JP6882171B2 - コンクリート用の押出プラスチック骨材 - Google Patents

Description

本発明は、押出による廃プラスチック材料からのプラスチック骨材の生産に関し、より具体的には、コンクリートの生産における骨材の少なくとも部分的代替物としてのその使用に関する。

コンクリートにおいてプラスチックを使用することが知られているが、圧縮強度／引張強度が低いコンクリートにつながり、また、糖残留物を含有する廃プラスチックの使用（すなわち、甘い飲み物）に起因する、アルカリシリカ反応（ＡＳＲ）による劣化を被ることがあり得る。

軽量骨材コンクリートは、基礎及び鉄筋における経費を節減し、熱的特性を改善し、剥離を低減させ、また、型枠及び支持に対する必要性を低減させる。しかしながら、上で述べたように、しばしば、軽量コンクリートは、従来の材料で作製されたコンクリートと比較して、比較的低い強度を有する場合がある。

本発明は、少なくとも有用な選択肢を公共に提供するプラスチック骨材を提供することを目的とする。

第１の態様において、本発明は、プラスチック骨材を作製する方法に関し、該方法は、
粒状廃プラスチック材料を提供することと、
粒状廃プラスチック材料を、ダイを有する押出機の中へ導入することであって、該ダイが、約１：１０〜約１：４０のダイのノズル開口面積とダイのランド面積との比率を有する、導入することと、
押出機を通して粒状廃プラスチック材料を押し出して、押出プラスチック骨材を生成することと、を含む。

更なる態様において、本発明は、使用に際して、所望の圧縮強度を有するコンクリート製品の生産を可能にする、コンクリート製品で使用するための押出プラスチック骨材を製造する方法に関し、該方法は、
●粒状廃プラスチック材料を提供することと、
●粒状廃プラスチックを、ダイを有する押出機の中へ導入することであって、ダイが、約１：１０〜約１：４０のダイのノズル開口面積とダイのランド面積との比率を有する、導入することと、
●押出機を通して粒状廃プラスチック材料を押し出して、押出プラスチック骨材を生成することと、
●押出プラスチック骨材を、
ｉ）押出プラスチック骨材を冷却することによって、または
ｉｉ）プラスチック骨材をコーティングすることによって、または
ｉｉｉ）（ｉ）及び（ｉｉ）の両方によって処理して、
コンクリート製品で使用するための押出プラスチック骨材を提供することと、を含む。

更なる態様において、本発明は、使用に際して所望の圧縮強度を有するコンクリート製品の生産を可能にする、コンクリート製品で使用するための押出プラスチック骨材を製造する方法に関し、該方法は、
●粒状廃プラスチック材料を提供することと、
●粒状廃プラスチックを、ダイを有する押出機の中へ導入することであって、ダイが、約１：１０〜約１：４０のダイのノズル開口面積とダイのランド面積との比率を有する、導入することと、
●押出機を通して粒状廃プラスチック材料を押し出して、押出プラスチック骨材を生成することと、
●押出プラスチック骨材を、
ｉ）押出プラスチック骨材の冷却速度を制御することによって、または、
ｉｉ）プラスチック骨材をコーティングすることによって、または
ｉｉｉ）（ｉ）及び（ｉｉ）の両方によって処理して、
コンクリート製品で使用するための押出プラスチック骨材を提供することと、を含む。

更なる態様において、本発明は、コンクリートを作製する方法に関し、該方法は、
粒状廃プラスチック材料から押出プラスチック骨材を提供することであって、押出プラスチック骨材が、約１：１０〜約１：４０のダイのノズル開口面積とダイのランド面積との比率を有する押出機において生成される、提供することと、
骨材コンクリート混合物を形成するために、約１８〜約６０重量％のセメント、約５〜約５０重量％の水、及び約５〜約４０重量％の押出プラスチック骨材を組み合わせることと、を含む。

更なる態様において、本発明は、コンクリートを作製する方法に関し、該方法は、
粒状廃プラスチック材料から押出プラスチック骨材を提供することであって、押出プラスチック骨材が、約１：１０〜約１：４０のダイのノズル開口面積とダイのランド面積との比率を有する押出機において生成される、提供することと、
骨材コンクリート混合物を形成するために、約１８〜約６０重量％のセメント、約５〜約５０重量％の水、及び約５〜約４０重量％の押出プラスチック骨材を組み合わせることであって、
骨材コンクリート混合物が、少なくとも約１０〜約５０ＭＰａの圧縮強度を有するコンクリートを提供する、組み合わせることと、を含む。

更なる態様において、本発明は、コンクリートの中の金属骨材の少なくとも部分的な代替物としての押出プラスチック骨材に関し、該プラスチック骨材は、機械的及び／または分子的結合の双方を促進するために、
約１〜約３０ｍｍのサイズ、及び
約０．９０〜約１．１５の比重、及び
粗化され、高表面積を有する表面テクスチャ、から選択される特徴のうちの１つ以上を有し、
コンクリート組成物で使用するときに、プラスチック骨材は、コンクリート混合物内で高結合強度を有し、該コンクリート混合物は、約１０〜約５０ＭＰａの圧縮強度を有する。

以下の実施形態のいずれかは、任意の組み合わせで上記の態様のいずれかに関連し得る。

１つの実施形態において、コンクリートは、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、または４０重量％の押出プラスチック骨材を備え、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

様々な実施形態において、ダイのランド長は、約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、及び７０ｍｍとすることができ、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

様々な実施形態において、ダイのランド長は、約１０〜約４０ｍｍとすることができ、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、ダイのランド長は、約２０ｍｍである。

１つの実施形態において、ダイのランド長は、高度にテクスチャ化または粗化された面を有する押出プラスチック骨材を作り出す。

１つの実施形態において、粒状廃プラスチック材料は、約１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、１７０、１８０、１９０、２００、２１０、または２２０℃の押出機内の温度で加熱される。

１つの実施形態において、押出過程中に、粒状廃プラスチック材料の少なくとも６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または９５％が溶融する。

１つの実施形態において、粒状廃プラスチック材料は、約１〜約３０ｍｍの粒径を有する。

１つの実施形態において、粒状廃プラスチック材料は、３ｍｍ未満の粒径を有する。

１つの実施形態において、本方法は、ダイを出た直後に、または該ダイを出ている間に、押出プラスチック骨材を冷却する工程を更に含む。

１つの実施形態において、冷却は、骨材と液体高熱容量液体とを接触させることによって行われる。１つの実施形態において、この液体は、水である。

１つの実施形態において、所望の特性を有するコンクリートを作製する方法は、圧縮強度、密度、及び重量の内の任意の１つ以上の所望の特性を含む。

１つの実施形態において、コンクリート製品の所望の特性は、圧縮強度である。

１つの実施形態において、コンクリート製品の所望の特性は、密度である。

１つの実施形態において、コンクリート製品の所望の特性は、重量である。

１つの実施形態において、冷却は、押出プラスチック骨材の上へ液体高熱容量を噴霧することによって行われる。１つの実施形態において、この液体は、水である。

１つの実施形態において、冷却は、骨材と空気とを接触させることによって行われる。１つの実施形態において、空気は、周囲温度である。

１つの実施形態において、骨材と水との接触は、制御急冷を提供する。

１つの実施形態において、骨材と空気との接触は、制御徐冷を提供する。

１つの実施形態において、冷却速度は、骨材の中の空隙の存在を明確にする。

１つの実施形態において、骨材の急速冷却は、骨材の中の空隙の存在に至る。

１つの実施形態において、骨材の徐冷は、骨材の中の空隙の欠如または実質的な欠如に至る。

１つの実施形態において、本方法は、押出プラスチック骨材がコンクリート混合物に加えられるときに、押出プラスチック骨材とコンクリート混合物との間の界面を改善するために、押出プラスチック骨材の表面に極性物質を提供する工程を更に含む。

代替の一実施形態において、押出プラスチック骨材は、骨材の表面エネルギーを増加させるように処理される。好ましい形態において、押出プラスチック骨材は、プラズマ処理される。例えば、火炎処理の使用による。

１つの実施形態において、本方法は、押出物の均一なガスセル構造を促進して、約０．８０、０．９０、０．９１、０．９２、０．９４、０．９６、０．９８、１．００、１．０２、１．０４、１．０６、１．０８、及び１．１０、１．１１、１．１２、１．１３、１．１４、１．１５の比重を達成するために、空気及び制御冷却支援の両方を使用して、押出プラスチック骨材を更に冷却する工程を更に含み、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、制御冷却支援は、ポゾラン材料である。好ましくは、ポゾラン材料は、フライアッシュである。

１つの実施形態において、本方法は、冷却後に、押出プラスチック骨材の表面に融合させたポゾラン材料の薄い層を残す工程を更に含む。

１つの実施形態において、押出機は、単一回転軸の押出機である。

１つの実施形態において、押出機は、食品押出機である。

１つの実施形態において、押出機は、毎分約３００〜約４００回転で動作する。

１つの実施形態において、ダイの押出表面は、少なくとも３つの表面を備える。いくつかの実施形態において、ダイは、実質的に星形である。

１つの実施形態において、押出機の容量は、少なくとも毎時６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５メートルトンを超える。

１つの実施形態において、本方法は、押出混合物に１つ以上の添加物を提供する工程を更に含む。適切な添加物の例としては、砂、フライアッシュ、炭酸カルシウム、挽いたポゾラン材料、及び／またはガラス微粉、ガラス粉、若しくはガラス粒状体が挙げられるが、これらに限定されない。他の適切な添加物の例としては、微粉、粉末、または粒体の形態の、鉱物粉、金属粉、木粉、及び食品穀物が挙げられるが、これらに限定されない。

１つの実施形態において、添加物は、少なくとも約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、または４０重量％の押出プラスチック骨材の量で押出混合物に加えられ、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、本方法は、押出混合物に砂を提供する工程を含む。１つの実施形態において、この砂は、押出機の低圧区間において押出機の中へ加えられる。

１つの実施形態において、本方法は、ガラス粒子を押出機の中へ加える工程を更に含む。１つの実施形態において、ガラス粒子は、押出過程の開始時に加えられる。

１つの実施形態において、本方法は、上で説明したようにプラスチック骨材を提供する工程を更に含む。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、高い表面積対容積比を備える。

一実施例において、約２０ｍｍの骨材の場合、押出プラスチック骨材は、約１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、または１．９の表面積対容積比を備え、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

本明細書において、特許明細書及び他の文書を含む外部の情報源に対する参照を行った場合、これは、一般に、本発明の特徴を論じるための状況を提供することを目的とする。別途提示されない限り、そのような情報源に対する参照は、任意の管轄権において、そのような情報源が、従来技術である、または当技術分野における共通の一般的知識の一部を形成することを認めるものとして解釈されるべきではない。

「〜を備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、本明細書及び特許請求の範囲において使用されるときに、「少なくとも部分的に〜からなる」ことを意味する。その用語を含む本明細書及び特許請求の範囲の記述を解釈するときには、各記述におけるその用語の前に置かれる特徴は、全てが存在する必要があるが、他の特徴もまた存在することができる。「〜を備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び「〜を備えた、含んだ（ｃｏｍｐｒｉｓｅｄ）」などの関連する用語は、同様に解釈されるべきである。

本発明はまた、本出願の明細書において、個別にまたは集合的に言及または指示される部品、要素、及び特徴、並びに該部品、要素、または特徴の任意の２つ以上の任意のまたは全ての組み合わせにあると広く言うこともでき、本明細書において、本発明が関係する技術分野において既知の同等物を有する具体的な完全体が言及される場合、そのような既知の同等物は、個別に記載されるかのように本明細書に組み込まれるものとみなされる。

以下、本発明を、単なる一例として、図面を参照しながら説明する。

コンクリートで使用する押出プラスチック骨材を生成するための本発明の過程の工程の概略図である。 本発明の押出プラスチック骨材の断面を示す図である。急速冷却によって生成された低密度骨材が左側に示され、制御徐冷によって生成された高密度骨材が右側に示される。 ノズル開口面積（Ａ）及びランド長（Ｂ）を示す、ダイの図である。ランド面積は、ノズルの外周とランド長とを乗算することによって決定される。 本発明の押出プラスチック骨材を生成するために、押出機で使用するためのダイ設計の一実施例を示す図である。 本発明のプラスチック骨材を含むコンクリートの、最大応力を達成した後に荷重を担持する能力を示す図である。 本発明のプラスチック骨材を含むコンクリートの、最大応力を達成した後に荷重を担持する能力を示す図である。 本発明のプラスチック骨材を含まないコンクリートが、最大応力を達成した後に荷重を担持できないことを示す図である。 本発明のプラスチック骨材の押出に使用することができる例示的なダイ形状を示す図である。 １０／５の星形ダイ（２ｍｍのスケール）による、完成した骨材製品を示す図である。 水中での可変的な表面のテクスチャ化を伴う、直径８ｍｍの押出物を示す。 押出物を受容するために受け貯蔵箱を適所に伴う押出機の設定を示す図である。 本発明のプラスチック骨材を含むコンクリートの断面を示す図である。

本発明は、コンクリートの製造で使用するためのプラスチック骨材の生産に関する。本方法は、全般的に、粒状廃プラスチック材料を提供する工程と、約１：１０〜約１：４０のダイの開口面積とダイのランド面積との比率を有する押出機の中へ粒状廃プラスチックを導入する工程と、次いで、押出機を通して粒状プラスチック材料を押し出して、押出プラスチック骨材を生成する工程と、を含む。

典型的には、プラスチック業界において、プラスチックの押出は、滑らかな及び／または均一な表面テクスチャまたは被覆を有する製品に重点が置かれる。

本発明は、不規則な表面を有する押出骨材を対象とする。

１．原材料
本発明で使用するための原材料は、廃プラスチック材料である。そのような材料は、典型的には、共混合したプラスチックの不均一混合物である。例えば、材料は、典型的にはリサイクルのために居住施設及び商業施設から廃棄されるプラスチック廃棄材料の混合物とすることができる。例えば、牛乳瓶、プラスチック製飲料瓶（多くは、糖を含むる飲料）、プラスチック容器、プラスチック包装材、その他である。

廃プラスチック材料は、ポリオレフィン、例えば高密度、中密度、及び／または低密度ポリエチレン、ポリプロピレン、またはポリエチレンテレフタレートを含むことができ、並びに／または他のプラスチック、例えば無可塑ポリ塩化ビニル、可塑ポリ塩化ビニル、ポリスチレン、アセトニトリルブタジエンスチレン、及びポリウレタンを含むことができる。

押出プラスチック骨材のための原材料としての廃プラスチックの使用は、別の場合であれば埋立地に送られるプラスチックのための別の使用を提供する。典型的に、廃プラスチックは、押出機に通すこと、またはコンクリートで使用することができるようになる前に、一連の洗浄過程を受けさせなければならない。これは、廃プラスチックの以前の使用による不純物及び残留物に起因する。しかしながら、本発明において、廃プラスチックは、大規模な洗浄を必要としない。例えば、より大きい有機粒子を除去することが所望されるが、プラスチックを洗浄して、糖を含む飲料の容器から、例えば残留する糖を除去するためのいかなる要件もない。

廃プラスチックは、最初に、約１０〜約２００ｍｍ、及び好ましくは約５０ｍｍの粒径に破砕される。この破砕されたプラスチック材料は、次いで、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５ｍｍの粒径に粒状化され、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、約１〜約１５、約１〜約１３、約１〜約１２、約１〜約１０、約１〜約９、約１〜約８、約１〜約７、約１〜約５、約１〜約４、約２〜約１５、約２〜約１４、約２〜約１０、約２〜約８、約２〜約７、約２〜約５、約３〜約１６、約３〜約１３、約３〜約１１、約３〜約９、約３〜約７、約３〜約５、約４〜約１５、約４〜約１２、約４〜約１０、約４〜約８、約４〜約６、約５〜約１５、約５〜約１３、約５〜約１１、約５〜約９、約５〜約７、約６〜約１５、約６〜約１２、約６〜約１０、約６〜約９、約８〜約１５、約８〜約１４、約８〜約１２、約８〜約１０、約９〜約１５、約９〜約１４、約９〜約１２、約９〜約１１、約１０〜約１５、約１０〜約１４、約１０〜約１２、約１１〜約１５、約１１〜約１３、約１２〜約１５、約１２〜約１４、または約１３〜約１５ｍｍ）。

２．押出過程
本発明は、押出過程を使用して、押出プラスチック骨材を生成する。全般的な方法は、図１に示される。

本押出方法は、粒状廃プラスチック材料を提供する工程と、約１：１０〜約１：４０のダイの開口面積とダイのランド面積との比率を有する押出機の中へ粒状廃プラスチック材料を導入する工程と、押出機を通して粒状廃プラスチック材料を押し出して、押出プラスチック骨材を生成する工程と、を含む。

押出中に、少なくとも粒状廃プラスチック材料の一部分は、押出中に溶融する。１つの実施形態において、押出過程中に、粒状廃プラスチック材料の少なくとも６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、または９５％が溶融する。

２．１ 押出機の設定
押出プラスチック骨材は、押出機によって形成される。適切な押出機としては、プラスチック押出機及び料理用押出機を挙げることができる。

１つの実施形態において、押出機は、料理用押出機型である。そのような食品押出機は、典型的には、バレル内のオーガ型スクリューであり、これは、原材料、この事例では廃プラスチックに絞りダイプレートを通過させて、１つまたは複数のプラスチック骨材を作製する。

典型的なプラスチック押出機の利点と比較した食品押出機の利点は、プラスチック押出機よりも高いスループット及び低いコストで動作し、また、より大きい拡張性を提供することである。いくつかの実施形態において、ダイを出る押出プラスチック骨材の速度は、約０．０２〜約０．０４ｍ／ｓである。

１つの実施形態において、押出機は、毎分約３００〜４００回転で動作する。

押し出しは、材料に絞り点を通過させる、ある範囲の過程を説明するために使用することができるが、全般的に言えば、押出過程は、殆どの場合、バレル内のオーガ型スクリュースクリューを説明するものであり、これは、原材料に絞りダイプレートを通過させる。この過程は、いくつかの例を挙げれば、食品／飼料加工、ポリマー、及びアルミニウムを含む、多種多様な用途で使用される。

食品及び飼料押出機は、大まかに、料理用押出機と称される。これらの押出機は、スクリューに対する製品の滑り／原材料の流れ抵抗を通して生成される剪断（摩擦）を発達させることによって、必要な場合にジャケット付きバレルからの熱入力（過熱及び冷却の両方）の使用がより少ない程度まで、理想的な過程条件に到達させることが必要とされる。スクリュープロファイルは、しばしば複雑であり、また、任意の所与の製品に対してより高いまたはより低い量の剪断が必要とされるバレル内の異なる地点をもたらす。

一方で、従来の鉱物ポリマーの押し出しは、熱入力（熱）により大きく依存し、スクリューの長さに沿って最小のスクリュープロファイルの変動を有する。剪断の発達は、溶融過程の一部を形成するが、食品／飼料の押し出しよりも程度は小さく、その流動学は、幾らか単純である。

本発明の１つの実施形態において、廃プラスチックまたは再利用プラスチックは、高密度の動物飼料を作製するために一般的に使用されるスクリュープロファイルを使用して、単軸スクリューの料理用押出機を通して加工される。

廃プラスチックの完全溶融は、高い剪断条件を利用することを通して、また、ダイの絞りを操作することによって達成される。外部熱入力の有無にかかわらず溶融を達成するために、比機械的エネルギーを最適化することができる。

この押出機は、スクリューに対する製品の滑り／原材料の流れ抵抗を通して生成される剪断（摩擦）を発達させ、並びに押出機のバレルも加熱することによって熱を発達させる。スクリュープロファイルは、複雑であり、また、バレル内に異なる地点をもたらし、任意の所与の製品に対してより高いまたはより低い量の剪断が必要とされる。

本発明を作製する際に使用される料理用押出機のタイプは、大幅に変動し得る。

こうした押出機のいくつかの変動要素としては、
●単軸または多軸スクリュー、
●長または短バレル、
●ジャケット付きまたはジャケットなし、
●連続フライトスクリューまたはセグメント化されたスクリュー要素、または、
●固定速度または可変速度、が挙げられる。

１つの実施形態において、押出機システムは、長バレル（８ヘッド）、蒸気ジャケット付き、可変ピッチ要素、可変速度、単軸スクリューの押出機を備える。

１つの実施形態において、押出機は、単軸スクリュー押出機である。

好ましい実施形態において、押出機は、食品押出機である。

１つの実施形態において、原材料は、ホッパーを介して押出機の中へ送給される。

２．２ 押出機のダイ
発明者らは、許容可能な押出プラスチック骨材を生成するためには、特定の押出ダイの設定が重要であると判断した。ダイの断面及びランド長は、有効な製品を作り出すための押出プロセスの変動要素である。

図３は、ダイ１の図を示す。ダイ１は、ノズルＡを含み、また、長さは、ランド長Ｂとして知られている。ノズルの断面は、開口した壁領域である。ランド長とは、スクリューと平行な方向に延びるダイの長さである。

１つの実施形態において、ダイのノズル面積とランド面積（ノズルＡの外周にランド長Ｂを乗じたもの）との比率は、１対約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、または７０であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、約１：１０〜７０、約１：１０〜６０、約１：１０〜５０、約１：１０〜４０、約１：１０〜３０、約１：１０〜２０、約１：１５〜７０、約１：１５〜６０、約１：１５〜５０、約１：１５〜４０、約１：１５〜３５、約１：１５〜３０、約１：１５−２５、約１：２０−７０、約１：２０−６５、約１：２０−６０、約１：２０〜４５、約１：２０〜４０、約１：２０〜３５、約１：２０〜３０、約１：２０〜２５、約１：２５〜７０、約１：２５〜６０、約１：２５〜４０、約１：２５〜３５、約１：２５〜３０、約１：３０〜７０、約１：３０〜６０、または約１：３０〜４０）。

約１：１０〜約１：４０の開口ノズル面積Ａとランド面積（ノズルＡの外周にランド長Ｂを乗じたもの）との比率が、高度にテクスチャ化された表面を作り出すことが分かっている。このテクスチャ化された表面は、コンクリート混合物との良好な化学的結合及び／または機械的結合の両方を形成するために、プラスチック骨材に必要とされる表面粗さ及び／または表面積を有する。

１つの実施形態において、ダイのランド長は、約１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、及び７０ｍｍであり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、１０〜約７０、約１０〜約６５、約１０〜約６０、約１０〜約５０、約１０〜約４０、約１０〜約３０、約１５〜約７０、約１５〜約６５、約１５〜約５５、約１５〜約４０、約１５〜約３０、約２０〜約７０、約２０〜約６５、約２０〜約５５、約２０〜約４５、約２５〜約７０、約２５〜約６０、約２５〜約５０、約２５〜約４０、約３０〜約７０、約３０〜約６５、約３０〜約５０、約３０〜約４５、約４０〜約７０、約４０〜約６５、約４０〜約５５、または約５５〜約７０ｍｍ）。

１つの実施形態において、ダイのランド長は、約２０ｍｍである。

ある範囲のダイ形状が、上で説明したようなダイのランド長と効果的に協働することを理解されたい。例えば、小さい「エンドウ豆」形状のプラスチック骨材は、２０ｍｍのランド長で効果的に生成することができる。エンドウ豆形状のプラスチック骨材ダイは、５ｍｍ以下の直径を有することができる。

理論によって制限されることを望むものではないが、非常に長いランド長のダイの使用は、典型的な食品押出と比較して、長期間にわたるダイ内の抗力を引き起こし、縁部と比較したときに、ダイの中央からの流れ速度の明確な変化に至り、ダイ出口での表面の不規則さに至る。

２．３ スクリューの形状
使用するスクリューのプロファイルは、ロングピッチのシングルフライトスクリューを有する初期送給区間を含めた。

初期送給区間に続いて、中央区間があり、ここでは、ツインフライト圧縮スクリュー及びローブスクリュー、その後に続く高絞りチョークプレートによって剪断が最大化される。

この高い剪断点は、最大の混合及び熱の発達を引き起こし、大部分の原材料を、スクリューの最終区間に進入する前に溶融段階に到達させる。

最終区間は、ロングピッチのシングルフライトであり、より長い剪断滞留段階を提供し、この段階中に、温度が最高に到達し続け、完全な溶融が起こる。

最終の円錐トリプルフライト圧縮スクリューは、完全なスクリュー充填及びダイでの均一な高い圧力の維持を可能にする。

圧縮機の中には、ガスが漏れることができない高い圧力絞りを引き起こすために、剪断ロックが必要とされる。ガスは、別の場合であれば最も抵抗の少ない経路をとり、押出機ののど部（入口）に遡って材料の流れを中断させるか、更には、（特に、単軸スクリュー機械において）前方への流れを完全に阻止する。

２．４ ダイの形状
本発明と共に使用するダイの形状は、テクスチャ化された表面を有する押出プラスチック骨材の生産に向けて寄与する。

論じられるように、平面領域の存在が、押出プラスチック骨材が組み込まれた製品内の応力平面を促進することができるので、実質的な平面領域がない押出プラスチック骨材の生産という利点がある。

テクスチャ化された表面を有する押出プラスチック骨材に至る、本発明で使用するダイの形状は、一般に、不規則な形状に基づく。例えば、円形または楕円形などの規則的な形状は、低テクスチャ化表面を有する押出プラスチック骨材に至る。そのような押出プラスチック骨材から作製される製品は、増加した数の応力平面及び結果として生じるより低い引張強度を有することができる。

ダイの形状は、いくつかの頂点を含む不規則な形状を有することができる。図４には、４つの頂点を有するダイの形状が示される。図８は、「星」形状を有する２つのダイを示す。

１つの実施形態において、ダイ形状は、少なくとも２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２個以上の頂点を有する。例えば、三角形のダイの形状が３つの頂点を有する、正方形が４つの頂点を有する、その他である。

１つの実施形態において、ダイの形状は、概念的な主形状に基づく。例えば、図４に示されるダイの形態の概念的な形状は、星の頂点が正方形形状を形成するので、正方形である。頂点間のダイの壁は、テクスチャ化された表面（図９を参照されたい）を促進するように、非直線状になる。図４のダイの事例では、三角形に基づく副形状が主形状に適用される。このダイは、４つの頂点、及び各頂点の間に円弧を生成するように各頂点間の三角形形状の切り欠きを有する、星形状のダイを生成する。

いくつかの実施形態において、主形状は、正方形、円形、または楕円形である。

いくつかの実施形態において、主形状に適用される副形状は、頂点を主形状に加えるように、及び／または主形状の頂点間に非直線状の外周を作り出すように、任意の形状である。

上で説明したような適切なランド長と共に使用されるこのようなダイ形状は、テクスチャ化された／不規則な表面を有する押出プラスチック骨材を提供する。

１つの実施形態では、ダイ形状として、複雑な形が好ましい。例えば、図４に示されるような星形状などの形状は、特にその地点での抗力を最大にし、また、実質的な平坦面のない押出プラスチック骨材の生産により、コンクリートにおけるクラックの伝搬を最小にするように作用することができる。

押出過程によって形成されるプラスチック骨材は、一般に、ダイ形状に類似する形状を有する。例えば、３つの側部及び３つの隅部を有する三角形のダイは、一般に、３つの側部及び３つの隅部を有するプラスチック骨材を生成する。しかしながら、この３つの側部は、高度にテクスチャ化または粗化され、この３つの隅部は、正確でなく、不明確になることに留意されたい。これは、本発明の利点である。これは、正方形、不規則な形状、その他などの類似する形状にも当てはまる。

２．５ 切断
１つの実施形態において、ダイを出る押出物は、適当な長さに分割されて、押出プラスチック骨材を形成する。

１つの実施形態において、押出物は、押出物を切断することによって適当な長さに分割される。

例えば、押出物は、押出機の出口において、ダイ開口部を中心に特定の速度で回転するブレードによって所望の長さに切断される。製品は、次いで、冷却され、乾燥されて、多孔性を維持しながら硬化する。

１つの実施形態において、ブレードは、鋸歯状のブレードである。

１つの実施形態において、ブレードは、約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、１．０、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、または２ｍｍだけ、ダイの表面から離間配置され、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、ブレードは、その前縁部がナイフの後縁部よりもダイ面に近くなるように、前縁部及び後縁部を有するように位置付けられる。

１つの実施形態において、ブレードは、コルゲーションを含む。

２．６ 冷却
１つの実施形態において、本方法は、ダイを出た直後に、または該ダイを出ている間に、押出物を冷却する工程を更に備える。

冷却は、骨材と、水などの高熱容量液体とを接触させることによって行うことができる。水を骨材の上へ噴霧することができ、または水を含む浴槽の中へ骨材を浸漬することができる。

冷却速度を制御するために、水の温度を調節することができる。例えば、高い冷却速度の場合は、冷水の使用を通して行う。骨材の冷却速度は、水の温度を上昇させることによって遅くすることができる。

骨材の冷却は、空気中で行うことができる。ここでも、冷却速度は、骨材を冷却するための空気の温度を制御することによって変更することができる。

水中での冷却は、水の高い熱伝熱のため、骨材の急速な冷却に至る傾向がある。空気中での冷却は、水と比較して、より低い空気の伝熱能力のため、より遅い冷却速度に至る傾向がある。

骨材の徐冷は、いかなる空隙も有しない、または少なくとも実質的にいかなる空隙も有しない骨材に至る。

骨材の高速または急速な冷却は、空隙を有する骨材に至る。冷却速度は、骨材の中の空隙のサイズ及び範囲の広さを制御するために使用することができる。

これは、生成が所望されるコンクリートの性質に応じて重要になり得る。例えば、低い重量で高い耐熱性のコンクリートが所望される場合は、骨材が空隙を含み、したがって、この空隙がその重量を低減させて、かつその耐熱性を増加させるように、急冷が行われる。

代替的に、高強度コンクリートが所望される場合、骨材は、徐冷される。これは、空隙を殆どまたは全く有しない骨材に至り、その密度が増加し、高強度コンクリートの生産に至るという効果を有する。

高強度コンクリートは、典型的には、少なくとも２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、または３０ＭＰａの圧縮強度を有し、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、約２０〜約３０、約２０〜約２８、約２０〜約２６、約２０〜約２７、約２０〜約２５、約２０〜約２３、約２１〜約３０、約２１〜約２８、約２１〜約２６、約２１〜約２５、約２２〜約３０、約２２〜約２７、約２２〜約２５、約２３〜約３０、約２３〜約２９、約２３〜約２５、約２４〜約３０、約２４〜約２８、約２４〜約２７、約２５〜約３０、約２５〜約２８、約２５〜約２６、約２６〜約３０、約３６〜約２９、約２６〜約２７、約２７〜約３０、約２７〜約２９、約２８〜約３０ＭＰａ）。

代替の実施形態において、冷却は、フライアッシュ若しくは他のポゾラン材料などの粉末、粉末ガラス、炭酸カルシウム、マイクロシリカ、砂、及びこれらの組み合わせから選択される粉末の追加によって行われる。

発明者らは、制御速度の水（例えば、水ミスト）の適用が、押出物が押出機を出た直後の材料分離の維持を補助すると判断した。この冷却水（例えば、水ミスト）は、ほぼ直ちに蒸発するが、熱い骨材が凝集して、高湿の空気コンベア環境内で薄い皮膜を発達させる機会を提供する。第２に、水（例えば、水ミスト）の適用は、内部ガスが均一な速度で縮小することを可能にする初期の制御冷却のための機構を提供し、大きい空隙の発達を回避する。

水ミストの使用は、低速での冷却過程を開始し、一方で、内部ガスが均一な速度で縮小することを可能にし、大きい空隙の発達を回避する。

ガスは、元々の容器の注入物として使用される残留汚染物質、水、空気、化学物質に起因する。

１つの実施形態では、１．０ｋｇのプラスチック押出物あたり、少なくとも約０．１、０．２、０．３、０．４、０．５、０．６、０．７、０．８、０．９、または１Ｌの液体が使用され、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、１．０ｋｇのプラスチック押出物あたり、約０．１〜約１．０、約０．１〜約０．９、約０．１〜約０．８、約０．１〜約０．６、約０．１〜約０．５、約０．２〜約１．０、約０．２〜約０．９、約０．２〜約０．７、約０．２〜約０．６、約０．２〜約０．５、約０．３〜約１．０、約０．３〜約０．９、約０．３〜約０．８、約０．３〜約０．７、約０．３〜約０．６、約０．３〜約０．５、約０．４〜約１．０、約０．４〜約０．８、約０．４〜約０．６、約０．４〜約０．５、約０．５〜約１．０、約０．５〜約０．８、約０．５〜約０．７、約０．７〜約１．０、約０．７〜約０．８、約０．８〜約１．０、約０．９〜約１．０Ｌ）。

１つの実施形態において、ミスト化蒸気中の押出プラスチック骨材の滞留時間は、約０．５、１．０、１．５、２．０、２．５、３．０、３．５、または４秒であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、サイクロンエアリングを受ける。

１つの実施形態において、本方法は、押出物の均一なガスセル構造を促進して、約０．８０、０．８１、０．８２、０．８５、０．８７、０．８８、０．８９、０．９０、０．９１、０．９２、０．９３、０．９４、０．９５、０．９６、０．９７、０．９８、０．９９、１．００、１．０１、１．０２、１．０３、１．０４、１．０５、１．０６、１．０７、１．０８、１．０９、１．１０、１．１１、１．１２、１．１３、１．１４、１．１５、１．１６、１．１７、１．１８、１．１９、または１．２０の比重を達成するために、空気及び制御冷却支援の両方を使用して、押出物を更に冷却する工程を更に含み、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、本方法は、冷却後に、押出物表面に融合させたポゾラン材料の薄層を残す工程を更に備える。

いくつかの実施形態において、本過程は、高温だが分離された押出プラスチック骨材に対する、更に冷却するための空気及び／または制御冷却支援の追加を含む。適切な制御冷却の一例は、フライアッシュなどのポゾラン材料、粉末ガラス、炭酸カルシウム、及びマイクロシリカである。

１つの実施形態では、フライアッシュが制御冷却支援として使用される。フライアッシュは、直径約１０〜２００μｍの分子を有し、良好な熱伝熱を可能にし、一方で、骨材から十分に脱ガスすることを可能にする。

１つの実施形態において、残留するフライアッシュは、空気システムを介して除去され、再利用される。

１つの実施形態において、新たに押し出されたプラスチック骨材は、下の表１に示されるような冷却速度で冷却する。

発明者らは、制御冷却ためのポゾラン材料（例えば、フライアッシュ）などの制御冷却支援の使用が、骨材の表面に融合したポゾラン材料の薄層を残すと判断した。これは、表面積を増加させて、セメントペーストが結合するためのかなり大きい表面を残す。

１つの実施形態において、露出表面の増加は、１００、２００、３００、４００、５００、６００、７００、８００、９００、１，０００、２，０００、３，０００、４，０００、５，０００、６，０００、７，０００、８，０００、９，０００、１０，０００、または１１，０００倍であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

加えて、ポゾランコーティングの追加は、親水特性をプラスチック骨材に加える。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材の冷却速度を制御することは、骨材内の空隙のサイズを制御し、したがって、結果として生じる押出プラスチック骨材の密度を制御するために使用することができる。

理論に拘束されることを望むものではないが、発明者らは、押出プラスチック骨材を低速で冷却することが、骨材内のガスが逃げることを可能にし、骨材内の空隙の圧壊及び高密度な押出プラスチック骨材の形成に至ると判断した。１つの実施形態において、制御冷却は、混入したガスが均一な速度で連続的に縮小することを可能にすることによって、骨材を高密度化することを可能にする。１つの実施形態において、押出プラスチック骨材の密度は、約３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０、３８０、３９０、４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０、４９０、５００、５１０、５２０、５３０、５４０、または５５０ｋｇ／ｍ^３であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、高速冷却された押出プラスチック骨材を生成するために、約２０、１９、１８、１７、１６、１５、１４、１３、１２、１１、１０、９、８、７、６、５、４、３、２、または１分未満の期間にわたって冷却され、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。１つの実施形態において、高速冷却された押出プラスチック骨材の密度は、約２００、３００、３１０、３２０、３３０、３４０、３５０、３６０、３７０、３８０、３９０、または４００ｋｇ／ｍ^３であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。１つの実施形態において、高速冷却された押出プラスチック骨材のショア硬度Ｄは、約２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、または７０であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、低速冷却された押出プラスチック骨材を生成するために、約５、１０、２０、３０、４０、５０、６０、または７０分の期間にわたって冷却され、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。１つの実施形態において、低速冷却された押出プラスチック骨材の密度は、約４００、４１０、４２０、４３０、４４０、４５０、４６０、４７０、４８０、４９０、または５００ｋｇ／ｍ^３であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。１つの実施形態において、高速冷却された押出プラスチック骨材のショア硬度Ｄは、約５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、または９０であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

図２は、高速で冷却された骨材（左側）及び低速で制御冷却された骨材（右側）の構造を示す。低速の制御冷却によって生じる骨材は、より高密度な構造を有する。

２．７ 添加物
１つの実施形態において、本方法は、押出混合物に１つ以上の添加物を加える工程を更に含む。適切な添加物の例としては、砂、ガラス、フライアッシュ、炭酸カルシウム、及び／または１つ以上の粉砕ポゾラン材料が挙げられるが、これらに限定されない。

１つの実施形態において、添加物は、少なくとも約１、５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、または４０重量％の押出プラスチック骨材の量で押出混合物に加えられ、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、添加物は、ガラスである。１つの実施形態において、ガラス粒子は、押出過程の開始時に加えられる。

理論に拘束されることを望むものではないが、発明者らは、フライアッシュ、炭酸カルシウム、及び粉砕ガラスなどのマイクロ粉砕粒子を加えることが乳化効果を提供すると判断した。発明者らは、これが、微細粒子封入を使用しない場合よりも均一で微細なガスセル構造を作り出すと判断した。

１つの実施形態において、本方法は、骨材がコンクリート混合物に加えられるときに、骨材とコンクリート混合物との間の界面を改善するために、プラスチック骨材の表面に極性物質を提供する工程を更に含む。

代替の一実施形態において、押出プラスチック骨材は、骨材の表面エネルギーを増加させるように処理される。好ましい形態において、押出プラスチック骨材は、プラズマ処理される。例えば、火炎処理の使用による。

３．押出プラスチック骨材
本発明は、押出プラスチック骨材を生成する。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、約２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５、２６、２７、２８、２９、または３０ｍｍのサイズを有し、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

骨材の容積は、その面積の数倍である。例えば、２０ｍｍの骨材の場合、表面積対容積比は、約１、１．１、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、または１．９であり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、約０．９０、０．９１、０．９２、０．９３、０．９４、０．９５、０．９６、０．９７、０．９８、０．９９、１．００、１．０１、１．０２、１．０３、１．０４、１．０５、１．０６、１．０７、１．０８、１．０９、１．１０、１．１１、１．１２、１．１３、１．１４、１．１５、１．１６、１．１７、１．１８、１．１９、または１．２０の比重を有し、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、機械的結合及び分子的結合の両方を促進するために、粗化される表面テクスチャを有し、また、高い表面積を有する。

本発明の一態様は、骨材の同じ部分に異なる面積の表面を作り出すことである。この態様は、劈開面がセメント質混合物の中で整列する傾向を低減させることを支援する。劈開面の低減は、該プラスチック骨材と混合するときに、コンクリートの圧縮強度を増加させる。

これは、プラスチック骨材が多数の非対称性で粗い表面積を有するようにプラスチック骨材を押し出すことによって達成される。これは、後で説明される押出過程のパラメータ及び変動要素によって達成される。

プラスチック骨材の好ましい形状は、直方体である。圧縮強度及び曲げ強度はどちらも、直方体の骨材を使用することによって向上させることができ、このことは、加工性を増加させ、ブリーディング及び収縮を低減させることができる。

他の実施形態において、プラスチック骨材は、代替的に成形することができる。そのような形状としては、実質的に球形状、不規則形状、楕円形状、その他が挙げられるが、これらに限定されない。

好ましくは、プラスチック骨材は、高い表面積対容積比を備える。

ダイを出ている間に引き起こされる高度にテクスチャ化された表面は、押出物の流動学及びダイノズルの側壁によって生成される抗力に起因する。誘起された粒子速度減衰は、高度に位置ずれした表面を作り出す。

この高度にテクスチャ化された表面の利益には、２つの要素がある。第１に、表面積が大幅に拡大され、セメントが結合するためのより多くの表面積を提供する。第２に、極度の表面破壊が、セメントが分子結合とは無関係に周囲に取り込み結合を形成するための機械的結合機構を提供する。

好ましく押し出されれば、プラスチック骨材は、テクスチャ化または粗化された面として、少なくとも８０、８５、９０、９５、または９９％の表面積を有し、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、表面積の約８０〜約９９、約８０〜約９５、約８０〜約９０、約８５〜約９９、約８５〜約９０、約９０〜約９９、約９０〜約９５％）。

更なる実施形態では、表面積の３０、２５、２０、１５、１０、５、１％以内が平坦な直線状の表面であることが好ましく、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、表面積の３０〜約１、約３０〜約５、約３０〜約１０、約３０〜約２０、約２５〜約１、約２５〜約１０、約２５〜約１５、約２５〜約２０、約２０〜約１、約２０〜約５、約２０〜約１０、約１５〜約１、約１５〜約１０、約１０〜約１、または約１０〜約５％）。

ダイを出ている間に引き起こされる高度にテクスチャ化された表面は、押出物の流動学及びダイノズルの側壁によって生成される抗力に起因する。誘起された粒子速度減衰は、高度に位置ずれした表面を作り出す。

１つの実施形態において、押出プラスチック骨材は、テクスチャ化された／不規則な表面を有する。押出プラスチック骨材には、テクスチャ化されたまたは不規則な表面が所望される。１つの実施形態において、ダイの形状は、図４に示されるように「星」の形態である。この星形設計は、押出プラスチック骨材の表面にテクスチャ化された表面を作り出す。

星形ダイは、２つの利点を有する。第１に、テクスチャが、同じ計画上に等しく起こらない。テクスチャがプラスチック骨材平面に起こる傾向がより少ないので、これは、より強い骨材を提供する。

第２の利点は、星形のダイが、プラスチック骨材の外周に不規則な小塊を提供することである。この不規則な小塊は、セメントにおける応力クラックの伝搬を低減させるための機械的機構を提供する。

星形ダイ設計の別の態様は、該設計が、非対称的な対称性を可能にすることである。

非対称であることは、多数のプラスチック骨材がコンクリート混合物の中で整列する可能性を低減させ、これは、平面に沿ったクラックの伝搬を防止することができる。

非対称であることはまた、非対称の側壁抗力により、骨材の中へ設計される屈曲を作り出す。プラスチック骨材の中に屈曲を有することによって、骨材がセメント混合物の中の同じ平面に密集する傾向がより少なくなる。

プラスチック骨材が共通平面に密集することの効果は、応力を方向付けるための劈開面を作り出すことができる。この応力の方向は、尚早の負荷障害を引き起こすことがあり得る。これらの劈開面が整列しないことを確実にすることは、コンクリートに印加される力に対する抵抗を増加させること、すなわち、コンクリートを強くすることを支援する。

４．使用
本発明は、より軽量なコンクリートを生成するために、通常の骨材の少なくとも部分的代替物としてその中で使用することができるプラスチック骨材である。プラスチック骨材の使用は、プラスチック骨材が骨材と比較してより低い密度を有するので、典型的なコンクリートの重量を低減させる。

１つの実施形態において、コンクリートは、約５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、または４０重量％の押出プラスチック骨材を備え、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、押出プラスチック骨材の約５〜約４０、約５〜約３，０ ５〜約２０、約５〜約１０、約１０〜約４０、約１０〜約３５、約１０〜約２５、約１５〜約４０、約１５〜約３５、約１５〜約３０、約２０〜約４０、約２０〜約３５、約２０〜約３０、約２５〜約４０、約２５〜約３５、約３０〜約４０、約３５〜約４０重量％）。

典型的に、軽量プラスチックは、重量コンクリートよりも低い圧縮強度を有する。しかしながら、プラスチック骨材の特定の構成が、軽量コンクリートの圧縮強度を重量コンクリートと同程度の値まで増加させることができることが分かっている。

本発明のプラスチック骨材は、コンクリート混合物に対するプラスチック骨材の化学的結合及び機械的結合の双方を増加させるように、非常に高い表面積を有することによってこれを達成する。

加えて、空隙を有する骨材の使用を通して、向上した耐熱性を有し、更にはより軽量であるコンクリート製品を達成することができる。そのようなコンクリートは、例えば空隙を全くまたは殆ど有しない骨材で作製したコンクリートよりも低い圧縮強度を有する。しかしながら、これは、高い圧縮強度のコンクリートを必要とせず、代わりに、軽量及び／または（例えば、断熱特性のための）耐熱性といった価値を必要とする用途に適切であり得る。

１つの実施形態において、本方法は、コンクリート混合物に砂を提供する工程を更に含む。１つの実施形態において、この砂は、押出機の低圧区間において押出機の中へ加えられる。

１つの実施形態において、本方法は、上で説明したようにプラスチック骨材を提供する工程を更に含む。

１つの実施形態において、プラスチック骨材を含むコンクリートは、コンクリート１ｍ^３あたり、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、５５０、または６００ｋｇのセメントを含み、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、プラスチック骨材を含むコンクリートは、コンクリート１ｍ^３あたり、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、または３５０ｋｇの押出プラスチック骨材を含み、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、プラスチック骨材を含むコンクリートは、コンクリート１ｋｇあたり、１０〜５０％の水を含み、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる。

１つの実施形態において、本発明の押出プラスチック骨材と共に形成されるコンクリートの圧縮強度は、少なくとも１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、５０ＭＰａであり、有用な範囲は、これらの値のいずれかの間で選択することができる（例えば、約１０〜約５０、約１０〜約４０、約１０〜約３０、約１０〜約２０、約１５〜約５０、約１５〜約４５、約１５〜約３７、約１５〜約３５、約１５〜約３４、約１５〜約３３、約１５〜約３２、約１５〜約３１、約１５〜約３０、約１５〜約２０、約２０〜約５０、約２０〜約４５、約２０〜約４０、約２０〜約３０、約２５〜約５０、約２５〜約４５、約２５〜約３５、約３０〜約５０、約３０〜約４０、約４０〜約５０ＭＰａ）。

いくつかの実施形態において、押出プラスチック骨材の使用は、最高で約５０、６０、７０、８０、９０、または１００Ｍｐａの圧縮を有するコンクリートを生成することができる。

本発明のプラスチック骨材含有コンクリートは、通路、道路、スラブ、及び舗装材料を形成するためなどの、様々な用途で使用することができる。

１．骨材の特性に対する過程条件の評価
実施例１
この実施例の目的は、
●再生プラスチックを押し出すための料理用押出機器の適合性を評価すること
●プラスチック押出機よりも低コストでより大きい拡張性を有するより高速な過程を開発すること、及び
●本発明に従って製品を達成するために必要とされる周辺温度及び／または蒸気といった加工変動要素を精緻化すること、であった。

本過程は、４００ｋｇベールの混合した使用済の工業用プラスチックを使用した。このプラスチックは、プラスチック再生事業に由来するものであり、プラスチック廃棄物の流れを表現するものとみなされる。

プラスチックは、単軸シュレッダを使用してＴｅ Ｐｕｋｅ（Ｎｅｗ Ｚｅａｌａｎｄ）において破砕し、３ｍｍのスクリーンを有する造粒機に送給した。

実験は、実施例１及び２について２つのバッチで行った。

押出は、ダイ直径１５ｍｍのダイを使用して、Ｗｅｎｇｅｒ Ｘ−２０プラントで実行した。

使用したナイフは、ダイの面から０．０１ｍｍ離間配置した単一のブレードであり、また、できる限りゆっくりと動作させた。

押出物が押出機を出た後に該押出物を冷却するために、水浴を使用した。水浴は、ハンドパドルの撹拌によって通気した。

以下のダイ及び押出機の設定は、以下のように試験した。

本過程が、良好な溶融（約９９％）、均一な圧力、及び均一な押出物を生成することに留意した。

フライアッシュは、押出プラスチック骨材へのコーティングとして調査した。

押出プラスチック骨材の特性を決定するために、以下の解析を行った。

かさ密度（既知の容積及び重量のガラス試験管を使用する）。

断面（押出プラスチック骨材を切開して、空隙を捜すために断裁機を使用する）。これはまた、強度の予備試験も提供した。

発明者らは、空気乾燥またはフライアッシュコーティングが、骨材の冷却を均一な速度に制御することを補助すると判断した。

発明者らはまた、押出プラスチック骨材の水冷が、表面硬化を形成し、内部ガスの更なる縮小を防止し、真空状態のままであるより大きい空隙を作り出すと判断した。結果として生じる製品は、より軽かったが、圧縮強度はより低かった。

その代わりに、発明者らは、空気冷却をより遅くすることが、内部空間及び空気ポケットを大幅に低減させ、より均一にし、改善された圧縮強度を有する押出プラスチック骨材を生成することを見出した。

発明者らは、原材料が、４００ｇ／Ｌのかさ密度を有することを見出した。押出プラスチック骨材は、３７５ｇ／Ｌのかさ密度を有した。

実施例２
この実施例の目的は、
●直径８ｍｍ×７０ｍｍを有する８ｍｍのダイ、
●１０ｍｍ×５ｍｍのダイランド＝約３０ｍｍである星形のダイ、
●制御冷却を評価するためのフライアッシュの追加、
●制御冷却及びコーティングを評価するための砂の追加、
●剪断によって生成される揮発性ガスを排出するための排出バレル区間、及び
●エアガンによるフライアッシュ及び砂の衝突、を評価することとした。

廃プラスチック源は、実施例１に従って、共混合したプラスチック（清掃業務等級）を破砕し、３ｍｍ未満の粒径に粒状化した。このサイズは、実質的に完全な溶融のより高い可能性を確実にする熱伝熱に関して、最も高い表面積対容積比を提供したことから選択した。

粒径は、処理中の閉塞を回避するために、ダイの開口面積の５０％未満とすることが必要であった。

押出は、回転ナイフ及び排出バレル区間を使用して、Ｗｅｎｇｅｒ Ｘ−２０プラントで実行した。製品を捕らえるために、製品を工場の現場で２５００リットルの水槽を使用した。砂及びフライアッシュは、押出機の端部で押出物に適用した。

最終製品は、初期冷却のために水槽の中へ落下させた。前端部において砂を加えるコーティングドラムを送給するために、空気コンベアを送給する受けファンネルを設置した。冷却された製品は、次いで、二次副水槽の中へ落下させた。

可能性がある性能及び出力を評価するために、標準的なランド長（約５ｍｍ）を有する４．５ｍｍ×６ポートのダイを、計画作業の試験終了時に試験した。

以下の押出プラスチック骨材が生成された。
●２×２０リットルのバッグの未切断の押出物、未完全溶融または未形成
●２×２０リットルのバッグの１０／５×１０〜２０ｍｍ（公称）の正方形が形成された押出プラスチック骨材
●２×２０リットルのバッグの直径１２ｍｍ×１０〜１５ｍｍの押出プラスチック骨材
●１×２０リットルのバッグの直径８〜１０ｍｍ×１０〜１５ｍｍの押出プラスチック骨材

ダイの設定は、以下の通りであった。８ｍｍの円形ダイ
●２．５ｍｍの隙間
●１×２０ｍｍのバックアップ
●９ｍｍの隙間
●１×８ｍｍの最終
●８０ｍｍのランド
●２枚の固定ブレード

押出機の設定は、以下の通りであった。

押出ペレットは、切開し、全体を通して均一であることを示したが、これは、押出物が押出機において完全に溶融され、均一な圧力及び均一な押出物を有したことを示す。押出物は、押出機のバレルが冷却されなかった場合に、破裂が起こり易く、不安定であった。発明者らはまた、押出物が高温過ぎたときに押出物のかなりの煙にも留意した。
フライアッシュを加えることによる１５〜２０分間の初期冷却は、同伴された揮発性ガスが押出プラスチック骨材から放出されることを可能にし、フライアッシュが優れた断熱材として作用することを示す。

長いランドは、十分に機能し、８ｍｍ及び１０／５ｍｍのプロファイルのダイ押出物に高度にテクスチャ化された表面を提供した。製品のかさ密度は、３８０〜４５０ｋｇ／ｍ^３に増加した。この増加は、終夜の徐冷によって生じた高い製品密度によるものであり、かなりの量の砂コーティングを可能にする。

適用した砂は、湿気があり、また、新しい押出プラスチック骨材への付着のために乾燥砂を使用すること、及びそれ故に徐冷することの重要性を示すいかなる付着もなかった。

実施例３
この実施例の目的は、セメント接合混合物の設計での使用に適した骨材を製造するための新しいダイ設計を評価することとした。以下のダイを評価した。
●１２／６×３０ｍｍのランド
●４．５ｍｍ×６ポート×７０ｍｍのランド

また、以下も評価した。
●様々なタイプのコーティング（黒砂、プレイセンターの砂、東海岸の砂、鋸屑、アルミニウムのやすり屑、鋼鉄のやすり屑）、
●グリットブラスト砂による砂の印加と押出機の出口での砂の送給との関係、
●混合物のないＨＤＰＥ及びＬＤＰＥ材料、
●冷却ドラムを使用した砂の冷却、及び
●硬化剤としての炭酸カルシウムの追加

廃プラスチック源は、実施例１及び２に従って、共混合したプラスチック（清掃業務等級）を破砕し、３ｍｍ未満の粒径に粒状化した。

押出物を切断して骨材を形成するために、Ｗｅｎｇｅｒ Ｘ−２０押出機を、２枚のブレードを有する回転ナイフと共に使用した。製品を取り込むために、コーティング材料を含む貯蔵箱を使用した。

第１の試験は、１２／６の星形態のダイで行った。発明者らは、実施例２の１０／５×３０ｍｍのダイが、より顕著なテクスチャ化された仕上がりを有することを見出した。

砂は、グリットブラストガンを使用して適用した。

木材ののこぎり屑は、押出機の出口において手で適用した。適用は、極めて容易であり、のこぎり屑が付着した。

アルミニウム及び鋼鉄のやすり屑は、バケットを使用して適用した。この材料は、熱い押出物に十分に張り付かなかった。手で圧力を加えて、コーティング材料の一部を適度に結合させた。

次に、４．５ｍｍ×６ポート×７０ｍｍのランドのダイを試験した。この試験は、成功しなかった。発明者らは、速度及び温度制御のばらつきによって、いかなる安定性も達成することができなかった。ダイの頭部において、押出効果ではなく飛散を生じさせる一定のサージが認められた。

発明者らは、次いで、共混合した粒状プラスチック材料と混ぜ合わせたＣａＣＯ_３を有する１２／６×３０ｍｍのダイの使用を試験した。押出物は、良好な特性を示し、ＣａＣＯ_３は、砂を手で適用することによって十分にコーティングされた。

次いで、送給材料を、混合物のない高密度ポリエチレン（ＨＤＰＥ）に変更した。１２／６×３０ｍｍのランドのダイを使用した。製品は、制御しながら押し出した。発明者らは、膨張が、共混合した廃プラスチックよりも大幅に大きいことを見出した。

発明者らは、次いで、食品等級のダイ（５ｍｍの短いランド長を有する４．５ｍｍのダイ）を使用した。混合物のないＬＤＰＥを送給材料として使用した。材料は、制御が難しく、材料は、極めて繊細な小麦粉の一貫性を有した。これは、均一性の欠如の一因となる、押出機を通る流れの非一貫性を生じさせた。

ダイの設定＃１
●２．５ｍｍの隙間
●１２×１０ｍｍのバックアップ
●５ｍｍの隙間
●１×２０ｍｍのバックアップ
●９ｍｍの隙間
●６×４．５ｍｍの最終、３．５ｍｍのランド
●１枚の固定ブレード

押出機の設定は、以下の通りであった。

共混合した廃棄物の完全な溶融は、均一な圧力及び均一な押出物によって１分未満で発生した。押出物は、理想的な砂の付着を得るのに十分熱くなく、改善された表面テクスチャにはより長いランド長が必要とされることを見出した。

原料のかさ密度は、４００ｇ／Ｌであった。

次いで、第２のダイの設定を調査した。

ダイの設定＃２
−２．５ｍｍの隙間
−１×２０ｍｍのバックアップ
−１２×１０ｍｍのバックアップ
−９ｍｍの隙間
−１×６×１２ｍｍの星形３０＋７０ｍｍのランド
−１枚の固定ブレード

押出機の設定はまた、表５に示されるように、送給機の毎分回転数（ｒｐｍ）を増加させ、送給速度を増加させ、また、圧力を増加させることによっても調整した。

これらの条件を使用することで、完全な溶融及び均一でテクスチャ化された押出物が達成された。高温のテクスチャ化された表面への砂の良好な付着が観察された。

１２／６×３０ｍｍのダイは、良好に機能したが、表面のテクスチャ化は、１０／５×３０ｍｍの場合ほど顕著ではなかった。異なる開口面積と側壁面積との比率が流動学に影響を及ぼすと推測される。ランド長は、同等の比率を与えるために、１２／６のダイに関して約４５ｍｍでなければならない。

サンドブラストガンを対向させて一直線に取り付けた。その理由は、空気圧式コンベアの側壁に対して吹き付けることによって、軟らかい押出プラスチック骨材に損傷を与えないようにするためである。サンドブラストは、より広い範囲の動作条件にわたってより高い程度の砂の衝突を提供する。

７０ｍｍのランドを有する４．５ｍｍのダイは、良好に機能しなかった。この問題は、ランド長が長過ぎたためであると確認された。

実施例４
実施例３の試験設定（すなわち、４．５ｍｍ×６ポート×７０ｍｍのランドを有する１２／６×３０ｍｍのランド）に由来するプラスチック骨材をコンクリートに使用し、圧縮強度を試験した。

グレイワッケ骨材（ＧＷ１０）、ＰＡＰ７ Ｋａｉｐａｒａ砂、ポートランドセメント、水、及びｓｉｋａ、及び２．５ｋｇのプラスチック骨材（ＰＡ）を含むコンクリート試料を、３．０８ｋｇの平均質量で、４つ組で調製した。

４つのうち１つの試料は７日後に、第２の試料は１４日後に、及び第３の試料は２１日後に圧縮試験を受けさせた。

プラスチック骨材を含有するコンクリート試料は、７日後、１４日後、及び２１日後に、それぞれ上の表８に示されるように、２２、２１．４１、及び２３．４２ＭＰａの圧縮試験結果を示した。

上述の説明において、既知の同等物を有する要素または完全体に対して参照を行っている場合、そのような同等物は、あたかもそれらが個別に記載されているかのように含まれる。

本発明は、一例として、特定の実施形態を参照して説明されているが、本発明の範囲または趣旨から逸脱することなく、修正及び／または改善が行われ得ることを理解されたい。

２．自然破砕骨材及びプラスチック骨材を含むコンクリートの特性の評価
以下の実施例は、例えば添加物及びコーティングを使用して、プラスチック骨材の特性を制御することによって、本発明のプラスチック骨材を含むコンクリートの特性を調整する能力を示す。これらの実施例は、セメント、水、直径２０ｍｍまたは１０ｍｍの骨材、本発明のプラスチック骨材（直径４、８、１２／６、または１５ｍｍを有する）、Ｐａｐ７骨材、砂、プラスチック骨材と砂との組み合わせ、減水剤、及びマイクロシリカからなる群から選択される成分を有するコンクリート円柱の調製を含む。

実施例５
この実施例は、対象としての標準的なアトラスコンクリートと比較した、本発明のプラスチック骨材を含むコンクリートの圧縮強度及び密度を示す。

プラスチック骨材及び表１０に示される成分を含むコンクリートの試料を、下の３つ組（Ｍ２Ａ、Ｍ２Ｂ、及びＭ２Ｃ）で調製した。アトラスコンクリートの対照も、表９に示されるように調製した。

表１０に示されるように、プラスチック骨材を含むコンクリート試料１は、対照として使用したアトラス標準よりも低い強度及び密度をもたらした。

実施例６
この実施例は、結果として生じる生成したコンクリートの密度及び圧縮強度に対する、溶融時に５％のＣａＣＯ_３をプラスチック骨材に加えた効果を示す。

プラスチック骨材、５％のＣａＣＯ３、及び表１１に示される成分を含むコンクリートの試料を、３つ組で（Ｍ３Ａ、Ｍ３Ｂ、及びＭ３Ｃ）調製した。

実施例５において調製したアトラスコンクリート標準の特性を、この実施例において調製したコンクリート試料Ｍ３Ａ〜Ｍ３Ｃの特性と比較した。

表１２に示されるように、ＣａＣＯ_３を含む試料は、７日後に、アトラスコンクリート標準と同等の強度及び密度を有した。実施例５において調製した試料Ｍ２Ａ〜Ｍ２Ｃと比較して、これらの試料は、より高密度であり、また、２８日後に、より高い圧縮強度を有した。

実施例７
この実施例は、生成したコンクリートの特性に対する、火炎処理したプラスチック骨材の使用の効果を示す。

火炎処理プラスチック骨材（Ｍ４）を含むコンクリートの試料を、下の表１３に示されるように、２つずつ（Ｍ４Ａ及びＭ４Ｂ）調製した。また、火炎処理したプラスチック骨材（Ｍ５）を含む別の試料も調製した。

表１４に示される結果は、試料Ｍ４Ａが、アトラス標準よりも低い７日後の強度及び密度を有することを示す。

火炎乾燥した骨材並びにマイクロシリカを含む試料Ｍ５に関する圧縮試験の結果は、この試料が、アトラス標準よりも高い圧縮強度を有し、また、他のプラスチック骨材試料Ｍ２Ｂ及びＭ２Ｃ、並びにＭ３Ｂ及びＭ３Ｃよりも高い圧縮強度を有することを示す。

実施例８
この実施例は、結果として生じる生成したコンクリートに対する、５％のＣａＣＯ_３を含む火炎処理したプラスチック骨材の効果を示す。

火炎処理したプラスチック骨材、５％のＣａＣＯ_３、及び表１５に示される成分を含むコンクリートの試料を、３つ組で（Ｍ６Ａ、Ｍ６Ｂ、及びＭ６Ｃ）調製した。

実施例９
この実施例は、火炎処理し、フライアッシュでコーティングした本発明のプラスチック骨材を含むコンクリートの特性を示す。この実施例はまた、コンクリート混合物中のプラスチック骨材のサイズ及び他の成分の量を調整することによって、結果として生じるコンクリートの圧縮強度を、異なる用途に合わせて調整することができることも示す。

火炎処理し、フライアッシュでコーティングしたプラスチック骨材を含むコンクリートの５つの試料（Ｍ７〜Ｍ１１）を、下の表１７に従って調製した。

Ｍ７〜Ｍ１１は全て、火炎処理し、フライアッシュでコーティングした本発明のプラスチック骨材を含む。

表１８に示される結果は、異なるサイズのプラスチック骨材の混合物をコンクリート混合物に含むことによって、高圧縮強度のコンクリート（Ｍ１１）を達成することができることを示す。

プラスチック骨材の表面を火炎処理し、フライアッシュでコーティングすることによって修正したときに、圧縮強度が増加した。理論に拘束されることを望むものではないが、発明者らは、フライアッシュのコーティングがプラスチック骨材とセメントペーストとの間に改善された結合を提供すると考えている。

実施例１０
この実施例は、本発明のプラスチック骨材を含むコンクリートが、最大応力を達成した後に荷重を担持することができることを示す。

コンクリート試料Ｍ９及びＭ１１は、以前の実施例に従って調製し、これらのコンクリート円柱の圧縮強度を、それぞれ、調製の２８日後及び７日後に試験した。

図５に示されるように、試料Ｍ１１の圧縮強度は、７日後に２３．５ＭＰａであった。図６は、試料Ｍ９の圧縮強度が、２８日後に２９．４８ＭＰａであったことを示す。

図５及び図６はどちらも、最大応力が達成されると、本発明のプラスチック骨材を含むコンクリート試料が、荷重を担持し続けることができ、かつ脆弱でないことを示す。これは、プラスチック骨材を有しないコンクリートの性質とは対照的である（図７）。

実施例１１
この実施例は、プラスチック骨材の特性を、過程パラメータを調整することによって変動させることができることを示す。

表１９は、プラスチック骨材の寸法、重量、押し出しに使用されるダイ、コーティング、比密度、比重、及び表面エネルギーを示す。

表２０は、表面エネルギー、硬度、圧縮強度、充填剤、及び表面テクスチャを含む、プラスチック骨材のいくつかの他の特性を示す。

Claims (16)

1. プラスチック骨材を作製する方法であって、
   粒状廃プラスチック材料を提供することと、
   前記粒状廃プラスチックを、１：１０〜１：４０のダイのノズル開口面積とダイのランド面積との比率を有するダイを有する押出機の中へ導入することと、
   前記押出機を通して前記粒状廃プラスチック材料を押し出して、押出プラスチック骨材を生成することと、
   前記押出プラスチック骨材を、
   ｉ）前記押出プラスチック骨材を冷却することによって、または
   ｉｉ）前記プラスチック骨材をコーティングすることによって、または
   ｉｉｉ）（ｉ）及び（ｉｉ）の両方によって処理して、
   前記押出プラスチック骨材を提供することと、
   を含む、方法。
2. 前記粒状廃プラスチック材料の溶融中に１つ以上の添加物が前記粒状廃プラスチックに加えられ、
   前記１つ以上の添加物が、砂、ポゾラン材料、炭酸カルシウム、マイクロシリカ、またはガラスからなる群から選択される、
   請求項１に記載の方法。
3. 前記方法が、前記ダイを出た直後に、または該ダイを出ている間に、前記押出プラスチック骨材を冷却する工程を含む、請求項１または２に記載の方法。
4. 前記押出プラスチック骨材を、制御冷却支援材を適用することによって、前記ダイを出た後に冷却し、
   前記制御冷却支援材が、砂、ポゾラン材料、炭酸カルシウム、マイクロシリカ、またはガラスからなる群から選択される、
   請求項３に記載の方法。
5. 前記押出プラスチック骨材が、２００〜４００ｋｇ／ｍ^３の密度を有する骨材を得るために、１〜２０分間冷却される、請求項３または４に記載の方法。
6. 前記押出プラスチック骨材が、４００〜５００ｋｇ／ｍ^３の密度を有する骨材を得るために、１０〜７０分間冷却される、請求項３または４に記載の方法。
7. 前記ダイのランド長が、１０〜７０ｍｍである、請求項１〜６のいずれかに記載の方法。
8. 前記押出プラスチック骨材が、０．９０〜１．１５の比重を有する、請求項１〜７のいずれか一項に記載の方法。
9. 前記押出機が、単一回転軸の押出機である、請求項１〜８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記ダイの押出表面が、少なくとも３つの表面を備え、
    前記ダイが、星形である、
    請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。
11. コンクリートの中の金属骨材の少なくとも部分的な代替物としての押出プラスチック骨材であって、機械的及び／または分子的結合の双方を促進するために、
    １〜３０ｍｍのサイズ、及び
    ０．９０〜１．１５の比重、及び
    粗化され、高表面積を有する表面テクスチャを有する、押出プラスチック骨材。
12. コンクリート組成物で使用するときに、前記プラスチック骨材が、前記コンクリート組成物内で高結合強度を有し、前記コンクリート組成物が、１０〜５０ＭＰａの圧縮強度を有する、請求項１１に記載の押出プラスチック骨材。
13. ２０ｍｍの骨材の場合に、前記押出プラスチック骨材が、１〜１．９の表面積対容積比を含む、請求項１１または１２に記載の押出プラスチック骨材。
14. コンクリートを作製する方法であって、
    粒状廃プラスチック材料から、１：１０〜１：４０のダイのノズル開口面積とダイのランド面積との比率を有する押出機において生成される押出プラスチック骨材を提供することと、
    骨材コンクリート混合物を形成するために、１８〜６０重量％のセメント、５〜５０重量％の水、０〜４０重量％の１つ以上の添加物、及び５〜４０重量％の押出プラスチック骨材を組み合わせることと、を含む、方法。
15. 前記骨材コンクリート混合物が、少なくとも１０〜５０ＭＰａの圧縮強度を有するコンクリートを提供する、請求項１４に記載の方法。
16. 前記１つ以上の添加物が、砂である、請求項１４又は１５に記載の方法。

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