JP6710466B2

JP6710466B2 - 焼成物の製造方法

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Publication number: JP6710466B2
Application number: JP2016208630A
Authority: JP
Inventors: 瞬新島; 吉川　知久; 知久吉川
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2016-10-25
Filing date: 2016-10-25
Publication date: 2020-06-17
Anticipated expiration: 2036-10-25
Also published as: JP2018070387A

Description

本発明は、焼成物の製造方法に関する。

従来、石炭灰を含む原料を造粒した後、高温で加熱することで発泡させた焼成物を、人工軽量骨材等として使用することが知られている。
例えば、特許文献１には、主原料の石炭灰に、発泡剤を混合して粉砕し、該粉砕物をアルカリ金属珪酸塩からなる融点降下剤と湿式混練した後、成型し、ついで乾燥・焼成することを特微とする人工軽量骨材の製造方法が記載されている。

特開２０００−２９００５０号公報

本発明の目的は、簡易かつ低コストな方法で、絶乾密度の小さい（例えば、１．３ｇ／ｃｍ^３以下）、軽量性に優れた焼成物（例えば、土工資材、骨材等）を得ることができる方法を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、石炭灰およびセメントを含む粉状材料と、炭化ケイ素からなる発泡剤と、水とを含む組成物からなり、かつ、粒度が５ｍｍ以下の粒体を焼成して、焼成物を得る焼成工程を含む焼成物の製造方法によれば、上記目的を達成できることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［６］を提供するものである。
［１］石炭灰およびセメントを含む粉状材料と、炭化ケイ素からなる発泡剤と、水とを含む組成物からなり、かつ、粒度が５ｍｍ以下の粒体を焼成して、焼成物を得る焼成工程を含むことを特徴とする焼成物の製造方法。
［２］上記粉状材料と上記発泡剤の合計量中、上記石炭灰の割合が５０〜９７．９９質量％、上記セメントの割合が２〜２０質量％、上記発泡剤の割合が０．０１〜１質量％であり、かつ、上記水の量が、上記粉状材料１００質量部に対して３〜５０質量部である前記［１］に記載の焼成物の製造方法。
［３］上記焼成工程における加熱温度が、１，２００〜１，４００℃である前記［１］又は［２］に記載の焼成物の製造方法。
［４］上記焼成物の絶乾密度が、１．３ｇ／ｃｍ^３以下である前記［１］〜［３］のいずれかに記載の焼成物の製造方法。

［５］上記焼成工程の前に、上記粉状材料と上記発泡剤と上記水を混合して、上記組成物を調製する混合工程と、上記組成物を、粒度が５ｍｍ以下になるように造粒して、造粒物を得る造粒工程と、上記造粒物を養生して、上記粒体を得る養生工程、を含む前記［１］〜［４］のいずれかに記載の焼成物の製造方法。
［６］前記［１］〜［５］のいずれかに記載の焼成物の製造方法によって、上記焼成物を得た後、上記焼成物を土工資材または骨材として用いて、造成構造物を構築することを特徴とする造成構造物の構築方法。

本発明の焼成物の製造方法によれば、簡易かつ低コストな方法で、絶乾密度の小さい軽量性に優れた焼成物（例えば、土工資材、骨材等）を得ることができる。

本発明の焼成物の製造方法は、石炭灰およびセメントを含む粉状材料と、炭化ケイ素からなる発泡剤と、水とを含む組成物からなり、かつ、粒度が５ｍｍ以下の粒体を焼成して、焼成物を得る焼成工程を含むものである。以下、工程ごとに詳しく説明する。

［焼成工程］
本工程は、石炭灰およびセメントを含む粉状材料と、炭化ケイ素からなる発泡剤と、水とを含む組成物からなり、かつ、粒度が５ｍｍ以下の粒体を焼成して、焼成物を得る焼成工程である。
本発明で用いられる石炭灰としては、フライアッシュ、クリンカアッシュ等が挙げられる。中でも、入手の容易性の観点からフライアッシュが好ましい。
本発明で用いられるセメントは、特に限定されるものではなく、例えば、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント、低熱ポルトランドセメント等の各種ポルトランドセメントや、高炉セメント、フライアッシュセメント等の混合セメントや、エコセメント等を使用することができる。
また、本発明の粉状材料は、廃棄物利用の促進の観点から、高炉スラグ、製鋼スラグ、溶融スラグ等からなるスラグ粉末を含んでいてもよい。

なお、本発明において、粉状材料とは、粉状の材料（０．１ｍｍ未満の粒度を有するもの；粉体）の集合体であって、石炭灰、セメント、および、必要に応じて配合されるスラグ粉末を意味する。
石炭灰のブレーン比表面積は、好ましくは１，０００ｃｍ^２／ｇ以上、より好ましくは２，０００〜６，０００ｃｍ^２／ｇである。
セメントのブレーン比表面積は、好ましくは１，５００ｃｍ^２／ｇ以上、より好ましくは２，５００〜６，０００ｃｍ^２／ｇである。
スラグ粉末のブレーン比表面積は、好ましくは３，０００ｃｍ^２／ｇ以上、より好ましくは４，０００〜８，０００ｃｍ^２／ｇである。

本発明で用いる粉状材料（３種類）以外の粉状の材料（以下、「他の粉末」ともいう。）として、炭酸カルシウム微粉末（工業製品、貝殻粉砕物等）、シリカフューム等を用いることができる。
他の粉末の配合量は、上記粉状材料（石炭灰およびセメントを含むもの）と、上記発泡剤（炭化ケイ素からなるもの）の合計量１００質量部に対して、好ましくは２０質量部以下、より好ましくは１０質量部以下である。
なお、炭化ケイ素からなる発泡剤は、粉状であっても、本発明で用いる「粉状材料」には含めないものとする。
炭化ケイ素からなる発泡剤の粒度は、好ましくは３０μｍ以下、より好ましくは２０μｍ以下、特に好ましくは１０μｍ以下である。

後述する造粒工程において上記組成物（粉状材料と発泡剤と水とを含む組成物）の造粒を容易にし、該組成物を造粒してなる造粒物の強度を向上する観点から、該組成物は、粘結材を含んでいてもよい。粘結材としては、ベントナイト、水ガラス等の無機系粘結材や、デンプン、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、パルプ廃液等の有機系粘結材が挙げられる。
なお、粘結材は、粉状であっても、本発明で用いる「粉状材料」には含めないものとする。

本発明において、上記粉状材料（必須材料として石炭灰およびセメントを含み、かつ、任意に配合可能な材料としてスラグ粉末を含むもの）と上記発泡剤（炭化ケイ素からなるもの）の合計量中、石炭灰の割合は、好ましくは５０〜９７．９９質量％、より好ましくは７０〜９７質量％、さらに好ましくは８０〜９６質量％、特に好ましくは９０〜９５質量％である。該割合が５０質量％以上であれば、得られる焼成物の絶乾密度をより小さくすることができ、軽量性を向上させることができる。また、材料にかかるコストを低減することができる。該割合が９７．９９質量％を超える場合、石炭灰に対する発泡剤の量が相対的に少なくなるため、発泡が不十分となり、得られる焼成物の絶乾密度が大きくなり、軽量化が不十分となる。
上記粉状材料と上記発泡剤の合計量中、セメントの割合は、好ましくは２〜２０質量％、より好ましくは３〜１０質量％、特に好ましくは４〜８質量％である。該割合が２質量％以上であれば、上記粉状材料と上記発泡剤と水とを含む組成物からなる粒体の強度（例えば、落下強度）が大きくなり、該粒体の保管、輸送および焼成の際に、該粒体が破壊されにくくなる。該割合が２０質量％以下であれば、得られる焼成物の絶乾密度をより小さくすることができる。また、材料にかかるコストを低減することができる。
上記粉体材料がスラグ粉末を含む場合、上記粉状材料と上記発泡剤の合計量中、スラグ粉末の割合は、好ましくは２０質量％以下、より好ましくは１〜１０質量％である。該割合が２０質量％以下であれば、得られる焼成物の絶乾密度をより小さくすることができ、軽量性を向上させることができる。該割合が１質量％以上であれば、廃棄物であるスラグの利用の促進の点で好ましい。

上記粉状材料と上記発泡剤（炭化ケイ素）の合計量中、発泡剤の割合は、好ましくは０．０１〜１質量％、より好ましくは０．０４〜０．８質量％、特に好ましくは０．０８〜０．６質量％である。該割合が０．０１質量％以上であれば、得られる焼成物の絶乾密度をより小さくすることができる。該割合が１質量％以下であれば、材料にかかるコストを低減することができる。
また、水の量は、後述する造粒工程における造粒手段等に応じて適宜定めればよいが、上記粉状材料１００質量部に対して、好ましくは３〜５０質量部、より好ましくは５〜４０質量部、さらに好ましくは８〜３５質量部、特に好ましくは１０〜３０質量部である。該量が３質量部以上であれば、造粒をより容易に行うことができる。該量が５０質量部以下であれば、上記組成物からなる粒体の強度（例えば、落下強度）がより大きくなり、該粒体の保管、輸送および焼成の際に、該粒体が破壊されにくくなる。

上述した組成物（粉状材料と発泡剤と水とを含む組成物）が、粘結材を含む場合、上記粉状材料と上記発泡剤と粘結材の合計量中、粘結材の割合は、好ましくは１〜１０質量％、より好ましくは２〜９質量％、特に好ましくは３〜８質量％である。該割合が１質量％以上であれば、上記組成物からなる粒体の強度（例えば、落下強度）がより大きくなり、該粒体の保管、輸送および焼成の際に、該粒体が破壊されにくくなる。該割合が１０質量％以下であれば、材料にかかるコストの過度の増大を防ぐことができる。

本工程において、上述した粉状材料、発泡剤および水を含む組成物からなる粒体の粒度は、５ｍｍ以下、好ましくは０．５〜４ｍｍ、より好ましくは１〜３．５ｍｍである。該粒度が５ｍｍを超えると、粒体を十分に発泡させるために、（ａ）加熱温度をより高くする、（ｂ）加熱時間をより長くする、（ｃ）融点降下剤を添加する必要がある、等の点で、焼成にかかるコストが高くなる。また、該粒度が５ｍｍ以下であれば、石炭灰に含まれている未燃炭素が燃焼して除去されるため、得られる焼成物の品質を一定にすることができる。該粒度が０．５ｍｍ以上であれば、焼成物の取扱いがより容易となる。
なお、「粒体の粒度」とは、粒体における最大寸法（例えば、断面がだ円である粒体においては、長軸の寸法をいう。）をいう。

本工程における加熱温度は、好ましくは１，２００〜１，４００℃、より好ましくは１，２１０〜１，３５０℃、特に好ましくは１，２２０〜１，３００℃である。該温度が１，２００℃以上であれば、得られる焼成物の絶乾密度をより小さくすることができる。該温度が１，４００℃を超える場合、得られる焼成物の絶乾密度が低下する効果が頭打ちになると共に、焼成に要するコストが過度に増大する。
加熱時間は、焼成装置によっても異なるが、好ましくは５分間以上、より好ましくは８分間以上、特に好ましくは１０分間以上である。該時間が５分間以上であれば、得られる焼成物の絶乾密度をより小さくすることができる。加熱時間の上限は、好ましくは３０分間以下、より好ましくは２０分間以下、特に好ましくは１５分間以下である。該時間が３０分間を超える場合、得られる焼成物の絶乾密度が低下する効果が頭打ちになると共に、焼成に要するコストが過度に増大する。
また、上記加熱時間は、焼成を行う際に、焼成（加熱）における最高温度（例えば、１，２５０℃）から１５℃を減算した温度以上の温度（例えば、１，２３５℃以上）を維持している時間を意味する。
焼成装置としては、特に限定されるものではないが、連続的に焼成を行うことができ、得られる焼成物の品質を安定させる観点から、内燃式または外燃式のロータリーキルンが好ましい。

［混合工程、造粒工程、養生工程］
焼成工程の前に、上述した粉状材料と発泡剤と水を混合して、組成物を調製する混合工程と、該組成物を、粒度が５ｍｍ以下になるように造粒して、造粒物を得る造粒工程と、該造粒物を養生して、粒体を得る養生工程を設けてもよい。
混合工程において、上述した粉状材料と発泡剤と水を混合する方法は、特に限定されるものではなく、公知のミキサーを用いればよい。また、各材料を混合する順序は問わず、各材料を同時に混合して組成物を調製してもよく、材料を別々に混合して組成物を調製してもよい。

造粒工程において、前工程（混合工程）で調製された組成物を造粒する方法としては、特に限定されるものではなく、パンペレタイザー等の一般的な造粒機を用いて造粒すればよい。
養生工程において、前工程（造粒工程）で得られた造粒物を養生する方法としては、特に限定されるものではなく、造粒物を養生して得られる粒体が、保管、輸送および焼成の際に破壊されない程度に十分な強度を有するような条件（例えば、５〜４０℃で、１２時間以上、好ましくは２０時間以上の養生時間）で養生すればよい。

なお、上述した混合工程の後、調製された組成物を造粒することなく養生し、次いで、固化した塊状の組成物について、粉砕と分級の両方またはいずれか一方を行うことで、所望の粒度の粒体を調製して、焼成工程で用いられる粒体としてもよい。

本発明において得られる焼成物の絶乾密度は、好ましくは１．３ｇ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１．２ｇ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１．０ｇ／ｃｍ^３以下、特に好ましくは０．９ｇ／ｃｍ^３以下である。該密度が１．３ｇ／ｃｍ^３以下であれば、得られた焼成物を、軽量な土工資材や骨材として好適に使用することができる。該密度の下限値は、特に限定されないが、通常、０．３ｇ／ｃｍ^３である。

本発明の焼成物の製造方法によれば、融点降下剤等を使用しなくても、より低い加熱温度、および、より短い加熱時間で、十分に発泡させた焼成物を得ることができる。
本発明で得られた焼成物は、絶乾密度が小さいことから、土工資材（盛土用、埋立用等の資材）または骨材（コンクリート用骨材、アスファルト用骨材、防犯用砂利等）として、造成構造物（盛土、埋立地、コンクリート硬化体、アスファルト硬化体、敷設された防犯用砂利層）の構築に好適に用いることができる。

以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
［使用材料］
（１）石炭灰：「ＪＩＳＡ６２０１（コンクリート用フライアッシュ）」に規定されるフライアッシュＩＩ種、ブレーン比表面積；３，０００ｃｍ^２／ｇ
（２）セメント：普通ポルトランドセメント、太平洋セメント社製、ブレーン比表面積；３，３００ｃｍ^２／ｇ
（３）炭化ケイ素：屋久島電工社製、商品名「ＧＣ−４０００ＦＣ」、粒度；１０μｍ以下
（４）水：上水道水

［実施例１〜３］
上記材料を表１に示す配合割合で、ナウターミキサーを用いて混合した後、パンペレタイザーを用いて、粒度が３ｍｍとなるように造粒して、造粒物を得た。得られた造粒物の集合体を、２０℃の条件下で２４時間養生して、粒度が３ｍｍである粒体の集合体を得た。
得られた粒体の集合体を、電気炉を用いて、５００℃から表１に示す加熱温度まで２０℃／分で昇温し、該加熱温度に到達した後、該加熱温度で１０分間焼成して、焼成物を得た。
［比較例１］
炭化ケイ素を使用しない以外は、実施例１と同様にして、焼成物を得た。
実施例１等について、得られた焼成物の絶乾密度を、「ＪＩＳＡ１１０９（細骨材の密度及び吸水率試験方法）」に準拠して測定した。
結果を表１に示す。

表１から、実施例１〜３において、１，２２５℃の加熱温度で焼成した場合における焼成物の絶乾密度（０．６７〜１．２５ｇ／ｃｍ^３）は、比較例１において、１，２２５℃の加熱温度で焼成した場合における焼成物の絶乾密度（１．７４ｇ／ｃｍ^３）よりも小さいことがわかる。
また、実施例１〜３において、１，２５０℃の加熱温度で焼成した場合における焼成物の絶乾密度（０．５３〜１．０４ｇ／ｃｍ^３）は、比較例１において、１，２５０℃の加熱温度で焼成した場合における焼成物の絶乾密度（１．４８ｇ／ｃｍ^３）よりも小さいことがわかる。
さらに、実施例１〜３において、１，２７５℃の加熱温度で焼成した場合における焼成物の絶乾密度（０．３９〜０．８３ｇ／ｃｍ^３）は、比較例１において、１，２７５℃の加熱温度で焼成した場合における焼成物の絶乾密度（１．３０ｇ／ｃｍ^３）よりも小さいことがわかる。
このように、本発明の焼成物の製造方法によって得られた焼成物（実施例１〜３）の絶乾密度は、発泡剤（炭化ケイ素）を用いておらず、かつ、同じ加熱温度で焼成した場合における焼成物（比較例１）の絶乾密度と比べて小さいことがわかる。

Claims

石炭灰およびセメントを含む粉状材料と、炭化ケイ素からなる発泡剤と、水とを含む組成物からなり、かつ、粒度が５ｍｍ以下の粒体を焼成して、焼成物を得る焼成工程を含むことを特徴とする焼成物の製造方法。
上記粉状材料と上記発泡剤の合計量中、上記石炭灰の割合が５０〜９７．９９質量％、上記セメントの割合が２〜２０質量％、上記発泡剤の割合が０．０１〜１質量％であり、かつ、上記水の量が、上記粉状材料１００質量部に対して３〜５０質量部である請求項１に記載の焼成物の製造方法。
上記焼成工程における加熱温度が、１，２００〜１，４００℃である請求項１又は２に記載の焼成物の製造方法。
上記焼成物の絶乾密度が、１．３ｇ／ｃｍ^３以下である請求項１〜３のいずれか１項に記載の焼成物の製造方法。
上記焼成工程の前に、上記粉状材料と上記発泡剤と上記水を混合して、上記組成物を調製する混合工程と、上記組成物を、粒度が５ｍｍ以下になるように造粒して、造粒物を得る造粒工程と、上記造粒物を養生して、上記粒体を得る養生工程、を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の焼成物の製造方法。
請求項１〜５のいずれか１項に記載の焼成物の製造方法によって、上記焼成物を得た後、上記焼成物を土工資材または骨材として用いて、造成構造物を構築することを特徴とする造成構造物の構築方法。