(57)【要約】【課題】セメントをあまり使わないで、充分な強度を得られることができるブロックの製造方法を提供する。【解決手段】ブロックの製造方法は、少なくともセメント、水、及びセメント以外の粉体を含む原料を混合する工程と、混合された混合原料を、型に充填する工程と、前記混合原料が充填された前記型を振動テーブルに叩きつけることにより発生する加速度の変化を利用して、前記混合原料を圧縮成型する工程とを備える。少ない水分含有量で圧縮成型することができるので、セメント量が少なくてもブロックの充分な強度が得られる。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともセメント、水、及びセメント以外の粉体を含む原料を混合する工程と、
混合された混合原料を、型に充填する工程と、
前記混合原料が充填された前記型を振動テーブルに叩きつけることにより発生する加速度の変化を利用して、前記混合原料を圧縮成型する工程と、
を備えるブロックの製造方法。
【請求項２】
前記ブロックの製造方法はさらに、
圧縮成型した成型体から前記型を取り外す工程と、
前記成型体の強度を高めるために前記成型体を養生する工程と、
を備える請求項１に記載のブロックの製造方法。
【請求項３】
前記粉体は、焼却灰、石炭灰、又は火山灰であることを特徴とする請求項１又は２に記載のブロックの製造方法。
【請求項４】
前記原料には、スラグが含まれることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のブロックの製造方法。
【請求項５】
前記原料には、前記ブロックに色をつけるための着色物質が含まれることを特徴とする請求項３又は４に記載のブロックの製造方法。
【請求項６】
（ａ）少なくともセメント、水、及びセメント以外の粉体を含む原料を混合するミキサーと、
（ｂ）混合された混合原料が充填され、上型及び下型を有する型と、
（ｃ）前記上型に連結されるピストンロッドを有し、前記上型を垂直方向に往復運動させるシリンダと、前記下型が載せられ、偏心している錘が回転することによって垂直方向に振動する振動テーブルとを備え、前記型を前記振動テーブルに叩きつけることにより発生する加速度の変化を利用して、前記混合原料を圧縮する振動衝撃圧縮機と、
を具備することを特徴とするブロックの製造システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体を硬化させてブロックを製造する方法に関し、特に石炭火力発電所から排出される石炭灰、焼却炉から排出される焼却灰、火山灰等を硬化させてブロックを製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
全国の石炭火力発電所より排出される石炭灰の量は年間７００万トンと言われており、そのうち６０％程度が有効利用され、残りが埋め立てなどに用いられている。今後、新たな石炭火力発電所の運転開始が計画されており、全国的に石炭灰の排出量が増加する傾向にある。
【０００３】
石炭灰は、２種類の灰に分けられる。一つはボイラーの中で燃焼し、ガス流によりボイラーを通り抜けて煙突側で回収されるフライアッシュで、もう一つはボイラーの中で燃焼し、燃焼段階で融けてボイラーの底部から回収されるボトムアッシュである。
【０００４】
排出されるフライアッシュの４０％強は、セメントへの添加物などとして有効利用されているが、近年、景気の低迷からセメントの消費量が減少しているのに加え、海外からの輸入も増加しており、国内でのセメントの生産量が減少している。そのためセメント添加物としての石炭灰使用量の増加は見込めない。港湾の埋め立てとか土地造成に利用される石炭灰もあるが、石炭灰の３０〜４０％は産業廃棄物として埋め立て処理されているのが現状である。
【０００５】
このような処理の問題は、石炭火力発電所から排出される石炭灰のみならず、焼却炉から排出される焼却灰、火山灰にも共通している。
【０００６】
石炭灰を有効利用する方法として、石炭灰からコンクリートブロックを製造するコンクリートブロックの製造方法（特開２０００−２４７７１９公報）が知られている。このコンクリートブロックの製造方法では、セメント、石炭灰、硬化促進剤、骨材、水を含む原料を混合し、混合原料を型枠に充填した後、型枠を振動させる。型枠を振動させると、流体状の混合原料がプリンのように硬化するので、一日〜二日で型枠を取り外すことができる。脱枠後、養生期間を経ると、所定の強度を有するコンクリートブロックが得られる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このコンクリートブロックの製造方法では、細かく且つ軽い石炭灰から所定の強度のコンクリートブロックを得ようとすると、水で練ることで凝結・固化するセメントが多量に（具体的にはセメントの配合比が２０質量％以程度）必要になる。セメントの量が多くなると、その分、石炭灰の処理量が低減し、またコンクリートブロック製品のコストが上昇する。
【０００８】
そこで本発明は、セメントをあまり使わないで、充分な強度を得られることができるブロックの製造方法及び製造システム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】
上記課題を解決するために本発明者は、セメント、水、粉体を含む原料を混合し、混合原料が充填された型に衝撃荷重を加えることにより発生する加速度の変化を利用して、混合原料を圧縮成型した。
【００１０】
すなわち本発明は、少なくともセメント（１）、水、及びセメント（１）以外の粉体（２）を含む原料を混合する工程と、混合された混合原料（１４）を、型（４）に充填する工程と、前記混合原料（１４）が充填された前記型（４）を振動テーブル（９）に叩きつけることにより発生する加速度の変化を利用して、前記混合原料（１４）を圧縮成型する工程と、を備えるブロックの製造方法により、上述した課題を解決する。
【００１１】
詳しくは後述するが、衝撃荷重を加えることにより発生する加速度の変化を利用すると、混合原料全体を均一に圧縮成型することができる。このような圧縮成型方法を採ると、水分含有量が少なくても混合原料を成型することができる。コンクリート製品の場合、圧縮成型時の水分含有量が少ないほど、同じセメント量でも強度がでる一方、水分含有量が多いほど、同じセメント量でも強度がでにくいといわれている。本発明によれば、少ない水分含有量で圧縮成型することができるので、セメント量が少なくてもブロックの充分な強度が得られる。
【００１２】
また本発明によれば、混合原料を瞬時に圧縮成型できるので、例えば高炉スラグのような密度の高い原料を混合しても、密度の高い原料が沈降して不均一になることがない。
【００１３】
本発明のブロックの製造方法はさらに、圧縮成型した成型体（１７）から前記型（４）を取り外す工程と、前記成型体（１７）の強度を高めるために前記成型体（１７）を養生する工程と、を備えてもよい。
【００１４】
通常のコンクリート製品では、どろどろの混合原料を型枠に充填した後、型枠を外すまでに一日〜二日おいてやる必要もあるが、本発明によれば、圧縮成型した混合原料中の水分含有量を少なくすることができるので、成型した直後に型を取り外すことができる。そして、取り外した型をローテーションすることで、少ない型でブロックを量産することもできる。
【００１５】
本発明のブロックの製造方法は、粉体として焼却灰、石炭灰、又は火山灰を用いるのが望ましい。焼却灰には、ごみを焼却することによってあとに残る焼却灰の他、ペーパースラッジ焼却灰（抄紙するときにでる繊維を焼却したときに残る灰）も含まれる。
【００１６】
この発明によれば、ふわふわしている灰を減容化且つ安定化することができる。またセメントの量を調整することで、このような灰をもコンクリート製品として有効利用することができる。実験結果によれば、粉体として焼却灰、石炭灰、又は火山灰を使用しても、セメント・水・砂・砂利を練り混ぜて固まらせた従来のコンクリート製品と同等以上の強度が得られた。
【００１７】
原料には、骨材としてスラグ（２４）が含まれてもよい。スラグには、金属の精錬又は精製のさい、不純物と溶剤の反応によって生ずる非金属生成物の他、ガス化溶融炉で焼却灰を溶融させて生成されたスラグも含まれる。
【００１８】
原料にスラグを混合させると、強度をさらに向上させることができると共に、廃棄物を有効利用することができる。
【００１９】
また、原料には、ブロックに色をつけるための着色物質も含まれても良い。粉体として焼却灰、石炭灰、又は火山灰を用いたブロックは、例えば大谷石（火山灰などでできた、やわらかい岩石）に近い外観を有する。着色物質を入れると、例えばより大谷石に近い外観になる。
【００２０】
また、本発明は、（ａ）少なくともセメント（１）、水、及びセメント（１）以外の粉体（２）を含む原料を混合するミキサー（３）と、（ｂ）混合された混合原料（１４）が充填され、上型（７）及び下型（６）を有する型（４）と、（ｃ）前記上型（７）に連結されるピストンロッド（１６）を有し、前記上型（７）を垂直方向に往復運動させるシリンダ（１０）と、前記下型（６）が載せられ、偏心している錘（１３，１３）が回転することによって垂直方向に振動する振動テーブル（９）とを備え、前記型（４）を前記振動テーブル（９）に叩きつけることにより発生する加速度の変化を利用して、前記混合原料（１４）を圧縮する振動衝撃圧縮機（８）と、を具備することを特徴とするブロックの製造システムとしても構成することができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
図１は本発明の一実施形態におけるブロックの製造方法の特徴的な製造工程図を示す。まず、原料としてセメント１、水、石炭灰２をミキサー３に投入し、ミキサー３でこれらの原料を混合する。ミキサー３の種類は特に限定されるものではなく、コンクリート製品を製造するための一般的なものが用いられる。
【００２２】
ミキサー３で混合された混合原料は金型４に充填される。図２にも示すように、金型４は、矩形状の枠５と、枠５の下部に設けられる板状の下型６と、枠の上部に設けられる板状の上型７とから構成される。上型７及び下型６は、枠５内にぴたっと嵌め込まれているが、枠５には固定されておらず、枠５に対して上下方向にスライドできるようになっている。枠５及び下型６を組み合わせた状態の金型４に混合原料１４を充填し、その後混合原料１４に上型７を被せる。
【００２３】
混合原料１４が充填された金型４は、振動衝撃圧縮機８に据え付けられる。この振動衝撃圧縮機８は、金型４を振動テーブル９に叩きつけることにより発生する加速度の急激な変化を利用して、混合原料１４を圧縮成型する。
【００２４】
図３は、振動衝撃圧縮機８を示す。この振動衝撃圧縮機８は、垂直方向に振動する振動テーブル９と、振動テーブル９と相対して設けられたシリンダ１０とを協働させて混合原料を圧縮する。振動テーブル９は基礎フレーム１１に複数のエアクッション１２・・・を介して垂直方向に振動可能に支持されている。エアクッション１２・・・内にはコンプレッサによって所定の空気圧が加えられ、該空気圧を調整することで振動テーブル９の振幅と振動数が調整できるようになっている。
【００２５】
振動テーブル９の下面には、偏心している２組の錘１３，１３（図２参照）が取り付けられる。この錘１３，１３は振動テーブル９に取り付けられた互いに逆方向に回転するモータ１５，１５によって回転駆動される。モータ１５，１５が互いに反対方向に回転するので、水平方向の力が相殺されて、振動テーブル９には垂直方向の正弦波状の振動のみが発生する。なお、モータ１５，１５は振動テーブルに取り付けられずに、機器本体の外に置かれてもよい。この場合モータ１５，１５の駆動力は、自在継手、チェーン等の伝達装置を介して錘１３，１３に伝動される。
【００２６】
基礎フレーム１１の上部には、上型７を垂直方向に往復運動させるシリンダ１０が設けられる。シリンダ１０はその内部に可動できるピストンロッド１６を有し、このピストンロッド１６の下端が上型７に連結されている。シリンダ１０内をピストンロッド１６が移動することにより、上型７が往復運動する。
【００２７】
この振動衝撃圧縮機を使用する場合、金型４を振動テーブル９の上に固定しないで、すなわち、金型４と振動テーブル９とを縁をきった状態で載せ、金型４の上型７をシリンダ１０のピストンロッド１６に連結する。そして、シリンダ１０内にコンプレッサ等で空気圧を加え、ピストンロッド１６を下降させ、金型４に上方向から圧力を加える。なお、金型４内の混合原料１４は、あくまで金型４を振動テーブル９に叩きつけることにより発生する加速度の変化を利用して圧縮成型されるので、ピストンロッド１６が混合原料に加える圧力はあまり大きくされない。
【００２８】
図２は圧縮成型の原理を示す。モータ１５，１５を回転させると、モータ１５，１５の回転に伴って振動テーブル９が振動する。比較的低速度でモータ１５，１５を回転させた場合は、振動テーブル９の振動にともない金型４も振動する（図中▲１▼の状態）が、高速度でモータ１５，１５を回転させた場合は、振動テーブル９の振動に金型４がついていけなくなり、振動テーブル９と金型４との動きにずれが生じる（図中▲２▼の状態）。ピストンロッド１６で押されている金型４が振動するのは、シリンダ１０に加えられた空気圧が復元力として働くからである。
【００２９】
振動テーブル９の振動に伴ない、ピストンロッド１６で押されている金型４も振動を開始するが、金型４の振動がテーブル９の振動に追随できなくなり、何回かに１回お互いに離れる方向に運動して、次の瞬間お互いに衝突するという動作、すなわち金型４が振動テーブル９に叩きつけられるという動作が起こる（図中▲３▼の状態）。この叩きつけの動作は何回か繰り返される。叩きつけの動作により、急激な加速度の変化（例えば数千Ｇの加速度の変化）が発生して、混合原料１４が圧縮される。
【００３０】
図４は、一軸圧縮機（油圧等で金型に圧縮力を加える機械）と振動衝撃圧縮機との圧縮原理の相違を示す模式図である。一軸圧縮機で上から圧縮力を加えると、圧縮力が粒体同士で伝わるが、圧縮力がアーチ型に伝わり、結局は金型の壁面を押す力になる（所謂ブリッジング現象）。このため、下の方の粒体には圧縮力が伝わらず、上方の粒体は圧縮されるが、下の方の粒体は圧縮されない、すかすかな状態になる。
【００３１】
一方、振動衝撃圧縮機では、叩きつけることによりすべての粉に均一に下方向の急激な加速度が働き、これによりブリッジング現象も生じることなく均一に圧縮される。加速度はちょうど走っている車が急に壁にぶつかった時に、車に乗っている人に働く負の加速度である。加速度の変化を利用して圧縮すると、上方の粉体も下方の粉体も万遍なく粒体同士の距離がつめられる。
【００３２】
なお、振動装置と一軸圧縮機とを組み合わせた振動圧縮機が知られているが、これらの振動圧縮機では、振動はあくまでブリッジング現象を防止するために加えられており、圧縮力はあくまで一軸圧縮機から加えられる。これらの振動圧縮機では、叩きつけの動作は起こしておらず、加速度の急激な変化は生じていない。
【００３３】
図１に示すように、混合原料１４を圧縮成型した直後に金型４を取り外す。このとき、圧縮成型した成型体１７は型くずれしないが、強度はでていない。このため、一般のコンクリート製品と同様にセメント固化する（具体的には、セメント中のＣａＯが水和反応を起こして針状結晶をつくる）ための養生期間が必要になる。例えば８０℃の飽和蒸気中で成型体１７の乾燥を防ぎつつ温度をかけると、セメント固化が例えば１日で行なわれるようになる。
【００３４】
本実施形態のような圧縮成型方法を採ると、厚みが厚いブロックでも、例えば１〜２ｔｏｎの大きなブロックでも非常に短い時間で、例えば１０秒以内で圧縮成型できる。また水分含有量が少なくても、例えば１０質量％ぐらいのぱさぱさの混合原料１４であっても成型体１７にすることができ、圧縮成型した直後に金型４を取り外すことができる。少ない水分含有量で成型体１７を成型することができることは極めて重要であり、これによりセメント量が少なくても、例えば５〜１０質量％程度の使用量でも、ブロックの充分な強度が得られるようになる。この理由の一つとして、水分含有量が少ないほど、粉体同士の距離が短くなることが考えられる。さらに圧縮成型により、石炭灰の嵩密度が例えば０．８〜０．９ｇ／ｍｌから１．５ｇ／ｍｌになるので、石炭灰の容積を２／３以下に減容できる。
【００３５】
図５は、本発明の一実施形態におけるブロックの製造方法全体のより具体的な製造工程図を示す。
【００３６】
まず、フライアッシュ２１、ボトムアッシュ２２、セメント２３、スラグ２４のそれぞれをホッパに溜め、ホッパからベルトコンベヤ２５上に所定量切り出す。またスラグ２４を骨材として加えると、一般のコンクリート製品以上の強度を得ることができる。スラグ２４には、金属の精錬又は精製のさい、不純物と溶剤の反応によって生ずる非金属生成物の他、ガス化溶融炉で焼却灰を溶融させることにより生成された物も含まれる。
【００３７】
なお、フライアッシュ２１、ボトムアッシュ２２の代わりに、焼却灰、火山灰を用いてもよく、またブロックに色をつけるための着色物質を混合してもよい。焼却灰には、ごみを焼却することによってあとに残る焼却灰の他、ペーパースラッジ（抄紙するときにでる繊維を焼却した残りの灰）も含まれる。焼却灰には有害物質が入っているおそれがあるので、安定化剤を混合してブロックから有害物質が溶出するのを防止するのが望ましい。
【００３８】
次に、切り出された原料をベルトコンベヤ２５でミキサー３まで搬送し、ミキサー３内で水とともに混合する。混合された原料は、一旦充填装置２６に溜められた後、金型４に充填される。
【００３９】
次に、混合原料を振動衝撃圧縮機８により圧縮成型し、成型体１７にする。圧縮成型した直後に成型体１７から金型４を取り外し、成型体１７を蒸気発生装置２７に入れる。所定の強度になったブロックは蒸気発生装置２７から搬出される。
【００４０】
ブロックの処分・活用方法の具体例について説明する。大型の方形ブロックは、陸の処分場の埋立てや海の埋立て事業に活用される。振動衝撃圧縮機によって灰を減容化することができるので、処分場の延命や処理コストを削減することができる。この場合、あまり強度がいらないので、ブロック化する灰の量を多くするためにも少量のセメントのみが用いられることもある。また埋立ての他にも、漁礁、波消ブロック等として漁業に活用することもできる。
【００４１】
またブロックの形態が、Ｕ字溝や敷石等の成型品の場合、土木、建築市場で製品として販売することができる。
【００４２】
さらに成型したブロックを破砕することで、下層路盤材等の砕石として活用することができる。
【００４３】
【実施例】
フライアッシュ、ボトムアッシュ、セメント、粘度、水を以下の表１の▲１▼〜▲５▼に示す混合率で混合し、ブロックを製造した。そして、各▲１▼〜▲５▼のブロックの密度、強度、吸水率を調べた。
【００４４】
【表１】
2004001395.tif 000003
【００４５】
一般のコンクリート製品は圧縮強度が２５０ｋｇ／ｃｍ２程度である。▲１▼の欄に記載のように、本実施形態の製造方法で製造されたブロックは、５％のセメント量で圧縮強度が２８９ｋｇ／ｃｍ２となっており、一般のコンクリート製品と同等程度以上の強度がでるのがわかる。またフライアッシュの量を減らし、ボトムアッシュの量を増やすほど、圧縮強度も上がることがわかる。
【００４６】
石炭灰ブロックからの重金属等の溶出を測定したところ、「特定管理産廃廃棄物の埋立処分に係る判定基準」、「土壌の汚染に係る環境基準」いずれをも問題なくクリアできた。
【００４７】
また本発明者は、石炭灰ブロックの嵩密度と圧縮強度との関係を調べた。その結果を図６に示す。炭種や成分配合が異なっても、嵩密度と圧縮強度は比例関係にあることが確認された。
【００４８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、少なくともセメント、水、及びセメント以外の粉体を含む原料を混合する工程と、混合された混合原料を、型に充填する工程と、前記混合原料が充填された前記型を振動テーブルに叩きつけることにより発生する加速度の変化を利用して、前記混合原料を圧縮成型する工程とを備えるので、少ない水分含有量で圧縮成型することができ、セメント量が少なくてもブロックの充分な強度が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態におけるブロックの製造方法の特徴的な製造工程図。
【図２】圧縮成型の原理を示す図。
【図３】振動衝撃圧縮機を示す正面図。
【図４】一軸圧縮機（油圧等で金型に圧縮力を加える機械）と振動衝撃圧縮機との圧縮原理の相違を示す模式図。
【図５】本発明の一実施形態におけるブロックの製造方法全体のより具体的な製造工程図。
【図６】石炭灰ブロックの嵩密度と圧縮強度との関係を示すグラフ。
【符号の説明】
１，２３・・・セメント
２・・・石炭灰
３・・・ミキサー
４・・・金型
６・・・下型
７・・・上型
８・・・振動衝撃圧縮機
９・・・振動テーブル
１０・・・シリンダ
１３，１３・・・錘
１４・・・混合原料
１６・・・ピストンロッド
１７・・・成型体
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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