(57)【要約】【課題】アルミナを主成分とする原料を用いてコランダム系の人工骨材を製造するにあたり、高強度のアルミナ質人工骨材を安価に製造するための方法及び該製造方法で得られるアルミナ質人工骨材を提供する。【解決手段】アルミナを主成分とする原料と、成分調整材及び／又は焼結助材との粉末状の混合原料をロータリーキルンに投入し、転動造粒しながら焼成することを特徴とするアルミナ質人工骨材の製造方法及び該製造方法で得られた絶乾密度が１．０〜２．５ｇ／ｃｍ3、24時間吸水率が０．１〜７％、直径５〜１０ｍｍの骨材の圧かい荷重が１．０ｋＮ以上、直径１０〜１５ｍｍの骨材の圧かい荷重が１．５ｋＮ以上のアルミナ質人工骨材である。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナを主成分とする原料と、成分調整材及び／又は焼結助材との粉末状の混合原料をロータリーキルンに投入し、転動造粒しながら焼成することを特徴とするアルミナ質人工骨材の製造方法。
【請求項２】
原料の一部として廃棄物を使用することを特徴とする請求項１に記載のアルミナ質人工骨材の製造方法。
【請求項３】
請求項１又は２のいずれか１項に記載の製造方法で製造し、以下の性状を有することを特徴とするアルミナ質人工骨材。
絶乾密度      ：１．０〜２．５ｋｇ／ｃｍ3
２４時間吸水率：０．１〜７％
圧かい荷重    ：直径が５〜１０ｍｍの粒子  １．０ｋＮ以上又は
直径が１０〜１５ｍｍの粒子  １．５ｋＮ以上
【請求項４】
化学組成が、SiO2  ２０〜４０質量％、CaO  ５〜２５質量％、Al2O3  ４５〜６５質量％であることを特徴とした請求項３に記載のアルミナ質人工骨材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はアルミナ質人工骨材の製造方法及びアルミナ質人工骨材に関し、特に高強度且つ低吸水率のアルミナ質人工骨材の製造方法及びアルミナ質人工骨材に関する。
【背景技術】
【０００２】
建築物の高層化や、建築物、土木構造物の耐震性、耐久性向上の観点から、コンクリートの高強度化が求められている。一般的にコンクリートの強度を高めるためには、セメントや混和剤の選定、水量をはじめとした各材料の配合量等の最適化を図ることが重要であることは勿論であるが、使用する骨材の強度が大きく影響することが知られており、より高強度の骨材を用いる必要があると言われている。
【０００３】
ボーキサイトを焼成して得られたコランダム系の骨材は、天然砕石と同等がそれ以上の強度を示すことから、高強度を必要とするコンクリートの粗骨材として用いることが可能で、特許文献１及び２には、これ用いたコンクリートが提案されている。
【０００４】
【特許文献１】特開平５−２０８８５６号公報
【特許文献２】特開平５−５８７００号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１及び２のように、ボーキサイトを焼成して骨材を得る場合には、確かに得られた骨材は高強度であるが、Al2O3−SiO2−CaO  ３成分系状態図からも明らかなように、非常に融点が高く、焼成に高温を要することに加え、原料のボーキサイトはアルミニウムの原料として重要であり、骨材の原料としては高価なものであるという問題点があった。
【０００６】
そこで本発明は、かかる問題を解決するためになされたものであり、アルミナを主成分とする原料を用いてコランダム系の人工骨材を製造するにあたり、高強度且つ低吸水率のアルミナ質人工骨材を安価に製造するための方法及び該製造方法で得られるアルミナ質人工骨材を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明者らは、鋭意検討を行った結果、アルミナを主成分とする原料に成分調整材、焼結助材等を混合し、ロータリーキルンで転動造粒しながら焼成することが有効であることを見出し、本発明を完成するに至った。
【０００８】
すなわち、請求項１の発明は、アルミナを主成分とする原料と、成分調整材及び／又は焼結助材との粉末状の混合原料をロータリーキルンに投入し、転動造粒しながら焼成することを特徴とするアルミナ質人工骨材の製造方法である。
【０００９】
成分調整材の添加は、アルミナを主成分とする原料の焼結温度を低下させる効果がある。焼結助材は、焼結反応を促進する効果がある。これらにより、アルミナ質人工骨材の焼成温度が過剰に高かくなることを防止することができる。
【００１０】
また、前記混合原料を造粒して焼成するのではなく、粉末状のままロータリーキルンに投入し、転動造粒しながら焼成することにより、粒子の内部から表層まで、緻密に焼き締まり、高強度且つ低吸水率のアルミナ質人工骨材を得ることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、原料の一部として廃棄物を使用することを特徴とする請求項１に記載のアルミナ質人工骨材の製造方法である。
【００１２】
特に、主原料であるアルミナを主成分とする原料について、産業廃棄物であるアルミドロス等を用いることにより、人工骨材を安価に製造することが可能となる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項に記載の製造方法で製造し、絶乾密度：１．０〜２．５ｋｇ／ｃｍ3、２４時間吸水率：０．１〜７％、圧かい荷重：直径が５〜１０ｍｍの粒子１．０ｋＮ以上又は直径が１０〜１５ｍｍの粒子１．５ｋＮ以上の性状を有することを特徴とするアルミナ質人工骨材である。
【００１４】
請求項１又は２のいずれか１項に記載の製造方法で製造することにより、上記の諸性状を満足する、絶乾密度が高く、２４時間吸水率が低い上に、圧かい荷重が高い、アルミナ質人工骨材を得ることができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、化学組成が、SiO2  ２０〜４０質量％、CaO  ５〜２５質量％、Al2O3  ４５〜６５質量％であることを特徴とした請求項３に記載のアルミナ質人工骨材である。
【００１６】
SiO2が２０質量％より小さいと焼成温度が上昇し、易焼結性が悪くなるため好ましくなく、４０質量％より大きいと、アルミナ質の高強度が得られなくなるため好ましくない。CaOが５質量％よりも小さいと、焼成温度が著しく上昇し、実用的ではなく、２５質量％よりも大きい場合にも、易焼結性が悪くなるため好ましくない。Al2O3が４５質量％よりも小さいと、液相の大量発生等が生じ安定運転が困難となるので好ましくなく、６５質量％より大きいと、焼成温度が著しく上昇し、実用的でなく好ましくない。
【発明の効果】
【００１７】
本発明のアルミナ質人工骨材の製造方法によれば、高強度で低吸水率のアルミナ質人工骨材を安価に製造することができる。また、本発明の人工骨材は、絶乾密度、吸水率、圧かい荷重等の諸性状が良好で、高強度を必要とするコンクリートに用いることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、上記した本発明に係るアルミナ質人工骨材の製造方法及びアルミナ質人工骨材の実施の形態を、詳細に説明する。
【００１９】
本発明で原料として用いるアルミナを主成分とする原料としては、アルミナ粉末、焼成ボーキサイト等を使用できるが、廃棄物利用の観点からアルミドロスの使用が好ましい。
【００２０】
アルミドロスとは、アルミニウム及びその合金を溶解したときに生じる残渣である。アルミドロスを埋め立て処分すると、アルミドロス中に含まれる窒化物、金属分、カーバイド、サルファイド等の成分が雨水と反応して、アンモニア、メタン、硫化水素ガス等を発生して大気汚染、水質汚濁、臭気といった問題が発生する。
【００２１】
そこで、このアルミドロスを本発明におけるアルミナを主成分とする原料として有効活用すれば、粉末状で高温焼成するため、前記成分のほぼ完全な熱分解ができ、キルン排気ガスの有害物質除去を完全に行えば、環境保全上問題のない処理が可能である。
【００２２】
アルミドロスのような廃棄物を用いる場合、粉砕、仮焼することにより、アルミナの純度を高めることができ、必要に応じて行うと有効である。
【００２３】
このアルミドロスに、成分調整材及び／又は焼結助材を添加する。ここで、成分調整材とは、アルミドロスが非常に融点が高く高温焼成を必要とするので、それを適度に引き下げるために添加するものである。例えば、SiO2源として石炭灰、ケイ石粉、粘土、カオリン、ベントナイトといったものが挙げられる。また、CaO源として、石灰粉、セメント、石膏などが挙げられる。
【００２４】
一方、焼結助材とはその名のとおり、焼結反応を促すために添加するものであって、原料であるアルミドロス、或いはアルミドロスと成分調整材の混合物にすでに焼結性が備わっていれば特に添加する必要はない。しかし、これら原料成分では十分な焼結性が確保できない場合には、焼結助材を添加する。
【００２５】
焼結助材としては、種々の物質が利用可能であるが、例えば上記に示した成分調整材のうち、粘土、カオリン、ベントナイト、各種Al2O3源及びセメント等は焼結を促す効果を併せ持っており、焼結助材になり得る。MgOも焼結を促す効果を有しており、MgO、Mg(OH)2、MgCO3、CaCO3・MgCO3（ドロマイト）、MgO・Al2O3（スピネル）、2MgO・SiO2（フォルステライト）なども好適である。また、鉄鋼副産物であるフェロニッケルスラグなどもMgOの含有量が高く焼結助材として有効利用することが好適な材料である。
【００２６】
カリウムやナトリウムなどのアルカリ金属の酸化物や、炭酸化物、例えば炭酸ナトリウムや炭酸カリウムなども、焼結反応を促進する効果を示すことが知られており、その複合酸化物である正長石、曹長石などの長石族、硝石、雲母族、霞石も焼結助材として好適である。また、廃ガラス、赤泥なども焼結助材として用いることが可能で、廃棄物の有効利用という観点からも好適である。
【００２７】
また、鉄を含有する酸化物や複合酸化物、例えばFe2O3粉末や鉄さいなども、焼結反応を促進する効果を持っており、使用することが可能である。
【００２８】
さらに、各種の焼却灰や焼却飛灰、或いは下水汚泥、建設発生土、汚染土壌などは、焼結を促す種々の成分を含有しており、添加量によっては十分に焼結助材としての機能を発揮する。副産物や廃棄物の有効活用という観点からも、これらの利用を推奨する。これらの中には、油類などの可燃分を数１０％程度含んでいるものもあるが、その使用を制限するものではない。
【００２９】
これら焼結助材の添加量としては、アルミナ質人工骨材中の焼結助材成分元素の酸化物換算値として、
MgO：０．１〜１０質量％
R2O：０．１〜１０質量％
（R2Oとは、アルカリ金属酸化物の総称で、R2O（％）＝Na2O（％）+０．６８５K2O(％)で表すことができる。）
Fe2O3：０．１〜１０質量％
とすると良い。
【００３０】
MgOが０．１質量％よりも小さいと焼結助材としての効果が得られないため好ましくなく、１０質量％よりも大きいと焼結助材としての効果はそれ以上は増加しないため好ましくない。R2Oが０．１質量％よりも小さいと焼結助材としての効果が得られないため好ましくなく、１０質量％よりも大きいと焼結時の液相の発生が急激になり、安定した運転が行えなくなるため好ましくない。また、Fe2O3が０．１質量％よりも小さいと焼結助材としての効果が得られないため好ましくなく、１０質量％よりも大きいと焼結時の液相の発生が急激になり、安定した運転が行えなくなることや、焼成の雰囲気によっては、O2を放出し、骨材に無数の気泡を発生させる原因となるため好ましくない。
【００３１】
これらの原料を、所定の割合で混合し、粉砕後ロータリーキルンに供給し、転動焼成して本発明のアルミナ質人工骨材を得る。
【００３２】
原料の混合、粉砕は、均質な混合物が得られ、所定の粒度に粉砕できれば、任意の混合機、粉砕機を用いることができる。混合後粉砕をしても、粉砕後混合をしても、混合・粉砕を同時に行っても良い。混合、粉砕、混合粉砕を、それぞれバッチ式、連続式どちらで行っても良い。
【００３３】
この混合が不十分であったり、原料粉末の粒度が粗粒であったりすると、良好な骨材が得られなくなるため、これらの操作には最大の注意を払う必要がある。ここで、粉末原料の平均粒子径は、アルミドロス等の各原料の反応性、焼結性を考慮すると、１〜３０μｍが好ましい。１μｍよりも小さくなると粉砕等に掛かる費用が急騰するため好ましくなく、３０μｍよりも大きいと反応性、焼結性が悪くなり好ましくない。
【００３４】
混合粉砕された原料は、粉末の状態でロータリーキルンに投入し、転動造粒しながら焼成する。ロータリーキルンは、被焼成物を転動しながら焼成するので、焼成の過程で同時に粉末の被焼成物を造粒し、粒子状としていくことができる。また、焼成温度のコントロールが容易で、安定した品質の骨材を連続して得られることから、工業生産に適している。
ここで、ロータリーキルンによる転動造粒ではなく、事前に造粒してからロータリーキルンに送入し焼成した場合には、焼成途上で原料から発生した気体により、造粒体に気孔が残存し、結果として吸水率、強度に優れた人工骨材が得られなくなる。
【００３５】
ここでの焼成は、好ましくは１２５０〜１４５０℃、より好ましくは１３００〜１４００℃にて行う。焼成温度が１２５０℃より低いと、焼成物が緻密化せず、所望品質の骨材が得られないため好ましくない。また、１４５０℃を超えると、混合原料が溶融してしまい、運転に支障を来たすため好ましくない。
【００３６】
ここで使用するロータリーキルンは、セメント焼成キルンのように、排気系に予熱設備、廃熱ボイラー等を付設していても、していなくても良い。
【００３７】
燃料としては、重油、微粉炭、再生油、LPG、LNG等、一般的に用いられているものであれば、単体或いは混焼で使用すればよく、所定の焼成温度となるように、焚き込み量を調整する。近年、セメントキルンにおいて、廃プラスチックや廃タイヤ等が燃料代替として用いられているが、それらを燃料の一部として用いても良い。
【００３８】
焼成時間は、概ね１５分から１２０分とするのが適当である。１５分より短いと焼結反応が十分進行しないので好ましくない。１２０分より長くすると、焼成に要するコストが高騰するので好ましくない。焼成時のロータリーキルン内のO2分圧は、一般的な範囲である３〜１２％に調整すると良いが、特に限定されるものではない。
【００３９】
サイクロン等の飛散原料の循環系を備えていないロータリーキルンにて焼成を行う場合は、ロータリーキルン窯尻の風速が概ね５ｍ／ｓ以下となるよう、ドラフトを調整すると良く、該風速が５ｍ／ｓを超えると、多量の原料が系外へ飛散し、焼成物の収率が低下するため好ましくない。
【００４０】
焼成中は、粒子状となった被焼成物同士の、それ以上の融着を防止する目的で、融着防止材をロータリーキルンの窯前から吹き込むと良く、融着防止材としては、ケイ石粉末、水酸化アルミニウム粉末、アルミナ粉末、セメント、セメントの主要鉱物であるエーライト又はビーライトの粉末などを用いることができる。
【００４１】
融着防止材の平均粒子径は、１０〜１０００μｍのものを用いると、融着防止効果が得られ易いので良く、その純度が高く、融点が高いものほど良い。融着防止材の平均粒子径が１０μｍより小さいと、焼成中に焼成物中に取り込まれる可能性が高く、融着防止効果が低下するとともに、人工骨材の品質低下を生じるため、好ましくない。融着防止材の平均粒子径が１０００μｍより大きくなると、送入部位等の磨耗が著しく、これら消耗部位や部品の交換が頻繁になるため好ましくない。
【００４２】
融着防止材の吹込み方法としては、焼点付近に融着防止材が所定量吹付けられる方法であれば、特に限定されないが、例えば水冷管或いは空冷管等の送入管をロータリーキルンの窯前から挿入し、エジェクター等の空気圧送やモノーポンプ等の輸送ポンプによって、融着防止材を吹込むと、装置が簡便にでき推奨される。
【００４３】
また、融着防止材の吹込み量は、ロータリーキルンに送入する混合原料に対し、３〜１０質量％が好ましい。３質量％より少ないと融着防止材としての効果が得られ難く、１０質量％を超えると融着防止効果はそれ以上増大しないため、好ましくない。
【００４４】
このような製造方法によって、絶乾密度が１．０〜２．５ｇ／ｃｍ3、24時間吸水率が０．１〜７％、直径５〜１０ｍｍの骨材の圧かい荷重が１．０ｋＮ以上、直径１０〜１５ｍｍの骨材の圧かい荷重が１．５ｋＮ以上のアルミナ質人工骨材を得る。
【００４５】
本発明のアルミナ質人工骨材は、鉱物種として少なくともコランダムが含有されていることが好ましい。そのためには、原料であるアルミドロス等のアルミナを含む主原料と、成分調整材及び／又は焼結助材とを、一定組成となるように配合し、焼成すれば良い。そして焼成されたアルミナ質人工骨材の化学組成が、CaO：５〜２５質量％、SiO2：２０〜４０質量％、Al2O3：４５〜６５質量％であることが好ましい。各化学成分がこの範囲を外れた場合の弊害は、前述したとおりである。
【実施例】
【００４６】
次に、実施例や比較例を用いて、本発明の詳細を説明する。
〔実施例１〜５〕
実験に用いたアルミドロス２種類（Ａ及びＢ）、成分調整材３種類（石炭灰、建設発生土、炭酸カルシウム）、焼結助材１種類（フェロニッケルスラグ）の化学組成を表１に示す。なお、建設発生土は水分を約３０％含んでいたので、乾燥を十分に行ってから使用した。
【００４７】
（表１）
2005281075.tif 000002
【００４８】
表１に示した原料を表２に示す割合で計量し、焼成物が本発明の好ましい化学成分範囲となるように配合した。該配合原料を、バッチ式のチューブ型ボールミルを用いて、１バッチの原料投入量１００ｋｇとして、３０分混合粉砕を行った。これにより得られた平均粒子径１０μｍの混合原料を、内径０．３５ｍ×長さ３．２ｍのロータリーキルンに３０ｋｇ／ｈで送入し、滞留時間が４０分となる条件で、緻密質の人工骨材が得られるよう燃料であるＡ重油の焚き量を調整しながら焼成した。この際、被焼成物の融着を防止する目的で、平均粒子径３０μｍのケイ石粉末を窯前から１．５ｋｇ／ｈで焼点付近へ吹込みながら焼成した。こうして焼成物として得られた人工骨材は、外観上緻密質なものであった。
【００４９】
（表２）
2005281075.tif 000003
【００５０】
得られた人工骨材を目開き５、１０、１５ｍｍの篩にて篩い分け、５〜１０ｍｍ、１０〜１５ｍｍの人工骨材についてそれぞれ化学組成を蛍光Ｘ線分析により定量分析し、絶乾密度、吸水率をＪＩＳ  Ａ  １１１０に準拠して測定した。さらに、骨材強度を測定するため、一軸プレスによる圧かい荷重を測定した（土木学会基準の高強度フライアッシュ人工骨材の圧壊荷重試験方法に準拠して測定した。）。それらの結果を表３に示す。表３から明らかなように、いずれの実施例とも吸水率が低く、且つ高強度の人工骨材が得られた。また、各人工骨材を粉砕し、粉末Ｘ線回折装置により、主要鉱物を同定したところ、各人工骨材の主要鉱物として、コランダムの存在が確認された。
【００５１】
（表３）
2005281075.tif 000004
【００５２】
〔比較例〕
実験には表１に化学組成を示したアルミドロス１種類（Ａ）、成分調整材２種類（石炭灰、炭酸カルシウム）を用いた。これらを表４に示す配合にて計量し、原料とした。
比較例では、配合した原料を実施例と同様に混合粉砕後、パンペレタイザーで直径約１０ｍｍに造粒し、該造粒物をやはり実施例と同様に焼成した。得られた人工骨材は外観上気孔の多いものであり、実施例と同様の各種測定を行った結果は表５に示すとおりで、吸水率、強度ともに、望ましい結果は得られなかった。
【００５３】
（表４）
2005281075.tif 000005
【００５４】
（表５）
2005281075.tif 000006
【００５５】
以上の実験結果より明らかなように、本発明のアルミナ質人工骨材の製造方法によれば、高強度、低吸水率のアルミナ質人工骨材が得られることがわかる。