保水性セラミックス舗装材とその製造方法
【課題】 保水性セラミックスは、雨水の保全も含めて自然の循環により地球温暖化を防止できる材料であるが、特殊原料を使用して調製されるため、高コストでその利用が制限されていた。
【解決手段】 セラミックスの技術分野ではタブーとされた燃料物質を組成物として内蔵させて熱効率を向上させるため、キュポラダスト、石炭灰から産出される低コストのコークス微粉をセラミックス焼成用原料組成物に配合して燃料物質として活用することにより、セラミックス焼成の時間とコストを大幅に低減し、また、廃棄物由来のケイ酸塩類の粒度５ｍｍ以下の粗粒子や、着色瓶ガラスなどの廃材の利用で原材料コストを圧縮しつつ、保水性能の高いセラミックス舗装材を得る。
【解決手段】 セラミックスの技術分野ではタブーとされた燃料物質を組成物として内蔵させて熱効率を向上させるため、キュポラダスト、石炭灰から産出される低コストのコークス微粉をセラミックス焼成用原料組成物に配合して燃料物質として活用することにより、セラミックス焼成の時間とコストを大幅に低減し、また、廃棄物由来のケイ酸塩類の粒度５ｍｍ以下の粗粒子や、着色瓶ガラスなどの廃材の利用で原材料コストを圧縮しつつ、保水性能の高いセラミックス舗装材を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は保水性セラミックス舗装材とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートアイランド抑止対策は、２１世紀の世界の課題であり、ソーラー、風力等を主流として推進しているが、これらの実施には膨大な国家予算の助成が必要となっている。一方、埼玉大学の浅枝隆教授らは、２１世紀の地球環境の保全について、雨水の保全と温暖化防止を自然の循環を有効に利用した技術の１つとして、保水性セラミックスの気化潜熱による効果に着目し、これを具体化すべく、本発明者らにこれらの技術開発についての協力を依頼した。これを契機として、「保水性セラミックス」という新しい素材の開発が行われた。
【０００３】
本発明者らは、平成５年（１９９３年）からこれらの研究開発に着手し、平成８年（１９９６年）当時は通商産業省のグッドデザイン特別賞を受賞し、工業化生産を開始した。
【０００４】
すでに、保水性セラミックスを屋根瓦として利用し、室内を冷却する効果については、埼玉大学・浅枝隆らと共に学会に機能・効果を相次いで発表した。ただ、効果については極めて好評であったが、当時、一般社会や政府、自治体の認識も浅く、また特に製品コストが公共予算を超えることが欠点とされて市場の拡大は進まなかった。
【０００５】
そのため、本発明者は、更に研究を進めて、特に大幅なコストダウンを可能とし、地球温暖化防止を最も安いコストで且つ長期的なメンテナンス費用も少ない、効果的な技術として市場に提供する全く新規な技術を開発してきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「廃棄物再生セラミックス建材による都市熱環境の緩和効果」 埼玉大学・浅枝隆ら、社団法人土木学会地球環境委員会、第７回シンポジウム１９９９年７月１５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のように保水性セラミックスの開発を進めてきた本発明者らにとって、保水性セラミックスを屋根瓦としてではなく、新たに舗装材として製造コストを従来技術の約１／２まで大幅に削減して製造することが大きな課題であった。
【０００８】
いわゆる保水性や透水性の良好なセラミックス舗道板は、１ｍ２当たり７０ｋｇ以上の質量が必要であり、まず原料コストは従来技術では１ｍ２当たり６００円から７００円を要し、このため燃料コストも熱量原単位１３００ｋｃａｌ／ｋｇを必要とし、これらが大きいコスト負担となっていた。
【０００９】
また、従来では、一般的な保水性舗装材の保水性の基準値とされる０．１５ｇ／ｃｍ３を、より低コストとしつつ超える性能とすることは必ずしも容易ではなかった。
【００１０】
そこで、本発明においては、従来のコスト負担を大幅に低減することが可能であって、しかも保水性能についての一般基準を超えることも容易な新しい保水性セラミックス舗装材とその製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下のことを特徴としている。
〈１〉（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子、
（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤、並びに、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉
を含む焼成原料組成物の焼結体である保水性セラミックス舗装材。
〈２〉前記（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子は、鉄鋼スラグ、陶磁器質廃材、都市ごみ溶融スラグ、石炭灰クリンカー、解体コンクリート破砕物からの粒度５ｍｍ以下の粗粒子である。
〈３〉前記（Ｃ）燃料となるコークス微粉は、キュポラダスト、石炭灰からのものである。
〈４〉以上のいずれかの保水性セラミックス舗装材であって、焼成原料組成物には、キュポラダスト由来の金属酸化物含有ケイ酸塩基材が焼結助剤及び重金属溶出防止剤として含まれている。
〈５〉焼成原料組成物全体における水分を除く固形分の質量比範囲は、
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子：４０％以上５０％以下、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉：５％以上１０％以下である。
〈６〉以上の保水性セラミックス舗装材の製造方法であって、焼成原料組成物を圧縮成形し、次いで、１０００℃以上１１００℃以下の温度で焼結する。
〈７〉焼成原料組成物全体の水分量については、固形分と水分を含む焼成原料組成物全体に対して１０％以上１５％以下となるように調製してから圧縮成形し、次いで焼結する。
〈８〉粘土質またはガラス質調整剤の泥状含水物であって、含水量が２０質量％以上４５質量％以下のものの混合により焼成原料組成物全体の水分量を調整する。
【００１２】
以上のとおりの本発明につては、その基本的で重要な点は次のことである。すなわち、スラグ類等の廃棄物資源で、微粉砕に多額のコストを要したものを、粗い粒子の形態で調達し原料として使用することである。これにより、原料コストを約１／３〜１／２とすることを期する。
【００１３】
また、廃棄物として捨てられている燃料物質であるコークス微粉を原料組成物に内蔵して、セラミックス製品調製の焼結工程で内部から発熱させて焼成時間を短縮し、例えば燃料コストを約１／２とすることを期する。
【００１４】
古来から、セラミックス組成物中に石炭等の燃料物質が混入すると、製品内部で乾溜作用が起こり、発泡による大きい膨れが起こる為、タブーとされていたものであるが、コークスや木炭のように既に乾溜された燃料物質は、赤外線放射体としてこれらの欠点が起こることなく、且つ還元状態で加熱され、焼結温度は低下し、六価クロムやカドミウム、鉛などの重金属を不溶化する作用を有していることに着目した。
【００１５】
熱伝達の理論によれば、輻射熱伝達は被熱物と熱源との距離の二乗に逆比例するものであり、これらの理論を実証して、コークス微粉の燃焼による吸水性気孔率の増大と共に、生産性を４０％以上向上させることにより、目的を達成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の特徴は、大幅なコストダウンを可能とした技術であり、しかも保水性能の向上も可能としている。例えば、これまで約１４年間に工業生産してきた製造原価の実費と比較すると、原料原価は１平方ｍ当たり約３００円の低減となった。
【００１７】
また燃料コストは従来１平方ｍ当たり７００円を要したものが、約１／２の１平方ｍ当たり３５０円に低減できた。これら原料と燃料コストとを合わせて原価では約千円のコスト削減となった。更に生産性は４０％向上し、固定原価は４０％低下した為、トータルの製造原価は約１／２となり、画期的なコストダウンを達成した。
【００１８】
更に、六価クロムなどの重金属を含む為にリサイクル出来なかった青色瓶ガラスなどの瓶ガラスの利用で副資材もコストダウンできる。
【００１９】
キュポラダストや石炭灰クリンカーからのコークス微粉の有効利用による効果は、熱効率の向上によるＣＯ２発生量を大幅に削減する効果ともなっている。
【００２０】
なお、本発明の保水性セラミックス舗装材は、廃棄物由来のケイ酸塩類を、例えば粒度５ｍｍ以下の粗粒子を骨材として配合しているため、粗粒子の間隙としてやや広い隙間を有するほか、スラグなどからなる粗粒子自体に多孔質で空隙が有り、かつ、コークス微粉の燃焼による微細気泡が有り、さらに、粘土質、瓶ガラスなどの焼結で生成する微細間隙が有り、全体として様々なサイズの間隙・空孔があるために高い保水性能を有している。一般的な保水性舗装材の保水量の基準値とされる０．１５ｇ／ｃｍ３以上の０．２０ｇ／ｃｍ３である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】コークス微粉を配合した焼成原料組成物の成形物の焼成時間と温度変化を示すグラフ。コークス微粉を配合しない通常の焼成原料組成物の成形物とを対比して示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
前記のとおり、本発明の保水性セラミックス舗装材は、
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子、
（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤、並びに、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉
を含む焼成原料組成物の焼結体である。
【００２３】
ここで、（Ａ）成分の骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子は、鉄鋼スラグ、陶磁器質廃材、都市ごみ溶融スラグ、石炭灰クリンカー、解体コンクリート破砕物などが利用できるものである。
【００２４】
ここで粗粒子とは、従来の一般的なセラミックス焼成原料の微粒子に比べて粗いものであること、一般的には、粒径５ｍｍ以下、１〜５ｍｍ径の範囲が目安とされることを意味している。
【００２５】
スラグ等は、廃棄物として主として微粉砕されて排出され、これらを５００マイクロメートル以下に粉砕する為に、１トン当たり数千円のコストを要するところ、本発明のように５ｍｍ以下の粗粒子は微粉砕コストが削減できるので極めて安いコストで入手できる。
【００２６】
鉄鋼スラグは、ＳｉＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系のケイ酸塩類が主体であり、品質も安定しており、調達時に粗粒子の径を５ｍｍ以下と指定すれば、ほぼ３〜５ｍｍ径の分布範囲の粗粒子が問題なく入手できる。
【００２７】
燃料物質としては、市販コークスや木炭を使用しても熱効率の大幅な向上により、省エネルギー効果はあるが、本発明では、製鉄時などに派生するキュポラ等の集塵ダストや石炭灰に含まれるコークス微粉が５％以上３０％程度まで含まれているものの、従来、多額のコストをかけて捨てられていることに着目している。
【００２８】
キュポラダストは、コークス微粉の他には、ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯ等を含む焼結されたケイ酸塩組成物を含む。
【００２９】
キュポラダスト由来の、ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯ等を含む焼結されたケイ酸塩組成物は、本発明の焼成原料組成物に、少量配合されることで、六価クロムなどの微量重金属の溶出を防止する有効成分として機能する。具体的には、微量重金属を取り込んでフェライト系化合物を作り不溶化する作用がある。
【００３０】
また、本発明では、（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤を用いるが、これは、前記の骨材による孔隙、間隙を埋める調整剤としての役割を果たすものとして考慮されている。ガラス質については、例えば瓶ガラスが挙げられる。
【００３１】
粘土質は、上下水道廃泥、或いはコンクリート砕石時に発生する粘土質を使用し、粒度２５０マイクロメートル以下で含水率２０％〜２５％以下で入手できる。更に瓶ガラス系原料は、乾式で微粉砕されたものは約１００００円／トンを超える高価物となる為利用せず、従来利用価値のないとされてきた、六価クロムを含む青色瓶ガラスなどの約５ｍｍ以下の破砕物を低価格で入手し、製造工場内でボールミルを用いて湿式粉砕し、含水泥状のまま焼成原料組成物に調合することにより、低コスト化が可能となる。
【００３２】
特に本発明の特徴は、キュポラダストとして集塵回収される微粉末状のコークスや、石炭灰に含まれるコークス微粉の利用である。従来、キュポラダストや石炭灰は再利用できないため、多額のコストをかけて廃棄されている。
【００３３】
キュポラダストのコークス微粉含有率は５％から３０％程度まで大きいばらつきがあるが、疎水性のコークス微粉と、酸化ケイ素を主体に、ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯなどの金属酸化物を含む親水性のケイ酸塩基材の無機物質とは、容易に水溶液で分離することができるので、コークス微粉を焼成用原料組成物に重量比５％以上１０％以下の範囲となるように配合調整することは容易である。
【００３４】
さらに、キュポラダスト由来のケイ酸塩基材の無機物質は、低コストガラス原料中の六価クロムなどの重金属をフェライト系化合物として焼結固定して溶出防止する重金属溶出防止剤、また、焼結製品表面の着色剤として利用することができる。なお、コークス微粉の配合率は、５％以下では効果が少なく、１０％を超えると成形体の強度が低くなり、乾燥時に崩壊する。
【００３５】
また、キュポラダスト由来のコークス微粉と、金属酸化物含有ケイ酸塩基材とは、キュポラダストの品質特性が安定しており、かつ、配合使用量に齟齬がなければ、分離調製することなく直接に配合することもできる。
【００３６】
コークス微粉を配合した焼結用原料組成物の熱量に関する効果を実証するため、簡易試験として、通常の焼結用原料組成物とコークス微粉５％を含む焼結用原料組成物を、それぞれ、５０ｍｍ×５０ｍｍの立方体に成形したサンプルの中心部に直径約３ｍｍの穴を開け、温度計測用サーモカップルを挿入し、昇温速度を２０℃／分に調整した実験焼成炉内に置いて、それぞれの成形サンプルの焼成時間にともなう温度変化を継続的に測定した結果を図１に示す。
【００３７】
図１に示す実験結果から、焼成炉内温度が５００℃になるとコークス微粉に着火して急速に昇温し、以後炉内温度により成形サンプルの芯部温度の方が高くなり、４０分で１０００℃に達した。一方、コークス微粉を含まない通常成形サンプルでは１０００℃に達するのに７０分を要した。即ち、焼成に要する時間が約４０％短縮された。
【００３８】
使用する原料は全て廃棄物業者へ粒度指定などを示して有価物として受け入れる。従来、瓶ガラスは乾式破砕して微粉末にする為のコストが高く、２５０マイクロメートル以下の粉砕物では入手価格が高いので、約５ｍｍ以下の一時破砕物を入手し、ボールミルを用いて湿式で社内粉砕し、含水率４０％〜４５％の泥状としてから焼成用原料組成物に配合する。
【００３９】
また粘土質も含水率２０％〜２５％で入手して配合する。瓶ガラスの湿式粉砕泥状物や、含水粘土質を焼成用原料組成物に配合して、全体の水分量、すなわち、固形物と水分を含む焼成用原料組成物の全体の重量の内の水分量を１０％〜１５％の範囲に調整したものとしてから、少なくとも圧力２０ｋｇ／ｃｍ２〜３０ｋｇ／ｃｍ２で成形する。
【００４０】
成形物は粗粒子を多く含む為、また、泥状物や粘土質を含み成形性に富むため、約３００℃まで急速脱水しても亀裂の発生は起こらない。その為、成形物が４０ｍｍ〜５０ｍｍの厚さのブロック状形態であってもコンベアー上で約３０分で脱水乾燥する。
【００４１】
燃料として内蔵したコークス微粉は、焼成炉内温度が約５００℃になると表面層に着火し、赤外線吸収率の高い黒体となり、成形物の内部に速やかに着火が進み、６００℃になると芯部まで着火して、それ以降は、図１に見られるように炉内温度以上の温度上昇をする。
【００４２】
焼成は、ローラーハースキルンにより通常物より４０％〜５０％早い速度で焼成を完了する為、生産性の向上と省エネルギー効果の相乗効果により大幅なコストダウンが可能となる。
【実施例】
【００４３】
舗道ブロックとして必要な主たる物性は、強度と吸水率である。例えば、コンクリート製鋪道ブロック製品では厚さ６０ｍｍ製品の曲げ強度は６Ｍｐａが基準となっている。
【００４４】
保水性セラミックスの舗道ブロックの場合、一般的に、吸水率２０％を持つ多孔質のセラミックスでは、厚さ５０ｍｍで曲げ強度７５ｋｇ／ｃｍ２が必要とされるので、実験では、以下のように焼成用原料組成物を調製した。
【００４５】
使用した原料と配合率は以下の通りである。
（１）粗粒子原料：５ｍｍ以下に破砕された陶磁器質廃材 ４５％
（２）粘土質原料：含水率２０％の砕石廃粘土 ３０％
（３）瓶ガラス：５ｍｍ以下に破砕された瓶ガラスのカレットを調達し、水を４０％の割合で混合し、ボールミルにて２０時間かけて湿式粉砕して得た泥状のもの ２０％
（４）コークス微粉：キュポラダスト、石炭灰クリンカーより分離したもの ５％
（５）キュポラダスト由来の金属酸化物含有ケイ酸塩基材：主成分のＳｉＯ２を４０％のほか、ＦｅＯ １２％、ＺｎＯ ２３％、ＭｎＯ ８％を含有するもの（上記１〜４の原料の合計１００部に対して５部を追加配合した。）
上記原料組成にて、以下の条件で製品を作った。
（１）混合：パドル式連続混合し、焼成用原料組成物の全体の水分量を１５％に調整。
（２）成形：振動プレスを用いて圧力２０ｋｇ／ｃｍ２で、３００ｍｍ×１５０ｍｍ×５０ｍｍのブロック状に成形した。
（３）急速乾燥：ガス遠赤外線バーナーにより構成された３００℃〜３５０℃の温度空間で２０分間処理して乾燥した。
（４）焼成：全長１０ｍのローラーハースキルンにて焼成温度１０５０℃で１０分間キープし、その後冷却した。キルン挿入から冷却排出までの時間は１２０分、即ち、炉内送り速度は約８３ｍｍ／分であり、通常の焼成時間では２００分を要したものが４０％早く焼成できた。
【００４６】
製品の物性は、かさ密度１．４５、吸水率２２％であり、曲げ強度は７７ｋｇ／ｃｍ２〜８０ｋｇ／ｃｍ２、保水量０．２０ｇ／ｃｍ３であり、透水係数１×１０−３〜１０−４の製品として充分な物性、機能を有するものであった。なお、透水係数は骨材粒子を大きくすることにより調整することができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は保水性セラミックス舗装材とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ヒートアイランド抑止対策は、２１世紀の世界の課題であり、ソーラー、風力等を主流として推進しているが、これらの実施には膨大な国家予算の助成が必要となっている。一方、埼玉大学の浅枝隆教授らは、２１世紀の地球環境の保全について、雨水の保全と温暖化防止を自然の循環を有効に利用した技術の１つとして、保水性セラミックスの気化潜熱による効果に着目し、これを具体化すべく、本発明者らにこれらの技術開発についての協力を依頼した。これを契機として、「保水性セラミックス」という新しい素材の開発が行われた。
【０００３】
本発明者らは、平成５年（１９９３年）からこれらの研究開発に着手し、平成８年（１９９６年）当時は通商産業省のグッドデザイン特別賞を受賞し、工業化生産を開始した。
【０００４】
すでに、保水性セラミックスを屋根瓦として利用し、室内を冷却する効果については、埼玉大学・浅枝隆らと共に学会に機能・効果を相次いで発表した。ただ、効果については極めて好評であったが、当時、一般社会や政府、自治体の認識も浅く、また特に製品コストが公共予算を超えることが欠点とされて市場の拡大は進まなかった。
【０００５】
そのため、本発明者は、更に研究を進めて、特に大幅なコストダウンを可能とし、地球温暖化防止を最も安いコストで且つ長期的なメンテナンス費用も少ない、効果的な技術として市場に提供する全く新規な技術を開発してきた。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】「廃棄物再生セラミックス建材による都市熱環境の緩和効果」 埼玉大学・浅枝隆ら、社団法人土木学会地球環境委員会、第７回シンポジウム１９９９年７月１５日
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のように保水性セラミックスの開発を進めてきた本発明者らにとって、保水性セラミックスを屋根瓦としてではなく、新たに舗装材として製造コストを従来技術の約１／２まで大幅に削減して製造することが大きな課題であった。
【０００８】
いわゆる保水性や透水性の良好なセラミックス舗道板は、１ｍ２当たり７０ｋｇ以上の質量が必要であり、まず原料コストは従来技術では１ｍ２当たり６００円から７００円を要し、このため燃料コストも熱量原単位１３００ｋｃａｌ／ｋｇを必要とし、これらが大きいコスト負担となっていた。
【０００９】
また、従来では、一般的な保水性舗装材の保水性の基準値とされる０．１５ｇ／ｃｍ３を、より低コストとしつつ超える性能とすることは必ずしも容易ではなかった。
【００１０】
そこで、本発明においては、従来のコスト負担を大幅に低減することが可能であって、しかも保水性能についての一般基準を超えることも容易な新しい保水性セラミックス舗装材とその製造方法を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、以下のことを特徴としている。
〈１〉（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子、
（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤、並びに、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉
を含む焼成原料組成物の焼結体である保水性セラミックス舗装材。
〈２〉前記（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子は、鉄鋼スラグ、陶磁器質廃材、都市ごみ溶融スラグ、石炭灰クリンカー、解体コンクリート破砕物からの粒度５ｍｍ以下の粗粒子である。
〈３〉前記（Ｃ）燃料となるコークス微粉は、キュポラダスト、石炭灰からのものである。
〈４〉以上のいずれかの保水性セラミックス舗装材であって、焼成原料組成物には、キュポラダスト由来の金属酸化物含有ケイ酸塩基材が焼結助剤及び重金属溶出防止剤として含まれている。
〈５〉焼成原料組成物全体における水分を除く固形分の質量比範囲は、
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子：４０％以上５０％以下、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉：５％以上１０％以下である。
〈６〉以上の保水性セラミックス舗装材の製造方法であって、焼成原料組成物を圧縮成形し、次いで、１０００℃以上１１００℃以下の温度で焼結する。
〈７〉焼成原料組成物全体の水分量については、固形分と水分を含む焼成原料組成物全体に対して１０％以上１５％以下となるように調製してから圧縮成形し、次いで焼結する。
〈８〉粘土質またはガラス質調整剤の泥状含水物であって、含水量が２０質量％以上４５質量％以下のものの混合により焼成原料組成物全体の水分量を調整する。
【００１２】
以上のとおりの本発明につては、その基本的で重要な点は次のことである。すなわち、スラグ類等の廃棄物資源で、微粉砕に多額のコストを要したものを、粗い粒子の形態で調達し原料として使用することである。これにより、原料コストを約１／３〜１／２とすることを期する。
【００１３】
また、廃棄物として捨てられている燃料物質であるコークス微粉を原料組成物に内蔵して、セラミックス製品調製の焼結工程で内部から発熱させて焼成時間を短縮し、例えば燃料コストを約１／２とすることを期する。
【００１４】
古来から、セラミックス組成物中に石炭等の燃料物質が混入すると、製品内部で乾溜作用が起こり、発泡による大きい膨れが起こる為、タブーとされていたものであるが、コークスや木炭のように既に乾溜された燃料物質は、赤外線放射体としてこれらの欠点が起こることなく、且つ還元状態で加熱され、焼結温度は低下し、六価クロムやカドミウム、鉛などの重金属を不溶化する作用を有していることに着目した。
【００１５】
熱伝達の理論によれば、輻射熱伝達は被熱物と熱源との距離の二乗に逆比例するものであり、これらの理論を実証して、コークス微粉の燃焼による吸水性気孔率の増大と共に、生産性を４０％以上向上させることにより、目的を達成する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の特徴は、大幅なコストダウンを可能とした技術であり、しかも保水性能の向上も可能としている。例えば、これまで約１４年間に工業生産してきた製造原価の実費と比較すると、原料原価は１平方ｍ当たり約３００円の低減となった。
【００１７】
また燃料コストは従来１平方ｍ当たり７００円を要したものが、約１／２の１平方ｍ当たり３５０円に低減できた。これら原料と燃料コストとを合わせて原価では約千円のコスト削減となった。更に生産性は４０％向上し、固定原価は４０％低下した為、トータルの製造原価は約１／２となり、画期的なコストダウンを達成した。
【００１８】
更に、六価クロムなどの重金属を含む為にリサイクル出来なかった青色瓶ガラスなどの瓶ガラスの利用で副資材もコストダウンできる。
【００１９】
キュポラダストや石炭灰クリンカーからのコークス微粉の有効利用による効果は、熱効率の向上によるＣＯ２発生量を大幅に削減する効果ともなっている。
【００２０】
なお、本発明の保水性セラミックス舗装材は、廃棄物由来のケイ酸塩類を、例えば粒度５ｍｍ以下の粗粒子を骨材として配合しているため、粗粒子の間隙としてやや広い隙間を有するほか、スラグなどからなる粗粒子自体に多孔質で空隙が有り、かつ、コークス微粉の燃焼による微細気泡が有り、さらに、粘土質、瓶ガラスなどの焼結で生成する微細間隙が有り、全体として様々なサイズの間隙・空孔があるために高い保水性能を有している。一般的な保水性舗装材の保水量の基準値とされる０．１５ｇ／ｃｍ３以上の０．２０ｇ／ｃｍ３である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】コークス微粉を配合した焼成原料組成物の成形物の焼成時間と温度変化を示すグラフ。コークス微粉を配合しない通常の焼成原料組成物の成形物とを対比して示す。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
前記のとおり、本発明の保水性セラミックス舗装材は、
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子、
（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤、並びに、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉
を含む焼成原料組成物の焼結体である。
【００２３】
ここで、（Ａ）成分の骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子は、鉄鋼スラグ、陶磁器質廃材、都市ごみ溶融スラグ、石炭灰クリンカー、解体コンクリート破砕物などが利用できるものである。
【００２４】
ここで粗粒子とは、従来の一般的なセラミックス焼成原料の微粒子に比べて粗いものであること、一般的には、粒径５ｍｍ以下、１〜５ｍｍ径の範囲が目安とされることを意味している。
【００２５】
スラグ等は、廃棄物として主として微粉砕されて排出され、これらを５００マイクロメートル以下に粉砕する為に、１トン当たり数千円のコストを要するところ、本発明のように５ｍｍ以下の粗粒子は微粉砕コストが削減できるので極めて安いコストで入手できる。
【００２６】
鉄鋼スラグは、ＳｉＯ−ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３系のケイ酸塩類が主体であり、品質も安定しており、調達時に粗粒子の径を５ｍｍ以下と指定すれば、ほぼ３〜５ｍｍ径の分布範囲の粗粒子が問題なく入手できる。
【００２７】
燃料物質としては、市販コークスや木炭を使用しても熱効率の大幅な向上により、省エネルギー効果はあるが、本発明では、製鉄時などに派生するキュポラ等の集塵ダストや石炭灰に含まれるコークス微粉が５％以上３０％程度まで含まれているものの、従来、多額のコストをかけて捨てられていることに着目している。
【００２８】
キュポラダストは、コークス微粉の他には、ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯ等を含む焼結されたケイ酸塩組成物を含む。
【００２９】
キュポラダスト由来の、ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯ等を含む焼結されたケイ酸塩組成物は、本発明の焼成原料組成物に、少量配合されることで、六価クロムなどの微量重金属の溶出を防止する有効成分として機能する。具体的には、微量重金属を取り込んでフェライト系化合物を作り不溶化する作用がある。
【００３０】
また、本発明では、（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤を用いるが、これは、前記の骨材による孔隙、間隙を埋める調整剤としての役割を果たすものとして考慮されている。ガラス質については、例えば瓶ガラスが挙げられる。
【００３１】
粘土質は、上下水道廃泥、或いはコンクリート砕石時に発生する粘土質を使用し、粒度２５０マイクロメートル以下で含水率２０％〜２５％以下で入手できる。更に瓶ガラス系原料は、乾式で微粉砕されたものは約１００００円／トンを超える高価物となる為利用せず、従来利用価値のないとされてきた、六価クロムを含む青色瓶ガラスなどの約５ｍｍ以下の破砕物を低価格で入手し、製造工場内でボールミルを用いて湿式粉砕し、含水泥状のまま焼成原料組成物に調合することにより、低コスト化が可能となる。
【００３２】
特に本発明の特徴は、キュポラダストとして集塵回収される微粉末状のコークスや、石炭灰に含まれるコークス微粉の利用である。従来、キュポラダストや石炭灰は再利用できないため、多額のコストをかけて廃棄されている。
【００３３】
キュポラダストのコークス微粉含有率は５％から３０％程度まで大きいばらつきがあるが、疎水性のコークス微粉と、酸化ケイ素を主体に、ＦｅＯ、ＭｎＯ、ＺｎＯなどの金属酸化物を含む親水性のケイ酸塩基材の無機物質とは、容易に水溶液で分離することができるので、コークス微粉を焼成用原料組成物に重量比５％以上１０％以下の範囲となるように配合調整することは容易である。
【００３４】
さらに、キュポラダスト由来のケイ酸塩基材の無機物質は、低コストガラス原料中の六価クロムなどの重金属をフェライト系化合物として焼結固定して溶出防止する重金属溶出防止剤、また、焼結製品表面の着色剤として利用することができる。なお、コークス微粉の配合率は、５％以下では効果が少なく、１０％を超えると成形体の強度が低くなり、乾燥時に崩壊する。
【００３５】
また、キュポラダスト由来のコークス微粉と、金属酸化物含有ケイ酸塩基材とは、キュポラダストの品質特性が安定しており、かつ、配合使用量に齟齬がなければ、分離調製することなく直接に配合することもできる。
【００３６】
コークス微粉を配合した焼結用原料組成物の熱量に関する効果を実証するため、簡易試験として、通常の焼結用原料組成物とコークス微粉５％を含む焼結用原料組成物を、それぞれ、５０ｍｍ×５０ｍｍの立方体に成形したサンプルの中心部に直径約３ｍｍの穴を開け、温度計測用サーモカップルを挿入し、昇温速度を２０℃／分に調整した実験焼成炉内に置いて、それぞれの成形サンプルの焼成時間にともなう温度変化を継続的に測定した結果を図１に示す。
【００３７】
図１に示す実験結果から、焼成炉内温度が５００℃になるとコークス微粉に着火して急速に昇温し、以後炉内温度により成形サンプルの芯部温度の方が高くなり、４０分で１０００℃に達した。一方、コークス微粉を含まない通常成形サンプルでは１０００℃に達するのに７０分を要した。即ち、焼成に要する時間が約４０％短縮された。
【００３８】
使用する原料は全て廃棄物業者へ粒度指定などを示して有価物として受け入れる。従来、瓶ガラスは乾式破砕して微粉末にする為のコストが高く、２５０マイクロメートル以下の粉砕物では入手価格が高いので、約５ｍｍ以下の一時破砕物を入手し、ボールミルを用いて湿式で社内粉砕し、含水率４０％〜４５％の泥状としてから焼成用原料組成物に配合する。
【００３９】
また粘土質も含水率２０％〜２５％で入手して配合する。瓶ガラスの湿式粉砕泥状物や、含水粘土質を焼成用原料組成物に配合して、全体の水分量、すなわち、固形物と水分を含む焼成用原料組成物の全体の重量の内の水分量を１０％〜１５％の範囲に調整したものとしてから、少なくとも圧力２０ｋｇ／ｃｍ２〜３０ｋｇ／ｃｍ２で成形する。
【００４０】
成形物は粗粒子を多く含む為、また、泥状物や粘土質を含み成形性に富むため、約３００℃まで急速脱水しても亀裂の発生は起こらない。その為、成形物が４０ｍｍ〜５０ｍｍの厚さのブロック状形態であってもコンベアー上で約３０分で脱水乾燥する。
【００４１】
燃料として内蔵したコークス微粉は、焼成炉内温度が約５００℃になると表面層に着火し、赤外線吸収率の高い黒体となり、成形物の内部に速やかに着火が進み、６００℃になると芯部まで着火して、それ以降は、図１に見られるように炉内温度以上の温度上昇をする。
【００４２】
焼成は、ローラーハースキルンにより通常物より４０％〜５０％早い速度で焼成を完了する為、生産性の向上と省エネルギー効果の相乗効果により大幅なコストダウンが可能となる。
【実施例】
【００４３】
舗道ブロックとして必要な主たる物性は、強度と吸水率である。例えば、コンクリート製鋪道ブロック製品では厚さ６０ｍｍ製品の曲げ強度は６Ｍｐａが基準となっている。
【００４４】
保水性セラミックスの舗道ブロックの場合、一般的に、吸水率２０％を持つ多孔質のセラミックスでは、厚さ５０ｍｍで曲げ強度７５ｋｇ／ｃｍ２が必要とされるので、実験では、以下のように焼成用原料組成物を調製した。
【００４５】
使用した原料と配合率は以下の通りである。
（１）粗粒子原料：５ｍｍ以下に破砕された陶磁器質廃材 ４５％
（２）粘土質原料：含水率２０％の砕石廃粘土 ３０％
（３）瓶ガラス：５ｍｍ以下に破砕された瓶ガラスのカレットを調達し、水を４０％の割合で混合し、ボールミルにて２０時間かけて湿式粉砕して得た泥状のもの ２０％
（４）コークス微粉：キュポラダスト、石炭灰クリンカーより分離したもの ５％
（５）キュポラダスト由来の金属酸化物含有ケイ酸塩基材：主成分のＳｉＯ２を４０％のほか、ＦｅＯ １２％、ＺｎＯ ２３％、ＭｎＯ ８％を含有するもの（上記１〜４の原料の合計１００部に対して５部を追加配合した。）
上記原料組成にて、以下の条件で製品を作った。
（１）混合：パドル式連続混合し、焼成用原料組成物の全体の水分量を１５％に調整。
（２）成形：振動プレスを用いて圧力２０ｋｇ／ｃｍ２で、３００ｍｍ×１５０ｍｍ×５０ｍｍのブロック状に成形した。
（３）急速乾燥：ガス遠赤外線バーナーにより構成された３００℃〜３５０℃の温度空間で２０分間処理して乾燥した。
（４）焼成：全長１０ｍのローラーハースキルンにて焼成温度１０５０℃で１０分間キープし、その後冷却した。キルン挿入から冷却排出までの時間は１２０分、即ち、炉内送り速度は約８３ｍｍ／分であり、通常の焼成時間では２００分を要したものが４０％早く焼成できた。
【００４６】
製品の物性は、かさ密度１．４５、吸水率２２％であり、曲げ強度は７７ｋｇ／ｃｍ２〜８０ｋｇ／ｃｍ２、保水量０．２０ｇ／ｃｍ３であり、透水係数１×１０−３〜１０−４の製品として充分な物性、機能を有するものであった。なお、透水係数は骨材粒子を大きくすることにより調整することができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子、
（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤、並びに、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉
を含む焼成原料組成物の焼結体である保水性セラミックス舗装材。
【請求項２】
骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子は、鉄鋼スラグ、陶磁器質廃材、都市ごみ溶融スラグ、石炭灰クリンカー、解体コンクリート破砕物からの粒度５ｍｍ以下の粗粒子であることを特徴とする請求項１記載の保水性セラミックス舗装材。
【請求項３】
燃料となるコークス微粉は、キュポラダスト、石炭灰からのものであることを特徴とする請求項１記載の保水性セラミックス舗装材。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の保水性セラミックス舗装材であって、焼成原料組成物には、キュポラダスト由来の金属酸化物含有ケイ酸塩基材が焼結助剤及び重金属溶出防止剤として含まれていることを特徴とする保水性セラミックス舗装材。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の保水性セラミックス舗装材であって、焼成原料組成物全体における水分を除く固形分の質量比範囲は、
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子：４０％以上５０％以下、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉：５％以上１０％以下であることを特徴とする保水性セラミックス舗装材。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の保水性セラミックス舗装材の製造方法であって、焼成原料組成物を圧縮成形し、次いで、１０００℃以上１１００℃以下の温度で焼結することを特徴とする保水性セラミックス舗装材の製造方法。
【請求項７】
焼成原料組成物全体の水分量について、固形分と水分を含む焼成原料組成物全体に対して１０％以上１５％以下となるように調製してから圧縮成形し、次いで焼結することを特徴とする請求項６に記載の保水性セラミックス舗装材の製造方法。
【請求項８】
粘土質またはガラス質調整剤の泥状含水物であって、含水量が２０質量％以上４５質量％以下のものの混合により焼成原料組成物全体の水分量を調整することを特徴とする請求項７に記載の保水性セラミックス舗装材の製造方法。
【請求項１】
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子、
（Ｂ）粘土質またはガラス質調整剤、並びに、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉
を含む焼成原料組成物の焼結体である保水性セラミックス舗装材。
【請求項２】
骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子は、鉄鋼スラグ、陶磁器質廃材、都市ごみ溶融スラグ、石炭灰クリンカー、解体コンクリート破砕物からの粒度５ｍｍ以下の粗粒子であることを特徴とする請求項１記載の保水性セラミックス舗装材。
【請求項３】
燃料となるコークス微粉は、キュポラダスト、石炭灰からのものであることを特徴とする請求項１記載の保水性セラミックス舗装材。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の保水性セラミックス舗装材であって、焼成原料組成物には、キュポラダスト由来の金属酸化物含有ケイ酸塩基材が焼結助剤及び重金属溶出防止剤として含まれていることを特徴とする保水性セラミックス舗装材。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の保水性セラミックス舗装材であって、焼成原料組成物全体における水分を除く固形分の質量比範囲は、
（Ａ）骨材としての廃棄物由来のケイ酸塩類粗粒子：４０％以上５０％以下、
（Ｃ）燃料となるコークス微粉：５％以上１０％以下であることを特徴とする保水性セラミックス舗装材。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の保水性セラミックス舗装材の製造方法であって、焼成原料組成物を圧縮成形し、次いで、１０００℃以上１１００℃以下の温度で焼結することを特徴とする保水性セラミックス舗装材の製造方法。
【請求項７】
焼成原料組成物全体の水分量について、固形分と水分を含む焼成原料組成物全体に対して１０％以上１５％以下となるように調製してから圧縮成形し、次いで焼結することを特徴とする請求項６に記載の保水性セラミックス舗装材の製造方法。
【請求項８】
粘土質またはガラス質調整剤の泥状含水物であって、含水量が２０質量％以上４５質量％以下のものの混合により焼成原料組成物全体の水分量を調整することを特徴とする請求項７に記載の保水性セラミックス舗装材の製造方法。
【図１】
【公開番号】特開２０１２−１８４１５６（Ｐ２０１２−１８４１５６Ａ）
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４１９４（Ｐ２０１２−１４１９４）
【出願日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【出願人】（０００１２９６１１）株式会社クレー・バーン技術研究所 (11)
【出願人】（５９３００１４７３）有限会社アドセラミックス研究所 (5)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月２７日（２０１２．９．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【出願人】（０００１２９６１１）株式会社クレー・バーン技術研究所 (11)
【出願人】（５９３００１４７３）有限会社アドセラミックス研究所 (5)
【Ｆターム（参考）】
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