JP4530702B2 - 景観砂利とその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、主として道路の中央分離帯に、公園の緑地帯や敷石に、あるいはガーデニング用の砂利等として地面に敷設され、又は建物の屋上等に敷設されて、ヒートアイランド対策に優れた効果のある多孔質な景観砂利とその製造方法に関する。

ヒートアイランド対策に効果のある景観砂利は、多孔質で多量の水分を吸収して保水できる特性が要求される。多孔質で多量の水分を保水できる景観砂利は、保水している水分を気化させるときに周囲から大きな気化熱を奪うので、冷却効果が大きい。このため、多孔質な景観砂利を敷設して水を補給して、ヒートアイランド対策に効果がある。夏期においては、多くの場所でヒートアイランド現象が発生して生活環境を悪くしている。たとえば、建物が密集する都市においては、建物の屋上、公園、庭、道路等のアスファルトやコンクリートが太陽熱で加熱されてヒートアイランド現象が発生している。ヒートアイランド現象による温度上昇を解消して、生活空間を快適にするために、建物内が冷房される。ただ、冷房は冷房する熱量よりも大きな熱を排気するので、建物外の温度はさらに上昇して都市の温度を高くする原因となっている。このことから、ヒートアイランド現象を根本的に解消する方法が要求されている。多孔質な景観砂利は、ヒートアイランド現象を解消しながら、景観を美しくできる特徴がある。ただ、通常の石を破砕して製造される砂利ではヒートアイランドを解消できない。ヒートアイランド現象を解消するための景観砂利は、以下の(1)〜(4)の全ての物性が要求される。
(1) 多孔質で多量の水分を含有できること
(2) 軽いこと
(3) 上を歩いても破壊されない強度を有すること
(4) 安価であること

景観砂利は、その施工面積が広いので、いかに優れた特性があっても、安価で経済的にヒートアイランド現象を解消できないと実用化されない。また、水の気化熱を利用して冷却するので、多量の水を保水できないと長い時間にわたって、効率よくヒートアイランドを解消できない。また、軽くないと建物の屋上等に敷設できない。さらに、多くの用途において上を歩く場所に使用されるので、歩行して破壊される程度の強度では用途が著しく制限される。

本発明者は、このことを実現することを目的として、未燃カーボンを含むフライアッシュを造粒し、これを焼成して多孔質な景観砂利を製造することに成功した（特許文献１参照）。
特願２００３−４１３８２２号

この景観砂利は、フライアッシュに含まれる未燃カーボンを消失させて無数の微細な空隙を設けて多孔質な状態に焼結する。ただ、この景観砂利は、含有される未燃カーボン量で多孔質な状態が左右され、未燃カーボンの少ないフライアッシュを使用すると、空隙率が低くなる欠点がある。さらに未燃カーボンを焼失してできる空隙は、独立気泡に近い状態となる。景観砂利は、多孔質な状態を連続気泡に近い状態として、吸湿した水をスムーズに出入りできる。ただ、未燃カーボンは微細な粒子であるから、これを焼失してできる空隙も微細な空洞となり、水をスムーズに出し入れできる連続気泡に近い状態にはできない欠点がある。

本発明者は、さらにこの欠点を解消することを目的として、種々の実験を繰り返した結果、製紙スラッジに含まれる廃棄繊維を利用することで、理想的な状態で多孔質にできることを見いだした。製紙スラッジは、古紙を溶解して再生するときに溶解槽の底に沈澱する廃棄成分である。したがって、紙として好ましくない微細な短繊維を含有している。製紙スラッジに含まれる微細な短繊維は、これを焼失して景観砂利に空隙を設けると、連続気泡に近い状態となって、水をスムーズに出し入れできる理想的な空隙を設けることができる。また、製紙スラッジは廃棄に手間と経費がかかっていることから、これを原料に利用して、景観砂利のコストを低減しながら、廃棄物を有効に再利用できる特徴が実現される。さらにまた、製紙スラッジは、繊維等の有機成分に加えて無機物を含有しているが、この無機物は、フライアッシュにも含有されるシリカ、アルミナ、酸化カルシウム等であるから、これをフライアッシュに添加して焼成すると、無機物はフライアッシュの無機物と一体になって焼結される。このため、製紙スラッジをフライアッシュに混合して焼結することにより、正に理想的な景観砂利を安価に多量生産できる。

したがって、本発明の第１の大切な目的は、産業廃棄物として有効に利用されていない製紙スラッジを有効に利用しながら、内部に無数の微細な空隙を設け、さらにこの製紙スラッジの短繊維によって、空隙の水の出入りをスムーズにできる連続気泡な状態とする高い空隙率の多孔質な景観砂利とその製造方法を提供することにある。

さらに、本発明の第２の目的は、フライアッシュと製紙スラッジの混合比率を調整することにより、最適な空隙率と強度にコントロールできる多孔質な景観砂利とその製造方法を提供することにある。

本発明の請求項１の景観砂利の製造方法は、フライアッシュに、繊維を含む有機成分を１０重量％以上含有し、かつ４０重量％〜７０重量％の水分を含有する未焼成の製紙スラッジを添加し、さらに水を添加して製紙スラッジに含有される水と添加された水の両方をバインダーに使用して、平均粒子径を２ｍｍ〜３０ｍｍとする未焼結粒子に造粒する造粒工程と、この造粒工程で得られる未焼結粒子を圧縮強度が５０Ｎ以上で、吸水率が３５重量％以上となる温度に焼結する焼成工程とからなる。

本発明の請求項２の景観砂利の製造方法は、１００重量部のフライアッシュに、１０〜５００重量部の製紙スラッジを混合する。

本発明の景観砂利の製造方法は、フライアッシュに、未燃カーボンを含むフライアッシュを使用する。

本発明の請求項３の景観砂利の製造方法は、製紙スラッジとフライアッシュからなる原料に、２重量％以上の酸化鉄を含むものを使用する。さらに、本発明の請求項４の景観砂利の製造方法は、焼成工程における焼成温度を１０００〜１３００℃とする。

本発明の請求項５の多孔質な景観砂利は、フライアッシュと、繊維を含む有機成分を１０重量％以上含有し、かつ４０重量％〜７０重量％の水分を含有する未焼成の製紙スラッジと、水との混合体が、製紙スラッジに含有される水と添加された水の両方をバインダーとして、平均粒子径を２ｍｍ〜３０ｍｍとする粒子に造粒して、圧縮強度を５０Ｎ以上、吸水率を３５重量％以上とする温度で焼結している。

本発明の請求項６の多孔質な景観砂利は、１００重量部のフライアッシュと、１０〜５００重量部の製紙スラッジを造粒している。

本発明の請求項７の多孔質な景観砂利は、吸水率を４０重量％以上としている。さらに、本発明の請求項８の多孔質な景観砂利は、２重量％以上の酸化鉄を含んでおり、酸化鉄で表面を着色している。

本発明の景観砂利とその製造方法は、内部に無数の微細な空隙を設けて、この空隙への水の出入りをスムーズにできる連続気泡な状態にできる特長がある。それは、本発明の景観砂利とその製造方法が、フライアッシュに１０重量％以上の繊維等の有機成分を含む製紙スラッジを添加して、あるいは、１０重量％以上の繊維等の有機成分を含む未焼成の製紙スラッジに水をバインダーとして添加して、平均粒子径を２ｍｍ〜３０ｍｍとする未焼結粒子に造粒し、この未焼結粒子を圧縮強度が５０Ｎ以上で、吸水率が３５重量％以上となる温度に焼結しているからである。以上のようにして製造される景観砂利は、製紙スラッジの短繊維によって、内部に無数の微細な空隙を設けることができる。とくに、製紙スラッジの短繊維は、表面に微細な起毛が毛羽立った状態となっているので、この短繊維によって、大きな空隙と小さな空隙が連続して混在する多孔質な状態にできる。したがって、連続気泡に近い多孔質な状態を実現して、水をスムーズに出し入れできる理想的な空隙を設けることができる。

さらに、本発明の景観砂利とその製造方法は、従来、廃棄に手間と経費がかかっていた産業廃棄物である製紙スラッジを有効に利用しながら理想的な空隙を設けることができる特長もある。製紙スラッジは、廃棄に手間と経費がかかっていることからも、これを原料に利用して、景観砂利のコストを低減しながら、廃棄物を有効に再利用できることは有意義なことである。さらに、製紙スラッジは、繊維等の有機成分に加えて、フライアッシュにも含有されるシリカ、アルミナ、酸化カルシウム等の無機物を含有しているので、これをフライアッシュに添加して焼成すると、無機物はフライアッシュの無機物と一体になって焼結され、製紙スラッジをフライアッシュに混合して焼結することにより、正に理想的な景観砂利を安価に多量生産できる特長もある。

さらにまた、本発明の景観砂利とその製造方法は、フライアッシュと製紙スラッジの混合比率を調整することにより、最適な空隙率と強度にコントロールできる特長もある。

以下、本発明の実施例を説明する。ただし、以下に示す実施例は、本発明の技術思想を具体化するための景観砂利とその製造方法を例示するものであって、本発明は景観砂利とその製造方法を以下に特定しない。

本発明の景観砂利は、以下の工程で製造される。
(1) 造粒工程
この工程は、フライアッシュに焼成しない製紙スラッジを混合し、あるいは焼成しない未乾燥の製紙スラッジを、含有水をバインダーに使用して造粒して未焼結粒子とする。製紙スラッジは、１０重量％以上、好ましくは１５重量％以上、さらに好ましくは２０重量％以上の繊維等の有機成分を含むものを使用する。さらに、製紙スラッジは、フィルタープレス等で脱水されたものであって、乾燥されず、また焼成されないものを使用する。この製紙スラッジは、４０重量％〜７０重量％の水分を含有する。この含有水分をバインダーに使用して、フライアッシュと製紙スラッジとの混合体を造粒し、あるいは製紙スラッジを造粒する。この製紙スラッジは、微細な短繊維と無機成分に水を含有する。本発明は、製紙スラッジの焼成灰をフライアッシュに混合して造粒するのではない。本発明は、脱水された製紙スラッジを乾燥することなく、また焼成することなく造粒して焼成するので、処理コストを著しく安くして理想的な物性の景観砂利にできる。

また、製紙スラッジに含まれる繊維は非常に細くて短い。この繊維を焼失して、景観砂利の内部に微細な無数の空隙を設ける。したがって、原料の製紙スラッジに、繊維等の有機成分の含有量の多いものを使用して、焼結された景観砂利の空隙率をより高く、すなわち吸水率を高くできる。とくに、繊維等の有機成分による空隙は、未燃カーボンのように独立気泡な状態ではなく、連続気泡の状態となって互いに連続する微細な無数の空隙となる。この構造の空隙は、多量の水をスムーズに出入りしやすい状態で保水する。

製紙スラッジに含まれる繊維等の有機成分が多すぎると、これを焼結した景観砂利は、空隙率が高くなって全体の強度が低下する。したがって、繊維等の有機成分の含有率の多すぎる製紙スラッジは、フライアッシュを混合して空隙率を調整する。さらに、フライアッシュに未燃カーボンを含有するものを使用して、フライアッシュの未燃カーボンと、製紙スラッジの繊維等の有機成分とで、景観砂利の空隙率をコントロールすることもできる。

さらに、フライアッシュと製紙スラッジには、いずれか又は両方に酸化鉄を含有するものを使用する。酸化鉄は顔料となって、景観砂利の表面を美しい天然色に着色する。

製紙スラッジやフライアッシュを結合して造粒するバインダーには水を使用するが、焼成工程で焼失する合成樹脂製のバインダー、たとえば酢酸ビニル樹脂やＰＶＡ等の合成樹脂バインダーを水に添加して使用することもできる。造粒工程において、フライアッシュと製紙スラッジは十分に混練りされて、製紙スラッジに含まれる繊維等の有機成分を均一に分散させる。水分を含有するフライアッシュや製紙スラッジは成型室に充填され、成型室が閉塞されて未焼結粒子に造粒される。製紙スラッジに対するフライアッシュ量を多くして、造粒に必要な水分量が少なくなる場合は、水分含有量が４０重量％〜７０重量％となるように水を添加して、繊維等の有機成分を均一に分散させるまで混練りする。

本発明は、フライアッシュと製紙スラッジを造粒する方法を、成型室に充填する方法には特定しない。たとえば、フライアッシュや製紙スラッジを円柱状又は角柱状に押し出し、これを所定の長さに切断して短い円柱状や角柱状とし、さらにこれを２枚のプレートで挟んで転動させて球形ないしは球形に近似する形状に成型し造粒することもできる。未焼結粒子は、好ましくは球形に造粒する。ただし、完全な球形には成型せずに、球形に近い形状とし、多面体ないしは角を丸くしている多面体等の形状に成型する。また、自然の砂利に近いように種々の形状が混在する形状に造粒することもできる。造粒工程においては、平均粒子径を２〜３０ｍｍ、好ましくは３〜２０ｍｍ、さらに好ましくは５〜１５ｍｍとする未焼結粒子に造粒する。

(2) 焼成工程
未焼結粒子を乾燥した後、焼結して製紙スラッジに含まれる繊維等の有機成分を焼失して、連続気泡状態の多孔状態に焼結する。焼成温度は、１０００℃〜１３００℃、好ましくは１０００〜１２００℃、さらに好ましくは１０５０℃〜１２００℃とし、設定された焼成温度における焼成時間は１〜５時間とする。焼成温度が低く、あるいは焼成時間が短いと、充分に焼結できずに強度が低下する。反対に高すぎると無機成分が溶融されて空隙が少なくなって、吸水性と保水性が低下する。焼成工程において、未焼結粒子は含有される繊維等の有機成分が焼失されて多孔質な状態となる。また、未燃カーボンを含むフライアッシュに製紙スラッジを混合している未焼結粒子は、フライアッシュの未燃カーボンも焼失して微細な空隙ができる。この景観砂利は、繊維等の有機成分による連続気泡状態の空隙と、未燃カーボンによる独立気泡状態の空隙が互いに連通される状態で設けられて、多量の水分を含有する景観砂利となる。

図１は、景観砂利の内部が焼結されて多孔質な状態となる状態を示す電子顕微鏡写真である。この図に示すように、景観砂利の内部には、極めて微細な多くの連続する空隙ができ、ここに吸水した水を保水する。この状態で内部の微細な空隙に保水する景観砂利は、極めて優れた保水性を実現して、長期間にわたって保水する。

以下の工程で景観砂利を製造する。
(1) 造粒工程
１００重量部のフライアッシュと、１００重量部の製紙スラッジを十分に混合して、製紙スラッジの繊維等の有機成分を均一に分散させる状態として、焼失材混合無機材を造粒する。フライアッシュは、３０重量％の未燃カーボンを含有する。製紙スラッジは、３０重量％の繊維等の有機成分を含有する。製紙スラッジは水分を含有するが、フライアッシュはほとんど水分を含まないので、全体の水分含有量が５０重量％となるように水を添加して、水をバインダーとして造粒する。この製紙スラッジは、フィルタープレスで脱水されたものを、乾燥も焼成もしない状態で使用する。製紙スラッジは５０重量％の水分を含む。造粒される未焼結粒子の平均粒子径は約１０ｍｍとする。

(2) 焼成工程
未焼結粒子を乾燥した後、焼成炉に搬入して、焼成温度を１２００℃として２時間焼成する。焼成炉は、２００℃／時間の温度勾配で炉内の温度を上昇し、１２００℃に２時間保持した後、自然冷却して、焼成炉から景観砂利を取り出す。

以上の工程で製造される景観砂利は、吸水率が約６１重量％と極めて高くなる。吸水率が６１重量％である景観砂利は、１００ｇの景観砂利に６１ｇの水を保水する。この景観砂利は極めて微細な空隙に吸水するので、極めて優れた保水性を実現する。とくに、この景観砂利は、未燃カーボンによる独立気泡状態の空隙と、繊維等の有機成分による連続気泡状態の空隙とが、互いに連通する状態で設けられる。したがって、この実施例で製作される景観砂利は、多量の水をスムーズに出し入れできる状態で長時間にわたって保水する。たとえば、温度４０℃、湿度８０％の室内で水分が減少する状態を測定すると、この実施例の景観砂利は、４００時間（１６．７日）経過後も３８重量％の水分を保水する極めて優れた保水性を示す。

この実施例で得られた景観砂利の空隙分布を水銀注入法で測定すると、２〜２０μｍと極めて微細な空隙がほとんどを占める。

さらに、製造された景観砂利をコンクリートや地面に敷設して、上を歩行しても全く破壊されない強度となった。破壊強度を測定するために、球形に焼結された景観砂利を、変形しない平行な金属面で挟着して、局部的に加圧しても約１５０Ｎの圧力で加圧するまで破壊されない。この破壊試験は、景観砂利を極めて狭い領域で局部的に押圧するので、景観砂利と押圧面との間にゴム状弾性体等を配設して、押圧する面積を大きくすると、破壊強度は極めて大きくなる。現実に、景観砂利の上を靴で踏む状態はこの状態となる。靴の底が弾性変形するからである。また、靴底で景観砂利を踏みつける状態は、多数の景観砂利を一緒に靴底で踏むので、１個の景観砂利に作用する圧力は体重よりも小さく、前述の強度の景観砂利が踏んで破壊されることはない。

(2)の焼成工程における焼成温度を１２００℃から１１５０℃にする以外、実施例１と同様にして景観砂利を製造する。この実施例で製造される景観砂利は、吸水率が約６３重量％となる。吸水率が６３重量％である景観砂利は、１００ｇの景観砂利に６３ｇの水を保水する。この景観砂利も極めて微細な空隙に吸水するので、実施例１の景観砂利と同じように、極めて優れた保水性を実現し、４００時間（１６．７日）経過後も約４０％の水分を保水する。

さらに、製造された景観砂利をコンクリートや地面に敷設して、上を歩行しても全く破壊されない強度となった。球形に焼結された景観砂利を、変形しない平行な金属面で挟着して、局部的に加圧して破壊強度を測定すると約１３０Ｎの圧力で加圧するまで破壊されない。

造粒工程において使用する焼失材混合無機材を、３０重量％の繊維等の有機成分を含有する製紙スラッジのみとする以外、実施例１と同様にして、多孔質な景観砂利を製造する。この実施例で製造される景観砂利は、吸水率が約５１重量％となる。吸水率が５１重量％である景観砂利は、１００ｇの景観砂利に５１ｇの水を保水する。この景観砂利も極めて微細な空隙に吸水するので、実施例１の景観砂利と同じように、極めて優れた保水性を実現し、４００時間（１６．７日）経過後も約３０％の水分を保水する。

さらに、製造された景観砂利をコンクリートや地面に敷設して、上を歩行しても全く破壊されない強度となった。球形に焼結された景観砂利を、変形しない平行な金属面で挟着して、局部的に加圧して破壊強度を測定すると約１１８Ｎの圧力で加圧するまで破壊されない。

焼成工程において、焼成温度を１２００℃から１０６０℃にとする以外、実施例３と同様にして、多孔質な景観砂利を製造する。この実施例で製造される景観砂利は、吸水率が約６０重量％となる。この景観砂利も極めて微細な空隙に吸水するので、実施例１の景観砂利と同じように、極めて優れた保水性を実現し、４００時間（１６．７日）経過後も約３５％の水分を保水する。

さらに、製造された景観砂利をコンクリートや地面に敷設して、上を歩行しても全く破壊されない強度となった。球形に焼結された景観砂利を、変形しない平行な金属面で挟着して、局部的に加圧して破壊強度を測定すると約１１０Ｎの圧力で加圧するまで破壊されない。

本発明の一実施例にかかる多孔質な景観砂利の電子顕微鏡写真である。

Claims (8)

1. 未燃カーボンを含むフライアッシュに、繊維を含む有機成分を１０重量％以上含有し、かつ４０重量％〜７０重量％の水分を含有する未焼成の製紙スラッジを添加し、さらに水を添加して製紙スラッジに含有される水と添加された水の両方をバインダーとして、平均粒子径を２ｍｍ〜３０ｍｍとする未焼結粒子に造粒する造粒工程と、この造粒工程で得られる未焼結粒子を圧縮強度が５０Ｎ以上で、吸水率が３５重量％以上となる温度に焼結する焼成工程とからなる多孔質な景観砂利の製造方法。
2. １００重量部のフライアッシュに、１０〜５００重量部の製紙スラッジを混合する請求項１に記載される多孔質な景観砂利の製造方法。
3. 製紙スラッジとフライアッシュからなる原料に、２重量％以上の酸化鉄を含むものを使用する請求項１に記載される多孔質な景観砂利の製造方法。
4. 焼成工程における焼成温度が１０００〜１３００℃である請求項１に記載される多孔質な景観砂利の製造方法。
5. 未燃カーボンを含むフライアッシュと、繊維を含む有機成分を１０重量％以上含有し、かつ４０重量％〜７０重量％の水分を含有する未焼成の製紙スラッジと、水との混合体が、製紙スラッジに含有される水と添加された水の両方をバインダーとして平均粒子径を２ｍｍ〜３０ｍｍとする粒子に造粒されて、圧縮強度を５０Ｎ以上、吸水率を３５重量％以上とする温度で焼結されてなる多孔質な景観砂利。
6. １００重量部のフライアッシュと、１０〜５００重量部の製紙スラッジが造粒されてなる請求項５に記載される多孔質な景観砂利。
7. 吸水率が４０重量％以上である請求項５に記載される多孔質な景観砂利。
8. ２重量％以上の酸化鉄を含み酸化鉄で表面が着色されてなる請求項５に記載される多孔質な景観砂利。