(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単位量100〜400kg/m3のセメントと、粉末度がブレーン比表面積値で5,000cm2/g以上の下水道汚泥の焼却灰と、練混ぜ水と、減水剤と、細骨材と、粗骨材とから構成され、セメント100質量部に対して、該下水道汚泥の焼却灰が10〜50質量部であり、練混ぜ水が26〜91質量部であり、減水剤が1.3〜6.5質量部であり、ＶＣ値が10秒以上である加圧又は加圧振動成型用コンクリート。
【請求項２】
単位量100〜400kg/m3のセメントと、粉末度がブレーン比表面積値で5,000cm2/g以上の下水道汚泥の焼却灰と、生石灰含有物質及び／又は消石灰含有物質と、練混ぜ水と、減水剤と、細骨材と、粗骨材とから構成され、セメント100質量部に対して、該下水道汚泥の焼却灰が10〜50質量部であり、練混ぜ水が26〜91質量部であり、減水剤が1.3〜6.5質量部であり、ＶＣ値が10秒以上である加圧又は加圧振動成型用コンクリート。
【請求項３】
生石灰含有物質及び／又は消石灰含有物質の粉末度が、ブレーン比表面積値で4,000cm2/g以上である請求項２に記載の加圧又は加圧振動成型用コンクリート。
【請求項４】
生石灰含有物質及び／又は消石灰含有物質が、セメント100質量部に対して、遊離石灰換算量で１〜15質量部である請求項２又は請求項３に記載の加圧又は加圧振動成型用コンクリート。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水道汚泥の焼却灰を有効利用した加圧振動成型用コンクリートに関し、詳しくはローラーによる振動加圧によって転圧施工されるＲＣＤ工法やＲＣＣＰ用の超硬練りコンクリート及び加圧又は加圧振動成型により製造されるコンクリート二次製品に使用するコンクリートに関する。
【０００２】
【従来技術】
永久的、かつ、大量に発生する下水道汚泥を熱処理しないで埋め立てると、有害金属の溶出による地下水汚染などの課題があるために、１４００℃以上の高温で溶融、急冷してガラス化（スラグと呼称されている）したものを粉砕し、コンクリートや建材などの骨材や増量材として有効利用することが考えられている。さらに、１４００℃以上の高温炉の中に汚泥の水分を調節したスラリーを酸素濃度の高い空気と一緒に吹き込む新しい焼成方法では、脱水から溶融まで瞬間的に行われ直径数ミクロンの球状の微細なガラスビーズ（溶融パウダーと呼称されている）が生成し、粉砕しないでもそのままコンクリートや建材などの増量材として有効利用することができ、東京都下水道局ではコンクリート製品各社と共同研究を進めている（週間下水道情報第１１８１号、平成１２年１月２５日発行）。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ガラス化することにより微粉末であってもコンクリートの単位水量は増加しないので、コンクリートの増量材としては好ましい性質を有するが、不活性となることからポゾラン活性作用による強度増加が期待できないことと、ガラス化するまで(溶融するまで)焼成温度を上げることは、スラグでも溶融パウダーでも前記した高温が必要があり、設備の建設費や維持費が高価となり、不経済になるという課題を有する。
また、経済性を考慮して溶融しない程度に焼成温度を下げて得られる焼却灰は、直接コンクリートに添加してヒューム管などの製造に一部利用されているものの、この焼却灰の二次粒子形はバルク(粒子の形を呈さない)状であり、通常の軟らかさのモルタルやコンクリートに添加すると著しく単位水量を増加させるために強度が低下し、５％前後の少量しか添加できないという課題が発生している。
さらに、焼却灰の焼成温度を低くするとポゾラン活性は高まるが、リン酸化合物を５〜２０％と多量に含むために、モルタルやコンクリートの初期及び長期強度の発現を阻害し、これも多量に利用できない課題を有している。
一方、加圧成形又は加圧振動成形用コンクリートは、超硬練りコンクリートとしてＲＣＤ工法やＲＣＣＰにより大ダムの大量コンクリート施工やコンクリート舗装の迅速施工に利用され、コンクリート製品工場では道路用製品の他、ＰＣ板、ブロック、その他のＰＣ製品の製造の自動化や効率化に利用されているが、これにリン酸塩を含んだままの下水道焼却灰を配合して焼却灰による単位水量の増加を抑え、初期強度発現性を高め、かつ、長期強度の低下を抑えた加圧成形又は加圧振動成形用のコンクリートとする、下水道汚泥の焼却灰の有効利用方法について提案はされていない。
本発明者は、下水道焼却灰の有効利用に際して、焼却灰の抱える前記課題を解決するために鋭意研究した結果、単位水量の増加を抑え、初期強度の発現性及び長期強度の低下を改善するコンクリートを知見し、本発明を完成するに至った。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、単位量100〜400kg/m3のセメントと、粉末度がブレーン比表面積値で5,000cm2/g以上の下水道汚泥の焼却灰と、練混ぜ水と、減水剤と、細骨材と、粗骨材とから構成され、セメント100質量部に対して、該下水道汚泥の焼却灰が10〜50質量部であり、練混ぜ水が26〜91質量部であり、減水剤が1.3〜6.5質量部であり、ＶＣ値が10秒以上である加圧又は加圧振動成型用コンクリートであり、さらに、生石灰含有物質及び／又は消石灰含有物質を含有してなる該加圧又は加圧振動成型用コンクリートであり、生石灰含有物質及び／又は消石灰含有物質の粉末度が、ブレーン比表面積値で4,000cm2/g以上である該加圧又は加圧振動成型用コンクリートであり、生石灰含有物質及び／又は消石灰含有物質が、セメント100質量部に対して、遊離石灰換算量で１〜15質量部である該加圧又は加圧振動成型用コンクリートである。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳しく説明する。
【０００６】
本発明において、下水道汚泥の焼却灰を加圧又は加圧振動成型用コンクリートとして利用する理由は、焼却灰は通常のスランプを有する軟らかいコンクリートに添加すると単位水量を著しく増加させるが、加圧又は加圧振動成型では焼却灰が一旦保水した水分が加圧又は加圧振動成型することにより、染み出て来て作業性の指標となるワーカビリティ、ＶＣ値に大きな影響を与え難くなるためであり、結果的に単位水量の増加を抑えることができることを知見したことによるものである。
【０００７】
本発明で使用するセメントの種類は、各種ポルトランドセメント及び高炉スラグ、フライアッシュ及びシリカ粉末を混合した混合セメント、エトリンガイトを生成させて急硬性を発揮する急硬性セメントなどであり、超早強ポルトランドセメントや早強ポルトランドセメントなどの水硬性の高いセメントほど好ましく、コンクリート舗装などに利用する場合は、急硬性セメントは早期に交通開放出来るのでより好ましい。
【０００８】
本発明の単位セメント量は、１００〜４００ｋｇ／ｍ3とする。１００ｋｇ／ｍ3未満では、ＲＣＤ用コンクリートとしてダムの内部コンクリートに使用する場合に必要な１５Ｎ／ｍｍ2の設計強度が得られ難く、４００ｋｇ／ｍ3を超える単位セメント量では、コンクリートを練混ぜたときに粗骨材の回りにモルタルが付着してダンゴ状態となって練混ぜが困難となり、強制的に成形しても強度は逆に低下する傾向を示すので好ましくない。
通常、適用する構造物や二次製品の種類により設計強度が異なるが、単位セメント量１００〜４００ｋｇ／ｍ3の範囲で適宜選択することで対応できる。
【０００９】
本発明の下水道汚泥の焼却灰(以下、単に焼却灰という)とは、下水道汚泥を脱水したウェットケーキ又は水分量を調節したスラリーを溶融しない温度（通常は８００〜８５０℃で焼成される）で焼成した粉末であり、セメント１００質量部に対して１０〜５０質量部を配合する。焼却灰が１０質量部未満では、大量に発生する汚泥を消化する効果が少なく、５０質量部を超えると単位水量の増加が大きくなり過ぎ、初期及び長期強度共低下するので好ましくない。
また、ポリアルキルアリルスルホン酸塩系やメラミン樹脂スルホン酸塩系などの高性能減水剤量を増加させて水セメント比を合わせようとしても、減水剤量が多くなりすぎて遅延性が大きくなり長期及び初期強度も低下するので好ましくない。より好ましくは多くても４０質量部である。
【００１０】
焼却灰は、褐色粉末で見かけ上埃の立つほど軽くて嵩密度の小さい粉末であるが、当セメント業界で使用する空気透過式のブレーン比表面積測定装置では空気の透過速度が速すぎて測定できはないほど粗い粉末であるとの結果が得られている。しかし、粉砕して粉末度を大きくすることによって単位水量が低下するという、従来の常識とは異なった特性を有することが判明した。
【００１１】
したがって、本発明の焼却灰は粉砕するのが好ましく、粉末度はブレーン比表面積（ＪＩＳ  Ｒ  ５２０１）で５０００ｃｍ2／ｇ以上とするのが好ましく、より好ましくは６０００ｃｍ2／ｇ以上であり、８０００〜１５０００ｃｍ2／ｇがさらに好ましい。５０００ｃｍ2／ｇ未満では焼却灰の単位水量の増加を抑制する効果は小さく、１５０００ｃｍ2／ｇを超えても焼却灰の単位水量の増加を抑制する効果やポゾラン反応による長期強度の増加は期待できなくなり、これ以上の粉砕は不経済となるので好ましくない。
【００１２】
本発明において、コンクリートのワーカビリティを小型ＶＣ試験機によるＶＣ値（ＪＳＣＥ−Ｆ５０７、土木学会、ＲＣＤ用コンクリートのコンシステンシー試験方法に準じて測定）が１０秒以上（スランプ値では１．０ｃｍ前後以下）であることが好ましい。ＶＣ値が１０秒未満では焼却灰により吸水された水が振動加圧成形で染み出てきて、特にＲＣＣＰの場合は、コンクリート表面が波打ち平滑とならないので施工が困難となり好ましくない。
また、締め固め性よりＶＣ値の上限の好ましい値は１００秒以下であり、より好ましくは２０〜６０秒である。
【００１３】
本発明において、リン酸塩の遅延性などに起因する初期強度の低下を改善するためと、ポゾラン活性をより高めるために生石灰及び／又は消石灰含有物質を、セメント１００質量部に対して遊離石灰（ｆ-ＣａＯ）換算（ｆ-ＣａＯ量及びＣａ(ＯＨ)2をｆ-ＣａＯ量に換算した値の合計）で１〜１５質量部となるように配合する。ｆ-ＣａＯが１質量部未満では初期強度を改善する効果もポゾラン活性を高める効果も小さいので好ましくなく、１５質量部を超えると逆に初期及び長期強度も低下してくるので好ましくない。より好ましくは２〜１２質量部、さらに好ましくは３〜１０質量部である。
【００１４】
本発明の生石灰及び／又は消石灰の含有物質とは、特に限定されるものではないが、例えば、生石灰及び消石灰並びに焼成ドロマイト(以下、石灰等という）、膨張を抑えるように加工した市販の膨張材などである。中でも１３００℃以下で熱処理されて得られる軟焼成の生石灰が最も好ましく、次いで仮焼ドロマイトが好ましい。消石灰は、生石灰や仮焼ドロマイトよりも初期強度を改善する作用は小さいが長期強度の低下を軽減する効果を有する。
また、本発明において石灰等の粉末度は、セメントと同等以上であれば特に制限されないが、粉末度が大きくなるほど初期強度の発現を促進する傾向を示し、４０００ｃｍ2／ｇ以上の細かさにするのが好ましく、より好ましくは５０００ｃｍ2／ｇ以上である。
【００１５】
また、石灰質原料と石膏、アルミナ、珪石、酸化鉄などの一種又は二種以上とを１３００℃を超えるシンタリング領域の温度から溶融する温度で熱処理して、硬焼にするｆ-ＣａＯを含む膨張材は、予め消化させるか、コンクリートを破壊させるような膨張が残らないように微粉砕すれば使用可能となるが、添加量と粉末度のバランスを考慮する必要がある。また、市販の膨張材はｆ-ＣａＯの含有量も少ないので全体としての添加量が多くなるので、軟焼成の生石灰や仮焼ドロマイトを使用する方が簡単で安全であるので好ましい。
【００１６】
本発明において、コンクリートの配合方法や使用材料については特に制限はなく、コンクリート製造時に通常使用されるリグニンスルホン酸塩系やポリオール系、オキシカルボン酸塩系などの一般的な減水剤や高性能減水剤及び高性能ＡＥ減水剤が適量使用されるが、より好ましいのは減水率の大きいポリアルキルアリルスルホン酸塩系やメラミン樹脂スルホン酸塩系などの高性能減水剤、ポリカルボン酸塩系の高性能ＡＥ減水剤である。
また、セメントとして急硬性セメントを使用する場合は、減水剤の他に有機酸及びその塩類や、有機酸及びその塩類とアルカリ金属の炭酸塩又は重炭酸塩などが凝結硬化遅延剤として使用される。
【００１７】
コンクリート強度の低下を防止したり、より高強度化するために石膏を主成分とする高強度混和材や、シリカフュームやメタカオリンや２０ミクロン以下に分級されたフライアッシュなどの活性シリカを主成分とする高強度混和材を併用することができ、乾燥ひびわれの低減やケミカルプレストレスコンクリートを製造するために、市販の膨張材を併用することもできる。
【００１８】
本発明において、加圧又は加圧振動成形コンクリートを練混ぜるに際し、焼却灰と石灰等を別々に、または予め混合して焼却灰の中に所定量のｆ-ＣａＯが含まれるように焼成したものを添加するが、他のコンクリート材料と一緒に粉末状態又はスラリー状態でミキサに投入して練混ぜる。この際、通常のミキサが使用でき、通常の練混ぜ時間で練混ぜて良い。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明を実施例にて詳細に説明するが、これらに限られるものではない。
【００２０】
実施例１
表１に示すコンクリートの基本配合を用い、粉末度を変えた焼却灰及び石灰等のｆ-ＣａＯ換算量（ｆ-ＣａＯ量及びＣａ(ＯＨ)2をｆ-ＣａＯ量に換算した値の合計）を変えて外割添加（不純物も含めて砂と置き換え）し、ＲＣＤ工法やＲＣＣＰのワーカビリティを評価するために用いられる小型ＶＣ試験機によるＶＣ値が所定の範囲（１０〜１００秒）となるように練混ぜた。焼却灰の添加によりＶＣ値が大きくなり範囲を外れる場合は、減水剤を増加させてＶＣ値を合わせた。なお、ＶＣ値は、ＪＳＣＥ−Ｆ５０７（土木学会、ＲＣＤ用コンクリートのコンシステンシー試験方法）に準じて測定した。
ｆ-ＣａＯ量は、アセト酢酸メチルとイソブタノールアルコール溶液でｆ-ＣａＯを溶解抽出させて、６０％過塩素酸−イソブタノールアルコール溶液で滴定する改良フランケ法により分析した。また、Ｃａ(ＯＨ)2も同様の分析方法でｆ−ＣａＯ量に換算した。ｆ-ＣａＯとＣａ(ＯＨ)2が共存する場合は、改良フランケ法により全体のｆ-ＣａＯ量を測定し、さらに、熱重量分析と示差熱分析が同時にできるＴＧ−ＤＴＡと呼ばれる分析装置により、Ｃａ(ＯＨ)2の脱水ピークの確認と脱水量（重量減少量）からその含有量を求め、改良フランケ法による分析結果と合わせてｆ-ＣａＯ量とＣａ(ＯＨ)2量を算出した。
粉末度（ブレーン比表面積）は、ＪＩＳ  Ｒ  ５２０１に準じて測定した。
練混ぜ後φ１０×２０ｃｍの型枠にコンクリートを詰め、テーブル振動機で加振しながら直径９６ｍｍ、長さ２００ｍｍの鉄製円筒柱（重さ約１２ｋｇ）をコンクリート面に手で支えながら乗せて加圧振動成形し（有スランプの比較例はＪＩＳ  Ａ  １１３２により棒状バイブレーターで成形）、標準養生した後圧縮強度を測定した。結果を表２に示す。
【００２１】
「使用材料」
セメント：普通ポルトランドセメント（ＯＰＣ）、比重３．１５
骨材：新潟県姫川産川砂（Ｓ）、比重２．６２、砕石（Ｇ）、比重２．６８
高性能減水剤：ポリアルキルアリルスルホン酸塩系（ＷＲＡ）、比重１．２０
（１）焼却灰：東京都下水道局新河岸焼却場のもの（８００℃焼成）、五酸化リン１５．０％、ｆ-ＣａＯ換算量０質量％、比重２．６０
Ａ-１：ブレーン比表面積測定不可（未粉砕品）
Ａ-２：ブレーン比表面積５０００ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
Ａ-３：ブレーン比表面積６０２０ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
Ａ-４：ブレーン比表面積８０８０ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
Ａ-５：ブレーン比表面積１００００ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
Ａ-６：ブレーン比表面積１５０４０ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
（２）石灰等
生石灰：ガス焼き軟焼生石灰、ｆ-ＣａＯ換算量９８質量％、電気化学工業（株）製
ａ-１：ブレーン比表面積４０９０ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
ａ-２：ブレーン比表面積５０３０ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
ａ-３：ブレーン比表面積８０７０ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
焼成ドロマイト：８５０℃焼成、ｆ-ＣａＯ換算量２９．５質量％、実験室の電気炉で焼成
ｂ-１：ブレーン比表面積５０４０ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
ｂ-２：ブレーン比表面積１０１００ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
消石灰：ａの生石灰を消化させたもの、ｆ-ＣａＯ換算量７４．２質量％
ｃ-１：ブレーン比表面積８１００ｃｍ2／ｇ（粉砕品）
【００２２】
【表１】
0004128374.tif 000002
【００２３】
【表２】
0004128374.tif 000003
【００２４】
表２より、比較である通常のスランプを有するコンクリートに焼却灰を配合した場合は、単位水量を一定とすると減水剤量が著しく多くなり、初期及び長期強度も発現し切れなくプレーン(実験No.1-1)よりも低くなることが判る(実験No.1-2、No.1-3)。
本発明において、焼却灰の配合量を増加させて行くと初期強度は順次低下し、特に５０質量部で大きく低下する。また、長期強度は焼却灰が２０〜３０質量部でピークに達し、それ以上の配合では順次低下するが特に５０質量部で著しく、焼却灰の配合量は長期強度より多くても４０質量部が好ましい(実験No.1-4、No.1-5〜No.1-9)。
【００２５】
焼却灰の粉末度を大きくして行くと減水剤の単位量が低下し、初期強度は順次大きくなると共に長期強度も高くなるが、未粉砕と比較して粉末度５０００ｃｍ2／ｇ以上が好ましく、より好ましくは６０００ｃｍ2／ｇ以上であり、さらに好ましくは８０００ｃｍ2／ｇ以上である(実験No.1-7と No.1-10〜No.1-14)。
【００２６】
比較例の単位セメント量を８０ｋｇ／ｍ3(実験No.1-15)では、ダムの内部コンクリートの設計強度１５Ｎ／ｍｍ2をクリアーすることはできなく、単位セメント量は１００ｋｇ／ｍ3(実験No.1-16)は必要である。単位セメント量をより多くして行くと初期及び長期強度も順次高くなるが、単位セメント量が４５０ｋｇ／ｍ3ではコンクリートがダンゴになって練混ぜが不十分となり、成型しても長期強度は低下するので、単位セメント量は１００〜４００ｋｇ／ｍ3が好ましいことが判る(実験No.1-7とNo.1-15〜No.1-19)。
【００２７】
焼却灰に石灰等を配合して行くと、生石灰の場合は、順次、初期及び長期強度共増加して行くが、多すぎても初期及び長期強度は低下して来るので、ｆ-ＣａＯ換算量は１〜１５質量部の範囲が好ましく、２〜１２質量部がより好ましく、３〜１０質量部がさらに好ましいことが示される(実験No.1-7とNo.1-20〜No.1-27)。
石灰等の粉末度を大きくすると初期及び長期の強度とも高くなる傾向がある(実験No.1-23とNo.1-28、No.1-29)。
また、仮焼ドロマイト(実験No.1-30とNo.1-31)も同様であり、消石灰の場合は初期強度の増進は顕著でないが、長期強度は生石灰などと同様に改善する(実験No.1-32〜No.1-37)。
【００２８】
実施例２
セメントの種類を普通ポルトランドセメントから急硬性セメント「電気化学工業（株）製、商品名デンカスーパーセメント」に変え、配合No.4のコンクリートを用いて、実験No.1-4〜1-9、No.1-20〜1-23と同様の試験を行った結果を表３に示す。
なお、急硬性セメントの作業時間を確保するために、クエン酸ソーダと炭酸ソーダを急硬性セメントに対してそれぞれ０．３質量％と２．０質量％添加し、ＶＣ値が所定の範囲に入るように減水剤で調節した。
【００２９】
【表３】
0004128374.tif 000004
【００３０】
表３より、セメントの種類を普通ポルトランドセメントの代わりに、エトリンガイトを生成させて急硬するセメントを使用すると、初期強度が特に高くなることが判る(実験No.2-1〜No.2-6)。
焼却灰の配合量と初期及び長期の強度発現傾向は、普通ポルトランドセメントと同様である。
また、石灰等を併用すると、より初期及び長期の強度は高くなる(実験No.2-7〜No.2-10)。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の下水道汚泥の焼却灰を、加圧又は加圧振動成型用コンクリートに利用することにより、
（１）従来の有スランプのコンクリートと比べ、単位水量の増加する割合が少なく、経済的には減水剤の使用量を少なくでき、初期及び長期の強度に優れたコンクリートの製造が可能である。
（２）焼却灰を多量に配合することが可能であり、焼却灰を単なる産業廃棄物ではなく、セメント混和材として資源化することができ、グリーン調達に役立つ。
（３）本発明に利用する下水道汚泥の焼却灰は、低温焼成であるので焼却炉の建設費や維持費が安価となり経済的である。
などの効果を奏する。