(57)【要約】【課題】  石炭灰と産業廃棄ガラス等を用いて高性能軽量骨材を提供する。【解決手段】  １０μｍ以下の石炭灰微粉末に、産業廃棄ガラス、あるいはさらに火山ガラス粉末を加え、これにＳｉＣ粉末を０.０５〜１.０％の範囲で添加し、加熱昇温時に６００〜８００℃で０．５〜５時間滞留させ、ついで１１５０〜１２５０℃で焼成することを特徴とする高性能軽量骨材の製造方法である。石炭灰は流動層キルンを用いて予めカーボンを除去しそれを原料として用いることもできる。又、遠心分離機等で石炭灰よりカーボンを除去することもできる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
予め内在するカーボン分を除去する石炭灰を１０μｍ以下の微粉末とし、これに産業廃棄ガラス粉末および火山ガラス粉末の両方又はいずれかを加え、これにＳｉＣ粉末を０．０５〜１．０重量％の範囲で添加して造粒し、ついで１１５０〜１３２０℃で焼成することを特徴とする高性能軽量骨材の製造方法。
【請求項２】
石炭灰に内在するカーボン分を除去するに際し、石炭灰を６００〜８００℃で０.５〜５時間滞留させてから焼成することを特徴とする請求項１記載の高性能軽量骨材の製造方法。
【請求項３】
石炭灰より流動層キルンを用いて未燃カーボンを除去したものを原料として使用することを特徴とする請求項１記載の高性能軽量骨材の製造方法。
【請求項４】
石炭灰中の未燃カーボンを遠心分離機にて除去したものを原料として使用することを特徴とする請求項１記載の高性能軽量骨材の製造方法。
【請求項５】
石炭灰に産業廃棄ガラス粉末およびＳｉＣを加え直径が５０μｍから１０００μｍの微粒に造粒し、それを流動層キルンを用いて焼成発泡することを特徴とする請求項１記載の高性能軽量骨材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、コンクリート用の軽量骨材に関する。特には、独立気泡で構成された低吸水、超軽量、高強度の高性能軽量骨材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
石油資源の減少によって、石炭火力発電への依存は世界的に強まる傾向にある。一方、原子力発電は相次ぐ安全対策上の管理ミスにより、社会的に不安感が持たれ、原子力発電所の新規建設が難しくなっている。そして、石炭エネルギーの需要が高まる中石炭燃焼に伴って排出される石炭灰の処理・再利用が大きな問題になっている。その利用方法としてはセメント及びコンクリートに混入する方法が最も有効であるが、消費量に限界があり、新たな用途が研究されている。しかし、新しい用途による使用量は未だ十分ではない。その中で軽量骨材の原料としての利用が種々検討されてきている。
すなわち、高性能軽量コンクリートは、建築、土木構造物に有効であるが、阪神大震災の教訓から上部構造の軽量化についての必要性を体験させられた。いくら構造物全体が頑強であろうと、上部構造の軽量化は避けてとおれない。特に都市部に一極集中化した日本の社会や多くの発展途上国では、都市への人口集中による災害の大規模化が恐れられている。ビルは上へ上へと階層を重ね、高架橋も二層、三層と複雑になるばかりである。それらの構築物に安全面で必要なのは、上部構造の高強度かつ軽量化である。そこで、このようなことを目指して、特許文献１〜１０等においては石炭灰を人工軽量骨材として有効利用する提案が種々なされている。
【０００３】
また、産業廃棄ガラスは着色の多様性からくる選別時のコスト高により再利用が制限されているものがあり、そのリサイクル使用は不完全である。そして、産業廃棄ガラスを石炭灰と共に組み合わせて人工軽量骨材として十分に成功した例はない。
【特許文献１】特開２０００−３１３６７９号公報
【特許文献２】特開２０００−２６１４２号公報
【特許文献３】特開平１１−３１４９７７号公報
【特許文献４】特開平１１−１８０７５３号公報
【特許文献５】特開平１１−１８０７５２号公報
【特許文献６】特開平１０ー８７３５７号公報
【特許文献７】特開平９−３０９７５２号公報
【特許文献８】特開平９−２７８５０２号公報
【特許文献９】特開平９−２５１４６号公報
【特許文献１０】特開平７−４１３４３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
１）従来の石炭灰を利用した軽量骨材は、原料中に含まれるカーボンを発泡源として利用しようとするところに問題がある。またカーボンによる還元雰囲気を考慮せず酸化雰囲気を必要とするＳｉＣでの発泡を行おうとしたところにも問題がある。
具体的には従来の方法では石炭灰の溶融時までカーボンを残存させ、溶融後閉ざされた構造の中で、空隙に残る空気からの酸素や、ガラス層に含む溶存酸素とカーボンが反応してＣＯ2ガスとなり発泡する方法をとっていたが、石炭灰に含有されるカーボンの量は発泡に利用するよりはるかに多い。そのため溶融によって閉ざされた組織内で過剰なカーボンが還元剤として働き、ガラス相中のＦｅ2Ｏ3をＦｅＯに還元してしまう。ＦｅＯはガラス相においてはその粘性を急激に下げてしまい、温度コントロールの出来ないうちに、必要以上に柔らかくなり気泡膜が破れ、それらが酸素供給の最も離れた、粒の中芯部に集中し、そしてさらに発達して中心部に粗大気泡をもたらす。
【０００５】
さらにこれらのカーボンや頁岩等に含まれる発泡源の粘土鉱物等の分解ガスは発泡ガスとして、加熱時においてガラス相生成の前からガスが発生しており、また、ガスの通路は総てが閉じられているわけではないため、溶融ガラスがその通路を塞がない限り、連続気孔として残る。そして耐火度の高い鉱物部分はガラス化せず、一部素焼きあるいは燒結の段階にとどまる。したがって、そのようなガラス相の発生と熱分解によるガス発生の終結とが同時に起こるようなバランスのとれた原料を見つけることは難しい。
【０００６】
２）石炭灰に発泡剤としてＳｉＣ粉末を添加し、残存カーボンは溶融温度までに酸化燃焼させて溶融相の中に残らないようにする方法があることは特許文献や当方の実験でも確認されている。しかし、それは緩やかな昇温曲線においてであり、実際のロータリーキルンでは黒芯現象を排除できないのが現実である。被熱物はバーナー付近ではバーナーの直火や急激輻射熱によって急激な温度上昇が起きており表面と内部に大きな温度差をもっている。それが原因で本発泡をより困難なものにしている。
【０００７】
３）また、石炭灰は融点が高く、高融点のものは１４００℃にも達することもある。そのためＳｉＣ発泡に必要なガラス相の生成には非常に高温が必要であり、石炭灰単味で従来の方法をそのまま適用することは熱効率上不利である。
本発明では、産業廃棄ガラス等を有効活用して石炭灰のガラス化を促進させ、微粉砕した原料が均一なガラス相を形成し、ＳｉＣを用いて発泡させ、その問題点を解決し、特に高性能の軽量骨材を提供せんとするものである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するために下記の構成よりなる。
（１）本発明に係る高性能軽量骨材の製造方法は、予め内在するカーボン分を除去する石炭灰を１０μｍ以下の微粉末とし、これに産業廃棄ガラス粉末および火山ガラス粉末の両方又はいずれかと増粘剤を加え、これにＳｉＣ粉末を０．０５〜１．０重量％の範囲で添加して造粒し、ついで１１５０〜１３２０℃で焼成することを特徴とする。
（２）本発明に係る高性能軽量骨材の製造方法は、石炭灰に内在するカーボン分を除去するに際し、石炭灰を６００〜８００℃で０.５〜５時間滞留させてから焼成することを特徴とする上記（１）記載のものである。
（３）本発明に係る高性能軽量骨材の製造方法は、石炭灰より流動層キルンを用いて未燃カーボンを除去したものを原料として使用することを特徴とする上記（１）記載のものである。
（４）本発明に係る高性能軽量骨材の製造方法は、石炭灰中の未燃カーボンを遠心分離機にて除去したものを原料として使用することを特徴とする上記（１）記載のものである。
（５）本発明に係る高性能軽量骨材の製造方法は、石炭灰に産業廃棄ガラス粉末およびＳｉＣを加え直径が５０μｍから１０００μｍの微粒に造粒し、それを流動層キルンを用いて焼成発泡することを特徴とする上記（１）記載のものである。
この製造方法によって製造される高性能軽量骨材は微粒である為、空気中の酸素が被熱物の内部まで十分供給され黒芯現象を起こすことなく微粒発泡体を得ることができる。石炭灰に産業廃棄ガラス粉末およびＳｉＣを加え直径が５０μｍ未満では、過焼成になる場合があり、１０００μｍを超える場合は黒芯現象を十分に抑制することができない。なお微粒の造粒の観点からは、特に５００μｍから１０００μｍが好ましい。
【０００９】
すなわち、本発明では原料としての石炭灰を１０μｍ以下の微粉末に粉砕し、カーボン分を除去した後、これに産業廃棄ガラス粉末および火山ガラス粉末の両方又はいずれかと増粘剤を加え、これを造粒して焼成することを基本とする。産業廃棄ガラス粉末は集荷にムラがあり安定供給に問題があるので、適宜、シラス、抗火石、黒曜石、真珠岩、流紋岩等の火山ガラス粉末を加えて調整する。又、ベントナイト等の増粘剤を適宜添加することによって焼成時の保形性を保つ。またＳｉＣの使用量は０.０５〜１.０％の範囲が良い。０.０５％より少ないと発泡が十分でなく、１.０％を超えると連通気泡が生じ易く好ましくない。
ＳｉＣは高温耐火物として良く知られており、単体では１４００℃まで分解しないが、本発明では焼成時にガラス相が生じた時に濡れが発生するとこれと反応し、分解ガスを出して発泡現象を起こす。ＳｉＣ耐火物からみれば、溶融ガラスに侵食される。
【００１０】
また焼成の際、加熱昇温時に６００〜８００℃で０.５〜５．０時間炉内で滞留させることにより、石炭灰中の炭素分を完全に除去し、ガラス質が溶融して発泡を開始するときには残存炭素はなくなり粗大気泡の発生がなくなる。焼成が０．５時間未満であると石炭灰内にカーボン分が残留する場合があり、５時間を超える場合には黒芯現象等が生じるおそれがあり好ましくない。
焼成時にはＳｉＣの使用量による発泡作用が主となり発泡の調整が容易となる。ＳｉＣの使用量は０.０５〜１.０％の範囲が良い。０.０５％より少ないと発泡が十分でなく、１.０％を超えると連通気泡が生じ易く好ましくない。
石炭灰はすでに高温にさらされていて、未燃カーボン以外に自己発泡性の鉱物等は持たないため、残存カーボンが酸化によって除去されていれば、発泡は添加したＳｉＣのみで起こるため、容易に制御が可能となる。そこで原料を微粉砕する前に流動層キルンで６００℃〜８００℃で焼成しカーボンを除去する。流動層キルンにおいて石炭灰微粉末は燃焼ガスとの接触機会が多く、また滞留時間を調整することにより確実にカーボンを除去することができる。その後冷却して１０μｍ以下に微粉砕し産業廃棄ガラスあるいは、さらに火山ガラス粉末及び増粘剤を加え、これにＳｉＣ粉末を０．０５〜１．０％の範囲で添加して造粒し、その造粒物を通常のロータリーキルンで焼成する。
【００１１】
得られる粗骨材は原料の微粉砕とＳｉＣの均一な分散が製品の性能を左右する。そのため、微粉砕性と均一混合にすぐれた湿式ボールミルやチューブミルを用いることがある。その場合、石炭灰は含水率約５０％のスラリーとなる。そのスラリーを遠心分離機にかけることによりカーボンと灰とを分離しカーボンを燃焼処理し、ＳｉＣ発泡に適した石炭灰を得ることが出来る。カーボンを除去した石炭灰を微粉砕し上記と同様な配合で焼成発泡させる。
他に流動層キルンを用いて石炭灰より未燃カーボンを除去する方法もある。
【００１２】
本発明で使用する各原料の化学成分の代表例を表１に示す。
【表１】
2005075699.tif 000002
【００１３】
又、骨材粒子原料の配合比は以下のとおりである。火山ガラスの量は産業廃棄ガラスのとの合計量の範囲内である。すなわち、産業廃棄ガラスの５部から３０部の一部を火山ガラスで置きかえるか、場合によっては、全部置きかえるか、あるいは火山ガラスを全く添加しない。すなわち、産業廃棄ガラスと火山ガラスは各々ガラス質として単独で使用できるが、石炭灰の量は本発明の目的がその有効活用にあるため比較的多く用いる。例えば６０部から９０部が好ましい。また増粘剤を５〜１０部加えると良い。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、石炭灰と産業廃棄ガラスのような廃材を用いて、高強度でしかも軽量な高性能骨材を有効に提供することができる。得られる製品は独立気泡を有し、低吸水性率のものである。したがって、資源の有効活用と、これを用いて構築した構造物の軽量化に役立つ。本発明は、粗骨材の製造にも、微細骨材の製造にも適している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
表１に示す平均粒径が１０μｍ以下の石炭灰及び産業廃棄ガラスを９：１〜３：７の配合比で混合し、これに５重量％のベントナイトと０．２重量％のＳｉＣ粉末とを加え、全量の１１０％の水を加えて、ポットミルに入れ、アルミナボールを充填して、６時間湿式粉砕、混合を行った。なお、産業廃棄ガラス粉は飲料用の褐色ビンを使用し、スチールボールによりボールミル乾式粉砕したものを用いた。
粉砕、混合した原料スラリーを石膏型に流し入れて適度に水分吸収させ、半分を粘土状になった状態で取り出して造粒し、粒径１５ｍｍ程度の球とした後、自然乾燥させた。さらに残りの半分は石膏型より脱型し１２０℃で完全に乾燥させた。これを先の粒径１５ｍｍ程度の大きさに破砕成形した。
【００１６】
焼成は図１に例示する焼成装置を用いて行った。１は仮焼回転炉で、２より上記原料を装入し、上部バーナー３で仮焼する。温度は６００〜８００℃の範囲で、回転を調節し３時間から５時間の滞留時間をとり保持した。その後下段の本焼成回転炉４で下部バーナー５によって、１１５０〜１３２０℃で焼成し発泡させる。焼成後は冷却炉６に移して冷却し製品とする。
【００１７】
石炭灰中のカーボンを除去する方法として図２に示す方法もある。７は流動層で、予め流動層部を６００〜８００℃に保ち、上部より石炭灰を投入し、層高を約３００ｍｍに保ち、約５００秒バブリングし、石炭灰中のカーボンを燃焼除去し、その後、３００℃まで冷却し、過剰ガスを送り、サイクロン分離機８で捕集した。このサイクルを繰り返して所定量を確保した。
そして、これを原料として上記の配合に準じて配合した原料を、乾式ポットミルにて７μｍまで微粉砕し、それをパン型ペレタイザーにて約１．５〜３ｍｍまでの粗骨材サイズに造粒した。乾燥機で水分３％になるまで保持し、昇温から焼成まで４５分の通常のロータリーキルンの温度曲線で焼成した。石炭灰は予めカーボンが取り除かれているため、黒芯現象を起こすことなく焼成することができた。
上記の方法で粉砕処理した原料を高速攪拌造粒機によって１０００μｍから５０μｍに造粒し，流動層キルンで焼成し発泡させ高性能な軽量微粒発泡体をうることができた。この方法によれば残存カーボンを事前に除去することなく石炭灰の有効利用をはかることができる。
【００１８】
更に遠心分離機を利用したカーボンの除去方法もある。図３は、遠心分離機を利用した場合における遠心分離後の石炭灰スラリーの分離状態を示す図である。石炭灰を湿式ミルにて３０μｍ程度まで簡単に微粉砕し、石炭灰に付着したカーボンを切り離した。そのスラリーを直径４５０ｍｍの遠心分離機にかけた。直径３０ｍｍ、長さ１００ｍｍのプラスチックの円筒にて回転数３０００ｒｐｍにて３０分回転させた。円筒内は下部に石炭灰の薄いグレーの部分１０がたまり、その上層部に濃いグレーの層１１が数ｍｍあり、さらにその上は澄んだ水１２があり、その上には黒いカーボン１３が少し浮いていた。焼成には下部にたまっている明るいグレーの部分１０を使用した。
【実施例】
【００１９】
＜実施例１〜８＞
石炭灰、産業廃棄ガラス、火山ガラス、ＳｉＣを下記表２に示す配合とし、バインダーとして増粘剤（ベントナイト）を加えて、それぞれの温度で焼成した。製品の比重、真空吸水率、圧壊強度も併せて示した。さらに他の市販品（比較例１及び比較例２）についても同様の試験をした。なお比較例１として超軽量頁岩系の骨材を用い、比較例２として中国膨張粘土系骨材を用いた。
【表２】
2005075699.tif 000003
【００２０】
なお、物性の測定は下記のように行った。
◎２４時間吸水率試験
焼成粒子の絶乾重量を測定した後、重しと共に布袋に入れ、深さ４〜５ｃｍに張った水中に沈め、２４時間吸水させた。取り出した粒子は表面を布で拭い、表面乾燥状態として重量を測定し、吸水率を求めた。測定は焼成後そのままの状態と、粒子を中央部で破断して発泡面を露出させた状態およびボールミルを用いて表面層を剥離させた状態の３つについて行った。
【００２１】
◎真空吸水率測定
焼成粒子の絶乾重量を測定した後、重しと共に布袋に入れ、真空容器の底に置いた。真空ポンプ（最大５０Ｔorr）を用いて内部を真空状態とし、３０分間保持してから上部より水を加え水深約２０ｃｍとし、内部圧力を真空状態に保ったまま２時間吸水させた。装置内を大気圧に戻してから粒子を取り出し、粒子表面を濡れた布で拭って表面乾燥状態としてから、重量を測定し吸水率を求めた。
【００２２】
◎比重
焼成粒子の絶乾重量を測定した後、比重ビンを用いて比重を測定した。測定は各焼成条件での粒子全体について行うと共に球状粒子（非破壊）については１個粒子での比重測定を行った。
◎圧壊荷重測定
絶乾状態とした焼成粒子１個に上部より圧力を加え粒子を破壊した。粒子が破断した時点で圧壊を停止し、粒子にかかった圧力のピーク値を圧壊荷重（ｋｇ）とした。粒子は破壊前に粒子径を測定した。又、破断後に断面の観測を行い、抱き込み気泡等の有無を確認した。
【００２３】
図４及び５には真空吸水率と比重との関係をグラフ化した。本発明の実施例の骨材は、真空吸水率でも大きくなることがなく、独立気泡であることが分かる。図６及び７には圧縮強度と比重との関係をグラフ化した。産業廃棄ガラスを１０％加えたものより、２０％、３０％と増やした方が圧縮強度は上がるが、火山ガラスも同様の効果がある。したがって、産業廃棄ガラスの調達が困難な場合でも、シラス等の火山ガラスで補うことができるので、原料の調達には安定性がある。
【００２４】
＜実施例９〜１３＞
次に石炭灰、産業廃棄ガラス、火山ガラス（抗火石）、ＳｉＣを下記表３に示す配合（ＳｉＣは外掛）とし、バインダーとして増粘剤（ベントナイト）を加えて、それぞれの温度で焼成した。製品の比重、真空吸水率、圧壊強度も併せて示した。
【表３】
2005075699.tif 000004
【００２５】
なお、物性の測定を上記実施例１〜８と同様に行った。
その結果として、図８及び９には実施例９〜１４における軽量骨材の真空吸水率と比重との関係をグラフ化した。本発明の実施例９〜１４の骨材は、真空吸水率でも大きくなることがなく、独立気泡であることが分かる。更に図１０には実施例９〜１１の骨材について圧縮強度と比重との関係をグラフ化した。産業廃棄ガラスを１０％加えたものより、２０％、３０％と増やした方が圧縮強度は上がるが、火山ガラスも同様の効果がある。したがって、産業廃棄ガラスの調達が困難な場合でも、シラス等の火山ガラスで補うことができるので、原料の調達には安定性がある。
【００２６】
◎発泡断面観察
本発明に係る骨材の破断面を走査型電子顕微鏡によって撮影した写真を図１１に示す。併せて市販品についての写真も示す。それぞれ図１１（ａ）は実施例５、（ｂ）は実施例１０、（ｃ）は中国製膨張粘土系骨材及び（ｄ）は頁岩系軽量骨材の破断面である。
図１１（ａ）より明らかなように実施例５の破断面では均一なマトリックス部と独立した真球な気泡形状が視認でき、（ｂ）より実施例１０の破断面では気泡の壁に独立気泡が視認できる。他方、（ｃ）及び（ｄ）の破断面は、粘土鉱物等の加熱分解によるガスを発泡起源としているため、人工的に気泡の形状や数量をコントロールできないため、連通気泡や異形な気孔をなしているのが分かる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明を実施するに適した装置の一例の説明図である。
【図２】石炭灰中のカーボンをサイクロン分離機を用いて除去する説明図である。
【図３】遠心分離機を利用した場合における遠心分離後の石炭灰スラリーの分離状態を示す図である。
【図４】実施例１〜５における軽量骨材の比重と真空吸水率の変化を示すグラフである。
【図５】実施例６〜８における軽量骨材の比重と真空吸水率の変化を示すグラフである。
【図６】実施例１〜５における軽量骨材の比重と圧壊荷重の変化を示すグラフである。
【図７】実施例６〜８における軽量骨材の比重と圧壊荷重の変化を示すグラフである。
【図８】実施例９〜１１における軽量骨材の比重と真空吸水率の変化を示すグラフである。
【図９】実施例１２〜１４における軽量骨材の比重と真空吸水率の変化を示すグラフである。
【図１０】実施例９〜１１における軽量骨材の比重と圧壊荷重の変化を示すグラフである。
【図１１】骨材の破断面を走査型電子顕微鏡によって撮影した写真である。（ａ）は実施例５、（ｂ）は実施例１０、（ｃ）は中国製膨張粘土系骨材及び（ｄ）は頁岩系軽量骨材の破断面の写真である。
【符号の説明】
【００２８】
１    仮焼回転炉
２    材料投入口
３    バーナー
４    本焼成炉
５    バーナー
６    冷却帯
７    流動層
８    サイクロン分離器
【図１】
2005075699.tif 000005
【図２】
2005075699.tif 000006
【図３】
2005075699.tif 000007
【図４】
2005075699.tif 000008
【図５】
2005075699.tif 000009
【図６】
2005075699.tif 000010
【図７】
2005075699.tif 000011
【図８】
2005075699.tif 000012
【図９】
2005075699.tif 000013
【図１０】
2005075699.tif 000014
【図１１】
2005075699.tif 000015