JP2003201157A

JP2003201157A - 高強度軽量骨材の製造方法

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Publication number: JP2003201157A
Application number: JP2001403162A
Authority: JP
Inventors: Kaoru Kimura; 薫木村
Original assignee: NEO MATERIAL KK
Current assignee: NEO MATERIAL KK
Priority date: 2001-12-29
Filing date: 2001-12-29
Publication date: 2003-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】黒芯現象のない高強度軽量骨材を、できるだ
け少ない手間により有利に製造する。【解決手段】レス及びＳｉＣの混合物を粉砕した後、
成形し、焼成するにあたり、上記混合物を二分し、一方
には湿式粉砕を、もう一方には乾式粉砕を行い、両粉砕
物を混練し真空押し出し成形により成形する。また、上
記混合物を乾式粉砕した後、水分を添加し、ブリケット
マシンにより成形することもできる。さらに、発泡助剤
を添加することもできる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、構造用軽量コンク
リートに用いて好適な高強度軽量骨材の製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】軽量コンクリートは普通コンクリートと
比較して軽量化ができ、断熱性に優れるなどの利点があ
る。また、高強度で軽量なコンクリートを高層建築物、
高速道路、大スパンの橋粱等に用いれば、上部構造の軽
量化が可能となって地震などの外力に対して有利にな
る。そこで、かかる軽量コンクリートに用いられる骨材
については軽量で高強度であることが要請されている。

【０００３】人工軽量骨材は、骨材の内部に空隙を有し
表面が緻密なガラスで覆われた軽くて強い骨材であり、
膨張粘土や膨張頁岩等を原料とし、粉砕、造粒、焼成の
工程を経て製造されている。その焼成の際に、原料中に
含まれるＣａＣＯ_３の解離や、鉄酸化物及び炭素の反応
等により発生したＣＯ_２等のガスを内部に閉じ込めるこ
とにより発泡させ、空隙を形成している。

【０００４】すなわち、人工軽量骨材の原料の一つであ
る膨張粘土は、レス（ｌｏｅｓｓ）が多年にわたり有機
物や微生物により土壌化したものであり、熱分解による
ガスを発生する鉱物や粘土が含まれているとともに有機
物や炭化物という炭素源を有している。そのため、焼成
時にはこの炭素により鉱物中の鉄分Ｆｅ_２Ｏ_３が還元さ
れてＦｅＯになり、鉱物の融点が低下することによりガ
ラス化し易くなる。かような状態において鉱物の熱分解
や鉄分の還元反応より生じたガスが固相中に閉じ込めら
れて発泡している。膨張粘土は世界中から産出され、北
欧では古くから軽量骨材用原料として断熱ブロック等が
製造され、また、中国では黄河堆積物などを原料として
断熱ブロック等が製造されている。かかる膨張粘土を構
造用軽量骨材に用いる場合には、高密度成型が可能な押
し出し成型機を用い、発泡をコントロールすることによ
って良好な特性が得られる。

【０００５】また、より高強度な軽量骨材の原料として
頁岩がある。頁岩は、膨張粘土が何層にも堆積された結
果、地圧あるいは変性作用を受けて地質的時間の経過に
より硬化し岩石化したものである。頁岩の鉱物組成や加
熱に対する性質は、膨脹粘土の場合と類似していて、膨
張粘土の場合と同様の原理で発泡する。頁岩は、原料密
度が高いため強度を必要とする構造用軽量骨材に主とし
て利用され、かかる頁岩を原料とした構造用人工軽量骨
材がアメリカや日本で多く生産されている。

【０００６】このように、膨張粘土や頁岩を原料とした
従来の軽量骨材においては、焼成工程における加熱溶融
時にＦｅ_２Ｏ_３が炭素還元によりＦｅＯとなって原料鉱
物の溶融により形成されるガラスの粘性を下げ、そのと
き粘土鉱物の分解、反応等により発生するガスによって
発泡させている。しかしながら、かかる発泡機構によれ
ば、焼成工程の加熱時に、原料鉱物からガラスが生成す
る前の段階で既にガスが発生している。そのため、ガス
が溶融ガラスの内部に閉じ込められることなく逸散し勝
ちであり、気孔は、外部と連通して形成され易い。ま
た、焼成雰囲気が還元気味になると、粒内部の炭素源と
鉄酸化物との反応によるＦｅＯの生成によりガラス部の
粘性低下が局所的に生じ、生成した気泡の間の壁が容易
に破壊されて連続気泡になり易い。これらのことから、
従来の軽量骨材では、バランスのとれた条件が揃わない
限り独立気泡の構造を得ることは難しく、吸水率が高く
比強度が小さな、性能の劣る骨材となる場合があった。

【０００７】上述のような発泡機構とは全く異なる、新
規な発泡機構を利用した軽量骨材の製造方法が特開２０
００−２２６２４２号公報に開示されている。この公報
に開示された軽量骨材の製造方法では、膨張粘土、黄土
又は黄河堆積物を原料とし、これに発泡剤としてＳｉＣ
を加えて微粉砕し緻密成形した後に焼成することにより
発泡した軽量骨材を得ている。この製造方法によれば、
ＳｉＣはガラス化温度より低い温度ではほとんど反応し
ないので連通気泡になり難く、独立気泡を生じさせ易い
ので高強度で軽量の骨材が得られるとされている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記掲
特開２０００−２２６２４２号公報に記載された技術に
おいては、軽量骨材の原料として中国大陸などから容易
に入手できる膨張粘土や黄土や黄河堆積物を用いてい
る。かかる原料のうち膨張粘土及び黄河堆積物は、いず
れも炭化物や炭素源となる有機物を多く含有している。
そのため、膨張粘土や黄河堆積物を原料に用いた場合に
は、炭素と鉄含有鉱物との反応による発泡が生じ、骨材
の芯部に気泡径が極端に大きな黒色の発泡部分が生じる
おそれがあった。

【０００９】かかる現象は黒芯現象と呼ばれ、前記特開
２０００−２２６２４２号公報に開示の技術では、この
黒芯現象を回避するために、膨張粘土や黄河堆積物のよ
うな有機物を多量に含有する原料を予め仮焼したり、焼
成工程における昇温速度を低下させたりすることによ
り、発泡が生じる温度に達する前に炭素分を優先的に酸
化除去している。そのため、仮焼や焼成時の昇温速度の
低下などにより、生産性が低下し、また、手間やコスト
がかさむことが問題となっていた。

【００１０】また、黄河で水分級されたシルト質部分や
砂を主体にした黄土を原料に用いた場合には、黒芯現象
の発生原因である粘土成分が少ないので黒芯現象は抑制
される。しかし、シルト質部分や砂を主体にした黄土
は、粒度が粘土に比べて粗いことから、所期した発泡性
状を得るためには微粉砕しなければならず、その微粉砕
をする手間及びコストがかさむことが問題となってい
た。

【００１１】そこで、本発明は、上記の問題を有利に解
決するものであり、黒芯現象のない高強度軽量骨材を、
できるだけ少ない手間により有利に製造することができ
る方法を提案することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明は、レス及びＳｉ
Ｃの混合物を粉砕した後、成形し、焼成する高強度軽量
骨材の製造方法であって、上記混合物を二分し、一方に
は湿式粉砕を、もう一方には乾式粉砕を行い、両粉砕物
を混練し真空押し出し成形により成形することを特徴と
している．

【００１３】また、本発明は、レス及びＳｉＣの混合物
を粉砕した後、成形し、焼成する高強度軽量骨材の製造
方法であって、上記混合物を乾式粉砕した後、水分を添
加し、ブリケットマシンにより成形することを特徴とし
ている．

【００１４】更に、本発明においては、上述したレス及
びＳｉＣの混合物に、発泡助剤を添加することができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明では、原料の一つにこれま
で資源として有効活用されていなかった、土壌化してい
ないレスを積極的に利用する。レス（ｌｏｅｓｓ）は、
風化堆積物とも呼ばれ、気候の厳しい砂漠地帯の周辺に
おいて風化した砂塵の微粒部分が風によってふるい分け
られながら運搬され長い年月によって堆積したものであ
る。西アジアの砂漠から運ばれ中国に堆積したものは黄
土と呼ばれている。アメリカにおいても中西部には砂漠
から運ばれた細粒のシルトや塵が堆積して草原や牧草地
帯を形成していて、その地方ではアドベ（ａｄｏｂｅ）
と呼ばれている。また、レスの供給源として過去の氷河
及び融氷流水堆積物中の岩粉があり、氷床後退期に風に
舞上げられて周辺の地域に堆積している。これらは北
欧、東欧、ロシア平原に広く分布していて、フランスや
ドイツにも局所的に偏在している。これらのレスは、多
数の岩石鉱物が混在したものであり、その化学組成は地
上鉱物を平均化したものである。

【００１６】乾燥地帯や高地の寒暖の厳しい地域などの
ように、気候が厳しく微生物の生息も少なく植物も生息
しない地域では、レスの土壌化が進行せずにそのまま微
砂のままでいるものがある。中国の黄土高原は５０００
年の中国の歴史により人為的に植生が破壊され不毛地帯
となったが、一度破壊された緑地は蘇ることがなく、そ
の砂漠化は年々北京の方に迫っている。その堆積物はｌ
ｏｅｓｓの一種でありその層高は数十ｍから数百ｍあ
り、その断面にはかなり色の白い鉄分の少ない層が多々
ある。

【００１７】このような土壌化していないレスは、有機
物が少ない。したがって、本発明に従いレスを軽量骨材
の原料に用いることにより、有機物による黒芯現象の発
生が抑制される。また、かようなレスは、シルト質や砂
に比べて微粉であるため、粉砕エネルギーが少なくて済
む。更に、レスのうち白色を呈するものは鉄分が少ない
ものであり、脱鉄処理を行わなくとも黒芯現象を起こさ
ない場合があるので、より有利である。

【００１８】なお、レスが多年にわたり有機物や微生物
により土壌化したものが膨張粘土であり、膨張粘土は有
機物を多く含み、焼結時に発泡するため軽量骨材の原料
となり得るが、黒芯現象の問題があることは既に述べた
とおりである。本発明で用いる黄土の成分組成を、従来
の軽量骨材原料である膨張粘土及び頁岩と比較して表１
に示す。

【００１９】

【表１】

【００２０】本発明においては、先に詳述したレスにＳ
ｉＣを加えて混合する。このＳｉＣは焼成時の高温下に
おいて周囲の溶融ガラスと酸化反応しＣＯ_２等のガスを
発生させることから、発泡剤として用いている。ＳｉＣ
の添加量は、レスの組成にもよるが、およそ０．１％〜
２．０％程度である。０．１％よりも少ないと添加効果
が十分でなく、２．０％よりも多い過剰な添加では異常
発泡する．

【００２１】レス及びＳｉＣの混合物は、微粉砕する。
焼結前の原料が微粉であればあるほど、焼結時の粒界部
分が小さくなって発生する気泡も小さくなり、独立気泡
の割合が増加することから、吸水率が小さく高強度の骨
材が得られるために好ましい。そこで、従来はできるだ
け微粉砕をするため主に湿式ボールミルを用いて粉砕し
ていた。しかし、かかる湿式粉砕の後の脱水処理が大き
な負担であった。

【００２２】そこで本発明では乾式粉砕をも併用し、す
なわち、混合物を二分し、一方には湿式ボールミル等に
よる湿式粉砕を、もう一方には乾式チューブミル等によ
る乾式粉砕を行って、両粉砕物を混練する。このよう
に、湿式粉砕により得られた粉砕物に、乾式粉砕により
得られた粉砕物を加えて混合することにより、粉砕物全
体の含水率は相対的に低下することになる。そして、混
練後の粉砕物は真空押し出し成形に供する。真空押し出
し成形を用いることにより、粉砕物は脱水されるととも
に緻密成形が行われる。かくして、湿式粉砕後の脱水処
理を省略することが可能となる。真空押し出し成形後
は、常法に従い乾燥させた後に破砕し、粗骨材サイズに
分級してから焼成を行う。

【００２３】また、本発明では、湿式粉砕を行わず、す
なわち、混合物を乾式粉砕した後、水分を添加し、ブリ
ケットマシンにより成形することもできる。チューブミ
ル等により乾式粉砕のみを行うことにより、脱水処理を
省略することができ、粉砕の労力、コストを大幅に低減
させることが可能となる。乾式粉砕後は、ハンドリング
のための最低限の水分３〜７％を加え、ブリケットマシ
ンで成形し、その後は常法に従い焼成を行う。

【００２４】更に、本発明では、レス及びＳｉＣの混合
物に、発泡助剤を添加することができる。発泡助剤を添
加することにより原料の発泡を促進させることができ、
そのため、乾式粉砕を用いる結果として粉砕粒度が粗く
なることに伴い懸念される、独立気泡の割合の低下を回
避することができる。また、独立気泡の割合が低下しな
い場合であっても、発泡助剤を添加すれば、独立気泡の
割合を更に向上させることができることから、より吸水
率が少なく、高強度の軽量骨材を得ることができる。

【００２５】かかる発泡助剤としては、火山ガラスや火
山灰等のアルカリ含有非晶質材料、長石等のアルカリ含
有鉱物、沸石、廃棄ビンガラスがあり、これから選ばれ
る一種又は二種以上を添加することができる。廃棄ビン
ガラスを用いる場合には、リサイクルによる資源の有効
活用という面からもメリットがある。これらの発泡助剤
の好適な配合割合は、５〜３０ｍａｓｓ％である。表２
に、本発明で用いることのできる発泡助剤の具体例を、
その成分組成とともに示す。

【００２６】

【表２】

【００２７】実験室にてレスに表３に示す種々の割合の
発泡助剤を添加して乾式チューブミルにより混合粉砕
し、成形してから、電気炉にて焼成する実験を行った。
その時の焼成温度と得られた骨材の特性を調べた結果に
ついて表４に示す。表４より、発泡助剤を添加すると吸
水率が少なく、高強度の骨材が得られることがわかる。

【００２８】

【表３】

【００２９】

【表４】

【００３０】次に、レスに発泡助剤として火山ガラスと
して、シラス、抗火石、パーライト等を種々の比率で配
合し、混合粉砕後、成形、焼成して得られた骨材につい
て、吸水率を調べた結果を表５及び表６に示す。なお、
表５は焼成温度が１１４０℃、表６は焼成温度が１１５
０℃の場合であり、いずれの場合もＳｉＣを０．２ｍａ
ｓｓ％添加している。これらの表から吸水率の変化をみ
ると、火山ガラスの添加量が少なくなると吸水率が多く
なっている。したがって、火山ガラスを添加することが
吸水率の改善に有効であることがわかる。

【００３１】

【表５】

【００３２】

【表６】

【００３３】

【実施例】（実施例１）黄土：８０部、長石：２０部、
ＳｉＯ：０．２部を原料とし、この原料を２トン湿式ボ
ールミルに入れ、さらに水を１５０部加え、アルミナボ
ールを媒体として１２時間粉砕し平均粒径７μｍのスラ
リーとした。一方、同一組成の原料を乾式粉砕として鉄
媒体を使用しチューブミル（連続式）にて連続粉砕し平
均粒径１２μｍの乾粉にした。湿式ミルは超微粉化に適
しているが量産においては鉄球を用いた乾式ミルが適し
ている。そこで両者の利点を生かしスラリー重量１００
部に対し乾粉重量を２００部をパグミルで混合したのち
マーラー（エッジランナーの一種）で混練して含水率３
２％程度の練り土を得て、それを真空押し出し成形機に
かけた。この真空押し出し成形では、６０ｍｍ角程度の
金型を使用し帯状の成形体を得た。その後、バンド乾燥
機で乾燥させた。含水率が３％以下になったら、成形体
をロールブレーカーで粒径２０ｍｍ以下に破砕した。粒
径２０ｍｍ〜５ｍｍのものは粗骨材の原料とし、５ｍｍ
以下のものは空気分級によりおよそ０．５ｍｍ以下の乾
燥微粉を除去して細骨材原料とした。空気分級によって
得た乾燥微粉は再度パグミルへ回した。骨材原料を長さ
１０ｍ、直径１．２ｍのロータリーキルンにて焼成し高
強度軽量骨材を得た。かくして得られた骨材の特性は表
７に示すとおりであった。

【００３４】

【表７】

【００３５】（実施例２）乾燥した天然のままの黄土：
９０部、廃棄ビンガラス：２０部及びＳｉＣ：０．２部
をチューブミルで連続粉砕し粒径１２μｍの乾燥微粉を
得た。それに水３％を加えエッジランナーで混合練りし
て水分を一定にしたのち一昼夜寝かした（エイジン
グ）。そして、それをブリケットマシンにかけ厚さ４０
ｍｍ幅及び長さ５０ｍｍに成形し、ロールブレーカーに
て破砕し２０ｍｍ〜５ｍｍと５ｍｍ以下に分級した。そ
れを上記と同じロータリーキルンで焼成した。かくして
得られた骨材の特性は表８に示すとおりであった。

【００３６】

【表８】

【００３７】（実施例３）アメリカのカリフォルニア州
の北部にある砂漠の土：８０部にロッキー山脈にある火
山灰（主にガラス質の軽石混じりの砂）：２０部、Ｓｉ
Ｃ：０．２部を混合し乾式ボールミルにて粉砕混合し
た。粉砕メディアは鋼球を使用した。粒度は１５μｍで
あった。それを、リボンミキサーにて水を５部加えて混
合し、一昼夜エイジングした。そして、ブリケットマシ
ンで造粒しバンド乾燥機にて乾燥したのちロータリーキ
ルンで焼成した。かくして得られた骨材の特性は表９に
示すとおりであった。

【００３８】

【表９】

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、黒芯現象のない高強度
軽量骨材を、微粉砕や脱水処理に要する手間、コストを
できるだけ少なくして製造することができるので、その
効果は大きい。そして、本発明では、風化堆積物の微粉
性を活用して、レスという未利用資源を有効に利用する
ことができるので、社会に貢献することが可能になる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】レス及びＳｉＣの混合物を粉砕した後、
成形し、焼成する高強度軽量骨材の製造方法であって、
上記混合物を二分し、一方には湿式粉砕を、もう一方に
は乾式粉砕を行い、両粉砕物を混練し真空押し出し成形
により成形することを特徴とする高強度軽量骨材の製造
方法。
【請求項２】レス及びＳｉＣの混合物を粉砕した後、
成形し、焼成する高強度軽量骨材の製造方法であって、
上記混合物を乾式粉砕した後、水分を添加し、ブリケッ
トマシンにより成形することを特徴とする高強度軽量骨
材の製造方法。
【請求項３】レス及びＳｉＣの混合物に、発泡助剤を
添加することを特徴とする請求項１又は２記載の高強度
軽量骨材の製造方法。