酸化カルシウム（ＣａＯ）６３．６％）を含む合成骨材を製造した。これらの実験で用いたＣＫＤの平均化学組成を、下記の表Ｍに示してある。
【表１３】
2008538347.tif 000015
【０１２４】
サンプルＺのＳＳおよびＣＫＤについて、上述し、図６に示した加工を行った。ＳＳを１１０℃で２４時間乾燥させ、粉砕して微粉末とした。微細な粒径分布を有するＣＫＤ（粒子体積の９５％（ｄ９５）が４５ミクロンより微細）を乾燥ＳＳ粉末に加えてから、混合物をペレット化し、焼成処理した。
【０１２５】
１００％／０％、９５／５％および９０％／１０％（ＳＳ／ＣＫＤ）という特定の割合で、ＣＫＤをＳＳ粉末に加えた。混合物の稠度がペレット化を可能とするものとなるまで、バッチミキサーで、粉末を水（得られた混合物の総乾燥重量基準で３５％以下）と混合した。混合物を回転ドラムに送り、ドラム末端でペレットを回収し、４ｍｍおよび９．５ｍｍ篩で篩い分けした。ペレットをＣＫＤでコーティングし、約１１０℃の乾燥機で終夜乾燥した。得られたグリーンペレットを、９４０℃〜１１１０℃の温度で約１０〜約１２分間にわたってロータリーキルンで焼成処理した。
【０１２６】
個々の骨材破壊強度（「ＩＡＣＳ」）を、実施例２に記載の方法に従って求めた。個々の骨材の圧縮強度も、骨材強度質量指数（「ＡＳＭＩ」）として下記のように定義した。
【数２】
2008538347.tif 000016
【０１２７】
式中、Ｐ＝破壊負荷（ｋｇ）およびｍ＝ペレットの質量（ｋｇ）。各焼成処理温度および異なる割合で製造した少なくとも１２種類の骨材について実施した試験から、圧縮強度の平均値を計算した。
【０１２８】
結果
下記の表Ｎ〜Ｏに、上記の方法によって形成された骨材の物性および機械特性をまとめてある。骨材の相対乾燥密度、吸水率およびＡＳＭＩを、上記実施例に記載の方法に従って求めた。
【０１２９】
下記の表Ｎには、異なる温度で焼結した異なる割合のＳＳおよびＣＫＤを含む骨材についての試験結果をまとめてある。そのデータは、図２のグラフにプロットしてある。表Ｏには、物性結果（表Ｎからの相対乾燥密度、および吸水率）および機械特性（表ＮからのＡＳＭＩ）をまとめてある。混合物中のＣＫＤ濃度を上昇させることで、初期混合物の組成が変化することによって、焼成処理温度範囲は若干狭くなった。ＣＫＤはそのような高カルシウム含有量を有することから、溶融物の移動性を高め、混合物のペレットの緻密化を高める上で必要な量はごくわずかとなった。
【表１４】
2008538347.tif 000017
【０１３０】
混合物中の融剤の量が相対的に低いことで得られるより高い密度のために、高濃度のＳＳの混合物からの骨材の吸水率は相対的に低い。ＡＳＭＩは予想通り、密度と同様の傾向を示し、最大緻密化の温度まで上昇し、それより高い温度では低下する。これら実施例で用いられるサンプルＺより低い酸化カルシウム濃度を有するＳＳサンプルでＣＫＤを加えることは、本実施例で示したより重要であると予想され、所望の骨材組成を得るには、相対的に高濃度のＣＫＤをＳＳに加える必要があると考えられる。
【０１３１】
焼結骨材の特性に対する温度およびＣＫＤ添加の効果に基づくと、密度が約１．４ｇ／ｃｍ３〜約２．０ｇ／ｃｍ３であるペレットが製造された９４０℃〜１０９０℃の範囲の温度で焼結された９０％／１０％サンプルＺのＳＳ／ＣＫＤ混合物が好ましい。そのような骨材は、コンクリート中の軽量骨材としての用途を含む広範囲の用途で用いることができる。しかしながら、本実施例で使用されるサンプルＺのＳＳの場合、最初のＳＳがすでに組成中に酸化カルシウムなどの少量の融剤を含むことから、９５％／５％ＳＳ／ＣＫＤ混合物であっても、骨材製造用に選択することができる。ＳＳ／ＣＫＤ混合物からの骨材を本実施例で用いたものより低い温度で焼成する場合には、相対的に低い密度および相対的に高い吸水率を有する骨材を製造することができる。材料中における融剤の存在は、粒子の充填および緻密化をさらに高めることで、融剤を含まない材料からの焼成処理骨材に勝る特性を有する骨材を与えると考えられている。
【０１３２】
表Ｏには、３つの特定温度でのＳＳ／ＣＫＤの９０％／１０％混合物からの骨材のある種の物性および機械特性をまとめてある。
【表１５】
2008538347.tif 000018
【０１３３】
上記のように、焼成処理温度を制御することで、ＳＳおよびＣＫＤの所定の組み合わせについて、所定の密度および他の特徴を有する骨材の生産が可能となる。
【０１３４】
実施例５
本実施例では、下水汚泥（サンプルＺ）および石灰石を含む合成骨材を製造した。これらの実験で用いる石灰石の平均化学組成を、下記の表Ｐに示してある。
【０１３５】
ＳＳ（サンプルＺ）および石灰石粉末について、上記で説明し、図６に示したような加工を行った。ＳＳを１１０℃で２４時間乾燥させてから、固体ケーキを粉砕して微細粉末を得た。乾燥汚泥粉末に石灰石を加えてから、混合物をペレット化および焼成処理した。
【表１６】
2008538347.tif 000019
【０１３６】
１００％／０％、９５／５％および９０％／１０％および８０％／２０％（ＳＳ／石灰石）の特定の割合で、石灰石をＳＳ粉末に加えた。混合物の稠度がペレット化を可能なものとするまで、バッチミキサー中にて粉末を水と混合した（得られた混合物の総乾燥重量基準で３２％以下）。混合物を回転ドラムに送り、ドラム末端で回収したペレットを４ｍｍおよび９．５ｍｍの篩で篩い分けした。ペレットを石灰石でコーティングし、次に約１１０℃の乾燥機で終夜乾燥させた。得られた緑色ペレットを、ロータリーキルン中、９４０℃〜１１１０℃の温度で約１０〜約１２分間焼成処理した。
【０１３７】
結果
下記の表Ｑ〜Ｒには、上記の方法によって形成した骨材の物性および機械特性をまとめてある。骨材の相対乾燥密度、吸水率およびＡＳＭＩを、前記の実施例に記載の方法に従って求めた。
【０１３８】
下記の表Ｑには、異なる温度で焼結した異なる割合のＳＳおよび石灰石を含む焼結骨材についての試験結果をまとめてある。そのデータは、図１２のグラフにプロットしてある。表Ｒには、特定の骨材の物性結果および機械特性をまとめてある。混合物中の石灰石濃度が上昇すると、骨材が焼成処理される温度範囲が若干狭くなった。
【表１７】
2008538347.tif 000020
【０１３９】
混合物中の融剤の量が相対的に低いことで得られるより高い密度のために、高濃度の下水汚泥との混合物からの骨材の吸水率は相対的に低い。ＡＳＭＩは予想通り、密度と同様の傾向を示す。
【０１４０】
本実施例で用いられるサンプルＺより低い酸化カルシウム濃度を有するＳＳサンプルへの石灰石の添加は、本発明での場合より大きい効果を有することが予想される。焼結骨材の特性に対する温度および石灰石添加の効果に基づくと、通常重量または軽量骨材としての使用に関しては、密度が約１．６ｇ／ｃｍ３〜約２．４ｇ／ｃｍ３である骨材を与える、温度範囲９４０℃〜１１００℃で焼成処理された９０％／１０％ＳＳ／石灰石混合物が好ましい。しかしながら、本実施例で使用されるＳＳサンプルの場合、最初のＳＳがすでに組成中に融剤である酸化カルシウムを若干量有することから、９５％／５％ＳＳ／石灰石混合物であっても、骨材製造において好ましいものと考えられる。
【０１４１】
表Ｒには、３つの特定温度でのＳＳ／石灰石の９０％／１０％混合物からの骨材の一部の物性および機械特性をまとめてある。
【表１８】
2008538347.tif 000021
【０１４２】
実施例６
本実施例では、（サンプルＺ）およびＭＳＷ焼却炉フライアッシュ（「ＩＦＡ」）を含む合成骨材を製造した。これらの実験で使用される焼却炉フライアッシュの平均化学組成を下記の表Ｓに示してある。
【表１９】
2008538347.tif 000022
【０１４３】
ＳＳ（サンプルＺ）およびＩＦＡについて、上記で記載され、図６に示した加工を行った。ＳＳを１１０℃で２４時間乾燥させてから、固体ケーキを粉砕して微細粉末を得た。乾燥ＳＳ粉末にＩＦＡを加えてから、混合物をペレット化し、焼成処理した。
【０１４４】
１００％／０％、９５／５％、および９０％／１０％および８０％／２０％（ＳＳ／ＩＦＡ）という特定の割合で、ＩＦＡをＳＳ粉末に加えた。混合物の稠度がペレット化を行えるようになるまで、バッチミキサーにて、粉末を水と混合した（得られた混合物の総乾燥重量基準で３７％以下）。混合物を回転ドラムに送り、ペレットをドラム末端で回収し、４ｍｍおよび９．５ｍｍ篩で篩い分けした。ペレットをフライアッシュでコーティングし、約１１０℃の乾燥機で終夜乾燥させた。得られたペレットを、ロータリーキルン中にて９８０℃〜１１１０℃の温度で約１０〜約１２分間焼成処理した。
【０１４５】
結果
下記の表Ｔ〜Ｕに、上記の方法によって形成された骨材の物性および機械特性をまとめてある。そのデータを、図１３のグラフ上にプロットしている。混合物中のＩＦＡ濃度が上昇することで、ＳＳの化学組成および鉱物学が変わったために、サンプルの初期軟化、最大緻密化および溶融の間の温度間隔が若干狭くなった。
【表２０】
2008538347.tif 000023
【０１４６】
骨材の特性に対する温度およびＩＦＡ添加の効果に基づくと、密度が１．５ｇ／ｃｍ３〜２．４ｇ／ｃｍ３である骨材を製造する上では、８０％／２０％ＳＳ／ＩＦＡ混合物が好ましい。しかしながら、同じ焼成処理温度範囲での９０％／１０％ＳＳ／ＩＦＡ混合物も好ましい。
【０１４７】
表Ｕは、３つの特定温度でのＳＳ／ＩＦＡの８０％／２０％混合物からの骨材のある種の物性をまとめたものである。
【表２１】
2008538347.tif 000024
【０１４８】
実施例７
本実施例では、ＳＳ（サンプルＺ）および粉砕高炉スラグ（「ＧＢＦＳ」）を含む合成骨材を製造した。これらの実験で用いたＧＢＳの平均化学組成を、下記の表Ｖに示してある。
【表２２】
2008538347.tif 000025
【０１４９】
ＳＳ（サンプルＺ）およびＧＢＳについて、上記で記載し、図６に示した加工を行った。ＳＳを１１０℃で乾燥させてから、固体ケーキを粉砕して微細粉末とした。ＧＢＦＳを乾燥汚泥粉末に加えてから、混合物をペレット化し、焼成処理した。
【０１５０】
１００％／０％、９５／５％および９０％／１０％および８０％／２０％（ＳＳ／ＧＢＳ）という特定の割合で、ＧＢＳを汚泥粉末に加えた。混合物の稠度がペレット化を可能なものとするまで、バッチミキサー中にて粉末を水と混合した（得られた混合物の総乾燥重量基準で３５％以下）。混合物をペレット化し、そのペレットを４ｍｍおよび９．５ｍｍの篩で篩い分けした。ペレットをＧＢＳでコーティングし、次に約１１０℃の乾燥機で終夜乾燥させた。得られたペレットを、ロータリーキルン中、９７０℃〜１１１０℃の温度で約１０〜約１２分間焼成処理した。
【０１５１】
結果
下記の表Ｗ〜Ｘには、上記の方法によって形成した骨材の物性および機械特性をまとめてある。下記の表Ｗには、異なる温度で焼成した異なる割合のＳＳおよびＧＢＳを含む骨材についての試験結果をまとめてある。そのデータは、図１４のグラフにプロットしてある。下水汚泥混合物中のＧＢＳ濃度上昇に関して、ＣＫＤ、ＩＦＡおよび石灰石と同様の効果が認められた。
【表２３】
2008538347.tif 000026
【０１５２】
製造される骨材の特性に対する温度およびＧＢＳ添加の効果に基づくと、９８０℃〜１１１０℃で焼結されて密度が約１．５ｇ／ｃｍ３〜約２．４ｇ／ｃｍ３の骨材を与える８０％／２０％ＳＳ／ＧＢＳ混合物が好ましい。しかしながら、本実施例で用いられるＳＳサンプルＺの場合、最初のＳＳがすでに組成中に酸化カルシウムなどの融剤成分を少量有していることから、９０％／１０％ＳＳ／ＧＢＳ混合物であっても、骨材製造において有効となり得る。
【０１５３】
表Ｘには、８０％／２０％ＳＳ／ＧＢＳペレットからの骨材の一部の物性をまとめてある。
【表２４】
2008538347.tif 000027
【０１５４】
実施例８
本実施例では、低カルシウムケイ素アルミニウム材料である粉砕燃料灰およびロンドン粘土と、高カルシウムケイ素アルミニウム材料である粉砕高炉スラグ（「ＧＢＳ」）および石灰廃棄物との混合物から、合成骨材を製造した。ＧＢＳを粉砕した。廃棄物ガラスも、低カルシウムケイ素アルミニウム材料または高カルシウムケイ素アルミニウム材料のいずれかとして混合物中で用いた。廃棄物ガラスならびに粘土であるベントナイトおよびカオリンの平均組成は、それぞれ上記の実施例１および３に示したものである。ＰＦＡおよびＧＢＳの重要な構成成分を、下記の表Ｚ１に示してある。
【表２５】
2008538347.tif 000028
【０１５５】
これらの材料は微細な粒径分布を有していたことから、粉砕することなく互いに直接混合した。粘土低カルシウムケイ素アルミニウム材料を含まない混合物では、粘土は、混合物の総重量の乾燥重基準で１０％〜３０％の範囲の割合で可塑性結合材として加えた。表Ｚ２には、骨材製造で用いられる材料およびそれらの割合を示してあり、低カルシウムケイ素アルミニウム材料は材料１とし、高カルシウムケイ素アルミニウム材料は材料２としている。
【表２６】
2008538347.tif 000029
【０１５６】
これらの材料を上記の割合で混合し、上記実施例に記載の装置を用いて水を加えてペレット化した。次に、ペレットを約１１０℃の乾燥機で終夜乾燥させた。得られたペレットを、プロパンを燃料として用いる三つ葉クローバーのような形状を有する三葉形ロータリーキルン中、約１０００℃〜約１２５０℃の温度で約１５〜約２０分間にわたって焼成処理した。骨材を風冷した。
【０１５７】
その骨材は、キルンから取り出した時点で完全性を保持していた。それは、ほぼ球形もしくは若干角張った形状であり、混合物によっては色が異なった。例えば、多量のＧＢＳを含む骨材は白色様に見えたが、多量のＰＦＡを含む骨材は暗褐色であるように見えた。それらの骨材は、硬く平滑な表面を有しており、軽量であった。それらは、ランダムに破砕した時に、比較的硬い構造を有していた。
【０１５８】
本明細書に記載の実施形態は、本発明の実施の例示である。添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の精神および範囲から逸脱しない限りにおいて、これら実施例に対して変更を行うことが可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１５９】
【図１】下水汚泥（サンプルＸ）ならびに本発明の一実施形態による下水汚泥および花崗岩切断残留物の混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図２】下水汚泥および本発明の一実施形態による下水汚泥およびセメントキルンダストの混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図３】本発明の方法によって製造される凝集体の一例の模式的断面図である。
【図４】本発明の実施形態による焼結骨材の一例の模式的断面図である。
【図５】本発明の実施形態によるガラス化骨材の一例の模式的断面図である。
【図６】本発明の一実施形態による骨材製造方法の一例である。
【図７】本発明の実施形態による焼結骨材の一例の写真である。
【図８】本発明の別の実施形態による別の骨材製造方法の一例である。
【図９】ＩＢＡおよび本発明の一実施形態による下水汚泥および廃棄物ガラスの混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図１０】下水汚泥（サンプルＹ）および本発明の一実施形態による下水汚泥および花崗岩切断残留物の混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図１１】下水汚泥および本発明の一実施形態による下水汚泥およびベントナイトの混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図１２】下水汚泥および本発明の一実施形態による下水汚泥および石灰石の混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図１３】下水汚泥および本発明の一実施形態による下水汚泥および焼却炉フライアッシュの混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図１４】下水汚泥および本発明の一実施形態による下水汚泥および粉砕粒状高炉スラグの混合物についての焼成処理温度（℃）に対する密度（ｇ／ｃｍ３）のグラフである。
【図１】
2008538347.tif 000030
【図２】
2008538347.tif 000031
【図３】
2008538347.tif 000032
【図４】
2008538347.tif 000033
【図５】
2008538347.tif 000034
【図６】
2008538347.tif 000035
【図７】
2008538347.tif 000036
【図８】
2008538347.tif 000037
【図９】
2008538347.tif 000038
【図１０】
2008538347.tif 000039
【図１１】
2008538347.tif 000040
【図１２】
2008538347.tif 000041
【図１３】
2008538347.tif 000042
【図１４】
2008538347.tif 000043
【国際調査報告】
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