原田・江木：風化花崗岩配合粘土の乾燥時における変形挙動

資料

風化花崗岩配合粘土の乾燥時における変形挙動
原田

１. 目

達也＊・江木俊雄＊＊

らの原料のうち坏土を主粘土として用い, 風化花崗岩を配的合して反りに対する影響を検討した.

島根県西部地域は, 石州瓦の名称で知られる陶器瓦の生

なお, それぞれの原料について 既報１) の方法により比産地である. 石州瓦は都野津層の粘土を主原料としており,重計法およびふるい分けによる粒度分布測定と蛍光X線法

長年の採掘により耐火度が高く粘土分に富んだ良質な粘土による化学分析をおこなった.の減少が問題となっている１), ２). これに対し, 原料に関す

2.2３)-５)

前処理, 島根県浜田市金城町一帯に分布

坏土配合用に供した風化花崗岩は, 風化花崗岩, アルミする変質した花崗岩 (以下 ｢風化花崗岩｣ とする) を石州ナボール, そして水を質量比で１：１：１の割合で１時間瓦の配合原料の一つとして利用できることを示した. 風化湿式粉砕し, 振動ふるいで250μm以下の固形物を回収し花崗岩の埋蔵量は1,000万トン以上と推測されていることた. 坏土および分級した風化花崗岩は, 自然乾燥物をそれから, 実用的に使用されるようになれば, 原料の問題を解ぞれジョークラッシャーとロールクラッシャーを用いて粗決する一手段となることが期待できる.

粉砕し, 実験に供した.

る一連の研究を行い

３)−５)

従来の結果を踏まえて風化花崗岩を瓦用原料として2.3試験体の作製利用するために, 現行瓦粘土に風化花崗岩を配合して実用2.2の前処理をした原料を表１の割合になるように秤量化の試験を行ったところ, 風化花崗岩を配合すると瓦製造し, 逆流式混合機 (アイリッヒ製RV02) を用いて乾式で時の歩留まりを下げる原因となっている ｢割れ｣ を低減さ撹拌・混合した. 次に, 含水率が約20mass％になるようせるが, ｢変形｣ が増大する傾向を示すことが判明した.に水を加えてポリエチレン袋中で混練し, 12時間以上静置

このため, 風化花崗岩を利用するためには配合物の変形のして水分を均質化した. 水分調整した配合粘土について真原因を明らかにし, 変形の低減を図る必要がある. 瓦の製

空土練機 (高浜工業 (株) 製, MPM120N) にて押出成形

造工程において変形が発生するのは乾燥と焼成の工程であを行い, 板状成形体 (長さ×幅×厚さ:約220×100×15㎜)６)る. 既報 において風化花崗岩配合粘土の焼成時の変形にを作製した. この板状成形体を長さ約120㎜, 幅約50㎜について, 押出成形した試験体を用いて ｢変形｣, 特に ｢反切断し, 成形圧力約８MPaでプレス成形して板状試験体り｣ に注目して評価を行い, 風化花崗岩の配合比の増加と(長さ×幅×厚さ:約120×50×14㎜) を作製した (図１).

ともに焼成時の反り量が低減することを明らかにした. そ作製した板状試験体は, 乾燥を防ぐためポリ袋中に密封し,こで本研究では風化花崗岩の配合比を変えた粘土を用いて,乾燥実験に供するまで幅方向が垂直になるように立てて発乾燥時における反りについて評価を行った.

泡スチロール製の箱の中に保管した.

２. 方2.1

法

表１

粘土の配合割合 (mass％)

原料

原料は風化花崗岩及び現在使用されている石州瓦坏土(以下 ｢坏土｣ とする) を用いた. 風化花崗岩は浜田市金城町下来原で採取し, 坏土は石州瓦メーカーが使用している調製済み瓦用粘土を用いた. 風化花崗岩は石英, カオリン鉱物を主体として長石と雲母を随伴しており, 坏土は石英, 長石, カオリン鉱物を主体として, スメクタイトと雲母を随伴していた. 風化花崗岩のカオリン鉱物はほぼハロイサイトであるのに対し, 坏土のカオリン鉱物はカオリナイトを主体としており, 粘土鉱物に違いが見られる. これ＊材料技術グループ, ＊＊無機材料・資源グループ

図１― 43 ―板状試験体の模式図島根県産業技術センター研究報告第48号(2012)

試験体の質量減少を測定し, 含水率の変化を算出した. 乾燥速さはこの含水率の変化で評価した.
2.6.3 押出し成形機の口金の影響
真空土練機の押出口である口金 (図４) が上下方向に移動可能なものを用い, 2.3の試験体の作製において, 口金の高さを土練機の中心より上側に０〜２㎜変化させて試験体を作製し, 乾燥中の押出成形の影響を評価した.
2.6.4 風化花崗岩中のハロイサイトの影響
風化花崗岩は簡単に破砕できる (水中で砕解可能な) ものであれば, 破砕後粒度によって石英や粘土に分離濃集す
図２ることができる７). 本研究で用いた風化花崗岩は容易に破乾燥実験における温湿度条件砕可能なため, 分級により石英粒や粘土分に分離することが可能である. この風化花崗岩の粗粒部分は石英粒と長石の風化物で構成されている. 長石の風化物はハロイサイトが凝集したものであり, 機械的な力で比較的容易に破砕できるのに対して, 石英粒の破砕には大きな力を要する. 予
備試験において, 石英粒と長石の風化物を水中に浸漬し攪
図３

乾燥反り量の測定の模式図

拌機 (日立工機 (株) 製, UM15) を用いて破砕したところ, 長石の風化物のみを破砕することができた.
そこで, 風化花崗岩を水に浸漬させた後, ほぼ石英粒と長石の風化物の塊からなる425μm以上の粗粒をまず分級した. この粗粒分級物を水中に浸漬させた後, 攪拌機を用いて破砕し, 撹拌物からふるい分けにより75μm以下の微粒を得た. この75μm以下の微粒をX線回折によりほぼハロイサイトであることを確認し, 風化花崗岩中のハロイサ

図４イト分とした (以下, この微粒をハロイサイト分と記す).

土練機の模式図

坏：風＝70：30に含まれているハロイサイトの量は, ハ2.4

乾燥実験

ロイサイト分級物と坏土を用い, 強熱減量値から内部添加乾燥は, 石州瓦製造工場の乾燥工程を参考にして, 恒温法により約8.5mass％と推算した. これを基に坏土にハロ恒湿器 (エスペック (株) 製, PSL-2GM) を用いて図２

イサイト分を8.5mass％配合し, 2.6.3と同様に試験体を作に示すように温度と湿度を35℃, 90％RHから50℃, 45％製して乾燥実験を行い, 風化花崗岩中のハロイサイト分のRHまで段階的に変化させて行った. 恒温恒湿器内では,影響を評価した.

試験体を均一に乾燥させるため,試験体を垂直に静置し,３. 結転倒防止のためにプラスチック丸棒を試験体に接触しない3.1ように設置した.
2.5

乾燥試験体の反りの評価

果

使用原料の性状

使用した原料の粒度組成を表２に, 化学分析値を表３に

乾燥時の試験体の反りの評価は, 図３に示すようにガラ示す. 風化花崗岩は, 坏土よりも粒度組成について２μmス板上で試験体の長手方向の端部を固定し, 長手方向の相以下の粘土分の割合が低く, 化学分析値について, Al２O３対する端部の水平面からの浮き上がりの量で評価した.

分が多く, Fe２O３分及びK２O分が少なく, CaO分とNa２O2.6分は非常に少ない結果となった.

乾燥時の反りに影響する種々の要素の評価

以下の要素について, 乾燥時の反りに対する影響を検討した.

表２

2.6.1 収縮率の影響
収縮率は図１の幅方向の寸法について乾燥実験前後の変化から算出し, 乾燥時の反りとの相関について評価した.
2.6.2 乾燥速さの影響
2.3と同様に試験体を作製し, 温度と湿度を制御した恒温恒湿器内に設置した天秤の上に載せ, 経過時間に対する― 44 ―

原料の粒度組成原田・江木：風化花崗岩配合粘土の乾燥時における変形挙動
表３

原料の化学分析値 (酸化物換算, mass％)＊) 強熱減量

図５

風化花崗岩配合粘土の乾燥反り量

図６

風化花崗岩配合粘土の乾燥収縮率

図７

風化花崗岩配合粘土の含水率の変化

また, 坏土の粘土分の割合は石州瓦業界の平均値(34mass％)８)と比較すると若干高かった. 他方, 化学分析
値 (表３) は石州瓦業界の平均値８)とほぼ同等であった.
3.2

風化花崗岩配合粘土の乾燥時の反り挙動

風化花崗岩の配合率に対する試験体の乾燥時の反り量を図５に示す. 風化花崗岩の配合率が高くなると反りが増大する結果となった. これは風化花崗岩の実用化試験で風化花崗岩を配合すると変形の不良率が高くなったことと一致した. 既報６)の実験では, 風化花崗岩の配合率が高くなると焼成時の反り量は低下したことから, 風化花崗岩の実用化試験で変形が大きかったのは乾燥時の反りの影響が大きかったと考えられる. また, 配合することにより反り量が大きくなるということは, 風化花崗岩の配合により製造工程での困難さが増すことを意味しており, 風化花崗岩を使用するには, 乾燥時の反りの原因を明らかにして反りの低崗岩の配合率が高くなると表面からの乾燥が速くなり, 反減を図る必要がある, そこで, 考えられる要素に注目してり量が増大した可能性が考えられた. そこで, 含水率の変反り量が増大した原因について検討を試みた.

化から乾燥の速さを比較した. その結果を図７に示す. 乾3.2.1 収縮率の影響

燥時間に対し, いずれの試料も同様に含水率が低下し, 乾風化花崗岩を配合すると乾燥時の収縮率が大きくなり,燥の速さに差は認められなかったので, 風化花崗岩の配合そのために反り量が増大した可能性が考えられたので, 乾比と乾燥の速さにも相関はないと考えられた. したがって,燥時の収縮率を測定した. その結果を図６に示す. この図

乾燥の速さと反り量も相関がないと考えられた.

が示しているように, 収縮は風化花崗岩の配合率に対して3.2.3 押出し成形の影響直線的な変化はせず, また, 風化花崗岩を配合すると, 配試験体の反りの方向を詳細に観察したところ, 真空土練合していないものと比較して, 収縮率が低下する結果が得

機の押し出しに対して, 常に一定方向に反りが生じていた.

られたことから, 風化花崗岩の配合比と収縮率に相関はな

このことより反りは成形時の影響を強く受けたと推察されいことが分かった. よって, 収縮率は反り量と相関がない

た. 本実験の成形は, 粘土瓦の製造工程と同様に土練機にと考えられた.

よる押出成形および金型によるプレス成型で行ったため,3.2.2 乾燥速さの影響いずれかの工程が反りに影響したと考えられた. そこで,乾燥時に素地の表面と内部で水分の減少速度に差が生じ９)ると応力が発生し, 反りの原因になる ことから, 風化花プレス成型時に試験体の上下を入れ替えて反りの挙動を観察したところ, プレス成形時の上下には関係なく土練機の― 45 ―

島根県産業技術センター研究報告図８

風化花崗岩配合粘土の土練機の口金高さと第48号

図９

乾燥反り量の関係(2012)

ハロイサイト分配合粘土の土練機の口金
高さと乾燥反り量の関係

押し出しに対して一定方向に反りが生じたことから, プレする効果があることが判明した. よって, 風化花崗岩の配ス成型は反りに影響せず, 土練機による成形が反りに影響

合により反りが増大した原因は, 風化花崗岩中の他の成分していると推察された. 土練機成形で反りが生じたのは,である石英粒あるいは雲母の影響によると推測された. 今

土練機の押出口である口金が土練機の羽根の軸中心から偏後, これらの成分の影響を評価して風化花崗岩の配合によ心していたためと推測した. このことを確認するため, 坏：る反り量増大の原因を明らかにし, 風化花崗岩配合粘土の風＝100：０と坏：風＝70：30の配合粘土について, 高さ反り量の低減を検討していく予定である.

が調整できる口金を用い, 土練機の中心から口金の高さを文変えて押出成形したところ, 口金を下側に移動させると上献側に反り (上弦), 上側に移動させると下側に反る (下弦)１) 塩村隆信, 川谷芳弘. 石州瓦坏土および瓦製品の品質調査

様子が観察された. この口金を用いて作製した試験体につ(平成２年度〜平成５年度). 島根県立工業技術センター研究報告. 1993, 30, p.53-57.

いて乾燥実験を行った結果を図８に示す. 口金の高さが土練機の羽根の軸中心から高くなる程, 試験体の反り量が増

２) 塩村隆信, 川谷芳弘. 石州瓦坏土および瓦製品の品質調査(1993年度〜1996年度). 島根県立工業技術センター研究報告.

大し, この傾向は風化花崗岩を配合した粘土で顕著であっ

1996, 33, p.53-56.

た. また, 口金を土練機の羽根の軸中心に合わせると反り

３) 塩村隆信, 川谷芳弘, 若槻和郎, 永島晴夫. 瓦用粘土を配合し量が減少する結果となった. よって, 乾燥時の反りは土練た金城地区風化花崗岩の焼成性状. 島根県立工業技術センター

機の影響を受けており, その反り量は押し出し時の口金高研究報告. 1994, 31, p.14-21.
４) 原田達也, 若槻和郎, 上野敏之, 川谷芳弘. 未利用粘土活用技

さの調整により低減できることが明らかになった.

術の開発−低品位粘土を用いた瓦用坏土による石州瓦の試作−.

3.2.4 風化花崗岩中のハロイサイトの影響
図８より風化花崗岩を配合すると反りが顕著になる結果を得た. そのため, 風化花崗岩を利用するには, その原因

島根県産業技術センター研究報告. 2002, 39, p.75-78.
５) 原田達也, 若槻和郎, 上野敏之, 長野和秀. 未利用粘土の活用
技術開発−海成粘土の改質と配合−. 島根県産業技術センター

を明らかにして, 風化花崗岩配合粘土の反り量を坏土と同研究報告. 2003, 40, p.41-46.

程度以下に改善する必要がある. 反りが増大した現象には,

６) 原田達也, 若槻和郎. 風化花崗岩配合粘土の焼成における変風化花崗岩中の成分が影響していると考えられたので, 本形挙動. 島根県産業技術センター研究報告, 2009, 45, p.34-38.

研究では, 坏土と比較して形状が異なる風化花崗岩中の粘７) 陣内和彦, 向山広. 花崗岩の風化による諸性質の変化 特に工土鉱物, 特にハロイサイトに注目して反りに与える影響に業原料としての利用を目的として. 鉱山地質. 1973, vol.23,ついて評価した. 坏土にハロイサイト分を添加した場合のp.411-423
８) 中島剛, 原田達也, 江木俊雄. 石州瓦坏土および瓦製品の品質結果を図９に示す. 図より, ハロイサイト分を配合した粘調査 (2006年〜2010年) . 島根県産業技術センター研究報告.

土は口金の高さに依存せずほぼ一定の値を示したことから,ハロイサイト分を配合した粘土は土練機成形の影響が小さ2012, 48, p.39-42.
９) 素木洋一.

く, むしろ坏土にハロイサイトを配合すると, 反りを抑制― 46 ―

乾燥. セラミック製造プロセスⅢ. 第1版, 技報堂出版, 1979, p.1-71.