(57)【要約】【課題】石炭灰や石粉等の粉体を用いて、フィルターや路盤・路床材、軽量盛土材料等に使用可能な粒径が大きな粒状体を少ない工程で製造する方法を提供する。【解決手段】石炭灰や石粉等の粉体とセメントの混合物に、０．１〜３．０％の短繊維と混合し、これに上記粉体とセメントとの混合物の塑性限界の１．０〜１．３倍の水を加え、２軸タイプのミキサーを用いて混合し、上記粉体を粒状化するようにした。【選択図】　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
粉体に固化材と短繊維とを混合し、これに適量の水を加えてミキサーにて混合して粒状化する際に、上記短繊維の混合量を０．１〜３．０％とするとともに、上記水の混合量を上記粉体の塑性限界、もしくは、上記粉体と上記固化材との混合物の塑性限界の１．０〜１．３倍としたことを特徴とする粉体の粒状化方法。
【請求項２】
上記粉体を、石炭を燃焼した後に残留する石炭灰としたことを特徴とする請求項１に記載の粉体の粒状化方法。
【請求項３】
上記ミキサーを２軸タイプのミキサーとしたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の粉体の粒状化方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、粉体の粒状化方法に関するもので、特に、石炭灰や石粉等の粉体を再利用して、フィルターや軽量盛土材料等に使用可能な粒径が大きな粒状体を得る方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、火力発電所などから排出される石炭灰（フライアッシュ）は、主に、セメント材料などに有効利用されているが、今後、排出量の増加が見込まれることからその有効利用が望まれている。
その１つとして、石炭灰にベントナイト、粘土、水ガラス等を添加した骨材原料をモルタルミキサーにて攪拌・混合した後、ディスクペレッターを用いて造粒して生ペレットを作製し、この生ペレットを焼結して軽量人工骨材を作製する方法が知られている（例えば、特開２００１−２９４４５７号公報など）。
また、石炭灰とパルプかすやコーンくずなどの植物または植物繊維とを、石炭灰が３０〜６０重量％、植物または植物繊維が５０〜７０重量％の割合で混合し、これに石炭灰と植物または植物繊維の総重量の約２０重量％のセメントと適量の水とを加え高速造粒機にて造粒し、軽量な砂粒状の建材原料を製造したり、これを型枠に入れて建材を形成したりする方法も提案されている（例えば、特開昭６４−２４０５８号公報など）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような軽量人工骨材を作製するためには、ベントナイト等の高価なバインダ材料を必要とするだけでなく、ディスクペレッター等の造粒装置を必要とし、更には、上記造粒装置で作製された生ペレットを焼結する工程を経なければ、所望の強度と粒径とを有する粒状体を得ることができなかった。一方、植物または植物繊維を石炭灰とほぼ同量混入させ高速造粒機にて造粒した場合には、少ない工程で砂粒状の建材原料を得ることができるが、混合する繊維量が多すぎることなどから、粒径が０．７５ｍｍ以下の細砂粒状のものしか得ることができないといった問題点があった。
そこで、上記のような石炭灰や骨材製造プラントから排出される石粉等の粉体を再利用し、排水（フィルター）用材料や路盤・路床材、軽量盛土材料などに使用される、粒径が数ｍｍ〜１０ｃｍ程度の砂礫状あるいは礫状の粒状体を容易に製造する方法の開発が望まれている。
【０００４】
本発明は、従来の問題点に鑑みてなされたもので、石炭灰や石粉等の粉体を用いて、フィルターや路盤・路床材、軽量盛土材料等に使用可能な粒径が大きな粒状体を少ない工程で製造する方法を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の粉体の粒状化方法は、粉体に固化材と短繊維とを混合し、これに適量の水を加えてミキサーにて混合して粒状化する際に、上記短繊維の混合量を０．１〜３．０％とするとともに、上記水の混合量を上記粉体の塑性限界、もしくは、上記粉体と上記固化材との混合物の塑性限界の１．０〜１．３倍としたことを特徴とするもので、これにより、形状が球形に近い、粒径の大きな（数ｍｍ〜１０ｃｍ）粒状体を容易に作製することが可能となる。
なお、「塑性限界」は地盤工学で使用される用語で、土が可塑性のある状態から半固態に遷移する、あるいは、半固態から可塑性のある状態に遷移するときの含水比を意味するもので、ここでは、上記粉体、あるいは、上記粉体と固化材との混合物の状態が、可塑性のある状態と半固態との遷移領域にあるときの含水比を指す。
請求項２に記載の粉体の粒状化方法は、上記粉体を、火力発電所などから排出される石炭を燃焼した後に残留する石炭灰としたことを特徴とする。
また、請求項３に記載の粉体の粒状化方法は、上記ミキサーを２軸タイプのミキサーとしたことを特徴とするもので、これにより、形状が球形に近い、粒径の大きな粒状体を安定して作製することが可能となる。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について説明する。
本実施の形態においては、石炭灰に固化材と水、及び、少量の短繊維とを２軸ミキサーにて混合することにより、石炭灰を粒状化処理する。
ここで、固化材としてはセメントを用いた。セメントの量としては、粒状化処理した材料が適度の強度を持つよう、石炭灰に対して重量比で数％〜数十％混入する。
水は、石炭灰が粒状化するために必要な適度な水分を含有するために必要であり、石炭灰の塑性限界（正確には、石炭灰とセメントとの混合物の塑性限界）の１．０〜１．３倍に相当する含水比の水量を混入する。但し、上記数値は、使用する石炭灰の含水比をほぼ０％としたものである。また、上記塑性限界は、予め試験により求めることが望ましい。
短繊維としては、太さが数デニール〜数十デニール、長さが数ｃｍ〜数十ｃｍ程度の化学繊維や天然繊維を使用する。化学繊維材質としてはポリエステル製、ポリエチレン製、ポリプロピレン製、ビニロン製などを、また、天然繊維材質としては綿、麻、羊毛などを用いることができる。また、これらの短繊維は必ずしも新品である必要はなく、再生繊維や廃棄繊維を用いることもできる。
上記短繊維の混合量としては、総重量（石炭灰＋セメント＋短繊維）の０．１〜３．０質量％とする。このとき、上記短繊維は、繊維が集束していない単繊維を用いることが好ましい。
【０００７】
次に、混合方法と粒状化のメカニズムについて説明する。
２軸ミキサーに、乾燥状態の石炭灰、水、短繊維、セメントを混合して、数分〜７，８分混合する。乾燥状態で粉体状の石炭灰に水を供給すると、石炭灰の単体粒子（粉）は給水を始め、粉と粉との間に間隙水によるメニスカスが生成しメニスカスに閉じ込められた空隙は負圧（サクション）となるため、粉と粉との間には互いに吸引しようとする力が作用する。これにより、石炭灰の単体粒子（粉）同士が力学的に結合した一塊の集合体となる（いわゆる、ダマが生じる）。
このような状態で短繊維が存在すると、短繊維がこれらのダマ同士を結合し、粒径が発達して、更なる粒状化が生じる。詳細には、短繊維がダマを取り巻き、ダマと接触することで両者の間に摩擦力が作用し、これにより、上記短繊維がダマに絡んでダマを捕捉し、ダマの運動を拘束する。その結果、ダマとダマとが結合しやすい状態ができあがる。
【０００８】
２軸ミキサーは、図１（ａ），（ｂ）に示すように、容器１１内に２つの回転軸１２，１２が所定の距離を隔てて水平に取付けられたもので、それぞれの回転軸１２，１２は、回転軸１２から放射状に広がる複数本のアーム１３を有し、このアーム１３のそれぞれには、アーム１３に対して所定の角度を持って取付けられた攪拌翼１４が設けられている。上記２軸ミキサー１０内の材料（ここでは、石炭灰、水、短繊維、セメント）は、攪拌翼１４と容器１１の壁との間の狭い隙間ですりつぶされ混合されるとともに、外側（容器１１の壁側）から内側（２つの回転軸１２，１２に挟まれた領域）に集められ、そこから上方に跳ね上げられて外側（容器１１の壁側）に運ばれる。つまり、２軸ミキサー１０内の材料には、「鉛直面内の渦（回転）の動き」が与えられるとともに、回転軸１２，１２に沿って「水平方向への反復運動」が与えられる。これらの２つの運動により、生成された小さなダマ（粒状体）が、上記２軸ミキサー１０内を転げ回るので、上記短繊維に捕捉された石炭灰粒子は球状になり易い。なお、１軸ミキサーでも粒状化は可能であるが、２軸ミキサーの方が、構造上、ダマ（粒状体）をミキサー内で転げ回るように移動させ易いので、ミキサーとしては、２軸ミキサーを用いることが望ましい。
なお、このメカニズムは、粉と粉との場合にも当てはまる。
上記混合され粒状化したもの（以下、粒状化処理土という）の形状は、図２に示すように、球状に近く、粒径は数ｍｍ〜１０ｃｍ程度であり、粒径も揃っている。このようにして得られた粒状化処理土をミキサーから排出し、適度な温度と湿度環境のもとで養生することにより、粒状化処理土の一粒一粒は更に強固なものとなる。
【０００９】
上記粒状化においては、短繊維の混合量と水の量とが重要な要素となる。
すなわち、水の混合量が少ないと、ダマが生じにくく、その上、短繊維が粉あるいはダマに絡むこともないので、大きな粒状体が得られない。また、水の混合量が多いとメニスカスが発生しないので、混合物はペースト状となり、粒状体ができにくい状態となる。したがって、混合する水の量としては、石炭灰と固化材との混合物の塑性限界の１．０〜１．３倍とすることが好ましい。
また、上記短繊維の混合量が０．１％未満と少ない場合には、短繊維によるダマの捕捉が不十分であるため、粒径の大きな粒状体が得られない。一方、短繊維の混合量が３．０％を超えると、短繊維同士が絡まり合って短繊維だけが毛玉状になったり、短繊維の毛玉の中に石炭灰が取込まれたりするので、石炭灰を粒状化することが困難である。また、一部の粒状化されたものは細砂状となり、この場合にも、粒径の大きな粒状体が得られない。
【００１０】
本発明による粒状化処理土は、上記のように形状は球状に近く、粒径は数ｍｍ〜１０ｃｍ程度であり、粒径も揃っており（均等係数が小さい）、また、石炭灰が主材料であるため多孔質体で、みかけの密度が小さい。
その上、粒径が大きく均等係数が小さいため、透水性に富むだけでなく、強度も大きい。なお、強度はセメントの混合量にもよるが、粒状化処理土の一粒一粒の強度は、最大で１０ＭＰａ程度に達するものも得られる。
また、上記粒状化処理土は粘着力成分が小さい材料（いわゆる「さらさら」していて礫に近い材料）であるため、土木材料としての取り扱いにも優れているという利点を有する。更に、粒状化処理土の一粒一粒が固化しているため、支持力も大きい。
したがって、上記粒状化処理土の透水性能を活かし、粟石・玉石の代替材として用いたり、擁壁の裏込めなどの水抜き材料、サンドマットなどの排水層材料として用いることができる。
また、上記粒状化処理土の支持力特性を活かし、クラッシャーランの代替材として用いたり、路盤・路床材料として用いることができる。
また、上記粒状化処理土の軽量性・強度特性を活かし、盛土材料として用いることもできる。
【００１１】
このように、本実施の形態では、石炭灰とセメントの混合物に、０．１〜３．０％の短繊維とを混合し、これに石炭灰とセメントとの混合物の塑性限界の１．０〜１．３倍の水を加え、２軸タイプのミキサーにて混合して粒状化したので、、形状が球形に近い、粒径は数ｍｍ〜１０ｃｍ程度の粒径が揃った粒状化処理土を容易に作製することができる。
また、上記粒状化処理土は粒径が大きく軽量であり、また、均等係数が小さいため、透水性に富むだけでなく、強度も大きく、更には、支持力も大きいことから、排水（フィルター）用材料や路盤・路床材、軽量盛土材料などに好適に使用することができるので、石炭灰を有効利用することができる。
また、ベントナイト等の高価なバインダ材料を使用することなく粒状化できるので、安価な粒状化処理土を提供することができる。
【００１２】
なお、上記実施の形態では、石炭灰の粒状化方法について説明したが、これに限るものではなく、骨材製造プラントや墓石などの石材を加工している工場などから排出される石粉などの他の粉体の粒状化処理にも適用することができる。
また、上記例では、ミキサーとして２軸タイプのミキサーを用いたが、短繊維の配合と水の混合量を、適宜設定することにより、形状が球形に近い、粒径の大きな粒状体を容易に作製することができる。
【００１３】
＜実施例＞
石炭灰、セメント、短繊維の混合量や短繊維の繊維長を変化させ、２軸ミキサーにて粒状化処理土を作製し、作製された粒状化処理土の針貫入試験及び割裂試験を行った。実験はセメントを入れない場合も含めて、８ケース行った。このときの実験条件を以下の表１に示す。
【表１】
2004008925.tif 000002
実験手順としては、まず、２軸ミキサー中に所定量の石炭灰、セメント、短繊維を投入し攪拌を開始する。次に、水を含有比が２８％になるようにできるだけ均一に添加する。攪拌時間は全ケース１０分間とした。
なお、使用した石炭灰は、ＪＩＳ　Ａ　６２０１　コンクリート用フライアッシュの規定に従うと第３種に分類されるもので、その物理化学特性を以下の表２に示す。
【表２】
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また、短繊維はコンクリート補強用の化学繊維であり、その物理化学特性を以下の表３に示す。
【表３】
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【００１４】
図３は、作製した粒状化処理土の粒度分布曲線を示す図で、ここでは代表として、表１のケース６のグラフを示す。なお、参考として、粒状化処理前の石炭灰の粒度分布曲線も併せて記した。
短繊維を混合しなかった場合には、粒状化処理土の外観は不均一で球状になりにくいが、短繊維の混合量が増えるほど粒状化処理土の外観は、上記図２に示すように、球状に近づくことがわかった。これは、微量の短繊維を混合したことにより、短繊維による石炭灰の捕捉効果が働き、短繊維に捕捉された石炭灰粒子が攪拌時にミキサー内壁を転がるように移動することで球形に近づいたものと考えられる。
なお、別途、短繊維の混合量を限界値の３％としたときと、１０％、３０％と多くしたものを作製したところ、混合量が３％では石炭灰を砂礫状あるいは礫状に粒状化することができたが、混合量が１０％と３０％のものは、いずれも短繊維だけが毛玉状になるだけで、石炭灰を粒状化することはできなかった。
【００１５】
作製した粒状化処理土の単粒子強度特性を把握するため、図４に示すような試験装置２０を用いて針貫入試験及び割裂試験を行った。
針貫入試験では、装置の試料台２１の試験試料（供試体）Ａをセットし、上記試料台２１を一定速度で上昇させて上記供試体Ａに貫入針２２を貫入させ、１０ｍｍ貫入させたときの荷重をデータロガー２３で求めるか、あるいは、荷重リング２４にて、１０ｋｇｆの荷重をかけて上記供試体Ａに貫入針２２を貫入させたときの針貫入量を求め、上記測定値より針貫入勾配（ｋｇｆ／ｍｍ）を計算し、換算式：ｌｏｇＹ＝０．９８・ｌｏｇＸ＋１．６０（Ｙ；一軸性圧縮強度（ｋｇｆ／ｃｍ２）、Ｘ；針貫入勾配（ｋｇｆ／ｍｍ））を用いて、一軸性圧縮強度に換算する。ここで、上記換算式としては、別途、直径５ｃｍ×高さ１０ｃｍの一軸試験供試体を作製し、その一軸性圧縮強度と針貫入勾配より算出したものを用いた。
割裂試験では、上記貫入針２２に代えて加圧板２５を装置に取付け、供試体Ａを試料台２１と上記加圧板２５との間に挟み載荷し破壊時荷重を求め、この破壊時荷重と供試体の体積とから、換算式：Ｙ＝Ｐ／０．１９／Ｖ２／３（Ｙ；一軸性圧縮強度（ｋｇｆ／ｃｍ２）、Ｐ；破壊時荷重　（ｋｇｆ）、Ｖ；体積（ｃｍ３））を用いて、一軸性圧縮強度に換算する。
【００１６】
図５及び図６は、それぞれ上記針貫入試験及び割裂試験の結果から算出した一軸性圧縮強度を示す図で、一軸性圧縮強度はいずれのケースでも、針貫入試験からの算出値が割裂試験からの算出値よりも全体として大きな値を示したが、材齢による強度の伸びはどちらも同様の傾向を示した。材齢１日、３日、７日、２８日における値を比較すると、セメントを混合しなかったケース８を除いて、いずれのケースにおいても強度の増進が見られた。
まず、繊維長の大小で比較すると（ケース１，２，３）、各ケースとも強度及び強度の伸びはあまり変わっておらず、繊維長の強度への影響は少ないことが分かった。
次に、繊維量の大小で比較すると（ケース４，１，５，６）、繊維量が増えると強度がわずかながら増加していることがわかる。これは、繊維量が増えることで繊維の引張り抵抗の寄与により、石炭灰粒子のみかけの結合が強くなり、剪断抵抗が上がったものと考えられる。
また、セメントの混合量で比較すると（ケース８，１，７）、セメント量が増加するほど強度及び強度の伸びが大きい。これは、石炭灰がセメント存在下のアルカリ雰囲気で高い自硬性を有することと関係していると考えられる。
【００１７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、粉体に固化材と短繊維とを混合し、これに適量の水を加えてミキサーにて混合して粒状化する際に、上記短繊維の混合量を０．１〜３．０％とするとともに、上記水の混合量を粉体の塑性限界、もしくは、粉体と固化材との混合物の塑性限界の１．０〜１．３倍としたので、形状が球形に近い、粒径の大きな粒状体を容易に作製することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る２軸ミキサーの構成を示す模式図である。
【図２】本発明による粒状化処理土の外観を示す図である。
【図３】本発明による粒状化処理土の粒度分布曲線を示す図である。
【図４】一軸性圧縮強度の試験装置の概要を示す図である。
【図５】針貫入試験の結果から算出した一軸性圧縮強度を示す図である。
【図６】割裂試験の結果から算出した一軸性圧縮強度を示す図である。
【符号の説明】
１０　２軸ミキサー、１１　容器、１２　回転軸、１３　アーム、
１４　攪拌翼、２０　一軸性圧縮強度の試験装置、２１　試料台、
２２　貫入針、２３　データロガー、２４　荷重リング、２５　加圧板、
Ａ　試験試料（供試体）。
【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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