(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
加圧流動床ボイラ灰を主な固体原料とし、該固体原料を、水ガラス溶液、苛性カリ溶液、又は苛性ソ−ダ溶液のいずれかを固化剤として用いて固化したブロック体であることを特徴とする加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項２】
前記固体原料は、高炉スラグ又はカオリン等粘土鉱物のうち少なくとも１種を10〜30重量％含む固体原料であることを特徴とする請求項１記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項３】
前記固体原料は、微粉炭燃焼ボイラから発生するフライアッシュを10〜30重量％含む固体原料であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項４】
前記水ガラス溶液は、比重が概ね1.27の1号水ガラス溶液（化学組成Na2O.2SiO2.aq）であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項５】
前記構造材料は、前記固体原料に前記溶液を加え混練する工程と、該混練した流体を型枠に流し込む工程と、該流し込んだ流体を該型枠内で所定期間養生し固化する工程と、該固化したブロック体を該型枠から離型する工程と、該離型したブロック体を所定期間養生し材料強度を増大させる工程と、を含み製造した構造材料であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項６】
前記固化する工程の養生及び／又は前記材料強度を増大させる工程の養生は、室温に放置・放冷して行う養生であることを特徴とする請求項５記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項７】
前記固化する工程の所定期間は概ね1日であり、前記材料強度を増大させる工程の所定期間は概ね４週間であることを特徴とする請求項５又は請求項６記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項８】
前記混練は、振動締固成型の機器を用いて行う混練であることを特徴とする請求項５乃至請求項７のいずれかに記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【請求項９】
前記構造材料は、セメントモルタル試験のJIS規格（4×4×16ｃｍ、スパン距離10cm）による曲げ試験で５MPa以上の曲げ強度を有するブロック体であることを特徴とする請求項１乃至請求項８のいずれかに記載の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、歩道ブロックや建材ボード等として有効利用できる、加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭焚火力発電設備等の石炭焚ボイラとして、現在、微粉石炭を空気と一緒に炉内に吹き込み大気圧下で燃焼させる微粉炭燃焼ボイラが多く採用されているが、最近、低品位石炭の活用と発電効率の向上を目指し、更には環境保護の観点から、加圧流動床ボイラが採用され始めている。加圧流動床ボイラは、塊状の石炭と石灰石を混合した燃料を流動層化させて加圧下で燃焼させるものであり、微粉炭燃焼ボイラと比べ、ボイラ内の燃焼温度を低くすることができるため、窒素酸化物(NOX)や硫黄酸化物(SOX)の排出量が少なく、また、低品位石炭の使用が可能であり、熱効率が高いという特徴を有するが、排出される石炭灰（以下、PFBC灰と略記する）の性質も従来のものとは顕著に異なる。
【０００３】
即ち、微粉炭燃焼ボイラは、1500℃前後の高温で微粉石炭を瞬時に燃焼させるのに対して、加圧流動床ボイラは、800℃前後の温度でゆっくりと低温燃焼させるため、NOXの発生はなく、SOXは石灰に吸収され、排出されるPFBC灰はカルシウムと硫黄に富む成分となる。また、微粉炭燃焼ボイラ−は灰の融点を超える燃焼領域で燃焼させるため、排出される灰は、溶融しガラス状態で回収され、微小球の形態を呈する灰（このような灰を伝統的にフライアッシュと呼ぶ）である。一方、加圧流動床ボイラは低温燃焼のため灰の融点を超えることはなく、PFBC灰もフライアッシュの一種であるが、角ばった微粉状態で回収される。前者はガラスを主体とするが、石英(SiO2)やムライト(3Al2O3.2SiO2)、時には磁鉄鉱(Fe3O4)などの鉱物を少量含む。後者は灰長石(CaO.Al2O3.2SiO2)や珪灰石(CaO.SiO2)等のCaO-Al2O3-SiO2系鉱物のほか、これらが硫黄や水と結合した水酸エレスタ−ダイト(6CaO.3SiO2.3CaSO4.CaO(OH)2)を含む場合がある。また、石灰は遊離状態でも存在し、PFBC灰は生石灰(CaO)や硬石膏(CaSO4)を含むのが特徴である。
【０００４】
かかる石炭焚ボイラから排出される灰は大量であり、廃棄物の減量、廃棄コスト削減及び環境保護の観点から、種々の有効利用・資源化技術が検討されている。微粉炭燃焼ボイラから発生するフライアッシュは、フライアッシュセメント、セメント原料、道路路盤材、地盤改良材、土木工事用、人工軽量骨材、建材ボード用等に利用されているが、その多くは添加剤（材）としての利用であり、大量に排出されるフライアッシュの全てを利用できるものではなく、また、材料強度、特に曲げ強度が余り高くないため、構造材料として利用するのは困難であるという問題もあった。そこで、本発明者は、先に、フライアッシュに珪酸ナトリウム水溶液を加え常温養生又は蒸気養生によりブロック化し、表面硬度及び材料強度の高い構造材料を得る技術（特開平08-301639号公報）を提案した。
【０００５】
一方、新規のフライアッシュであるPFBC灰の有効利用・資源化技術に関しては、未だ有効に実施できる技術が殆ど開発されていない状況にある。例えば、特開平11-172247号公報には、PFBC灰を有効成分として５〜100重量％配合した土壌改良材が開示され、特開平11-147747号公報には、セメントの概ね50重量％をPFBC灰で代替したコンクリート組成物が開示されているが、これらの従来技術は主として添加剤（材）としての利用であり、大量のPFBC灰を有効利用するためには他の利用技術の開発が必要である。また、特開平09-155314号公報と特開平09-075890号公報には、PFBC灰を加圧成形機で粒径10〜60mmに圧密成形し、成形物をそのまま或いは成形物を破砕して粒径を石炭灰の数十〜数百倍に調整したもの、若しくは両者混合物を、フライアッシュ等と混合して埋め立てる処理方法が開示されているが、この技術は廃棄コスト削減を目的とした減容処理方法であって、PFBC灰を有効利用するものではない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、大量に排出される加圧流動床ボイラ灰の処理に係わる上述の状況に鑑み、加圧流動床ボイラ灰を経済的且つ有効に利用でき、更には環境保護に寄与できる加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の目的を達成するため、本発明者は鋭意研究を重ねた結果、加圧流動床ボイラ灰を主な固体原料とし、水ガラス溶液等を固化剤として用いて固化したブロック体が構造材料として利用できることを見出し、本発明を完成するに至ったものである。即ち、請求項１の発明は、本発明の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料であって、加圧流動床ボイラ灰を主な固体原料とし、該固体原料を、水ガラス溶液、苛性カリ溶液、又は苛性ソ−ダ溶液のいずれかを固化剤として用いて固化しブロック体としたものである。
【０００８】
請求項２の発明は、前記固体原料を、高炉スラグ又はカオリン等粘土鉱物のうち少なくとも１種を10〜30重量％含む固体原料としたものであり、請求項３の発明は、前記固体原料を、微粉炭燃焼ボイラから発生するフライアッシュを10〜30重量％含む固体原料とした加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料である。
【０００９】
請求項４の発明は、前記固化剤を前記水ガラス溶液とした場合の好ましい形態に係わる発明であり、前記水ガラス溶液を、比重が概ね1.27の1号水ガラス溶液（化学組成Na2O.2SiO2.aq）とした加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料である。
【００１０】
請求項５の発明は、好ましい製造プロセスに係わる発明であって、本発明の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料は、好ましくは、前記固体原料に前記溶液を加え混練する工程と、混練した流体を型枠に流し込む工程と、流し込んだ流体を型枠内で所定期間養生し固化する工程と、固化したブロック体を型枠から離型する工程と、離型したブロック体を所定期間養生し材料強度を増大させる工程と、を含み製造した構造材料である。
【００１１】
請求項６の発明は、前記好ましい製造プロセスに係わり、前記固化する工程の養生及び／又は前記材料強度を増大させる工程の養生を、室温に放置・放冷して行う養生とした発明であり、請求項７の発明は、前記固化する工程の所定期間を概ね1日とし、前記材料強度を増大させる工程の所定期間を概ね４週間とした発明であり、請求項８の発明は、前記混練を、振動締固成型の機器を用いて行うことを特徴とする加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料である。
【００１２】
請求項９の発明は、好ましい材料強度に係わる発明であって、本発明の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料は、好ましくは、セメントモルタル試験のJIS規格（4×4×16ｃｍ、スパン距離10cm）による曲げ試験で５MPa以上の曲げ強度を有するブロック体である。
【００１３】
【発明の実施の形態】
石炭焚火力発電設備等の加圧流動床ボイラから排出される石炭灰は、燃焼ガスと共にボイラ上部に飛散する灰を電気集塵機等で捕集した灰と、飛散せずボイラの底部から収集可能な灰とがあり、本発明で主な固体原料とする加圧流動床ボイラ灰（PFBC灰）とは、前者を意味するが、後者のボイラ底部から収集した灰を本発明の副原料として有効利用することができる。
【００１４】
本発明者は、産業廃棄物等を固化し有用な産業資材として利用できる構造材料を得ることを目的とした研究に永らく従事し、既に、前述のように、フライアッシュを固化した構造材料（特開平08-301639号公報）を提案し、また、カオリン質粉体を固化した構造材料（特開平08-301638号公報）を提案してきた。
【００１５】
本発明は、かかる永年の研究に基づくものであり、PFBC灰を主な固体原料とし、水ガラス溶液等を固化剤とし、室温に放置・放冷するという簡易な製造プロセスによって製造したブロック体が、高い材料強度を有し、歩道ブロックや建材ボード等の構造材料として利用できることを見出したものである。即ち、本発明の加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料は、加圧流動床ボイラ灰を主な固体原料とし、水ガラス溶液、苛性カリ溶液、又は苛性ソ−ダ溶液のいずれかを固化剤として用いて固化しブロック体としたものであり、そのブロック体は、歩道ブロックや建材ボード等の構造材料として利用できる。
【００１６】
その際、固体原料に、高炉スラグ又はカオリン等の粘土鉱物のうち少なくとも１種を10〜30重量％添加することにより、本発明の構造材料の材料強度を向上させることができる。この添加する重量％は、特に本発明を限定するものではないが、10重量％より少なくすると材料強度の向上が得られ難く、30重量％より添加する割合を極端に大きくすることはコスト高になると同時に、出来るだけ多くのPFBC灰を有効利用するという本発明の趣旨にもそぐわない。
【００１７】
本発明は又、前述のように、未だ十分には有効利用できていない微粉炭燃焼ボイラから発生するフライアッシュを10〜30重量％添加した固体原料として実施することもできる。その添加する重量％は、特に本発明を限定するものではないが、10重量％より少なくするとフライアッシュの利用量が減少し、30重量％より多くすると、材料強度、特に曲げ強度が低下する。
【００１８】
固化剤として水ガラス溶液を用いる場合は、例えば、３号水ガラス（化学組成Na2O.3SiO2.aq）等、現在、工業的に生産されている全ての水ガラス（１号、２号、３号及び４号）を含めて使用可能であり、本発明を限定するものではないが、この中では１号と３号が好ましく、特に、1号水ガラス溶液が好適であり、その比重は概ね1.27が好ましい。低い濃度の溶液を使用すると養生に要する期間が長くなり、もっと濃い溶液を用いると得られた構造材料の材料強度は向上するが、コスト高や混練に要する動力が増大するなどの問題が生じる。
【００１９】
次に、本発明のPFBC灰を用いた構造材料を得るための好ましい製造プロセスについて説明する。本発明の構造材料は、例えば、PFBC灰を主とした固体原料に水ガラス溶液等を固化剤として加え混練し、混練した流体を型枠に流し込み、流し込んだ流体を型枠内で所定期間養生して固化させ、固化したブロック体を型枠から離型して、離型したブロック体を所定期間養生し材料強度を増大させることにより製造することができる。また、型枠内で所定期間養生して固化させた後、型枠から離型せず、そのまま更に所定期間養生し材料強度を増大させ、しかる後に型枠から離型して製品となすこともできるが、出来るだけ短時間で離型し型枠の操業回転率を上げるのが望ましく、前記のように２段階で養生を行うのが好ましい。なお、固体原料に加える固化剤の量は、使用する固化剤の種類とその濃度、副固体原料の有無とその種類及び添加量など、種々の条件によって選定すべきパラメータであり、本発明を限定するものではないが、例えば、比重が概ね1.27の1号水ガラス溶液を用いてPFBC灰を固化する際には、1号水ガラス溶液とPFBC灰との重量比を、概ね0.75：１とするのが好適である。
【００２０】
型枠内で固化させる際の養生、及び材料強度を増大させる際の養生は、室温に放置・放冷するという極めて簡易な方法で行うことができ、その養生期間は、使用する固化剤の種類等、種々の条件によって選定すべきパラメータであり、本発明を限定するものではないが、例えば、比重が概ね1.27の1号水ガラス溶液を用いてPFBC灰を固化する際には、前者の養生期間は概ね1日、後者の養生期間は概ね４週間が好適であり、これにより、歩道ブロックや建材ボード等に利用できる構造材料を得ることができる。混練は、特に本発明を限定するものではないが、混練流込成型の機器を用いて行うよりも振動締固成型の機器を用いて行うのが好ましく、振動締固成型の方が、水／固体比を軽減でき、飛躍的に高い材料強度を有する構造材料が得られる。
【００２１】
かかる実施の形態によって得られる本発明のPFBC灰を用いた構造材料は、固体原料の成分構成や使用する固化剤の種類等にもよるが、セメントモルタル試験のJIS規格（4×4×16ｃｍ、スパン距離10cm）による曲げ試験で５MPa以上の曲げ強度を有するブロック体として得ることができ、これは歩道ブロックとして使用できる曲げ強度を有する構造材料であることを意味する。
【００２２】
以上、詳細に説明した実施の形態により、本発明は、従来、その多くを多大な労力と費用を要し埋め立て処理していたPFBC灰を、水ガラス溶液等を固化剤として、室温に放置・放冷するという極めて簡易な製造プロセスによって、歩道ブロックや建材ボード等に利用できるブロック体として提供するものであり、大量に排出される加圧流動床ボイラ灰を経済的且つ有効に利用でき、更には環境保護に寄与できる加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料を提供することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明がこれらの実施例に限定されるものではないことは言うまでもない。
【００２４】
本実施例で使用した固体原料は、加圧流動床ボイラから排出されたPFBC灰と、微粉炭燃焼ボイラから排出されたフライアッシュであり、その化学組成（重量％）を表１に示し物理特性を表２に示す。また、図１と図２には、レーザー回折式粒度分布測定装置で測定した、加圧流動床ボイラから排出されたPFBC灰と、微粉炭燃焼ボイラから排出されたフライアッシュの粒度分布をそれぞれ示す。なお、表中において、(A)はPFBC灰を意味し、(B)はフライアッシュを意味する。以下、同様である。なお、表１中のLOIは、灼熱減量を意味する。
【００２５】
【表１】
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【００２６】
【表２】
0004048351.tif 000003
使用した固化剤は、比重1.27の1号水ガラス溶液（化学組成Na2O.2SiO2.aq）である。
【００２７】
本実施例で使用した固体原料（PFBC(A)とフライアッシュ(B)）の調合割合、及び固体原料とこれに加えた1号水ガラス溶液との重量比を表３に示す。
【００２８】
【表３】
0004048351.tif 000004
調合した各試料をスパ−テルを用いて室温で2分間混練し、混練した流体を型枠（寸法：2×2×8ｃｍ）に流し込み、これを概ね1日、室温に放置・放冷して固化したブロック体を得た。なお、ブロック体は、養生期間と曲げ強度との関係を測定するために、各試料３個作成した。その後、ブロック体を型枠から離型し、これを室温に放置・放冷して、養生期間との関係として曲げ強度を測定した。
【００２９】
曲げ強度の測定は、東京試験製作所製の1トン材料試験機、製造番号19848を用いて、スパン距離５ｃｍとし３個取りで行ったものであり、その結果を表４に示す。なお、表４の曲げ強度は、3点曲げ試験の平均値であり、その単位はMPaである。本実施例の曲げ強度の測定は、実験の都合により、前述のセメントモルタル試験のJIS規格（4×4×16ｃｍ、スパン距離10cm）の２分の１サイズで行ったものであり、若干その測定精度は落ちるが、大きな誤差は生じない。
【００３０】
【表４】
0004048351.tif 000005
表４は、フライアッシュの割合を大きくすると共に曲げ強度が低下する傾向を有するが、20重量％（PF08）までは極端な低下は生じず、概ね４週間で、歩道ブロックとして使用できる曲げ強度5 MPa以上の構造材料が得られることを示している。これに対し、フライアッシュを30重量％（PF07）以上にした場合には、曲げ強度の低下が大きく、また、フライアッシュの混合割合と曲げ強度との関係の系統性が失われており、高い曲げ強度を必要とする構造材料を得る条件には適さないことを示している。
【００３１】
本実施例によれば、PFBC灰にフライアッシュを20重量％までの範囲で添加した固体原料に1号水ガラス溶液を固化剤として加えて混練し、混練した流体を型枠に流し込み、１日間、室温に放置・放冷して固化させ、固化したブロック体を型枠から離型して、４週間、室温に放置・放冷するという極めて簡易な製造プロセスによって、歩道ブロックとして利用できる高い材料強度を有する構造材料が得られた。即ち、本実施例によれば、大量に排出される加圧流動床ボイラ灰を経済的且つ有効に利用でき、更には環境保護に寄与できる加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料を提供することができる。
以上、本発明の実施例を説明したが、特許請求の範囲で規定された本発明の精神と範囲から逸脱することなく、その形態や細部に種々の変更がなされても良いことは明らかである。
【００３２】
例えば、実施例では、固化剤として比重1.27の1号水ガラス溶液を用いた例について説明したが、異なる濃度のものを用いても良く、1号水ガラス溶液以外の水ガラス溶液、例えば、３号水ガラス溶液を用いても良く、更には、水ガラス溶液以外の、苛性カリ溶液又は苛性ソ−ダ溶液を用いても良い。
【００３３】
また、実施例では、微粉炭燃焼ボイラから発生するフライアッシュを副原料とした例を説明したが、高炉スラグ又はカオリン等粘土鉱物を加えることもでき、その際は、10〜30重量％の範囲で添加するのが好ましく、これにより得られる構造材料の材料強度を高めることができる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明は、従来、その多くを多大な労力と費用を要し埋め立て処理していたPFBC灰を、水ガラス溶液等を固化剤として、室温に放置・放冷するという極めて簡易な製造プロセスによって、歩道ブロックや建材ボード等に利用できるブロック体として提供するものであり、大量に排出される加圧流動床ボイラ灰を経済的且つ有効に利用でき、更には環境保護に寄与できる加圧流動床ボイラ灰を用いた構造材料を提供できる効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例で使用した加圧流動床ボイラから排出されたPFBC灰の粒度分布を示した図である。
【図２】本発明の実施例で使用した微粉炭燃焼ボイラから排出されたフライアッシュの粒度分布を示した図である。
【図１】
0004048351.tif 000006
【図２】
0004048351.tif 000007