(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
自然状態のシラス８８〜９８．５wt％、セメント１．５〜１２wt％からなるものであって、前記シラス及び前記セメントを、水を添加せずに混合し、攪拌し、ゼロスランプ材料を作製して、１０．８ＭＰａ（１１０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上２３５．４ＭＰａ（２４００ｋｇｆ/ｃｍ２）以下の圧力でプレス成形され、前記セメントの水和反応に必要な水は、前記自然状態のシラスに含まれている水を利用するものである、かさ比重１．６〜２．１であり、圧縮強度が８．８ＭＰａ（９０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上８８．３ＭＰａ（９００ｋｇｆ/ｃｍ２）未満であるシラス高圧プレス成形体。
【請求項２】
請求項１に記載のシラス高圧プレス成形体であって、吸水率が１１〜２０％であるシラス高圧プレス成形体。
【請求項３】
請求項１から請求項２の何れか1項に記載のシラス高圧プレス成形体であって、見掛気孔率が２２〜３１％であるシラス高圧プレス成形体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、南九州に大量に賦存するシラスを骨材として１００％利用し、セメント量をシラスの１／７〜１／６５に低減し、プレス成形を特徴とする、かさ比重１．６〜２．１の高強度で環境にやさしいシラス高圧プレス成形体およびその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
火山噴出物を用いたコンクリートとして、下記の例が提示されている。
【０００３】
発明者らの提案したコンクリートの製造方法は、同じく発明者らの発明した微粒中空ガラス球状体を用いるもので、セメント量が微粒中空ガラス球状体の２／３〜２倍である流込成形品について提案されている（特許第３１３７６１４号）。
【０００４】
コンクリートの製造方法において、セメント量が岩石量の１／７〜１／１で、無加圧で成形する方法が提案されている（特願平１０−３１５２９０号）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のように、セメント量が骨材の１／７〜２／１で無加圧のコンクリートではなく、細骨材として使われていなかった南九州に大量に賦存するシラスを骨材として１００％用い、且つ、セメント量を骨材の１／７以下すなわち１／７〜１／６５に極限まで低減した、プレス成形を特徴とし、かさ比重１．６〜２．１、圧縮強度が８．８ＭＰａ（９０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上８８．３ＭＰａ（９００ｋｇｆ/ｃｍ２）未満であるシラス高圧プレス成形体およびその製造方法を提供するものである。
【０００６】
シラスは、細骨材として利用難い素材である。ＪＩＳ−Ａ−５３０８の細骨材の規定よると、シラスは３項目に適合しない。すなわち、（１）細かい粒度（１５０μm以下が１１〜４６％占める）、（２）高い吸水率（自然状態で吸水率が１０〜４０％）、（３）低真比重（真比重２．３〜２．５）の理由からである。更に、粒子の形が悪い（板状、角張った形状が多い）ので、生コンクリートにした場合に流動性が悪くなるという問題がある。
【０００７】
従来通りのやり方でシラスを細骨材の代替品として生コンクリートを製造すると、細かい粒子が多いこと、シラス自体が水を吸い易いこと、粒子形状が悪いことから、水量を多く必要とし、強度を補うためにセメント量を多くしなければならない。したがって、シラスを用いると、水量が多くなり、強度と耐久性が低下する。更に、セメント量が多くなることによってセメントの水和反応による収縮割れが起こりやすくなり耐久性が低下するとともに、コストも高くなるという問題がある。
【０００８】
シラスの粒度を細骨材のＪＩＳ規格に適合させるためには、１５０μm以下を篩選別ればよいが、自然状態の湿ったままでは篩が詰まり易く、微粒子も凝集したり１５０μm以上の粒に付着したりしているので、容易に微粒子を取り除くことはできない。そのため、乾燥工程を導入すると、篩下が１１〜４６％存在するので歩留まりが悪くなり、その分を製品に転化しなければならず、製品コストが上がる。更に、乾燥コストが価格上昇を招き、これらが実用化を阻む原因となる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明のシラス高圧プレス成形体は、シラスを骨材として１００％用い、セメント量がシラス重量の１／７〜１／６５であり、かさ比重１．６〜２．１で、高強度の環境にやさしいシラス高圧プレス成形体およびその製造方法に関するものであり、下記構成の発明である。
【００１０】
本発明１のシラス高圧プレス成形体が、自然状態のシラス８８〜９８．５wt％、セメント１．５〜１２wt％からなるものであって、前記シラス及び前記セメントを、水を添加せずに混合し、攪拌し、ゼロスランプ材料を作製して、１０．８ＭＰａ（１１０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上２３５．４ＭＰａ（２４００ｋｇｆ/ｃｍ２）以下の圧力プレス成形され、前記セメントの水和反応に必要な水は、前記自然状態のシラスに含まれている水を利用するものであり、かさ比重１．６〜２．１であり、圧縮強度が８．８ＭＰａ（９０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上８８．３ＭＰａ（９００ｋｇｆ/ｃｍ２）未満であるものである。
【００１１】
【００１２】
シラス高圧プレス成形体の吸水率が１１〜２０％である上記に記載のものである。
【００１３】
シラス高圧プレス成形体の見掛気孔率が２２〜３１％である上記に記載のものである。
【００１４】
かさ比重１．６〜２．１のシラス高圧プレス成形体の製造方法が、シラス８８〜９８．５wt％とセメント１．５〜１２wt％を混合し、攪拌し、ゼロスランプ材料を作製し、次いで、これを１０．８ＭＰａ（１１０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上２３５．４ＭＰａ（２４００ｋｇｆ/ｃｍ２）以下の圧力でプレス成形することである。
【００１５】
本発明における、かさ比重、吸水率、見掛気孔率は、ＪＩＳ−Ｒ−２２０５に規定される測定法を用いた値である。
【００１６】
本発明における、圧縮強度は、ＪＩＳ−Ｒ−５２０１に規定される測定法を用いた値である。
【００１７】
本発明におけるシラスは、地学事典に書かれているものと同義である。すなわち、日本の南九州に広く分布する軽石流および降下軽石の非溶結火砕流堆積物のことである。粉砕したシラスも同様に用いることができる。
【００１８】
シラスのうち軽石流の堆積物が、シラスの中で最も賦存量（６８４億ｍ３）が多く、鹿児島県本土の面積の約５０％を占め、鹿児島湾周辺で厚さ数１０ｍ〜２００ｍの台地を形成しており、火山灰、軽石などが渾然一体となっている。この軽石流堆積物は、約２万２千年前の鹿児島湾奥部を噴出源としている。一般に灰白色で半固結状を呈し、多孔質であり、２ｍｍ以上の軽石を含み、幅広い粒径から構成されており、大部分は砂分および微砂分からなる。鉱物組成は、火山ガラス、斜長石を主成分とし、輝石、石英、磁鉄鉱などを副成分としている。シラスの真比重は、２．３〜２．５の範囲にある。化学組成は、ケイ酸分約７０ｗｔ％、アルミナ分約１４wt％、アルカリ酸化物約８ｗｔ％の順に含まれている。
【００１９】
原材料を混合、攪拌する装置としては、少量のセメントをできるだけシラスと均一に混合、攪拌することが求められる。市販のミキサーでもよいが、一般にオムニミキサーと呼ばれる装置が好ましい。これは、プロペラなどを用いず、比重差の異なる原料同志を容易に混合、分散できることを特徴とする装置である。
【００２０】
本発明におけるゼロスランプとは、まだ固まらないコンクリートのスランプ試験において、自重による変形量が０ｃｍである状態である。
【００２１】
本発明におけるプレス成形として、９．８ＭＰａ（１００ｋｇｆ/ｃｍ２）から２９４．２ＭＰａ（３０００ｋｇｆ/ｃｍ２）の加圧ができる、金型として、平板状、タイル状、円盤状など複雑形状の型枠をセットできる油圧プレス成形機を用いる。
【００２２】
シラスには、多孔質の粒子が多く混ざっており、真比重が小さく（２．３〜２．５）、従来の細骨材に比べて吸水率が高く、１５０μm以下の微粒子が多く存在し、更には粒子形状が角張っており形が悪いという問題がある。このため、コンクリートを作る場合に、これらのことが原因で、結果として性能のよいコンクリートができなかった。
【００２３】
この根本的とも言えるシラスの細骨材としての問題とシラスを骨材として１００％用いるという課題と低吸水率と高強度という問題の解決を図るため、原材料、製造工程、製造しやすさ、原材料、物性、作業環境、リサイクル性、成形体の環境への負荷などあらゆる課題を一つ一つ検討した。その結果、これらの問題を一挙に解決するシラス高圧プレス成形体およびその製造方法の発明を完成するに至った。
【００２４】
従来のシラスを用いたコンクリートでは、微細構造的な観点でみるとシラスとセメントと水が完全に密着していない。この不完全ともいえる状態で、シラスはコンクリート材料には不向きと判断されていた。
【００２５】
本発明によれば、シラスはコンクリート材料として優れた骨材となる。それについて説明する。
【００２６】
セメントの水和反応に必要な水は、自然状態のシラスに含まれている水を利用する。自然状態のシラスは、普通１４〜２２％の含水量を保持しており、プレス成形によりセメントの水和反応に必要な水分が供給されるので、新たに水を添加する必要が無い。水を添加したとしても、プレス成形時に脱水されるだけである。
【００２７】
すなわち、そのセメントの水和反応に必要な水をシラスに含まれる水分で最低限確保しながら、シラスとセメントを可能な限り緻密化、密着させることで、シラス本来の優れた物性を引き出すことが可能であり、これを実現さることによって、シラス配合量を最大限に増大させ、セメント配合量を最小限にすることが可能になる。
【００２８】
その方法として、原材料をゼロスランプで１０．８ＭＰａ（１１０ｋｇｆ/ｃｍ２）〜２３５．４ＭＰａ（２４００ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力でプレス成形する方法である。この際に、シラスの構成粒子のうち、多孔質体や複雑形状の破片状の潰れ易いものを潰し、緻密体に近づけることが必要である。
【００２９】
この１０．８ＭＰａ（１１０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上の圧縮工程で、シラスに含まれる水がセメントに行き渡り、セメントとシラスと水がより密着し、シラスのセメントとの強固な接合が実現し、結果として必要最小限のセメントと水で最大の効果を上げることが可能となる。
【００３０】
このシラスに含まれている水分が、プレス成形後の形状保持を容易にし、脱型に有利に働く。
【００３１】
得られたプレス成形品は、自然養生、水中養生または蒸気養生のいずれかを行う。養生によって強度が向上し、所望の圧縮強度が発現する。
【００３２】
セメントの水和反応に必要な水が、シラスに含まれる水分で足りない場合は、上記のプレス成形後、脱型したものを、水中養生または蒸気養生することによって、所望の強度を発現することができる。
【００３３】
シラスの真比重は２．３〜２．５で、全てのシラス粒子を潰したとしても、真比重２．６〜２．７の砂を用いる従来品よりも軽量化を図ることができる。
【００３４】
セメントの効果を引き出すためには、シラスとセメントと水をプレス成形の前に、できるだけ均質に混合しておく必要がある。そのためには、比重差の異なる原料の均一混合を得意とするオムニミキサーが有効である。
【００３５】
このオムニミキサーによって、シラスとセメントを均一に混合し、ゼロスランプで、プレス成形を行う。
【００３６】
プレス成形には、１０．８〜２６４．８ＭＰａ（１１０〜２７００ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力が得られる油圧プレス成形機を用いる。
【００３７】
このオムニミキサーでの均一混合とゼロスランプでのプレス成形を組み合わせることによって、シラスを骨材として１００％用いることが可能となり、セメントを極限まで減らすことにより、理想的なシラス／セメント／水の緻密構造による高強度化が実現し、ゼロスランプでプレス成形し脱水を行わないので原材料のムダが無くなり廃水処理も無用となることで環境への負荷低減につながるなど、これまでの課題が一挙に解決できることを見出した。
【００３８】
シラスには、強制乾燥させていない自然状態に近いものを用いる。シラスを乾燥させるとセメントの水和反応に必要な水分が不足し、脱型しにくくなる。自然状態のシラスには、１５０μm以下の微粒分が１０〜４０wt％以上存在するので、一度乾燥すると、微粒子同志が強固に凝結したり、シラス表面に微粒子が強く付着し、短時間のモルタル調整では、セメントとよく混合されない部分ができるので、強制乾燥は避ける必要がある。
【００３９】
自然状態のシラスを用いることによって、乾燥コストの削減や１５０μm以下を篩う必要がなくシラスを１００％有効に活用できるという大きな利点がある。更には、自然状態のシラスは、粉塵が舞い難く、作業環境的にも非常に好ましい。
【００４０】
本発明によるシラス加圧成形品は、構成成分の殆どがシラスからなり、粉砕したものは骨材に利用可能であるので、リサイクル性に優れている。また、セメント量が極端に少ないため、アルカリ溶出量が著しく小さく、環境にやさしい素材となっている。
【００４１】
【発明の実施の形態】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００４２】
実施例１
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス９８５ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント１５ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、３１．２ＭＰａ（３１８ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生１１日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．７１、吸水率１７．２％、見掛気孔率２９．５％、圧縮強度８．９ＭＰａ（９１ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００４３】
実施例２
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス９８５ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント１５ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、１５６．１ＭＰａ（１５９２ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生１１日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．８２、吸水率１４．７％、見掛気孔率２６．９％、圧縮強度３４．６ＭＰａ（３５３ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００４４】
実施例３
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス８８２ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント１８ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、２３．４ＭＰａ（２３９ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生１１日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．６７、吸水率１８．２％、見掛気孔率３０．３％、圧縮強度９．９ＭＰａ（１０１ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００４５】
実施例４
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス８８２ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント１８ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、５４．６ＭＰａ（５５７ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生１１日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．８６、吸水率１４．１％、見掛気孔率２６．２％、圧縮強度２６．４ＭＰａ（２６９ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００４６】
実施例５
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス８５５ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント４５ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、１５．６ＭＰａ（１５９ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生１０日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．６５、吸水率１８．３％、見掛気孔率３０．２％、圧縮強度１４．８ＭＰａ（１５１ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００４７】
実施例６
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス９５０ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント５０ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、１５６．１ＭＰａ（１５９２ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生７日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．９２、吸水率１２．７％、見掛気孔率２４．５％、圧縮強度６２．９ＭＰａ（６４１ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００４８】
実施例７
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス９２０ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント８０ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、２３４．１ＭＰａ（２３８７ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生９日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．８９、吸水率１３．４％、見掛気孔率２５．５％、圧縮強度７８．９ＭＰａ（８０５ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００４９】
実施例８
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス８１０ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント９０ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、１５．６ＭＰａ（１５９ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生９日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．６４、吸水率１９．１％、見掛気孔率３１．４％、圧縮強度２１．５ＭＰａ（２１９ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００５０】
実施例９
シラスとして、鹿児島県曽於郡大崎町水之谷産の軽石流堆積物（平均粒径３００μm）を用いた。この自然状態のシラス９００ｇと太平洋セメント（株）製の普通ポルトランドセメント１００ｇをオムニミキサーで５００ｒｐｍで１分間、混合と攪拌を行った。そのゼロスランプの材料を、（株）島津製作所製油圧プレス装置を用いて１５cm×５cm×８ｃｍの型枠にセットし、２３４．１ＭＰａ（２３８７ｋｇｆ/ｃｍ２）の圧力で、プレス成形した。自然養生９日後、測定したシラス高圧プレス成形体のかさ比重は１．１．９５、吸水率１１．５％、見掛気孔率２２．５％、圧縮強度７５．０ＭＰａ（７６５ｋｇｆ/ｃｍ２）の物性を示した。
【００５１】
【発明の効果】
【００５２】
本発明は、細骨材として使われていなかった南九州に大量に賦存するシラスを骨材として１００％用い、且つ、セメント量を骨材の１／７〜１／６５に極限まで低減した、プレス成形を特徴とし、かさ比重１．６〜２．１、圧縮強度が８．８ＭＰａ（９０ｋｇｆ/ｃｍ２）以上８８．３ＭＰａ（９００ｋｇｆ/ｃｍ２）未満であるシラス高圧プレス成形体およびその製造方法を提供するものである。
【００５３】
本発明によるシラス高圧プレス成形体は、セメント量が極端に少ないので、溶出するアルカリ量が最低限に抑えられており、構成成分の大部分が無害なシラスから形成されていることから、環境への負荷を限界近くまで低減しており、環境にやさしい素材となっていることも大きな利点である。
【００５４】
本発明による製造法では、工場内で廃水が出ないので、環境対策上好ましい。
【００５５】
本発明によるシラス高圧プレス成形体は、その構成材料の殆どがシラスから構成されているので、その表面が従来コンクリートより白く、結合材のセメントが殆ど目立たず、素材のシラスや軽石が強調された自然石の趣を呈している。また、２２０００年の自然風化に耐えたシラスがほとんど全面を覆っていることから、セメント材料の劣化による黒ずみも抑制できるという利点があり、より自然素材に近いものとなっていることは大きな特徴である。
【００５６】
本発明によれば、南九州に大量に賦存するシラスが工業用資源として有効に活用されることによって、住民や地元企業のシラスに対する価値観が大きく好転し、地域の活性化につながる。