(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｉＯ2 含有率が６０重量％以上であり、かつガラス含有率が６０体積％以上である天然鉱物質粉末に可燃還元物を加えて所定の粒径の粒子に造粒してなる原料粒子を、この原料粒子の軟化温度で焼成することにより、内部に中空が形成された焼成粒子を生成することを特徴とする中空焼成体の製造方法。
【請求項２】
前記天然鉱物質粉末が、火成岩、火山砕屑岩および凝灰岩から選ばれる１種または２種以上の天然鉱物を粉砕してなることを特徴とする請求項１に記載の中空焼成体の製造方法。
【請求項３】
前記天然鉱物質粉末の代わりに人工的に得られるフライアッシュを原料とすることを特徴とする請求項１に記載の中空焼成体の製造方法。
【請求項４】
前記原料粒子の焼成を該原料粒子の軟化温度で、かつ雰囲気の酸素濃度および焼成時間を調整して行うことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の中空焼成体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、主として建築用に用いる構造用および非構造用の軽量骨材、および断熱材や遮音材等として有用な中空焼成体を製造する方法に関する。
【０００２】
【従来の技術および発明が解決しようとする課題】
従来の人工軽量骨材は、頁岩の砕石整粒物および粉砕後造粒物、または抗火石のような酸性火山噴出物を粉砕した粉末に発泡助剤を添加し、造粒してなる粒子を焼成して製造したものであるが、これらの方法で製造した人工軽量骨材は、一般に内部の気泡分布がまちまちで、しかも気泡同士が連結した連続気泡であることが多い。そのため、骨材粒子全体に気泡が存在して強度が弱く、かつ吸水率の高いものであった。
気泡が連続気泡で、骨材強度が弱く、かつ吸水率が高いという傾向は、骨材が低比重であるほど顕著であり、高強度でかつ軽量である骨材を製造することは困難であった。
【０００３】
また、市販の軽量骨材の比重は１．３〜１．４程度で、かつ吸水率が高いために、コンクリート施工を行う際、骨材に水を十分に吸水させる必要があり、そのため貯蔵中にプレウエッチングを行う必要がある。また、貯蔵中でのプレウエッチングのみでは吸水が十分とはいえず、この骨材を用いてコンクリートにした場合、コンクリート混練り中および運搬中にスランプドロップが起こり管理が困難であった。また、骨材比重が大であるためコンクリートの軽量化には限度があり、特に高層建築物に要求されているコンクリート比重を１．２ｔ／ｍ3 以下に抑えることは困難であった。
【０００４】
以上説明した通り、従来の軽量骨材は、
（１）焼成時気泡の制御が不可能であるため比重の制御が困難である、
（２）骨材内気泡は連続気泡が多いため高吸水率である、
（３）低比重化が難しく、また低比重にすると吸水率が高くなる、
（４）低比重にすると骨材の強度が弱くなる、
等の欠点を有する。
【０００５】
本発明は、従来の軽量骨材が有する前記問題点を解消し、低比重でかつ比重の調節ができ、強度が高い軽量骨材等の中空焼成体を製造する新規な方法を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
発明者らは、骨材素材の粉末原料に可燃還元物を添加して造粒し、該粒子をその構成材料の軟化温度で焼成することにより低比重で、かつ強度の大きい中空焼成体が得られ、しかも焼成時の温度と時間および雰囲気の酸素濃度を調節することにより、比重の調整も可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。即ち、上記目的は、本発明の、ＳｉＯ2 含有率が６０重量％以上であり、かつガラス含有率が６０体積％以上である天然鉱物質粉末に可燃還元物を加えて所定の粒径の粒子に造粒してなる原料粒子を、この原料粒子の軟化温度で焼成することにより、内部に中空が形成された焼成粒子を生成することを特徴とする中空焼成体の製造方法により達成される。
同様の目的は、本発明の、前記天然鉱物質粉末が、火成岩、火山砕屑岩および凝灰岩から選ばれる１種または２種以上の天然鉱物を粉砕してなることを特徴とする中空焼成体の製造方法によっても達成される。
また同様の目的は、本発明の、前記天然鉱物質粉末の代わりに人工的に得られるフライアッシュを原料とすることを特徴とする中空焼成体の製造方法によっても達成される。
更に同様の目的は、本発明の、前記原料粒子の焼成を該原料粒子の軟化温度で、かつ雰囲気の酸素濃度および焼成時間を調整して行うことを特徴とする中空焼成体の製造方法によっても達成される。
【０００７】
【作用】
本発明は、前記特定組成の天然鉱物、フライアッシュからなる粉末と可燃還元物粉末との混合粉末を造粒、成形してなる原料粒子を、該原料粒子の軟化温度で焼成することを特徴とする。一般に、可燃還元物を含む場合と含まない場合とで、同一物質について軟化温度を比較すると、可燃還元物を含む場合は、含まない場合に比較して軟化温度が低くなる。
焼成装置内で原料粒子の焼成を開始すると、昇温時に燃焼ガス雰囲気中の酸素により、先ず原料粒子表層のみ燃焼して焼結する。一方、原料粒子の内部は未燃部分が残っており、更に焼成装置内の温度が上昇すると、前記未燃部分はそのままの状態で昇温して、表層よりも先に軟化温度に到達する。その結果、原料粒子は中心部のみが軟化溶融することとなり、この時に発生するガスが粒状体内部に空間部を形成する。そして、冷却過程において、中心部に中空を保持したまま固化して中空焼成体となる。
【０００８】
上記焼成過程において、酸素濃度、焼成温度および焼成時間の焼成条件を適切に調整することにより、内部の中空部分の大きさを制御して中空焼成体の比重を調整することができる。
本発明においては、前記の焼成条件を適切に調整し、中空部の大きさを制御することにより、比重１．０以下の軽量骨材を得ることも可能である。そして、得られた比重１．０以下の軽量骨材の場合でも、表層には気泡が含まれず、強度が大きいため、本発明の軽量骨材は強度が大きく、かつ吸水率が小さい。従って本発明の軽量骨材を用いてコンクリートを調製する場合、軽量骨材のプレウエッチング工程を省略でき、また骨材比重を比重１．０以下にすることにより、コンクリートの単位容積重量を容易に１．２ｔ／ｍ3 以下にすることができる。
【０００９】
以下、本発明に係る中空焼成体の製造方法に関して詳細に説明する。
本発明の原料素材の組成としてはＳｉＯ2 含有率が６０重量％以上であり、かつガラス含有率が６０体積％以上であることが必須条件であり、この条件に適する素材であれば天然の素材でも人工素材でも良い。
【００１０】
本発明に使用される天然鉱物としては火成岩、火山砕屑岩および凝灰岩を好適に挙げられ、これらを単独で若しくは２種以上混合して使用することもできる。また、これら鉱物は石英、長石、斜長石、輝石、かんらん石、黒曜石、角閃石や頁岩などから好ましく構成されるものであり、その化学組成として、ＳｉＯ2 のを主成分とし、Ａｌ2 Ｏ3 を第２成分とし、更にはＦｅ2 Ｏ3 、ＣａＯやＭｇＯ等を含むものである。
【００１１】
人工素材は、フライアッシュが好ましい。このフライアシュは、例えば石炭火力発電所より大量に廃棄物として発生するもので、安価であるばかりでなく、その処理問題を解決する上でも好ましい材料である。
また、フライアッシュは通常、ＳｉＯ2 を６０重量％以上含み、この他Ａｌ2 Ｏ3 、Ｆｅ2 Ｏ3 、ＣａＯ、ＭｇＯやＲ2 Ｏ（Ｒ：アルカリ金属）等を含むものである。また、ガラス含有率も６０体積％以上の範囲にある。
【００１２】
前記原料素材は、予め粉砕して粉末にされる。この粉末の粒子径は、平均粒子径が５〜１５μｍ、好ましくは６〜１０μｍであり、最大粒子径は５０μｍ好ましくは４０μｍである。平均粒子径が１５μｍ以上であると高強度な軽量中空焼成体が得られず、また５μｍ以下としても強度の伸びが少ないばかりか粉砕動力が高くなり好ましくない。原料素材の粉砕には、縦型ミルや横型チューブミルなどのような粉砕機が好ましく使用される。
【００１３】
また、本発明に使用される可燃還元物としては、カーボンブラック、石炭、木炭あるいは原料に含まれる未燃カーボンなどを挙げることができる。可燃還元物は、前記原料素材と同じ粒度あるいはさらに微細な粉末として使用されることが望ましい。可燃還元物の粉砕には、やはり縦型ミルや横型チューブミルが好ましく使用される。
この可燃還元物は、前記原料素材に対して０．１〜６．０重量％添加される。可燃還元物の添加が０．１重量％未満では、焼成時の雰囲気の酸素濃度を０％近くにするか、若しくは焼成時間を数分間と極めて短時間にしなくては、中空部を有する焼成体を得ることができない。また６．０重量％よりも多量に添加した場合には、中空部を有する焼成体を得るためには、酸素濃度を１０％以上と大きくするか、焼成時間を４時間以上と非常に長くしなければならず、製造コストが非常に高くなる。
【００１４】
前記原料素材粉末に可燃還元物粉末を加え、また必要により炭化ケイ素等の発泡剤を加えて調製した混合粉体を、所望の粒径に造粒して原料粒子とすることができるが、焼成時の粉状化を防止するために更に粘結材を加えても良い。
前記粘結材としては、一般に知られているセメント、ベントナイトのような粘土、カルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）やポリビニルアルコール（ＰＶＡ）のような水溶性高分子物、あるいはパルプ廃液などが使用される。また、加える粘結材の量は、造粒した原料粒子が焼成時に焼成装置（回転窯）により解砕されて粉状化を起こさない程度とする。
【００１５】
焼成前の原料粒子は、圧潰強度として１ｋｇｆ／ペレット以上である必要があり、２ｋｇｆ／ペレット以上であることが望ましい。骨材粒子とするための造粒あるいは成形方法は、一般に知られているパン型ペレタイザーに代表される転動造粒機、あるいはブリケットマシンなどの加圧成型機、または押出し成型機が用いられる。そして、これら成型機によって成形された成形物を焼成する。
焼成温度は、原料粒子の軟化温度に設定される。焼成装置としては、回転窯が好適に使用される。
【００１６】
更に、焼成に際して、可燃還元剤の添加量や焼成温度に加えて、酸素濃度および焼成時間を適切に調整することにより、内部に生成する中空部分の大きさを制御して、焼成体の比重を調節するこができる。
例えば、図１は、ＳｉＯ2 含有量が７４．６重量％、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１３．６重量％、ガラス含有率９５体積％の火山砕屑物の粉末に、発泡剤として炭化ケイ素粉末を０．３重量％添加し、カーボンブラック粉末（可燃還元剤）の配合量を変えて造粒した原料粒子を、酸素濃度および焼成時間を変えて焼成し、内部に中空部が形成された焼成体が生成する条件をプロットしたものであるが、可燃還元剤の添加量と酸素濃度、焼成時間の間には相関があることが認められる。
本発明においては、可燃還元物の添加量が上記で規定した０．１〜６．０重量％で、焼成温度が原料軟化温度である場合、焼成装置内の酸素濃度は０．２〜２１％の範囲、また焼成時間は１５分間から１２０分間までの条件で焼成されることが好ましく、実施に際しては、使用する天然鉱物やフライアッシュ、粘結材等の種類により最適条件を実験的に求めておく必要がある。
【００１７】
【実施例】
以下に本発明の中空焼成体の製造の実施例について記載する。以下の実施例は本発明の構成や効果についての理解を深めるためのものであり、本発明を制限するものでないことはいうまでもない。
【００１８】
〔実施例１〕
原料に、ＳｉＯ2 含有量が７０．５重量％、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１５．１重量％、ガラス含有率９５体積％の火山性噴出物を用い、その粉砕には容積６０リットルのボールミル３基を使用した。前記ボールミルの各々の中に、試料１０ｋｇおよび粉砕媒体として直径３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍの鉄製ボールの各３０ｋｇを投入し、４５ｒｐｍで粉砕して平均粒子径で７．６μｍ、最大粒子径で４４μｍ以下になるまで粉砕した。得られた原料粉末に粘結材として市販のベントナイト（主成分モンモリロナイト）を３．０重量％、発泡剤としてＳｉＣを０．３重量％添加し、さらに粒子径４４μｍ以下のカーボンブラック粉末をそれぞれ０．２、０．５、１．０重量％添加して十分混合した。
【００１９】
前記原料の粉砕・混合などの処理を行った後、水を全量の１５重量％程度加え、皿型造粒機により１０±０．２ｍｍの径の粒子に造粒する。得られた造粒物２００ｋｇを内径４５０ｍｍ、長さ８ｍのロータリーキルンを用いて、焼成温度１２００℃、回転窯内の滞留時間を各々３０分間、６０分間、９０分間および１２０分間、窯尻酸素濃度を各々３％、５％および７％に調整して焼成した。
得られた焼成体の物性を、第１表に示す。
【００２０】
【表１】
0003746802.tif 000002
【００２１】
なお、焼成体の比重および吸水率は、ＪＩＳ  Ｃ２１４１に準拠して測定したものである。前記第１表より、中空の焼成体を製造するための条件は、カーボンブラック量が増加すると酸素濃度を多くし、あるいは焼成時間を長くするような操作、若しくはこれらの併用操作が必要となり、カーボンブラック量が少なくなると酸素濃度を少なくし、あるいは焼成時間を短くするような操作、若しくはこれらの併用操作が必要となることがわかる。そして、酸素濃度および焼成時間を最適化することにより、中空の焼成体を得ることができた（表中、内部状況欄において「中空有り」の条件）。また、焼成体の物性も低比重かつ低吸水率であった。
【００２２】
〔実施例２〕
原料に、ＳｉＯ2 含有量が７４．６重量％、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１３．６重量％、ガラス含有率９０体積％の火山砕屑物を用い、その粉砕には容積６０リットルのボールミル３基を使用した。前記ボールミルの各々の中に、試料１０ｋｇおよび粉砕媒体として直径３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍの鉄製ボールの各３０ｋｇを投入し、４５ｒｐｍで粉砕して平均粒子径で７．６μｍ、最大粒子径で４４μｍ以下になるまで粉砕した。得られた原料粉末に粘結材として市販のベントナイト（主成分モンモリロナイト）を３．０重量％、発泡剤としてＳｉＣを０．３重量％添加し、さらに粒子径４４μｍ以下のカーボンブラック粉末をそれぞれ０（無添加）、０．２、０．５、１．０重量％添加して十分混合した。
【００２３】
前記原料の粉砕・混合などの処理を行った後、水を全量の１５重量％程度加え、皿型造粒機により１０±０．２ｍｍの径の粒子に造粒する。得られた造粒物２００ｋｇを内径４５０ｍｍ、長さ８ｍのロータリーキルンを用いて、焼成温度１２００℃、回転窯内の滞留時間を各々３０分間、６０分間および１２０分間、窯尻酸素濃度を各々３％、５％および７％に調整して焼成した。
得られた焼成体の物性を、第２表に示す。
【００２４】
【表２】
0003746802.tif 000003
【００２５】
なお、焼成体の比重および吸水率は、実施例１同様ＪＩＳ  Ｃ２１４１に準拠して測定したものである。第２表より、酸素濃度および焼成時間を最適化することにより、中空の焼成体が得られることが確認された（表中、内部状況欄において「中空有り」の条件）。
【００２６】
〔実施例３〕
原料に、発電所より排出されるフライアッシュを用いて行った。原料の組成は、ＳｉＯ2 含有量が６１．１重量％、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１８．８重量％および残部がＣａＯ、ＭｇＯを主成分とする酸化物１９．５重量％であり、ガラス含有率９０体積％でかつフライアッシュ中の未燃カーボン量が０．５重量％のものを容積６０リットルのボールミルにより粉砕した。粉砕条件および粒度は、実施例１と同様に行った。得られた原料粉末に粘結材として市販のベントナイト（主成分モンモリロナイト）を３．０重量％、さらに粒子径４４μｍ以下のカーボンブラック粉末を０．５または１．０重量％加えて十分混合した。
造粒は、水を全量の１５重量％程度加え、皿型造粒機により１０±１．０ｍｍの径の粒子になるように造粒する。焼成は酸素濃度を５％一定とし、滞留時間および焼成温度を変えて行った。
得られた焼成体の物性を、第３表に示す。
【００２７】
【表３】
0003746802.tif 000004
【００２８】
第３表に示すように、滞留時間および焼成温度を最適化することにより、中空の焼成体を製造することが可能であり、中空とすることにより比重は小さくなるものの、強度低下は見られず、吸水率の少ない焼成体を得ることが可能であることが確認された。
【００２９】
〔実施例４〕
原料に、発電所より排出されるフライアッシュを用いて行った。原料の組成は、ＳｉＯ2 含有量が６１．１重量％、Ａｌ2 Ｏ3 含有量が１８．８重量％および残部がＣａＯ、ＭｇＯを主成分とする酸化物１９．５重量％であり、ガラス含有率８５体積％でかつフライアッシュ中の未燃カーボン量が０．５重量％のものを容積６０リットルのボールミルにより粉砕した。粉砕には容積６０リットルのボールミル３基を使用した。前記ボールミルの各々の中に、試料１０ｋｇおよび粉砕媒体として直径３０ｍｍ、２０ｍｍ、１０ｍｍの鉄製ボールの各３０ｋｇを投入し、４５ｒｐｍで粉砕して平均粒子径で７．６μｍ、最大粒子径で４４μｍ以下になるまで粉砕した。得られた原料粉末に粘結材として市販のベントナイト（主成分モンモリロナイト）を３．０重量％、さらに粒子径４４μｍ以下のカーボンブラック粉末をそれぞれ０．５、１．０、２．５重量％ずつ添加して十分混合した。
【００３０】
前記原料の粉砕・混合などの処理を行った後、水を全量の１５重量％程度加え、皿型造粒機により１０±０．２ｍｍの径の粒子に造粒する。乾燥した原料粒子２００ｋｇを内径４５０ｍｍ、長さ８ｍのロータリーキルンを用いて、焼成温度１２００℃、滞留時間を各々３０分間、６０分間および１２０分間、窯尻酸素濃度を各々３％、５％および７％に調整して焼成した。
得られた焼成体の物性を、第４表に示す。
【００３１】
【表４】
0003746802.tif 000005
【００３２】
なお、焼成体の比重および吸水率は、実施例１同様ＪＩＳ  Ｃ２１４１に準拠して測定したものである。第４表より、酸素濃度および焼成時間を最適化することにより、中空の焼成体が得られることが確認された（表中、内部状況欄において「中空有り」の条件）。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の中空焼成体の製造方法によれば、ＳｉＯ2 含有率が６０重量％以上かつガラス含有率が６０体積％以上である天然鉱物あるいは人工フライアッシュを用いて、焼成条件を適切に調整し、中空部の大きさを制御することにより、比重１．０以下の軽量骨材を得ることが可能である。
得られた比重１．０以下の軽量骨材の場合でも、表層には気泡が含まれず、強度が大きいため、本発明の軽量骨材は強度が大きく、かつ吸水率が小さい。従って本発明の軽量骨材を用いてコンクリートを調製する場合、軽量骨材のプレウエッチング工程を省略でき、また骨材比重を比重１．０以下にすることにより、コンクリートの単位容積重量を容易に１．２ｔ／ｍ3 以下にすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】中空焼成体を焼成する諸条件の関係を、その１例について示す図である。
【図１】
0003746802.tif 000006