(57)【要約】【課題】透水性と保水性を併せ持ちながら強度や耐凍害性に優れ、既存の建築物屋上にも敷設可能な軽量のセラミックブロックを、廃棄物を原料として低温焼成で得る。【解決手段】７５０〜９００℃の焼成によって、ソーダ石灰系廃ガラスとケイ酸カルシウム水和物を含むセメント廃材などを原料とすることで得られる、デビトライトやβ−ウォラストナイトの結晶を含むガラス質物で骨材が融着した組織の透水機能を有する上部表層と、炭酸塩鉱物を発泡剤にした廃ガラスを原料とすることで得られる保水機能を有する発泡ガラス質の下部基層が、一体となった構造のセラミックブロックとする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上部表層が、β−ウォラストナイトとデビトライトもしくは少なくても一種の結晶を含むガラス質物で骨材が熔結された連続気孔を有する構造からなり、下部基層が連続気孔を有する発泡ガラスからなる構造を特徴とする、透水性と保水性を併せ持つセラミックブロック。
【請求項２】
ソーダ石灰系廃ガラス、陶磁器屑、都市ゴミ溶融スラグ、下水スラッジ溶融スラグからなる群から選ばれる少なくとも１種で構成される粒径５〜２．５mmの範囲の骨材９０〜７０重量％に、焼結バインダーとして、焼成によってβーウォラストナイトの結晶もしくはデビトライトの結晶を含むガラス質物を生成する配合物１０〜３０重量％を加えて得られた表層用原料造粒物を、一定の厚さに敷きならし充填もしくは加圧成形した後、その上部に基層用原料である連続気孔を生成する発泡ガラス原料を敷きならし充填もしくは加圧成形した後、酸化雰囲気で７５０〜９００℃の温度で焼成させることで、請求項１に記載の構造となることを特徴とする、透水性と保水性を併せ持つセラミックブロックの製造方法。
【請求項３】
請求項２に記載の表層用原料造粒物を、耐火材からなるセッター上もしくはそれと同様の効果を有する炉床に、所定の厚さに敷きならしまたは充填する工程、それをローラー転圧によって圧密させて成形する工程、次いでその上部に請求項２に記載の基層用原料を所定の厚さに敷きならす工程、さらに７５０℃から９００℃で焼成する工程により、請求項１の構造を得ることを特徴とする、セラミックブロックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高い透水性と保水性を併せ持ちながら耐凍結融解性能に優れ、既存のビルの屋上にも敷設可能な軽量セラミックブロックを、省資源かつ省エネルギーで提供する技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
透水性や保水性を有するセラミックブロックは、都市部のヒートアイランド現象の緩和や廃棄物のリサイクル対策等を目的として、歩行者用道路や広場の舗装用材料に使用されている。
【０００３】
しかし、年々都市部の環境は悪化しつつあるため、さらなる都市環境改善の方策として、近年はビルの屋上や壁面にも緑化推進が提唱され、既存のビルの屋上にも敷設可能な、透水・保水性の舗装材が求められている現況にあるが、建築物の耐荷重の問題からゴムチップを固めた透水性舗装材があるに過ぎず、軽量かつ高機能の舗装材はない。
【０００４】
セメント系舗装材に比較してセラミック系は比較的軽量で高強度であることや資源の有効利用の観点から、従来、廃ガラスや陶磁器廃材、下水スラッジ溶融スラグ等の廃棄物を原料とする透水性セラミックブロックが開発され、その製造方法については下記の従来技術が知られている。
【特許文献１】特開平９−３０８７３では、最大粒径９．５mm以下に粒度調整した鉄鋼スラグを７５重量％以上含む骨材と焼結バインダーを含む混合物を成形後に焼成する製造方法で透水性と保水性に優れたセラミックブロックを得る。
【特許文献２】特開平９−１９４２６９では火成岩を主体とする骨材とそれよりも低融点のバインダーとの混合物を成形後焼成することや、その上層に陶磁器粉砕物と低融点バインダーとを積層して焼成一体化させることを特徴とする透水性を有するセラミックブロックの製造方法。
【特許文献３】特開平９−１９４２６８では、骨材、無機バインダー、α化されたでんぷん等を用いて加圧成形後に乾燥、焼成する方法。
【特許文献４】特開平１０−１７３７６では曲げ強度と透水性に優れた透水性セラミックスを得るための熔化を制御する化学組成範囲。
【特許文献５】特開平１１−２６８９７２では電気炉酸化スラグを原料として混練加圧成形後１０００〜１２５０℃で焼成する方法。
【特許文献６】特開２０００−２０３９５９では、カルシウム、ケイ素、アルミニウム等の酸化物結晶を含む下水汚泥溶融スラグとゴミ溶融スラグを骨材として７５重量％以上含む混合物を８００〜１２００℃の範囲で焼成することを特徴とする、透水性と保水性を有して強度に優れたセラミックブロックの製造方法
【特許文献７】特開２００１−３９７８０では、下水汚泥溶融スラグと陶磁器屑からなる骨材に焼結バインダーを混合して成形した後、８００〜１２００℃で焼成する方法。
【特許文献８】特開２００１−３４２０５５では、平均粒径１〜３mmの範囲内にある磁器質骨材に水を加えて表面を水で被覆されるように混合した後非可塑性バインダーを加え、次いで可塑性バインダーを加えて混合して空隙率が２０％以上の成形体を作成した後、８５０〜１３００℃の範囲内で焼成する。
【０００５】
等があり、いづれも１．廃棄物を骨材原料としていること２．骨材の周囲に焼成によってガラス化する融着用のバインダーを被覆させること３．高い透水性や保水性でありながら高強度が得られること等を特徴として述べられている。
【０００６】
それらに共通している欠点は、１．骨材周囲のバインダーがガラス質物で非晶質であることから、熱衝撃や機械的衝撃によって亀裂が伝播し易いこと２．表面の凹凸をかなり大きくしないと雨に濡れた場合とりわけ、積雪している場合に滑りやすいという欠点があること。３．透水性のみの場合は凍害を生じないが、保水性を併せ持つような空隙を持たせた場合は、凍結融解抵抗性が低くなり、積雪寒冷地では使用できないこと４．製品重量が重いために、既存のビル屋上に敷設不能であること等である。
【０００７】
そのような課題を解決する効果的な技術としては、本願申請者らが取得した、
【特許文献９】特許第３０９４２２６号（結晶化ガラス複合セラミックスおよびその製造方法）がある。これは、融着用バインダーの原料として配合されたセメント廃材中のケイ酸カルシウム水和物が焼成によって相転移し、骨材周囲のガラス質物中にβ−ウォラストナイト（ＣａＯ・ＳｉＯ２）の針状結晶を生成せしめ、骨材粒子と粒界部分の熱特性の違いを利用することで前述の欠点１．と２．を解決できるものである。
【０００８】
しかし、透水性を確保するためには気孔径が大きくなるような単独粒度分布を示す骨材原料と、高い空隙率が確保される程度の少量の焼結用バインダーを使用するために、成型直後の成形体の強度が低くハンドリング性に欠けることが従来技術の共通的課題である。
【特許文献１０】特開平９−７１４８５多孔質セラミックスの製造法では、課題である成形体の保形性を高めるために、水ガラスのようなケイ酸ゾルを成形用バインダーとして添加し、これをゲル化させる方法を提案している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
透水性、保水性、強度等を高い水準で併せ持ちながら軽量化することは、密度を低くすれば強度も低下するという相関から従来法では限界があり、また、保水力を高めた場合は耐凍害性が低下することへの問題解決がされていなかった。
【００１０】
また既存のビルを屋上緑化する場合、許容できる重量は１平方mあたりおよそ８０Kg程度とされており、屋上広場や通路などの緑化部分以外に透水・保水性舗装材を使いたくても従来の無機系舗装材は使用できなかった。
【００１１】
さらに、製造方法も、従来技術では特許文献１０の方法を除いて、有機バインダーを多く添加して金型を用いてプレス成形し、成形体を完全に乾燥硬化させてからでないと次の工程へ搬送できないことや、市場の製品は９００〜１１００℃の高温で焼成されているなど、製造に多くの資源や時間とエネルギーを費やしていた。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、それらの課題を解決するために、従来の透水・保水性セラミックブロックとは異なり、図１に示したように、舗装材の上部表層は、表面や骨材粒子のマトリックス部分（粒界）に針状や柱状のβ−ウォラストナイトやデビトライト（Ｎａ２Ｏ・３ＣａＯ・６ＳｉＯ２）の結晶が生成している効果によって、滑りにくく高強度である特徴を有する透水性の結晶化ガラス複合セラミックスとする。また、下部基層は、耐凍害性を高めるために気孔径の大きい連続気孔を有した保水性の高い発泡ガラスからなる構造とする。
【００１３】
これは、従来技術で用いられている二層構造とは異なり、上部表層は単に意匠や滑り止め、目詰まり防止などの目的でなく、強度と透水機能を、また下部基層は保水機能を主に受け持つものであり、各層の厚さを変えることで求められる製品仕様・性能への対応や材料物性を制御することを目的とした構造である。  
【００１４】
透水性を有しながら高強度が要求される上部表層部分の主原料には、廃ガラスの粉砕・ふるい分けによって得られた径が４．８〜２．４mmの骨材を主原料として使用し、低温で結晶生成させるためにケイ酸カルシウム水和物を含む原料を用いる。
【００１５】
なお、保水性を有する下部基層部分には、空隙率の大きい細粒子がガラス質物のみで融着・焼結した組織構造とは異なり、連続した大きい気孔径の発泡ガラスとなるように、石灰石やドロマイトなどの炭酸塩鉱物を発泡剤として混入した微粉砕ガラスを原料として用いる。
【００１６】
また、結晶化ガラス複合セラミックスと発泡ガラスを、一体的に成形と焼成を行なって上下の各層を強く融着させるために、焼成温度は７５０℃〜９００℃の焼成温度範囲で炉内焼成雰囲気は酸化雰囲気とする。
【００１７】
さらに、製造方法は、原料骨材が粗粒であるために、成形体強度が低いので、従来の金型を用いたプレス成形とは異なり、焼成に耐える材質のセッター上に敷きならし充填させて、ローラーの転圧によって圧密させ、そのまま焼成炉に搬送できる方法とする。
【発明の効果】
【００１８】
上部表層に使用する骨材原料の主原料をソーダ石灰系の廃ガラスとすることにより、低温で焼結バインダーとの融着や結晶生成反応が進展するし、４．８〜２．４mm径の骨材配合量を９０〜７０％とすることによって連続した大きな気孔が得られる。
【００１９】
また、焼結バインダー原料中の珪酸カルシウム水和物は、７５０℃でβ−ウォラストナイトに相転移するとともに、骨材ガラス表面にデビトライトの生成を促進させ、粒界に針状結晶を含むガラス層を形成して圧縮応力を発生せしめることで高強度が得られる。
【００２０】
下部基層原料に発泡剤として石灰石やドロマイトなどの炭酸塩鉱物使用することによって、７５０〜９００℃の幅広い温度域で炭酸ガスを発生させることが可能となり、炉内の温度差による発泡状態のバラツキを軽減でき、得られる気孔も連続気孔が多く、径も大きく耐凍害性優れた組織が得られる。
【００２１】
成形方法は通常、上部表層の成形は骨材粒子と焼結バインダーが分離しない程度の振動を加えて充填し加圧することや、ローラーで転圧することにより、成形体の組織均一化と焼成体に高い透水率が確保される。
【００２２】
次に、図２のように充填後加圧成形された上部表層原料の上部に下部基層となる発泡ガラス原料を充填すると、これは粒度が細かいので境界部分の骨材間隙にもむらなく充填される。
【００２３】
このようににして得られた成形体を焼成すると、６００℃付近からソーダ石灰ガラスの骨材や発泡ガラス原料は急激に軟化焼結が始まり、７５０℃で骨材の粒界において、珪酸カルシウムの相転移によるβ−ウォラストナイトの結晶化とデビトライトの生成が始まりながら、表層部が焼結し透水層（結晶化ガラス複合セラミックス）を形成していく。また、これと同時に炭酸塩鉱物の分解によって基層部を構成する発泡ガラスが形成され、表層と基層が一体化していく。
【００２４】
なお、焼成温度が９００℃を越えると、発泡ガラス粘性低下と分解ガスの供給量の減少によって収縮・緻密化して発泡ガラス層が形成されない。
【００２５】
通常、焼結体に存在する連続した気孔の径が大きい場合は、水の凍結による膨張圧力が解放されやすいために破損し難いことが知られており、本発明によって得られるセラミックブロックは、表層部、基層部とも気孔径が大きく、透水機能を持つ表層部分の骨材融着部分は高強度、保水機能を持つ基層部分の発泡ガラスは軽量であるために、透水性と保水性を併せ持ちながら強度と耐凍結融解性能に優れた軽量なセラミックブロックとなる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
低温焼成でセラミックブロックを製造するために、透水機能を有する上部表層を構成する骨材原料は、ソーダ石灰ガラス系のガラス廃材とし、これを融着させるバインダーは、媒熔材として骨材を得る際に生じた微粉ガラス、ケイ酸原料として珪石または廃鋳物砂、結晶生成原料としてセメントコンクリート二次製品製造や再生骨材の製造時に発生する廃材もしくは回収したケイ酸カルシウム製品等を用いる。
【００２７】
なお基層部を構成する発泡ガラス原料には、微粉ガラスに発泡材として石灰石とドロマイトの混合物を２〜６重量％配合したものを平均粒径７４ミクロン以下に微粉砕混合することが望ましい。
【００２８】
表層を構成する骨材と融着用のバインダーの配合割合は、強度と透水性確保の観点から、骨材量を９０〜７０重量％とするのが最良である。
【００２９】
成型の方法は、最初に、表層用の骨材原料に成型用のバインダーを加え、さらに融着用のバインダーを加えて造粒したものを型に必要量充填して加圧成型した後、基層用の発泡ガラス原料を投入してさらに充填敷きならしもしくは加圧成型する。
【００３０】
なお、表層原料と基層原料との割合は、表層は求められる強度を満足するに必要な厚さ、基層は求められる製品厚さや嵩密度となるよう考慮して設定でするものであるが、製品厚さ６cmで３０cm角平板の場合、通常は表層２〜３cm基層は４から３cm程度とする。
【００３１】
また、基層の発泡度は嵩密度や吸水率、強度等に影響するために、これを原料配合割合で制御するために、粘土質物のようにソーダ石灰ガラスより耐火度の高い無機粉体を調整材として使用するのが望ましい。。
【００３２】
焼成は最高温度８５０℃で炉内雰囲気は酸化とし、有機のバインダーを使用する場合は、素地が還元されないように昇温し、冷却においても冷め割れを生じないよう徐冷する。
【００３３】
また、仕上げ加工は、焼成後は基層の発泡ガラスは膨張して変形しているので、形状が製品寸法を満足するように切断や研磨加工をすることが望ましい。
【実施例１】
【００３４】
骨材ガラス、焼結バインダー、発泡ガラス用のガラス質原料として、ソーダ石灰ガラスである板ガラス廃材（以下廃ガラスという）を４．８ｍｍの篩を全通するように粉砕し、４．８ｍｍから２．４ｍｍの粒子を骨材ガラス、１．２ｍｍ以下の粒子を焼結バインダー原料用の廃ガラス微粉とした。
【００３５】
廃ガラス微粉−珪石微粉−セメント廃材（コンクリートパイル工場から廃出される廃セメントスラリーのオートクレーブ処理硬化体）系の配合焼成実験を行い、７５０〜９００℃の焼成温度範囲で最も焼結度が良好であり、デビトライトやβ−ウォラストナイト等の結晶が多く生成した配合物（廃ガラス微粉６６重量％、珪石微粉１６重量％、セメント廃材１８重量％の混合物）４０重量％に、廃ガラス微粉６０重量％を配合したもの（以下複合ガラス原料という）を焼結バインダーとした。
【００３６】
表層部を構成する透水タイル原料として、
骨材ガラス    ・・・８０重量％
複合ガラス原料・・・２０重量％
を混合し造粒物とした。
【００３７】
基層部を構成する発泡ガラス原料として、
廃ガラス微粉  ・・・９２重量％
石灰石微粉    ・・・  ３重量％
ドロマイト    ・・・  １重量％
ベントナイト  ・・・  ４重量％
を混合し微粉砕後造粒した。
【００３８】
表層部の透水タイル原料造粒物を、３００ｍｍ角の型枠に一定の厚さに（焼成後に厚さ２０ｍｍ程度になる量）充填してプレス成型した後、次いでその上に基層部の発泡ガラス原料造粒物を充填して（発泡部分が焼成後に厚さ４０ｍｍ以上になるの量）再度プレスし、成形体を得た。
【００３９】
成形体を酸化雰囲気で８５０〜９００℃で焼成した後、全体の厚さが６０ｍｍにやるように切断加工して平板を製造した。
【実施例２】
【００４０】
実施例１の平板について、曲げ強度、嵩密度、透水率（係数）、吸水率（保水率）、等の物性をセメント系透水ブロック市販品と比較した結果は表１のとおりであった。
【００４１】
【表１】
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【００４２】
耐凍害性能をＪＩＳＡ５２０４陶磁器タイルの規定にもとづいて（−２０℃〜＋２０での気中凍結水中融解法）１０サイクルの試験を行った結果、市販の透水・保水性セラミックブロックは５個の試験体全てに破損を生じたが、実施例１の透水・保水性平板とセメント系透水平板は異常が無かった。
【００４３】
舗装材としての滑り抵抗をＢＰＮ法で比較した結果、実施例１の平板はセメント製品と同等の７５を示し、市販透水・保水性セラミックブロックの３０〜６０と比較して高い値で、通常安全でと言われている数値の４０を大幅に上回った。
【００４４】
表層部表面や粒界部分を電子顕微鏡観察した結果、長さ数十ミクロンの針状や柱状の結晶が観察されたので、Ｘ線回折分析法で結晶同定をしたところ、その結晶はデビトライトとβ−ウォラストナイトであった。
【実施例３】
【００４５】
図２に示した装置を用いて、実施例１に使用した表層用原料造粒物を耐火棚板上に敷きならし、ローラーで３cmの厚さまで圧密した後、板状の表層部の上部に、実施例１に使用した基層部用の発泡ガラス原料を敷きならし成形したものを、８５０〜９００℃で焼成を行い、実施例１と同様の物性のセラミックブロックを得た。
【実施例４】
【００４６】
実施例１の透水・保水性セラミックが、都市部のヒートアイランド現象を緩和する舗装材としてどの程度の性能を確認するために、人工気象室で室内温度３３℃、風速２．３ｍ／秒の条件で効果を測定した結果、飽水させた試料の蒸発効率は０．８であり、３０時間潜熱効果を持続した。
【産業上の利用可能性】
【００４７】
本願発明の透水・保水性セラミックスは、市販の透水・保水性舗装材に比較して、軽量で保水性能が極めて高い特徴を持ちながら、舗装材として十分な強度を確保しているので、新築はもとより既存の建築物の屋上やベランダ、通路などの舗装材として、建築物の構造設計上の利点の他に、都市環境の改善に寄与できる舗装材として最適である。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本願発明の透水・保水性発熱セラミックブロックの断面構造の模式図である。
【図２】実施例３で使用した成形装置の模式図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  ソーダ石灰系廃ガラス骨材が焼結バインダーで融着し、粒界のガラス質物    中にβ−ウォラストナイトやデビトライトの結晶を含む構造の透水機能を有    する結晶化ガラス複合セラミックスからなる表層。 
２  連続した気孔によって保水機能を有する発泡ガラスの基層。
３  β−ウォラストナイトやデビトライト等の結晶を含むガラス質物からなる    骨材粒界（融着）部および表面部。  
４  粒径４．８〜２．４ｍｍの廃ガラス骨材
５  コンベアベルト
６  耐火材（セッター）
７  ホッパー
８  表層用原料造粒物
９  転圧用ローラー
10  基層用原料配合物（発泡ガラス原料）
11  一定厚に敷きならし成形された基層部原料
12  転圧成形された表層部原料
【図１】
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【図２】
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