(57)【要約】【課題】都市ゴミ灰を原料とし、重金属の溶出量が少なく、通常のセメントに類似した使用が可能である環境調和型水硬性組成物を提供する。【解決手段】都市ゴミ灰２５〜４０％、塩素量２〜２０％、アルカリ成分含有量３％以下、およびＣａＯ比〔ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）比〕１．７〜２．１に調整した調合原料を用い、これを１２００〜１４００℃で焼成することによって、少なくとも高塩基性カルシウムクロロシリケート３０〜８０％、またはカルシウムクロロアルミネート５〜５０％を含有することを特徴とする環境調和型水硬性組成物。【選択図】　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
都市ゴミ灰２５〜５０％、塩素量２〜２０％、アルカリ成分含有量３％以下、およびＣａＯ比〔ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）比〕１．７〜２．１に調整した調合原料を用い、これを１２００〜１４００℃で焼成することによって、少なくとも高塩基性カルシウムクロロシリケート３０〜８０％、またはカルシウムクロロアルミネート５〜５０％を含有することを特徴とする環境調和型水硬性組成物。
【請求項２】
請求項１の焼結物に、凝結調整材として石膏をＡｌ２Ｏ３／ＳＯ３モル比０．３〜１．５の範囲内で添加し、これをブレーン比表面積２０００ｃｍ２／ｇ以上に粉砕してなる環境調和型水硬性組成物。
【請求項３】
酸化鉄成分量を２〜１０％とし、粉末度を８８μｍ残分で２０％以下にした調合原料からなる請求項１または２の環境調和型水硬性組成物。
【請求項４】
上記塩素量、上記酸化鉄含有量、上記アルカリ含有量、およびＣａＯ比が上記範囲内になるように、都市ゴミ灰に加えて貝殻、下水汚泥乾粉、石灰質原料、粘土質原料、珪酸質原料、鉄原料、および塩素含有原料の少なくとも一つを加えた調合原料を用いた請求項１、２または３の水硬性組成物。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【技術分野】
本発明は生活廃棄物で、主として投棄処分される都市ゴミを再資源化することを特徴する環境調和型水硬性組成物に関する。
【０００２】
【背景技術】
人間社会が高度に進展するにともない、環境保全は大きな社会問題であり、都市ゴミ灰をはじめとした一般廃棄物、その他の産業廃棄物の著しい増加によりその処理が大きな社会問題となっている。これらの産業廃棄物の有効利用、再資源化は各方面で進められているが、決定的な方法がなく多くは投棄されている。しかし、その処理にも投棄地の不足、投棄地で発生する二次公害の問題がある。
【０００３】
都市ゴミ灰の化学成分は発生源により多少変化するが、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯ、アルカリ（Ｎａ２ＯまたはＫ２Ｏ）、塩素、重金属等を含む。このような組成物は有効利用の手段として、従来、セメントに増量材として混合使用したり、ブロック用骨材または増量材として一部使用されてきたが、多くはそのまま投棄されてきている。また、重金属の含有量の多い場合は溶融処理して重金属の溶出が生じないようにしてから処分されるが、設備費がかさむため、そのような設備が完備されているわけではなく、投棄地において二次公害の発生する傾向もある。
【０００４】
一方、セメント製造においては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＣａＯ、ＭｇＯを含む天然原料や産業副産物がセメント用原料として使用されているが、都市ゴミのように塩素を多く含む原料は、現状のセメント製造プロセスでは焼成段階、予熱交換器などにおいて調合原料の付着や閉塞が生じ易いために安定的な操業が困難であり、また塩素の含有量が多いと鉄筋の腐食が懸念されるために全く利用されていない状態である。
【０００５】
一方、塩素を含む高塩基性セメントとその製造方法が従来知られている（特許文献１：特公昭５８−５７３７８号公報）。このセメントはカルシウムクロロシリケート、カルシウムクロロオルソシリケート、カルシウムクロロアルミネート及びカルシウムクロロアルミノフェライトを必須成分とし、原料を１０００〜１２００℃の比較的低い温度で焼成することによって水和処理の初期段階の発熱を減少させた高活性セメントにしたものである。
【特許文献１】特公昭５８−５７３７８号公報
【０００６】
【発明の開示】
〔解決課題〕
従来の上記高塩基性セメントは、都市ゴミ灰を原料にすることは認識されておらず、従って上記焼成温度では都市ゴミ灰を原料として用いる場合にはカルシウムクロロシリケートやカルシウムクロロアルミネートを十分に含む焼成物を得ることができないと云う問題がある。また、このセメントで必須成分とされているカルシウムクロロオルソシリケートおよびカルシウムクロロアルミノフェライトは強度発現や凝結にはあまり寄与せず、むしろこれらの量が増大することによって相対的にカルシウムクロロシリケートやカルシウムクロロアルミネートの含有量が減少して必須含有量を下回るようになるのは好ましくないと云う点も懸念される。
【０００７】
本発明は、従来、投棄され、またはセメントの増量材として一部をそのまま混合して建設資材として使用されていた都市ゴミ灰を原料として用いた水硬性組成物を提供するものであって、都市ゴミ灰の量、塩素量、酸化鉄量、アルカリ成分量、およびＣａＯ比を一定範囲に調整した調合原料を用い、これを従来の上記焼成温度よりも高い温度で焼成することによって、カルシウムクロロシリケートまたはカルシウムクロロアルミネートのうち少なくとも１種以上を一定範囲量含むようにした水硬性組成物を提供するものである。
【０００８】
〔解決手段〕
本発明によれば、以下の構成からなる水硬性組成物が提供される。
（１）都市ゴミ灰２５〜５０％、塩素量２〜２０％、アルカリ成分含有量３％以下、およびＣａＯ比〔ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）比〕１．７〜２．１に調整した調合原料を用い、これを１２００〜１４００℃で焼成することによって、少なくとも高塩基性カルシウムクロロシリケート３０〜８０％、またはカルシウムクロロアルミネート５〜５０％を含有することを特徴とする環境調和型水硬性組成物。
（２）上記（１）の焼結物に、凝結調整材として石膏をＡｌ２Ｏ３／ＳＯ３モル比０．３〜１．５の範囲内で添加し、これをブレーン比表面積２０００ｃｍ２／ｇ以上に粉砕してなる環境調和型水硬性組成物。
（３）酸化鉄成分量を２〜１０％とし、粉末度を８８μｍ残分で２０％以下にした調合原料からなる上記（１）または（２）の環境調和型水硬性組成物。
（４）上記塩素量、上記酸化鉄含有量、上記アルカリ含有量、およびＣａＯ比が上記範囲内になるように、都市ゴミ灰に加えて貝殻、下水汚泥乾粉、石灰質原料、粘土質原料、珪酸質原料、鉄原料、および塩素含有原料の少なくとも一つを加えた調合原料を用いた上記（１）、（２）または（３）の水硬性組成物。
【０００９】
〔発明の効果〕
本発明の水硬性組成物では都市ゴミ灰に含まれる重金属の溶出量は大幅に低減され、資源のリサイクル化が可能になるばかりでなく、通常のセメントに類似した使用が可能である。また、本発明の水硬性組成物は上記組成範囲内であれば原料として用いる都市ゴミ灰に貝殻や下水汚泥乾粉、その他の生活産業廃棄物などを混合して用いることができるので、資源のリサイクル化を更に促進することができ、燃料の消費量を低減できると共にこれらの廃棄量を減少して環境への負荷を軽減することができる環境調和型組成物である。
【００１０】
〔具体的な説明〕
以下に本発明を具体的に説明する。なお、配合および組成等は特に明示する場合を除いて何れも重量％を示す。
【００１１】
本発明の原料として用いる都市ゴミ灰や貝殻、下水汚泥乾粉、その他ポリ塩化ビニルなどの生活廃棄物ないし産業廃棄物には塩素を含有するものが多い。本発明はこれらを原料として使用し、都市ゴミ灰の量、塩素量、酸化鉄量、アルカリ成分量、およびＣａＯ比を一定範囲に調整した調合原料とし、これを一定焼成温度で焼成することによって、カルシウムクロロシリケートまたはカルシウムクロロアルミネートのうち少なくとも１種以上を一定範囲量含むようにした水硬性組成物を提供するものである。
【００１２】
本発明の水硬性組成物において、その調合原料中の都市ゴミ灰量は１０〜５０％であれば良いが、好ましくは２５〜４０％が適当である。都市ゴミ灰などの原料中に含まれる塩素は塩素含有鉱物が生成する際の焼結時の鉱化剤としての役割と水硬性物質の一部として包含される。適切な水硬性組成物を得るための調合原料中の塩素量は２〜２０％が適当であり、都市ゴミ灰中の塩素量がこの値より低い場合は塩素含有物質を原料の一部として追加使用する。また、本発明の水硬性組成物の物性は塩素含有組成物の量比などに対応した性質を示す。塩素含有物質としては、塩化カルシウムや塩化アルミニウム、ポリ塩化ビニル等を使用することができる。
【００１３】
調合原料中のカルシウム量は、ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）の組成比が１．７〜２．１となるように調整される。カルシウム量がこの範囲を外れると、目的量のカルシウムクロロシリケートまたはカルシウムクロロアルミネートを含有する焼結物を得るうえで好ましくない。
【００１４】
調合原料中に含まれるＦｅ２Ｏ３成分は易焼成性を良好とならしめるように作用する。調合原料中のＦｅ２Ｏ３含有量は２〜１０％が適当であり、３〜７％が好ましい。調合原料中のＦｅ２Ｏ３含有量を上記範囲に調整すれば調合原料の易焼成性が大幅に改善される。また、原料の粉末度もセメントクリンカーの易焼成性にかなりの影響を及ぼす。原料の粉末度が８８μｍ残分で２０％以下であれば粉末度による易焼成性の相違は少ない。
【００１５】
都市ゴミ灰中のアルカリ（Ｎａ２ＯおよびＫ２Ｏ）含有量は概ね５〜７％の範囲であるが、アルカリ成分は高塩基性カルシウムクロロシリケートとカルシウムクロロアルミネートの生成量に影響を及ぼすので、都市ゴミ灰の調合割合を調整して調合原料中のアルカリ成分の含有量が少なくとも３％以下となるように調製することが望ましい。アルカリが多いと上記組成物の生成が抑制され、水硬性物質の硬化性が低下するばかりでなく、セメントとして使用される場合も硬化体の寸法安定性に悪影響を及ぼす。
【００１６】
本発明の水硬性組成物は、調合原料に都市ゴミ灰と共に貝殻、下水汚泥乾粉の他、石灰石などの石灰質原料、粘土や珪石、アルミ灰、ボーキサイトなどのアルミナおよび珪酸質原料、鉄原料及び塩素含有物質を上記成分比の範囲内で添加することができる。以上のように調合した原料を一定温度で焼成することによって本発明の水硬性組成物を得ることができる。調合原料を必要以上の高温で焼成した場合、鉱化剤としての役割と水硬性物質の一部に取り込まれる塩素が揮散し、適切な組成物が生成せず、キルン内に溶融物が付着・閉塞し、安定な製造操作ができなくなる。一方、低温で焼成した場合も十分な反応が進行せず、適切な組成物が得にくくなることから、焼成温度としては１１００〜１４００℃が適当であり、好ましくは、下限温度は実施例で示すように１２００℃以上が良い。
【００１７】
このようにして得られた焼結物からなる本発明の水硬性組成物は、高塩基性カルシウムクロロシリケート（Ａ）を３０〜８０％、またはカルシウムクロロアルミネート（Ｃ）を５〜５０％のうち少なくとも何れかを含むものである。このうち高塩基性カルシウムクロロシリケートは１日以降の強度発現に寄与し、カルシウムクロロアルミネートは時間単位の強度発現に寄与する。従って、これらの二つの成分を上手く活用し、例えば、従来のセメントに混合して使用し、あるいはブロック用骨材または増量材として使用することによって従来のセメントと類似した使用が可能となり、資源のリサイクルとして有効に活用することができる。
【００１８】
なお、調合原料の化学成分によっては焼結物にカルシウムクロロオルソシリケート（Ｂ）やカルシウムクロロアルミノフェライト（Ｆ）が含まれることがあるが、これらの成分は強度発現や凝結にはあまり寄与せず、従って、本発明の必須成分ではなく、本質的な役割を果たすものではない。
【００１９】
上記鉱物成分（Ａ）（Ｃ）（Ｂ）（Ｆ）の生成量は生成過程および平衡関係から便宜的に次式（１）（２）（３）（４）によって算出することができるので、この式に基づいて原料を調合すれば良い。なお、この調合の際には先に述べたように、調合原料中のＦｅ２Ｏ３量およびアルカリ量をそれぞれ３〜１０％、３％以下に調製することが望ましく、Ｆｅ２Ｏ３量およびアルカリ量を上記範囲に調整することによってキルンなどの加熱機による焼成を安定的に行うことができ、また良好な品質を確保することができる。さらに焼成温度を上記範囲にすれば多少のアルカリおよび塩素の揮散により、同一化学成分でも高塩基性カルシウムクロロシリケート量およびカルシウムクロロアルミネート量が変化し、両組成物の各種割合の異なったものが得られる。
【００２０】
（Ａ）＝５．８３［ＣａＯ］−４．０９［Ｆｅ２Ｏ３］−５．４２［Ａｌ２Ｏ３］−１０．８８［ＳｉＯ２］　　　…式（１）
【００２１】
（Ｂ）＝９．２３［ＳｉＯ２］＋２．３９［Ｆｅ２Ｏ３］＋３．１７［Ａｌ２Ｏ３］−３．４１［ＣａＯ］　　　…式（２）
【００２２】
（Ｃ）＝３．０５［Ａｌ２Ｏ３］＋０．５５［Ｆｅ２Ｏ３］＋１．４６［ＳｉＯ２］−０．７８［ＣａＯ］　　　…式（３）
【００２３】
（Ｆ）＝０．３６［ＳｉＯ２］−０．０４８［Ａｌ２Ｏ３］＋１．８４［Ｆｅ２Ｏ３］−０．１９［ＣａＯ］　　　…式（４）
【００２４】
焼成した焼結物はミルによって粉砕して用いる。この場合の粉末度は、当該水硬性組成物自体の強度発現と密接に関係し、ブレーン比表面積で２０００ｃｍ２／ｇ以上、望ましくは３５００〜５０００ｃｍ２／ｇ程度とするのがよい。なお、製造された焼結物は著しく多孔性で被粉砕性が極めて良好なので、クリンカーを粉砕するためのエネルギーを従来の場合よりも低減することができる。
【００２５】
粉砕の際に添加する凝結調節材は二水石膏、半水石膏、無水石膏のいずれでもよいが、カルシウムクロロアルミネート又はカルシウムアルミネートの含有量が多い焼結物には無水石膏を用いるのが望ましい。また、石膏の添加量は焼結物中のＡｌ２Ｏ３量に対して、ＳＯ３としてＡｌ２Ｏ３／ＳＯ３モル比で０．３〜１．５の範囲が良好である。このほか、クエン酸等の有機酸や硫酸アルカリ、硝酸アルカリ、塩化アルカリ等を添加しても良い。これらはフレッシュ水硬性物質の流動性を高めたり、硬化時間を遅延するのに効果的である。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例を示す。なお、各例においてクリンカー中の鉱物組成はＸ線回折および化学分析により定量的に決定したものである。使用した代表的な原料種の化学成分を表１に示す。これらの原料種を用い、都市ゴミ灰２５〜４０％、塩素量２〜２０％、酸化鉄（Ｆｅ２Ｏ３）含有量３〜７％、アルカリ成分含有量３％以下、およびＣａＯ比〔ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）比〕１．７〜２．１の範囲内で、高塩基性カルシウムクロロシリケート（Ａ）およびカルシウムクロロアルミネート（Ｃ）の含有量がおのおの表２に示す値になるように式（１）および式（３）に基づいて配合量を調整した。
【００２７】
この調合原料を、試料Ｎｏ．１、４および５は１２００℃、試料Ｎｏ．２および３は１３００℃で焼成した。また、各試料について、焼結物をブレーン比表面積４５００ｃｍ２／ｇに粉砕し、これに表２に示す量の石膏を添加して凝結させ、凝結の始発時間と終結時間を測定し、また１日〜２８日の圧縮強度を測定した。この結果を表２に示した。
【００２８】
【表１】
2004002193.tif 000002
【００２９】
【表２】
2004002193.tif 000003
【００３０】
表２に示すように、本発明に係る水硬性組成物は比較試料に比べて凝結の始発時間と終結時間が早く、また圧縮強度が大きい。一方、比較試料は従来の高塩基性カルシウム化合物含有セメントであり、本発明の水硬性組成物に比べて凝結の始発時間と終結時間が遅く、圧縮強度が小さい。なお、各試料の硬化モルタルについて、環境基準法に基づいて重金属などの溶出量を測定したところ、本発明の水硬性組成物は何れも重金属の溶出量は環境基準以下であった。