JP4679935B2 - チップ系混合物 - Google Patents

Description

本発明は、木材チップおよび石炭灰をともに、かつ多量に使用して、これら木材チップや石炭灰の特長を活かした新規な機能性材料とすることが可能な配合のチップ系混合物に関する。

ダム湖に漂着する流木や、ダム施設内の維持管理により発生する剪定木等は、相当量に上り、この種の廃材の有効利用が求められている。このような廃材の活用が可能な技術としては、例えば特許文献１のように、木材をチップ化してコンクリートに混入するようにし、これにより植物の植生基盤を形成する「コンクリートおよびコンクリートの植生方法」が知られている。

一方、火力発電所などでは、廃棄物として大量の石炭灰が発生する。石炭灰は分級されて、径の小さなものはフライアッシュとして様々に活用されているが、径の大きなものは、粒子の形状が非球形のものが多いため、有効利用のための技術開発が望まれている。分級するか否かを問わずに、石炭灰の有効利用が可能な技術としては、例えば特許文献２のように、セメントに対し特定の比率で石炭灰を配合する「湿式吹付用コンクリート」が知られている。
特許第２９８２５６８号公報 特開２０００−２４７７１５号公報

ところで、上記特許文献は、木材チップや石炭灰をそれぞれ個別にセメントに混入する技術に関するものであり、両者を同時に用いるものではない。従って、保有する各種施設内において両者が定期的に発生する電力会社等においては、両材料を一度に多量に利用できる技術が資源の有効活用の点からも要請されている。本願発明者は、これら木材チップや石炭灰のさらなる効率的な利用を促進するために、鋭意研究の結果、両者をともに、かつ多量に使用し、固化助材としてセメントを混入して、新規な機能性材料とすることが可能な配合を見出し、これにより本願発明を完成するに到ったものである。

本発明は上記従来の課題に鑑みて創案されたものであって、木材チップおよび石炭灰をともに、かつ多量に使用して、これら木材チップや石炭灰の特長を活かした新規な機能性材料とすることが可能な配合のチップ系混合物を提供することを目的とする。

より具体的には、本発明の特徴は、地盤等の被覆材料として防草性および美観性を備え、施工性も満足し、かつ木材チップと石炭灰を多量に利用できるチップ系混合物を得るにあたり、木材チップ、石炭灰、水、セメントという各構成材料の配合割合を定めた点にある。これに対し特許文献１は植生基盤であり、本発明のような防草性は有していない。また特許文献２にはチップの形状が表面に表れることに起因する美感性は有していない。さらに両文献に開示の技術を組み合わせたとしても本発明のような以下に示す具体的な配合を有していないため、木材チップと石炭灰の多量使用を前提に、防草性、美感性、施工性を同時に達成することはできない。

本発明にかかるチップ系混合物は、セメントおよび非自硬性石炭灰からなる粉体と、水と、木材チップとからなるチップ系混合物であって、非自硬性石炭灰量を粉体量に対し、２０〜６０重量％とし、当該粉体と上記水からなるペーストの水粉体比を、ペーストフロー値が１５０〜３００ｍｍとなるように設定し、当該ペーストの添加量を上記木材チップに対する容積比で０．２５〜０．６としたことを特徴とする。なお、本発明の非自硬性石炭灰とは、水を添加しても硬化しない石炭灰であり、一般的には微粉炭燃焼方式の火力発電所等で生成される。

また、本発明にかかるチップ系混合物は、セメントおよび自硬性石炭灰からなる粉体と、水と、木材チップとからなるチップ系混合物であって、自硬性石炭灰量を粉体量に対し、２０〜１００重量％とし、当該粉体と上記水からなるペーストの水粉体比を、ペーストフロー値が１５０〜２７０ｍｍとなるように設定し、当該ペーストの添加量を上記木材チップに対する容積比で０．２５〜０．６としたことを特徴とする。なお、本発明の自硬性石炭灰とは、水を添加することにより自立し、硬化する石炭灰であり、一般的には加圧流動床燃焼方式の火力発電所等で生成される。

前記粉体に対し着色用顔料が、粉体量に対して１〜３重量％添加されることを特徴とする。

本発明にかかるチップ系混合物にあっては、木材チップおよび石炭灰をともに、かつ多量に使用して、これら木材チップや石炭灰の特長を活かした新規な機能性材料を得ることができる。

以下に、本発明にかかるチップ系混合物の好適な実施形態を、添付図面を参照して詳細に説明する。本実施形態にかかるチップ系混合物は基本的には、石炭灰が非自硬性の場合には、セメントおよび非自硬性石炭灰からなる粉体と、水と、木材チップとからなるチップ系混合物であって、非自硬性石炭灰量を粉体量に対し、２０〜６０重量％とし、当該粉体と水からなるペーストの水粉体比を、ペーストフロー値が１５０〜３００ｍｍとなるように設定し、当該ペーストの添加量を木材チップに対する容積比で０．２５〜０．６とした。

また、石炭灰が自硬性の場合には、セメントおよび自硬性石炭灰からなる粉体と、水と、木材チップとからなるチップ系混合物であって、自硬性石炭灰量を粉体量に対し、２０〜１００重量％とし、当該粉体と水からなるペーストの水粉体比を、ペーストフロー値が１５０〜２７０ｍｍとなるように設定し、当該ペーストの添加量を木材チップに対する容積比で０．２５〜０．６とした。

さらに、必要に応じて、粉体に対し着色用顔料が、粉体量に対して１〜３重量％添加される。

本実施形態にかかるチップ系混合物は、新規な機能性材料として、法面や歩道などの被覆材に利用する観点から、植物の生育を抑制できる防草性、被覆材としての美観性、そしてまた耐久性および施工性に着目しつつ、できるだけ多量の木材チップおよび石炭灰を混入することが可能なように、その配合の検討がなされている。

粉体は、セメントと石炭灰とからなる。ペーストは、粉体に水を添加して混練することで作成される。水粉体比Ｗ／Ｐは、（水／粉体）の重量比をいい、練り混ぜ容積比ｐｖは、（ペースト／木材チップ）の容積比をいい、置換率とは、セメントに対する石炭灰の置換のことであって、（石炭灰／粉体）の重量比をいう。

（１）ペースト量について
まず、セメントと石炭灰の粉体に水を添加することで作成されるペーストの量を、木材チップの量との関係で説明する。ペーストに木材チップを混入すると、ペーストは木材チップのコーティング材となり、木材チップ同士を接着したり、木材チップの腐食を防ぐなどの機能を果たす。木材チップは、美観性に関連があることから、木材チップを視認できるようにその形態が現れる程度のコーティングにするには、ペースト量は少なめがよい。他方、木材チップの好気性の腐食を防ぐためには、すべての木材チップの周りを万遍なく覆い尽くすことができるように、ペースト量は多めであることが望ましい。また、防草性等の強度確保の面からは、木材チップ同士を確実に接着できる十分なペースト量が必要である。

図１には、水粉体比Ｗ／Ｐを４０重量％として、ペーストの木材チップに対する練り混ぜ容積比ｐｖが０．２、０．２５および０．３の場合における、石炭灰の置換率と４週硬度との関係が示されている。硬度とは、「山中式土壌硬度計法」などで知られていて、土壌の緻密度を表す指標であり、値が大きいほど緻密度が高い。練り混ぜ容積比ｐｖが０．２では４週硬度は１０ｍｍを下回り、十分に固化せず、指で軽く押さえるだけでバラバラになる状態であった。このことは、水粉体比や石炭灰置換率を様々に変えても同様の結果であった。他方、練り混ぜ容積比ｐｖが０．２５では４週硬度は、適当な石炭灰置換率の範囲において、土壌硬度計による計測によって作物根の伸張を阻害する値とされる３０ｍｍを上回るケースを見出すことができ、練り混ぜ容積比ｐｖを０．２５以上に設定することが好ましいことが判明した。

一方で、練り混ぜ容積比ｐｖが０．６を超えると、すなわちペースト量が過多になると、強度上の問題はないが、木材チップが多量のペーストに覆われ、ペースト内に潜り込んでしまって、その形態が現れにくくなることが確認された。各練り混ぜ容積比でチップ系混合物の表面を対比観察してみると、チップ系混合物の表面にチップ形状を視認できるのは、ｐｖ０．６が限界である。好ましくはｐｖが０．５以下である。従って、木材チップの添加量との関係で、ペーストは、練り混ぜ容積比ｐｖが０．２５〜０．６になるように設定することが好ましい。

（２）ペースト強度について
図２には、上述した練り混ぜ容積比ｐｖに関し、木材チップを混入した４週強度と、ペースト単体の４週強度との関係が示されている。防草性の観点から、上述した土壌硬度計の読み値３０ｍｍが目安となる。一軸圧縮強度とこの土壌硬度計の読み値との相関をとると、硬度３０ｍｍに対応する４週強度はおおよそ０．２Ｎ／ｍｍ²となる。ペースト強度が一定であるならば、練り混ぜ容積比ｐｖが大きいほど、すなわちペースト量が多いほど、４週強度は高くなる。図２に示すように、練り混ぜ容積比ｐｖが０．２５〜０．６に設定される場合において、４週強度０．２Ｎ／ｍｍ²を満たすためには、ペーストの４週強度は最低でも２０Ｎ／ｍｍ²は必要であることがわかる。最大２０Ｎ／ｍｍ²の強度は、次の置換率の設定によって保証される。

（３）ペーストにおける石炭灰置換率とペーストフロー値について
本実施形態では、非自硬性の石炭灰として微粉炭炉のものが例示され、自硬性の石炭灰として流動床炉のものが例示されている。ペーストフロー値とは、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」に規定するフロー試験によるものを言う。

まず、自硬性を有しない微粉炭炉の石炭灰について説明する。図３には、水粉体比Ｗ／Ｐに関し、石炭灰の置換率に対するペーストのペーストフロー値および４週強度の関係が示されている。水粉体比Ｗ／Ｐがいずれであっても、置換率を上げると、すなわち石炭灰の使用量を増やすと、流動性が高まって、ペーストフロー値が高い値を示す（図３（ａ）参照）一方で、強度が低下し（図３（ｂ）参照）、従ってまた、置換率を下げると、強度は高まる一方で、ペーストフロー値が低下するという傾向がある。すなわち、石炭灰はペーストの流動性と強度を左右する。上述した必要強度２０Ｎ／ｍｍ²を確保するには、図３（ｂ）から明らかなように置換率が６０％を超えることは好ましくない。他方、置換率を２０％よりも低く設定すると、流動性向上の効果は僅かであるとともに、特に石炭灰の使用量が少なくなってしまうことから、好ましくない。従って、石炭灰置換率の観点からすると、これを２０〜６０％に設定することが望ましい。

また、ペーストフロー値の観点からすると、実用上必要なペーストフロー値の下限値は、一般に１５０ｍｍであると言われている。１５０ｍｍよりも小さいと、流動性が悪く、従ってポンプ圧送時に閉塞を起こすなどの可能性が高いとともに、本実施形態のように木材チップと練り混ぜを行う際には特に、時間と労力を要すると考えられる。他方、ペーストフロー値が３００ｍｍを超えるという状態は、水粉体比Ｗ／Ｐが大きく、かつまた置換率も大きいという状態であって（図３中、α参照）、必要強度の確保が難しいとともに、水粉体比Ｗ／Ｐが高いことから、材料分離を引き起こす可能性があると考えられる。従って、ペーストフロー値が１５０〜３００ｍｍとなるように、水粉体比Ｗ／Ｐを設定することが好ましい。

次に、石灰等の流動媒体が用いられることによって自硬性を有する流動床炉の石炭灰について説明する。

図４には、図３と同様に、水粉体比Ｗ／Ｐに関し、石炭灰の置換率に対するペーストのペーストフロー値および４週強度の関係が示されている。水粉体比Ｗ／Ｐがいずれであっても、置換率を上げると、僅かながら流動性が高まって、ペーストフロー値が高い値を示す（図４（ａ）参照）一方で、強度が低下し（図４（ｂ）参照）、従ってまた、置換率を下げると、強度は高まる一方で、ペーストフロー値が低下するという傾向があって、この点は、上記非自硬性石炭灰の場合と同様である。必要強度２０Ｎ／ｍｍ²を確保するという点からすれば、石炭灰自体が自硬性を有することから、石炭灰のみでも、すなわち置換率を１００％としても良い。他方、下限値については、特に限定されないが、非自硬性の石炭灰の場合と同様に、石炭灰の多量使用の観点に立てば、２０％以上とすることが好ましい。また、流動性向上の効果も勘案すれば、４０％以上とすることがより好ましい。従って、石炭灰置換率の観点からすると、これを２０〜１００％に設定することが望ましい。

また、ペーストフロー値の観点からすると、下限値は非自硬性の石炭灰と同様に、１５０ｍｍ以上であることが好ましい。他方、ペーストフロー値が２７０ｍｍを超える状態は、水粉体比Ｗ／Ｐが大きく、かつまた置換率も大きいという状態であって（図４中、β参照）、非自硬性の石炭灰と同様に、必要強度の確保が難しいとともに、水粉体比Ｗ／Ｐが高いことから、材料分離を引き起こす可能性があると考えられる。従って、ペーストフロー値が１５０〜２７０ｍｍとなるように、水粉体比Ｗ／Ｐを設定することが好ましい。

（４）木材チップの粒径について
図５には、木材チップの粒径に関して、石炭灰の置換率と４週硬度の関係が示されている。このグラフから理解されるように、木材チップの粒径は小さい方が、硬度を高めるのに有利であると考えられる。

さらに検討すると、木材チップの粒径は、美観性にも関連があって、木材チップの形状を視認できるためには、木材チップ個々の粒径は大きい方がよい。しかしながら、大きな粒度の木材チップでは、木材チップ同士間の空隙が大きくなって、木材チップ同士が接触し合う緻密な状態が得られにくいとともに、木材チップ自体も大きいために、その変形量が大きくなって、結果的に硬度が小さくなってしまうと考えられる。

他方、粒径が小さいと、外観に木材チップの形状が現れ難いとともに、そればかりでなく、全木材チップの総表面積が大きくなり過度に密な状態となって空隙が減少し、チップ系混合物としての強度低下や、歩道などの被覆材として考えた場合に、雨水を吸収しやすくてその透過性を阻害してしまう要因ともなり得る。粒径については、上述した水粉体比Ｗ／Ｐや、練り混ぜ容積比ｐｖ、石炭灰置換率、ペーストフロー値に基づいて木材チップの配合を決定した後、適宜な粒径の木材チップを混入して、土壌硬度や雨水の透過性などを検証して決定することが好ましい。本発明者の知見によれば、上述した範囲の配合において、２０ｍｍメッシュの篩いを透過した木材チップを用いることで、必要強度を確保でき、従って防草性もあり、また、２ｍｍメッシュの篩い通過分の木材チップ全体に対する容積率を１０％以下とすることにより、木材チップが視認できるように現れて美観に優れ、雨水の透過性も良く、施工性にも優れたチップ系混合物を得ることができた。

（５）着色について
表１には、着色用顔料で着色した場合における本実施形態にかかるチップ系混合物の硬度が示されている。木材チップとして、流木を用いた場合であっても、剪定木を用いた場合であっても、無着色のものと比較して、遜色のない硬度が得られている。着色具合は良好であった。顔料は、通常コンクリートに使用すると、細骨材や粗骨材の色に大きく影響を受けるが、本実施形態にあっては、木材チップを包み隠す色の淡いペーストに対して顔料を使用したことから、顔料の色の違いにより多少の差はあるものの、顔料の使用量は概ね、粉体に対する重量比で、１〜３％で十分であった。コンクリートの場合に、顔料の標準使用量がセメント量の５％であることに比べると、低添加率で済んだ。

本実施形態にかかるチップ系混合物を法面に吹き付けたところ、吹き付け表面全体にわたって、ペーストで万遍なく被覆された木材チップの形状を視認することができ、これの醸し出す印影と相俟って、自然と調和する美観を得ることができた。

以上説明した本実施形態にかかるチップ系混合物は、これを新規な機能性材料として法面や歩道の被覆に使用する場合が例示されていて、特定の配合によってセメント量を抑える一方で、木材チップおよび石炭灰をともに、かつ多量に使用して、美観性や流動性、透水性などこれら木材チップや石炭灰の特長を活かしつつ、相当の強度・土壌硬度を確保するチップ系混合物を得ることができた。このことで、被覆表面に植物が根付くことがなく、当該被覆の下から植物が生えてくる可能性も低い、優れた防草性を確保しつつ、雨水の透過性を確保することができる。また、被覆表面には万遍なく木材チップの形状を視認することができて、美観性に優れ、さらに、木材チップ全体を万遍なく被覆することにより、木材チップの腐食を防止して優れた耐久性を確保でき、そしてさらに、良好なワーカビリティを得ることができて、優れた施工性も確保することができる。

本発明にかかるチップ系混合物の配合を説明するために、水粉体比Ｗ／Ｐを４０として、練り混ぜ容積比ｐｖが０．２、０．２５および０．３の場合における、石炭灰の置換率と４週硬度との関係を示すグラフ図である。 本発明にかかるチップ系混合物の配合を説明するために、練り混ぜ容積比ｐｖに関し、木材チップを混入した４週強度と、ペースト単体の４週強度との関係を示すグラフ図である。 本発明にかかるチップ系混合物の配合を説明するために、非自硬性石炭灰の場合の水粉体比Ｗ／Ｐに関して、石炭灰の置換率に対するペーストのペーストフロー値および４週強度の関係で示す説明図である。 本発明にかかるチップ系混合物の配合を説明するために、自硬性石炭灰の場合の水粉体比Ｗ／Ｐに関して、石炭灰の置換率に対するペーストのペーストフロー値および４週強度の関係で示す説明図である。 本発明にかかるチップ系混合物の配合を説明するために、木材チップの粒度に関して、石炭灰の置換率と４週硬度との関係を示すグラフ図である。

Claims (3)

1. セメントおよび非自硬性石炭灰からなる粉体と、水と、木材チップとからなるチップ系混合物であって、
   非自硬性石炭灰量を粉体量に対し、２０〜６０重量％とし、
   当該粉体と上記水からなるペーストの水粉体比を、ペーストフロー値が１５０〜３００ｍｍとなるように設定し、
   当該ペーストの添加量を上記木材チップに対する容積比で０．２５〜０．６としたことを特徴とするチップ系混合物。
2. セメントおよび自硬性石炭灰からなる粉体と、水と、木材チップとからなるチップ系混合物であって、
   自硬性石炭灰量を粉体量に対し、２０〜１００重量％とし、
   当該粉体と上記水からなるペーストの水粉体比を、ペーストフロー値が１５０〜２７０ｍｍとなるように設定し、
   当該ペーストの添加量を上記木材チップに対する容積比で０．２５〜０．６としたことを特徴とするチップ系混合物。
3. 前記粉体に対し着色用顔料が、粉体量に対して１〜３重量％添加されることを特徴とする請求項１または２に記載のチップ系混合物。

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