特表 2024-529989 焼却主灰を使用可能な骨材に変換するためのスケーラブルで安定したプロセス

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2024-08-14

(54)【発明の名称】焼却主灰を使用可能な骨材に変換するためのスケーラブルで安定したプロセス

(51)【国際特許分類】

   C04B 18/10 20060101AFI20240806BHJP

   C04B 14/02 20060101ALI20240806BHJP

   C04B 18/14 20060101ALI20240806BHJP

   C04B 20/00 20060101ALI20240806BHJP

   C04B 28/02 20060101ALI20240806BHJP

   C04B 40/02 20060101ALI20240806BHJP

   B28B 11/24 20060101ALI20240806BHJP

   B01J 2/00 20060101ALI20240806BHJP

   B01J 2/12 20060101ALI20240806BHJP

   C04B 20/10 20060101ALI20240806BHJP

【ＦＩ】

C04B18/10 Z

C04B14/02 Z

C04B18/14 A

C04B20/00 B

C04B28/02

C04B40/02

B28B11/24

B01J2/00 B

B01J2/12

B01J2/00 A

C04B20/10

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024505531

(86)(22)【出願日】2022-07-29

(85)【翻訳文提出日】2024-03-07

(86)【国際出願番号】 SG2022050542

(87)【国際公開番号】W WO2023009074

(87)【国際公開日】2023-02-02

(31)【優先権主張番号】10202108358Q

(32)【優先日】2021-07-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】SG

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524038392

【氏名又は名称】エングロ・コーポレイション・リミテッド

【氏名又は名称原語表記】ＥＮＧＲＯ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ ＬＩＭＩＴＥＤ

(74)【代理人】

【識別番号】110001195

【氏名又は名称】弁理士法人深見特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】ゴー，チー・コン

(72)【発明者】

【氏名】タン，ロク・ヒン

(72)【発明者】

【氏名】－，ソーリャ・プラカシュ

(72)【発明者】

【氏名】ロー，スイ・ション

(72)【発明者】

【氏名】タン，エイク・シュアン

【テーマコード（参考）】

4G004

4G055

4G112

【Ｆターム（参考）】

4G004AA03

4G004BA00

4G004HA00

4G055BA04

4G112PA06

4G112PA20

4G112PA26

4G112PA27

4G112PA28

4G112PA29

4G112RA03

4G112RA06

(57)【要約】

普通ポルトランドセメントを含むセメントと、粉砕粒状高炉スラグと、主灰とを含む骨材であって、セメントが、粉砕粒状高炉スラグの存在下で水和されて、主灰をカプセル化するケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体が形成される、骨材が開示される。骨材を製造する方法も本明細書に開示され、この方法は、水の存在下でセメントおよび粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合してプレコート主灰を形成することと、プレコート主灰を造粒することとを含む。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

骨材であって、
普通ポルトランドセメントを含むセメントと、
粉砕粒状高炉スラグと、
主灰とを含み、
前記セメントが、前記粉砕粒状高炉スラグの存在下で水和されて、前記主灰をカプセル化するケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体が形成される、骨材。

【請求項2】

前記普通ポルトランドセメントが、石灰（ＣａＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および／またはマグネシア（ＭｇＯ）を含む、請求項１に記載の骨材。

【請求項3】

前記普通ポルトランドセメントが、少なくとも５０重量％の量で存在する石灰およびシリカを含む、請求項１または２に記載の骨材。

【請求項4】

前記粉砕粒状高炉スラグが、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、および／またはＭｇＯを含む、請求項１～３のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項5】

前記粉砕粒状高炉スラグが、
３０～５０重量％の範囲の量で存在するＣａＯと、
２８～３８重量％の範囲の量で存在するＳｉＯ_２と、
１～１８重量％の量で存在するＭｇＯと、
を含む、請求項１～４のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項6】

前記主灰が、任意の発電所および／または任意の焼却施設からの主灰を含む、請求項１～５のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項7】

前記主灰が、重金属、ハロゲン化物、および／または揮発性有機化合物を含む、請求項１～６のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項8】

前記普通ポルトランドセメントが、マイクロファイン普通ポルトランドセメントを含むか、もしくは前記粉砕粒状高炉スラグが、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグを含むか、または
前記普通ポルトランドセメントが、マイクロファイン普通ポルトランドセメントを含み、かつ前記粉砕粒状高炉スラグが、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグを含む、
請求項１～７のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項9】

前記マイクロファイン普通ポルトランドセメントが、７５０ｍ^２／ｋｇ以上の比表面積を有する、請求項８に記載の骨材。

【請求項10】

前記マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグが、７５０ｍ^２／ｋｇ以上の比表面積を有する、請求項８または９に記載の骨材。

【請求項11】

前記骨材が、少なくとも約４０重量％の前記普通ポルトランドセメントを含む、請求項１～１０のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項12】

前記骨材が、少なくとも約１０重量％の前記粉砕粒状高炉スラグを含む、請求項１～１１のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項13】

前記主灰をカプセル化する前記ケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体が、２００μｍ～７００μｍの範囲の平均厚さを有する、請求項１～１２のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項14】

前記骨材が、０．８ｍｍ以上の平均直径を有する、請求項１～１３のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項15】

前記骨材が、添加剤をさらに含み、前記添加剤が、ベントナイト、クレイ、カーボンナノファイバー、バイオ炭、フライアッシュおよび／またはシリカフュームを含む、請求項１～１４のいずれか１項に記載の骨材。

【請求項16】

水の存在下で前記セメントおよび前記粉砕粒状高炉スラグを前記主灰と混合してプレコート主灰を形成することと、
前記プレコート主灰を造粒することと、
を含む、請求項１～１５のいずれか１項に記載の骨材を製造する方法。

【請求項17】

前記セメントおよび前記粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合する前に、前記主灰を水と接触させること、または
前記セメントおよび前記粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合する前に前記主灰を水と接触させることであって、前記主灰を水と接触させることが、前記主灰に水を噴霧することを含む、前記セメントおよび前記粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合する前に前記主灰を水と接触させること、をさらに含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項18】

前記プレコート主灰を造粒することが、少なくとも３分間の持続時間にわたって実施されるか、または
前記プレコート主灰を造粒することが、少なくとも３分間の持続時間にわたって実施され、かつ前記プレコート主灰を造粒することが、少なくとも１００ｒｐｍの速度で回転する造粒機ドラム内で前記プレコート主灰を造粒することを含む、
請求項１６または１７に記載の方法。

【請求項19】

前記セメントおよび前記粉砕粒状高炉スラグを前記主灰と混合する前に、前記セメントおよび前記粉砕粒状高炉スラグを水と混合してスラリーを形成することをさらに含む、請求項１６に記載の方法。

【請求項20】

前記プレコート主灰を造粒することが、前記プレコート主灰にさらなるセメントを添加することを含む、請求項１９に記載の方法。

【請求項21】

前記プレコート主灰を造粒した後に、前記プレコート主灰をペレット化することをさらに含む、請求項１９または２０に記載の方法。

【請求項22】

前記骨材を硬化させることをさらに含み、前記骨材を硬化させることが、
湿度チャンバ内で前記骨材を熱処理することと、
前記骨材を水中でコンディショニングすることと、
を含む、請求項１６～２１のいずれか１項に記載の方法。

【請求項23】

前記骨材を硬化させることが、前記骨材を前記湿度チャンバ内で蒸気処理することをさらに含む、請求項２２に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【発明の詳細な説明】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０２１年７月３０日に出願されたシンガポール特許出願第１０２０２１０８３５８Ｑ号の優先権の利益を主張し、その内容は、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。

【0002】

技術分野
本開示は、骨材に関する。本開示はまた、骨材を製造する方法および骨材の使用に関する。

【0003】

背景
都市廃棄物（ＭＳＷ：ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ）の発生率は、おそらく人為的活動、都市化、経済発展、および工業化よる世界人口の増加に比例して増加している可能性がある。処分および焼却は、世界中で２つの主要なＭＳＷ処理／処分アプローチと見なされ得る。したがって、ＭＳＷの増加は、焼却残渣を処分するためのより多くの埋立て処分場を有する圧力を必然的に上昇させる可能性がある。一例としてシンガポールを参照すると、２０１９年だけで約７２０万トンのＭＳＷが発生したと推定され、そのうち５８％はリサイクルされたと推定され、３９％は焼却されたと推定され、３％は埋立てられたと推定された。廃棄物の体積の９０％が焼却によって削減され得るが、それは依然として焼却の最後の時点での廃棄物処理の最終段階ではない。これは、焼却主灰（ＩＢＡ：ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｏｔｔｏｍ ａｓｈ）および焼却フライアッシュ（ＩＦＡ：ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ｆｌｙ ａｓｈ）等の残留物は、依然として埋立てによる焼却後に処分する必要があり、シンガポールには唯一の埋立て処分場であるセマカウ埋立て処分場（ＳＬ：Ｓｅｍａｋａｕ ｌａｎｄｆｉｌｌ）しかないからである。残念なことに、ＳＬの寿命は２０年未満で最長２０３５年までと予想される。したがって、シンガポール等の国では、焼却灰（ＩＡ：ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ａｓｈ）、特にＭＳＷ焼却後の灰の総重量の８５％～９５％を占める焼却主灰を十分に利用するために慎重な計画をしなければならない場合があり、これは、埋立て処分場の利用可能性が限られているためにＳＬの寿命を延長する唯一の方法のようである。

【0004】

埋立て処分のための焼却主灰を削減するために、焼却主灰の使用が検討された。しかしながら、焼却主灰中の有毒な重金属および塩化物含有量は、多くの用途におけるその利用を著しく妨げるようである。したがって、焼却主灰が利用され得る前であっても、処理されなければならない。金属回収のための分離プロセス、焼却主灰中の有害な含有量を固定するための固化／安定化、熱処理、およびアルカリ処理等の多くの既存の処理方法は、焼却主灰の品質を改善し、環境への影響を低減し得る。これにもかかわらず、そのような処理プロセスは、実際には時間がかかり、費用がかかり、または困難である傾向がある。例えば、化学物質を使用し、同じ水を再循環させてＩＢＡを洗浄することは、多くの場合、水中に溶解する重金属の量を増加させ、流出物の規制限界を超える濃度に達する可能性がある。

【0005】

前述の処理を最小化または回避しながら焼却主灰を利用するために、再生不可能な天然骨材の供給源が世界的な需要の増加が続くにつれて急速に枯渇していることを考慮して、コンクリート中の粗骨材または細骨材の代替品としてＭＳＷ焼却主灰の使用を検討した。一般に、焼却主灰は、おそらく０．１ｍｍ～１００ｍｍの範囲の粒度分布を有する金属、セラミック、石、ガラス片および未燃焼有機物を含有し得る。焼却主灰で作られたストーンフラグメントは、最も求められている代替骨材材料の１つである。これは、焼却主灰ストーンフラグメントが骨材に類似している可能性があり、廃棄物のエネルギー利用（ｗａｓｔｅ－ｔｏ－ｅｎｅｒｇｙ）プラントによって生成される大きな焼却主灰量が、焼却主灰ストーンフラグメントを骨材需給ギャップを橋渡しするための便利な代替物にするためである可能性がある。とはいえ、焼却主灰ストーンフラグメントは、容易に浸出する可能性があり、処理済み焼却主灰と比較して未処理焼却主灰のような比較的弱い強度特性を有する可能性がある高濃度の有毒重金属を含む傾向がある。したがって、コンクリート中の骨材代替品として未処理のＩＢＡを使用することは依然として課題である。

【0006】

したがって、生コンクリートの製造において、ＩＢＡを粗骨材または細骨材等の使用可能な材料に変換するためのスケーラブルで持続可能かつ費用効果の高い処理方法が必要とされている。

【0007】

概要
第１の態様において、骨材であって、
普通ポルトランドセメントを含むセメントと、
粉砕粒状高炉スラグと、
主灰とを含み、
前記セメントが、前記粉砕粒状高炉スラグの存在下で水和されて、前記主灰をカプセル化するケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体が形成される、骨材が提供される。

【0008】

別の態様において、第１の態様の様々な実施形態に記載される骨材を製造する方法が提供され、この方法は、
水の存在下でセメントおよび粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合してプレコート主灰を形成することと、
プレコート主灰を造粒することと、
を含む。

【0009】

図面の簡単な説明
図面は必ずしも縮尺通りではなく、代わりに一般に本開示の原理を説明することに重点が置かれている。以下の説明では、本開示の様々な実施形態が、以下の図面を参照して説明される。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1A】図１Ａは、本開示のＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材（本明細書ではＧＧＢＳ－被覆ＩＢＡ骨材と示され得る）の１つの断面を示す（光学顕微鏡法によって得られた光学画像である左画像を参照されたい）。骨材をその中心で切断した。骨材の平均サイズは２４１８．７８μｍである。この骨材は、２：１のＧＧＢＳ－ＯＰＣ：ＩＢＡ重量比に基づく。ＩＢＡコアを取り囲むカプセル化層の平均厚さは４４８．３１μｍであり、これは、表に示すようにカプセル化層に沿って測定した少なくとも１８点（例えば１８または２０点）から導き出される（右の画像を参照）。骨材の平均サイズは、２０００μｍ～４０００μｍ、２４１８μｍ～２５２３μｍ等の範囲であり得る。ＩＢＡコアを取り囲むカプセル化層の平均厚さは、２９５μｍ～４４９μｍ、３１９μｍ～４４９μｍ等の範囲であり得る。

【図1B】図１Ｂは、本開示のＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材の別の１つの断面を示す（光学顕微鏡法によって得られた光学画像である左画像を参照）。骨材をその中心で切断した。骨材の平均サイズは２５２３．０７２μｍである。この骨材は、１：１のＧＧＢＳ－ＯＰＣ：ＩＢＡ重量比に基づく。ＩＢＡコアを取り囲むカプセル化層の平均厚さは３１９．１１８μｍであり、これは、表に示すようにカプセル化層に沿って測定した２０点に由来する（右の画像を参照）。骨材の平均サイズは、２０００μｍ～４０００μｍ、２４１８μｍ～２５２３μｍ等の範囲であり得る。ＩＢＡコアを取り囲むカプセル化層の平均厚さは、２９５μｍ～４４９μｍ、３１９μｍ～４４９μｍ等の範囲であり得る。

【図2】図２は、本開示の方法の概略図である。図示の方法では、ＩＢＡ（これは、０．３ｍｍ～２ｍｍ、１．１２ｍｍ～２ｍｍ等のサイズを有し得る）を最初にＩＢＡ粒子に水を噴霧することによって水で濡らした。次いで、粉砕粒状高炉スラグ（ＧＧＢＳ：ｇｒｏｕｎｄ ｇｒａｎｕｌａｔｅｄ ｂｌａｓｔ－ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ）および普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ：ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｐｏｒｔｌａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ）を含む粉末混合物を湿潤ＩＢＡ粒子と混合し、次いでこれらを造粒してＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材を形成する。図２に見られるように、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材は、コア－シェル骨材の形態で示されている。シェルはＧＧＢＳ－ＯＰＣを含み、これは完全にまたは実質的にケイ酸カルシウム水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ）に変換され得る。コアは、内部に重金属および有毒物質が閉じ込められ、シェル層によって浸出が防止されたＩＢＡを含む。

【図3A】図３Ａは、ＣＳ０～ＣＳ１５と示される試料についてのＥＮ１２４５７－１：２００２（ｍｇ／ｋｇ）の規格に基づくバッチ浸出試験の結果を示す表である。バッチ浸出試験は、重金属ならびに化学的酸素要求量（ＣＯＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｄｅｍａｎｄ）を含む特定の毒性元素および化合物を検出する。この試料中の骨材は、２：１のＧＧＢＳ－ＯＰＣ：ＩＢＡ重量比に基づく。

【図3B】図３Ｂは、ＣＳ１１－Ｒと示される試料についてのＥＮ１２４５７－１：２００２（ｍｇ／ｋｇ）の規格に基づくバッチ浸出試験の結果を示す表である。バッチ浸出試験は、重金属ならびに化学的酸素要求量（ＣＯＤ：ｃｈｅｍｉｃａｌ ｏｘｙｇｅｎ ｄｅｍａｎｄ）を含む特定の毒性元素および化合物を検出する。この試料中の骨材は、１：１のＧＧＢＳ－ＯＰＣ：ＩＢＡ重量比に基づく。１４Ｄおよび７Ｄは、試料が受けた硬化日数（それぞれ１４日間および７日間）を示す。

【図4】図４は、試料ＣＳ０～ＣＳ１５についての各種揮発性有機構成要素（ｍｇ／ｋｇ）の浸出試験の結果を示す表である。

【図5】図５は、本開示の方法の一実施形態のフローチャートを示す。特に、この実施形態において、原料ＩＢＡは、ふるい分けおよび／またはサイズ縮小工程を受けてもよい。次いで、ＧＧＢＳおよびＯＰＣと混合する前に、ＩＢＡを水で濡らして、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材を形成してもよい。ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材は、硬化を受けてもよい。

【図6】図６は、本開示の方法の別の実施形態のフローチャートを示す。特に、この実施形態は、ＧＧＢＳとＯＰＣとを水と混合してセメントスラリーを形成した後、ＧＧＢＳとＯＰＣとを含むセメントスラリーをＩＢＡと混合する点で、図５に示すものと異なる。

【0011】

詳細な説明
以下の詳細な説明は、本開示を実施し得る特定の詳細および実施形態を例示として示す添付の図面を参照する。

【0012】

一実施形態の文脈で説明される特徴は、他の実施形態の同じまたは類似の特徴に対応して適用可能であり得る。実施形態の文脈で説明される特徴は、これらの他の実施形態で明示的に説明されていなくても、他の実施形態に対応して適用可能であり得る。さらに、実施形態の文脈で特徴について説明した追加および／または組み合わせおよび／または代替は、他の実施形態の同じまたは類似の特徴に対応して適用可能であり得る。

【0013】

本開示は、骨材に関する。本開示の骨材は、本明細書では「製造された骨材」と呼ぶ場合があり、これはコンクリートで使用可能な骨材への言及を含み、骨材は粒状材料であり、粒状材料は複合材（すなわち、材料の混合物）であり得る。本発明の骨材は、建築および／または建設材料、沿岸用途、支持材料等としてこれらを含むがこれらに限定されない様々な用途に使用することができる。

【0014】

骨材は、従来の骨材の環境に優しい代替品としてコンクリートに組み込むことができる。本発明の骨材は、廃棄物に由来するという点で有利である。したがって、本発明の骨材は、費用効果が高いだけでなく、廃棄されるべき廃棄物の量も減少させる。例えば、本発明の骨材は、従来は埋立地に処分されている主灰、例えば焼却主灰（ＩＢＡ：ｉｎｃｉｎｅｒａｔｉｏｎ ｂｏｔｔｏｍ ａｓｈ）から形成することができる。シンガポール等の土地が限られている国では、これは懸念事項である。したがって、焼却主灰を利用することにより、埋立て処分される量が減少し、それにより、埋立て処分の寿命が維持される。また、本発明の骨材は、鋼の製造からの望ましくない副生成物である粒状高炉スラグ（ＧＢＳ：ｇｒａｎｕｌａｔｅｄ ｂｌａｓｔ－ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ）を使用して形成され得る。このように、本骨材は、ＩＢＡ廃棄物処理の低減および不要なＧＢＳ副産物のリサイクルにおいて環境的に有利である。

【0015】

上述したように、本発明の骨材は、本発明の骨材がＩＢＡを含む場合であっても、建築および／または建材、沿岸用途、支持材料等を含むがこれらに限定されない様々な用途に使用することができ、ＩＢＡは重金属および環境に有害な有害物質を含み得る。これは、本発明の骨材がコア－シェル構造を有し、シェルがＩＢＡをコアにカプセル化し、シェルが重金属および毒性物質をコアに閉じ込め、それらが浸出するのを防ぐためである。

【0016】

本開示はまた、前述の骨材を製造する方法に関する。本発明の方法は、コンクリート骨材を製造する従来の方法と比較して簡単であり、ＩＢＡの事前の化学処理を必要としない。本発明の方法は、原料ＩＢＡを粉砕してその元のサイズを縮小し、粉砕粒状高炉スラグ（ＧＧＢＳ：ｇｒｏｕｎｄ ｇｒａｎｕｌａｔｅｄ ｂｌａｓｔ－ｆｕｒｎａｃｅ ｓｌａｇ）および普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ：ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｐｏｒｔｌａｎｄ ｃｅｍｅｎｔ）、すなわちＧＧＢＳ－ＯＰＣ（ＯＰＣ－ＧＧＢＳとも略記される）から形成される粉末バインダー（すなわち、粉末混合物）を用いてＩＢＡを造粒することを含んでもよい。粉砕粒状高炉スラグは、粉砕された粒状高炉スラグを指す。

【0017】

本発明の骨材および方法の様々な実施形態、ならびに様々な実施形態に関連する利点の詳細を以下に説明する。実施形態および利点が以下の実施例のセクションでさらに説明されている場合、それらは簡潔にするために繰り返さないものとする。

【0018】

様々な実施形態において、骨材は、セメント、粉砕粒状高炉スラグ、および主灰を含むことができる。セメントは普通ポルトランドセメントを含むことができる。粉砕粒状高炉スラグは、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグを含むことができる。セメントおよび粉砕粒状高炉スラグは、主灰をカプセル化するケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体を含むことができる。言い換えれば、セメントは、粉砕粒状高炉スラグの存在下で水和されて、主灰をカプセル化するケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体が形成され得る。

【0019】

「セメント」という用語は、コンクリートの成分を指し、セメントは、バインダー、すなわち他の材料（砂、砂利等）を固化、硬化、および／または付着させてそれらを結合させる建設に使用される物質として作用することができる。本開示のセメントは、水硬性セメントを含むか、または水硬性セメントからなることができる。

【0020】

様々な実施形態において、本セメントは水硬性セメントであってもよい。水硬性セメントとは、（ｉ）セメントおよび／またはコンクリートに使用される乾燥成分と（ｉｉ）水との化学反応により、接着剤となり固化するセメントを指す。化学反応は、水にかなり不溶な鉱物水和物をもたらし、これは、水における耐久性および化学的攻撃に対する耐性を付与する。また、水硬性セメントは、湿潤状態または水中で凝結することができ、硬化した材料を化学的攻撃からさらに保護する。水硬性セメントの非限定的な例は、ポルトランドセメントを含むか、またはポルトランドセメントであり得る。

【0021】

「ポルトランドセメント」および「普通ポルトランドセメント」という用語は、本明細書では互換的に使用される。普通ポルトランドセメントは、本開示ではＯＰＣと略される。「ポルトランドセメント」という用語は、ブランド名ではなく、ちょうどステンレス鋼が鋼の一種であるように、セメントの種類の総称である。ポルトランドセメントは、限定されないが、ケイ酸三カルシウム（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、ケイ酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、アルミン酸三カルシウム（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）、および／またはテトラカルシウムアルミノフェライト（４ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３Ｆｅ_２Ｏ_３）を含むことができる。

【0022】

様々な実施形態において、普通ポルトランドセメントは、マイクロファイン普通ポルトランドセメントを含んでもよい。様々な実施形態において、普通ポルトランドセメントは、石灰（ＣａＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および／またはマグネシア（ＭｇＯ）を含み得る。様々な実施形態において、マイクロファイン普通ポルトランドセメントは、石灰（ＣａＯ）、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化鉄（ＩＩＩ）（Ｆｅ_２Ｏ_３）、および／またはマグネシア（ＭｇＯ）を含み得る。

【0023】

様々な実施形態において、普通ポルトランドセメントおよび／またはマイクロファイン普通ポルトランドセメントは、少なくとも５０重量％、少なくとも６０重量％、少なくとも７０重量％、少なくとも８０重量％、少なくとも９０重量％等の量で存在する石灰およびシリカを含んでもよい。

【0024】

様々な実施形態において、粉砕粒状高炉スラグは、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、および／またはＭｇＯを含み得る。様々な実施形態において、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグは、ＣａＯ、ＳｉＯ_２、および／またはＭｇＯを含み得る。

【0025】

様々な実施形態において、粉砕粒状高炉スラグおよび／またはマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグは、３０～５０重量％、３０～４０重量％、４０～５０重量％等の範囲の量で存在するＣａＯを含み得る。様々な実施形態において、粉砕粒状高炉スラグおよび／またはマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグは、２８～３８重量％、２８～３５重量％、２８～３０重量％、３０～３８重量％、３５～３８重量％等の範囲の量で存在するＳｉＯ_２を含み得る。様々な実施形態において、粉砕粒状高炉スラグおよび／またはマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグは、１～１８重量％、５～１８重量％、１０～１８重量％、１５～１８重量％、１～５重量％、５～１０重量％、１０～１５重量％等の量で存在するＭｇＯを含み得る。

【0026】

様々な実施形態において、粉砕粒状高炉スラグおよび／またはマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグは、Ａｌ_２Ｏ_３を含んでもよく、Ａｌ_２Ｏ_３は、８～２４重量％、１０～２４重量％、１５～２４重量％、２０～２４重量％、８～１０重量％、８～１５重量％、８～２０重量％、１０～２０重量％等の範囲の量で存在し得る。

【0027】

様々な実施形態において、主灰は、任意の発電所および／または任意の焼却施設からの主灰を含み得る。本明細書における主灰は、任意の発電所および／または任意の焼却施設から生成された灰（すなわち、不燃性残留物）の形態を指す。発電所は、都市廃棄物（ＭＳＷ：Ｍｕｎｉｃｉｐａｌ Ｓｏｌｉｄ Ｗａｓｔｅ）焼却発電所、発電所、石炭発電所、バイオマス発電所等を含み得る。焼却施設は、ＭＳＷ焼却炉等を含み得る。様々な実施形態において、主灰は、焼却主灰であってもよい。

【0028】

様々な実施形態において、主灰は、重金属、ハロゲン化物、および／または揮発性有機化合物を含み得る。

【0029】

様々な実施形態において、普通ポルトランドセメントは、マイクロファイン普通ポルトランドセメントを含み得るか、もしくは粉砕粒状高炉スラグは、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグを含み得るか、または普通ポルトランドセメントは、マイクロファイン普通ポルトランドセメントを含み得、かつ粉砕粒状高炉スラグが、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグを含み得る。

【0030】

様々な実施形態において、マイクロファイン普通ポルトランドセメントは、７５０ｍ^２／ｋｇ以上、８００ｍ^２／ｋｇ以上、８５０ｍ^２／ｋｇ以上、９００ｍ^２／ｋｇ以上、９５０ｍ^２／ｋｇ以上等の比表面積を有する。様々な実施形態において、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグは、７５０ｍ^２／ｋｇ以上、８００ｍ^２／ｋｇ以上、８５０ｍ^２／ｋｇ以上、９００ｍ^２／ｋｇ以上、９５０ｍ^２／ｋｇ以上等の比表面積を有する。

【0031】

本開示の文脈における「マイクロファイン」という用語は、７５０ｍ^２／ｋｇ以上の比表面積を有する材料を指す。より高い比表面積は、当然のことながら、より微細な材料を指す。ウルトラファインおよびナノファイン材料は、１，０００ｍ^２／ｋｇ以上の比表面積を有し得る。ウルトラファインおよびナノファイン材料は、より微細である（すなわち、マイクロファイン材料よりも高い比表面積を有する）。本開示の文脈における「ウルトラファイン」および「ナノファイン」という用語は、「ウルトラファイン」が０．５μｍより大きいサイズを有し得る粒子を指し、「ナノファイン」が１００ｎｍ未満のサイズを有し得る粒子を指すという点で異なる。言い換えれば、ウルトラファイン粒子は、０．５μｍより大きいサイズおよび１，０００ｍ^２／ｋｇ以上の比表面積を有し得、ナノファイン粒子は、１００ｎｍ未満のサイズおよび１，０００ｍ^２／ｋｇ以上の比表面積を有し得る。様々な事例では、普通ポルトランドセメント、マイクロファイン普通ポルトランドセメント、粉砕粒状高炉スラグ、およびマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグは、それらのウルトラファインおよび／またはナノファインバージョンを含み得る。

【0032】

様々な実施形態において、普通ポルトランドセメントの比表面積は、例えば、３１５ｍ^２／ｋｇ～３７５ｍ^２／ｋｇ、３１５ｍ^２／ｋｇ～３４５ｍ^２／ｋｇ等の範囲であり得る。様々な実施形態において、粉砕粒状高炉スラグの比表面積は、４２０～４６０ｍ^２／ｋｇの範囲であり得る。これに対して、上述したように、マイクロファイン普通ポルトランドセメントおよびマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグの比表面積は、７５０ｍ^２／ｋｇ以上であってもよい。

【0033】

様々な実施形態において、骨材は、少なくとも約４０重量％の普通ポルトランドセメント（および／またはマイクロファイン普通ポルトランドセメント）を含み得る。様々な実施形態において、骨材は、少なくとも約１０重量％の粉砕粒状高炉スラグ（および／またはマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグ）を含み得る。

【0034】

様々な実施形態において、主灰をカプセル化するケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体は、２００μｍ～７００μｍ、３００μｍ～７００μｍ、４００μｍ～７００μｍ、５００μｍ～７００μｍ、６００μｍ～７００等の範囲の平均厚さを有し得る。特定の非限定的な例では、ケイ酸カルシウム水和物は、約４４８μｍまたは約３１９μｍの平均厚さを有し得る。

【0035】

様々な実施形態において、骨材は、０．８ｍｍ以上、０．９ｍｍ以上、１ｍｍ以上の平均直径を有し得る。「直径」および「サイズ」という用語は、本明細書では互換的に使用される。直径は、骨材の周囲の一点から、骨材の中心を通る直線を介して周囲のもう１つの点まで測定される。

【0036】

様々な実施形態において、骨材は、添加剤をさらに含んでもよい。添加剤は、ベントナイト、クレイ、カーボンナノファイバー、バイオ炭、フライアッシュ、および／またはシリカフュームを含み得る。上述のように、本開示の骨材は、１つ以上の添加剤を含んでもよい。ベントナイトおよびシリカフューム以外に、他の添加剤が含まれていてもよい。他の添加剤のいくつかの例は、上に記載されている。一例では、２重量％～５重量％のベントナイトをマイクロファインＧＧＢＳ－ＯＰＣ混合物に添加すると、ＩＢＡのカプセル化の肯定的な結果が実証され、重量％はＧＧＢＳおよびＯＰＣに基づく。約５０～６０％のＧＧＢＳ含有量はまた、カプセル化のより良好な結果を示し得て、重量％はＧＧＢＳおよびＯＰＣに基づく。

【0037】

より高い粘度を有するバインダー溶液は、ＩＢＡに対するバインダー溶液コートの改善された接着性のために、より良好なカプセル化を示した。しかしながら、バインダー溶液は粘度が高すぎると、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ混合物をＩＢＡ上に広げることが困難になる場合がある。

【0038】

上記のような骨材は、様々な実施形態においてコア－シェル骨材であり得る。シェルは、水硬性セメントおよび粉砕粒状高炉スラグを含み得る。シェルは、ケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体を含んでもよい。水硬性セメントおよび粉砕粒状高炉スラグは、ケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体を含み得る。セメントは、ケイ酸カルシウム水和物または誘導体が形成されるように、粉砕粒状高炉スラグの存在下で水和され得る。セメントは、粉砕粒状高炉スラグの存在下でケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体に完全にまたは実質的に変換され得る。言い換えれば、水硬性セメント、粉砕粒状高炉スラグ、および／またはケイ酸カルシウム水和物は、コアをカプセル化するシェルを形成し得る。コアは、主灰を含んでもよい。水硬性セメントおよび粉砕粒状高炉スラグは、主灰をカプセル化するケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体を含み得る。水硬性セメントは、マイクロファイン普通ポルトランドセメントであってもよく、またはマイクロファイン普通ポルトランドセメントを含んでもよい。粉砕粒状高炉スラグは、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグであってもよく、またはマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグを含んでもよい。

【0039】

本開示はまた、骨材を製造する方法に関する。第１の態様の様々な実施形態における本発明の骨材について記載される実施形態および利点は、本明細書で後に記載される本発明の方法についても同様に有効であり得、逆もまた同様である。様々な実施形態および利点が既に上述されており、本明細書で例示されている場合、それらは簡潔にするために繰り返されるべきではない。

【0040】

骨材を製造する方法は、水の存在下でセメントおよび粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合してプレコート主灰を形成することと、プレコート主灰を造粒することとを含み得る。本発明の方法の２つの非限定的な実施形態を図５および図６に示す。

【0041】

様々な実施形態において、セメントおよび粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合する前に、主灰は、原料主灰の元のサイズを縮小するための粉砕等のサイズ縮小工程を受けてもよい。

【0042】

特定の非限定的な実施形態において、方法は、セメントおよび粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合する前に、主灰を水と接触させることをさらに含み得る（そのような非限定的な実施形態は、図５を通して示されている）。主灰を水と接触させることは、主灰に水を噴霧することを含んでもよい。

【0043】

特定の非限定的な実施形態において、プレコート主灰の造粒は、少なくとも３分間の持続時間にわたって行われてもよい。特定の非限定的な実施形態において、プレコート主灰を造粒することは、少なくとも３分間の持続時間にわたって実施されてもよく、プレコート主灰を造粒することは、少なくとも１００回転／分（ｒｐｍ）の速度で回転する造粒機ドラム内でプレコート主灰を造粒することを含んでもよい。

【0044】

特定の非限定的な実施形態において、方法は、セメントおよび粉砕粒状高炉スラグを主灰と混合する前に、セメントおよび粉砕粒状高炉スラグを水と混合してスラリーを形成することをさらに含んでもよい（そのような実施形態は、図６を介して示されている）。このような非限定的な例では、プレコート主灰を造粒することは、プレコート主灰にさらなるセメントを添加することを含み得る。このような非限定的な例では、方法は、プレコート主灰を造粒した後に、プレコート主灰をペレット化することをさらに含んでもよい。プレコート主灰のペレット化は、ディスクペレタイザー内で行われてもよい。

【0045】

特定の非限定的な実施形態において、普通ポルトランドセメント（および／またはマイクロファイン普通ポルトランドセメント）および粉砕粒状高炉スラグ（および／またはマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグ）は、以下の機構：（ｉ）マイクロファインスラグの使用は、拡散バリアとして作用する低透過性のグラウトを硬化させることができる、（ｉｉ）マイクロファインスラグの使用は、Ｃ－Ｓ－Ｈがその結晶構造中へのイオンの吸着を可能にする高い表面積を有するので、Ｃ－Ｓ－Ｈ（ケイ酸カルシウム水和物）を増加させることができる、および（ｉｉｉ）スラグと比べてより早い硬化時間を介して重金属の固定化を補助するために、液体バインダー（例えば、混合の開始時または混合中に）の形態であり得る。

【0046】

様々な実施形態において、方法は、骨材を硬化させることをさらに含み得る。骨材を硬化させることは、骨材を湿度チャンバ内で熱処理すること、および骨材を水中でコンディショニングすることを含んでもよい。

【0047】

様々な実施形態において、骨材を硬化させることは、骨材を湿度チャンバ内で蒸気処理することをさらに含み得る。

【0048】

上述のように、方法は、骨材を硬化させることを含んでもよい。骨材を硬化させることは、湿度チャンバ内で骨材を熱処理すること、および骨材を蒸気硬化させることとを含んでもよい。チャンバ内の骨材の熱処理および蒸気硬化は、骨材中のバインダー（例えば、ＧＧＢＳおよびＯＰＣ）を強化するのに役立ち、すなわち、骨材のシェルはより凝集性になる。シェルがより凝集性になると、より緊密に充填され、機械的強度を得て、主灰をシェル内に閉じ込める（浸出を防止する）ことができる。

【0049】

熱処理は、骨材を湿度チャンバ内で加熱することを含んでもよい。湿度チャンバ内の湿度は、少なくとも８５％、９０％等であってもよい。熱処理は、少なくとも１２時間、２４時間等にわたって実施することができる。熱処理はまた、水中で骨材を調整する持続時間を２８日から１４日以下に短縮するのに役立つ。

【0050】

蒸気硬化は、大気圧下で蒸気を蒸気硬化チャンバに通すことを含んでもよい。蒸気硬化は、少なくとも１時間実施することができる。蒸気硬化はまた、水中で骨材を調整する持続時間を２８日間から７日間以下に短縮するのに役立つ。

【0051】

上記の工程に従って、処理された骨材は、硬化プロセスの最終工程として水を含む水浴に配置されてもよい。骨材を水中に少なくとも３日間置いてもよい。

【0052】

１日、３日間、７日間および２８日間、バインダーコートが硬化するのに十分な時間を与えてもよい。加速硬化は、被覆ＩＢＡを４０℃の温度の水浴に２日間置くことによって依拠することができる。

【0053】

要約すると、本発明の骨材および方法は、上記のようなカプセル化を含む。普通ポルトランドセメントおよび粉砕粒状高炉スラグが市販されている場合があるが、これは、マイクロファイン普通ポルトランドセメントおよびマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグには当てはまらない。本開示の様々な非限定的な実施形態において、マイクロファインＯＰＣおよびマイクロファインＧＧＢＳが使用される場合、本発明の骨材を形成するために、マイクロファイン粉砕粒状高炉スラグおよびマイクロファイン普通ポルトランドセメントが製造される。出発原材料の十分な利用可能性は、マイクロファイン普通ポルトランドセメントおよびマイクロファイン粉砕粒状高炉スラグ、したがって本発明の骨材および方法の生産を経済的に実行可能にする。本発明の粉末コーティング混合物（例えば、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ）および造粒プロセスと組み合わせて主灰をカプセル化すると、本発明の骨材および方法は、厳しい浸出要件を有利に満たす。ここで、主灰をカプセル化するための普通ポルトランドセメントと粉砕粒状高炉スラグとの組み合わせは、カプセル化されたＩＢＡの望ましくない凝集をもたらしてコンクリートまたは骨材のないスラグを形成することはない。比較すると、従来のカプセル化方法は、従来の材料を使用して本明細書で達成されるサイズおよび利点の骨材を開発しない傾向がある。所望のカプセル化結果は、本発明の粉末コーティング混合物（例えば、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ）および造粒プロセス／方法論を利用することによって達成される。

【0054】

「実質的に」という用語は、複合材の少なくとも７０重量％、７５重量％、８０重量％、８５重量％、９０重量％、９５重量％、９８重量％、９９重量％、９９．５重量％、９９．９重量％等の量で存在する構成要素を指す場合がある。必要に応じて、「実質的に」という語は、本開示の定義から省略されてもよい。

【0055】

様々な実施形態の文脈において、特徴または要素に関して使用される冠詞「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、特徴または要素のうちの１つ以上への言及を含む。

【0056】

様々な実施形態の文脈において、数値に適用される「約」または「およそ」という用語は、正確な値および合理的な分散を包含する。

【0057】

本明細書で使用される場合、「および／または」という用語は、関連する列挙された項目のうちの１つ以上のありとあらゆる組み合わせを含む。

【0058】

別段の指定がない限り、「を含むこと」および「含む」という用語、およびそれらの文法的変形は、列挙された要素を含むが、追加の列挙されていない要素の包含も可能にするように、「開放」または「包括的」言語を表すことを意図している。

【実施例】

【0059】

実施例
本開示は、骨材、その製造方法および使用に関する。

【0060】

本発明の骨材は、焼却主灰（ＩＢＡ）等の主灰を含む。主灰は、化学的に処理する場合があり、または化学的に処理しない場合もある。本発明の骨材を製造する方法は、骨材を形成するための主灰の直接的な処理を含み得、有利には、主灰は、主灰の使用前に化学的に処理される必要はない。

【0061】

本発明の方法は、英国廃棄物埋立て処分協会（Ｂｒｉｔｉｓｈ Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｆｏｒ ｄｉｓｐｏｓａｌ ｗａｓｔｅ ｔｏ ｌａｎｄｆｉｌｌ）、例えばＢＳ ＥＮ１２４５７－１：２００２（廃棄物浸出の特性評価。粒状廃棄物材料およびスラッジの浸出のための適合性試験。固体含有率が高く、粒径が４ｍｍ未満の材料（サイズ縮小なしまたはサイズ縮小あり）については、２Ｌ／ｋｇの液体対固体比での１段階バッチ試験、英国が採用した欧州規格による規格）の要件を満たすことができる。本発明の方法から形成された本発明の骨材は、本発明の方法がそのような基準を満たすならば、同じ要件を満たすことになる。

【0062】

さらに有利には、本発明の骨材および方法は、容易に入手可能な材料の使用に基づいているため、経済的に実行可能である。これは、本発明の骨材および方法の信頼性を複雑にする未試験材料を含むリスクを低減する。

【0063】

本発明の骨材、その製造方法および使用は、非限定的な例として、以下に記載されるように、さらに詳細に記載される。

【0064】

実施例１：骨材および方法の序論

【0065】

本開示の方法は、少なくとも骨材、例えばコンクリート骨材として使用することができる被覆焼却主灰を製造するために、粉砕粒状高炉スラグと普通ポルトランドセメント（本明細書では「粉砕粒状高炉スラグ－普通ポルトランドセメント（ＧＧＢＳ－ＯＰＣ）」とも呼ばれる）の混合物を含む造粒プロセス（すなわち、造粒工程を含む）に基づいて開発された。本発明の方法は焼却主灰のコーティングを含むことから、本発明の方法は、本明細書では「コーティング方法」と呼ばれる。本発明の方法および骨材は、都市廃棄物（ＭＷＳ：ｍｕｎｉｃｉｐａｌ ｓｏｌｉｄ ｗａｓｔｅ）焼却発電所、石炭発電所、バイオマス発電所、および／または任意の他の発電所等の発電所によって生成された任意の主灰で実行可能である。

【0066】

少なくとも１３の配合物を試験した。試験される配合物は、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末（本明細書では粉末バインダーとも呼ばれる）を含み、これは、ＯＰＣおよびＧＧＢＳの混合物を含むことができ、ＯＰＣおよびＧＧＢＳは、それぞれ４０重量パーセント～１００重量パーセント（重量％）および１０～５０重量％（またはさらに１０～６０重量％）の範囲であり得る。すなわち、試験した試料の１つでは、ＧＧＢＳを使用せず、すなわち粉末には１００重量％のＯＰＣのみを使用した（図３Ａおよび図４のＣＳ１を参照）。重量％は、ＧＧＢＳとＯＰＣの混合物に基づく。粉末は、焼却主灰をカプセル化するコーティングを形成し、ＩＢＡ骨材を形成する。焼却主灰をカプセル化するコーティングは、カプセル化された焼却主灰からの重金属および毒性物質の浸出を防止する。

【0067】

ＯＰＣおよびＧＧＢＳは、それぞれマイクロファインＯＰＣ（ＭＦＯＰＣ：ｍｉｃｒｏｆｉｎｅ ＯＰＣ）およびマイクロファインＧＧＢＳであり得るか、またはそれらを含み得る。すなわち、マイクロファインＯＰＣおよびマイクロファインＧＧＢＳは、それぞれ４０％～１００重量％および１０～５０重量％（またはさらには１０～６０重量％）の範囲であり得、重量％はＧＧＢＳおよびＯＰＣ混合物に基づく。

【0068】

試験された配合物の中で、本明細書で「ＯＰＣ：ＭＦＯＰＣ：ＧＧＢＳ」（簡潔さのためにＣＳ１１と呼ばれる）と呼ばれる、普通ポルトランドセメント、マイクロファイン普通ポルトランドセメント、および粉砕粒状高炉を含む１つの配合物が（他の配合物も使用可能であるが）最も望ましいことが観察された。これは、ＣＳ１１が最も少ない浸出、すなわち原料ＩＢＡと比較して検出された重金属および毒性物質の量が最も少ないことを示したためである。ＣＳ１１配合物は、塩化物浸出を有意に低減する、すなわち原料ＩＢＡの９８００ｍｇ／ｋｇから２７ｍｇ／ｋｇにすることができることが発見された。この達成は、従来のコーティング方法では達成できないようである。試験した配合物から、粉末コーティング（マイクロファインＯＰＣおよびＧＧＢＳを使用しても、ＯＰＣおよびＧＧＢＳを含む）は、ＩＢＡ中に存在する有毒な重金属を効果的に閉じ込めて固定化することができる。より正確には、造粒を含む本発明の方法を使用してコア－シェル骨材が製造される。コア－シェル骨材、すなわち本発明の骨材の各々は、ＩＢＡをコアにカプセル化する粉末コーティング（ＯＰＣ、ＧＧＢＳおよび／またはそれらのマイクロファインバージョン）から形成されたシェルを有する。また、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材は、生コンクリートを製造する際の細骨材の適切な代替品としても利用し得ることが観察された。試験された全ての配合物に基づいて、得られた骨材は全て、被覆ＩＢＡから首尾よく構成され、ＧＧＢＳ－ＯＰＣの配合物は、ＩＢＡをコーティングし、ＩＢＡからの毒性重金属の浸出を防止する粉末バインダーとして作用する。したがって、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材は、環境上の懸念なしにコンクリートマトリックスに組み込むための代替骨材として使用することができる。

【0069】

本開示に記載の造粒工程を使用して、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡの製造をスケールアップし、商業化のための工業規模の操作に複製することができる。配合されたＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーは、堅牢であり（すなわち、シェル、したがって骨材に、より長い貯蔵寿命および耐久性を付与する）、方法が簡単であり、ＩＢＡの化学処理がない場合、得られた骨材製品および原材料の使用から最終製品までの製造プロセス全体のコスト削減を達成するようにさらに構成することができる。

【0070】

本開示の１つ以上の例は、造粒を伴う粉体塗装方法を示す。造粒の前に、約０．８ｍｍ～約４ｍｍ、約２ｍｍ～約４ｍｍ等の範囲のサイズのＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ粒子（すなわち、本発明の骨材）の製造を助けるために粉砕能力も開発された。ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ粒子は、生コンクリート中の細骨材代替品として使用することができる。造粒中、ＩＢＡ粒子は、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末（ＩＢＡのバインダーとして作用することができる）と共に濡らすことができる。

【0071】

より詳細には、造粒による粉体塗装法を開発した。造粒前に、約０．０７５ｍｍ～約６．３ｍｍの範囲の平均粒径を有するＩＢＡを製造するための粉砕能力（すなわち、粉砕工程）を開発した。一例では、本発明の方法で使用したＩＢＡの平均サイズ分率は約１．１２ｍｍ～２ｍｍであった。造粒中、ＩＢＡ粒子へのＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーのコーティングにより、ＩＢＡ粒子の粒径が増加した。造粒後、ＯＰＣ－ＧＧＢＳ被覆ＩＢＡ骨材の平均粒径は、約０．８ｍｍ～約４ｍｍ、約２ｍｍ～約４ｍｍである。この範囲のＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡサイズの選択は、国際的な浸出試験要件（すなわち、ＥＮ１２４５７－１：２００２、粒状廃棄物およびスラッジのコンプライアンス試験浸出。高固形分および４ｍｍ未満の粒径を有する材料（サイズ縮小なしまたはサイズ縮小あり）についての２Ｌ／ｋｇの液体対固体比での１段階バッチ試験）を満たすのに役立つ。このように、得られたＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ粒子は、生コンクリート産業における細骨材代替品として使用される非常に大きな可能性を有する。得られた骨材は、２５ｍｍ、２０ｍｍ等の平均直径を有し得る。得られる骨材は、０．８ｍｍ以上の平均直径を有し得る。造粒は、ＩＢＡ粒子上に（例えば、ＩＢＡ粒子の各々において）コーティングの層を形成することを含む。コーティング層は、その中に重金属および任意の毒性物質を閉じ込める（すなわち、得られた骨材を過酷な環境で使用しても浸出が防止される）。コーティングの層は、１つ以上のＩＢＡ粒子をカプセル化するシェルと見なすことができる。造粒は、非限定的な例として、凝集、ペレット化、ブリケット化、噴霧乾燥凝集のいずれか１つを含み得る。噴霧乾燥凝集では、スラリーを、粒子を含むカラムに噴霧してもよい。スラリーは、コーティングの層を形成するための材料（例えば、ＯＰＣ、ＧＧＢＳおよび／またはそれらのマイクロファインバージョン）を含んでもよく、粒子は、ＩＢＡ粒子を含んでもよい。造粒は、ドラム造粒機、転動（パン）造粒機、または混合造粒機を使用して行ってもよい。混合造粒機は、ドラムと転動造粒機との組み合わせを含む。

【0072】

骨材のコア内への重金属の閉じ込めおよび／または固定化は、以下のうちの１つ以上によって達成することができる：（１）重金属の浸出を完全にまたは実質的に低減する、高アルカリ度のバインダー混合物（すなわち、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ混合物）、（２）ケイ酸カルシウム水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ）ゲルは、重金属イオンの吸着を可能にする高い表面積を有する（スラグブレンドセメント混合物は、収着能力を増加させるより高い割合のＣ－Ｓ－Ｈを生成する）、および／または（３）硬化したシェルの低い透過性は、重金属浸出に対する拡散障壁として作用する。

【0073】

上述のＣ－Ｓ－Ｈゲルは、ＧＧＢＳ－ＯＰＣコーティングの形成中に、例えばスラグ（ＧＧＢＳ）をセメント（例えば、ＯＰＣ）とブレンドした場合に生じ得る。セメント（例えば、ＯＰＣ）をＧＧＢＳの存在下で水和させて、ケイ酸カルシウム水和物またはその誘導体をシェル（すなわち、カプセル化層）内に形成させる。カプセル化層を形成する初期段階で、ケイ酸カルシウム水和物（またはその誘導体）はゲル形態で存在し得る。言い換えれば、ＩＢＡの周囲にカプセル化層を形成する初期段階でシェル中にＣ－Ｓ－Ｈゲルが形成され得る。しかしながら、Ｃ－Ｓ－Ｈゲルは、Ｃ－Ｓ－Ｈゲルが硬化するにつれて固体へと硬化する。したがって、得られた骨材において、Ｃ－Ｓ－Ｈゲルは固体のケイ酸カルシウム水和物層を形成する。ケイ酸カルシウム水和物層は、シェル中に存在することができる。特定の非限定的な例では、ケイ酸カルシウム水和物層は、シェル周囲にＩＢＡコアから離れて形成することができる。そのような非限定的な例では、Ｃ－Ｓ－Ｈは、ＩＢＡをコーティングするＧＧＢＳ－ＯＰＣに加えて、カプセル化の追加のコーティングとして機能する。そのような非限定的な例では、Ｃ－Ｓ－Ｈ層は、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ層の周辺を形成し得る。また、ＧＧＢＳ－ＯＰＣは、特定の非限定的な例ではＣ－Ｓ－Ｈに完全に変換することができ、次いでＣ－Ｓ－ＨはＩＢＡコアの唯一のカプセル化層として機能する。

【0074】

ＧＧＢＳ－ＯＰＣおよびＣ－Ｓ－Ｈに加えて、骨材がコンクリート骨材として利用されるときに骨材が組み込まれるコンクリートマトリックスは、コンクリート用途で使用するための重金属の浸出を妨げるおよび／または防止するための「二重防御」カプセル化をもたらす。言い換えると、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡが一般的なコンクリート製造において骨材代替品として使用される場合、コンクリートはＣ－Ｓ－Ｈおよび／またはＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡの外部に別の保護層を形成することができ、これは本明細書では「二重防御」と呼ばれ、すなわち、第１の防御はＩＢＡ上に被覆されたＣ－Ｓ－Ｈおよび／またはＧＧＢＳ－ＯＰＣのカプセル化層を指し、第２の防御は骨材が組み込まれたコンクリートマトリックスを指す。上記から理解され得るように、造粒は、ＩＢＡをＧＧＢＳ－ＯＰＣにカプセル化するために容易であり、したがって、費用効率が高く商業的価値のある造粒に容易にスケールアップされる。

【0075】

実施例２：従来の方法に対する本発明の骨材および方法の利点

【0076】

本発明の方法は、本発明のＩＢＡ骨材のより高い比重およびより強い圧縮強度をもたらす。従来、液体バインダーとしてのアルカリ活性化材料は、ＩＢＡ骨材の造粒プロセスに使用される場合がある。しかしながら、そのような従来の手法は、操作コストが高いこと、化学物質の使用、および重金属の固定化に効果がないこと等の特定の制限を被る傾向がある。対照的に、本発明の方法は、ＧＧＢＳをＯＰＣとブレンドして、前述の造粒によってＩＢＡ骨材を製造するためのＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーを得ることを含む。本発明の方法は、ＩＢＡ等の廃棄物をコンクリート材料に有用な骨材等の資源に変換することから、本発明の骨材は、本明細書では「廃棄物資源」骨材と呼ばれることがある。ＧＧＢＳは、廃棄物であるＩＢＡの他に、廃棄物に由来するものでもあった。本発明の方法では、ＧＧＢＳは、粒状高炉スラグ（高炉での製鋼所の銑鉄製造の工業副生成物であって、銑鉄は粗鉄を指す）を粉砕することによって社内で製造した。副生成物であるため、粒状の高炉スラグは望ましくない傾向があり、したがって容易に入手可能になる。このように、粒状化された高炉スラグは豊富であり、ＧＧＢＳは豊富に入手可能であり、（ＯＰＣと比較して）費用対効果の高い材料であることが分かる。

【0077】

特定の非限定的な例では、高剪断造粒プロセスは、粘性液体の拡散、粘性材料の処理、および低剪断造粒プロセスよりもコンパクトで球状の顆粒の生成を可能にし得るので、好ましい場合がある。一般に、造粒は、例えば造粒ドラムへのプレコートＩＢＡの添加によって開始することができる。造粒中、ＩＢＡ粒子を水で湿らせ、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーと混合し、続いて粒子拡大プロセスの一部として衝突させ、互いに粘着させる。また、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーの水和は、ＩＢＡ粒子の表面上にケイ酸カルシウム水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ）ゲル（またはその誘導体）の形成をもたらす液体バインダーを生じる。Ｃ－Ｓ－Ｈゲルが硬くなる（硬化する）と、ＩＢＡ粒子がＣ－Ｓ－Ｈマトリックスの結晶構造に組み込まれ、物理的および化学的特性が改善された剛性の塊が得られる。固体に硬化するＧＧＢＳおよび水の存在下でＯＰＣの水和から開始して形成されたＣ－Ｓ－Ｈゲル層は、重金属の潜在的な浸出に対する保護の第１のまたは主要なカプセル化層として機能することができると予想される。そこから、得られた被覆ＩＢＡは、コンクリート中の骨材として使用され得る。言い換えれば、骨材としての被覆ＩＢＡはコンクリートのマトリックスにカプセル化され、コンクリートはＩＢＡをカプセル化する第２の層として作用する。このように、カプセル化プロセス中に生成されたＣ－Ｓ－Ｈマトリックスを介して重金属を固定化する本発明の方法の独特の利点のために、およびカプセル化された骨材をコンクリートマトリックス内の骨材として最終的に使用するという利点を考慮すると、本発明の骨材および方法は、コンクリート中の不活性粗骨材または細骨材として固形廃棄物ＩＢＡを利用する機会を提供する。言い換えれば、コンクリートマトリックスは、毒性重金属の潜在的な浸出を緩和するための防御の二次カプセル化層として作用する。Ｃ－Ｓ－Ｈマトリックス（および／またはＧＧＢＳ－ＯＰＣでさえも）から生じ、被覆ＩＢＡ骨材を生コンクリート内に結合させるこの２倍カプセル化は、得られたＩＢＡ骨材に、コンクリートからの重金属および有毒な内容物の浸出を防止および／または緩和する「二重防御」を付与する。

【0078】

実施例３：本発明の骨材および方法の技術的考察

【0079】

本発明の骨材および方法の概要は、廃棄物資源ＩＢＡ骨材が、ＧＧＢＳをＯＰＣとブレンドして、造粒によってＩＢＡをカプセル化するためのＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーを形成することから製造されるということである。次いで、形成されたコアシェル顆粒を、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡグリーン骨材として使用するために調査した。

【0080】

特に、本発明の骨材および方法は、プロセス中にゲル相でケイ酸カルシウム水和物（Ｃ－Ｓ－Ｈ）を形成し、次いで得られた骨材中で結晶相に変換するＧＧＢＳ－ＯＰＣの水和を含み得る。さらに、ＧＧＢＳは、ＯＰＣの細孔構造を減少させ（すなわち、多孔性を低下させる）、シェルからの有毒な金属拡散を減少させることができる。したがって、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーは、造粒中にＩＢＡ粒子の表面上のＣ－Ｓ－Ｈゲル（したがって、固体Ｃ－Ｓ－Ｈカプセル化層）の形成を促進する。固定化はまた、Ｃ－Ｓ－Ｈを形成することによるイオンの収着、不溶性水酸化物の沈殿、およびＧＧＢＳ－ＯＰＣマトリックス中の結晶構成要素への格子内挿入に起因し得る（例えば、図１を参照されたい）。

【0081】

造粒は、（１）ＩＢＡ粒子に水を噴霧する工程、（２）ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーの配合物でＩＢＡをプレコーティングする工程、（３）プレコートＩＢＡを造粒機ドラムに供給する工程、（４）造粒を通常の速度で一定分間（例えば、少なくとも１００ｒｐｍの速度で造粒機回転ドラム内で少なくとも３分間の造粒）開始する工程、（５）ＩＢＡと融合された全ての加重ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーが存在するまで、顆粒化の間に水を噴霧し、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーを顆粒ＩＢＡに添加する工程を繰り返す工程、（６）ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡを、例えば少なくとも２５℃で最低１２時間（例えば２４時間）少なくとも８５％の湿度の環境を提供する湿度チャンバ内で乾燥させる工程、（７）ＧＧＢＳ－ＯＰＣコーティングされたＩＢＡを１４日間硬化させ続ける工程、（８）生成されたＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材をふるい分けし、等級分けする工程を用いて、行われ得る。

【0082】

次いで、生成された緑色ＩＢＡ骨材を、１０Ｌ／ｋｇの液体対固体比での一段階バッチ試験であるＢＳ ＥＮ１２４５７－１に従って浸出試験に供した。得られた浸出液のｐＨを、ｐＨメーターを用いて測定した。イオンクロマトグラフ（ＩＣ：ｉｏｎｉｃ ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ）を用いて浸出溶液中のアニオンを同定および決定し、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ ｃｏｕｐｌｅｄ ｐｌａｓｍａ）分光計によって浸出液中のカチオンを同定および決定した。全有機炭素（ＴＯＣ：ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ）分析器を使用して、浸出液の全有機炭素含有量を決定した。浸出液の全溶解固形分（ＴＤＳ：ｔｏｔａｌ ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｓｏｌｉｄｓ）および溶解有機炭素（ＤＯＣ：ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ）も測定した。

【0083】

図３Ａ、図３Ｂおよび図４は、バッチ浸出試験結果ＥＮ１２４５７－１：２００２、および様々な配合物（例えば、図３Ａおよび図３Ｂを参照）を用いたＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡの揮発性有機組成物浸出試験を示す。（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、鉛（Ｐｂ）、ナトリウム（Ｎａ）、亜鉛（Ｚｎ）、臭化物、塩化物、硫酸塩（ＳＯ_４）、アンモニア、全窒素および全有機炭素（ＴＯＣ：ｔｏｔａｌ ｏｒｇａｎｉｃ ｃａｒｂｏｎ）として示されるクロム（ＶＩ）の浸出は、原料ＩＢＡ試料（本明細書ではＲ１と示される）の限界値を大幅に超える。さらに、フェノールおよび鉱油（Ｃ１０～Ｃ３６）の浸出も検出された。重金属は、浸出および汚染の可能性が高いため、揮発性有機化合物よりも多くの懸念を引き起こす傾向がある。したがって、重金属（図３）は、この研究においてさらに注目される。結果は、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ（ＣＳ０およびＣＳ２～ＣＳ１２）のＣｒ、Ｍｏ、ＮｉおよびＺｎ等の重金属が、浸出液中で検出されないかまたは限界値未満であるため、ＧＧＢＳ－ＯＰＣのマトリックス中に首尾よく固定化されることを示した。さらに、Ｃｕの重金属は、例えば、試料ＣＳ９、ＣＳ１０、ＣＳ１１およびＣＳ１４では、原料ＩＢＡと比較して浸出の限界値以下に大幅に低減された。Ｐｂの浸出は、０．０２ｍｇ／ｋｇの限界値と比較して、それぞれ０．２７ｍｇ／ｋｇ、０．３６ｍｇ／ｋｇ、０．０２８ｍｇ／ｋｇおよび０．０３４ｍｇ／ｋｇである試料ＣＳ１、ＣＳ２、ＣＳ３およびＳ１２を除いて、全てのＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ試料について検出されない。これは、ケイ酸カルシウム水和物またはＧＧＢＳ－ＯＰＣマトリックスに完全にカプセル化されていないＰｂに起因し得る。エトリンガイトは、ＧＧＢＳ－ＯＰＣ中のＣａを置き換えることによってケイ酸カルシウムマトリックス中に強くカプセル化されるＰｂのような重金属との強い固定を有することが見出されている。しかしながら、ＯＰＣ（ＣＳ１）またはＧＧＢＳ－ＯＰＣ（ＣＳ２およびＣＳ３）からのエトリンガイトは、Ｐｂの浸出のために大幅には改善されない。Ｃｒ上の酸化還元電位、Ｃｕの場合は有機配位子、ならびにＰｂ上の鉱物沈殿および収着速度等の金属特異的因子は、それらの移動度に著しく影響を及ぼし得る。したがって、Ｃｒ、ＣｕおよびＰｂの金属の１つ以上の浸出を検出し得る。ＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡは、浸出試験で検出されたＡｌを示した。しかしながら、Ａｌの浸出は、原料ＩＢＡ中にＡｌが検出されなかったことから、ＩＢＡからではない。したがって、検出されたＡｌの浸出は、本文脈における浸出の懸念でも関連指標でもない。むしろ、Ａｌは、化学組成中にＡｌ_２Ｏ_３を含有するＧＧＢＳおよびＯＰＣからのものであってもよい。

【0084】

結果から、元の原料ＩＢＡと比較して、ナトリウム（Ｎａ）、塩化物、臭化物、硫酸塩、およびアンモニアの浸出は、それぞれ約２０倍、２５０倍、３００倍、７０倍、および７倍以上減少した。さらに、全てのＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材試料について、Ｎａ、ＳＯ_４およびアンモニアの浸出は許容レベルの限界値未満であった。ＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーを使用してＩＢＡをコーティングする可能性は、観察可能なほど有利である。ＧＧＢＳ－ＯＰＣマトリックスの効率は、ＩＢＡから浸出するＮａ、ＳＯ_４およびアンモニアを固定化できることが実証されている。試料ＣＳ９、ＣＳ１０、およびＣＳ１１は、検出された塩化物の限界値未満（４０ｍｇ／ｋｇ未満）に基づいて、全てのＧＧＢＳ－ＯＰＣ被覆ＩＢＡ骨材試料の中で最も望ましい結果を示した。この結果から、ＧＧＢＳ－ＯＰＣマトリックスは、ＩＢＡからの塩化物浸出の低減に顕著に成功したことが明らかである。バナジウムおよび臭化物はＣＳ９およびＣＳ１１で検出されたが、それらは限界値および機器の検出限界に非常に近いため、値は無視できる。マイクロファイン普通ポルトランドセメント（ＭＦＯＰＣ：ｍｉｃｒｏｆｉｎｅ ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ）は、普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ：Ｏｒｄｉｎａｒｙ Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ）、例えば約３３１ｍ^２／ｋｇ（±５％）と比較して、高い比表面積、例えば約８００ｍ^２／ｋｇ（±５％）を有する。この知見は、高い比表面積が、毒性金属を固定化し、毒性金属がＩＢＡから浸出するのを防止するその有効性のために捕捉有効性を高めた可能性が高いことを示した。これを実証するために、試料ＣＳ１０およびＣＳ１１を配合したが、これは、世界的な課題である、コンクリートで使用するための細骨材の部分的な代替品として原材料としてのＩＢＡを有益にする有望な機会に加えて、ＩＢＡを最大限に利用することができるという利点を示した。廃棄物から細骨材代替品に変換して製造コストの節約（例えば、従来の方法で必要とされる水の高使用および高エネルギーコストを回避する）を得ることにより、現在の骨材および方法を使用する国が大きな環境上の利益を得ることが可能になる。

【0085】

実施例４：商業的用途および潜在的用途

【0086】

本開示の骨材は、上述のような廃棄物、特にＩＢＡに由来するため、本明細書では「グリーン」ＩＢＡ骨材と呼ぶ場合がある。

【0087】

骨材は、配合されたＧＧＢＳ－ＯＰＣ粉末バインダーをＩＢＡ上に造粒によってカプセル化することによって製造される。本発明の骨材および方法は、スケールアップすることができ、商業化のために経済的に実行可能である。本発明の骨材および方法により、固形廃棄物ＩＢＡを、生コンクリートおよびプレキャストコンクリートに適用するためのグリーン骨材として展開することができる。建設用骨材の世界的な消費量は、２０１６年の４３３億メートルトンから２０２４年末までに６２９億メートルトンに達する可能性がある。したがって、建築用骨材の価値は、２０１６～２０２４年にかけて３２～３８億トンであると推定される。骨材に対する高い需要は、主に経済成長と建設活動の増加によるものである。本発明の骨材および方法は、年間約５００，０００トンから６００，０００トンのＩＢＡであるシンガポールの年間廃棄物処理取扱量を大幅に削減するのに役立ち、セマカウ埋立て処分場の寿命を大幅に延ばす。

【0088】

本開示は、特定の実施形態を参照して特に示され説明されてきたが、添付の特許請求の範囲によって定義される本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、形態および詳細における様々な変更がなされ得ることが当業者によって理解されるべきである。したがって、本開示の範囲は添付の特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内での全ての変更が含まれることが意図される。

【図1A】

【図1B】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4】

【図5】

【図6】

【国際調査報告】