(57)【要約】【課題】下水汚泥、一般廃棄物もしくは産業廃棄物の有効利用として、天然骨材の代替品として提供することが本発明が解決しようとする課題である。【解決手段】汚泥溶融スラグ、焼却灰スラグなどの廃棄物スラグ１００部（重量割合）に対して石炭灰などの粘土成分２０〜１００部、ベントナイトなどの粘結剤５〜４０部からなる原料を粉砕し、混練し、造粒した後、１１００℃〜１２５０℃で焼成して、人工骨材の製造した。本発明の人工骨材の強度は結合材としてのスラグに析出した灰長石に起因する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃棄物スラグ１００部（重量割合）に対して粘土成分２０〜１００部、粘結剤５〜４０部からなる原料を粉砕し、混練し、成形した後、１１００℃〜１２５０℃で焼成する人工骨材の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の原料に発泡剤０．５〜５部を添加した、請求項１記載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項３】
請求項１もしくは請求項２記載の原料を成形し焼成した焼成物のマトリックス層に主として灰長石を析出してなる人工骨材もしくは人工軽量骨材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は汚泥溶融スラグや焼却灰スラグの有効利用に関すると共に、天然骨材枯渇の現状に鑑み、代替可能な人工骨材とその製造方法を提供するものである。
【背景技術】
【０００２】
特開平６−１６６５７９は石炭灰の有効利用に関するもので、石炭灰相互の結合に廃棄物スラグを使用し、廃棄物スラグの溶融物が石炭灰にふくまれる空気膨張により発泡させた軽量骨材に関するものであった。スラグ溶融物で石炭灰粒子間を充填させているにすぎないから、好ましい配合割合では石炭灰１００部に対してスラグ溶融物の含有量は多くても４０部を越えず、廃棄物スラグの消費観点からは必ずしも好ましい利用途のものではなく、また、石炭灰とスラグ溶融物のバインダーの間の膨張係数の相違などから微細なクラックが発生しやすく、製造した骨材は圧壊強度が高い軽量人工骨材とはなりえなかった。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
従来、各地の下水処理場から発生する下水汚泥はそのまま埋立投棄すると衛生上あるいは悪臭公害上問題があるので焼却処分され、ごみ焼却場から発生する焼却灰などと同様、埋立投棄されているが、埋立用地確保が難しくなってきているうえに、焼却灰からの重金属の溶出など、その埋立処分にともなう二次公害が大きな社会問題となった。その後、これら焼却灰の多くは減溶化と安定化のためにさらに溶融スラグ化されているが、その多くは埋め立て処分に回されており、有効利用されているとは言えない現状がある。従って、下水汚泥、一般廃棄物もしくは産業廃棄物の有効利用として、枯渇化が叫ばれている川砂利などの天然骨材の代替品として提供することが本発明が解決しようとする課題であり、さらに言えば、圧潰強度で５KＮ 以上の性能をもつ人工骨材の提供が、本発明の解決しようとする課題である。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
汚泥溶融スラグや焼却灰スラグを粘結剤を使って石炭灰等と共に混ぜ込み、造粒して焼結させた、いわゆる焼き物を造ることは容易に着想されるところである。しかしながら、この焼成物の強度で見ると、焼成温度１１００℃では焼結による結合は弱く、１２００℃以上では汚泥溶融スラグや焼却灰スラグ自体が溶融軟化して、焼き物としての形状を保持できなくなるなどの現象が生じるが、いずれにしてもその焼成物の強度は弱く、例えば、人工骨材として利用することはできなかった。
【０００５】
しかし、本発明者は、これら焼却灰スラグや汚泥溶融スラグを石炭灰や廃粘土などと、一定の割合で混合し、２０〜１００μｍの粒径に微粉砕したのち、造粒し、焼成スケジュールとして例えば、室温から焼成温度の１２００℃迄を２時間、更に焼成温度域で２時間保持すれば、微粉砕した焼却灰スラグや汚泥溶融スラグの表面から灰長石の結晶生成があること、この灰長石が軟化するスラグの粘性を高め、軟化したスラグが石炭灰どうし、もしくは廃粘土どうしを結合させるバインダーの役割して、強度をもつ骨材ができることを発見した。
【０００６】
Ｘ線回折測定に依れば、焼成スケジュール（熱処理）として、室温から１２００℃まで２時間を掛け、１２００℃に２時間保持した後に放冷した２mm角形状の廃棄物スラグ試料では、結晶のピークは少ししか見られないが、６０μｍ中心粒径に粉砕した粉末を原料とした試料には結晶のピークが明確に見られる。即ち、粉末にした効果によって灰長石の結晶が析出したことが分かる。
【０００７】
１２００℃では、廃棄物スラグ単独を原料とすると試料は軟化変形を示し、いったん部分的に析出したアノルサイト結晶は消失するが、廃粘土、石炭灰などの粘土成分を含む材料と混練することによって廃棄物スラグのマトリック層の灰長石化が１２００℃においても実質的に促進されていることが分かる。
【０００８】
汚泥溶融スラグの粉末に石炭灰を混ぜて行くと、１１００℃程度で汚泥溶融スラグ成分が石炭灰と反応してアノルサイトを生成する。石炭灰の割合が増加すると、焼成温度が１２００℃になっても焼成物は軟化することがなくなる。スラグマトリックスに介在するアノルサイト結晶の働きによって、汚泥溶融スラグや石炭灰単独では期待できない焼結強度が生まれ、強度のある焼成物、即ち高強度な人工骨材を造ることができる。
【０００９】
表１は汚泥溶融スラグの混合割合と焼成温度が強度（圧潰強度）に及ぼす影響を表したものである。圧潰強度は原料割合の汚泥溶融スラグ量が増すほど、また、焼成温度が高いほど高い値を示すが、スラグが軟化溶融、発泡する熱処理条件になると強度は減少する。絶乾比重も強度と同じ傾向を示し、汚泥溶融スラグ量が増すほど、比重は大きくなる。汚泥溶融スラグが軟化溶融、発泡する条件になると比重は小さくなる。吸水率の傾向も比重の傾向に一致している。いずれにしても汚泥溶融スラグの含有量によって人工骨材の性状が変わることになる。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
本発明の人工骨材の製造方法について記述する。
【００１２】
２０〜１００μｍの粒径に微粉砕した汚泥溶融スラグと焼却灰スラグ及び石炭灰に粘結剤としてベントナイトを加え、水を加えて混練、造粒する。造粒物を乾燥し、焼成すれば、軽量かつ高強度の粒状骨材が得られる。実際の製造工程では、汚泥溶融スラグと焼却灰スラグ１００部（重量割合）に対して石炭灰２０〜１００部、粘結剤としてベントナイトを５〜４０部に水を加えて混練し、造粒機を通して直径５〜２０mmの球状成形体を造る。この球状成形体を乾燥させた後、焼成窯に入れて、焼成温度域までに所定の時間をかけ、焼成温度１２００℃に一定時間保持し、その後焼成品を放冷する。焼成品即ち圧潰強度 ６〜１０  KＮの人工骨材を得た。
【００１３】
原料は廃棄物スラグ、粘土材及び粘結剤である。廃棄物スラグとは下水汚泥溶融スラグ、一般廃棄物焼却灰溶融スラグ、転炉スラグなどの比較的ＣａＯの含有量が多い溶融スラグを言う。粘土材とは廃粘土、石炭灰など比較的ＳｉＯ2とＡｌ2Ｏ3の含有量が多いものを言いう。また、粘結剤とは廃棄物スラグ及び粘土材の調合粉体を造粒するのに必要な粘性を付与するものを言い、ベントナイトなどの粘土及びメチールセルローズなどの有機バインダーが用いられる。製造に際してはこれら原料が秤量され、縦ミル、ボールミルなど粉砕機で中心径で約３０μｍ程度に混合粉砕される。
【００１４】
前記３原料を造粒成形するために、加える水の量は約３０％以下で、その量は混合、混練、造粒機の特性により決まるが、乾燥工程に要する時間を短縮するためには、できるだけ水分が少ない方がよい。造粒機としてはパン型も加圧押し出し型のものも利用できる。
【００１５】
球状成形体の焼成機としては、コスト面からロータリーキルンが望ましいが、シャトルキルン、トンネルキルンなどでもよい。焼成スケジュールでは室温から焼成温度迄に２時間を掛け、１０００〜１２００℃の焼成域で２時間を掛けた。その後放冷し、粒状の人工骨材を得た。この骨材の性能は絶乾比重２程度、吸水率１％以下、圧潰強度 6kＮ以上である。
【００１６】
本発明者は上記の事実に基づき本発明を完成した。即ち、廃棄物スラグ１００部（重量割合）に対して粘土成分２０〜１００部、粘結剤５〜４０部からなる原料を粉砕し、混練し、造粒した後、１１００℃〜１２５０℃で焼成する人工骨材の製造方法。
【００１７】
請求項１記載の原料に発泡剤０．５〜５部を添加した、請求項１記載の人工軽量骨材の製造方法。
【００１８】
請求項１もしくは請求項２記載の製造法を用いて製造した焼成物のマトリックス層に主として灰長石を析出してなる人工骨材もしくは人工軽量骨材。
【００１９】
廃棄物スラグ１００部（重量割合）に対して粘土成分が２０〜１００部に限定される理由は、２０部に満たないと粘土成分を加える効果が少ない。１００部を越えると強度ある人工骨材が得られない。
【００２０】
廃棄物スラグ１００部（重量割合）に対して粘結剤が５〜４０部に限定される理由は、５部に満たないと造粒が難しく、２０部を越えると人工骨材の強度を低下させる恐れがある。
【００２１】
本発明の上記の説明は粗骨材の製造を主としているが、成形体のサイズを変えることにより、土管などの大型形状の窯業製品或いは、焼成された人工骨材を粉砕することで細骨材の製造も可能であることは当然である。
【発明の効果】
【００２２】
本発明の骨材は、市販の産業廃棄物を主成分とする軽量骨材ではなく、むしろ強度の大きい天然の砂利に類似しており、而もかなり軽量なので、コンクリート構造体の重量低減が可能となり、建築物のコストを低減させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の骨材を実際に製造した。廃棄物スラグの下水汚泥スラグ１００部（重量合）と粘土成分の石炭灰３０部、粘結剤としてのベントナイト５部をボールミル混合機に入れ混合粉砕して、中心粒径５０μｍ程度まで微粉砕したものに水を加えて混練して坏土とした。この坏土を造粒機で造粒して、直径約１０mmの球状成形体を得た。この造粒物を乾燥機で乾燥させた後、ロータリーキルンに入れ、１２００℃までを２時間、１２００℃に２時間保持し、その後放冷した。
【００２４】
このようにして製造した人工骨材は、圧壊強度9Ｎ、比重1.9、吸水率0.3％の性状を示す球形の人工骨材であった。
【００２５】
この発明は大量の廃棄物スラグを有効に利用するので、それ自体が環境負荷低減に貢献することになるが、天然骨材枯渇の現状を見るとき、本発明によって、代替骨材の提供ができることは、地球環境の保全に資するところが大であると考えている。