JP2000119050A - 人工軽量骨材の製造方法およびこの方法により得られた人工軽量骨材 - Google Patents

人工軽量骨材の製造方法およびこの方法により得られた人工軽量骨材

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JP2000119050A JP28767598A JP28767598A JP2000119050A JP 2000119050 A JP2000119050 A JP 2000119050A JP 28767598 A JP28767598 A JP 28767598A JP 28767598 A JP28767598 A JP 28767598A JP 2000119050 A JP2000119050 A JP 2000119050A
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武 長南
Atsushi Kagakui
敦 加岳井
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真悟 須藤
Koji Kawamoto
孝次 川本
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Sumitomo Metal Mining Co Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 入手が容易で低価格な添加剤を少量添加する
ことにより、絶乾比重を小さくでき、比較的低温で高強
度を発現し、かつ高品質な人工軽量骨材を安価に製造す
る方法およびこの方法により得られた人工軽量骨材を提
供する。 【解決手段】 石炭灰に、ごみ焼却灰からなる融点降下
剤と、粘結剤と、発泡剤とを混合して得られた混合物を
粉砕し、該粉砕物に水を添加して成型・乾燥した後、焼
成することを特徴とし、また前記ごみ焼却灰は、主灰、
飛灰あるいは二次飛灰からなり、さらに前記ごみ焼却灰
の添加量は、１〜１０重量％（アルカリ金属酸化物換
算）であり、そして前記焼成を９５０℃〜１３００℃の
温度範囲で実施し、さらにまた前記発泡剤は酸化鉄と、
炭化珪素または炭材のうち少なくとも１種とからなる人
工軽量骨材の製造方法を特徴とし、また該方法により得
られた人工軽量骨材は０．５〜１．５の絶乾比重を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は人工軽量骨材に関
し、具体的には石炭火力発電所や石炭焚きボイラーなど
から発生する石炭灰を、特に土木・建築用などの人工軽
量骨材として再資源化して有効利用するための人工軽量
骨材の製造方法および該方法により得られた人工軽量骨
材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】石炭は、石油に比べて資源が豊富で単位
発熱量当たりの価格も安価なことから、国内のエネルギ
ー政策により、特に発電用燃料として大幅な使用量の増
加が計画または実施されつつある。その結果、石炭火力
発電所や石炭焚きボイラーなどから発生する石炭灰が、
石炭使用量にほぼ比例して増加している。その結果急増
する石炭灰の有効利用法が大きな課題となっている。
【０００３】多量に発生する石炭灰を有効に利用するた
めには、人工軽量骨材としての利用がその需要量の大き
さから適している。
【０００４】しかしながら、石炭灰はシンターグレート
方式で一部が骨材化されているものの、人工骨材として
の利用は国内では極めて少ないのが現状である。その原
因は、石炭火力発電所や石炭焚きボイラーなどでは、ボ
イラーの水管やボイラー壁への灰の付着を軽減するため
に、高融点の灰を発生する石炭を選択して使用している
ところにある。
【０００５】すなわち石炭火力発電所や石炭焚きボイラ
ーなどから発生する石炭灰は、一般的には融点が高いた
め、軽量骨材化するには低融点の粘土や頁岩を多量に混
入して焼成しなければならない。しかし、これらの粘土
や頁岩を多量に確保するのが困難であること、これらの
粘土や頁岩を採掘・運搬・前処理・混合するのに多くの
費用を要する結果、人工軽量骨材の製造コストが高くな
っていること、また単位製品当たりの石炭灰の使用率が
低いことから石炭灰の有効利用上好ましくないこと、さ
らに石炭灰を使用して得られた人工軽量骨材の絶乾比重
が１．３〜１．４程度であって用途が制限されてしま
い、この絶乾比重がより小さな軽質の人工軽量骨材を製
造する技術が開発されていないことなどの問題から石炭
灰を人工軽量骨材として有効に再利用することがなされ
ていなかった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】本発明は前記状況より
鑑みてなされたものであり、入手が容易で低価格な添加
剤を少量添加することにより、絶乾比重を小さくでき、
比較的低温で高強度を発現し、かつ高品質な人工軽量骨
材を安価に製造する方法およびこの方法により得られた
人工軽量骨材を提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、単位製品
当たりの石炭灰の使用率を増加してその有効利用率を高
め、絶乾比重を小さくできるとともに高強度を発現で
き、かつ安価な製造方法について鋭意検討した結果、石
炭灰に対して、ごみ焼却灰からなる融点降下剤と粘結剤
と発泡剤とを混合した骨材配合とすることにより上記問
題点を解決できることを見出し本発明を完成するに至っ
た。
【０００８】すなわち、上記目的を達成するため本発明
の第１の実施態様は、石炭灰に、ごみ焼却灰からなる融
点降下剤と、粘結剤と、発泡剤とを混合して得られた混
合物を粉砕し、該粉砕物に水を添加して成型・乾燥した
後、焼成することを特徴とし、また前記ごみ焼却灰は、
主灰、飛灰あるいは二次飛灰からなり、さらに前記ごみ
焼却灰の添加量は、１〜１０重量％（アルカリ金属酸化
物換算）であり、そして前記焼成を９５０℃〜１３００
℃の温度範囲で実施し、さらにまた前記発泡剤は酸化鉄
と、炭化珪素または炭材のうち少なくとも１種とからな
る人工軽量骨材の製造方法を特徴とするものである。
【０００９】また本発明の第２の実施態様は、前記第１
の実施態様に係る製造方法により得られ、かつ０．５〜
１．５の絶乾比重を有する人工軽量骨材を特徴とするも
のである。
【００１０】
【発明の実施の形態】以下、本発明の詳細およびその作
用についてさらに具体的に説明する。本発明は、ごみ焼
却灰を融点降下剤として石炭灰に添加することにより、
石炭灰の融点を９５０℃〜１３００℃、好ましくは１０
００℃〜１２５０℃の工業的に焼成し易い温度に低下さ
せ、かつ発泡剤として平均粒径１０μｍ以下の酸化鉄
と、炭化珪素および／または石炭やコークスなどの炭材
とを添加することによって絶乾比重０．５〜１．５程度
の強度が高い人工軽量骨材を製造することができるとい
うことを特徴とするものである。ここで特に絶乾比重を
１以下にするには、骨材配合量の全体に対するＦｅ２Ｏ
３量を３重量％以上にする必要がある。なお炭材は焼成
時の造粒したペレット内部の還元状態の調整にも機能す
る。
【００１１】つぎに石炭灰の融点を降下するための融点
降下剤について以下に説明する。石炭灰は、液相を生成
して焼結する温度が１４００℃〜１５００℃と極めて高
い場合が多く、人工軽量骨材を１４００℃〜１５００℃
で焼成するには、焼成設備の耐火度やエネルギーコスト
および発泡剤の選定が困難な点で実用的ではない。従来
このような高耐火度の原料を焼成する場合には、融点降
下剤としてアルカリ金属類を多く含む低耐火度の粘土や
頁岩などの天然鉱物や特開平９−７７５４０号公報に報
告されているようなビンガラスのなどの廃ガラスを多量
に加える方法が一般的であった。
【００１２】本発明者らは粘土、頁岩類の添加効果を種
々検討した結果、これらを構成する成分のうちでアルカ
リ金属類が少量でも液相温度を著しく低下させることを
確認した。さらにこのような液相温度の低下効果を発揮
する元素は、前記アルカリ金属類に限らず、低融点酸化
物を構成する元素、例えば硼素、鉛などのいずれのもの
でもその効果を発揮することを見出した。
【００１３】そこで、本発明者らは先に工業用のアルカ
リ金属化合物、例えば炭酸ナトリウムや炭酸カリウムな
どのアルカリ金属の化合物と、石炭灰とを混合して１０
００℃〜１２００℃で加熱溶融してガラス状としたもの
を冷却粉砕して石炭灰に添加した場合に、特にガラス状
にした融点降下剤を骨材配合量の全体に対して５重量％
以上となるように添加すると、焼成温度が９５０℃〜１
３００℃、好ましくは１０００℃〜１２５０℃におい
て、造粒したペレット内部から均一に発泡した高強度な
人工軽量骨材を焼成することができることを見出して、
この技術を前記特開平９−７７５４０号公報に開示した
が、工業薬品を使用できるとはいえコスト的に十分満足
できるものではなかった。
【００１４】本発明者らは、さらに安価な製造方法につ
いて検討した結果、ごみ焼却灰が融点降下剤となり得る
という知見を得、本発明でこれを用いた。そして本発明
で用いるごみ焼却灰は、主灰、飛灰または二次飛灰から
なるものである。
【００１５】また本発明に係る人工軽量骨材において、
ごみ焼却灰の好ましい添加量は、骨材配合量の全体に対
してアルカリ金属酸化物換算で１〜１０重量％であっ
て、これは骨材の焼成特性と石炭灰利用率の向上の観点
から得られた範囲であり、１重量％未満ではその効果が
十分に発揮されず、一方１０重量％を超えると骨材同士
の融着がより顕著となるからである。
【００１６】つぎに粘結剤は、造粒物の成型性と強度を
付与するために添加するが、粘結剤の種類は特に限定さ
れないが、例えばべントナイト、水ガラスなどの無機
類、澱粉、糖蜜、リグニン、ポリビニルアルコール、メ
チルセルロース、天然ゴム、パルプ廃液などの有機類が
挙げられる。またその添加量も特に限定されないが、添
加効果およびコストなどを考慮すると０．５重量％〜１
０重量％の範囲が好ましい。
【００１７】また発泡剤は、人工軽量骨材の絶乾比重を
０．５〜１．５程度に制御するために添加するものであ
るが、本発明では発泡剤として酸化鉄と、炭化珪素およ
び／または炭材とを用いることが好ましい。通常、この
発泡剤としては前記効果を発揮するものであれば特に限
定されないが、本発明では好ましくは酸化鉄と、炭化珪
素および／または炭材とからなるものを使用し、前記酸
化鉄としては酸化度の高いヘマタイトが望ましい。
【００１８】そして酸化鉄の粒度は特に限定されない
が、焼成中の炭材による脱酸素反応を促進するために１
０μｍ以下とすることが好ましい。また骨材配合量の全
体に対する好ましいＦｅ２Ｏ３添加量は、１重量％〜１
０重量％であり、１重量％未満では発泡剤としての効果
が少なく人工軽量骨材の絶乾比重を０．５〜１．５程度
まで制御することができない。一方１０重量％を超えて
添加しても発泡による軽量化の効果はそれ以上増加しな
いからである。
【００１９】さて発泡剤として酸化鉄のみを用いた場
合、酸化鉄の比重が石炭灰と比較して著しく大きく、発
泡が促進されないと人工軽量骨材の比重を増加させるこ
とになる。そこで本発明では酸化鉄の発泡を促進するた
めの炭化珪素および／または炭材を添加した。炭化珪素
は、造粒したペレットが加熱により多量の液相を生成す
るときに、酸化鉄と効率よく反応して発生するＣＯ、Ｃ
Ｏ２ガスを捕捉してペレットの発泡膨潤を促進する。骨
材配合量の全体に対する炭化珪素の添加量は、０．１重
量％〜１０重量％であることが好ましく、０．１重量％
未満では絶乾比重の軽量化に対する効果が十分でなく、
絶乾比重１．０以下の骨材が得られないからで、一方１
０重量％を超えても、それ以上軽量効果は増大しないの
である。
【００２０】また炭材は、効果は小さいが酸化鉄と反応
して発泡作用という機能を発揮するため、炭化水素の一
部を炭材に置き換えたり、あるいは炭化珪素と併用する
ことが可能である。なお炭材は焼成中のぺレッ卜内部の
還元度を調整する効果が大であるという副次的な機能も
有する。炭材は前記した効果を有するものであれば特に
限定されないが、例えば石炭やコークスなどが挙げら
れ、また骨材配合量の全体に対する炭材の添加量は、
０．２重量％〜１０重量％であることが好ましい。０．
２重量％未満では、発泡による軽量化の効果が得られな
いからであり、また１０重量％を超えても発泡膨張によ
る軽量化効果はそれ以上増加せず、逆に未燃焼の炭素が
ペレット内部に残留して人工軽量骨材の強度を低下させ
る可能性がある。
【００２１】さらに本発明で用いる石炭灰は特に限定さ
れないが、例えばフライアッシュとシンダアッシュの混
合物である原粉、ＪＩＳ Ａ６２０１に適合するような
フライアッシュ、粗粉、クリンカアッシュを含む全ての
石炭灰を用いることができる。また前記石炭灰の粒度は
特に限定されるものではない。
【００２２】本発明に用いる粉砕方法は、混合した骨材
配合の原料が平均粒径２０μｍ以下、好ましくは１５μ
ｍ以下になるように微粉砕できるものであればいずれの
方法でもよく、例えばポットミル、振動ミル、遊星ミル
などのボールミル、衝突式のジェット粉砕機、ターボ粉
砕機などが挙げられる。
【００２３】つぎに石炭灰、融点降下剤、粘結剤および
発泡剤との混合粉砕物は必要に応じて湿式混練するが、
採用する混練方法は特に限定されず汎用の混練装置を用
いることができる。
【００２４】成型方法としては、所定の径になるように
成型できるものであればよく、例えばパンペレタイザー
や押出成型機を用いると簡便である。また乾燥方法も特
に限定されるものではない。
【００２５】また焼成方法も特に限定されないが、例え
ば連続操業や品質の均一性を勘案すればロータリーキル
ンを用いることが好ましく、所望とする骨材特性に併せ
て雰囲気を任意に選択でき、そして焼成温度は９５０℃
〜１３００℃、好ましくは１０００℃〜１２５０℃の範
囲で実施する。
【００２６】
【実施例】以下本発明の実施例を比較例とともに説明す
る。ただし本発明は下記実施例に限定されるものでな
い。本発明の下記する実施例および比較例で用いた石炭
灰の主成分は、ＳｉＯ２：５６．２０重量％、Ａｌ２Ｏ
３：３２．１０重量％、Ｆｅ２Ｏ３：３．５７重量％、
ＣａＯ：０．５９重量％、ＭｇＯ：１．４０重量％、Ｎ
ａ２Ｏ：０．２２重量％、Ｋ２Ｏ：０．４８重量％のも
のである。一方融点降下剤として用いた焼却飛灰の主成
分は、ＳｉＯ２：２１．９重量％、Ａｌ２Ｏ３：１３．
０重量％、Ｆｅ２Ｏ３：１．５１重量％、ＣａＯ：１
５．７重量％、ＭｇＯ：３．３１重量％、Ｎａ２Ｏ：
８．７重量％、Ｋ２Ｏ：７．３９重量％のものであり、
また焼却主灰の主成分は、ＳｉＯ２：３２．８重量％、
Ａｌ２Ｏ３：２０．８重量％、Ｆｅ ２Ｏ３：６．５重量
％、ＣａＯ：２４重量％、ＭｇＯ：４．６重量％、Ｎａ
２Ｏ：５重量％、Ｋ２Ｏ：５．４重量％のものである。
【００２７】［実施例１］石炭灰６７．５重量％、ベン
トナイト５重量％、ヘマタイト５重量％、炭化珪素０．
５重量％、コークス２重量％および焼却飛灰２０．０重
量％からなる骨材配合原料を、ボールミルにて平均粒径
１４μｍとなるよう混合粉砕した。この際骨材配合量全
体に対する焼却飛灰の添加量はアルカリ金属酸化物換算
では３．２重量％であった。つぎにこの粉砕物に前記骨
材原料の全量に対して１重量％分の糖蜜を溶解した水を
添加しながら、パンペレタイザーで直径約５〜１５ｍｍ
の球状に造粒した後、１０５℃で通風乾燥した。該乾燥
骨材をロータリーキルン（煉瓦内径４００ｍｍ×長さ６
０００ｍｍ）に供給して、燃焼ガスの酸素濃度６％、１
１２０℃の条件下で焼成して骨材Ａを得た。。このよう
にして得られた骨材Ａを評価するためＪＩＳ Ａ１１１
０に基づいて絶乾比重を、また一軸圧縮破壊荷重により
圧潰強度を測定してその結果を下記する表１に示す。な
お圧潰強度は圧潰試験機によって直径１０ｍｍの各骨材
について測定し、その平均値を求めた。
【００２８】表１から分かる通り市販の人工軽量骨材の
絶乾比重が１．３〜１．４で圧潰強度５０〜６０ｋｇｆ
に比べ、実施例１の骨材Ａは絶乾比重が１．２７で１５
０ｋｇｆ以上の高強度であった。
【００２９】［実施例２〜８および比較例１］石炭灰７
０．５重量％、べントナイト２重量％、ヘマタイト５重
量％、炭化珪素０．５重量％、コークス２重量％および
焼却飛灰２０．０重量％とした以外は実施例１と同様に
して骨材Ｂ（実施例２）を、石炭灰６１．２重量％、べ
ントナイト５重量％、へマタイト５重量％、炭化珪素
０．５重量％、コークス２重量％および焼却飛灰２６．
３重量％とした以外は実施例１と同様にして骨材Ｃ（実
施例３）を、融点降下剤として焼却飛灰に替えて焼却主
灰を前記骨材配合量全体に対するアルカリ金属酸化物換
算で３重量％となるよう添加した以外は実施例１と同様
にして骨材Ｄ（実施例４）を、ロータリーキルンでの焼
成温度を９００℃、１０８０℃、１１００℃、１１３０
℃、１１５０℃とした以外は実施例１と同様にして、そ
れぞれ骨材Ｅ（比較例１）、骨材Ｆ（実施例５）、骨材
Ｇ（実施例６）、骨材Ｈ（実施例７）、骨材Ｉ（実施例
８）を得た。得られた骨材Ｂ〜Ｉについて実施例１と同
様の測定を行い、その結果を表１に併せて示す。
【００３０】表１に示から分かる通り実施例２〜７の骨
材Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｇ、Ｈは絶乾比重が１．１２〜１．
５０で、圧潰強度が１００ｋｇｆ以上の高強度であっ
た。また実施例８の骨材Ｉは絶乾比重が１未満でも圧潰
強度が８７ｋｇｆであり、市販の人工軽量骨材よりも高
強度であった。一方比較例１の骨材Ｅは焼成温度が低い
ために発泡が不十分である結果、絶乾比重が１．６５で
あり所望の軽量骨材ではなかった。
【００３１】［比較例２〜３］石炭灰８２．５重量％、
ベントナイト５重量％、へマタイト５重量％、炭化珪素
０．５重量％、コークス２重量％および焼却飛灰５重量
％（骨材配合量全体に対するアルカリ金属酸化物換算で
は０．８重量％）とした以外は実施例１と同様にして骨
材Ｊ（比較例２）を、石炭灰７２．５重量％、べントナ
イト０重量％、ヘマタイト５重量％、炭化珪素０．５重
量％、コークス２重量％および焼却飛灰２０．０重量％
とした以外は実施例１と同様にして骨材Ｋ（比較例３）
を得た。得られた骨材Ｊ、Ｋについて実施例１と同様の
測定を行い、その結果を表１に併せて示す。
【００３２】表１から分かる通り、比較例２の骨材Ｊで
は焼却飛灰がアルカリ金属酸化物換算では０．８重量％
とアルカリ金属含有量が少ないために融点降下が不十分
である結果、絶乾比重が１．７５であり所望の軽量骨材
ではなかった。また比較例３の骨材Ｋでは粘結剤が添加
されていないために乾燥骨材の強度が低く、ロータリー
キルン投入時の衝撃によって割れや欠けが多発した。
【００３３】
【表１】
【００３４】
【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、石炭火
力発電所や石炭焚きボイラーなどから発生する石炭灰を
原料として、極めて軽質で強度が高く、かつ高品質な人
工軽量骨材を低コストで効率的に生産することができ
る。したがって産業廃棄物を埋め立てて処理することな
く、特に軽量化を必要とする土木・建築材料などに再資
源化できることから、環境の保全とエネルギーの安定供
給に寄与するところ大である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 須藤 真悟 千葉県市川市中国分３−18−５ 住友金属 鉱山株式会社中央研究所内 (72)発明者 川本 孝次 千葉県市川市中国分３−18−５ 住友金属 鉱山株式会社中央研究所内 Ｆターム(参考） 4G019 JA01 JA02

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 石炭灰に、ごみ焼却灰からなる融点降下
    剤と、粘結剤と、発泡剤とを混合して得られた混合物を
    粉砕し、該粉砕物に水を添加して成型・乾燥した後、焼
    成することを特徴とする人工軽量骨材の製造方法。
  2. 【請求項２】 前記ごみ焼却灰は、主灰、飛灰あるいは
    二次飛灰からなることを特徴とする請求項１記載の人工
    軽量骨材の製造方法。
  3. 【請求項３】 前記ごみ焼却灰の添加量は、１〜１０重
    量％（アルカリ金属酸化物換算）であることを特徴とす
    る請求項１または２記載の人工軽量骨材の製造方法。
  4. 【請求項４】 前記焼成は９５０℃〜１３００℃の温度
    範囲で実施することを特徴とする請求項１〜３のいずれ
    か１項記載の人工軽量骨材の製造方法。
  5. 【請求項５】 前記発泡剤は酸化鉄と、炭化珪素または
    炭材のうち少なくとも１種とからなることを特徴とする
    請求項１〜４のいずれか１項記載の人工軽量骨材の製造
    方法。
  6. 【請求項６】 請求項１〜５のいずれか１項記載の方法
    により得られ、かつ０．５〜１．５の絶乾比重を有する
    ことを特徴とする人工軽量骨材。
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