(57)【要約】【課題】常時発生する下水汚泥の焼却灰を資源として利用できるようにし、コンクリート製品の強度を高める。【解決手段】下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末であって、粒径８０μｍ以下の微粉末からなる混和材を、セメント：混和材比、９０：１０〜７０：３０の割合でコンクリート等組成の一部に添加混合する。【選択図】　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末であって、粒径が８０μｍ以下の微粉末からなるポゾラン活性用混和材。
【請求項２】
焼却灰粉末が、脱水処理剤として石灰や塩化第二酸化鉄等の無機質材料を使用せずに脱水処理した下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末である請求項１に記載のポゾラン活性用混和材。
【請求項３】
焼却灰粉末が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を４０％（重量％）以上含む微粉末である請求項１又は２に記載のポゾラン活性用混和材。
【請求項４】
下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末であって、粒径が８０μｍ以下の微粉末からなるポゾラン活性用混和材をコンクリート又はモルタル（以下コンクリート等と記す）組成の一部に添加混合してコンクリート等製品を製造することを特徴としてなるコンクリート等製品の製造方法。
【請求項５】
焼却灰粉末が、脱水処理剤として石灰や塩化第二酸化鉄等の無機質材料を使用せずに脱水処理した下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末である請求項４に記載のコンクリート等製品の製造方法。
【請求項６】
焼却灰粉末が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を４０％（重量％）以上含む微粉末である請求項４又は５に記載のコンクリート等製品の製造方法。
【請求項７】
ポゾラン活性用混和材を、セメント：混和材比を９０：１０〜７０：３０（重量比）の割合でコンクリート等組成の一部に添加混合する請求項４，５又は６に記載のコンクリート等製品の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、コンクリート又はモルタル（以下コンクリート等と記す）製品（建築及び土木構造物を含む。以下同じ）の経時的品質変化を促進させるためのポゾラン活性用混和材、及び該混和材を使用したコンクリート等製品の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
一般に、セメントの水和反応によって硬化するコンクリートやモルタルにおいて、経時的に長期にわたって強度が増進するポゾラン反応が知られている。これは、ケイ酸等がセメントの水和の際に生成される水酸化カルシウムと常温で徐々に化合して安定なケイ酸カルシウム等を造ることに起因するものであり、この性質を利用したポゾラン活性用混和材とし、従来、フライアッシュやシリカが知られている。
【０００３】
また、下水処理施設では、経常的に下水から除去した有機質を多量に含む下
水汚泥が発生している。この下水汚泥は、多くの場合乾燥後に焼却処理され、これによって発生する焼却灰は、従来産業廃棄物として埋め立て処理されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上述した下水処理施設では、これが稼働している限り下水汚泥が発生し、これを焼却した灰は、下水処理場が稼働する限り、永久に発生し続けるものであり、その焼却灰の処理を埋め立てのみに頼っていたのでは、何れは埋め立て処理施設が行き詰まり、下水処理が成り立たなくなってしまう。
【０００５】
更に、コンクリート二次製品を製造するための骨材は天然に産出するものを使用しており、これらの採取は専ら河川の採掘か山の掘削に頼っているのが現状であり、近年、環境破壊につながるとして大きな社会間題となっている。
【０００６】
このような従来の問題に鑑み、本発明は常時発生する下水汚泥の焼却灰を資源として利用できるようにし、しかもコンクリートやモルタルの強度を高めることができるポゾラン活性用混和材及びこれを使用したコンクリート及びモルタル製品の製造方法の提供を目的としてなされたものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、下水汚泥を焼却した焼却灰の資源としての利用について研究過程において、実験により焼却灰にポゾラン活性が存在するとの知見を得、この知見に基づいて鋭意研究の結果、本発明に係るコンクリート等のポゾラン活性用混和材を完成したものであり、請求項１に記載の発明の特徴は、下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末であって、粒径が８０μｍ以下の微粉末からなるポゾラン活性用混和材にある。
【０００８】
このように粒径が８０μｍ以下の焼却灰粉末とすることにより、これより粒径の大きいものに比べてポゾラン活性が高いことが実験により判明した。
【０００９】
請求項２に記載の発明の特徴は、請求項１の構成に加え、焼却灰粉末が、脱水処理剤として石灰を使用せずに脱水処理した下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末であることにある。
【００１０】
このように、石灰成分を含まないか、又は含有量の少ない焼却灰を使用することにより、安定性の良いコンクリート等が得られる。即ち、遊離の石灰（ＣａＯ）がセメント内に過多となると、セメントの安定性が損なわれる。この安定性は、セメントの凝結硬化過程における容積の膨張程度をいい、遊離石灰の過多によって生じる。従って、混和材としてコンクリート等に添加する材料に石灰成分を多く含むことは、それだけ遊離の石灰が多くなり、凝結硬化過程における膨張程度が大きくなり、ひび割れや反りを起こし、構造物の耐久性や堅牢性を損なうこととなる。下水汚泥の焼却灰の内、脱水工程で石灰を使用する方式によって生成するものは、これを混和材として使用すると遊離石灰が過多となり、安定性を損なう結果となって好ましくない。
【００１１】
請求項３に記載の発明の特徴は、請求項１又は２の構成に加え、焼却灰粉末が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を４０％（重量％）以上含む微粉末であることにある。二酸化ケイ素が、ポゾラン活性を生じさせるものと考えられ、その含有量が多いほど高いポゾラン活性が得られ、これが４０％以上含まれるものに、良好な結果が得られることが実験により判明した。
【００１２】
請求項４に記載の発明の特徴は、下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末であって、粒径が８０μｍ以下の微粉末からなるポゾラン活性用混和材をコンクリート又はモルタル（以下コンクリート等と記す）組成の一部に添加混合してコンクリート等製品を製造するコンクリート等製品の製造方法にある。
【００１３】
請求項５に記載の発明の特徴は、請求項４の構成に加え、焼却灰粉末が、脱水処理剤として石灰や塩化第二酸化鉄等の無機質材料を使用せずに脱水処理した下水汚泥を焼却して得られる焼却灰粉末であることにある。
【００１４】
請求項６に記載の発明の特徴は、請求項４又は５の構成に加え、焼却灰粉末が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を４０％（重量％）以上含む微粉末であることにある。
【００１５】
請求項７に記載の発明の特徴は、請求項４，５又は６の構成に加え、ポゾラン活性用混和材を、セメント：混和材比を９０：１０〜７０：３０（重量比）の割合でコンクリート等組成の一部に添加混合することにある。
【００１６】
セメントに対する混和材比が９０：１０以下ではポゾラン反応効果が少ないため好ましくなく、７０：３０以上ではワーカビリティーが悪化するため好ましくない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
一般に下水に含まれる汚泥の成分は全国的に略同様な成分からなっているが、これを下水から分離する工程の違いや、下水から沈降分離した汚泥をケーキ化する際の脱水処理法の違いによって、これを焼却した後に残る焼却灰の成分が異なる。
【００１８】
本発明で使用する焼却灰は、脱水処理剤として石灰や塩化第二酸化鉄等の無機質材料を使用せずに、高分子凝集剤を使用して得られた汚泥を焼却処理した際に発生するものを使用する。
【００１９】
本発明に係るポゾラン活性用混和材の製造に際しては、上記焼却灰を篩いに掛けて分級し、一定以下の粒径のものを混和材とする。これによって得られる混和材の粒径は８０μｍ以下がより好ましいものであることが、以下に述べる実験によって判明した。
【００２０】
上記混和材を使用するコンクリート等製品の製造について説明する。
【００２１】
ボックスカルバートの製造（コンクリート製）
配合例１
2004107119.tif 000002
【００２２】
ヒューム管の製造
配合例２
2004107119.tif 000003
【００２３】
上記の各コンクリート等製品の製造に際し、セメント：混和材を９０：１０〜７０：３０の比率（重量比）で添加することが好ましい。該比率より混和材添加量が少ないとポゾラン反応効果が少なくなり、多いとワーカビリティーが悪化して好ましくなかった。
【００２４】
次に、本発明に係る混和材のポゾラン反応試験について説明する。
１．資料
脱水処理剤として石灰や塩化第二酸化鉄等の無機質材料を使用せずに、高分子凝集剤を使用して得られた汚泥を焼却処理した焼却灰であって、
ａ．原粉――夾雑物を除去しただけの状態のもの
ｂ．微粉――原粉を篩いに掛けて最大粒径８０μｍ以下に分別したもの。
【００２５】
ｃ．粗粉――原粉を篩いに掛けて最大粒径１４０μｍ以下に分別したもの。
【００２６】
これら資料ａ〜ｃの化学成分は第１表に示す如くであった。
2004107119.tif 000004
【００２７】
２．試験配合
第２表に試験配合を示す。尚、ペ一スト１のブランクに当たる消石灰０の焼却灰には原粉を用いた。練混ぜに用いた水量はセメント単味を基準とする標準軟度程度となる水量とした。作製した各ペ一スト試料は所定の材齢までビニール袋で密封養生し、アセトンにて水和停止、真空乾燥後、各試験に供した。表中の数値は重量パーセントを示す。
2004107119.tif 000005
【００２８】
上記試験配合の内、ペースト１は原粉を使用した。これは「原粉＋水」が水硬性鉱物（セメントの主要鉱物であるビーライト）を含有するかどうかを確認するために実施した。
３．試験結果
ａ．粉末Ｘ線回析（ＸＲＤ）（焼却灰＋水酸化カルシウム系）
各資料の同定物質を第３表に示す。
2004107119.tif 000006
【００２９】
水酸化カルシウムを添加したいずれの試料も、水酸化カルシウム（２θ＝１８．１°）は確認できないことから、消費されたと思われる。
【００３０】
水和物であるＣ−Ｓ−Ｈ（２θ＝２９．２°）は確認できなかった。
【００３１】
通常の骨材成分である石英（Ｑ：ＳｉＯ２）、長石類（Ｆ）が大部分を占める。但し・非晶質成分はＸＲＤでは検出されない。
【００３２】
参考に第１表の酸化カルシウムおよびリン酸含有量から、リン酸カルシウム含有量を算出してみると、酸化カルシウム含有量より、１０．０／５６．０８／３×３１０．１８＝１８．４％、五酸化リン含有量より、１２．６／１４１．９４×３１０．１８＝２７．５％となる。
【００３３】
算出結果では、カルシウムに比べ、リンが過多となることから、他にリン酸系の物質を含有している可能性があるが、ＸＲＤでは確認できなかった。またカルシウム量が少ないことから、他のカルシウム系の物質を生成しにくいと思われ、焼却灰原粉（元試料）からは酸化カルシウム等は確認できなかった。
【００３４】
以上のように、ＸＲＤでは水和物自体を確認できなかったが、水酸化カルシウムの消費が確認できたことから、ポゾラン反応性を持つ可能性があると思われる。
ｂ．電子顕微鏡観察（焼却灰＋水酸化カルシウム系）
ぺ一スト各試料をカーボンペースト試料台に固定し、導電性を持たせる目的で表面にＰｔ−Ｐｄを蒸着したものを用いて電子顕微鏡観察を行った。
（１）材齢７日の試料
三試料間に大きな違いは見られなかった。ＸＲＤでは確認できなかったが、エトリンガイトと思われる針状の結晶が「原粉＋消石灰」「粗粉＋消石灰」には観察できた。
（２）材齢２８日の試料
試料「原粉＋消石灰」「粗粉＋消石灰」においてはエトリンガイトと思われる針状結晶がやや増えているように見られ、試料「微粉＋消石灰」にも針状結晶が確認された。また、試料「原粉＋消石灰」「粗粉＋消石灰」において、Ｃ−Ｓ−Ｈ　Ｔｙｐｅ１に近い短針状の組織が、試料「微粉＋消石灰」においてＣ−Ｓ−Ｈ　Ｔｙｐｅ２に近い葉片状の組織が観察できた。
【００３５】
以上のように電子顕微鏡観察結果では、ＸＲＤで確認できなかったＣ−Ｓ−Ｈおよびエトリンガイトと思われる水和物が確認できたことから、焼却灰にはポゾラン反応性があることが推定できる。
ｃ．熱分析（ＴＧ−ＤＴＡ）結果（焼却灰＋セメント系）
ぺ一スト２各試料の水酸化カルシウム量を熱分析により定量した結果を第４表に示す。これは４５０℃付近での水酸化カルシウムの脱水反応「Ｃａ（ＯＨ）２→ＣａＯ＋Ｈ２０↑」の脱水量から算出したものである。
【００３６】
尚、水酸化カルシウム残存量からポゾラン反応性を比較する際に、各試料ぺーストには焼却灰を２０％及び３０％混合していることから、各材齢でのプランクの水酸化カルシウム量も同様に２０％及び３０％減少していると考え、各混合率、材齢でのプランク値を測定プランク値（焼却灰０）より算出し、その結果もそれぞれ第４表内に示した。
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【００３７】
各試料の水酸化カルシウム量は算出プランク値より少ないことから、焼却灰のポゾラン反応に消費されたと思われる。
【００３８】
水酸化カルシウム残存量が少ないほど、焼却灰のポゾラン反応により消費され、水和の活性度は高い順に、焼却灰２０％添加では粗粉＞微粉≒原粉、３０％添加では微粉＞粗粉＞原粉の結果が得られた。
ｄ．モルタル試験（活性度指数）結果（焼却灰＋セメント系）
普通セメントに各焼却灰を添加（セメント：焼却灰＝７５：２５）し、作製したモルタルの圧縮強さ及びこの結果より算出した活性度指数の結果を第５表に示す。また参考とするためのフライアッシュの結果例も併せて示す。尚、この活性度指数は、ＪＩＳに規定されているフライアッシュ活性度指数測定（ＪＩＳ　Ａ６２０１）に準拠して測定した。
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【００３９】
活性度指数はいずれもが、フライアッシュ使用例よりも大きいことから、焼却灰のポゾラン反応性はフライアッシュ以上であった。
【００４０】
活性度指数は高い順に微粉＞粗粉＞原粉であり、．焼却灰を３０％添加したペ一ストの水酸化カルシウム消費量の結果と合致する。
４．まとめ
（１）粉末Ｘ線回折結果では、添加した水酸化カルシウムが消費され、ポゾラン反応性がある可能性が確認できた。
（２）電子顕微鏡観察結果からは、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏ）、カルシウムシリケート水和物（Ｃ−Ｓ−Ｈ）と思われる水和生成物が確認でき、ポゾラン反応性を有することが確認できた。
（３）熱分析による水酸化カルシウムの定量試験により、各焼却灰は水酸化カルシウムを消費することが確認できた。さらに水酸化カルシウム消費量には差があり、消費量＝水和活性度とすると、水和活性度は高い順に微粉＞粗粉＞原粉となった。
（４）モルタル試験で見た水和活性度は、比較用としたフライアッシュ以上であり水和活性度は、上記と同様に高い順に微粉＞粗粉＞原粉となった。
【００４１】
次に、本発明に係る混和材（焼却灰）を使用したコンクリート、焼却灰の代わりにフライアッシュを混和材として使用したコンクリート、及び上記何れの混和材も使用しないコンクリートのそれぞれの圧縮強度試験について説明する。
【００４２】
それぞれの共試体の配合を第６表に示す。尚、混和材添加量はセメントと混和材総量の内の２０％を占める量とした。
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【００４３】
材齢７日、２８日、９１日及び１８０日におけるそれぞれの圧縮強度は第７表に示す通りであった。これをグラフにすると図１の如くであった。
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【００４４】
この試験結果から、材齢が低い時点では、焼却灰添加のものはセメント１００パーセントに比べて圧縮強度が低かったが、材齢が高くなるに従って圧縮強度の増加が見られ、９１日以後ではセメント１００％のものより圧縮強度が大きくなった。また、フライアッシュ添加のものに比べると、材齢３日から１８０日まで、全てにおいて高い圧縮強度であった。
【００４５】
【発明の効果】
上述のように、本発明に係るポゾラン活性用混和材は、常時発生している下水汚泥の焼却灰を使用するものであるため、従来廃棄処分場の確保が困難になりつつある廃棄物を資源として利用できることとなり、しかも高いポゾラン反応が得られることから、コンクリート等の経時的強度増強作用が大きく、コンクリートなど製品の高強度化に大なる効果がある。
【００４６】
また、本発明では、粒径が８０μｍ以下の微粉末であること、また、焼却灰粉末が二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）を４０％（重量％）以上含むことにより、より高いポゾラン反応が得られる。
【００４７】
更に、本発明では、ポゾラン活性用混和材を、セメント：混和材比を９０：１０〜７０：３０（重量比）の割合でコンクリート等組成の一部に添加混合することにより、より効果的なポゾラン反応を生じさせることができ、コンクリート強度増強効果が大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】圧縮強度の試験結果を示すグラフである。
【図１】
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