(57)【要約】【課題】化学的・物理的性状のばらつきの大きな石炭灰を主原料とする人工骨材の製造方法にあって、焼成途上の成形・造粒物の磨り減りの軽減と、液相形成速度の制御による焼成温度範囲の拡大及びアルミ灰の添加により液相形成速度を遅らせ、石炭灰中に含まれる未燃炭素の燃焼時間をより長くし、これにより、高温での発泡源となる未燃炭素の残留量を低減させ、良品歩留まりの低下を解決する。【解決手段】本発明の人工骨材は、石炭灰、アルミ灰、セメント及び水からなる成形物を加熱焼成してなることを特徴とする。また、石炭灰が、石炭火力発電所から排出されるフライアッシュ及び／又はクリンカーアッシュであり、人工骨材が化学組成として、ＳｉＯ２で２７．５〜６２．５重量部、Ａｌ２Ｏ３で３５〜５５重量部、ＣａＯで２．５〜１７．５重量部の配合組成を有することを特徴とする。【特許請求の範囲】
【請求項１】
石炭灰、アルミ灰、セメント及び水からなる成形物を加熱焼成してなることを特徴とする人工骨材。
【請求項２】
石炭灰が、石炭火力発電所から排出されるフライアッシュ及び／又はクリンカーアッシュであり、人工骨材が化学組成として、ＳｉＯ２で２７．５〜６２．５重量部、Ａｌ２Ｏ３で３５〜５５重量部、ＣａＯで２．５〜１７．５重量部の配合組成を有することを特徴とする請求項１記載の人工骨材。
【請求項３】
アルミ灰が酸素を含有する雰囲気条件下であらかじめ加熱処理されることを特徴とする請求項１及び２記載の人工骨材。
【請求項４】
アルミ灰が酸素を含有する雰囲気条件下であらかじめ粉砕されていることを特徴とする請求項１、２及び３記載の人工骨材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、コンクリートを形成するために用いられる人工骨材、路盤材としての人工骨材に関し、詳しくはアルミ灰を含む人工骨材に関する。
【背景技術】
【０００２】
この発明は、コンクリートを形成するために用いられる人工骨材、路盤材としての人工骨材に関し、石炭灰の有効利用に資するとともにその処分が社会的にも問題視されている微粉状のアルミ灰を有効利用し得るようにした人工骨材を提供する。微粉炭を燃料とする火力発電所では、年間４００万トン以上もの石炭灰が副生する。火力発電所のボイラー等で石炭を燃料として燃焼させると産業廃棄物として多量のフライアッシュが発生する。そのうちの約半分が、セメントコンクリート等の建設、土木分野、窯業分野で有効利用されている。しかし、フライアッシュの発生量は、年々確実に増加している。環境保全、資源の有効活用の立場からも、フライアッシュの有効利用が更に促進されることが望まれる。
【０００３】
一方、フライアッシュをコンクリート骨材として用いる試みは種々なされているが実用化に至っているものは極めて少ない。その原因は、フライアッシュの持つ化学的物理的性状のバラツキが大であるため骨材を高収率で製造出来ないことにある。
【０００４】
この石炭灰を主原料とした人工骨材の製造方法にも様々なものがあるが、天然の砕石を代替できる程度に低吸水性でありかつ高強度の高品質の人工骨材を得るために、造粒・焼成法が一般的に採用される。造粒・焼成法による人工骨材の製造は、石炭灰に水及び成分調製材を添加・混合し、パン型ペレタイザーなどにより造粒成形する。その後ロータリーキルン中で最高温度１１００〜１５００℃の温度で焼成されて緻密化が達せられ、焼成型の人工骨材を得る。
【０００５】
上記の方法によって、多くの企業とその研究開発者らが量産技術の確立を試みてきたが、未だその実現には至っていない。その主たる理由は、火力発電装置の燃料として用いた石炭の種類、燃焼条件などの相違により、副生する石炭灰の物理的、化学的性質が変動し、その影響を排除した人工骨材の量産が実現していないからである。
【０００６】
詳しくは、この性質の変動は、製造工程での次のような問題の原因となっている。
１．  成形・造粒物が、ロータリーキルン内で転動しながら焼成される過程で、磨り減ることで微粉が生成する。この微粉が成形・造粒物とともにそのまま高温帯に移動してくると、成形・造粒物の溶融付着を助長し、その結果製品収率が低下してしまう。
２．  成形・造粒物中、未燃焼の炭質物の含有が過剰であると、緻密化と同時に発泡が起こるため、高密度の人工骨材を得ることができない。
３．  石炭灰の化学組成が異なると、良品質の人工骨材を得る焼成温度及びその幅も変化する。特にアルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有が過剰となると、焼成温度幅の縮小が顕著となり、緻密化の不足、溶融付着の助長により製品収率が低下してしまう。
【０００７】
上記の１の問題に対しては、石炭灰を成形・造粒する際に水及びセメントを添加して、セメントの水和反応生成物により成形・造粒物の磨り減りを改善する技術がある。ところが、成形・造粒物の磨り減りを改善できる程度にセメントを添加すると、セメントの主成分がＣａＯであるため、成形・造粒物のアルカリ金属及びアルカリ土類金属の総量が過剰となってしまう。その結果上記の３の問題の原因となってしまう。
すなわち、焼成過程で成形・造粒物が最も緻密化してから後、液相の形成速度が著しく速くなることより、わずかな温度の上昇、滞留時間の増加が溶融付着を促進し製品回収率が低下してしまう。
【０００８】
上記の３の問題に対しては、特開平１０−２５１０４８号公報に開示されるような技術がある。
【特許文献１】特開平１０−２５１０４８号同技術は、フライアッシュと融点１５００℃以上のシリカ−アルミナ含有微粉末とを混合し、該混合物を造粒した後、焼成することを特徴とする人工骨材の製造方法に関するものである。同技術を用いれば、本発明の解決課題のひとつである焼成温度幅の拡大が達せられるものの、成形・造粒物の磨り減りの問題については解決することができない。また、融点１５００℃以上のシリカ−アルミナ含有微粉末を購入することは、製造コストが増加する。
【０００９】
一方、アルミ灰を人工骨材の原料として利用するとする技術には、特開平１１−３１４９５０号公報に記載されるものがある。
【特許文献２】特開平１１−３１４９５０号しかしながら、同技術は種々の微粉状の無機質残滓物をガラスで固化して骨材とするとしているものであって、上記問題点を解決するに至らず、セメントを構成要件とするものでもない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の課題は、以上のような状況に鑑み、化学的・物理的性状のばらつきの大きな石炭灰を主原料とする人工骨材の製造方法にあって、焼成途上の成形・造粒物の磨り減りの軽減と、液相形成速度の制御による焼成温度範囲の拡大というふたつの課題を解決し、併せて、アルミ灰の添加により液相形成速度を遅らせ、石炭灰中に含まれる未燃炭素の燃焼時間をより長くし、これにより、高温での発泡源となる未燃炭素の残留量を低減させ、良品歩留まりの低下を解決するにある。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記の課題の解決のために本願第一の発明は、石炭灰、アルミ灰、セメント、水からなる成形物を加熱焼成してなることを特徴とする人工骨材（請求項１）。
第２の発明は、石炭灰が、石炭火力発電所から排出されるフライアッシュ及び／又はクリンカーアッシュであり、人工骨材が化学組成として、ＳｉＯ２で２７．５〜６２．５重量部、Ａｌ２Ｏ３で３５〜５５重量部、ＣａＯで２．５〜１７．５重量部の配合組成を有することを特徴とする請求項１記載の人工骨材（請求項２）。第３の発明は、アルミ灰が酸素を含有する雰囲気条件下であらかじめ加熱処理されることを特徴とする請求項１及び２記載の人工骨材（請求項３）。第４の発明は、アルミ灰が酸素を含有する雰囲気条件下であらかじめ粉砕されていることを特徴とする請求項１、２及び３記載の人工骨材（請求項４）である。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、有効な処理策が望まれている石炭灰及びアルミ灰の両者の再資源化が可能となるばかりでなく、従来石炭灰を主原料とする人工骨材の量産技術の課題であった焼成途上の成形・造粒物の磨り減りを極端に減少させ、液相形成速度の制御による焼成温度範囲の拡大させ、化学的・物理的性状のばらつきの大なる石炭灰を原料として高収量で安定的に造粒・焼成による人工骨材を提供するものである。本骨材は、公共事業推進上で欠くことができないコンクリート等用骨材の安定供給にも資するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下に本願発明の実施するための最良の形態について説明する。焼成産物中のＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とＣａＯの組成は、ＳｉＯ２の含有率が２７．５〜６２．５重量部、Ａｌ２Ｏ３の含有率が３５〜５５重量部、ＣａＯの含有率が２．５〜１７．５重量部となるように、石炭火力発電工程において副生する石炭灰、アルミ精錬工程で副生するアルミ灰、セメント及び必要に応じてベントナイト、粘土などの成形補助材を混合して調合原料とする。ＣａＯが２．５重量部を下回ると液相形成速度が極度に低下しすぎ高密度化温度が上昇し、熱量原単位の増加につながるため好ましくない。逆にＣａＯが１７．５重量部を超えるとアルミ灰により高融点成分の添加をもってしても、焼成温度幅の拡大は達成されない。Ａｌ２Ｏ３が３５重量部を下回ると、焼成産物の化学組成がＳｉＯ２-Ａｌ２Ｏ３-ＣａＯ系の三元状態図中クリストバライト、ムライト及びアノーサイトの境界部である共晶線またはクリストバライト、アノーサイト及びウォラストナイトの境界部である共晶線付近に位置するようになり、液相形成速度の制御がしづらくなる。逆に５５重量部を超えると液相形成速度が極度に低下しすぎ高密度化温度が上昇し、熱量原単位の増加につながるため好ましくない。
【００１４】
石炭灰には集塵器で捕集されるフライアッシュのほかクリンカーアッシュも用いることができる。石炭灰中の未燃焼炭質物の濃度としては、８重量％未満であることが好ましい。アルミ灰は、アルミニウム溶解工場及び灰処理工場の各工程で発生するアルミニウムドロス、サイクロンで回収される残灰、バグフィルタで捕集される集塵灰などを用いることができる。セメントには、普通ポルトランドセメントのほか、混合セメント、エコセメントなど、水との反応により水和鉱物を生成するものを用いることができる。
【００１５】
一般にアルミ灰には、金属アルミニウム、窒化アルミニウムなどが含まれており、これが水と接触すると、爆発したり水素、メタン、アンモニアなどのガスを発生したりする。金属アルミニウム、窒化アルミニウムなどの含有率の低いアルミ灰は、何ら前処理を施すことなく、他の原料と混合することができる。いっぽう金属アルミニウム、窒化アルミニウムなどが問題となるレベルで含有されるアルミ灰は、混合に先立って、アルミ灰中の金属アルミニウム及び窒化アルミニウムを酸化または分解させるように前処理を行う必要がある。酸化または分解は、アルミ灰を酸素を含有する雰囲気条件下で加熱するかまたは粉砕するかの手段により行うことができる。また、アルミ灰の添加により液相形成速度を遅らせることができるものであるから、石炭灰中に含まれる未燃炭素の燃焼時間をより長くする効果もある。これにより、高温での発泡源となる未燃炭素の残留量が低減されるため、発泡不良による良品歩留まりの低下をも抑制できる。
【００１６】
上記調合原料を、パン型造粒機、押出し式造粒機等の造粒機を使い、水分を添加しながら造粒し、５〜２０ｍｍ程度の粒度（粒度分布では、５〜１３ｍｍが約５０％）の造粒体に成形する。造粒機にもよるが、造粒体の粒度の調整は、造粒機に組み込まれた調整機構の操作で規制した後、必要があれば造粒後に篩い分けするなどして粒度調整を行うことができる。
【００１７】
調合原料中のセメントは成形体に強度を付与する目的で添加混合されるが、成形時に添加される水とセメントとの水和反応鉱物の生成により強固な成形体となる。成形後、自然な状態で養生することもできるが、蒸気養生などの手段により強度発現を促進させることもできる。これにより、焼成過程における、成形体の磨り減りを軽減することができる。
【００１８】
前記工程で成形されたセメントで硬化した造粒体をロータリーキルンにより、焼成温度１１００〜１４００℃にて焼成してコンクリート等用人工骨材を製造する。なお、焼成時間は、６０〜１２０分間程度が必要であり、その焼成温度によって最適な焼成時間とする。また、必要があれば焼成により得られた人工骨材を篩にかけ、骨材として好ましくない粒度のものを除去することができる。
【実施例１】
【００１９】
石炭火力発電所の集塵器で捕集されたフライアッシュ７０重量部、アルミドロス残灰２５重量部、普通ポルトランドセメント５重量部とを混合して調合原料とした。この調合原料１００重量部に対し、水３０重量部を注入、混練して造粒基体を形成した上、パン型造粒機で直径５〜２０ｍｍ程度の造粒体を成形した。これを屋内の貯蔵ヤードにて、約２週間自然養生することでセメント水和鉱物の生成を行わせるとともに、造粒体の強度の増進を図った。尚、実施例で使用したアルミドロス残灰の化学組成は、金属アルミ=６．１％、ＡｌＮ=１４．２％、Ａｌ２Ｏ３=５５％、ＳｉＯ２=５．５％、Ｆｅ２Ｏ３=１．４％、ＭｇＯ=９．３％、ＣａＯ=１．１％、Ｎａ２Ｏ=０．９％、Ｋ２Ｏ=０．９％及びＳＯ３=０．４％であった。
【００２０】
焼成設備には、内径４５０ｍｍ、長さ８．３４ｍの重油を燃料とする直接加熱方式のロータリーキルンを使用した。このロータリーキルンに前記造粒体を１時間に約６５ｋｇの割合で供給し、最高温度１２４０℃、キルン内滞留時間約９０分の条件で焼成し、粒度分布で７０〜８０％のものが直径１０〜１５ｍｍ程度となる人工骨材を得た。
得られた人工骨材の絶乾比重は２．０２、２４時間吸水率も０．５％程度であり、普通骨材を代替できる程度に高品質のものであった。
【産業上の利用可能性】
【００２１】
コンクリートを形成するために用いられる人工骨材、路盤材としての人工骨材に関し、石炭灰の有効利用に資するとともにその処分が社会的にも問題視されている微粉状のアルミ灰を有効利用し得るようにした人工骨材を提供する。