JPH07124535A

JPH07124535A - 燃焼灰の硬化凝結剤、及び建築材の製造方法

Info

Publication number: JPH07124535A
Application number: JP5274306A
Authority: JP
Inventors: Yonemi Sano; 米実佐野
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1993-11-02
Filing date: 1993-11-02
Publication date: 1995-05-16

Abstract

(57)【要約】【構成】セメントを主剤とし、分散流動剤・減水剤とし
てリグニンスルホン酸塩を、また硬化促進剤として石
灰，石膏及び珪酸塩を、それぞれ前記主剤に対し調和混
合する助剤として組成してなることを特徴とする燃焼灰
の硬化凝結剤に存する。【効果】燃焼灰を建築材として再利用するに際し、必要
最低量のセメントを使用して硬化凝結させることがで
き、コストを低減することが可能となり、また、各建築
材に要求される諸々の条件を満たすことができ、しか
も、今後ますます社会問題化する燃焼灰処理の一助にも
なる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、火力発電所から排出す
る微粉石炭灰であるいわゆるフライアッシュや、塵芥焼
却炉より排出する燃焼灰、それに火山噴火によって噴出
する火山灰等の各種燃焼灰を硬化凝結させ、該燃焼灰を
建築材の骨材として再利用するための燃焼灰の硬化凝結
剤、及び該硬化凝結剤を用いて製造された建築材に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、微粉炭燃焼ボイラーの煙道ガスか
ら収塵機で採取するフライアッシュや、塵芥焼却炉より
排出する燃焼灰、その他、火山灰等は、一部埋立地等に
投棄を行っているが、この種の方法も限度のある処理方
法である。従って、適切に処理仕切れない燃焼灰がゴミ
公害の原因として問題化しつつあった。

【０００３】そこで、最近、燃焼灰の処理や利用方法等
についての種々の研究・検討がなされており、その代表
的なものとして、燃焼灰を建築材の骨材として有効に再
利用するという考えが提案されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、各種燃
焼灰を建築材の骨材として再利用するには、以下のよう
な問題点があった。すなわち、フライアッシュに代表さ
れるように高温度で燃焼された灰の表面形状は、ベアリ
ング状に球形化している。そのため、安価なポルトラン
ドセメント（以下、単に「セメント」と略す。）を硬化
剤として用い、燃焼灰を硬化凝結せしめて、再利用製品
が必要とする所定強度の発現をみるには、多量のセメン
トを必要とする。それにより、建築材の製造原価が押し
上げられ商品化は不可能であり、その一方、普通のコン
クリートと同様のセメント使用量では強度の発現は困難
であるという問題点があった。

【０００５】また、燃焼灰を建築材として再利用するに
は、各建築材に要求される諸々の条件が満たされなけれ
ばならない。具体的には、歩道用ブロックに例をとる
と、要求される圧縮強度は50kgf/cm² 以上であり、ま
た、吸水率は10% 以内と言うように目的とする建築材に
合致した条件の製品でなければならない。従って、これ
らの条件を満たして、はじめて燃焼灰の再利用が可能と
なるため、この全ての条件を満たすような燃焼灰の硬化
凝結剤の出現が切望されていた。

【０００６】従来、一般的に考えられる高強度を発現さ
せる凝結法には、エマルジョン化した合成樹脂を燃焼灰
に添加する方法があるが、低価格を本来とする燃焼灰骨
材（以下、「骨材」とする。）には高価格で利用できな
い。他に、石膏硬化法、石灰硬化法、水硝子硬化法等の
土木工事、建築工事で一部的に利用されている方法もあ
る。しかし、これらの方法は低価格ではあるが、再利用
する骨材が要求強度に達し得ず利用できないという問題
点があった。

【０００７】他に残された低価格の方法は、一般的なセ
メントを利用する方法である。だが、発明者の実験で
は、セメント単体で強度を発現させるには骨材１に対し
てセメント１以上の混入量を必要とする。従って、如何
に安価なセメントと言えども価格的に採用できる方法で
はない。

【０００８】本発明は、このような従来の問題点に着目
してなされたもので、燃焼灰を建築材として再利用する
に際し、必要最低量のセメントを使用して硬化凝結させ
ることができ、コストを低減することが可能となり、ま
た、各建築材に要求される諸々の条件を満たすことがで
き、しかも、今後ますます社会問題化する燃焼灰処理の
一助にもなる燃焼灰の硬化凝結剤、及び建築材の製造方
法を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】かかる目的を達成するた
めの本発明の要旨とするところは、各種の燃焼灰を硬化
凝結させ、該燃焼灰を建築材の骨材として再利用するた
めの燃焼灰の硬化凝結剤であって、セメントを主剤と
し、分散流動剤・減水剤としてリグニンスルホン酸塩
を、また硬化促進剤として石灰，石膏及び珪酸塩を、そ
れぞれ前記主剤に対し調和混合する助剤として組成して
なることを特徴とする燃焼灰の硬化凝結剤に存する。

【００１０】また、別の観点からの本発明の要旨とする
ところは、前記硬化凝結剤を燃焼灰に混入し、前記硬化
凝結剤と燃焼灰との混合物を硬化凝固させることを特徴
とする建築材の製造方法に存する。

【００１１】以上のように本発明は、主剤としてセメン
トを利用する硬化凝結剤等であるが、必要最低量のセメ
ントを使用して硬化凝結させることが可能であり、コス
トを大幅に低減できるものである。すなわち、球形化し
て粘着性を無くしたフライアッシュ等の骨材に所定の助
剤を添加し、加えたセメントの硬化凝結反応を助長し
て、高い硬度を発現させるものである。

【００１２】なお、本発明において、添加する全ての物
質は、動植物に害が無く、一次公害や二次公害をも発生
しない物質を採用することが条件である。

【００１３】

【作用】本発明に係る燃焼灰の硬化凝結剤は、セメント
を主剤とし、これに分散流動剤・減水剤としてリグニン
スルホン酸塩を、また、硬化促進剤として石灰，石膏及
び珪酸塩を、それぞれ助剤として混入し、互いに調和混
合させて得ることができる。

【００１４】こうして得られた硬化凝結剤を、球形化し
て粘着性を無くしたフライアッシュ等の燃焼灰から成る
骨材に添加すると、骨材とセメント、それに各助剤との
水和反応等の種々の化学反応が平行して起こり、互いに
影響し合って、球形化していた燃焼灰の表面に突起状生
成物が析出する。

【００１５】そして、燃焼灰の表面に生じた突起状生成
物が、燃焼灰の表面を粘着性に富む凸凹形状に変化させ
る。それにより、球状化していた骨材の相互間の接着性
を高めることができ、セメントの使用量を少量化するこ
とを可能とするとともに、高い硬度を発現させることが
できる。

【００１６】前記硬化凝結剤を各種の燃焼灰に混入し
て、前記硬化凝結剤と燃焼灰との混合物を硬化凝固させ
れば、必要最低量のセメントにて、廃棄物同然の燃焼灰
を再利用した安価な建築材を得ることが可能となる。従
って、建築材のコストを大幅に低減でき、さらに、今後
ますます社会問題化する燃焼灰処理の一助にもなる。

【００１７】

【実施例】以下、本発明に係る燃焼灰の硬化凝結剤の一
実施例について、具体的に説明する。燃焼灰の硬化凝結
剤は、各種燃焼灰を硬化凝結させ、該燃焼灰を建築材の
骨材として再利用するためのものであり、硬化材として
用いる主剤と、該主剤の硬化凝結反応を助長して高い硬
度を発現させる助剤とを組成してなる。

【００１８】主剤としては、水硬性のポルトランドセメ
ントに代表される通常のセメントが使用される。一方、
助剤には、分散流動剤・減水剤・粘着剤としては、リグ
ニンスルホン酸ナトリウム等のリグニンスルホン酸塩が
使用され、また、硬化促進材としては、消石灰等の石
灰、石膏、並びに珪酸アルミニウム等の珪酸塩が使用さ
れる。

【００１９】さらに詳しく言えば、先ず、主剤として用
いるセメントは、石灰石と粘土を主原料とし、これらを
微細に粉砕して調和混合した後、加熱・冷却処理して造
られるものである。その組成は、一般的に、3CaO・SiO₂/
50%、2CaO・SiO₂/26%、3CaO・Al₂O₃/9%、4CaO・Al₂O₃・Fe₂O₃/9
% 、他にCaSO₄ が標準的に含有されている。

【００２０】セメントの硬化反応については多くの技術
発表がなされているので、ここでは簡単に必要事項のみ
説明する。すなわち、セメントの硬化凝結は、いくつも
の水和反応が並行して起こり互いに影響しあって、各々
の水和物組織が微妙に変化し、その機構は単純なもので
はないが、セメントは水と速やかに反応して生じるセメ
ントゲルと呼ばれるゲル状水和物によって行われる。

【００２１】この水和反応では、ゲル状膜を通して水が
内部に拡散して膜内部に水和物層の発達が生じる。これ
は一般的にトポ化学反応と呼ばれている反応で、この反
応によって進行発達したセメントゲルは、骨材粒子間の
空隙を次第に埋めて結晶化しながら相互に橋渡しをし
て、強度を発現することが知られている。

【００２２】次に、各々の助剤について詳しく説明す
る。分散流動剤・減水剤として使用するリグニンスルホ
ン酸塩は、コンクリート用減水剤や土壌改良剤として一
般に市販されている製品であり、パルプ製造時に排出す
る廃液を処理して製造され食品香料のバニラの原料とし
て知られている。

【００２３】このリグニンスルホン酸塩は、例えば、リ
グニンスルホン酸のナトリウム塩、カルシウム塩、又は
マグネシウム塩であるが、このうちナトリウム塩を使用
するのが良い。何故なら、カルシウム塩等を使用しても
反応上同様であるが、後述する石灰、石膏とカルシウム
化合物を多く使用しているため、使用量に細心の注意を
払わないと白華現象を助長させる原因となるためであ
る。

【００２４】本実施例では、ナトリウム塩、即ちリグニ
ンスルホン酸ナトリウムを使っている。かかるリグニン
スルホン酸ナトリウムの使用量は後述するが、できる限
り最低必要量にする必要がある。何故ならば、セメント
硬化後に雨水等によって完成した製品からリグニンスル
ホン酸ナトリウムが溶出してしまい、その部分に空隙が
生じて製品強度に影響が出る危険があるためである。

【００２５】なお、他に粘着剤としては、ＣＭＣ（カル
ボキシメチルセルロース）、ポリビニルアルコール等の
糊剤が数多く知られており、市販されているが、何れも
分散性・流動性・減水性に欠ける。粘着剤としての利用
も化学的反応性がなく、製品化後におても、雨水等で溶
出する危険があり、強度だけでなく、防水性にまで影響
を及ぼす。

【００２６】また、硬化凝結剤の助剤として、硬化促進
剤を使用する目的は、前途した如く球状化している燃焼
灰である骨材を硬化させるには、多量のセメントを必要
とし、経済性が悪く採算に乗らないという従来の問題を
解決することにある。即ち、セメントの使用量を少量化
するためには、球状化した骨材の相互間の接着性を高め
る必要がある。

【００２７】これについて発明者は種々の実験を行なっ
た結果、石灰，石膏及び珪酸塩を硬化促進剤として適量
添加することによって、後述する如く球状化している燃
焼灰の表面を突起状に変化させることに成功した。本実
施例においては、石灰には、安価な消石灰を用いてお
り、石膏には、半水石膏(CaSO₄・¹/₂H₂O 焼石膏) を用い
ており、また、珪酸塩には、珪酸アルミニウムを用いて
いる。

【００２８】次に、燃焼灰である骨材に対する主剤、及
び各助剤の添加使用量を、具体的に例示する。 1) 主剤であるセメントの添加使用量は、燃焼灰である
骨材に対して25% 以下で、各種建築材に要求される全て
の目的強度を達成することができる。なお、用途別製品
の要求強度により添加量の調整は簡単に可能である。

【００２９】2) 助剤のうち分散流動剤・減水剤として
使用するリグニンスルホン酸塩は、本実施例ではリグニ
ンスルホン酸ナトリウムを用いており、その添加量は、
前記セメントに対して0.05〜0.1%が適量である。なお、
0.05% 以下では粘性の不足を来し、0.1%以上では硬化を
遅らせる作用が生じて、製品製造時に生産性や作業性が
低下するので注意を要する。

【００３０】3) 助剤のうち硬化促進剤の一つとして使
用する石灰は、本実施例では安価な消石灰を用いてお
り、その添加量は、前記骨材に対して0.5%〜1.0%が望ま
しい。なお、0.5%以下では反応不足が生じ、1.0%以上の
添加は未反応カルシウム分が長時間において、空気中の
炭酸ガスと反応して白華現象を起こし、美観を損じるば
かりでなく、強度の低下を起こす原因ともなる。

【００３１】4) 助剤のうち硬化促進剤の一つとして使
用する石膏は、本実施例では半水石膏(CaSO₄・1/2H₂O 焼
石膏) を用いており、その添加量は前記セメントに対し
てSO₃として２％以下で十分である。これ以上の添加は
セメントの凝結を遅延させる結果を招く。なお、石膏は
短期強度を高め乾燥収縮を減じ、化学的抵抗性を向上す
る等の効果も知られている。

【００３２】5) 助剤のうち硬化促進剤の一つとして使
用する珪酸塩は、本実施例では珪酸アルミニウムを用い
ており、これは天然品又は合成品の何れでも良い。その
添加量は、前記消石灰に対して20％以上、30％未満にす
べきである。30％以上の添加は無意味であり、却って、
未反応分が残留し強度劣化を招く危険がある。

【００３３】これら添加された各助剤は、主剤であるセ
メントの水和反応、トポ反応(Topo-chemical reaction)
を助長促進させるとともに、燃焼灰である骨材相互間に
架橋を形成して結晶化し、強固な強度の発現をみるもの
である。

【００３４】以下に、燃焼灰と硬化凝結剤との作用につ
いて説明する。本発明に係る硬化促進剤を、球形化して
粘着性を無くしたフライアッシュ等の燃焼灰から成る骨
材に添加すると、骨材とセメント、それに各助剤との水
和反応等の種々の化学反応が平行して起こる。

【００３５】燃焼灰に添加した消石灰の反応には、灰分
及び他に添加されているセメント、珪酸アルミニウム、
石膏等に水を加えて混合練込みを行った時に、弱酸性成
分、即ち珪酸分(SiO₂)やアルミナ分(Al₂O₃) が含まれて
いることが重要となる。消石灰と接触した珪酸分やアル
ミナ分は石灰液中に溶出し、石灰と反応して、カルシウ
ムシリケートハイドレート類(3CaO・SiO₂・nH₂O)、トバモ
ライト(Ca₅(Si₆O₁₈H₂)・4H₂O)や、カルシウムアルミネー
トハイドレート類(3CaO・Al₂O₃・nH₂O、4CaO・Al₂O₃・nH₂O)
等の新しい反応物を生成する。

【００３６】また、消石灰の一部は、混合物中に含まれ
ている炭酸分と反応して、炭酸カルシウムを生成する(C
a(OH)+CO₂ →CaCO₃+H₂O)。そして、生成した炭酸カルシ
ウムは、緻密化を促進すると共に新規反応物にも関与し
て、カルシウムアルミネート類とさらに反応して、カル
シウムアルミネートカーボネートハイドレート(3CaO・Al
₂O₃・CaCO₃・12H₂O、3CaO・Al₂O₃・3CaCO₃・32H₂O)を生成祈出
する。

【００３７】さらに、SiO₂とAl₂O₃ の双方を持つケーレ
ナイト水和物(2CaO・Al₂O₃・SiO₂・nH₂O)も生成析出して灰
表面に突起状に析出し、これらの反応物はその成長とと
もに、各粒子間の空隙を充填・緻密化を促進して粒子間
相互の結合を促し、一方、石膏(CaSO₄・¹/₂H₂O)は、一旦
水に溶解して石膏として析出する。

【００３８】常温付近における半水石膏は、結晶石膏(C
aSO₄・2H₂O)に比べて、著しく溶解度が高い。従って、半
水石膏に適量の水を加えて練ると、速やかに溶解して過
飽和状態で針状結晶が放射状に広がり、石膏の結晶がい
っきに析出する。それにより、消石灰の反応を助けると
ともに灰表面に突起状析出物を生成する。

【００３９】これら幾多の生成析出物が燃焼灰の表面形
状を変化させて、灰相互間に適当な空隙を作り出しコー
ポラス化する。そして、混入されている少量添加したセ
メントのセメントゲルが、次第に空隙を埋めるように結
晶化しながら架橋して、建築材として要求される高強度
を発現を見ることができる。

【００４０】以上のように、硬化凝結剤を燃焼灰に混入
して、硬化凝結剤と燃焼灰との混合物を硬化凝固させれ
ば、必要最低量のセメントにて、廃棄物同然の燃焼灰を
再利用した建築材を得ることが可能となる。従って、建
築材のコストを大幅に低減でき、さらに、今後ますます
社会問題化する燃焼灰処理の一助にもなる。

【００４１】最後に、フィリピン・ピナツボ火山灰、並
びに火力発電所から排出したフライアッシュを骨材とし
て、本実施例に係る硬化凝結剤を実際に用いて造られた
製品である建築材の配合例と、その製品強度の一例を示
す。

【００４２】1) 製品名：コンクリートブロック（規格
強度70.0kgf/cm² ）骨材火山灰 8,200.0gr 主剤ポルトランドセメント 1,900.0gr 助剤；分散流動剤・減水剤リグニンスルホン酸ナトリウム 1.5gr 助剤；硬化促進剤消石灰５７．０ｇｒ半水石膏７０．０ｇｒ珪酸アルミニウム 14.5gr 2) 製品名：コンクリート煉瓦（規格強度80.0kgf/cm
² ）骨材フライアッシュ 2,000.0gr 主剤ポルトランドセメント 400.0gr 助剤；分散流動剤・減水剤リグニンスルホン酸ナトリウム 0.3gr 助剤；硬化促進剤消石灰 19.0gr 半水石膏 20.0gr 珪酸アルミニウム 5.3gr 上記の配合比率で建築材の試作を行った結果、発現強度
は火山灰では、規格強度（70.0kgf/cm²)を越える73.12k
gf/cm²となり、また、フライアッシュにおいても、規格
(80.0kgf/cm²) を越える100.9kgf/cm²の強度発現をみる
ことができた。

【００４３】なお、本発明の硬化凝結剤を使用して造ら
れる建築材は、従来のコンクリート製品の製造方法と同
様に利用すればよい。また、建築材の用途に応じた必要
性に基づき、セメント製品用の混和剤（AE剤・発泡剤・
防水剤）を任意に添加することもできる。

【００４４】

【発明の効果】本発明に係る燃焼灰の硬化凝結剤によれ
ば、セメントを主剤とし、分散流動剤・減水剤としてリ
グニンスルホン酸塩を、また硬化促進剤として石灰，石
膏及び珪酸塩を、それぞれ助剤として組成したから、骨
材として利用する球形化して粘着性のないフライアッシ
ュ等の燃焼灰の表面を、粘着性に富む凸凹形状に変化さ
せることができるため、必要最低量のセメントを使用し
て、廃棄物たる燃焼灰を硬化凝結させて建築材として最
利用することが可能であり、かかる建築材の製造コスト
を大幅に低減することができる。

【００４５】また、本発明に係る建築材の製造方法によ
れば、前記硬化凝結剤を用いたことにより、高い硬度を
発現させることができ、各建築材に要求される諸々の条
件を低コストにて十分に満たすことができ、建築材の需
要に応じることができる。しかも、今後ますます社会問
題化する燃焼灰処理の一助にもなる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｃ０４Ｂ 28/02 //(Ｃ０４Ｂ 28/02 14:14 24:18 Ｚ 22:06 Ｚ 22:14 Ｂ 22:08）Ａ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】各種の燃焼灰を硬化凝結させ、該燃焼灰を
建築材の骨材として再利用するための燃焼灰の硬化凝結
剤であって、セメントを主剤とし、分散流動剤・減水剤としてリグニンスルホン酸塩を、ま
た硬化促進剤として石灰，石膏及び珪酸塩を、それぞれ
前記主剤に対し調和混合する助剤として、組成してなることを特徴とする燃焼灰の硬化凝結剤。
【請求項２】前記助剤を構成する硬化促進剤の一つであ
る珪酸塩として、珪酸アルミニウムを用いたことを特徴
とする請求項１記載の燃焼灰の硬化凝結剤。
【請求項３】請求項１記載の燃焼灰の硬化凝合剤を燃焼
灰に混入し、前記硬化凝結剤と燃焼灰との混合物を硬化凝固させるこ
とを特徴とする建築材の製造方法。