JP2019048735A - 細骨材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易かつ低コストな方法で、絶乾密度が小さく、かつ、吸水率の大きな細骨材を製造することができる方法を提供する。【解決手段】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と、上記焼成物を破砕して、細骨材を得る破砕工程、を含む細骨材の製造方法。破砕工程において、細骨材として、粒度が０．１５〜１．２ｍｍの範囲内である粒体の割合が、２０質量％以上であるものが得られるように、破砕を行うことが好ましい。【選択図】なし

Description

本発明は、細骨材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。該製造方法に用いる発泡剤としては、酸化鉄、炭化珪素、及び炭材が挙げられている。

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、絶乾密度が小さく（例えば、１．５ｇ／ｃｍ^３以下）、かつ、吸水率の大きな（例えば、１０．０％以上）骨材を製造す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、特定の組成物からなり、かつ、粒度が５ｍｍ以下の粒体を焼成した後、得られた焼成物を破砕して細骨材を得る方法によれば、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］〜［３］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と、上記焼成物を破砕して、細骨材を得る破砕工程、を含む細骨材の製造方法。
［２］ 上記破砕工程において、上記細骨材として、粒度が０．１５〜１．２ｍｍの範囲内である粒体の割合が、２０質量％以上であるものが得られるように、破砕を行う前記［１］に記載の細骨材の製造方法。
［３］ 上記組成物が、融点降下剤を含まず、かつ、上記細骨材の絶乾密度が、１．５ｇ／ｃｍ^３以下である前記［１］又は［２］に記載の細骨材の製造方法。

本発明の細骨材の製造方法によれば、簡易かつ低コストな方法で、絶乾密度が小さく（例えば、１．５ｇ／ｃｍ^３以下）、かつ、吸水率の大きな（例えば、１０．０％以上）細骨材を得ることができる。

本発明の細骨材の製造方法は、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と、該焼成物を破砕して、細骨材を得る破砕工程、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、焼成物を得る工程である。
本発明で用いられる石炭灰の例としては、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、エコセメント等が挙げられる。
また、上記粉状材料は、廃棄物利用の促進の観点から、スラグ粉末を含んでいてもよい。スラグ粉末の例としては、高炉スラグ、製鋼スラグ、溶融スラグ等が挙げられる。

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、入手の容易性等の観点から、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、入手の容易性等の観点から、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、入手の容易性等の観点から、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。

本発明で用いられる粉状材料（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）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。ここで、「他の粉末」は、本発明で用いられる「粉体材料」に包含されないものとする。
他の粉末の配合量は、上記粉状材料と、炭化ケイ素からなる発泡剤の合計量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。

本発明で用いられる炭化ケイ素からなる発泡剤の粒度は、各材料を混合して造粒する際に、該材料の混合物中に発泡剤を偏りなく均一に分散させて、良好な発泡状態を得る観点から、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１５μｍ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、本発明で用いられる「粉状材料」に包含されないものとする。

後述する造粒工程において上記組成物（上記粉状材料と上記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させる観点から、該組成物は、粘結材を含んでいてもよい。粘結材の例としては、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、本発明で用いられる「粉状材料」に包含されないものとする。

本発明において、上記粉状材料と上記発泡剤の合計量中、石炭灰の割合は、好ましくは５９〜９７．９９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５９質量％以上であれば、得られる細骨材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、得られる細骨材の吸水率をより大きくすることができる。さらに、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、得られる細骨材の絶乾密度が大きくなり、軽量化が不十分となる。また、得られる細骨材の吸水率が小さくなる。

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、得られる細骨材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、得られる細骨材の吸水率をより大きくすることができる。さらに、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、得られる細骨材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、吸水率をより大きくすることができる。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の合計量中、発泡剤の割合は、好ましくは０．０１〜１．００質量％、より好ましくは０．０４〜０．９０質量％、さらに好ましくは０．０８〜０．８０質量％、さらに好ましくは０．２０〜０．７０質量％、特に好ましくは０．３０〜０．６０質量％である。該割合が０．０１質量％以上であれば、得られる細骨材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、吸水率をより大きくすることができる。該割合が１．００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９〜３０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、さらに好ましくは１．５〜３．５ｍｍ、特に好ましくは２〜３．５ｍｍ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、のいずれか一つ以上を行う必要がある点で、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カーボンが燃焼して除去されるため、得られる細骨材の品質の変動を少なくすることができる。該粒度が０．５ｍｍ以上であれば、適度な粒度を有する細骨材を得ることができる。
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。

本工程における焼成（加熱）温度は、得られる細骨材について、絶乾密度をより小さくし、かつ、吸水率をより大きくする観点からは、好ましくは１，１００℃以上、より好ましくは１，１５０℃以上、さらに好ましくは１，２１０℃以上、さらに好ましくは１，２４０℃以上、特に好ましくは１，２６０℃以上である。
該焼成（加熱）温度は、焼成に要するエネルギーのコストを低減する観点からは、好ましくは１，４００℃以下、より好ましくは１，３５０℃以下、さらに好ましくは１，３２５℃以下、さらに好ましくは１，３２０℃以下、さらに好ましくは１，３１０℃以下、さらに好ましくは１，３００℃以下、さらに好ましくは１，２９０℃以下、さらに好ましくは１，２８０℃以下、特に好ましくは１，２７０℃以下である。
なお、該焼成（加熱）温度が１，４００℃を超える場合、得られる細骨材の絶乾密度が低下する効果、および、吸水率が大きくなる効果が頭打ちになると共に、焼成に要するエネルギーのコストが過度に増大する。

焼成（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、得られる細骨材の絶乾密度をより小さくし、かつ、得られる細骨材の吸水率をより大きくすることができる。焼成時間の上限は、好ましくは３０分間、より好ましくは２０分間、特に好ましくは１５分間である。該時間が３０分間を超える場合、得られる細骨材の絶乾密度が低下する効果、および、吸水率が大きくなる効果が頭打ちになると共に、焼成に要するエネルギーのコストが過度に増大する。
また、上記焼成時間は、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、かつ、得られる細骨材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。

［破砕工程］
本工程は、焼成工程で得られた焼成物を破砕して、細骨材を得る工程である。
本工程において、焼成物を破砕することによって、焼成物（破砕後に得られる細骨材）の吸水率をより大きくすることができる。また、融点降下材等を使用しなくても、所望の品質の細骨材を得ることができる。
焼成物の破砕方法の例としては、特に限定されるものではなく、例えば、ボールミル、ロッドミル、ディスクミル、またはジョークラッシャー等を用いた通常の方法が挙げられる。
上記破砕は、得られる細骨材の吸水率をより大きくする観点から、得られる細骨材中、粒度が０．１５〜１．２ｍｍの範囲内である粒体の割合が、２０質量％以上（好ましくは３０質量％以上、より好ましくは４０質量％以上、さらに好ましくは５０質量％以上、特に好ましくは６０質量％以上）となるように行なうことが好ましい。

［混合工程、造粒工程、および養生工程］
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の例としては、特に限定されるものではなく、例えば、公知のミキサーを用いた方法が挙げられる。また、各材料を混合する順序は、特に限定されるものではなく、各材料を同時に混合して組成物を調製してもよく、あるいは、各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の例としては、特に限定されるものではなく、例えば、パンペレタイザー等の一般的な造粒機を用いて造粒する方法が挙げられる。
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の例としては、特に限定されるものではなく、例えば、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）で養生する方法が挙げられる。

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、所望の粒度を有する粒体を調製して、この粒体を焼成工程で用いてもよい。

［粒度調整工程］
破砕工程の後に、焼成物を破砕してなる細骨材の粒度を調整して、粒度の調整された細骨材を得る粒度調整工程を設けてもよい。
細骨材の粒度を調整することによって、各種の用途に適した、所望の粒度分布を有する細骨材を得ることができる。
粒度の調整方法の例としては、篩い等を用いて分級を行う方法等が挙げられる。

本発明において得られる細骨材の絶乾密度は、好ましくは１．５ｇ／ｃｍ^３以下、より好ましくは１．４ｇ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１．３ｇ／ｃｍ^３以下、さらに好ましくは１．２ｇ／ｃｍ^３以下、特に好ましくは１．０ｇ／ｃｍ^３以下である。該密度が１．５ｇ／ｃｍ^３以下であれば、得られた細骨材を、軽量細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。
また、本発明において得られる細骨材の吸水率は、好ましくは１０．０％以上、より好ましくは１５．０％以上、特に好ましくは１８．０％以上である。該吸水率が１０．０％以上であれば、特定の用途（例えば、猫のトイレ用（糞尿排泄用）の砂や、エサとなる藻等が生育し易い、エビ等の魚介類の養殖場における水底の砂など）を対象にした軽量細骨材として、好適に使用することができる。該吸水率の上限値は、特に限定されないが、通常、９０％である。
細骨材の吸水率（単位：質量％）とは、吸水量×１００／絶乾密度（＝（表乾密度−絶乾密度）×１００／絶乾密度）をいう。

本発明の細骨材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、十分に発泡させた細骨材を得ることができ、製造にかかるコストを低減することができる。
本発明で得られた細骨材は、絶乾密度が小さく、かつ、吸水率が大きいことから、例えば、特定の用途（例えば、猫のトイレ用（糞尿排泄用）の砂や、藻等が生育し易い、エビ等の魚介類の養殖場における水底の砂など）を対象にした軽量細骨材として、好適に使用することができる。

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：「ＪＩＳ Ａ ６２０１ （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］
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に示す焼成温度まで２０℃／分で昇温し、該焼成温度に到達した後、該焼成温度で１０分間焼成して、焼成物を得た。得られた焼成物は、粒度が１０〜１５ｍｍの範囲内である粒体の割合が７５質量％以上である粒状物であった。
得られた焼成物を破砕して、細骨材を得た。得られた細骨材の、粒度が０．１５ｍｍ〜１．２ｍｍの範囲内である粒体の割合は、６０質量％以上であった。
得られた焼成物（破砕前のもの）の絶乾密度および吸水率、並びに、該焼成物を破砕してなる細骨材の絶乾密度および吸水率を、「ＪＩＳ Ａ １１０９（細骨材の密度及び吸水率試験方法）」に準拠して測定した。

また、細骨材の絶乾密度と焼成物の絶乾密度の比（細骨材の絶乾密度／焼成物の絶乾密度：表１中、「細骨材／焼成物」の欄中の「絶乾密度」）、および、細骨材の吸水率と焼成物の吸水率の比（細骨材の吸水率／焼成物の吸水率：表１中、「細骨材／焼成物」の欄中の「吸水率」）を算出した。
さらに、１，２５０℃で焼成した場合において、得られた焼成物（表２中の「破砕前」）と、該焼成物を破砕した後、目開き寸法が１．２ｍｍである篩を用いて分級を行い、粒度を１．２ｍｍ以下に調整してなる細骨材（表２中の「破砕後」）の各々について、表２に示す粒度における積算頻度を測定した。
結果を表１〜２に示す。

［実施例２〜３］
石炭灰及び炭化ケイ素の各量を表１に示すものに定めた以外は実施例１と同様にして、細骨材を得た。
［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、細骨材を得た。
実施例２〜３及び比較例１について、得られた焼成物（破砕前のもの）の絶乾密度および吸水率、並びに、該焼成物を破砕してなる細骨材の絶乾密度および吸水率を、実施例１と同様にして測定した。
結果を表１に示す。

表１から、実施例１〜３において、各焼成温度（１，２２５〜１，３００℃）で焼成した場合における、細骨材の絶乾密度（焼成温度１，２２５℃：０．９０〜１．３０ｇ／ｃｍ^３、焼成温度１，２５０℃：０．７０〜１．１５ｇ／ｃｍ^３、焼成温度１，２７５℃：０．５５〜１．００ｇ／ｃｍ^３、焼成温度１，３００℃：０．５０〜０．９０ｇ／ｃｍ^３）は、各々、比較例１において、１，２２５〜１，３００℃で焼成した場合における細骨材の絶乾密度（焼成温度１，２２５℃：１．６５ｇ／ｃｍ^３、焼成温度１，２５０℃：１．５０ｇ／ｃｍ^３、焼成温度１，２７５℃：１．４０ｇ／ｃｍ^３、焼成温度１，３００℃：１．３０ｇ／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、各焼成温度（１，２２５〜１，３００℃）で焼成した場合における、細骨材の吸水率（焼成温度１，２２５℃：１８．２〜４４．０％、焼成温度１，２５０℃：２２．７〜５８．０％、焼成温度１，２７５℃：２４．２〜７１．０％、焼成温度１，３００℃：２９．８〜８７．４％）は、各々、比較例１の細骨材の吸水率（焼成温度１，２２５℃：９．１％、焼成温度１，２５０℃：１２．１％、焼成温度１，２７５℃：１４．６％、焼成温度１，３００℃：１７．７％）よりも極めて大きいことがわかる。

また、実施例１〜３において、焼成物の吸水率と、細骨材（焼成物を粉砕してなるもの）の吸水率を比較すると、細骨材の吸水率は、焼成物の吸水率よりも大きくなることがわかる。すなわち、焼成物を粉砕することで、細骨材の吸水率をより大きくすることができることがわかる。
特に、１，２５０℃以上の焼成温度で焼成した場合の実施例１〜３の、焼成物の吸水率と該焼成物を粉砕してなる細骨材の吸水率の上昇の程度（細骨材の吸水率から焼成物の吸水率を減算したもの；焼成温度１，２５０℃：１７．１〜４３．０％、焼成温度１，２７５℃：１９．３〜４５．６％、焼成温度１，３００℃：２４．８〜７６．１％）は、比較例１の、焼成物の吸水率と該焼成物を粉砕してなる細骨材の吸水率の上昇の程度（焼成温度１，２５０℃：９．８％、焼成温度１，２７５℃：９．２％、焼成温度１，３００℃：７．４％）よりも、極めて大きいことがわかる。
なお、比較例１の細骨材の吸水率と焼成物の吸水率の比は、焼成温度が１，２２５℃から１，３００℃へと上昇するに従って、小さくなることがわかる。
これに対して、実施例１〜３の細骨材の吸水率と焼成物の吸水率の比は、焼成温度が１，２２５℃から１，３００℃へと上昇するに従って、大きくなることがわかる。
このことから、実施例１〜３では、焼成物を粉砕することにより吸水率がより大きくなるが、その効果は、焼成温度が大きくなる程、より大きくなることがわかる。

Claims (3)

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と、
   上記焼成物を破砕して、細骨材を得る破砕工程、
   を含む細骨材の製造方法。
2. 上記破砕工程において、上記細骨材として、粒度が０．１５〜１．２ｍｍの範囲内である粒体の割合が、２０質量％以上であるものが得られるように、破砕を行う請求項１に記載の細骨材の製造方法。
3. 上記組成物が、融点降下剤を含まず、かつ、上記細骨材の絶乾密度が、１．５ｇ／ｃｍ^３以下である請求項１又は２に記載の細骨材の製造方法。