JP4579063B2 - 礫岩状人工岩石の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、廃棄物を再利用して得られ、土工資材の原石として有用な礫岩状人工岩石の製造方法に関する。

石炭灰や都市ごみの焼却灰等の焼却灰類は、全国レベルで膨大な量が発生しておりその処理に苦慮している。このような焼却灰類を無害な状態で、かつ有効に再利用することが、従来から種々試みられている。例えば、石炭灰でも品質の良いフライアッシュなどは、セメントの混和材として広く利用されている。また、都市ごみの焼却灰を主原料としたセメント（エコセメント）も開発されている。しかし、焼却灰類でも、炭素含有量の多いものなど品質の悪いものは有効利用が十分進んでおらず処分に困っている。

一方、砕石屑等の廃石材の処理や有効利用についても種々検討されている。例えば、特開２００２−３２６８５０（特許文献１）には、砕石屑を用いたカラー骨材の製造方法が開示されている。また、特開２０００−１７８０５０（特許文献２）には、砕石屑を用いたコンクリート用砕砂の製造方法が開示されている。しかし、実用化に至っている技術は少なく発生量に比べ処理量が追いつかず、これも処分に困っている。

また、これら焼却灰類と廃石材（砕石屑）の両方を処理しつつ有効利用を図った技術も開示されている。
例えば、特開２００２−９７０６４号公報（特許文献３）に記載の方法では、都市ごみの焼却灰に、岩石を破砕して砕石と砂が除去された砕石屑を混合して成形原料とする原料調整工程と、成形原料を所定の大きさの固形状に成形する成形工程と、成形された固形物を焼成炉に搬入して酸化雰囲気で焼結する焼結工程と、焼結された焼結体を破砕する破砕工程とによって、都市ごみの焼却灰から所望の焼却固形物を得るようにしている。

この製造方法では、上記のように所定成形原料に調整するための原料調整工程と、成形原料を所定の大きさの固形状に成形するための成形工程を必要としており、廃棄物を再利用するという目的からすると、コスト的に有利ではない。また、焼却灰や砕石屑を効率的に大量処理し難く、品質変動の大きいこれら廃棄物に柔軟に対応し難い。更に、成形品であるので焼成が難しい。
特開２００２−３２６８５０号公報 特開２０００−１７８０５０号公報 特開２００２−９７０６４号公報

本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、処分に困っている焼却灰類と廃石材（砕石屑）を用いた、路盤材等の土工資材の原石として有効利用できる礫岩状人工岩石の製造方法であって、大量処理ができるとともに品質変動があっても柔軟に対応でき、簡便かつ低コストで製造できる礫岩状人工岩石の製造方法を提供することを目的とする。

本発明で製造される礫岩状人工岩石は、焼却灰類と砕石との混合物を焼成し、部分溶融させて一体化したクリンカから成る。
上記焼却灰類は、石炭灰、都市ごみの焼却灰、下水汚泥焼却灰、製紙スラッジの焼却灰から成るグループから選ばれた少なくとも一種であることが好ましい。
また、上記砕石は、石灰岩質以外の砕石であることが好ましい。

本発明により製造される礫岩状人工岩石は、その一実施の形態で、密度が１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３で吸水率が１０％以下であることが好ましい。また、すりへり減量が３０％以下で洗い損失が０．３％以下であることも好ましい。

本発明は、礫岩状人工岩石の製造方法であり、該礫岩状人工岩石の製造
方法は、焼却灰類と、粒度が１〜５０ｍｍの砕石とを混合してなる混合原料を、成形又は造粒せずにそのままキルンに投入し、キルン焼成を行い、部分溶融したクリンカを得た後、該クリンカを破砕し、礫岩状人工岩石を得るようにしたことを特徴とする。また、この礫岩状人工岩石の製造方法で、上記焼却灰類は、石炭灰、都市ごみの焼却灰、下水汚泥焼却灰、製紙スラッジの焼却灰から成るグループから選ばれた少なくとも一種であることが好ましい。また、上記砕石は、石灰岩質以外の砕石であることが好ましい。

本発明に係る礫岩状人工岩石の製造方法では、上記混合原料が、焼却灰類１０〜９０重量％に対し、砕石を９０〜１０重量％含むことが好ましい。

本発明に係る礫岩状人工岩石の製造方法では、上記キルン焼成を、焼点温度が１，２５０℃±５０℃で、焼成帯での滞留時間が２０〜４０分となるように実施することが好ましい。

本発明によれば、処分に困っていた焼却灰類と廃石材（砕石屑）とを同時に大量処理でき、処理の結果得られる礫岩状人工岩石は路盤材等の土工資材の原石として有効利用できる。また、前記処理による礫岩状人工岩石の製造は、製造工程が極めてシンプルなので、該礫岩状人工岩石を簡便かつ低コストで提供できる。

以下に、本発明に係る礫岩状人工岩石の製造方法について、その実施の形態を参照しながらさらに詳細に説明する。

本発明により得られる礫岩状人工岩石は、焼却灰類と、砕石との混合物を焼成し部分溶融させて一体化したクリンカから成る。
天然の礫岩は、相対的に細粒な「基質」の部分と、相対的に粗粒の「礫」の部分で構成された不均質な岩石である。このような天然の礫岩は、例えば、小石（礫の部分）が砂や泥（基質の部分）と共に堆積して固まることにより形成される。本発明により得られる礫岩状人工岩石は、このような天然の礫岩と同様に、「基質」の部分と「礫」の部分とで構成されている。本発明により得られる礫岩状人工岩石では、焼却灰類の一部と砕石の一部が部分溶融しており、この部分溶融した部分（成分の一部が選択的に熔融し液相を生じた部分）を介して結合一体化している。したがって、溶融しない残部が、この部分溶融した部分に取り込まれたり、熔融部が砕石の残部に溶着した形態を取る。このように、本発明により得られる礫岩状人工岩石では、当初は混合物として投入された原料が、部分溶融した部分を介して結合一体化しクリンカを構成している。

本発明により得られる礫岩状人工岩石は、天然の礫岩とは、全く異なる人工岩石である。しかし、基質に相当する細粒部分（焼却灰類の残部）と、礫に相当する粗粒部分（砕石の残存部）とを有し、一方の原料である焼却灰類に由来する部分と、他方の原料である砕石に由来する部分とが融合し、互いに容易には剥離しない性状を持つ点で、天然の礫岩と性状を共通にしている。上記したように、本発明により得られる礫岩状人工岩石では、原料を焼成して得られる焼成物は、部分溶融した部分を介して固化一体化した礫岩状のクリンカであって、該クリンカは破砕することにより、使用目的に応じて粒度を任意に一定の範囲に調整することができる。

上記焼却灰類は、具体的には石炭灰、都市ごみの焼却灰、下水汚泥焼却灰、製紙スラッジの焼却灰から成るグループから選ばれた少なくとも一種であることが好ましい。都市ごみの焼却灰は、ストーカ炉、流動床炉のいずれの炉からのものであってもよい。このような焼却灰類としては、粒径が１０〜１００μｍ程度のものを好適に採用できる。

上記砕石は礫岩状人工岩石の主要材料であるが、ハンドリングや易焼成の改善に寄与する。
該砕石としては、石灰岩質以外の砕石が好ましい。砂岩、安山岩、花崗岩、ホルンフェルスといった砕石や砕石屑を用いることができる。一般的に、路盤材として用いられている砕石や砕石製造工程で発生する砕石屑を好適に採用することができる。粒度は１〜５０ｍｍのものである。作業上、取扱いにくいものでなければ、粉・粒・塊のいずれの砕石や砕石屑も採用することができる。なお、石灰岩質のものは、部分溶融をさせる過程で環境上好ましくない炭酸ガスを発生し、アルカリ性の高い生石灰が残り易く、クリンカリングし難かったり不要の水和活性を部分的に生じてしまうので好ましくない。

本発明により得られる礫岩状人工岩石は、これらの原料について、上記した適度の粒度範囲はあるものの、特段の粒度調整はもとより不要である。得られるクリンカ状の製品を破砕すれば、目的とする用途に応じて簡便に粒度分布を調整できるからである。
したがって、本発明における製品の粒度は原料の粒度にあまり支配されないので、目的や要望に応じて、種々の粒度の製品を製造することが可能である。

本発明により得られる礫岩状人工岩石は、密度が１．５〜２．０ｇ／ｃｍ^３で吸水率が１０％以下のものとして製造することができる。この密度は、軽量骨材と比べ同等であり、軽量性を活かした資材となりうる。また、この吸水率についても、軽量骨材と比べ同等以下であり、耐久性の高い資材となりうる。これら密度や吸水率は、ＪＩＳ Ａ １１１０によって測られる。

本発明により得られる礫岩状人工岩石は、すりへり減量が３０％以下で洗い損失が０．３％以下のものとして製造することができる。すなわち、本発明の礫岩状人工岩石は、部分溶融による一体化で、安定した礫岩状の性状を備えるに至っており、骨材として十分実用性を有するものである。これらすりへり減量と洗い損失は、ＪＩＳ Ａ １１２１、ＪＩＳ Ａ １１０３によって測られる。

本発明により得られる礫岩状人工岩石は、上記の通り、比較的軽量で低吸水性である。また、天然砕石のように粘土鉱物等の微粒子を含んでいないので、前記クリンカを破砕して得た製品の粒子間（礫岩状人工岩石の粒子同士の間）の間隙では天然砕石と比べ透水性がよい。

次に、図１を参照して本発明に係る礫岩状人工岩石の製造方法について説明する。
本発明の礫岩状人工岩石の製造方法では、まず、焼却灰類１と、砕石（または砕石屑）２とを混合してなる混合原料を調製する。焼却灰類と砕石とは、上記で説明した通りのものを用いる。これらの混合原料に水を投入し、混練し、調湿する（図１のステップ３）。通常、混合原料１００重量部に対し、１０〜３０重量部、一般的には２０重量部の水を投入する。ハンドリング上粉塵が立たない程度を目安とする。この場合の水は、汚泥廃水等を利用しても良い。

混合原料は、好ましくは、焼却灰類１０〜９０重量％に対し、砕石を９０〜１０重量％含むように調製される。これらの範囲であれば、製造し易く、土工資材としての性能を満たすものを得易い。

混合原料は、成形又は造粒せずにそのままキルンの窯尻から、ベルトフィーダによりキルン内に定量供給される（図１のステップ４）。本発明の製造方法では、面倒な成形又は造粒の工程は不要である。得られたクリンカを破砕すれば、容易に製品の粒度調整をすることができるからである。

本発明の礫岩状人工岩石の製造方法における焼成では、好適には、セメントクリンカ焼成用のロータリーキルンを採用する。このようなロータリーキルンでは、混合原料の連続供給処理が可能であり、キルンの転動によって、混合原料をダイナミックに焼成することができ大量処理も可能である。

本発明の礫岩状人工岩石の製造方法では、キルン焼成（図１のステップ５）によって、混合原料が部分溶融するように制御する。この部分溶融の状態は、キルン内部におけるクリンカの粘性や転動状態を観察しつつ、焼点温度を１，２５０℃±５０℃とし、焼成帯での滞留時間が２０〜４０分となるように制御することにより達成することができる。

ここで、焼点温度とは混合原料の熱履歴としての最高温度であり、焼成帯での滞留時間とは、この焼点温度付近で熱履歴を受けている時間である。
また、実機上での連続運転では、セメント製造におけるセメントクリンカの焼成技術に準じて焼成管理される。

焼成し、部分溶融させた混合原料は、クリンカクーラーで冷却することにより、礫岩状に一体化したクリンカとなる。このクリンカを破砕し（図１のステップ６）、所望の粒度分布を備えた礫岩状人工岩石を得ることができる。破砕や粒度調整も、セメントを製造する方法に準じて行えばよい。例えば、図1のステップ７のように分級を行い、用途別の在庫８ａ〜８ｃを準備し、出荷するといったことが可能である。

以下に、本発明に係る礫岩状人工岩石の製造方法を実施して、礫岩状人工岩石を得た実施例を示す。

１）混合原料構成及び配合割合
粒径が１００μｍ以下、５％の未燃カーボンを含む石炭灰の飛灰（石炭火力発電所で発生したもの）を７０重量％、粒径２０ｍｍ以下の路盤材（中生代の硬質の石英粗面岩を原石とするもの）を３０重量％配合した。

２）混合原料調整方法
飛灰と、路盤材とに水を添加し、粉塵が立たない程度に調湿しつつ混合した。
３）混合原料投入方法
以上のようにして調製した混合原料を、ロータリーキルンの窯尻より、ベルトフィーダにより定量供給（約１５ｋｇ／ｈ）した。

４）焼成方法
焼点温度を１，２５０℃前後として焼成し、焼成帯での滞留時間が３０分となるようにバーナーやキルンの回転スピードを制御した。また、部分溶融の状態をキルン内のクリンカ塊の状態を目視観測することにより確認し、焼成後、自然冷却させた。窯尻温度は、約５００℃、落ち口温度は、約８００℃であった。

５）焼成品の状況
混合原料が部分溶融し、クリンカ状になったもの、及びクリンカ同士が融着して塊状になったものが混在した状態であった。
粒子径は、５ｍｍ〜１００ｍｍ程度であり、粒度分布は広範囲であった。岩石顕微鏡で組織を確認したところ、クリンカ内部では部分溶融した路盤材と石炭灰とが融合した性状を呈し、路盤材の周辺部は部分溶融した石炭灰と融着しており、礫岩状となっていた。

６）焼成品の破砕
得られたクリンカ（焼成品）を、目開き約２０ｍｍのジョークラッシャで破砕し、最終製品（礫岩状人工岩石）とした。破砕工程を経ても、焼成により融合した路盤材と石炭灰は剥離することなく、一体化された状態を保って破砕された。また、最終製品のシルトサイズ以下（２００メッシュ篩い下）の量比は１重量％未満であり、天然砕石に比べて少なかった。

７）製品の品質
得られた最終製品について、骨材試験を実施した。結果を表１に示す。
安定性はＪＩＳ Ａ １１２２、実績率及び嵩密度はＪＩＳ Ａ １１０４、水和活 性は微小熱量計測により判定した。密度、吸水率、すりへり減量、洗い損失の各測定 は、前述の方法により行った。

密度は、従来の軽量骨材よりも低めである。すり減り減量は、小さく、粉分が少ないことを示しており、優れた性状を示している。また、硫酸ナトリウムによる安定性試験（ＪＩＳ Ａ １１２２）における安定性においても優れている。ダスト分を示す洗い損失も優れている。また、水和活性もない。隙間の度合いを示す実績率も天然砕石並で優れている。嵩密度は低く、軽量である。

さらに、含有量試験（「土壌汚染対策法」に定める含有量試験；環境庁告示第１９号）、溶出試験（「土壌の汚染に係る環境基準について」に定める試験；環境庁告示第４６号）では、これら環境省告示による土壌環境基準を満足した。
これらの結果からして、本発明に係る礫岩状人工岩石は、例えば、軟弱土の地盤改良材、埋土、ドレーン材等の土工資材用の原石として十分用いることができる。

１）混合原料構成及び配合割合
粒径が１００μｍ以下、３％の未燃カーボンを含む下水汚泥焼却灰（下水処理場で発生したもの）を５０重量％、粒径１〜１０ｍｍの路盤材（中生代の硬質の石英粗面岩を原石とするもの）を５０重量％配合した。

２）混合原料調整方法
実施例１と同様に行った。
３）混合原料投入方法
実施例１と同様に行った。

４）焼成方法
焼点温度を１，２８０℃前後として焼成し、焼成帯での滞留時間が２０分となるようにバーナーやキルンの回転スピードを制御した。また、部分溶融の状態をキルン内のクリンカ塊の状態を目視観測することにより確認し、焼成後、自然冷却させた。窯尻温度は、約５００℃、落ち口温度は、約８５０℃であった。

５）焼成品の状況
実施例１の焼成品と同様、混合原料が部分溶融しクリンカ状になったもの、及びクリンカ同士が融着して塊状になったものが混在した状態であった。
粒子径は、５ｍｍ〜１００ｍｍ程度であり、粒度分布は広範囲であった。岩石顕微鏡で組織を確認したところ、実施例１のクリンカと同様、クリンカ内部では部分溶融した路盤材と焼却灰とが融合した性状を呈し、路盤材の周辺部は部分溶融した焼却灰と融着しており、礫岩状となっていた。

６）焼成品の破砕
得られたクリンカ（焼成品）を、目開き約２０ｍｍのジョークラッシャで破砕し、最終製品（礫岩状人工岩石）とした。破砕工程を経ても、焼成により融合した路盤材と焼却灰は剥離することなく、一体化された状態を保って破砕された。また、最終製品のシルトサイズ以下（２００メッシュ篩い下）の量比は１重量％未満であり、天然砕石に比べて少なかった。

７）製品の品質
得られた最終製品について、骨材試験を実施した。結果を表１に示す。
実施例１と同様、安定性はＪＩＳ Ａ １１２２、実績率及び嵩密度はＪＩＳ Ａ １１０４、水和活性は微小熱量計測により判定した。密度、吸水率、すりへり減量、 洗い損失の各測定は、前述の方法により行った。

表１に示すように、最終製品の品質は、実施例１のものとほぼ同じであり、これも前記土工資材用の原石として十分用いることができる。

１）混合原料構成及び配合割合
粒径が９０μｍ以下、７％の未燃カーボンを含む都市ごみの焼却灰（ごみ処理施設で発生したもの）を１０重量％、粒径４０ｍｍ以下の砕石屑（安山岩質のもの）を９０重量％配合した。

２）混合原料調整方法
実施例１と同様に行った。
３）混合原料投入方法
実施例１と同様に行った。

４）焼成方法
焼点温度を１，２３０℃前後として焼成し、焼成帯での滞留時間が４０分となるようにバーナーやキルンの回転スピードを制御した。また、部分溶融の状態をキルン内のクリンカ塊の状態を目視観測することにより確認し、焼成後、自然冷却させた。窯尻温度は、約５００℃、落ち口温度は、約８００℃であった。

５）焼成品の状況
実施例１の焼成品と同様、混合原料が部分溶融しクリンカ状になったもの、及びクリンカ同士が融着して塊状になったものが混在した状態であった。
粒子径は、１０ｍｍ〜１５０ｍｍ程度であり、粒度分布は広範囲であった。岩石顕微鏡で組織を確認したところ、実施例１のクリンカと同様、クリンカ内部では部分溶融した砕石屑と焼却灰とが融合した性状を呈し、砕石屑の周辺部は部分溶融した焼却灰と融着しており、礫岩状となっていた。

６）焼成品の破砕
得られたクリンカ（焼成品）を、目開き約２０ｍｍのジョークラッシャで破砕し、最終製品（礫岩状人工岩石）とした。破砕工程を経ても、焼成により融合した砕石屑と焼却灰は剥離することなく、一体化された状態を保って破砕された。また、最終製品のシルトサイズ以下（２００メッシュ篩い下）の量比は１重量％未満であり、天然砕石に比べて少なかった。

７）製品の品質
得られた最終製品について、骨材試験を実施した。結果を表１に示す。
実施例１と同様、安定性はＪＩＳ Ａ １１２２、実績率及び嵩密度はＪＩＳ Ａ １１０４、水和活性は微小熱量計測により判定した。密度、吸水率、すりへり減量、 洗い損失の各測定は、前述の方法により行った。

表１に示すように、最終製品の品質は、実施例１のものとほぼ同じであり、これも前記土工資材用の原石として十分用いることができる。

本発明は、廃棄処理するしかなかった低品質の焼却灰類をリサイクルする一つの手法を提供するものである。本発明により得られる礫岩状人工岩石は、従来の軽量骨材、天然軽量石に比べて密度、吸水率、すりへり減量、洗い損失、安定性等の物理的性状において遜色がなく、軽量性や透水性などの性能を活かして軟弱土の地盤改良材、埋土、ドレーン材等の土工資材の原石に用いることができる。

本発明に係る礫岩状人工岩石の製造方法について、その一実施の形態を説明するフロー図である。

Claims (5)

1. 焼却灰類と、粒度が１〜５０ｍｍの砕石とを混合してなる混合原料を、成形又は造粒せずにそのままキルンに投入し、キルン焼成を行い、部分溶融したクリンカを得た後、該クリンカを破砕し、礫岩状人工岩石を得るようにしたことを特徴とする礫岩状人工岩石の製造方法。
2. 上記焼却灰類が、石炭灰、都市ごみの焼却灰、下水汚泥焼却灰、製紙スラッジの焼却灰から成るグループから選ばれた少なくとも一種であることを特徴とする請求項１に記載の礫岩状人工岩石の製造方法。
3. 上記砕石が、石灰岩質以外の砕石であることを特徴とする請求項１又は２に記載の礫岩状人工岩石の製造方法。
4. 上記混合原料が、焼却灰類１０〜９０重量％に対し、砕石を９０〜１０重量％含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか一に記載の礫岩状人工岩石の製造方法。
5. 上記キルン焼成は、焼点温度が１，２５０℃±５０℃で、焼成帯での滞留時間が２０〜４０分であることを特徴とする請求１〜４のいずれか一に記載の礫岩状人工岩石の製造方法。

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