(57)【要約】【課題】比較的低温で焼結反応を促進させ、また安定した化学成分上連続性のある鉱物を生成させることで高強度を発現し、且つ絶乾密度を抑制した高品質な人工骨材を製造できる方法を提供すること。【解決手段】石炭灰に水硬性材料、及びＭｇＯを含有する鉱物質材料を添加・混合し、該混合物に加水して造粒或いは成形した後、該成形物を焼成する人工骨材の製造方法とした。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭灰に水硬性材料、及びＭｇＯを含有する鉱物質材料を添加・混合し、該混合物に加水して造粒或いは成形した後、該成形物を焼成することを特徴とする、人工骨材の製造方法。
【請求項２】
上記石炭灰に更に粘結材を添加・混合することを特徴とする、請求項１記載の人工骨材の製造方法。
【請求項３】
石炭灰を主原料とする成形物を焼成することにより製造された人工骨材において、該人工骨材中にＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２（アノーサイト）を構成するＣａＯの一部がＭｇＯで置換された固溶体、ＭｇＯ・ＳｉＯ２（エンスタタイト）、２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（フォルステライト）、或いはＭｇＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系鉱物の少なくとも１種以上が含有されていることを特徴とする、人工骨材。
【請求項４】
絶乾密度が１．５〜２．０ｇ／ｃｍ３、２４時間吸水率が２％以下、圧壊強度が１．５ｋＮ以上であることを特徴とする、請求項３記載の人工骨材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電所や石炭焚きボイラー等から排出される石炭灰を主原料とした、高強度で低吸水性を示す人工骨材の製造方法及び該方法により得られる人工骨材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年の電力需要の増大に伴い、火力発電所等から排出される石炭灰は、年々増大傾向にある。これに伴って、石炭灰の有効利用に関わる技術開発が、様々な分野で取り組まれている。
【０００３】
例えば、石炭灰に種々の副原料を加えて、これを焼成して緻密化し、コンクリート用などの骨材として利用する試みも数多くなされている。
【０００４】
しかし、炭種やボイラの形式・構造等によって発生する石炭灰の化学成分は大きく異なるため、性状の均一な骨材を安定的に得るためには、含有成分を随時確認し、その成分調整を行ったり、該成分に応じて製造条件、特に焼成条件を設定し直す必要がある場合があった。また、石炭灰に含まれる未燃カーボンが、骨材組織の緻密化を阻害し、高強度の骨材が得られない場合もあった。更には、焼成の際には、１０００℃以上、特に天然砕石並みの強度と吸水特性を確保するには、１２００℃以上の高温で焼成する必要があり、この際の焼成エネルギーが、製造コストを高騰させていた。
上記のようなことから、石炭灰を主原料とした焼成型の人工骨材は、まだまだ一般的に普及していないのが現状である。
【０００５】
こうしたことから、特開２００１−１６３６４６では、ＳｉＯ２−ＣａＯ−ＦｅＯの３元系人工マトリックス、或いはＳｉＯ２−ＣａＯ−ＦｅＯ−ＭｇＯの４元系人工マトリックスで石炭灰粒子を包蔵する低温焼成型人工骨材の製造方法が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００１−１６３６４６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この特開２００１−１６３６４６に開示された方法によれば、確かに焼成温度は低温側にシフトさせることができるが、鉄成分を必須成分として加えることから、骨材の絶乾密度は高くなる傾向にあり、昨今の高強度軽量コンクリートには適用が困難であると言う欠点があった。また、石炭灰粒子を核に、その周辺に化学成分上異なった組成の結晶質マトリックスを形成させるものであるため、組織の不均質性から耐熱性において不安が残るものであった。更に、こうしたマトリックスを形成させるため、焼成過程では雰囲気コントロールが必要であり、また、特有のマトリックスを形成させるために原料系を複雑にする必要もあることから、製造コストの上昇を懸念させるものであった。
【０００８】
そこで、本発明は、石炭灰に入手が容易で低価格な添加材を少量添加することにより、比較的低温で焼結反応を促進させ、また安定した化学成分上連続性のある鉱物を生成させることで高強度を発現し、且つ絶乾密度を抑制した高品質な人工骨材を製造できる方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記した目的を達成すべく鋭意研究を重ねた結果、石炭灰に水硬性材料、及びＭｇＯを含有する鉱物質材料を添加・混合することにより、上記した目的を達成できることを見出し、本発明を完成させた。
【００１０】
即ち、本発明は、石炭灰に水硬性材料、及びＭｇＯを含有する鉱物質材料を添加・混合し、該混合物に加水して造粒或いは成形した後、該成形物を焼成する人工骨材の製造方法とした。
【００１１】
また、本発明は、上記石炭灰に更に粘結材を添加・混合する上記人工骨材の製造方法とした。
【００１２】
更に、本発明は、石炭灰を主原料とする成形物を焼成することにより製造された人工骨材において、該人工骨材中にＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２（アノーサイト）を構成するＣａＯの一部がＭｇＯで置換された固溶体、ＭｇＯ・ＳｉＯ２（エンスタタイト）、２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（フォルステライト）、或いはＭｇＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系鉱物の少なくとも１種以上が含有されている人工骨材とした。
【００１３】
また、本発明は、絶乾密度が１．５〜２．０ｇ／ｃｍ３、２４時間吸水率が２％以下、圧壊強度が１．５ｋＮ以上である上記人工骨材とした。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、上記した本発明に係る人工骨材の製造方法、及び該方法により得られる人工骨材を詳細に説明する。
先ず、上記した本発明において原料として使用する石炭灰は、ＪＩＳで規定されるフライアッシュは勿論、火力発電所や石炭焚きボイラー等から排出される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。この石炭灰の粒度は、特にはこだわらず、いわゆる原粉のままでも使用できる。
【００１５】
また、本発明において使用する上記水硬性材料としては、各種セメント、各種石膏、珪酸ソーダなどの無機質バインダー、更にはメチルセルロースなどの水溶性高分子材料などが挙げられる。これらの水硬性材料は、造粒或いは成形した後の成形物の強度増進、ひいては焼成した後の焼成物の品質向上に繋がる。即ち、成形物中に水硬性材料の水和生成物による網目状の緻密化構造が形成させ、その強度を高めることで、焼成工程での破砕及びスリヘリなどを抑制し、連続した安定運転を実現させると共に、その緻密化構造が焼成工程での更なる焼結反応と相互作用し、焼成物の高強度化、及び低吸水率化を可能とする。これらの水硬性材料の混合割合は、５〜１５重量％が適当である。
【００１６】
更に、本発明において使用する上記粘結材としては、カオリンやベントナイトなどの粘土質無機物質、パルプ製造時に廃液中に含まれるリグニンなどが挙げられる。これらの粘結材は、原料の造粒時或いは成形時に成形補助材となるものであり、必要に応じて添加される。その添加割合は、３重量％以下が適当である。
【００１７】
また、本発明において使用する上記ＭｇＯを含有する鉱物質材料としては、マグネシア、スピネル、ドロマイト、フェロニッケルスラグなどが挙げられ、その混合割合は、混合原料中のＭｇＯ換算で３〜２０重量％が適当である。このＭｇＯを含有する鉱物質材料には、石炭灰の融点降下作用、及び骨材自体の組織に連続性を持たせる作用が期待でき、上記混合割合の場合の融点降下は、２０〜２００℃程度期待でき、通常、石炭灰の融点は１２００〜１３００℃程度であるため、焼成温度を１０００〜１１００℃程度とすることも可能となり、焼成エネルギーの低減が期待できる。
【００１８】
上記ＭｇＯを含有する鉱物質材料中のＭｇＯは、石炭灰の焼成により先ず生成されるＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２（アノーサイト）中のＣａＯと部分的に固溶することで構造的欠陥を石炭灰に生じさせ、融点降下に寄与する。また、ＭｇＯは、上記したようにＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２（アノーサイト）に固溶するか、又はＭｇＯ・ＳｉＯ２（エンスタタイト）、２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（フォルステライト）、或いはＭｇＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系鉱物を骨材中に生成し、骨材自体の組織に連続性を与え、骨材の高品質化に寄与する。
【００１９】
上記した各原料を混合し、該混合物に加水して造粒或いは成形した後、該成形物を養生し、焼成することによって人工骨材を製造する。
この人工骨材の製造工程は、特には限定されるものではなく、各種原料を混合する際は、既存の混合機、例えば各種ミキサーによる混合、圧縮空気を送り込んで粉体を攪拌させるフラッシュブレンダーによる混合などで行えば良い。また、この混合原料に加水して得られた混練物の造粒或いは成形に際しても、公知の成形方法を利用でき、例えばパン型ペレタイザーなどを用いた転動造粒や、押出し成形、加圧成形などで行えば良い。更に、養生方法も特に制限されるものではないが、水硬性材料を含有していることから加温されることは望ましい。また、焼成については、大量生産が可能なロータリーキルンなどの回転窯を使用し、１０００〜１３００℃で焼成することが望ましい。
【００２０】
上述したように製造された人工骨材は、該人工骨材中にＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・２ＳｉＯ２（アノーサイト）を構成するＣａＯの一部がＭｇＯで置換された固溶体、ＭｇＯ・ＳｉＯ２（エンスタタイト）、２ＭｇＯ・ＳｉＯ２（フォルステライト）、或いはＭｇＯ−ＳｉＯ２−Ａｌ２Ｏ３系鉱物の少なくとも１種以上を含有した人工骨材となる。
また、該人工骨材は、絶乾密度が１．５〜２．０ｇ／ｃｍ３、２４時間吸水率が２％以下、圧壊強度が１．５ｋＮ以上となり、天然骨材と遜色のない品質の骨材となる。
【００２１】
【実施例】
次に、上記した本発明に係る人工骨材の製造方法の実施例を、比較例と共に記載するが、本発明は、何ら下記の実施例に限定されるものではない。
【００２２】
火力発電所より排出された石炭灰（表１にその性状を示す。）を主原料に、水硬性材料として普通ポルトランドセメント（太平洋セメント株式会社製）を、ＭｇＯを含有する鉱物質材料としてフェロニッケルスラグ（表２にその性状を示す。）を、粘結材としてベントナイト（豊順鉱業株式会社製：商品名「榛名」）を、各々表３に示した混合割合（フェロニッケルスラグに関してはＭｇＯ換算）で各々混合し、該混合物に加水して混練物とした後、該混練物をパン型ペレタイザーを用いて粒径５〜２０ｍｍに造粒した。
得られた造粒物を養生後、直径５０ｃｍ、長さ７００ｃｍの小型ロータリーキルンに投入し、表４に示した焼成温度で各々６０分間焼成し、人工骨材を製造した。
【００２３】
また、比較のために、上記水硬性材料である普通ポルトランドセメントを添加せず、上記粘結材であるベントナイトのみを表３に併記した混合割合で添加し、且つ上記ＭｇＯを含有する鉱物質材料であるフェロニッケルスラグを添加せず、代わりに成分調整のために炭酸カルシウム（太平洋セメント株式会社製）を表３に併記した混合割合で添加した混合物を各々作成し、該混合物を上記実施例と同様に造粒し、同様の小型ロータリーキルンを用いて表４に併記した焼成温度で各々６０分間焼成し、人工骨材を製造した。
【００２４】
得られた各造粒物の物性を表３に併記する。また得られた各焼成物（人工骨材）の物性を表４に併記する。
なお、造粒物の圧壊強度（単位：Ｎ）は、常温で６時間養生後、粒径１０〜１５ｍｍの造粒物に対して、ＪＩＳ  Ｚ  ８８４１「造粒物の強度試験方法」に準拠して測定した。また、造粒物のスリヘリ強度（単位：％）は、常温で６時間養生後に更に６００℃にて１時間加熱した造粒物に対して、ＪＩＳ  Ｚ  ８８４１「造粒物の強度試験方法」に準拠して測定した。
また、焼成物の絶乾密度（単位：ｇ／ｃｍ３）及び吸水率（単位：％）は、ＪＩＳ  Ａ  １１３５「構造用軽量粗骨材の密度及び吸水率試験方法」に準拠して測定した。また、焼成物の圧壊強度（単位：ｋＮ）は、粒径１０〜１５ｍｍの焼成物に対して、ＪＩＳ  Ｚ  ８８４１「造粒物の強度試験方法」に準拠して測定した。更に、焼成物の結晶相は、Ｘ線回折により生成鉱物を同定した。
【００２５】
【表１】
2004262688.tif 000002
【００２６】
【表２】
2004262688.tif 000003
【００２７】
【表３】
2004262688.tif 000004
【００２８】
【表４】
2004262688.tif 000005
【００２９】
上記実施例から、石炭灰に水硬性材料、及びＭｇＯを含有する鉱物質材料を適当量添加・混合することにより、比較的低温で焼結反応を促進させ、また安定した化学成分上連続性のある鉱物を生成させることで高強度を発現し、且つ絶乾密度を抑制した高品質な人工骨材を製造できることが判明した。
【００３０】
【発明の効果】
上記に詳述した本発明によれば、火力発電所等からの廃棄物である石炭灰を主原料とし、比較的低温の焼成で天然砕石並みの強度と吸水特性を有する人工骨材を製造でき、枯渇化が進む天然骨材の代替品としてその使用が大いに期待できると共に、石炭灰の再資源化に貢献することができ、環境保全の観点からも絶大な効果を発揮する。