JP2021050124A - セメントの製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
生コンクリートスラッジを再利用する技術として、特許文献1には、コンクリートスラッジ微粉末と、普通ポルトランドセメントと、骨材と、必要に応じて添加される混和剤とから練混ぜされて得られる水硬化性硬化体であって、前記コンクリートスラッジ微粉末は、残コンクリートまたは戻りコンクリートに水を加えてスラリーにするスラリー化工程と、該スラリーから砂利、砂、微砂分を除去してスラッジ水を得る分離工程と、該スラッジ水を脱水して脱水ケーキを得る脱水工程と、該脱水ケーキを破砕・乾燥する破砕・乾燥工程とからなる回収工程によって製造され、前記水硬化性硬化体において、前記コンクリートスラッジ微粉末は次の2式、を満たすように混合されていることを特徴とする水硬化性硬化体が記載されている。
DSP≦−0.02×S+230 (1式)
10≦DSP≦70 (2式)
(ただし、DSP:前記コンクリートスラッジ微粉末と前記普通ポルトランドセメン トとからなる結合材に対する前記コンクリートスラッジ微粉末の比率(単位:%)、S:前記コンクリートスラッジ微粉末の比表面積(単位:cm2/g))
本発明の目的は、生コンクリートスラッジを廃棄処分することなく、セメント原料の一部として用いてセメントを製造する方法、及び、生コンクリートを処理する方法を提供することである。
すなわち、本発明は、以下の[1]〜[6]を提供するものである。
[1] ロータリーキルンとクーラーを含むセメント製造装置を用いてセメントを製造する方法であって、上記ロータリーキルンの窯前と上記クーラー内のいずれかの位置であって、温度が200〜1,350℃である位置に、生コンクリートスラッジの脱水処理物を投入して、該脱水処理物と、上記ロータリーキルン内においてセメントクリンカー原料を焼成してなるセメントクリンカーとからなるセメント原料を得るセメント原料製造工程と、上記セメント原料と石膏を粉砕、混合してセメントを得る粉砕工程を含むことを特徴とするセメントの製造方法。
[3] 上記性状が、上記脱水処理物の、含水率、未水和物の含有率、細骨材の含有率、Ca(OH)2の含有率、CaCO3の含有率、及び、CaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)から選ばれる少なくとも1種である前記[1]又は[2]に記載のセメントの製造方法。
[4] 上記脱水処理物を投入する位置が、温度が200℃以上、400℃未満の位置である前記[1]〜[3]のいずれかに記載のセメントの製造方法。
[5] 上記脱水処理物のメジアン径が250μm〜100mmである前記[1]〜[4]のいずれかに記載のセメントの製造方法。
[6] ロータリーキルンとクーラーを含むセメント製造装置を用いて生コンクリートスラッジを処理する方法であって、上記ロータリーキルンの窯前と上記クーラー内のいずれかの位置であって、温度が200〜1,350℃である位置に、生コンクリートスラッジの脱水処理物を投入して、該脱水処理物と、上記ロータリーキルン内においてセメントクリンカー原料を焼成してなるセメントクリンカーからなるセメント原料を得ることで、生コンクリートスラッジを処理するセメント原料製造工程を含むことを特徴とする生コンクリートスラッジの処理方法。
また、本発明の生コンクリートスラッジの処理方法によれば、生コンクリートスラッジをセメント原料の一部として用いることで、生コンクリートスラッジを廃棄処分することなく処理することができる。
以下、図1を参照にしながら、工程ごとに詳しく説明する。
本発明で用いられるロータリーキルン1とクーラー3を含むセメント製造装置7は、特に限定されるものではなく、セメント製造工場で一般的に使用されているものであればよい。また、クーラー3としては、クーラー内の所望の位置に脱水処理物を投入することが容易であることから、エアークエンチングクーラーが好適である。
本工程は、ロータリーキルン1の窯前4とクーラー3内のいずれかの位置であって、温度が200〜1,350℃である位置に、生コンクリートスラッジの脱水処理物を投入して、該脱水処理物と、ロータリーキルン1内においてセメントクリンカー原料を焼成してなるセメントクリンカーとからなるセメント原料を得る工程である。
生コンクリートスラッジの例としては、(i)建設現場等において使用せずに残存したコンクリートに水を加えてスラリーとした後、該スラリーに含まれている骨材(粗骨材及び細骨材)等の粗粒分を分離してなるセメント等の微粉成分を含むもの、(ii)アジテータトラック等を洗浄した際に発生するコンクリートを含む残渣から、骨材等の粗粒分を分離してなるセメント等の微粉成分を含むもの、等が挙げられる。
骨材等の粗粒分を分離する方法としては、例えば、目開きの大きさが異なる複数の振動篩を用いて、スラリーや残渣から、粗骨材や細骨材を、各々、分離する方法が挙げられる。分離された粗骨材や細骨材は、骨材として再利用される。
脱水手段としては、特に限定されないが、例えば、フィルタープレス等が挙げられる。
脱水処理物の含水率は、好ましくは50質量%以下、より好ましくは45質量%以下、さらに好ましくは40質量%以下、特に好ましくは35質量%以下である。該含有率が50質量%以下であれば、脱水処理物をセメント製造装置7が設置されているセメント工場まで輸送する間に、脱水処理物に含まれている未水和物が反応してなる水和物の量をより小さくすることができ、セメントの強度発現性をより向上することができる。
脱水処理物中の未水和物の含有率は、例えば、X線回折によるリートベルト法を用いて脱水処理物中のビーライト(2CaO・SiO2)、エーライト(3CaO・SiO2)、アルミネート相(3CaO・Al2O3)、フェライト相(4CaO・Al2O3・Fe2O3)の含有率(質量%)を各々測定し、各含有率の合計を算出することによって得ることができる。
脱水処理物中の細骨材の含有率は、上述の粗粒分離工程において回収される細骨材の量を多くして、細骨材の再利用を促進すること、及び、脱水処理物から細骨材をなるべく除去して、脱水処理物を原料の一つとして製造されるセメントの強度発現性を低下させないことの観点から、好ましくは20質量%以下、より好ましくは18質量%以下、さらに好ましくは15質量%以下、特に好ましくは12質量%以下である。
脱水処理物中の、CaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)は、好ましくは1.5以上、より好ましくは2.0以上、特に好ましくは2.2以上である。該質量比が1.5以上であれば、セメントの強度発現性がより向上する。また、該質量比が1.5未満であると、脱水処理物を投入する位置によっては、非水硬性の鉱物が生成することによって、セメントの強度発現性が低下する場合がある。
また、セメントの強度発現性をより向上させる観点から、脱水処理物は、脱水処理によって得られた後、好ましくは7日以内(より好ましくは4日以内)に使用する(投入する)ことが好ましい。
温度が200℃未満の位置(例えば、クーラー3の終点付近)において、脱水処理物を投入した場合、セメントの強度発現性及び流動性が低下する。
温度が1,350℃を超える位置(例えば、ロータリーキルン1の窯前4部分よりも、ロータリーキルン1の窯尻側)において、脱水処理物を投入した場合、低温である脱水処理物の投入によって、セメントクリンカー製造のエネルギーコストが増大したり、安定的な焼成が困難となり、得られるセメントクリンカーの品質が不均一となったり、窯内や仮焼炉内に粉塵が発生する場合がある。
セメント製造装置7における上記温度範囲(800℃を超え、1,350℃以下)の位置は、セメントクリンカー原料の種類や、ロータリーキルン1の設定温度等によっても異なるが、通常、ロータリーキルン1の落ち口(800℃程度)から、窯前4(1,350℃程度)までの領域が該当する。
また、従来、未利用であった熱を利用することができ、2次空気及び3次空気の温度が低下する等によって、セメントクリンカーを製造するのに必要なエネルギーを増加させる必要がない等の観点からは、温度が200〜800℃である位置が好ましい。セメント製造装置7における上記温度範囲(200〜800℃)の位置は、通常、クーラー3内である。上記温度範囲の位置の中でも、セメントの強度発現性及び流動性をより向上させる観点からは、温度が200℃以上、400℃未満である位置がより好ましい。
このため、強度発現性や流動性に優れたセメントを得る観点から、予め、脱水処理物の性状を把握したうえで、該性状に応じて、脱水処理物を投入する位置を適宜定めることが好ましい。
上記性状の例としては、上述した、脱水処理物の、含水率、未水和物の含有率、細骨材の含有率、Ca(OH)2の含有率、CaCO3の含有率、及び、CaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)等が挙げられる。これらは1種を単独で用いてもよく、2種以上を組み合わせて用いてもよい。
(1) 温度が800℃を超え、1,350℃以下である位置
(2) 温度が400℃〜800℃である位置
(3) 温度が200℃以上、400℃未満である位置
脱水処理物の含水率が小さい場合(例えば、該含水率が50質量%以下の場合)、いずれの位置に脱水処理物を投入しても、セメントの品質への影響は少ないことから、いずれの位置((1)〜(3)の位置)に投入してもよいと定めることができる。
一方、脱水処理物の含水率が大きい場合(例えば、該含水率が50質量%を超える場合)、窯乱れによるセメントの品質へ悪影響をより小さくし、加熱による粉塵の発生をより少なくする観点から、より温度が低い位置(例えば、(3)の位置)に投入すると定めることができる。
また、脱水処理物の未水和物の含有率が大きい場合(例えば、該含有率が20質量%を超える場合)、いずれの位置((1)〜(3)の位置)に投入してもよいと定めることができる。一方、脱水処理物の未水和物の含有率が小さい場合(例えば、該含有率が20質量%以下である場合)、セメントの強度発現性をより向上させる観点から、より温度の高い位置(例えば、(1)の位置、好ましくは1,000〜1,350℃の位置)に投入すると定めることができる。
一方、脱水処理物のCa(OH)2の含有率が大きい場合(例えば、該含有率が15質量%を超える場合)、脱水処理物に含まれているCa(OH)2を生石灰(CaO)に変化させて、次いで、生石灰を反応させることで、β−C2S(2CaO・SiO2)等を生成させ、セメントの強度発現性を向上することができる観点から、より温度の高い位置(例えば、(1)の位置、好ましくは1,000〜1,350℃の位置)に投入すると定めることができる。
脱水処理物のCaCO3の含有率が小さい場合(例えば、該含有率が20質量%以下である場合)、いずれの位置((1)〜(3)の位置)に投入してもよいと定めることができる。
一方、脱水処理物のCaCO3の含有率が大きい場合(例えば、該含有率が20質量%を超える場合)、脱水処理物に含まれているCaCO3を生石灰(CaO)に変化させて、次いで、生石灰を反応させることで、β−C2S(2CaO・SiO2)等を生成させ、セメントの強度発現性を向上することができる観点から、より温度の高い位置(例えば、(1)の位置、好ましくは1,000〜1,350℃の位置)に投入すると定めることができる。
一方、脱水処理物のCaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)が大きい場合(例えば、該質量比が1.5以上である場合)、いずれの位置((1)〜(3)の位置)に投入してもよいが、生石灰(CaO)を反応させることで、β−C2S(2CaO・SiO2)等を生成させ、セメントの強度発現性を向上することができる観点から、より温度の高い位置(例えば、(1)の位置、好ましくは1,000〜1,350℃の位置)に投入すること好ましいと定めることができる。
CaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)が小さい場合、脱水処理物に石灰石等を添加して、CaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)を大きく(例えば、該質量比1.5以上に)してもよい。石灰石を添加した場合、脱水処理物に含まれているCaCO3を生石灰(CaO)に変化させて、次いで、生石灰(CaO)を反応させることで、β−C2S(2CaO・SiO2)等を生成させ、セメントの強度発現性を向上することができる観点から、より温度の高い位置(例えば、(1)の位置、好ましくは1,000〜1,350℃の位置)に脱水処理物を投入することが好適である。
脱水処理物は上述した位置から、セメント製造装置7内の、ロータリーキルン1の窯前4とクーラー3内のいずれかの位置において、セメントクリンカー原料を焼成してなるセメントクリンカーに投入され、クーラー3出口まで搬送された後、脱水処理物とセメントクリンカーとからなるセメント原料として回収されて、次の粉砕工程において用いられる。
なお、セメントクリンカー原料としては、特に限定されるものではなく、石灰石、生石灰、消石灰等のCaO原料や、珪石、粘土等のSiO2原料や、鉄滓、鉄ケーキ等のFe2O3原料等の、セメントクリンカーの製造に一般的に用いられる原料を用いればよい。
また、脱水処理物のCaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)が小さい場合や、脱水処理物の投入量が多い場合等、セメントの強度発現性が低下すると予想される場合には、窯尻に投入されるセメントクリンカー原料の組成を、強度発現性に優れたセメントクリンカーが得られるように適宜調整してもよい。
脱水処理物をクーラー3内に投入する方法としては、クーラー3内であって、所望の温度の位置に、クーラー3の上部から脱水処理物を落下させる方法が挙げられる。
脱水処理物の投入量は、セメント原料製造工程後に得られるセメント原料(クーラー3から排出されたセメント原料)中の、水分を除いた脱水処理物(105℃の条件下で乾燥させたもの)の含有率として、好ましくは1〜10質量%、より好ましくは2〜8質量%、特に好ましくは4〜6質量%である。該含有率が1質量%以上であれば、より多くの量の生コンクリートスラッジを、セメント原料の一部として処理することができる。該含有率が10質量%以下であれば、セメントの強度発現性をより向上することができる。
本工程は、セメント原料製造工程で得られたセメント原料と石膏を粉砕、混合してセメントを得る工程である。
セメント原料と石膏を粉砕、混合する手段としては、特に限定されるものではなく、一般的なセメント工場で用いられている、ボールミルやロッドミル等の粉砕機が挙げられる。
石膏の量は、セメント原料100質量部に対して、SO3換算で、好ましくは1.5〜5.0質量部、より好ましくは2.0〜4.0質量部である。該量が上記数値範囲内であれば、セメントの強度発現性及び流動性をより向上することができる。
石膏のブレーン比表面積は、好ましくは2,000〜5,000cm2/g、より好ましくは3,000〜4,000cm2/gである。ブレーン比表面積が上記数値範囲内であれば、セメント組成物の強度発現性をより向上することができ、セメントの水和熱をより小さくすることができる。
[生コンクリートスラッジの脱水処理物の製造、及び、該脱水処理物の性状の把握]
生コンクリートスラッジを脱水処理した後、105℃の条件下で24時間乾燥し、次いで、粗砕することで、最大粒径が20mmであり、メジアン径(D50)が3mmである生コンクリートスラッジの脱水処理物(脱水ケーキ)を得た。
脱水処理物の化学組成を、「JIS R 5204:2019(セメントの蛍光X線分析方法)」に準拠して、蛍光X線分析装置(リガク社製、商品名「ZSX PrimusII」)を用いて測定した。結果を表1に示す。
なお、実施例では、生コンクリートスラッジを脱水処理した後、乾燥させたものを、脱水処理物として用いているが、これはロータリーキルンの代わりに電気炉を用いたため、装置に損傷を加えないようにするためであり、実際にロータリーキルンを用いてセメントを製造する場合、脱水処理後の乾燥は行わなくてもよい。
含水率(質量%)={(乾燥前の脱水処理物の質量−乾燥後の脱水処理物の質量)/乾燥前の脱水処理物の質量}×100
また、脱水処理物中の細骨材の含有率を、以下の手順で算出した。
最初に、セメント(生コンクリートスラッジが得られた生コンクリートに使用されていたもの)の化学組成(CaO及びSiO2の各含有率)を、「JIS R 5204:2019(セメントの蛍光X線分析方法)」に準拠して、蛍光X線分析装置(リガク社製、商品名「ZSX PrimusII」)を用いて測定した。また、脱水処理物に含まれる細骨材(生コンクリートスラッジが得られた生コンクリートに使用されていたもの)の化学組成(CaO及びSiO2の各含有率)を、FP法(ファンダメンタルパラメーター法)に準拠して、上記蛍光X線分析装置を用いて測定した。
次いで、以下の式(1)〜(2)を用いて、比率A及び比率Bを算出した後、比率Aと比率Bの平均値を算出し、該平均値を脱水処理物中の細骨材の含有率(単位:質量%)とした。
比率A=(脱水処理物中のCaOの含有率−セメント中のCaOの含有率)/(細骨材中のCaOの含有率−セメント中のCaOの含有率×100・・・(1)
比率B=(脱水処理物のSiO2の含有率−セメント中のSiO2の含有率)/(細骨材中のSiO2の含有率−セメントのSiO2の含有率)×100・・・(2)
なお、比率Aは10であり、比率Bは9であり、算出された脱水処理物中の細骨材の含有率は9.5質量%であった。
さらに、脱水処理物の鉱物組成を、X線回折装置(ブルカージャパン社製、商品名「D8 ADVANCE」)を使用し、ブルカージャパン社製の解析ソフトウェア「DIFFRAC plus TOPAS(Ver3.0)」を使用して、リードベルト法によって解析した。具体的には、C3S、C2S、C3A、C4AF、カルサイト、水酸化カルシウム、石炭、アルバイト、アノーサイトの各鉱物の理論プロファイルを、粉末X線回折の結果から得られた実測プロファイルにフィッティングすることで各晶質相の含有率を求めた。得られた各晶質相の含有率から、脱水処理物中の未水和物の含有率を算出したところ、26.1質量%(C3S:8.1質量%、C2S:11.0質量%、C3A:1.4質量%、C4AF:5.6質量%)であった。
普通ポルトランドセメントクリンカー95gと、上記生コンクリートスラッジの脱水処理物(上述の生コンクリートスラッジの脱水処理物の製造で得られたもの)5gを混合して混合物を得た後、該混合物を1,350℃に加熱した電気炉Aに投入し、電気炉Aの加熱を停止して、8分間、徐冷した。徐冷後、混合物を取り出して、750℃に加熱した電気炉Bに投入し、電気炉Bの加熱を停止して、5分間、徐冷した。次いで、徐冷後、混合物を取り出して、400℃に加熱した電気炉Cに投入し、電気炉Cの加熱を停止して、150℃になるまで徐冷した。
徐冷後、混合物と、セメント中の石膏の量がSO3換算で2.0質量%となる量の石膏を、ディスクミルを用いて、ブレーン比表面積が4,000±100cm2/gになるまで粉砕してセメントを得た。
得られたセメントを用いて、「JIS R 5201:2015(セメントの物理試験方法)」に準拠して、材齢3日、7日、28日におけるモルタルの圧縮強さ及びフロー値を測定した。
なお、加熱温度の異なる電気炉A〜Cを用いたのは、ロータリーキルン及びクーラーを模擬したためである。
普通ポルトランドセメントクリンカー95gを、1,350℃に加熱した電気炉Aに投入し、電気炉Aの加熱を停止して、8分間、徐冷した。徐冷後、普通ポルトランドセメントクリンカーを取り出して、普通ポルトランドセメントクリンカーと上記生コンクリートスラッジの脱水処理物(上述の生コンクリートスラッジの脱水処理物の製造で得られたもの)5gを混合して混合物を得た後、該混合物を750℃に加熱した電気炉Bに投入し、電気炉Bの加熱を停止して、5分間、徐冷した。次いで、徐冷後、混合物を取り出して、400℃に加熱した電気炉Cに投入し、電気炉Cの加熱を停止して、150℃になるまで徐冷した。
徐冷後、混合物と、セメント中の石膏の量がSO3換算で2.0質量%となる量の石膏を、ディスクミルを用いて、ブレーン比表面積が4,000±100cm2/gになるまで粉砕してセメントを得た。
得られたセメントを用いて、材齢3日、7日、28日におけるモルタルの圧縮強さ及びフロー値を、実施例1と同様にして測定した。
普通ポルトランドセメントクリンカー95gを、1,350℃に加熱した電気炉Aに投入し、電気炉Aの加熱を停止して、8分間、徐冷した。徐冷後、普通ポルトランドセメントクリンカーを取り出して、750℃に加熱した電気炉Bに投入し、電気炉Bの加熱を停止して、5分間、徐冷した。次いで、徐冷後、普通ポルトランドセメントクリンカーを取り出して、普通ポルトランドセメントクリンカーと上記生コンクリートスラッジの脱水処理物(上述の生コンクリートスラッジの脱水処理物の製造で得られたもの)5gを混合して混合物を得た後、混合物を取り出して、380℃に加熱した電気炉Cに投入し、電気炉Cの加熱を停止して、150℃になるまで徐冷した。
徐冷後、混合物と、セメント中の石膏の量がSO3換算で2.0質量%となる量の石膏を、ディスクミルを用いて、ブレーン比表面積が4,000±100cm2/gになるまで粉砕してセメントを得た。
得られたセメントを用いて、材齢3日、7日、28日におけるモルタルの圧縮強さ及びフロー値を、実施例1と同様にして測定した。
普通ポルトランドセメントクリンカー95gと上記生コンクリートスラッジの脱水処理物(上述の生コンクリートスラッジの脱水処理物の製造で得られたもの)5gを混合した後、該混合物と、セメント中の石膏の量がSO3換算で2.0質量%となる量の石膏を、ディスクミルを用いて、ブレーン比表面積が4,000±100cm2/gになるまで粉砕してセメントを得た。
得られたセメントを用いて、材齢3日、7日、28日におけるモルタルの圧縮強さ及びフロー値を、実施例1と同様にして測定した。
[参考例1]
普通ポルトランドセメント市販品をディスクミルにより、ブレーン比表面積が4,000±100cm2/gになるまで粉砕したものを用いて、材齢3日、7日、28日におけるモルタルの圧縮強さ及びフロー値を、実施例1と同様にして測定した。
各々の結果を表3に示す。
実施例1〜3のフロー値(187〜198mm)は、比較例1のフロー値(185mm)よりも大きいことがわかる。
また、実施例1〜3を比較すると、実施例3(脱水処理物を400℃で投入したもの)のフロー値が最も大きく、実施例2(脱水処理物を750℃で投入したもの)のフロー値が二番目に大きく、実施例1(脱水処理物を1,350℃で投入したもの)のフロー値が三番目に大きかった。
2 プレヒーター
3 クーラー
4 窯前
5 メインバーナー
6 セメントクリンカー
7 セメント製造装置
Claims (6)
- ロータリーキルンとクーラーを含むセメント製造装置を用いてセメントを製造する方法であって、
上記ロータリーキルンの窯前と上記クーラー内のいずれかの位置であって、温度が200〜1,350℃である位置に、生コンクリートスラッジの脱水処理物を投入して、該脱水処理物と、上記ロータリーキルン内においてセメントクリンカー原料を焼成してなるセメントクリンカーとからなるセメント原料を得るセメント原料製造工程と、
上記セメント原料と石膏を粉砕、混合することによってセメントを得る粉砕工程を含むことを特徴とするセメントの製造方法。 - 上記脱水処理物の性状を把握し、
上記性状に応じて、上記脱水処理物を投入する位置を定める請求項1に記載のセメントの製造方法。 - 上記性状が、上記脱水処理物の、含水率、未水和物の含有率、細骨材の含有率、Ca(OH)2の含有率、CaCO3の含有率、及びCaOとSiO2の質量比(CaO/SiO2)から選ばれる少なくとも1種である請求項1又は2に記載のセメントの製造方法。
- 上記脱水処理物を投入する位置が、温度が200℃以上、400℃未満の位置である請求項1〜3のいずれか1項に記載のセメントの製造方法。
- 上記脱水処理物のメジアン径が250μm〜100mmである請求項1〜4のいずれか1項に記載のセメントの製造方法。
- ロータリーキルンとクーラーを含むセメント製造装置を用いて生コンクリートスラッジを処理する方法であって、
上記ロータリーキルンの窯前と上記クーラーのいずれかの位置であって、温度が200〜1,350℃である位置に、生コンクリートスラッジの脱水処理物を投入して、該脱水処理物と、上記ロータリーキルン内においてセメントクリンカー原料を焼成してなるセメントクリンカーからなるセメント原料を得ることで、生コンクリートスラッジを処理するセメント原料製造工程を含むことを特徴とする生コンクリートスラッジの処理方法。
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