(57)【要約】【課題】この発明は、多くの量の石炭灰を細骨材として使用することによって石炭灰の有効活用ができ、しかも十分な流動性や強度を有する石炭灰含有コンクリートを提供することを目的とする。【解決手段】上記の課題を解決するために本発明に係る石炭灰含有コンクリートは、造粒された石炭灰を細骨材として含むものであり、造粒された石炭灰を細骨材として使用することによって、市販の石炭灰（フライアッシュ）を使用した場合に比べて２倍の石炭灰を混合できるとともに、川砂を使用したコンクリートと同程度の流動性に改善できる。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
造粒された石炭灰を細骨材として含むコンクリート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、石炭を燃焼させたときに残留物として発生する石炭灰を有効利用することができるコンクリートに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
コンクリートの細骨材として、川砂や海砂が使用されてきたが、これらの資源は枯渇や採取による環境への悪影響などを理由に、その採取ができなくなっている。そこで、安定生産が見込まれる砕砂がコンクリート細骨材として使用されている。
【０００３】
また、石炭火力発電所より発生する石炭灰（フライアッシュ）が増加しつつある。この石炭灰はほとんど利用されることないので、蓄積し続けている。しかし、維持可能な循環型社会の推進のためには、これらの石炭灰を有効利用する必要がある。たとえば、特許文献１には細骨材として、石炭灰を５〜２０質量％配合してコンクリートを製造することが提案されている。
【特許文献１】特開２００７−１５８９２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
砕砂を川砂や海砂のかわり細骨材として使用する技術においては、砕砂は、形状が角張るため使用すると、同一スランプ量を得る単位水量が増えると言う欠点がある。そのため、砕砂は、海砂や川砂の代替細骨材として十分であるとは言いがたい。
【０００５】
特許文献１に記載された発明においては、石炭灰としてフライアッシュの原粉が使用される（特許文献１の００３１段落）。しかし、フライアッシュの原粉を細骨材として使用すると、流動性が低くなり、ポンプでの圧送が行いにくくなる。また、高性能ＡＥ減水剤という特別な化学混和剤を使用しないと十分な強度が得られない。しかし、このような化学混和剤を使用した場合、この混合割合などによってモルタルの流動性などの特性が予測しがたいほど大きく変化する場合がある。
【０００６】
この発明は、多くの量の石炭灰を細骨材として使用することによって石炭灰の有効活用ができ、しかも十分な流動性や強度を有する石炭灰含有コンクリートを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記の課題を解決するために、本発明に係る石炭灰含有コンクリートは、造粒された石炭灰を細骨材として含むものである。ここで、細骨材とは、１０ｍｍふるいを全部通り、５ｍｍふるいを質量で８５％以上通過する骨材である。また、コンクリートには、土木工学の用語として認識されているように地盤強化材などを含まない。
【発明の効果】
【０００８】
本発明は、造粒された石炭灰を細骨材として使用することによって、市販の石炭灰（フライアッシュ）を使用した場合に比べて２倍の石炭灰を混合できるという効果を有する。また、川砂を使用したコンクリートと同程度の流動性に改善できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
この発明を実施するための最良の形態について説明する。造粒された石炭灰を細骨材として配合したモルタルコンクリートのほか、比較として砕砂または川砂を配合したモルタルコンクリートも作成した。作成した供試体を大別すると、モルタルでの圧縮強度試験用供試体、コンクリートでの圧縮強度試験用の供試体、普通コンクリートでの透気試験用の供試体の３種類である。いずれの供試体についても、結合材には普通ポルトランドセメント（密度３．１４ｇ／ｃｍ3）、粗骨材には砕石、練り混ぜ水には水道水の同じものを用いた。
【００１０】
この実施の形態で細骨材として使用する造粒された石炭灰（密度１．４４ｇ／ｃｍ3、以下フライアッシュ造粒砂という）とは、ＣＦＢＣ灰を３３．３％、フライアッシュを６６．６％で混ぜ合わせ、その重量に対し高炉セメントＢ種を３．５％、生石灰を４．５％、水を２０〜２６％をアイリッヒのミキサーで混合造粒し２〜３日の養生をしたものである。ここで、ＣＦＢＣ灰とは循環型常圧流動床ボイラ（ＣＦＢＣ）より発生する石炭灰である。一方、フライアッシュとは、通常の石炭火力発電炉より発生する石炭灰を示す。フライアッシュ造粒砂自体の強度は、手で摘むと潰れる程度である。
【００１１】
砕砂を細骨材として使用する場合は、砕砂（密度２．５６ｇ／ｃｍ3,愛媛県東温市重信町山内産）の中、５ｍｍのふるいを通過したものを使用した。後述する砕石をさらに破砕したもので、ロッドミルで製造する。
【００１２】
川砂を細骨材として使用する場合は、運搬時の理由により、粒形の大小により２つに分けられた川砂（以下川砂大、川砂小と呼ぶ）を、粒度分布を砕砂に近づけるため川砂大を４０％、川砂小を６０％で混ぜ合わせたものを使用した。この混ぜ合わせたものを以下川砂（密度２．５６ｇ／ｃｍ3）と呼ぶ。
【００１３】
砕石は愛媛県東温市重信町山内産（密度２．６１ｇ／ｃｍ3）を使用した。
【００１４】
混和剤にＡＥ減水剤を使用した。ＡＥ減水剤はＡＥ剤のエントレインドエアによるワーカビリティーや耐久性の改善効果と、減水剤のセメント分散作用によるワーカビリティーや強度、水密性の改善効果の両方を併せ持つ混和剤である。
【００１５】
また、混和剤にマイクロエア（商品名）を使用した。マイクロエア（商品名）は空気量調整剤で空気量を調整する目的で使用される混和剤である。本実験ではマイクロエア７８５（商品名）及びマイクロエア２０２（商品名）を１０倍に希釈したものを使用した。
【００１６】
３種類の砂を用いたモルタルの比較のための配合について説明する。表１に示す配合を用いた。単位水量を３００ｋｇで固定し、水セメント比を４０％、５０％、６５％のものについて試験を行った。ただし、砕砂、川砂、フライアッシュ造粒砂は比重が違うため、質量で置き換えるのでは適切でない。そのため、体積で３種の砂を置き換え、その他の配合や使用材料はすべて一致させ、フロー試験及び圧縮強度試験を行った。
【表１】
2008280205.tif 000002
【００１７】
フライアッシュ造粒砂と砕砂を混合したモルタルの配合について説明する。配合は表２に示す通りである。一般に施工されている水セメント比は４０％から６５％である。ここでは、その範囲内である水セメント比５０％に固定し、単位水量を仮に３００ｋｇに固定し、砕砂にフライアッシュ造粒砂の置換割合を２５％、５０％、７５％の割合で混ぜ合わせたものについても試験を行った。この場合も質量ではなく体積で置き換え、その他の配合や使用材料はすべて一致させ、フロー試験及び圧縮強度試験を行った。
【表２】
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【００１８】
混合砂を用いたコンクリートの単位水量測定試験用の配合について説明する。配合を表３に示す。水セメント比を５０％、細骨材率４７％に固定する。砕砂、川砂、砕砂にフライアッシュ造粒砂を６５％の割合で置換したもの（以下この割合で混ぜ合わせたものを混合砂と呼ぶ）の３種類について、細骨材以外がスランプ、空気量に影響を与えないよう配合を変えず、砂のみを置き換えて、ＡＥ減水剤とマイクロエア２０２（商品名）を１０倍に希釈したものの調節により、スランプ及び空気量を一致させる。
【表３】
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【００１９】
ここで砕砂に対してのフライアッシュ造粒砂の置換率を６５％にして使用したのは、フライアッシュ造粒砂と砕砂を混合したモルタルの配合についての試験の結果、モルタルコンクリートの水セメント比５０％の場合においては、置換率を６５％で混ぜ合わした細骨材を用いた場合、川砂と同じコンシステンシーとなることが分かったことに基く。すなわち、本実験では、混合砂の目標単位水量及びコンシステンシーは川砂であり、混合砂と川砂のコンシステンシー及び単位水量は等しくなると考えられる。この配合及び方法で、スランプ６±２ｃｍ、空気量４．０±０．５％でコンシステンシーを同様にした場合の単位水量を求め、圧縮強度試験を行う。
【００２０】
また、混合砂を用いたコンクリートの強度試験用の配合は配合を表４に示す通りである。混合砂を細骨材として使用した場合のセメント水比１．５、２．０、２．５において、単位水量を１６４．５ｋｇ、ＡＥ減水剤をセメントに対し０．２５％に、細骨材率を４７％に固定し、マイクロエア７８５（商品名）を１０倍に希釈したものを使用し調整を行い、スランプを６±２cm、空気量を４±０．５の配合を行った。
【表４】
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【００２１】
さらに、混合砂を用いたコンクリートの透気試験用の供試体も表４に示したセメント水比2.5の配合のものを使用した。砕砂を用いた供試体の配合は表５に示す。
この配合で、普通コンクリートの透気試験用供試体を作成した。混合砂は水中養生を7日、砕砂は水中養生を２日行い強度をほぼ等しくした。強度がそれぞれ３３．４９Ｎ／ｍｍ2、３２．２０Ｎ／ｍｍ2の供試体について空隙率を３％、４％、５％、６％、７％、８％に調節し透気試験を行い透気量と透気係数を求めた。
【表５】
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【００２２】
空気量試験について説明する。ワシントン型エアメーターを使用し注水法を用いて測定をおこなった。容器の内側を湿布で拭き、水平に置いた容器の中に試料をほぼ等しい量の３層に分けて詰める。その各層を突き棒でならした後、２５回一様に突く。試料で容器を満たし、すりきりを行い容器の縁に付着した試料を拭い取り、上から蓋をのせてそれぞれのロックを行う。その後、スポイトを用い注水弁から水を注入し、容器内を水で満たし、容器の周りを３回程度軽く叩いた後に空気量を測定する。
【００２３】
スランプ試験は、JIS A 1108の規定に従い行った。スランプコンーンは上端内径１００ｍｍ、下端内径２００ｍｍ、高さ３００ｍｍで金属製を使用。スランプコーンの内面を湿布で拭き、水平に置いた水密性平板の上に置いて押さえ、試料はほぼ等しい量の３層にわけて詰める。その各層は、突き棒でならした後、２５回一様に突く。スランプコーンに詰めたコンクリートの上面をスランプコーンの上端に合わせてならした後、直ちにスランプコーンを静かに鉛直に引き上げ、コンクリートの中央部に置いて下がりを０．１ｃｍ単位で測定しこれをスランプ量とする。ここで、スランプコーンの引き上げ時間を２〜３秒とする。ここでは、このスランプ値と次に示すフロー値によりフライアッシュ造粒砂を細骨材とした時のコンシステンシーについて評価する。
【００２４】
モルタルフロー試験はJIS A 1116の規定に従い行った。練り混ぜたモルタルを乾燥した布でよくぬぐったフローテーブル上の中央の位置に正しく置いたフローコーンに２層に詰める。各層は、突き棒の先端がその層の約１／２の深さまで入るよう、全面に渡って各々１５回突き、最後に不足分を補い表面をならす。直ちにフローコーンを正しく上の方に取り出し、１５秒間に１５回の落下運動を与え、モルタルが広がった後の径を最大と認める方向と、これに垂直な方向とで測定し、その平均値をｍｍ単位で表す。試験は２回行い、その平均値をフロー値とする。
【００２５】
圧縮強度試験はJIS A 1108の規定に従い行った。圧縮強度試験にはＲＵ−３０万能材料試験機を用いた。モルタル供試体、普通コンクリート供試体共に、紙やすり、研磨機を用いて表面が平らになるよう研磨したものを用いた。圧縮強度試験は、供試体の中心軸が加圧板の中心に一致するように設置し、供試体に衝撃を与えないよう、且つ偏心しないように試験機の加圧板を供試体に密着させて実施した。圧縮強度は載荷速度が速くなるにつれて見かけ上高くなるので、JIS A 1108で毎秒０．２〜０．３Ｎ／ｍｍ2と定められているように、破壊するまで中断することなく一様な速度で荷重を加えた。供試体が破壊したら荷重計が示す最大荷重を読み取り、その最大荷重ｔｆからＮ単位に直し、その最大荷重を供試体の断面積で除して圧縮強度を求めた。
【００２６】
透気試験は定圧方法を用いた。定圧方法は透気の解析が容易且つ合理的で、透気試験のアウトプット法と同様に、一定圧力の空気を供試体に作用させ、空気の流れが定常となった後に透気量を測定し、Darcy則より透気係数を求める方法である。透水試験と比べると、空気は水よりもコンクリートを透過しやすいため、作用させる圧力は低く、また定常状態に達する時間も２時間程度と早い。
空気が供試体中を１次元方向にのみ流れるように気密処理し、透気試験用の鉄板に穴をふさぐように貼り付け、一定の空隙率になるまで乾燥させて準備を行った。
【００２７】
図１は透気試験装置を示す概念図である。以上の準備の後に図１に示す透気試験装置を用いて透気試験を実施した。コンプレッサーより圧力容器内に空気を流して０．２Ｎ／ｍｍ2の空気圧を与え、供試体を透過した空気の透気量を測定した。なお、空気圧を与えて間もなくは透気量が不安定なため、安定する２時間後に測定した。測定された透気量が明らかに多い場合、供試体と鉄板の間に隙間がないか確認し、隙間があった場合は再度エポキシ樹脂系接着剤で空気が漏れないよう気密処理を行った。
透気係数は測定された透気量から数１に示すDarcy則より算出した。
【数１】
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ここに、
K：透気係数（cm4/N・ｓ）
L：供試体高さ（cm）
P1：載荷圧力0.2（N/cm2）
P2：流出測圧力0.1（N/cm2）
Q：透気量（cm3/ｓ）
A：透気面積（cm2）  
であり、流出圧力は大気圧０．１Ｎ／ｍｍ2とした。
【００２８】
外観で種別するとモルタルコンクリートの圧縮試験用（４×４×１６ｃｍ）の角柱供試体、普通コンクリートの圧縮試験用（１０×２０ｃｍ）の円柱供試体及び透気試験用（１５×１５×５ｃｍ）の角柱供試体の３種の供試体を作成した。
【００２９】
また、粗骨材は２４時間水に浸した後に表乾状態に施したものを使用し、細骨材は表乾状態にして使用した。各種供試体は、ミキサーで３分間練り、モルタルコンクリートの場合はフロー試験を、普通コンクリートの場合はスランプ、空気量試験を行った後に、それぞれの実験用の型枠につめ、バイブレーターで締め固めを行った。このときブリージングを考慮し1ｃｍ程度余盛りし、ブリージング終了後に表面仕上げを行った。その後、約２４時間経ってから脱型し、約２０℃の恒温水槽中で水中養生を行った。
【００３０】
圧縮試験用の円柱供試体は、研磨機を用いて表面が平らになるよう研磨した後に圧縮試験を行った。
【００３１】
透気試験用の角柱供試体は、水中養生終了後に透気面（１５×１５ｃｍ）だけから水分が蒸発するよう、他の４側面をエポキシ樹脂系接着剤で気密処理すると同時に、１３×１３cmの正方形の穴の開いた透気試験用の鉄板に穴をふさぐように貼り付けた。その後、シリカゲルの入った容器内で所定の空隙率３，４，５，６，７，８％（供試体から逸散した水分量/供試体の全体の体積）になるまで乾燥させた。また、高い空隙率を得る場合は乾燥速度が遅くなるので、５０℃に保った乾燥炉に入れて乾燥を促した。なお、乾燥炉の温度を５０℃に設定した理由としては、コンクリートは高温下で乾燥した場合にひび割れが発生し、空隙以外から空気が流れてしまうことが、既存の研究から判明したことに基く。
【００３２】
フライアッシュ造粒砂を用いたモルタルのコンシステンシーについて説明する。  比較検討の為、フライアッシュ造粒砂以外にも、川砂、砕砂についてもフロー試験を行った。図２は３種類の砂のモルタルのフロー値を示すグラフである。水セメント比４０％、５０％、６５％いずれにおいても、フライアッシュ造粒砂のフロー値が、コンシステンシーの大変よいと言われている川砂、現在一般に使用されている砕砂に比べ、格段に高いという結果となった。砕砂、川砂に比べて、フライアッシュ造粒砂自体が粒形であり、丸みを帯びているためである。
【００３３】
図３は３種類の砂のモルタルでセメント水比１．５、２．０、２．５の材齢７日の圧縮強度示すグラフ、図４は同じく材齢２８日の圧縮強度を示すグラフである。砕砂と川砂はほぼ同じ強度を得られたが、フライアッシュ造粒砂の強度は、他の２種類の砂に比べ５０％以下の圧縮強度しか得られないと言う結果を得た。これは、フライアッシュ造粒砂自体の強度が指先で摘むと潰れるほど強度が低いからである。
【００３４】
ついで、砕砂に対して、フライアッシュ造粒砂を２５％、５０％、７５％の割合で体積置換を行い、その混ぜ合わせた砂を細骨材として使用した場合のモルタルのコンシステンシー及び圧縮強度について説明する。
【００３５】
図５は混合割合とモルタルフロー値の関係を示すグラフである。混合割合とフロー値が、直線関係にあるという結果になった。この理由は、水セメント比５０％単位水量を３００kgなど、配合を全て統一させ、砕砂に対してのフライアッシュ造粒砂の体積置換割合のみを変えて試験を行ったことによる。すなわち、フライアッシュ造粒砂が粒形であるから、フライアッシュ造粒砂への置換率が増加するほど、モルタルフロー値大きくなるという直線関係になった。
【００３６】
また、図２の水セメント比５０％の川砂のフロー値を図５に照らし合わせると、水セメント比５０％では、砕砂に６５％の割合でフライアッシュ造粒砂を体積置換したものが同じフロー値、すなわち同じコンシステンシーになるといえる。
【００３７】
図６は、水セメント比５０％において、砕砂とフライアッシュ造粒砂を混ぜ合わせた細骨材を使用した時の材齢7日圧縮強度及び材齢２８日の圧縮強度を示したグラフである。材齢７日及び２８日どちらについても、混合割合に直線関係があることが見られる。この理由は、表２の配合表に示されるように、水量及びセメント量が等しく水セメント比が等しい。すなわち、圧縮強度に影響を与える要因は細骨材のみである。よって、フライアッシュ造粒砂自体の強度の低さが、圧縮強度に影響を与えていると言える。そのため、砕砂に対するフライアッシュ造粒砂の置換率が高くなるほど圧縮強度が低下している。
【００３８】
次に、混合砂を用いたコンクリートの単位水量について説明する。表６は砕砂、川砂、混合砂を使用したそれぞれのコンクリートのコンシステンシーを等しくした時の単位水量を示したものである。川砂、砕砂を細骨材として使用した場合の単位水量はそれぞれ、１６４．５ｋｇ、１７６ｋｇとなった。これに対して、混合砂の単位水量は１６４．５ｋｇとなった。よって、砕砂に対して混合砂は、１１．５ｋｇ単位水量が減少したことがわかる。また、ここに示した結果では川砂と混合砂の単位水量が等しくなっているが、この理由は、川砂と同じコンシステンシーを得るために砕砂に６５％の割合でフライアッシュ造粒砂を混ぜ合わしたことによる。
【表６】
2008280205.tif 000008
【００３９】
図７は混合砂をセメント水比１．５、２．０、２．５でスランプ６±２ｃｍ、空気量を４±０．５にした場合の圧縮強度試験の結果を示すグラフである。図７より、一般的に砕砂のみを細骨材として使用した時と同様に、混合砂を細骨材として使用場合も、セメント水比と圧縮強度は直線関係にあることがわかる。これにより、砕砂に対するフライアッシュの置換率６５％においては、図７より必要とされる強度を満たすための水セメント比は算出できる。
【００４０】
さらに、混合砂を用いたコンクリートの透気性について説明する。混合砂の密実性を調べるため、混合砂及び砕砂を使用したコンクリートの透気量を測定し、透気係数を算出した結果について示す。
【００４１】
図８は、混合砂と砕砂について空隙率εと透気係数Ｋの関係を示すグラフである。混合砂を使用したコンクリートは、砕砂を使用したコンクリートに比べ、空隙率３〜８％いずれにおいても、透気係数が高いと言う結果になった。すなわち、混合砂を使用すると、砕砂に比べ密実性にかけると言える。これは、フライアッシュ造粒砂自体が、手で摘むと潰れるほど空隙を有しており、コンクリートに使用し乾燥させるに従い、その空隙を満たしていた水が蒸発し、再びフライアッシュ造粒砂自体の空隙が現れ、その空隙を空気が流れるからである。
【００４２】
以上、フライアッシュ造粒砂を単体で細骨材として使用すると、フロー値は砕砂及び川砂より高く、フライアッシュ造粒砂を使用したモルタルのコンシステンシーはかなりよいと言える。しかし、フライアッシュ造粒砂自体の強度が弱いため、圧縮強度は５０％以下に低下する。
【００４３】
フライアッシュ造粒砂と砕砂を混ぜ合わせた細骨材を使用すると、そのモルタルフロー値及び圧縮強度は、２種の砂の混合割合に直線関係を示すことが分かった。本例においては、水セメント比５０％において川砂と同じフロー値を得るには、砕砂にフライアッシュ造粒砂を６５％の割合で体積置換を行い混ぜ合わせればよいと言うことが判明した。
【００４４】
川砂の単位水量と等しくすることを目的とし砕砂にフライアッシュ造粒砂を６５％の割合で混ぜ合わしたもの、と砕砂のみの細骨材を使用したものを、水セメント比５０％でスランプ及び空気量を６ｃｍ、４％に統一しコンシステンシーを同じにすると、混ぜ合わしたものは単位水量を１１．５ｋｇすなわち６．５％減らすことができた。上記の混合割合の砂を使用した場合の単位水量は、結果的に実験の目的である川砂を使用した場合の単位水量と等しくなった。    
【００４５】
フライアッシュ造粒砂に砕砂を混ぜ合わせ２種類の砂を混合して細骨材として使用することで、フライアッシュ造粒砂を使用する場合のデメリットである強度不足を、改善できることがわかった。
【００４６】
混合砂を細骨材として使用場合、一般的に砕砂のみを細骨材として使用した時と同様に、セメント水比と圧縮強度は直線関係にあることがわかった。すなわち、必要強度を満たすためのセメント水比はセメント水比と圧縮強度の関係より算出できる。
【００４７】
砕砂に６５％の割合で体積置換したフライアッシュ造粒砂を混ぜ合わせたものの透気量を測定し透気係数を求めると、砕砂のみの細骨材を使用した場合に比べ、透気性が高く密実性に欠けることが分かった。
【００４８】
上記の結果、フライアッシュ造粒砂は単体で細骨材として使用するには強度が低いが、砕砂と混ぜ合わせて使用すると強度をある程度改善することができ、コンクリート用細骨材として利用可能であると言える。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】透気試験装置を示す概念図である。
【図２】３種類の砂のモルタルのフロー値を示すグラフである。
【図３】３種類の砂のモルタルでセメント水比１．５、２．０、２．５の材齢７日の圧縮強度示すグラフである。
【図４】同じく材齢２８日の圧縮強度を示すグラフグラフである。
【図５】混合割合とモルタルフロー値の関係を示したグラフである。
【図６】水セメント比５０％で砕砂とフライアッシュ造粒砂を混ぜ合わせた細骨材使用時の圧縮強度を示したグラフである。
【図７】混合砂をセメント水比１．５、２．０、２．５でスランプ６±２ｃｍ、空気量４±０．５の場合の圧縮強度を示すグラフである。
【図８】混合砂と砕砂について空隙率εと透気係数Ｋの関係を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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