WO2026018732A1 - Geopolymer starting material composition, method for producing same, and method for producing geopolymer composition - Google Patents
Geopolymer starting material composition, method for producing same, and method for producing geopolymer compositionInfo
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Description
本発明は、例えば土木、建築等における構造物の施工や補修等に用いられるジオポリマー原料組成物及びその製造方法並びにジオポリマー組成物の製造方法に関するものである。 The present invention relates to a geopolymer raw material composition used in the construction and repair of structures in civil engineering, architecture, etc., a method for producing the same, and a method for producing a geopolymer composition.
従来、土木、建築等における構造物はコンクリートやモルタルによって形成されるのが一般的であるが、近年、コンクリートやモルタルに代わる材料としてジオポリマー組成物が注目されており、ジオポリマーコンクリートとして各種構造物への適用が検討されている(例えば、特許文献1参照。)。 Traditionally, structures in civil engineering, architecture, etc. have generally been made from concrete or mortar, but in recent years, geopolymer compositions have been attracting attention as an alternative material to concrete and mortar, and their application to various structures as geopolymer concrete is being considered (see, for example, Patent Document 1).
ジオポリマー組成物は、フライアッシュ(石炭灰)、メタカオリン、高炉スラグ、シリカフューム等、アルカリに活性な非晶質粉体(活性フィラー)とアルカリ溶液とを混合して脱水縮重合反応させることにより得られる硬化体であり、更に細骨材、粗骨材等を加えることにより、セメントコンクリートと同等の強度を発現する組成体を実現している。 Geopolymer composition is a hardened substance obtained by mixing alkali-active amorphous powder (active filler) such as fly ash (coal ash), metakaolin, blast furnace slag, and silica fume with an alkaline solution and then subjecting it to a dehydration condensation polymerization reaction. By further adding fine aggregate, coarse aggregate, etc., a composition is achieved that exhibits strength equivalent to that of cement concrete.
ジオポリマーの製造方法としては、活性フィラーと、水ガラス等のアルカリ水溶液または水酸化ナトリウム等のアルカリ粉体と水とを混合して練り混ぜた後、これを目的箇所(型枠等)へ流し込む方法がある。また、予め活性フィラーとアルカリ粉体とを混合したもの(プレミックス材)にアルカリ水溶液または水を加えて練り混ぜた後、目的箇所(型枠等)へ流し込む方法もある。 One method of manufacturing geopolymers is to mix and knead an activated filler with an alkaline aqueous solution such as water glass or an alkaline powder such as sodium hydroxide and water, and then pour the mixture into the desired location (such as a formwork). Another method involves adding an alkaline aqueous solution or water to a mixture of activated filler and alkaline powder (a premix), kneading the mixture, and then pouring the mixture into the desired location (such as a formwork).
一方、原料の混合及び練混ぜ工程を設けず、例えば乾式吹付施工のように粉体原料と液体原料とを目的箇所(壁面等)に吹き付け、そのまま硬化させる方法がある。 On the other hand, there is a method that does not involve the mixing and kneading of raw materials, but rather involves spraying powder and liquid raw materials onto the target area (such as a wall surface) and allowing them to harden in place, such as dry spraying.
しかしながら、ジオポリマーの粉体原料として用いられるメタカオリンやシリカフューム等は、粒径が極めて小さく、且つ凝集性の高い粉体であることから、正確な計量が難しく、粉体での輸送性が低いという性質がある。このため、例えば粉体の原料を空気圧送により施工箇所に供給する場合は、粉体の供給量を常に一定にすることが困難であった。 However, metakaolin, silica fume, and other powder materials used as geopolymer powder raw materials have extremely small particle sizes and high cohesion, making them difficult to measure accurately and poorly transportable in powder form. For this reason, for example, when supplying powder raw materials to the construction site by air pressure, it is difficult to maintain a constant supply of powder.
また、原料の混合及び練混ぜを伴う製造方法では、混練後のジオポリマーの粘性の高さが課題となっている。例えば、ジオポリマー組成物の製造工程においては、原料の混練にミキサー等を用いるのが一般的だが、ジオポリマースラリーの粘性の高さから均一に混ざらない場合がある。ジオポリマー組成物の所定の性能を安定して発現させるためには、原料を常に均一に混ぜる必要がある。また、混練後のジオポリマースラリーの粘性の高さを原因とする輸送性の低下を改善することができれば、ワーカビリティーの向上も期待できる。 Furthermore, in manufacturing methods that involve mixing and kneading raw materials, the high viscosity of the geopolymer after kneading poses an issue. For example, in the manufacturing process of geopolymer compositions, it is common to use a mixer or other device to knead the raw materials, but the high viscosity of the geopolymer slurry means that the materials may not be mixed uniformly. In order to consistently achieve the specified performance of a geopolymer composition, it is necessary to always mix the raw materials uniformly. Furthermore, if the reduced transportability caused by the high viscosity of the geopolymer slurry after kneading can be improved, workability can also be expected to improve.
更に、粉体原料と水とを混合する際、スラリーの粘性が高いと輸送性の観点から水分量を増やすことが想定される。しかし、水分量を多くすると、配合比率に影響を及ぼし、必要な性能を発現させることができなくなる。そこで、従来のセメントのように減水剤や分散剤を添加することにより水分量を減らす方法もあるが、この場合はジオポリマー専用の減水剤や分散剤の開発が必要となるとともに、減水剤や分散剤を添加する分だけコストが高くなる。 Furthermore, when mixing powdered raw materials with water, if the viscosity of the slurry is high, it is expected that the water content will be increased from the perspective of transportability. However, increasing the water content will affect the mix ratio and make it impossible to achieve the required performance. One way to reduce the water content is to add a water reducer or dispersant, as with conventional cement, but this requires the development of a water reducer or dispersant specifically for geopolymers, and the addition of the water reducer or dispersant increases costs.
また、混合及び練混ぜを伴わない製造方法においては、活性フィラーが微粉末であることによる粉塵の発生が課題となっている。例えば、乾式吹付施工では、吹付作業時の粉塵による視認性の低下、粉体原料の飛散による配合比率の不安定化、周辺環境への影響などが課題となっている。 Furthermore, with manufacturing methods that do not involve mixing or kneading, the generation of dust due to the fine powder of the active filler is an issue. For example, with dry spraying construction, issues include reduced visibility due to dust during the spraying process, instability in the mixing ratio due to the scattering of powdered raw materials, and impacts on the surrounding environment.
本発明は前記課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、原料の計量性及び輸送性を向上させることができるとともに、スラリーでの粘性を低下させることができ、しかも粉塵の発生を抑制することのできるジオポリマー原料組成物及びその製造方法並びにジオポリマー組成物の製造方法を提供することにある。 The present invention was made in consideration of the above-mentioned problems, and its purpose is to provide a geopolymer raw material composition, a method for producing the same, and a method for producing a geopolymer composition that can improve the metering and transportability of raw materials, reduce the viscosity of the slurry, and suppress the generation of dust.
本発明のジオポリマー原料組成物は、前記目的を達成するために、ジオポリマー組成物の粉体原料のうち一部またはすべてを造粒してなる。 In order to achieve the above-mentioned objective, the geopolymer raw material composition of the present invention is obtained by granulating some or all of the powder raw materials of the geopolymer composition.
また、本発明のジオポリマー原料組成物の製造方法は、前記目的を達成するために、ジオポリマー組成物の粉体原料のうち一部またはすべてを造粒してなるジオポリマー原料組成物の製造方法であって、前記粉体原料に水、アルカリ溶液及びバインダーのうち少なくとも一つを混合して得られるスラリーを熱風中に噴霧するとともに、瞬時に乾燥させることにより造粒するようにしている。 Furthermore, in order to achieve the above-mentioned objective, the method for producing a geopolymer raw material composition of the present invention is a method for producing a geopolymer raw material composition by granulating some or all of the powdered raw materials of the geopolymer composition, and the powdered raw materials are mixed with at least one of water, an alkaline solution, and a binder to obtain a slurry, which is then sprayed into hot air and instantly dried to produce granules.
また、本発明のジオポリマー組成物の製造方法は、前記ジオポリマー原料組成物を用い、ジオポリマー原料組成物に水またはアルカリ溶液を加えて硬化させることによりジオポリマー組成物を生成するようにしている。 Furthermore, the method for producing a geopolymer composition of the present invention uses the geopolymer raw material composition, and produces a geopolymer composition by adding water or an alkaline solution to the geopolymer raw material composition and hardening it.
これにより、粉体原料のうち一部またはすべてが造粒されたジオポリマー原料組成物が用いられることから、粒径の増加により原料の計量性及び輸送性が向上するとともに、粉塵の発生が抑制される。また、造粒により粒径を大きくすることにより、粉体に対して比表面積が減少することから、混合及び練混ぜ時に必要な水分量を減らすことができ、スラリーでの粘性が低下する。 As a result, a geopolymer raw material composition is used in which some or all of the powder raw materials have been granulated, which increases the particle size, improving the raw material's measurability and transportability, while also suppressing dust generation. Furthermore, by increasing the particle size through granulation, the specific surface area relative to the powder decreases, which reduces the amount of water required during mixing and kneading, and reduces the viscosity of the slurry.
本発明によれば、原料の計量性を向上させることができるので、原料の配合比率の変化を抑制することができ、ジオポリマー組成物の性能の安定性を向上させることができる。この場合、複数種類の原料を個別に計量する必要がないので、計量工程を効率化することができるとともに、計量ミスによる性能低下のリスクを少なくすることができる。また、原料の輸送性を向上させることができるので、例えば乾式吹付施工で原料の大量輸送が可能になり、生産性を向上させることができる。更に、スラリーでの粘性を低下させることができるので、ジオポリマー組成物の高強度化、高耐久化(耐酸性や耐塩害性の向上)を図ることができるとともに、減水剤等の添加物を用いずに粘性を低下させることができる。また、造粒により粒径を大きくすることによる比表面積の減少により、プレミックス材の湿度による影響を低減することができるとともに、密度が異なる複数の粉体を造粒により一体化することにより、プレミックス材における原料の均一化を図ることができる。更に、粉塵の発生を大幅に抑制することができるので、例えば乾式吹付の施工時等における視認性の低下を改善することができるとともに、粉塵による周辺環境への影響も低減することができる。また、原料の飛散による残存原料の配合比率の変化を抑制することができるので、常に適正な配合の乾式吹付物を製造することができる。 According to the present invention, the ability to measure raw materials can be improved, thereby suppressing changes in the raw material blend ratio and improving the stability of the geopolymer composition's performance. In this case, since there is no need to measure multiple types of raw materials individually, the measuring process can be made more efficient and the risk of performance degradation due to measuring errors can be reduced. Furthermore, the transportability of raw materials can be improved, enabling mass transportation of raw materials, for example, in dry spraying construction, thereby improving productivity. Furthermore, the viscosity of the slurry can be reduced, thereby increasing the strength and durability of the geopolymer composition (improving acid resistance and salt damage resistance) and reducing viscosity without the use of additives such as water reducers. Furthermore, by increasing the particle size through granulation, the specific surface area can be reduced, thereby reducing the impact of humidity on the premix material. Furthermore, by granulating multiple powders with different densities, the raw materials can be homogenized in the premix material. Furthermore, dust generation can be significantly reduced, thereby improving visibility during construction, for example, dry spraying, and reducing the impact of dust on the surrounding environment. Additionally, changes in the blending ratio of the remaining raw materials due to scattering of the raw materials can be suppressed, allowing dry sprayed products to be produced with the correct blending ratio at all times.
図1は本発明の第1の実施形態を示すもので、例えば土木、建築等の構造物の施工に用いられるジオポリマー組成物を示すものである。 Figure 1 shows a first embodiment of the present invention, which shows a geopolymer composition used in the construction of structures such as civil engineering and architectural structures.
本実施形態のジオポリマー組成物は、粉体原料のうち一部またはすべてを顆粒状に造粒してなるジオポリマー原料組成物を用い、このジオポリマー原料組成物に水またはアルカリ溶液を加えて硬化させることにより生成される。尚、水またはアルカリ溶液以外に、骨材(砂等の細骨材や砂利等の粗骨材)、その他の材料を加えるようにしてもよい。 The geopolymer composition of this embodiment is produced by using a geopolymer raw material composition obtained by granulating some or all of the powder raw materials into granules, and adding water or an alkaline solution to this geopolymer raw material composition and allowing it to harden. In addition to water or alkaline solution, aggregate (fine aggregate such as sand or coarse aggregate such as gravel) or other materials may also be added.
本実施形態のジオポリマー原料組成物は、活性フィラーや、活性が微弱または不活性な粉体、活性フィラーを活性化させる無機アルカリ系粉体原料等からなり、例えばフライアッシュ(石炭灰)、メタカオリン、高炉スラグ、火山灰、火山泥、下水汚泥焼却灰等の酸化アルミニウムと酸化ケイ素を含む非晶質粉体、シリカフューム、アルカリ粉体、炭酸カルシウム微粉末、珪砂やブラスト材廃棄物等からなり、これらのうち一種または二種以上の原料が用いられる。 The geopolymer raw material composition of this embodiment is composed of an active filler, a weakly active or inactive powder, an inorganic alkaline powder raw material that activates the active filler, and the like, such as amorphous powders containing aluminum oxide and silicon oxide, such as fly ash (coal ash), metakaolin, blast furnace slag, volcanic ash, volcanic mud, and sewage sludge incineration ash, silica fume, alkaline powder, calcium carbonate fine powder, silica sand, and blasting material waste, and one or more of these raw materials are used.
活性フィラーは、アルカリ原料により脱水縮重合反応して硬化する粉体であり、例えばフライアッシュ(石炭灰)、メタカオリン、高炉スラグ、シリカフューム等である。 Activated fillers are powders that harden through a dehydration condensation polymerization reaction in the presence of alkaline raw materials, such as fly ash (coal ash), metakaolin, blast furnace slag, and silica fume.
アルカリ粉体には、例えば水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、リン酸ナトリウムのうち一種または二種以上の粉体が用いられる。 The alkaline powder may be, for example, one or more of the following powders: sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium silicate, potassium silicate, and sodium phosphate.
また、本実施形態では、ジオポリマー原料組成物を顆粒状に造粒する方法として、粉体原料に、水、アルカリ溶液及びバインダーのうち少なくとも一つを混合して得られるスラリーを熱風中に噴霧するとともに、瞬時に乾燥させることにより造粒する、いわゆるスプレードライ造粒法を用いている。尚、バインダーは、造粒操作において粉体原料に適度な凝集性を持たせるとともに、用途や目的に応じた強度(崩壊性)、溶解性、反応性等などを考慮して固体粒子間の結合媒体として用いられる物質である。 In addition, in this embodiment, the geopolymer raw material composition is granulated using the so-called spray-drying granulation method, in which a slurry obtained by mixing the powder raw material with at least one of water, an alkaline solution, and a binder is sprayed into hot air and instantly dried to form granules. The binder is a substance used to impart appropriate cohesiveness to the powder raw material during the granulation process, and as a binding medium between solid particles, taking into consideration factors such as strength (disintegrability), solubility, and reactivity depending on the application and purpose.
図1に示す本実施形態の造粒工程においては、一種または二種以上の活性フィラーからなる粉体原料に水とバインダーを加えて混練し(S1)、スラリーを生成する(S2)。この場合、粉体原料に対するバインダーの比率を0.2%以上20%以下とし、粉体原料に対する水の比率を40%以上200%以下とする。 In the granulation process of this embodiment shown in Figure 1, water and a binder are added to a powder raw material consisting of one or more types of active filler and kneaded (S1) to produce a slurry (S2). In this case, the ratio of binder to powder raw material is 0.2% or more and 20% or less, and the ratio of water to powder raw material is 40% or more and 200% or less.
次に、このスラリーをスプレードライ機に投入し(S3)、所定温度(180℃以上550℃以下)の熱風中に噴霧する(S4)。これにより、噴霧されたスラリーが瞬時に乾燥するとともに角のない球形に造粒され(S5)、顆粒状のジオポリマー原料組成物が得られる。 Next, this slurry is placed in a spray dryer (S3) and sprayed into hot air at a predetermined temperature (180°C to 550°C) (S4). This causes the sprayed slurry to instantly dry and be granulated into cornerless spheres (S5), yielding a granular geopolymer raw material composition.
また、本実施形態では、前記造粒工程に用いるバインダーとして、ジオポリマー原料組成物の原料となり得る無機アルカリ系材料(水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウム、リン酸ナトリウム等)が用いられる。即ち、無機アルカリ系材料は、それ自体で粉体原料を凝集させる機能(粘性)を有するため、他の成分からなる有機系のバインダーを用いることなく造粒が可能となる。 In addition, in this embodiment, the binder used in the granulation process is an inorganic alkaline material (sodium hydroxide, potassium hydroxide, sodium silicate, potassium silicate, sodium phosphate, etc.) that can be used as a raw material for the geopolymer raw material composition. In other words, because inorganic alkaline materials themselves have the ability (viscosity) to aggregate the powder raw materials, granulation is possible without using an organic binder consisting of other components.
前記ジオポリマー原料組成物を用いてジオポリマーコンクリート等のジオポリマー組成物を生成する場合、例えばジオポリマー原料組成物に水またはアルカリ溶液を混合して練り混ぜた後、施工現場や工場設備内において目的箇所(型枠等)に圧送して流し込む場合は、ジオポリマー原料組成物は球形に顆粒化されているので、従来のように粉体原料をそのままの粉末状で用いる場合に比べ、練混ぜ後の流動性が高く、圧送管路で詰まることなく円滑に流通する。 When the geopolymer raw material composition is used to produce a geopolymer composition such as geopolymer concrete, for example, the geopolymer raw material composition is mixed with water or an alkaline solution and kneaded, and then pressure-fed and poured into the desired location (formwork, etc.) at a construction site or factory facility, the geopolymer raw material composition is granulated into spherical shapes. This means that the fluidity after mixing is higher than when powdered raw materials are used in their conventional powder form, and the composition flows smoothly without clogging in pressure-fed pipelines.
また、一般的に、混合された複数種類の粉体は密度、大きさ、形状の違いにより偏りが生じ、例えばプレミックス材中の成分含量が不均一になることで、練混ぜ後のジオポリマー組成物の品質にばらつきが生じることがある。本実施形態のジオポリマー原料組成物では、複数種類の粉体原料を混合して造粒することにより、各成分を所定量ずつ含んだ粒子が得られる。これにより、複数種類の原料を均一に混ぜることができ、安定したジオポリマー組成物の製造が可能となる。 Furthermore, when multiple types of powders are mixed, differences in density, size, and shape generally result in imbalances. For example, this can lead to uneven component content in the premix, which can result in variations in the quality of the geopolymer composition after mixing. In the geopolymer raw material composition of this embodiment, multiple types of powder raw materials are mixed and granulated, resulting in particles containing a specified amount of each component. This allows multiple types of raw materials to be mixed uniformly, making it possible to produce a stable geopolymer composition.
更に、原料を顆粒化することにより比表面積が減少し、吸湿等による原料性能の劣化を抑制することが可能となる。これにより、混合または練混ぜ時に必要な水量を減らし、混合物の粘性を低下させることも可能となる。また、粉体原料が顆粒状の塊になることにより、バインダーや表面側に配置される原料によって内側の原料がコーティングされることから、吸水性の高い粉体原料の外部との接触が大幅に低減され、吸湿に対する劣化防止効果と流動性を高めることができる。 Furthermore, granulating the raw materials reduces their specific surface area, making it possible to suppress deterioration of the raw material's performance due to moisture absorption, etc. This reduces the amount of water required during mixing or kneading, and also makes it possible to lower the viscosity of the mixture. In addition, when the powdered raw materials are turned into granular masses, the inner raw materials are coated by the binder and the raw materials placed on the surface, which significantly reduces contact between the highly water-absorbent powdered raw materials and the outside, improving their effectiveness in preventing deterioration due to moisture absorption and their fluidity.
更には、乾式吹付施工のようにジオポリマー原料組成物を空気圧送により直接目的箇所に吹き付ける場合も、顆粒状のジオポリマー原料組成物は凝集性が低いことから空気圧送における流動性が高く、しかも顆粒化による粒径増加により粉末状に飛散することが抑制され、吹付作業中の粉塵発生量が大幅に低減する。また、顆粒で球状であるため、搬送用のゴムホースや吹付けノズルへの衝撃が低下し、摩耗の低減により寿命を延ばすこともできる。 Furthermore, even when the geopolymer raw material composition is sprayed directly onto the target area using air pressure, as in dry spraying, the granular geopolymer raw material composition has low cohesiveness, resulting in high fluidity when air pressure fed. Furthermore, the increased particle size caused by granulation prevents the composition from scattering into powder, significantly reducing the amount of dust generated during spraying operations. Furthermore, because the granules are spherical, they exert less impact on the transport rubber hose and spray nozzle, reducing wear and extending their lifespan.
このように、本実施形態のジオポリマー原料組成物によれば、ジオポリマー組成物の粉体原料のうち一部またはすべてを顆粒状に造粒してなるので、原料の計量性及び輸送性を向上させることができるとともに、スラリーでの粘性を低下させることができ、しかも粉塵の発生を抑制することができる。 As such, according to the geopolymer raw material composition of this embodiment, some or all of the powder raw materials of the geopolymer composition are granulated into granules, which improves the measurability and transportability of the raw materials, reduces the viscosity of the slurry, and suppresses the generation of dust.
即ち、原料の計量性及び輸送性が向上することにより、原料の配合比率の変化を抑制することができるので、ジオポリマー組成物の性能の安定性を向上させることができる。この場合、複数種類の原料を個別に計量する必要がないので、計量工程を効率化することができるとともに、計量ミスによる性能低下のリスクを少なくすることができる。更に、造粒により球状の粒形にすることができるので、ベアリング効果によっても流動性を向上させることができる。 In other words, by improving the weighing and transportability of raw materials, changes in the raw material blend ratio can be suppressed, improving the stability of the performance of the geopolymer composition. In this case, there is no need to weigh multiple types of raw materials individually, which makes the weighing process more efficient and reduces the risk of performance degradation due to weighing errors. Furthermore, since spherical particles can be formed through granulation, the bearing effect also improves fluidity.
また、粉体よりも粒径の大きい顆粒状に造粒することにより、粉体に対して比表面積を減少させることができ、混合及び練混ぜ時に必要な水分量を減らすことができる。これにより、スラリーでの粘性を低下させることができ、ジオポリマー組成物の高強度化、高耐久化(耐酸性や耐塩害性の向上)を図ることができるとともに、減水剤等の添加物を用いずに粘性を低下させることができる。 Furthermore, by granulating the material into granules with a particle size larger than that of the powder, the specific surface area can be reduced compared to the powder, and the amount of water required during mixing and kneading can be reduced. This reduces the viscosity of the slurry, making it possible to increase the strength and durability of the geopolymer composition (improving acid resistance and salt damage resistance), and reducing viscosity without the use of additives such as water reducers.
更に、顆粒化により粒径を大きくすることによる比表面積の減少により、プレミックス材の湿度による影響を低減することができるとともに、密度が異なる複数の粉体を顆粒状に一体化することにより、プレミックス材における原料の均一化を図ることができる。また、顆粒化による混練性の向上により、プレミックス材を用いた現場施工の品質の向上を図ることもできる。 Furthermore, by increasing the particle size through granulation and thereby reducing the specific surface area, the effects of humidity on the premix material can be reduced, and by combining multiple powders of different densities into granules, the raw materials in the premix material can be made more uniform. Furthermore, the improved kneadability achieved through granulation can also improve the quality of on-site construction using the premix material.
更には、乾式吹付の施工時等に粉塵の発生を抑制することができるので、粉塵による視認性の低下を改善することができる。これは、有人施工の場合だけに留まらず、例えばカメラで視認しながらの遠隔施工が可能となる。また、粉塵による周辺環境への影響も低減することができる。さらに、原料の飛散による残存原料の配合比率の変化を抑制することができるので、常に適正な配合の乾式吹付物を製造することができるとともに、乾式吹付施工で原料の大量輸送が可能になり、生産性を向上させることができる。 Furthermore, since dust generation can be suppressed during dry spraying work, the reduced visibility caused by dust can be improved. This is not limited to manned work, but also makes it possible to carry out work remotely while visually checking with a camera, for example. It also reduces the impact of dust on the surrounding environment. Furthermore, since it is possible to suppress changes in the blend ratio of remaining raw materials due to scattering of raw materials, it is possible to always produce dry sprayed products with the correct blend, and dry spraying work makes it possible to transport large quantities of raw materials, improving productivity.
また、ジオポリマー原料組成物の粒径が小さすぎると、粒径増加による効果が低くなるため、ジオポリマー原料組成物の平均粒径は10μm以上が好ましい。 Furthermore, if the particle size of the geopolymer raw material composition is too small, the effect of increasing the particle size will be reduced, so it is preferable that the average particle size of the geopolymer raw material composition be 10 μm or more.
更に、粉体原料に水、アルカリ溶液及びバインダーのうち少なくとも一つを混合して得られるスラリーを熱風中に噴霧して瞬時に乾燥させることにより造粒するようにしたので、均一な粒度分布により安定した品質を得ることができるとともに、高速乾燥により短時間での顆粒化が可能となり、ジオポリマー原料組成物の変質を抑制することができ、生産性の向上を図ることができる。 Furthermore, the powdered raw material is mixed with at least one of water, an alkaline solution, and a binder to produce a slurry, which is then sprayed into hot air and instantly dried to produce granules. This allows for consistent quality due to a uniform particle size distribution, and the high-speed drying enables granulation in a short period of time, preventing deterioration of the geopolymer raw material composition and improving productivity.
また、乾燥温度、風速、霧化方式等の条件を調整することにより、粒子の大きさを制御することができるので、例えば粒径やバインダーの比率に応じて可使時間を調整したり、粒径の異なる原料の混合による最密充填の実現とそれによる強度促進や収縮低減効果を得ることができる。 In addition, particle size can be controlled by adjusting conditions such as drying temperature, wind speed, and atomization method. This makes it possible, for example, to adjust the usable time according to the particle size and binder ratio, or to achieve closest packing by mixing raw materials of different particle sizes, thereby improving strength and reducing shrinkage.
この場合、熱風の温度が低すぎると乾燥が不十分となり品質の低下や乾燥時間の長時間化を生じ、熱風の温度が高すぎると熱によるジオポリマー原料組成物の変質やエネルギーの無駄が発生するため、熱風の温度は180℃以上550℃以下が好ましい。 In this case, if the hot air temperature is too low, drying will be insufficient, resulting in a decrease in quality and a longer drying time, while if the hot air temperature is too high, the heat will cause deterioration of the geopolymer raw material composition and energy will be wasted, so the hot air temperature should preferably be between 180°C and 550°C.
また、バインダーとして、ジオポリマー組成物の原料となり得る無機アルカリ系材料を用いるようにしたので、他の成分からなる有機系のバインダー等を用いることなく造粒が可能となる。これにより、バインダーとしての材料の種類を追加する必要がないので、顆粒化のための材料コストや配合を増加させることがなく、低コストで生産性の高いジオポリマー原料組成物を製造することができる。 Furthermore, because the binder used is an inorganic alkaline material that can be used as a raw material for geopolymer compositions, granulation is possible without using organic binders made from other components. This eliminates the need to add new types of binder material, and does not increase material costs or formulation for granulation, making it possible to produce geopolymer raw material compositions at low cost and with high productivity.
この場合、粉体原料に対するバインダーの比率が高すぎると、溶解性の低下が生じ、比率が低すぎると粒子の結合強度の不足や均一性の低下が発生するため、粉体原料に対するバインダーの比率は0.2%以上20%以下が好ましい。 In this case, if the ratio of binder to powder raw material is too high, solubility will decrease, and if the ratio is too low, the particle bonding strength will be insufficient and uniformity will decrease, so the ratio of binder to powder raw material should preferably be between 0.2% and 20%.
また、粉体原料に対する水の比率が高すぎると、乾燥時間が長くなるとともに、粒度分布の不均一化が生じ、水の比率が低すぎると霧化不良や粒子の形状不良、スプレーノズルの詰まりなどが発生するため、粉体原料に対する水の比率は40%以上200%以下が好ましい。 Furthermore, if the ratio of water to powder raw material is too high, the drying time will be longer and the particle size distribution will become uneven, while if the water ratio is too low, poor atomization, poor particle shape, and clogging of the spray nozzle will occur, so the ratio of water to powder raw material should preferably be between 40% and 200%.
尚、前記実施形態では、バインダーとして、ジオポリマー組成物の原料となり得る無機アルカリ系材料を用いるようにしたものを示したが、例えば造粒物に含まれるアルカリ成分を少なくしたい場合や粒子の結合強度をより高くしたい場合には、有機系のバインダーを用いるようにしてもよい。 In the above embodiment, an inorganic alkaline material that can be used as a raw material for the geopolymer composition is used as the binder. However, an organic binder may be used, for example, if you want to reduce the amount of alkaline components contained in the granulated material or increase the particle bonding strength.
また、前記実施形態では、アルカリ粉体を含む粉体原料に水を加えて造粒するようにしたものを示したが、アルカリ粉体及び水の一部またはすべてに代えてアルカリ廃液を用いて造粒するようにしてもよい。アルカリ廃液は、例えば金属の洗浄や表面処理に使用され、使用後に生ずるpHの高い(アルカリ性)の廃液であり、多くの産業分野で発生する可能性があることから、このようなアルカリ廃液を高価なアルカリの代わりに用いれば、ジオポリマー原料組成物の製造コストを低減することができるとともに、産業廃棄物の再利用にもなるという利点がある。 In addition, while the above embodiment shows a method in which water is added to a powder raw material containing alkaline powder to form granules, alkaline waste liquid may also be used to form granules in place of some or all of the alkaline powder and water. Alkaline waste liquid is a high-pH (alkaline) waste liquid that is generated after use, for example, in the cleaning or surface treatment of metals, and can be generated in many industrial fields. Therefore, using such alkaline waste liquid instead of expensive alkali has the advantage of reducing the manufacturing cost of the geopolymer raw material composition and also recycling industrial waste.
図2は本発明の第2の実施形態を示すもので、前記実施形態の造粒工程に粉末原料を解砕または粉砕して微細化する工程を加えたものである。 Figure 2 shows a second embodiment of the present invention, in which the granulation process of the previous embodiment is supplemented with a process of crushing or pulverizing the powdered raw material to make it finer.
粉体原料の中で、例えばフライアッシュ(石炭灰)、シラス等の火山灰、火山泥、下水汚泥焼却灰等は、活性が微弱で単体ではジオポリマー組成物の原料には使用できない原料であるが、これらの粉体原料は解砕または粉砕により微細化することにより活性を増加できる。 Among powdered raw materials, for example, fly ash (coal ash), volcanic ash such as Shirasu, volcanic mud, and sewage sludge incineration ash have low activity and cannot be used alone as raw materials for geopolymer compositions, but the activity of these powdered raw materials can be increased by reducing their size by crushing or grinding.
本実施形態は、前述のような活性微弱な粉体原料を解砕または粉砕操作する工程を含むものである。即ち、本実施形態の造粒工程では、図2に示すように、まず粉体原料と水とを混合し(S10)、周知のボールミル等により解砕操作を行う(S11)。次に、解砕処理された粉体原料及び水にバインダーを加えて混練し(S12)、スラリーを生成する(S13)。その際、他の粉体原料として一種または二種以上の活性フィラーを加えたり、水を増量するようにしてもよい。次に、前記第1の実施形態と同様、スラリーをスプレードライ機に投入し(S14)、所定温度(180℃以上550℃以下)の熱風中に噴霧することにより(S15)、噴霧されたスラリーが瞬時に乾燥するとともに、角のない球形に造粒され(S16)、顆粒状のジオポリマー原料組成物が得られる。 This embodiment includes a process for crushing or pulverizing the weakly active powdered raw material described above. Specifically, in the granulation process of this embodiment, as shown in Figure 2, the powdered raw material and water are first mixed (S10), and crushed using a well-known ball mill or the like (S11). Next, a binder is added to the crushed powdered raw material and water, and the mixture is kneaded (S12) to produce a slurry (S13). At this time, one or more active fillers may be added as other powdered raw materials, or the amount of water may be increased. Next, as in the first embodiment, the slurry is placed in a spray dryer (S14) and sprayed into hot air at a predetermined temperature (180°C to 550°C) (S15). The sprayed slurry dries instantly and is granulated into cornerless spherical shapes (S16), yielding a granular geopolymer raw material composition.
このように、本実施形態によれば、粉体原料のうち少なくとも一部の粉体原料を解砕または粉砕により微細化して造粒するようにしたので、活性が微弱な原料の活性を増加させることができ、ジオポリマー組成物の原料として使用可能な原料の選択の範囲を広げることができる。特に、フライアッシュ(石炭灰)、火山灰、火山泥等は材料費が安価であるため、これらの原料の含有量を多くすることにより、ジオポリマー組成物全体の製造コストを低減することができる。 In this way, according to this embodiment, at least a portion of the powdered raw materials is pulverized or crushed to a fine powder and then granulated, which makes it possible to increase the activity of weakly active raw materials and expand the range of raw materials that can be used as raw materials for geopolymer compositions. In particular, fly ash (coal ash), volcanic ash, volcanic mud, etc. are inexpensive materials, so by increasing the content of these raw materials, the overall manufacturing cost of the geopolymer composition can be reduced.
また、解砕または粉砕処理に使用した水を原料に含有させたまま造粒に用いることができるので、活性が微弱または不活性な原料を用いる場合でも効率よく製造することができる。 In addition, the water used in the crushing or pulverization process can be used for granulation while still containing the raw materials, allowing for efficient production even when using weakly active or inactive raw materials.
尚、前記第2の実施形態では、活性が微弱な原料を解砕により微細化するようにしたものを示したが、活性フィラーを解砕または粉砕して活性をより高めるようにしてもよい。 In the second embodiment, a raw material with low activity is pulverized to make it finer, but the active filler may also be pulverized or crushed to further increase its activity.
また、前記第1及び第2の実施形態では、原料のスラリーを熱風中に噴霧して乾燥させる、いわゆるスプレードライ造粒法を用いたものを示したが、これ以外の方法として、例えば、スラリーを複数の開口を介して押し出すとともに粒状に切断することにより造粒する押出造粒法、粉体原料を回転ドラムや転動鍋の中で転動させながらバインダーまたは水を噴霧して造粒する転動造粒法、粉体原料を回転するブレードで撹拌しながらバインダーまたは水を添加して造粒する攪拌造粒法、粉体を流動化させるとともにバインダーまたは水を噴霧して粒子を結合させる流動層造粒法等、他の造粒法を用いるようにしてもよい。 In addition, the first and second embodiments described above use the so-called spray-drying granulation method, in which a slurry of raw materials is sprayed into hot air and dried. However, other granulation methods may also be used, such as an extrusion granulation method in which the slurry is extruded through multiple openings and cut into granules to form granules; a tumbling granulation method in which powdered raw materials are tumbling in a rotating drum or tumbling pan while being sprayed with a binder or water to form granules; an agitation granulation method in which powdered raw materials are agitated with a rotating blade while being granulated by adding a binder or water; and a fluidized bed granulation method in which the powder is fluidized and a binder or water is sprayed on to bond the particles.
以下、本発明の実施例1~3を示す。尚、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。 Examples 1 to 3 of the present invention are shown below. Note that the present invention is not limited to these examples.
[使用原料]
実施例1~3のジオポリマー組成物は、粉体原料として、フライアッシュ、メタカオリン及びシリカフュームを用い、バインダーとして珪酸ナトリウム水溶液を用いた。
[Raw materials used]
The geopolymer compositions of Examples 1 to 3 used fly ash, metakaolin, and silica fume as powder raw materials, and a sodium silicate aqueous solution as a binder.
[原料の割合]
実施例1は、粉体原料の総重量が1kg、バインダーが0.02kg、水が1kgとした。これにより、粉体原料に対するバインダーの割合は2重量%、粉体原料に対する水の割合は100重量%である。
[Ratio of ingredients]
In Example 1, the total weight of the powder raw materials was 1 kg, the binder was 0.02 kg, and the water was 1 kg. As a result, the ratio of the binder to the powder raw materials was 2 wt %, and the ratio of the water to the powder raw materials was 100 wt %.
実施例2は、粉体原料の総量が400kg、バインダーが2kg、水が316kgとした。これにより、粉体原料に対するバインダーの割合は0.5重量%、粉体原料に対する水の割合は79重量%である。 In Example 2, the total amount of powdered raw materials was 400 kg, the binder was 2 kg, and the water was 316 kg. This resulted in a binder ratio of 0.5% by weight to the powdered raw materials, and a water ratio of 79% by weight to the powdered raw materials.
実施例3は、粉体原料の総重量が400kg、バインダーが8kg、水が295kgとした。これにより、粉体原料に対するバインダーの割合は2重量%、粉体原料に対する水の割合は74重量%である。 In Example 3, the total weight of the powdered raw materials was 400 kg, the binder was 8 kg, and the water was 295 kg. This resulted in a binder ratio of 2% by weight to the powdered raw materials, and a water ratio of 74% by weight to the powdered raw materials.
尚、各実施例1~3においては、バインダーとしての珪酸ナトリウム水溶液中の固体成分質量をバインダー質量とし、珪酸ナトリウム水溶液中の水の部分の質量は水の質量中に含むものとした。 In each of Examples 1 to 3, the mass of the solid components in the aqueous sodium silicate solution used as a binder was taken as the binder mass, and the mass of the water in the aqueous sodium silicate solution was included in the mass of water.
[造粒]
実施例1~3について、スプレードライ法により、粉体原料を熱風中に噴霧して乾燥させる造粒操作を実施した結果、図3乃至図5に示す顆粒状の造粒物が生成された(図3は実施例1、図4は実施例2、図4は実施例3)。この場合、熱風の温度は、実施例1では200℃、実施例2及び3では500℃とした。
[Granulation]
In Examples 1 to 3, a granulation operation was carried out by spray drying, in which the powder raw material was sprayed into hot air and dried, resulting in the production of granular granules shown in Figures 3 to 5 (Figure 3 is Example 1, Figure 4 is Example 2, and Figure 5 is Example 3). In this case, the hot air temperature was 200°C in Example 1 and 500°C in Examples 2 and 3.
造粒の結果、実施例1~3の造粒物はいずれも平均粒径が10μm以上であった。また、実施例2及び3は、粉体原料の総重量が400kgのものについて実施しているが、いずれも良好に顆粒化していることから、量産可能であることが確認された。 As a result of granulation, the granulated products of Examples 1 to 3 all had an average particle size of 10 μm or more. Furthermore, Examples 2 and 3 were carried out using powder raw materials with a total weight of 400 kg, and all were granulated well, confirming that mass production is possible.
[圧縮強度試験]
図6は、圧縮強度試験の結果を示す図である。実施例1について、常温養生(材齢14日)の条件において圧縮強度試験を行ったところ、圧縮強度が47.4MPaの性能が得られた。実施例1と同等の配合の粉体原料にアルカリ水溶液を加えて練混ぜた比較例1は、流動性が低いことから均一な供試体が作製できず、圧縮強度が22.3MPaに留まった。
[Compression strength test]
6 shows the results of a compressive strength test. A compressive strength test was conducted on Example 1 under room temperature curing conditions (material age: 14 days), resulting in a compressive strength of 47.4 MPa. Comparative Example 1, in which an alkaline aqueous solution was added to a powder raw material with the same composition as Example 1 and mixed, had low fluidity, making it impossible to prepare a uniform specimen, and the compressive strength was only 22.3 MPa.
Claims (10)
ことを特徴とするジオポリマー原料組成物。 A geopolymer raw material composition characterized by being obtained by granulating some or all of the powder raw materials of a geopolymer composition.
ことを特徴とする請求項1記載のジオポリマー原料組成物。 The geopolymer raw material composition according to claim 1, characterized in that the average particle size is 10 μm or more.
前記粉体原料に水、アルカリ溶液及びバインダーのうち少なくとも一つを混合して得られるスラリーを熱風中に噴霧するとともに、瞬時に乾燥させることにより造粒する
ことを特徴とするジオポリマー原料組成物の製造方法。 A method for producing a geopolymer raw material composition obtained by granulating some or all of the powder raw materials of the geopolymer composition,
A method for producing a geopolymer raw material composition, characterized in that a slurry obtained by mixing at least one of water, an alkaline solution, and a binder with the powder raw material is sprayed into hot air and instantly dried to granulate.
ことを特徴とする請求項3記載のジオポリマー原料組成物の製造方法。 The method for producing a geopolymer raw material composition according to claim 3, characterized in that the temperature of the hot air is 180 ° C or more and 550 ° C or less.
ことを特徴とする請求項3記載のジオポリマー原料組成物の製造方法。 The method for producing a geopolymer raw material composition according to claim 3, characterized in that the ratio of the binder to the powder raw material is 0.2% or more and 20% or less.
ことを特徴とする請求項3記載のジオポリマー原料組成物の製造方法。 The method for producing a geopolymer raw material composition according to claim 3, characterized in that the ratio of water to the powder raw material is 40% or more and 200% or less.
ことを特徴とする請求項3記載のジオポリマー原料組成物の製造方法。 The method for producing a geopolymer raw material composition according to claim 3, characterized in that at least a portion of the powder raw material is pulverized or crushed to form fine particles.
ことを特徴とする請求項3記載のジオポリマー原料組成物の製造方法。 The method for producing a geopolymer raw material composition according to claim 3, characterized in that alkaline waste liquid is used for part or all of the binder and water.
ジオポリマー原料組成物に水またはアルカリ溶液を加えて硬化させることによりジオポリマー組成物を生成する
ことを特徴とするジオポリマー組成物の製造方法。
Using the geopolymer raw material composition according to claim 1 or 2,
A method for producing a geopolymer composition, comprising adding water or an alkaline solution to a geopolymer raw material composition to harden the composition, thereby producing a geopolymer composition.
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