JP4509269B2

JP4509269B2 - 人工骨材およびその製造方法

Info

Publication number: JP4509269B2
Application number: JP34012499A
Authority: JP
Inventors: 浩行二宮; 良輔成島; 宣明森下; 和夫小笹
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 1999-11-30
Filing date: 1999-11-30
Publication date: 2010-07-21
Anticipated expiration: 2019-11-30
Also published as: JP2001158649A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、火力発電所や石炭焚きボイラーなどから排出される石炭灰(フライアッシュ)を主原料とする人工骨材について、石炭灰の特定成分を調整することにより、キルンで安定に焼成できるようにし、比較的密度が大きく高強度で低吸水率の人工骨材を安定に製造できる方法と、その人工骨材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
石炭灰を主原料とした人工骨材とその製造方法が従来から数多く提案されている。その製造方法の多くは、原料の石炭灰を焼成時に発泡膨張させて内部に多数の気泡を含有させた多孔質の軽量骨材に関するものであるが、このような多孔質軽量骨材は一般に圧縮強度が弱く、また吸水率も大きいのでコンクリートの流動性が低下すると共に凍結融解性に対する耐久性も低く、用途が限定される問題があった。
【０００３】
そこで、吸水率が低く天然骨材に匹敵する強度を有する人工骨材が開発されており、例えば、特願平09-40445号には、骨材中の全鉄量に対する二価の鉄の割合を指標とし、これを一定水準以下に制御することにより発泡を抑制した緻密な人工骨材を製造することが開示されている。また、特開平08-259291号および特開平08-259292号には、焼成雰囲気を酸素濃度あるいは非酸化性雰囲気に制御することによって骨材の発泡を抑制する製造方法が記載されている。さらに、特開平07-206491号には石炭灰の粒度分布を調整することによって天然骨材に匹敵する人工骨材を製造することが記載されている。これらの人工骨材は何れも優れた特性を有し、幅広い用途での利用が期待される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明はこれらの人工骨材についても適用できる製造方法に関し、キルンを用いた工業的な実施において、原料を安定に焼成でき、高品質の人工骨材を効率よく安定に製造できる方法およびその人工骨材を提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、（１）比重調整材と共に粘結材を配合した石炭灰を用い、そのカルシウム含有量を酸化物換算で２０％以下および未燃炭素量を５％以下とし、これをキルンで焼成してなる非発泡質の人工骨材であって、粘結材として膨潤度１８〜３０cc/2gの粘土鉱物を５〜１０％配合し、かつ、比重調整材として、平均粒径２５μm以下の炭酸カルシウムを原料中のカルシウム含有量が酸化物換算で２０％以下となるように配合した石炭灰を用いたことを特徴とする人工骨材、に関する。
【０００６】
本発明の上記人工骨材は、好ましくは、（２）絶乾比重１．６以上、２４時間吸水率５％以下、および破砕荷重(BS10％)１５トン以上の人工骨材である。
【０００７】
また、本発明は、（３）石炭灰に粘結材を５〜１０％配合し、さらに炭酸カルシウムを原料中のカルシウム含有量が酸化物換算で２０％以下となるように配合し、さらに原料中の未燃炭素量を５％以下とし、これに水を加えて造粒ないし成形した後に、キルンで１２００〜１５００℃に焼成することにより非発泡質の人工骨材を製造する方法であって、粘結材として平均粒径３０μm以下および膨潤度１８〜３０cc/2gの粘土鉱物を用い、比重調整材として平均粒径２５μm以下の炭酸カルシウムを用いることを特徴とする人工骨材の製造方法に関する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施形態に即して詳細に説明する。なお、特に示さない限り％は質量％である。
【０００９】
本発明の人工骨材は、比重調整材と共に粘結材を配合した石炭灰を用い、そのカルシウム含有量を酸化物換算で２０％以下および未燃炭素量を５％以下とし、これをキルンで焼成してなる非発泡質の人工骨材であって、粘結材として膨潤度１８〜３０cc/2gの粘土鉱物を５〜１０％配合し、かつ、比重調整材として、平均粒径２５μm以下の炭酸カルシウムを原料中のカルシウム含有量が酸化物換算で２０％以下となるように配合した石炭灰を用いたことを特徴とするものである。
【００１０】
主原料の石炭灰は、火力発電所や石炭焚きボイラーなどから排出されるフライアッシュなどを用いる。この石炭灰の平均粒径は２５μm以下が好ましい。これより平均粒径の大きな石炭灰を用いると造粒した際に、造粒体の強度が低下し、そのためキルン内での転動による擦り減り、や割れが増加して炉内にコーティングが発生し、これが著しいとキルンの停止を頻発するので好ましくない。石炭灰には、必要に応じて、結合材や比重調整材の炭酸カルシウムを配合して用いることができる。
【００１１】
本発明は、焼成原料(石炭灰、または石炭灰と結合材および比重調整材)に含まれるカルシウム量を酸化物(CaO)換算で２０％以下、好ましくは１５％以下に調整して焼成する。酸化カルシウムがこれより過剰に存在すると、目的の物性を得るための焼成温度領域が狭くなり、キルンでの焼成が困難となる。一般にキルンによる焼成では炉内温度が目的の温度に対して±１０℃程度変動するので、目的の物性を得るには、焼成温度について２０℃以上の温度幅を確保する必要がある。この炉内温度が目的の焼成温度域より低いと原料の未焼成部分が多くなり、また炉内温度がこの焼成温度域より高いと焼成による原料粉末の液相部分が多くなり、原料どうしの融着範囲が増大して大きな焼結塊となり、目的の粒径と物性を有する骨材を得ることができない。
ここで、焼成原料中のカルシウム量が酸化物換算で２０％を上回るとこの温度領域が狭くなり、原料粉末どうしの融着または未焼成が頻発して目的の物性を備えた骨材が得られない。また、このカルシウム量が２０％を上回ると骨材の冷却時に熱歪みによる割れを助長したり、骨材にとって有害な水和膨張鉱物であるペリット、ゲーレナイトが生成するので好ましくない。
【００１２】
さらに、焼成原料中の未燃炭素量は５％以下、好ましくは３％以下に調整される。未燃炭素量が５％を超える石炭灰を用いると、キルン操作だけでは石炭灰が焼結軟化域に達するまでに５％以上の未燃炭素を燃焼を完結させるのが困難であるため、石炭灰の焼結温度域に達しても未燃炭素が残留し、この炭素によって鉄が還元され、この還元鉄(FeO)等によって軟化温度が低下して粒子どうしが溶融し、未燃炭素の燃焼によるガス(CO等)が外部に拡散し難くなり、骨材内部に発泡を生じて軽量化する。このため、絶乾比重１.６以上の緻密な骨材を得るのが困難になる。また内部気泡が多いために低強度となり、亀裂を生じ易くなる。
【００１３】
石炭灰に加える粘結材としてベントナイトなどの粘土鉱物を用いることができる。このベントナイトなどは膨潤度１８〜３０cc/2gのものが良く、また添加量は１０％以下が適当である。膨潤度が１８cc/2g未満であると造粒した際に造粒体の強度が低下し、擦減りや割れが増加してキルン内にコーティングが発生し易くなる。膨潤度の値はベントナイト等２ｇに吸収された水の容量である。なお、膨潤度の低いベントナイトでも添加量が多ければ造粒体の強度は向上するが、ベントナイトは水を吸水して糊状になるため、添加量が１０％より多いと造粒体の表面がベト付き、トラブルの原因になる。また添加量が多いとコスト高になる。膨潤度は１８cc/2g以上であれば良いが、膨潤度３０cc/2g以上のものは高価であるので１８〜３０cc/2g程度のものが適当である。
【００１４】
比重調整材として炭酸カルシウムを石炭灰に添加して用いる。炭酸カルシウムを添加することにより骨材の比重を増すことができる。この炭酸カルシウムの添加量は、焼成原料中のカルシウム量が酸化物換算で２０％以下、好ましくは１５％以下となる量である。既に述べたように、焼成原料中のこのカルシウム量が２０％より多いと、目的の物性を得るための焼成温度幅が狭くなり、キルンでの焼成が困難となる。また、焼成後の冷却時に熱歪みによる割れを助長したり、骨材にとって有害な水和膨張鉱物であるペリット、ゲーレナイトが生成するので好ましくない。
【００１５】
また、炭酸カルシウムは平均粒径２５μm以下のものが用いられる。炭酸カルシウムは、焼成下、石炭灰に含まれるシリカやアルミナと反応して焼成鉱物を生成するが、平均粒径が２５μmより大きい粗粒の炭酸カルシウム粒子は反応性が劣り、骨材中に遊離の酸化カルシウムとして残存し、これが水と反応して膨張を起こし、骨材の破壊を招く原因になる場合がある。また、炭酸カルシウム粉末もベントナイトと同様に造粒助材としての効果を有するが、粒度が粗いとバインダーとしての効果も低下する。
【００１６】
以上のように成分を調整した石炭灰を主体とする原料に水を加え、パン型造粒機や成形機によって所望の大きさのペレットに造粒ないし成形し、これをキルンに装入し、１２００〜１５００℃で焼成することにより、発泡を抑制した実質的に非発泡性の人工骨材を製造する。
【００１７】
この製造方法によって、絶乾比重１.６以上、２４時間吸水率５％以下であって破砕荷重(BS10％)１５トン以上の高強度人工骨材を得ることができる。この人工骨材は吸水率が極めて低いので、生コンクリートの流動性が損なわれず、また凍結融解に対して優れた耐久性を有する。更に、絶乾比重が大きく緻密であって破砕荷重(BS10％)が１５トン以上の高強度骨材であるので、土木用コンクリートなどに用いることができる。因みに、現在、市販されている非造粒型軽量骨材のＢＳ１０％破砕荷重は８〜１３トン程度であり、本発明の人工骨材は軽量骨材の範疇に属するものでも１５トン以上の高強度を有している。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明を実施例によって具体的に示す。
【００１９】
実施例１
火力発電所から排出された石炭灰(フライアッシュ：平均粒径14.2μm)に炭酸カルシウム(平均粒径6.2μm)とベントナイト(膨潤度21cc/2g)を、表１に示す割合になるように配合し、この混合粉末に水を加えて造粒し、平均粒径１３mmのペレットとした。これをロータリーキルンに入れ、１２４０℃の温度下で９０分間焼成して人工骨材を得た。この人工骨材の絶乾比重および２４時間吸水率を表１にまとめて示した。
表１に示すように、カルシウム含有量(全CaO量)および未燃炭素量を本発明に範囲に調整した試料(No.Ａ〜Ｆ)は何れも絶乾比重が１.７以上であって２４時間吸水率が３％以下、破砕荷重が１５トン以上の高強度人工骨材である。一方、カルシウム含有量ないし未燃炭素量が多い比較試料(No.Ｇ,Ｈ,Ｉ)の破砕荷重は１３トン以下と低く、本発明よりも脆い人工骨材である。
【００２０】
実施例２
火力発電所から排出された石炭灰(フライアッシュ：平均粒径12.9μm)に炭酸カルシウムとベントナイトを、表２、表３に示す割合になるように配合し、この混合粉末に水を加えて造粒し、平均粒径１３mmのペレットとした。これをロータリーキルンに入れ、１２６０℃の温度下で９０分間焼成して人工骨材を得た。この人工骨材の絶乾比重および２４時間吸水率をおのおの表２、表３に示した。この結果に示すように、ベントナイトの添加量と膨潤度が本発明の好適な範囲から外れる試料(NoＬ,NoＭ)は何れも破砕荷重が低く、同様に、炭酸カルシウムの添加量が多い試料(No.Ｐ)と平均粒径が本発明の好適な範囲から外れる試料(NoＱ)も破砕荷重が低い。一方、ベントナイトの添加量と膨潤度、炭酸カルシウムの添加量と平均粒径が本発明の好適な範囲に属する試料(No.Ｊ,Ｋ,Ｎ,Ｏ)は何れも高い破砕荷重と低吸水率を有する高比重の人工骨材である。
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
【表３】

【００２４】
【発明の効果】
本発明の製造方法によれば、絶乾比重１.６以上、２４時間吸水率５％以下であって破砕荷重(BS10％)１５トン以上の高強度人工骨材を製造する際に、キルンでの焼成温度の領域が広いので、目的の物性を有する人工骨材を安定に製造することができる。また、この製法によって得られた人工骨材は吸水率が低く、しかも破砕荷重が大きいので、土木等を含む幅広い用途に利用することができる。

Claims

比重調整材と共に粘結材を配合した石炭灰を用い、そのカルシウム含有量を酸化物換算で２０％以下および未燃炭素量を５％以下とし、これをキルンで焼成してなる非発泡質の人工骨材であって、粘結材として膨潤度１８〜３０cc/2gの粘土鉱物を５〜１０％配合し、かつ、比重調整材として、平均粒径２５μm以下の炭酸カルシウムを原料中のカルシウム含有量が酸化物換算で２０％以下となるように配合した石炭灰を用いたことを特徴とする人工骨材。
絶乾比重１．６以上、２４時間吸水率５％以下、および破砕荷重(BS10％)１５トン以上である請求項１に記載の人工骨材。
石炭灰に粘結材を５〜１０％配合し、さらに炭酸カルシウムを原料中のカルシウム含有量が酸化物換算で２０％以下となるように配合し、さらに原料中の未燃炭素量を５％以下とし、これに水を加えて造粒ないし成形した後に、キルンで１２００〜１５００℃に焼成することにより非発泡質の人工骨材を製造する方法であって、粘結材として平均粒径３０μm以下および膨潤度１８〜３０cc/2gの粘土鉱物を用い、比重調整材として平均粒径２５μm以下の炭酸カルシウムを用いることを特徴とする人工骨材の製造方法。