(57)【要約】【課題】  低絶乾密度でありながら小粒径の軽量材、さらに大粒径のものは超軽量品を提供する。【構成】  膨張頁岩及び／または膨張粘土を少なくとも原料に用い、該原料をロータリーキルンに投入して製造する軽量材において、赤褐色の表層部、黒色の内層部から構成され、その表層部／（表層部＋内層部）の体積割合を0.4以下とする。このような軽量材は、原料をロータリーキルンで焼成するにあたり、原料温度が500℃〜1000℃までの滞留時間を10分以内、原料温度が1050℃以上での原料の滞留時間を2分以上とすることで得られる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
膨張頁岩及び／または膨張粘土を少なくとも原料に用い、該原料をロータリーキルンに投入して製造する軽量材において、赤褐色の表層部及び黒色の内層部から構成され、その表層部／（表層部＋内層部）の体積割合が0.4以下であることを特徴とする軽量材。
【請求項２】
表層部及び内層部のJIS K-5600-4に基づく色調が、それぞれL値40以上かつa値0以上、及びL値40未満かつa値0未満であることを特徴とする、請求項１に記載の軽量材。
【請求項３】
副原料として、石炭灰、焼却灰、下水汚泥、建設汚泥及び建設発生土から選ばれるいずれか1種以上を原料に添加することを特徴とする請求項１または２に記載の軽量材。
【請求項４】
発泡促進剤として、炭化珪素、炭材及び酸化鉄から選ばれるいずれか1種以上を原料に添加することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の軽量材。
【請求項５】
膨張頁岩及び／または膨張粘土を原料として、ロータリーキルンに投入して製造する軽量材の製造方法において、原料温度が500℃〜1000℃までの滞留時間を10分以内とし、さらに原料温度が1050℃以上での滞留時間を2分以上とすることを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の軽量材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量コンクリート用の細骨材、軽量モルタル用の細砂、鉄骨等の耐火被覆板、各種建造物の断熱板、或いは盛土等に有利に用いられる無機発泡粒の製造方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
現在国内で生産されている軽量骨材の大半は、膨張頁岩を所定の粒度に解砕、或いは粉砕し成形したものをロータリーキルンで加熱して発泡させたものである。特に、粉砕して成形したものについては石炭灰、焼却灰、建設汚泥等の廃棄物や建設発生土を原料の一部に置き換えて生産しているケースもあり、リサイクル促進にも貢献している。しかしながら、これらの生産方法にはいくつかの課題が内在されている。例えば、原料に解砕品の小粒径のものや粉砕成形品としたものは、解砕品の大粒系のものに対して軽量化しにくいという欠点を抱えていた。また、大粒径のものについても、絶乾密度が0.8g/cm3以下になるような超軽量化については困難であった。以下に、膨張頁岩の主たる発泡メカニズムを記し、その理由について説明する。
【０００３】
解砕品、粉砕成形品ともに加熱を開始すると、表層部から温度が上昇し、徐々にガラスメルト相が生じ、最終的には酸素を透過しにくくなる層が表面に生じる。次いで、原料内部では、以下の反応が生じ、O2或いは／及びCO2等のガスが発生、これらが封じ込められ発泡軽量化が始まる。
【０００４】
3 Fe2O3  →  2 Fe3O4＋  1/2 O2  ・・・（１）
Fe3O4  →  3ＦｅO  ＋  1/2 O2  ・・・（２）
O2  ＋  C  →  ＣO2  ・・・（３）
【０００５】
このときに生じた焼成物の表層部は酸素が透過し酸化した状態であり、表層部に含まれる鉄の形態はFe2O3（ヘマタイト）、色は赤褐色を呈している。そのため、原料内部（以下、内層部）で起こる前記段落０００４の（１）〜（３）の化学反応は、表層部では起こらず、軽量化することはない。むしろ表層部はガラスメルト相が生じることにより、毛細管凝縮現象により、空隙中のガスが排出され重量化することもある。一方、内層部では前記段落０００４の（１）〜（３）の化学反応が生じ、含まれる鉄の形態は、鉄の形態はFeO（ウスタイト）、或いはＦｅ3Ｏ4（マグネタイト）が主体となり黒色を呈し、さらにガス成分（O2及びCO2）により発泡している。そのため軽量化し、絶乾密度は原料と比較して低下する。即ち、焼成物の軽量性は表層部の重量層と内層部の軽量層のそれぞれの密度に体積割合をかけた値の和となり、焼成物の表層部の体積割合が少ないほど、全体の軽量化は達成される。
【０００６】
ところで、膨張頁岩の解砕品と比較し、膨張頁岩を粉砕成形したものは絶乾密度が低く空隙率が大きいため、成形品内部では酸素の拡散速度が著しく大きくなる。そのため、粉砕成形品の場合、膨張頁岩の砕石物に対して、赤褐色を呈する表層部の体積割合が必然的に多くなってしまう。そのため、粉砕成形品は解砕品に比較して軽量化しにくい。解砕品と同程度まで軽量化するには加熱温度をさらに上げて、内層部の液相量を増加し発泡量を多くさせ、内層部の絶乾密度を下げる必要がある。しかし、温度を上げると表層部のガラスメルト相量までも多くなってしまうため、原料同士の融着、或いはキルン壁面への付着現象が生じやすくなり、安定生産が困難となる。以上が、粉砕成形品は、解砕品に比較して、軽量化しにくいという理由である。
【０００７】
また、解砕品であっても、小粒径のものは、大粒径と比較して表層部の体積割合は多くなり易い。同様に粉砕成形品に至っては、さらに軽量化が困難である。その影響で、現在市販されている軽量細骨材（5mm以下）の多くは、膨張頁岩を所定の粒度に解砕したものを原料としていながら、絶乾密度は1.7g/cm3程度のものしか製造されているにすぎず、十分な軽量性を有するに至っていない。さらに、粉砕成形品を原料とする十分な軽量を有する細骨材については現在市販されていない。
【０００８】
大粒径（5mm以上）についても同様な傾向にあり、解砕品を原料にしたものでも現在市販されているものは絶乾密度が1.2g/cm3程度であり、絶乾密度が1.0g/cm3を下回るものは販売されていない。
【０００９】
さらに、従来法のロータリーキルンで製造する場合、バーナとは反対側から原料を投入するため、原料温度の上がる速度が遅く、表層部にガラスメルト相が生じるまでは、粒同士、或いはキルン壁面との接触や衝突により、摩り減り時間が長く続いてしまう。その結果、焼成物の製造量、即ち歩留まりが少なくなってしまう。特に小粒径のものほど、ペレット強度が低いものほど、この傾向は強く、問題となっていた。
【００１０】
これらの課題を解決するため、さまざまな検討が行われてきた。例えば、特許文献１では低酸素雰囲気での焼成を行い、成形体内部での酸素拡散速度を小さくし赤褐色部の割合を小さくし、より軽量化が達成できることを提案した。また、特許文献２では高酸素雰囲気中でも軽量化を達成するため、原料に炭化珪素を添加し、あらかじめ膨張粘土中の炭素分を十分に消滅せしめるよう加熱した後に、炭化珪素による発泡軽量化を提案している。しかしながら、いずれの方法も小粒径、具体的には5mm、特に2mm以下の物については十分な軽量性を得るには至らなかった。さらに、焼成物の製造量、即ち歩留まりが少なくなるという課題についても解決するには至っていなかった。
【特許文献１】特開平６−２６３４９７号公報
【特許文献２】特開２０００−２２６２４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、かかる事情を背景として為されたものであって、その解決課題とするところは、原料に膨張頁岩の小粒解砕品や粉砕品、またはそれに廃棄物等の副原料を混合した成形体であっても、小粒径且つ軽量の焼成物を得ることができ、さらに焼成物の歩留まりも向上する新しい技術を提供するものである。さらに、大粒径についても同様に、市販品に対し格段に軽量なものを製造することのできる技術を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
このような課題を解決すべく、本発明者らはまず始めに、膨張頁岩、膨張粘土の発泡軽量化メカニズム、更にはロータリーキルンによって製造する条件を鋭意検討した結果、以下の知見を得て、先の課題を解決できることがわかった。
（１）焼成物の表層部に含まれる鉄の主形状がヘマタイト（Fe2O3）、内層部に含まれる鉄の形状がウスタイト（FeO）及び／またはマグネタイト（Fe3O4）からなること。さらに、表層部と内層部の判別は目視でも行えるが、JISK-5600-4『塗料一般試験方法』による色測定によっても数値化が可能であり、境界線としては『L値＝40、  a値＝0  、ｂ値については特になし』によって容易に判別できる。即ち、L値が40以上でかつa値が0以上であればヘマタイトを主体とする赤褐色であり、L値が40未満でかつa値が0未満であればウスタイト及び／またはマグネタイトを主体とする黒色である。
（２）表層部／（表層部＋内層部）の体積割合が0.4以下、好ましくは0.3以下であれば、粒径が5mm以下、より好ましくは2mmの小粒径であっても絶乾密度が1.0g/cm3未満となり、粒径が5mmを超えるものであれば絶乾密度が0.8g/cm3未満の軽量な焼成物を得ることができること。
（３）粒径が５mm以下、好ましくは2mm以下で絶乾密度が1.0g/cm3未満、5mmより大きくても絶乾密度が0.8g/cm3未満の軽量焼成物をロータリーキルンで製造するにあたっては、原料温度が500℃から1000℃までに達する時間を10分以内、好ましくは5分以内、さらに1050℃以上での原料の滞留時間を2分以上とすることで、達成できること。
【発明の効果】
【００１３】
本発明にかかる軽量材によれば、短時間で酸素を透過しにくくなる層を表層部に形成するため、緻密な酸化被膜も薄くなる一方、発泡化する内層部の体積割合を増加し、全体的に軽量化することが可能である。その結果、小粒径、或いは粉末成形品においても十分に軽量な焼成物を得ることができ、さらに大粒径においては超軽量なる焼成物が得られる。さらに、短時間で緻密な酸化被膜を形成し、キルン内壁や粒同士の摩り減り量も減ることから、歩留まりも向上する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明者らは膨張頁岩、膨張粘土の発泡軽量化メカニズムを検討した結果、以下のようなことを知りえた。図１に示す通り、膨張頁岩、膨張粘土を酸素存在下で焼成した軽量材を製造する場合、この焼成物は、鉄の形態がヘマタイト（Fe2O3）である赤褐色を呈する表層部１と、鉄の形態がウスタイト（FeO）及び／またはマグネタイト（Fe3O4）からなる黒色を呈する内層部２を有している。この表層部と内層部は目視でも容易に判別できる。より正確には、軽量材の断面の色調を測定し、そのＬ値及びａ値の範囲によって赤褐色か黒色かを判別する。
【００１５】
温度が500℃〜1000℃で酸素が存在する雰囲気におかれると表層部１については、酸化されるともに、温度が1050℃以上に上昇するとガラスメルト相が生じ、空隙中に存在したガス(空気)は毛細管凝縮作用により系外に排出される。このため、焼成物の表層部１の絶乾密度は、原料の絶乾密度以上となり、2.2〜2.5g/cm3となる。一方、温度が1050℃以上になると内層部２にもガラスメルト相が生じ、さらに表層部１に生じたガラスメルト相によって外気と内層部２は遮断される。その結果、内層部では段落０００４の（１）〜（３）の化学反応によって発生したO2、CO2などによって、発泡軽量化する。さらに、温度を上げて内外層部のガラスメルト相量を多くすれば、内層部２では段落０００４の（１）〜（３）の化学反応が促進され、絶乾密度は低くなる。
しかし、温度を上げることは外層部１のガラスメルト相も増大することにもなり、原料粒子同士が融着、或いはロータリーキルンで焼成した場合、キルン壁面に原料粒子が付着してしまいキルンから排出することが困難となる。そのためむやみに加熱温度を上げることはできない。そこで、電気炉実験にて確認したところ、原料粒子同士が融着、あるいはキルン壁面に原料粒子が付着しない内層部２の絶乾密度の下限は0.4g/cm3程度であることを確認した。即ち、焼成物の絶乾密度が1.0g/cm3未満を得るためには、表層部１／（表層部１＋内層部２）の体積割合が0.4以下、好ましくは0.3以下にする必要がある。0.4を超えると上記の軽量性を有する焼成物を十分な軽量材を得ることができない。
【００１６】
また、潜在的に段落０００４の（１）〜（３）に示した化学反応による高温、低酸素状態でガス成分が生じる材料であれば、副原料として用いることも可能である。例えば、石炭灰、焼却灰、下水汚泥、建設汚泥、建設発生土等は好適に用いられるが、使用割合としては副原料の発泡程度によって異なり、膨張頁岩または膨張粘土に副原料を加えた重量のうちの0％〜95％の割合で使用ができる。さらに、表層部の酸素拡散速度を遅らせることが可能な炭材、発泡量を多くさせる酸化鉄の添加も、表層部／（表層部＋内層部）の体積割合を下げるには好ましい。炭材としては、炭、木材粉、石炭、炭化珪素等が上げられ、添加量としては多いほうが好ましいが、コスト面を考慮すると全重量の5％以下が好ましい。酸化鉄としては、ベンガラ、赤泥等が挙げられ、鉄の形態がFe2O3のものであれば特に限定されるものではない。
【００１７】
膨張頁岩、膨張粘土を主原料として、ロータリーキルンに投入して製造する軽量材の製造方法において、原料温度が500℃〜1000℃までの滞留時間を10分以内、好ましくは5分以内、さらに原料温度が1050℃以上での原料の滞留時間を2分以上とすることが好ましい。粒径が5mm以下、より好ましくは2mmの小粒径で絶乾密度が1.0g/cm3未満、粒径が5mm以上のもので絶乾密度が0.8未満の軽量な焼成物を得ようとする場合、原料温度が500℃〜1000℃での滞留時間が10分より大きいと、図１における表層部１／（表層部１＋内層部２）の体積割合が0.4を超えてしまい、十分な軽量材を得ることができない。また、原料温度が1050℃以上での原料の滞留時間を2分未満であると、内層部２の発泡量が不十分となり十分な軽量材を得ることができない。
【００１８】
即ち、上記に示した通り、表層部１／（表層部１＋内層部２）の体積割合をより小さくするためには、ロータリーキルンを使用する場合、原料温度が500℃に達してから1000℃に達するまでの滞留時間、即ち1000℃に達するまでの昇温速度を大きくし、1050℃以上での滞留時間を多くすることが好ましい。なお、原料温度が500℃〜1000℃までの滞留時間の下限は、原料全体の温度が上がる時間であればよく、焼成装置の特性にもよるが、通常は1分程度である。また、原料温度が1050℃以上での原料の滞留時間の上限は特にないが、焼成のコストを考えると通常は20分以内である。
このような温度制御の手段としては、ロータリーキルンの回転速度を上げる、キルン傾斜角度を上げる、キルン長さを短くすることが具体的な対策として挙げられる。また、従来のロータリーキルンとは逆に、原料供給手段をロータリーキルン内のバーナ配置側に設けてもよい。このようなロータリーキルンによる焼成では、原料の昇温時間を小さくすることができるので好ましい。
【実施例１】
【００１９】
―実施例１−  表１に示す膨張頁岩をジョークラッシャーにて解砕後、10〜15mmの粒径品を篩にて選別した。次いで、800℃に保持した電気炉に投入し10分間放置した。さらに、1200℃に保持した電気炉に投入し冷却後、15分間保持した。さらに、電気炉から取り出した後、絶乾密度を求めた。その結果、絶乾密度は0.75g/cm3と非常に軽量で小粒の軽量材が得られた。さらに、電気炉から取り出した焼成物の中から球形により近いものを選別し、これを破断し、表層部と内層部の色を日本電色工業社ハンディカラーメータNR-3000で測定した結果、表層部はL値54.29、a値17.77、b値21.66、更に内層部はL値33.76、a値-8.86、b値-1.84と明確に色調の差が生じた。次いで、この色調の境目を外層部と内層部の境界とし、表層部の平均層厚み、及び内層部の平均径を測定した。表層部の平均層厚み、内層部の平均径から、焼成物を球と仮定し、表層部／（表層部＋内層部）の体積割合の値を算出した結果0.094であった。
【実施例２】
【００２０】
―実施例２−  実施例１と同様に、表２に示す条件で行った結果、絶乾密度は0.81g/cm3、表層部／（表層部＋内層部）の体積割合は0.125の焼成物が得られた。
【００２１】
【表１】
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【００２２】
【表２】
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【実施例３】
【００２３】
−実施例３〜７−  表１に示す膨張頁岩をジョークラッシャーにて解砕後、振動ミルにて粉砕した。次いで、表２に示す配合で混合し、さらに適量の水を加え、混練りし、さらに手のひらで造粒し粒径2mmの球状の成形品を得た後、105℃、24時間乾燥した。この乾燥物を表２に示す条件で加熱した結果、同様に表２に示す軽量品を得た。
【００２４】
―比較例１−  表１に示す膨張頁岩をジョークラッシャーにて解砕後、2〜3mmの粒径品を篩にて選別した。次いで、900℃に保持した電気炉に投入し60分間放置した。さらに、1200℃に保持した電気炉に投入し冷却後、5分間保持した。さらに、電気炉から取り出した後、絶乾密度を求めた。その結果、絶乾密度は1.15g/cm3、表層部／（表層部＋内層部）の体積割合は1であり、実施例１と比較し軽量化には至らなかった。
【００２５】
―比較例２、３−  表１に示す膨張頁岩をジョークラッシャーにて解砕後、振動ミルにて粉砕した。次いで、表３に示す配合で混合し、さらに適量の水を加え、混練りし、さらに手のひらで造粒し粒径2mmの球状の成形品を得た後、105℃、24時間乾燥した。この乾燥物を表３に示す条件で加熱した結果、実施例６，７と比較し軽量なものは得られなかった。
【００２６】
【表３】
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【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】軽量材の表層部と内層部を示す断面図。
【符号の説明】
【００２８】
１  表層部
２  内層部
【図１】
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