石炭灰を利用したコンクリート組成物
【課題】一般的にコンクリートの細骨材を大量に石炭灰で置き換えた場合には強度が低下するが、本発明は産業廃棄物である石炭灰を最大限に活用することで、安価で、製造上又は施工上、しかも強度上に問題のないコンクリートを提供する。
【解決手段】コンクリート組成物である細骨材の一部を石炭灰、粗骨材の一部或は全部を釉面を有する陶磁器廃材で置き換える。
【解決手段】コンクリート組成物である細骨材の一部を石炭灰、粗骨材の一部或は全部を釉面を有する陶磁器廃材で置き換える。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は石炭灰及び釉面を有する陶磁器廃材を有効に活用し、公共工事等で用いるコンクリート及びコンクリート組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリートとはセメント、砂、砂利、それに水を加えて混練し、これを固まらせて作ったものであり、その形状は形枠によって多種多様化し、建築・土木構造物の骨組みと成る。又、金型に流し込んで硬化させることで各種ブロックを作ることが出来る。ところで、コンクリートに必要な砂や砂利は河川から採取されて、適当な大きさ（粒度）に選別されるが、採取するに適した河川も少なく、大量に砂や砂利を採取することで環境が破壊されてしまう。
【０００３】
そこで、コンクリート組成物の構成材料として、火力発電所から大量に発生する石炭灰を骨材の一部と置き換える場合がある。或いは置き換えることによる強度低下を防ぐ為に、石炭灰やセメントの粒度分布を改善したり、シリカフュームを添加したりしたものなどがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にコンクリートの細骨材を大量に石炭灰で置き換えた場合、コンクリートの強度が低下するため、そのままではコンクリートの設計基準強度を満足しない。このため強度が低下する分をセメントの添加量を増やしたり石炭灰やセメントの粒度分布を改善したりシリカフュームを添加したりする必要があるが、これらを加えると、逆にコストアップとなってしまう。この為に、産業廃棄物としての石炭灰をコンクリート及びその組成物として大量に活用することが出来ない。
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題点を解決するために開発されたものであって、その解決すべき課題は、産業廃棄物としての石炭灰を最大限に活用して安価であり、製造上または施工上問題のない、かつ強度上も問題のないコンクリート及びその組成物を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明が採った手段は、コンクリートの細骨材の一部を石炭灰で置き換え、さらに粗骨材の一部或いは全部を釉面を有する陶磁器廃材で置き換えることにより設計基準強度を満足するというものである。ここで、上記陶磁器廃材は大きさは一般に２０ｍｍ以下に成るように粉砕されたものが使用される。そして、コンクリートの表面を酸化チタンで被覆したり、表面に含有させることで、空気中や水中の窒素酸化物や有機物を分解したり、表面を汚れ難くすることが出来る。又、耐摩耗や耐侵食に対して効果が得られる。以下、本発明に係る実施例を図面、表及びグラフに基づいて詳細に説明する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
まず、細骨材を石炭灰（北陸電力株式会社敦賀火力発電所産）で置き換え強度低下の関係を調べ、配合条件を表−１に、得られたコンクリートの強度を表−２に、配合条件と強度の関係を図−１に示している。次に本発明による石炭灰、陶磁器廃材（北陸窯業社産）を混入した材料構成でコンクリートを成形し、石炭灰、衛生陶器廃材を混入しないコンクリートと比較してその性能を評価した。
【０００８】
配合条件を表−３に、得られたコンクリートの強度を表−４に、配合条件と強度の関係を図−２に示している。なお、表−１、表−３において、水をＷ、セメントをＣ、石炭灰のうちフライアッシュをＦＡ、クリンカアッシュをＣＡ、細骨材をＳ、粗骨材をＧ１、Ｇ２、衛生陶器をＧｔ、高性能ＡＥ減水剤をＡｄ１、ＡＥ剤をＡｄ２で表示している。
【０００９】
［表１］
【００１０】
［表２］
【００１１】
【００１２】
［表４］
【００１３】
図−１に示すように細骨材の一部を石炭灰で置き換えることにより、コンクリートの強度が低下し、約４０％置換すると置換しない場合に比べ強度が約３割低下する。また同様に、約６０％置換すると置換しない場合に比べ強度が約半分に低下してしまう。
【００１４】
これに対し、図−２に示すように細骨材の一部を石炭灰で置き換えずに粗骨材を衛生陶器廃材で置き換えた場合、コンクリートの強度は暫増し、５０％置換した場合は置換しない場合に比べ強度が約８％増加する。また、同様に１００％置換した場合は約９％増加していることが分かる。
【００１５】
また、図−２に示すように細骨材の一部を石炭灰で置き換え、さらに粗骨材を衛生陶器廃材で置き換えた場合、コンクリートの強度は増加し、石炭灰２６．６％置換、衛生陶器廃材５０％置換した場合は置換しない場合に比べ強度が約２４％増加する。また、同様に石炭灰２６．６％置換、衛生陶器１００％置換した場合は、置換しない場合に比べ強度が約１４％増加している。さらに、石炭灰を４０．４％置換した場合は衛生陶器廃材で置換しても強度は低下するものの、その低下割合は約１４％と低く、図−１の場合の約半分であることが明らかになっている。
【００１６】
コンクリート二次製品の平均的な設計基準強度は３０Ｎ／ｍｍ２であり、バラツキを考慮した工場での目標強度を４０Ｎ／ｍｍ２とすると、石炭灰を大量に用いようとする場合、図−１に示すように呼強度を大きくし、単位水量を小さくし、さらに石炭灰の置換割合を４０％程度以下とする必要がある。しかし、単位水量を小さくするとコンクリート製造時の流動性が低下し作業性が低下する。また、呼強度を大きくするとセメント量が大きくなり経済性が低下してしまう。
【００１７】
これに対し、石炭灰と伴に衛生陶器廃材を用いた場合は図−２に示すように呼強度を小さくし、単位水量を大きくしても、目標強度を満足することができる。さらに、フライアッシュの置換割合によっては（例えば２６％程度）置換しない場合よりも強度を増加させることが出来る。
【００１８】
このように石炭灰と衛生陶器廃材を同時に用いた場合、両方とも用いない場合よりも強度を増加させることが出来るのは、衛生陶器廃材と衛生陶器廃材の表面に付着しているガラス質と石炭灰が一種の潜在水硬性を呈していることが考えられる。
【００１９】
なお、石炭灰の一例として例示したフライアッシュやクリンカアッシュは特に限定されるものではないが、たとえば火力発電所における副産物として安価に入手可能である。
【００２０】
フライアッシュは、例えば、石炭の燃焼時に発生する溶融状態となった灰（石炭灰）の粒子が、高温の燃焼ガス中を浮遊して運搬された後に、ボイラ出口での温度低下により粒径微粒子となったところを電気集塵機にて補足することで入手可能である。このようにして得られたフライアッシュは、直径１５μｍ程度の微粒子であり、（光学）顕微鏡での観察により球形であることが確認される。この為、コンクリートやモルタルにフライアッシュを適量混入すれば、これらの施工時の流動性が向上する。フライアッシュの主成分は、シリカとアルミナである。
【００２１】
また、クリンカアッシュは、例えば、石炭を燃やしたときにボイラ底部の水槽（クリンカホッパ）に落下した石炭灰を回収し、これを破砕機を用いて破砕粉砕し、粒度調整して得ることができ、上記水槽において赤熱状態から急冷水洗されるので化学的に安定している。また、その粒径は粒度調整により、ほとんどが粗砂〜細礫程度の大きさとなっていることがより好ましい。
【００２２】
クリンカアッシュは、シリカとアルミナとを主成分とし、小さな孔隙を多数有する、いわば多孔質の石炭灰であって、砂などの一般の土壌構成材料と比較して通水性、保水性に優れている。また、このため、凍結深さも砂より約１０％程度浅くなるなど凍上抑制効果にも優れている。このため、コンクリート組成物の水分保持に好適である。また、上記フライアッシュ、クリンカアッシュとは、すでに説明したようにその発生箇所により分類されるものであり、環境技術協会および日本フライアッシュ協会の編集・発行による「石炭灰ハンドブック第３版」のＩ章１７ページにもその定義が記載されている。
【００２３】
衛生陶器とは窯業によって製造されるもので、上薬を塗布した粘土を高温の釜で焼成して製造される。その場合製品と伴に不良品が発生し、産業廃棄物となる。今回の実験では福井県に在る北陸窯業社製の衛生陶器の廃棄物を２０ｍｍ以下の大きさに粉砕して用いた。
【００２４】
なお、上記配合は基本的な配合であり、目標とする強度を満たす範囲で配合材料の割合を変更したり、石炭灰として粉末度の高い石炭灰を用いたり、配合材料に、各種コンクリート混和剤や、消石灰、モルタル接着増強剤を添加したりすることもできる。また、衛生陶器廃材に限らず、磁器やその他の粘土焼成品を用いることもできる。一方、ガラス質製品の廃材を用いることも可能である。
【００２５】
また、表面に酸化チタンを被覆したり、含有させることにより、空気中や水中の窒素酸化物や有機物を分解したり、表面を汚れにくくすることもできる。さらに、石炭灰の混入により長期強度が増進するので、表面の酸化チタン粒子が磨耗などの物理的侵食に対して剥離しにくくなり、その結果、長期にわたって効果が持続する。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明の具体的な構成は本実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。たとえば、目標強度や配合割合の設定も現場条件、使用場所、使用方法等によって随時変更すればよい。そして、コンクリートだけでなくモルタルとして使用することもできる。また、コンクリート組成物は工場でコンクリート二次製品として製造するだけでなく、現場打ちコンクリートとして製造することもある。さらに、中に鉄筋や補強繊維、保水剤を挿入したりすることもできる。また、コンクリート組成物を製造後、粉砕して用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のコンクリート及びその組成物においては石炭灰と陶磁器廃材を用いることにより、コンクリートの強度低下を抑えることが出来、安価で施工性に優れた高強度のコンクリート及びその組成物を製造できる。従って、火力発電所から発生する石炭灰や窯業で発生する陶磁器廃材を大量に使用することができ、資源循環型社会の形成にも寄与できる効果が得られる。
【００２８】
一方、コンクリートの表面に酸化チタンを被覆したり、表面に含有させるならば、空気中や水中の窒素酸化物や有機物を分解したり、表面が汚れ難くなる。さらに、石炭灰の混入により長期強度が増進する為に、表面の酸化チタン粒子が摩耗などの物理的侵食に対して剥離し難くなり、その結果、長期にわたり効果が持続される。
【図面の簡単な説明】
【図１】石炭灰の置換割合と強度の関係。
【図２】石炭灰と衛生陶器の置換割合と強度の関係。
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は石炭灰及び釉面を有する陶磁器廃材を有効に活用し、公共工事等で用いるコンクリート及びコンクリート組成物に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
コンクリートとはセメント、砂、砂利、それに水を加えて混練し、これを固まらせて作ったものであり、その形状は形枠によって多種多様化し、建築・土木構造物の骨組みと成る。又、金型に流し込んで硬化させることで各種ブロックを作ることが出来る。ところで、コンクリートに必要な砂や砂利は河川から採取されて、適当な大きさ（粒度）に選別されるが、採取するに適した河川も少なく、大量に砂や砂利を採取することで環境が破壊されてしまう。
【０００３】
そこで、コンクリート組成物の構成材料として、火力発電所から大量に発生する石炭灰を骨材の一部と置き換える場合がある。或いは置き換えることによる強度低下を防ぐ為に、石炭灰やセメントの粒度分布を改善したり、シリカフュームを添加したりしたものなどがある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
一般的にコンクリートの細骨材を大量に石炭灰で置き換えた場合、コンクリートの強度が低下するため、そのままではコンクリートの設計基準強度を満足しない。このため強度が低下する分をセメントの添加量を増やしたり石炭灰やセメントの粒度分布を改善したりシリカフュームを添加したりする必要があるが、これらを加えると、逆にコストアップとなってしまう。この為に、産業廃棄物としての石炭灰をコンクリート及びその組成物として大量に活用することが出来ない。
【０００５】
本発明は、かかる従来の問題点を解決するために開発されたものであって、その解決すべき課題は、産業廃棄物としての石炭灰を最大限に活用して安価であり、製造上または施工上問題のない、かつ強度上も問題のないコンクリート及びその組成物を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題点を解決するために本発明が採った手段は、コンクリートの細骨材の一部を石炭灰で置き換え、さらに粗骨材の一部或いは全部を釉面を有する陶磁器廃材で置き換えることにより設計基準強度を満足するというものである。ここで、上記陶磁器廃材は大きさは一般に２０ｍｍ以下に成るように粉砕されたものが使用される。そして、コンクリートの表面を酸化チタンで被覆したり、表面に含有させることで、空気中や水中の窒素酸化物や有機物を分解したり、表面を汚れ難くすることが出来る。又、耐摩耗や耐侵食に対して効果が得られる。以下、本発明に係る実施例を図面、表及びグラフに基づいて詳細に説明する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
まず、細骨材を石炭灰（北陸電力株式会社敦賀火力発電所産）で置き換え強度低下の関係を調べ、配合条件を表−１に、得られたコンクリートの強度を表−２に、配合条件と強度の関係を図−１に示している。次に本発明による石炭灰、陶磁器廃材（北陸窯業社産）を混入した材料構成でコンクリートを成形し、石炭灰、衛生陶器廃材を混入しないコンクリートと比較してその性能を評価した。
【０００８】
配合条件を表−３に、得られたコンクリートの強度を表−４に、配合条件と強度の関係を図−２に示している。なお、表−１、表−３において、水をＷ、セメントをＣ、石炭灰のうちフライアッシュをＦＡ、クリンカアッシュをＣＡ、細骨材をＳ、粗骨材をＧ１、Ｇ２、衛生陶器をＧｔ、高性能ＡＥ減水剤をＡｄ１、ＡＥ剤をＡｄ２で表示している。
【０００９】
［表１］
【００１０】
［表２］
【００１１】
【００１２】
［表４］
【００１３】
図−１に示すように細骨材の一部を石炭灰で置き換えることにより、コンクリートの強度が低下し、約４０％置換すると置換しない場合に比べ強度が約３割低下する。また同様に、約６０％置換すると置換しない場合に比べ強度が約半分に低下してしまう。
【００１４】
これに対し、図−２に示すように細骨材の一部を石炭灰で置き換えずに粗骨材を衛生陶器廃材で置き換えた場合、コンクリートの強度は暫増し、５０％置換した場合は置換しない場合に比べ強度が約８％増加する。また、同様に１００％置換した場合は約９％増加していることが分かる。
【００１５】
また、図−２に示すように細骨材の一部を石炭灰で置き換え、さらに粗骨材を衛生陶器廃材で置き換えた場合、コンクリートの強度は増加し、石炭灰２６．６％置換、衛生陶器廃材５０％置換した場合は置換しない場合に比べ強度が約２４％増加する。また、同様に石炭灰２６．６％置換、衛生陶器１００％置換した場合は、置換しない場合に比べ強度が約１４％増加している。さらに、石炭灰を４０．４％置換した場合は衛生陶器廃材で置換しても強度は低下するものの、その低下割合は約１４％と低く、図−１の場合の約半分であることが明らかになっている。
【００１６】
コンクリート二次製品の平均的な設計基準強度は３０Ｎ／ｍｍ２であり、バラツキを考慮した工場での目標強度を４０Ｎ／ｍｍ２とすると、石炭灰を大量に用いようとする場合、図−１に示すように呼強度を大きくし、単位水量を小さくし、さらに石炭灰の置換割合を４０％程度以下とする必要がある。しかし、単位水量を小さくするとコンクリート製造時の流動性が低下し作業性が低下する。また、呼強度を大きくするとセメント量が大きくなり経済性が低下してしまう。
【００１７】
これに対し、石炭灰と伴に衛生陶器廃材を用いた場合は図−２に示すように呼強度を小さくし、単位水量を大きくしても、目標強度を満足することができる。さらに、フライアッシュの置換割合によっては（例えば２６％程度）置換しない場合よりも強度を増加させることが出来る。
【００１８】
このように石炭灰と衛生陶器廃材を同時に用いた場合、両方とも用いない場合よりも強度を増加させることが出来るのは、衛生陶器廃材と衛生陶器廃材の表面に付着しているガラス質と石炭灰が一種の潜在水硬性を呈していることが考えられる。
【００１９】
なお、石炭灰の一例として例示したフライアッシュやクリンカアッシュは特に限定されるものではないが、たとえば火力発電所における副産物として安価に入手可能である。
【００２０】
フライアッシュは、例えば、石炭の燃焼時に発生する溶融状態となった灰（石炭灰）の粒子が、高温の燃焼ガス中を浮遊して運搬された後に、ボイラ出口での温度低下により粒径微粒子となったところを電気集塵機にて補足することで入手可能である。このようにして得られたフライアッシュは、直径１５μｍ程度の微粒子であり、（光学）顕微鏡での観察により球形であることが確認される。この為、コンクリートやモルタルにフライアッシュを適量混入すれば、これらの施工時の流動性が向上する。フライアッシュの主成分は、シリカとアルミナである。
【００２１】
また、クリンカアッシュは、例えば、石炭を燃やしたときにボイラ底部の水槽（クリンカホッパ）に落下した石炭灰を回収し、これを破砕機を用いて破砕粉砕し、粒度調整して得ることができ、上記水槽において赤熱状態から急冷水洗されるので化学的に安定している。また、その粒径は粒度調整により、ほとんどが粗砂〜細礫程度の大きさとなっていることがより好ましい。
【００２２】
クリンカアッシュは、シリカとアルミナとを主成分とし、小さな孔隙を多数有する、いわば多孔質の石炭灰であって、砂などの一般の土壌構成材料と比較して通水性、保水性に優れている。また、このため、凍結深さも砂より約１０％程度浅くなるなど凍上抑制効果にも優れている。このため、コンクリート組成物の水分保持に好適である。また、上記フライアッシュ、クリンカアッシュとは、すでに説明したようにその発生箇所により分類されるものであり、環境技術協会および日本フライアッシュ協会の編集・発行による「石炭灰ハンドブック第３版」のＩ章１７ページにもその定義が記載されている。
【００２３】
衛生陶器とは窯業によって製造されるもので、上薬を塗布した粘土を高温の釜で焼成して製造される。その場合製品と伴に不良品が発生し、産業廃棄物となる。今回の実験では福井県に在る北陸窯業社製の衛生陶器の廃棄物を２０ｍｍ以下の大きさに粉砕して用いた。
【００２４】
なお、上記配合は基本的な配合であり、目標とする強度を満たす範囲で配合材料の割合を変更したり、石炭灰として粉末度の高い石炭灰を用いたり、配合材料に、各種コンクリート混和剤や、消石灰、モルタル接着増強剤を添加したりすることもできる。また、衛生陶器廃材に限らず、磁器やその他の粘土焼成品を用いることもできる。一方、ガラス質製品の廃材を用いることも可能である。
【００２５】
また、表面に酸化チタンを被覆したり、含有させることにより、空気中や水中の窒素酸化物や有機物を分解したり、表面を汚れにくくすることもできる。さらに、石炭灰の混入により長期強度が増進するので、表面の酸化チタン粒子が磨耗などの物理的侵食に対して剥離しにくくなり、その結果、長期にわたって効果が持続する。
【００２６】
以上、本発明の実施の形態を説明してきたが、本発明の具体的な構成は本実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲の設計変更等があっても本発明に含まれる。たとえば、目標強度や配合割合の設定も現場条件、使用場所、使用方法等によって随時変更すればよい。そして、コンクリートだけでなくモルタルとして使用することもできる。また、コンクリート組成物は工場でコンクリート二次製品として製造するだけでなく、現場打ちコンクリートとして製造することもある。さらに、中に鉄筋や補強繊維、保水剤を挿入したりすることもできる。また、コンクリート組成物を製造後、粉砕して用いることもできる。
【００２７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明のコンクリート及びその組成物においては石炭灰と陶磁器廃材を用いることにより、コンクリートの強度低下を抑えることが出来、安価で施工性に優れた高強度のコンクリート及びその組成物を製造できる。従って、火力発電所から発生する石炭灰や窯業で発生する陶磁器廃材を大量に使用することができ、資源循環型社会の形成にも寄与できる効果が得られる。
【００２８】
一方、コンクリートの表面に酸化チタンを被覆したり、表面に含有させるならば、空気中や水中の窒素酸化物や有機物を分解したり、表面が汚れ難くなる。さらに、石炭灰の混入により長期強度が増進する為に、表面の酸化チタン粒子が摩耗などの物理的侵食に対して剥離し難くなり、その結果、長期にわたり効果が持続される。
【図面の簡単な説明】
【図１】石炭灰の置換割合と強度の関係。
【図２】石炭灰と衛生陶器の置換割合と強度の関係。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート組成物である細骨材の一部を石炭灰、粗骨材の一部或いは全部を釉面を有する陶磁器廃材で置き換えたことを特徴とする石炭灰を利用したコンクリート及びその組成物。
【請求項２】
上記陶磁器廃材の大きさを２０ｍｍ以下とした請求項１記載の石炭灰を利用したコンクリート及びその組成物。
【請求項３】
表面に酸化チタンを被覆或いは含有した請求項１、又は請求項２記載のコンクリート及びその組成物。
【請求項１】
コンクリート組成物である細骨材の一部を石炭灰、粗骨材の一部或いは全部を釉面を有する陶磁器廃材で置き換えたことを特徴とする石炭灰を利用したコンクリート及びその組成物。
【請求項２】
上記陶磁器廃材の大きさを２０ｍｍ以下とした請求項１記載の石炭灰を利用したコンクリート及びその組成物。
【請求項３】
表面に酸化チタンを被覆或いは含有した請求項１、又は請求項２記載のコンクリート及びその組成物。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２００４−９９３９６（Ｐ２００４−９９３９６Ａ）
【公開日】平成１６年４月２日（２００４．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００２−２６５７０７（Ｐ２００２−２６５７０７）
【出願日】平成１４年９月１１日（２００２．９．１１）
【出願人】（５９２０２９２５６）福井県 (122)
【出願人】（５９３１５８１７９）株式会社ミルコン (18)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１６年４月２日（２００４．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１４年９月１１日（２００２．９．１１）
【出願人】（５９２０２９２５６）福井県 (122)
【出願人】（５９３１５８１７９）株式会社ミルコン (18)
【Ｆターム（参考）】
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