JP2000290050A

JP2000290050A - 人工軽量骨材の製造方法およびこの方法により得られた人工軽量骨材

Info

Publication number: JP2000290050A
Application number: JP9505499A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kagakui; 敦加岳井; Takeshi Naganami; 武長南; Shingo Sudo; 真悟須藤; Koji Kawamoto; 孝次川本
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1999-04-01
Filing date: 1999-04-01
Publication date: 2000-10-17

Abstract

(57)【要約】【課題】入手が容易で低価格な添加剤を少量添加する
ことによい絶乾比重を小さくでき、比較的低温な処理で
も高強度を発現し、かつ高品質な人工軽量骨材を安価に
製造する方法およびこの方法により得られた人工軽量骨
材を提供する。【解決手段】主原料の石炭灰に、発泡剤と、必要に応
じて粘結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・焼成する人口軽量骨材の製造方法を特微と
するものであり、また前記焼成を９５０℃〜１３００℃
の温度範囲で実施し、さらに全骨材配合原料に対する前
記アルカリ金属珪酸塩の添加量は、アルカリ金属珪酸塩
に含有するトータルのアルカリ金属酸化物換算で０．５
重量％以上で１０重量％以下であり、さらにまた前記発
泡剤が、酸化鉄と、炭化珪素または炭材のうち少なくと
も１種とからなることを特徴とする。また上記した方法
により得られ、かつ絶乾比重が０．５〜１．５、一軸圧
縮破壊荷重が５０ｋｇｆ以上で、吸水率が１５％以下で
ある人工軽量骨材を特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は人工軽量骨材に関
し、具体的には石炭火力発電所や石炭焚きボイラーなど
から発生する石炭灰を、特に土木・建築用の人工軽量骨
材として再資源化して有効利用するための人工軽量骨材
の製造方法およびこの方法により得らた人工軽量骨材に
関するものである。

【０００２】

【従来の技術】石炭は石油に比べて資源が豊富で単位発
熱量当りの価格も安価なことから、国内のエネルギー政
策により、特に発電用燃料として大幅な使用量の増加が
計画または実施されつつある。その結果、石炭火力発電
所や石炭焚きボイラーなどから発生する石炭灰が、石炭
使用量にほぼ比例して増加している結果、急増する石炭
灰の有効利用法が大きな課題となっている。このような
石炭灰の有効利用としては、人工軽量骨材としての利用
がその需要量の大きさから大量処理の面で適している。
しかしながら、石炭灰はシンターグレート方式で一部が
骨材化されているものの、人工骨材としての利用は国内
では極めて少ないのが現状である。その原因は、石炭火
力発電所や石炭焚きボイラーなどでは、ボイラーの水管
やボイラー壁への灰の付着を軽減するために、高融点の
灰を発生する石炭を選択して使用していることにある。

【０００３】すなわち石炭火力発電所や石炭焚きボイラ
ーなどから発生する石炭灰は、一般的には融点が高く、
軽量骨材化するには低融点の粘土や頁岩を多量に混合し
て焼成しなければならない。しかしこれらの粘土や頁岩
を多量に確保するのが困難であること、これらの粘土や
頁岩を採掘・運搬・前処理・混合するのに多くの工程と
費用を要する結果、人工軽量骨材の製造コストが高くな
っていること、さらには単位製品当りの石炭灰の使用率
が低いことから石炭灰の有効利用上好ましくないこと、
また石炭灰を使用して得られた人工軽量骨材の絶乾比重
が１．３〜１．４程度であって用途が制限されてしま
い、この絶乾比重がより小さく軽質で強度を有する人工
軽量骨材を製造する技術が未だに開発されていないこと
などの問題から石炭灰を人工軽量骨材として有効に再利
用することがなされていなかった。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明はこのような実
状を考慮してなされたものであり、入手が容易で低価格
な添加剤を少量添加することによい絶乾比重を小さくで
き、比較的低温な処理でも高強度を発現し、かつ高品質
な人工軽量骨材を安価に製造する方法およびこの方法に
より得られた人工軽量骨材を提供することを目的とする
ものである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、単位製品
当たりの石炭灰の使用率を増加してその有効利用率を高
め、絶乾比重を小さくできるとともに高強度を発現で
き、かつ安価な製造方法について鋭意検討した結果、主
原料の石炭灰に、発泡剤と、必要に応じて粘結剤と、ア
ルカリ金属珪酸塩からなる融点降下剤とを混合すること
により上記課題を解決し得ることを見出し本発明を完成
するに至った。

【０００６】すなわち上記目的を達成するため本発明の
第１の実施態様は、主原料の石炭灰に、発泡剤と、必要
に応じて粘結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・焼成する人口軽量骨材の製造方法を特
微とするものであり、また前記焼成を９５０℃〜１３０
０℃の温度範囲で実施し、さらに全骨材配合原料に対す
る前記アルカリ金属珪酸塩の添加量は、アルカリ金属珪
酸塩に含有するトータルのアルカリ金属酸化物換算で
０．５重量％以上で１０重量％以下であり、さらにまた
前記発泡剤が、酸化鉄と、炭化珪素または炭材のうち少
なくとも１種とからなることを特徴とする。

【０００７】また本発明の第２の実施態様は、上記した
第１の実施態様に係る方法により得られ、かつ絶乾比重
が０．５〜１．５、一軸圧縮破壊荷重が５０ｋｇｆ以上
で、吸水率が１５％以下である人工軽量骨材を特徴とす
るものである。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下本発明の詳細およびその作用
についてさらに具体的に説明する。本発明は、アルカリ
金属珪酸塩からなる融点降下剤を主原料の石炭灰に添加
することにより、石炭灰の融点を９５０℃〜１３００
℃、好ましくは１０００℃〜１２５０℃の工業的に焼成
し易い温度に低下させ、かつ発泡剤として酸化鉄と、炭
化珪素および／または石炭やコークスなどの炭材を添加
することによって絶乾比重が０．５〜１．５程度の強度
の高い人工軽量骨材を製造する方法を特徴とするもので
ある。なお炭材は焼成時の造粒したペレット内部の還元
状態の調整にも機能する。

【０００９】まず本発明に使用する主原料としての石炭
灰は特に限定されるものでなく、例えばフライアッシュ
とシンダアッシュの混合物である原粉、ＪＩＳＡ６２
０１に適合するようなフライアッシュ、粗粉、クリンカ
アッシュを含む全ての石炭灰を用いることができる。ま
た前記石炭灰の粒径にも特に影響されない。

【００１０】つぎに本発明で用いる発泡剤は酸化鉄と、
炭化珪素または炭材のうち少なくとも１種とからなるも
のであり、人工軽量骨材の絶乾比重を０．５〜１．５程
度に制御するために添加する。発泡剤としては、前記効
果を発揮するものであれば特に限定されないが、例えば
酸化鉄の中でも酸化度の高いヘマタイトが好ましい。酸
化鉄の平均粒径は特に限定されないが、焼成中の炭材に
よる脱酸素反応を促進するために１０μｍ以下とするこ
とが好ましい。また骨材配合原料の全体に対する好まし
いＦｅ_２Ｏ_３添加量は、１重量％〜１０重量％である。
その理由は１重量％未満では発泡剤としての効果が少な
く、人工軽量骨材の絶乾比重を０．５〜１．５程度まで
制御できず、他方１０重量％を超えて添加しても発泡に
よる軽量化の効果はそれ以上増加しないからである。な
お酸化鉄の比重は石炭灰と比較して著しく大きく、発泡
が促進されないと人工軽量骨材の比重を増加させること
になる。

【００１１】また炭化珪素はペレットの発泡を促進させ
る効果がある。まず造粒したぺレットが加熱されて多量
の液相が生成されたときに、炭化珪素と酸化鉄が効率よ
く反応してＣＯ、ＣＯ_２が発生する。そしてこれらのガ
スが液相中で捕捉され、ペレットの発泡が促進されるの
である。骨材配合原料の全体に対する炭化珪素の添加量
は、０．１重量％〜１重量％であることが好ましい。す
なわち添加量が０．１重量％未満では絶乾比重が１．５
以下の骨材が得られず軽量化ができず、他方１重量％を
超えても軽量効果はそれ以上増大しないためである。さ
らに炭材としては石炭やコークスを使用でき、その効果
は小さいものの、酸化鉄と反応して発泡作用といった機
能を発揮する。したがって炭化珪素の一部を炭材に置き
換えたりすることが可能である。なお炭材は焼成中のペ
レット内部の還元度を調整する効果が大である。骨材配
合原料の全体に対する炭材の添加量は、０．２重量％〜
１０重量％であることが好ましい。すなわち添加量が
０．２重量％未満では発泡による軽量化の効果が得られ
ず、他方１０重量％を超えて添加しても発泡膨張による
軽量化効果は増加せず、逆に未燃焼の炭素がペレット内
部に残留して人工軽量骨材の強度を低下させる可能性が
あるからである。

【００１２】また粘結剤は後述するアルカリ金属珪酸塩
がその機能を有するため、特に新たに粘結剤を添加しな
くてもよいが、必要に応じて造粒物の成型性と強度を付
与するために添加する。粘結剤の種類は特に限定されな
いが、例えばベントナイトなどの無機類、澱粉、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、パルプ廃液などの有機類が挙げられる。また
その添加量も特に限定されないが、添加効果およびコス
トを考慮すると０．５重量％〜１０重量％の範囲が好ま
しい。

【００１３】つぎに本発明において使用する融点降下剤
について以下に記述する。石炭灰は、液相を生成して焼
結する温度が１４００℃〜１５００℃と極めて高い場合
が多い。人工軽量骨材を１４００℃〜１５００℃で焼成
することは、焼成設備の耐火度やエネルギーコストおよ
び発泡剤の選定が困難な点で実用的ではない。従来この
ような高耐火度の原料を焼成する場合には、融点降下剤
としてアルカリ金属類を多く含む低耐火度の粘土や頁岩
などの天然鉱物を多量に加える方法が一般的であった。
本発明者らは粘土、頁岩類の添加効果を種々検討した結
果、これらを構成する成分の中でアルカリ金属類が少量
で液相温度を著しく低下することを確認した。このよう
な液相温度の低下効果を発揮する元素は、前記アルカリ
に限らず低融点酸化物を構成する元素、例えば硼素、鉛
などのいずれのものでもその効果を発揮することを確認
している。

【００１４】本発明者らは、より安価な製造方法につい
てさらに検討した結果、アルカリ金属珪酸塩が融点降下
剤となり得るという知見を得た。本発明で用いるアルカ
リ金属珪酸塩は特に限定されるものでなく、例えばＭ_２
Ｏ・ｎＳｉＯ_２・ｍＨ_２Ｏ（Ｍ：ナトリウム、カリウ
ム、リチウムなど）あるいはその無水塩が挙げられる
が、コストの点からナトリウム塩が好ましい。

【００１５】本発明に係る人工軽量骨材において、骨材
配合原料の全体に対するアルカリ金属珪酸塩の好ましい
添加量は、アルカリ金属珪酸塩中に含まれるトータルの
アルカリ金属酸化物換算で０．５重量％以上で１０重量
％以下である。これは石炭灰の化学組成が炭種により異
なるものの、ＳｉＯ_２：４０〜７５重量％、Ａｌ
_２Ｏ _３：１５〜３５重量％、Ｎａ_２Ｏ：０．２〜２重量
％、Ｋ_２Ｏ：０．２〜４重量％からなり、前記アルカリ
金属珪酸塩の添加量によって融点降下が大きくなり、か
つ溶化する温度領域も長くなること、および骨材の焼成
特性と石炭灰利用率の向上の観点からである。そして添
加量を上記範囲とした理由は、０．５重量％未満では融
点降下の効果が十分に発揮されず、他方１０重量％を超
えて添加してもそれ以上の格別な効果が得られず、かえ
ってアルカリ金属珪酸塩の使用量の増加によってコスト
高となるとともに石炭灰の利用率が低下するため好まし
くないからである。

【００１６】本発明に用いる粉砕方法は、混合した骨材
配合原料が平均粒径３０μｍ以下、好ましくは２０μｍ
以下まで微粉砕できるものであればいずれの方法でもよ
く、例えばポットミル、振動ミル、遊星ミルなどのボー
ルミル、衝突式のジェット粉砕機、ターボ粉砕機などが
挙げられる。つぎに主原料の石炭灰および発泡剤と、必
要に応じて粘結剤との混合粉砕物はアルカリ金属珪酸塩
からなる融点降下剤と混練するが、採用する混練方法は
特に限定されず公知の混練装置を用いることができる。
ここでアルカリ金属珪酸塩の添加量によっては混練水を
添加しなくてもよいので、混練をより容易に行うことも
できる。引き続き実施される成型方法としては、所定の
径になるように成型できるものであれば特に限定されず
公知の成型装置を用いると簡便である。なおアルカリ金
属珪酸塩は粘結剤としての機能を有するので、新たに粘
結剤を添加しなくても成型をより容易に行うことができ
る。

【００１７】また焼成法は特に限定されないが、例えば
連続操業や品質の均一性を勘案すればロータリーキルン
を用いることが好ましく、所望とする骨材特性に合わせ
て雰囲気を任意に選択できる。例えば燃焼ガス中の酸素
濃度を３％〜１２％、焼成帯温度を９５０℃〜１３００
℃、好ましくは１０００℃〜１２５０℃とし、かつ前記
焼成帯温度での成型体の滞留時間を１０分間〜１２０分
間となるようにキルンの勾配、回転数、ダムの設置や内
径といったキルン構造などを勘案してロータリーキルン
を操作することが好ましい。なお焼成前に施す乾燥法も
特に限定されるものでないが、場合によっては成型体を
直接ロータリーキルンに投入して、当該ロータリーキル
ン内にて乾燥と焼成を同時に行うこともできる。

【００１８】

【実施例】以下実施例および比較例により本発明をさら
に説明する。ただし、本発明は下記実施例に限定される
ものでない。また用いた石炭灰は、ＳｉＯ_２：５６．２
０重量％、Ａｌ_２Ｏ_３：３２．１０重量％、Ｆｅ
_２Ｏ_３：３．５７重量％、ＣａＯ：０．５９重量％、Ｍ
ｇＯ：１．４０重量％、Ｎａ_２Ｏ：０．２２重量％、Ｋ
_２Ｏ：０．４８重量％を主成分とするものである。［実施例１］石炭灰８７．５重量％、ベントナイト５重
量％、ヘマタイト５重量％、炭化珪素０．５重量％、コ
ークス２重量％からなる骨材配合原料を、ボールミルに
て平均粒径２０μｍに混合粉砕した。該粉砕物の全量に
対してアルカリ金属珪酸塩として市販の３号水ガラスを
４２．１重量％（Ｎａ_２Ｏ＝４重量％）添加して混練し
た後、押出成型して１０５℃で通風乾燥し、ついでロー
タリーキルン（煉瓦内径４００ｍｍ×長さ６０００ｍ
ｍ）に供給して、燃焼ガス中の酸素濃度１０％、１０１
０℃の条件下で１０分間焼成して人工軽量骨材を調製し
た。得られた人工軽量骨材の評価として、絶乾比重と吸
水率はＪＩＳＡ１１１０に基づいて測定し、また一軸
圧縮破壊荷重により圧潰強度を測定した。なお圧潰強度
は圧潰試験機によって直径１０ｍｍの各骨材について測
定し、その平均値を求めた。得られた測定結果を下記す
る表１に示す。

【００１９】［実施例２〜９］骨材配合原料を、石炭灰
８９．５重量％、ベントナイト５重量％、ヘマタイト５
重量％、炭化珪素０．５重量％、コークス０重量％とし
た以外は実施例１と同様にして実施例２を、骨材配合原
料を、石炭灰９０．５重量％、ベントナイト２重量％、
へマタイト５重量％、炭化珪素０．５重量、コークス２
重量％とした以外は実施例１と同様にして実施例３を、
骨材配合原料を、石炭灰９２．５重量％、ベントナイ卜
０重量％、ヘマタイト５重量％、炭化珪素０．５重量
％、コークス２重量％とした以外は実施例１と同様にし
て実施例４を、ロークリーキルンの温度を１０３０℃、
１０５０℃とした以外は実施例１と同様にして、それぞ
れ実施例５、実施例６を得た。なお実施例２〜６におい
て市販の３号水ガラスの添加量は実施例１と同様とし
た。

【００２０】さらに実施例１と同様の骨材配合原料に対
する市販の３号水ガラスの添加量を８．４重量％（Ｎａ
_２Ｏ＝０．８重量％）として水を添加して混練し、ロー
タリーキルンでの焼成温度を１１７０℃とした以外は実
施例１と同様にして実施例７を、市販の３号水ガラスの
添加量を２１．１重量％（Ｎａ_２Ｏ＝２重量％）とし、
ロータリーキルンでの焼成温度を１０３０℃、１０５０
℃とした以外は実施例１と同様にして、それぞれ実施例
８、実施例９を得た。

【００２１】［比較例１〜２］実施例１においてロータ
リーキルンでの焼成温度を９００℃とした以外は実施例
１と同様にして比較例１を、市販の３号水ガラスの添加
量を２．１重量％（Ｎａ_２Ｏ＝０．２重量％）とし水を
添加して混練し、ロータリーキルンの焼成温度を１１９
０℃とした以外は実施例１と同様にして比較例２を得
た。実施例２〜９および比較例１〜２により得られた人
工軽量骨材についても実施例１と同様な評価試験を行
い、その測定結果を下記する表１に併せて示す。

【００２２】

【表１】

【００２３】表１から分かる通り、実施例１によれば絶
乾比重が１．１８、圧潰強度が６９ｋｇｆ、吸水率が１
２．９％の人工軽量骨材が得られた。また、実施例１〜
５、７〜９によれば絶乾比重が１〜１．５、吸水率が１
５％以下で、かつ圧潰強度が６０ｋｇｆを超える高強度
の人工軽量骨材が得られた。また実施例６によれば絶乾
比重が１未満でも市販の人工軽量骨材と同等の圧潰強度
を有し、かつ吸水率も１２．６％の骨材が得られた。こ
れに対して比較例１によれば焼成温度が低いために発泡
が不十分である結果、絶乾比重が１．５以下の人工軽量
骨材が得られず、また比較例２によればアルカリ金属珪
酸塩の添加量が少ないために融点降下が不十分である結
果、絶乾比重が１．５以下の人工軽量骨材が得られなか
った。

【００２４】

【発明の効果】以上述べた通り本発明によれば、石炭火
力発電所や石炭焚きボイラーなどから発生する石炭灰を
原料として極めて軽質で強度が高く、かつ高品質な人工
軽量骨材を低コストで効率的に生産することができ、し
たがって産業廃棄物を埋め立てて処理することなく、特
に軽量化を必要とする土木・建築材料などに再資源化で
きることから、環境の保全とエネルギーの安定供給に多
大な効果を奏することが可能となった。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者須藤真悟千葉県市川市中国分３−18−５住友金属鉱山株式会社中央研究所内 (72)発明者川本孝次千葉県市川市中国分３−18−５住友金属鉱山株式会社中央研究所内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】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。
【請求項２】前記石炭灰に、発泡剤とともに粘結剤を
混合することを特微とする請求項１記載の人工軽量骨材
の製造方法。
【請求項３】前記焼成を９５０℃〜１３００℃の温度
範囲で実施することを特徴とする請求項１または２記載
の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項４】全骨材配合原料に対する前記アルカリ金
属珪酸塩の添加量は、アルカリ金属珪酸塩に含有するト
ータルのアルカリ金属酸化物換算で０．５重量％以上で
１０重量％以下であることを特徴とする請求項１〜３の
いずれか１項記載の人工軽量骨材の製造方法。
【請求項５】前記発泡剤が、酸化鉄と、炭化珪素また
は炭材のうち少なくとも１種とからなることを特徴とす
る請求項１〜４のいずれか１項記載の人工軽量骨材の製
造方法。
【請求項６】請求項１〜５のいずれか１項記載の製造
方法により得られ、かつ絶乾比重が０．５〜１．５、一
軸圧縮破壊荷重が５０ｋｇｆ以上で、吸水率が１５％以
下であることを特徴とする人工軽量骨材。