下水汚泥焼却灰を用いたコンクリートの配合設計に関する一考察
コンクリート研究室

保坂信克

主査

丸山久一

副査

下村匠

副査

高橋修

要旨：下水道整備の進展および処理施設の高度化に伴い下水汚泥の排出量が年々増加しており，その有効利用技術の開発が急務の課題となっている。下水汚泥の有効利用の一環として，下水汚泥焼却灰をコンクリート材料として用いるための配合設計上の問題点を検討した。下水汚泥焼却灰は粒子が多孔質で水を多量に吸収することから，フレッシュ性状および硬化特性を定量的に管理することが重要である。そこで，本研究では混和剤の添加量を中心としてコンクリートのスランプおよび圧縮強度を定量的に評価する方法を検討した。
キーワード：下水汚泥焼却灰，高性能 AE 減水剤，スランプ，圧縮強度1.

占める粉体割合が大きいため，単位水量の増加

はじめに近年，下水道整備の進展および処理施設の高に起因した圧縮強度の低下や，粘性の増加によ度化に伴い，下水汚泥の発生量は年々増加傾向

る施工性の低下が問題として提起され，いまだにある。現在のところ，これらの大部分は減量実用化レベルには達していない。

化・無害化処理を行った後，埋立て処分されて下水汚泥焼却灰は粒子形状が多孔質で水を多いる。しかし，最終処分場の逼迫や，新規処分量に吸収するといった性格を有しているため，場の建設が社会的風潮から困難であることから，コンクリート材料として用いた場合，フレッシ

近い将来，処分場不足や処理費用の高騰が懸念

ュ性状と硬化特性を定量的に管理することが難される。このため，最終処分場への負担軽減やしく，その評価方法を開発することが重要課題

環境への配慮を前提とした廃棄物の発生抑制，となっている。そこで本研究では，混和剤の添減量化，再資源化への取組みは必要であると考加量を主体として，スランプおよび圧縮強度をえられる。特に下水汚泥は，今後も発生量の増配合面から定量的に評価する方法を検討するこ加が予想されることから，その有効利用技術のとにした。

開発は急務の課題となっている。
下水汚泥を焼却処理した後の残渣である下水2.

実験概要

汚泥焼却灰は，コンクリート結合材として有効2.1

使用材料

な SiO2，CaO などを含んでいることや重金属の本研究で使用した材料の物性値を表－１に示

溶出が他の廃棄物に比べて少ないことから，コす。また，下水汚泥焼却灰の化学成分を表－２ンクリート材料として注目されており，これまに示す。なお，本研究では新潟県中越地区で排でも有効利用に関する研究が行われている 1,2)。

出された下水汚泥焼却灰を対象としている。

本研究室でも，下水汚泥焼却灰を多量に混入し下水汚泥焼却灰とは，下水処理によって発生たコンクリートについて検討を進めており，消する汚泥を消化・脱水・焼却処理を行った後の波ブロックや均しコンクリートに適用できるこ残渣である。約 700～1000℃の範囲で焼却するこ

1)とを確認している 。しかし，コンクリート中にとで，汚泥中の 80%を占める有機物は消失し，無害の汚泥固形物質となる。下水汚泥焼却灰は一次粒子（1μm）が凝集した二次粒子（10μm）で構成され，複雑で多孔質な粒子形状をしてい表－１
使用材料

コンクリートの使用材料

種類

密度：3.15 (g/cm3)
比表面積：3300 (cm2/g)
表乾密度：2.57 (g/cm3)
吸水率：2.26 (%)
粗粒率：2.51
表乾密度：2.72 （g/cm3）
吸水率：1.36 (%)
粗粒率：7.20
最大寸法：20 (mm)
密度：2.58 (g/cm3)
含水率：0.3 (%)
pH：12.2

セメント 普通ポルトランドセメント

C

細骨材

川砂（信濃川産）

S

粗骨材

川砂利（信濃川産）

G混和材

下水汚泥焼却灰

D混和剤

高性能AE減水剤
空気量調整剤

SP ポリカルボン酸エーテル系化合物
AE アルキルアリルスルホン酸化合物

る。化学成分はコンクリート結合材として有効とされているカルシウム，ケイ素を多く含んでいる。また，コンクリートの凝結に悪影響を及ぼすとされるリンも含有していることから，コンクリート材料として利用する際には注意が必要である。
下水汚泥焼却灰に含まれる有害物質（重金属）が溶出するかどうか，環境庁告示 46 号に準拠し物性または成分

記号

メディアン径：168.55 (μm)

た方法で行った。結果を表－３に示す。
表－２

いずれの物質の溶出量も産業廃棄物の基準値（土壌環境基準）を満足する値であった。したがって，コンクリートへの混入に関して，これらの有害物質の溶出は問題ないと考えられる。
2.2

配合設計

本研究では，下水汚泥焼却灰を出来るだけ多量にコンクリート材料として再利用することを目的としているため，普通コンクリートに比べて粉体量が著しく増加する。また，下水汚泥焼却灰は排出場所などによる品質変動が激しく，同じ混入量でも同一スランプを得るための単位水量が大きく異なる。そのため，従来の配合設計方法で目標スランプに必要な単位水量を推定することが困難である。そこで本研究では，桜井が提案した配合設計方法 3)を参考に試験練りによって基本配合を決定することとした。基本

下水汚泥焼却灰の化学成分

分析結果
分析方法
(%)
ICP発光分光分析法
16.0
カルシウム (CaO)
マグネシウム (MgO)
フレーム原子吸光法
1.9
鉄 (Fe2O3)ICP発光分光分析法
7.9
アルミニウム (Al2O3)
ICP発光分光分析法
6.1
全シリカ (SiO2)
重量法
29.0
カリウム (K2O)
フレーム原子吸光法
0.84
ナトリウム (Na2O)
フレーム原子吸光法
0.42
リン (P2O5)
モリブデン青吸光光度法
12.0
硫黄 (SO3)
硫酸バリウム重量法
0.95
炭素 (C)
CHNコーダー
0.61
マンガン (MnO)
ICP発光分光分析法
0.23
下水試験方法 一般汚泥試験
0.25
塩化物イオン (Cl-)
アルカリ分塩酸法
17.0
チタン (TiO2)
ICP発光分光分析法
0.26
強熱減量法
強熱減量 (lg-loss)
1.7
試験項目

表－３

下水汚泥焼却灰の溶出試験結果
分析結果(mg/L)

土壌環境基準(mg/L)
0.05以下六価クロム (Cr6+) 定量限界値以下
試験項目

定量限界値(mg/L)
0.01

カドミウム (Cd)0.001

0.01以下0.001

鉛 (Pb)

定量限界値以下

0.01以下0.001

砒素 (As)

定量限界値以下

0.01以下0.001

配合を表－４に示す。なお，試験練りでは，単総水銀 (Hg)

定量限界値以下

0.0005以下

0.00005

位セメント量，骨材量を固定し，単位水量と下セレン (Se)0.001

0.01以下0.001

水汚泥焼却灰混入量の混合割合を変化させた。
表－４

基本配合の配合条件を以下に示す。

VA

配合表（基本配合）
単位量 (kg/m3)

W/C

・目標スランプを 10±2.5 cm とした。

配合記号・単位セメント量 250 kg/m3 とした。

D 5470064D16360087D256500 112281D342400 139

D425300 166

・細骨材率を 25 %とした。
・骨材容積を 300，400，500，600，700 L/m3の 5 種類とした。
2.3

練混ぜおよび養生方法

コンクリートの練混ぜには，50L のパン型強制ミキサを用いて行った。練混ぜ方法は，セメン

3(L/m ) (%)

WCSPDSG

160

544501428

218

16338612242563211020

348342257816416425193612250

・配合記号は，「D混入量(基本配合)」で表す
・VAとは，骨材の絶対容積を表す
・粉体量(P)＝セメント(C)+下水汚泥焼却灰(D)・細骨材率 s/a＝25 (%)

AE(P×%) (C×%)

0.00.002

秒間空練りした後，所定の水と混和剤を投入し，60 秒間練混ぜた。また，高性能 AE 減水剤を添加した場合は，60 秒間の本練りを行った後，5分間静置し 15 秒間後練りを行った。
コンクリートは型枠（φ10 cm×20 cm）に打設後，材齢 1 日でキャッピング，材齢 2 日で脱型をし，材齢 28 日まで水中養生を行った。
2.4

検討項目

本研究では，下水汚泥焼却灰の有効利用および最終処分場への負荷低減という観点から，下30
配合記号
D 54
D163
D256
D342
D42525スランプ (cm)ト，粗骨材，細骨材および下水汚泥焼却灰を 30

20151050
0.0

0.5
1.0
1.5
2.02.5
高性能AE減水剤添加量 (P×%)

図－１ スランプと高性能 AE 減水剤添加量の関係

水汚泥焼却灰を多量に混入したコンクリートの施工性や圧縮強度といったコンクリート特性を3.

試験結果および考察

混和剤の添加量によって定量的に管理できるの

3.1

フレッシュ性状かを検討した。

3.1.1

主な検討項目を以下に示す。

3.0

高性能 AE 減水剤添加量

表－４に示した基本配合に高性能 AE 減水剤（1）フレッシュ性状を添加したときのスランプと高性能 AE 減水剤

・高性能 AE 減水剤添加量添加量の関係を図－１に示す。なお，凡例中の高性能 AE 減水剤によるスランプ増大効果を

数値は下水汚泥焼却灰混入量を表している。図確認するため，下水汚泥焼却灰混入量の異なるより，下水汚泥焼却灰混入量が増加するに従っ配合に高性能 AE 減水剤添加量を変化させ，フレて，所定のスランプを得るために必要な高性能ッシュ性状について検討した。

AE 減水剤添加量は増加する傾向がみられた。こ・下水汚泥焼却灰混入量

れは，下水汚泥焼却灰混入量の増加によって，コンクリートに下水汚泥焼却灰を可能な限り粒子間および粉体に拘束される水が増大したた

多量に混入することを目的とし，高性能 AE 減水め，高性能 AE 減水剤による分散効果が十分に発剤を使用することによって，スランプおよび水揮できなかったことが原因であると考えられる。

セメント比が同一配合における下水汚泥焼却灰

本研究で対象とした配合では，スランプを増混入量をどの程度増加できるのかを検討した。

大させるために，ある量以上の高性能 AE 減水剤・単位水量の添加が必要であるが，その効果（図中：点線

高性能 AE 減水剤の減水効果を確認するため，の傾き）は，下水汚泥焼却灰混入量に関係なく，スランプ同一配合における単位水量の低減量を，ほぼ同じとなった。したがって，下水汚泥焼却

下水汚泥焼却灰混入量および高性能 AE 減水剤

灰混入量に対してスランプの向上に必要な高性添加量によって定量的に評価する方法について

能 AE 減水剤添加量を把握することができれば，検討した。

高性能 AE 減水剤によって下水汚泥焼却灰混入（2）硬化特性

コンクリートのスランプを調整できると考えら・圧縮強度れる。

下水汚泥焼却灰混入コンクリートの圧縮強度

3.1.2

下水汚泥焼却灰混入量を体系的に予測すること目的とし，下水汚泥焼実験で用いたコンクリートの配合を表－５に却灰および高性能 AE 減水剤が強度発現に及ぼ示す。なお，水セメント比を一定に保ち，高性す影響について検討した。

能 AE 減水剤添加により，下水汚泥焼却灰混入量

3803

配合表（下水汚泥焼却灰量検討用）

下水汚泥焼却灰混入量 (kg/m )表－５3(kg/m ) (%)

WCDSSPG(P×%)

0%

00.0

D342-SP1.0%

01.0

D342-SP1.5%

0D342-SP2.0%0

D342-SP2.5%

0D342-SP3.0%0

D342-SP2.0%- 88347 249 350 256 813

2.0

D342-SP3.0%-3333343 246 375 253 803

3.0

D425-SP0%

00.0

D425-SP1.0%

01.0

D425-SP2.0%0

D425-SP2.5%

01.5348 250 342 257 816

2.01392.53.0416 250 425 193 612

2.01662.5013413 248 438 192 6082.5D425-SP3.0%-26

26411 247 451 190 604

3.0350340330320

図－３

・空気量調整剤をC×0.002％添加している・粉体量(P)＝セメント(C)+下水汚泥焼却灰(D)・細骨材率 s/a＝25 (%)

DW

SPC

D⊿DW

SPCW

SP

D

⊿DS

G
S
C

G
S

G

水セメント比 (W/C)：一定
高性能AE減水剤添加量 (P×%)：一定
D：下水汚泥焼却灰混入量(基本配合)を表す⊿D：下水汚泥焼却灰混入量の増加量を表す

図－２

1.0
1.5
2.0
3.0
高性能AE減水剤添加量 (P×%)

下水汚泥焼却灰混入量と高性能 AE
減水剤の関係（基本配合：D342）

3.0・配合記号は，「D混入量(基本配合)-SP添加量-D増加量」で表す

水セメント比：139 %スランプ：10±2.5 cm

360460

3D425-SP3.0%
D425-SP2.5%-13

下水汚泥焼却灰混入量
3700.0

下水汚泥焼却灰混入量 (kg/m )D342-SP

単位量 (kg/m3)

D増加量 W/C

配合記号

下水汚泥焼却灰混入量
450440水セメント比：166 %スランプ：10±2.5 cm

430420410
4000.01.02.02.53.0
高性能AE減水剤添加量 (P×%)

図－４ 下水汚泥焼却灰混入量と高性能 AE

配合設計の概略図

減水剤の関係（基本配合：D425）を増加することを検討するため，下水汚泥焼却の最大値が推定できると考えられる。

灰の増加分，その他の材料を容積割合ずつ減少3.1.3させ，配合を決定した。配合設計の概略図を図－２に示す。

単位水量実験で用いたコンクリートの配合を表－６に示す。なお，セメント量および下水汚泥焼却灰

目標スランプ 10±2.5cm および水セメント比混入量を一定とし，高性能 AE 減水剤の減水効果一定という配合条件を満足したコンクリート中により，単位水量が減少した分，細骨材およびの下水汚泥焼却灰混入量と高性能 AE 減水剤添粗骨材を増加して配合を決定した。

加量の関係を図－３，４に示す。これらの図よスランプ 10±2.5cm を満足したコンクリート

り，高性能 AE 減水剤添加量が増加するに従って， 中の単位水量と高性能 AE 減水剤添加量の関係
所定のスランプおよび水セメント比を満足し，を図－５，６に示す。なお，図中の数値は，基かつコンクリート中に混入できる下水汚泥焼却本配合の単位水量を基準値とし，その基準値か灰混入量は増加できることがわかった。今後，らの減少量を表している。これらの図より，高高性能 AE 減水剤添加量と下水汚泥焼却灰混入

性能 AE 減水剤添加量が増加するに従って，所定量の関係を明らかにすることができれば，所定のスランプを得るために必要な単位水量は減少の水セメント比およびスランプを満足するコンしている。したがって，下水汚泥焼却灰混入コクリート中に混入できる下水汚泥焼却灰混入量

ンクリートでも一般的なコンクリートと同様に，

セメント量：250(kg/m3)一定
下水汚泥焼却灰混入量：342(kg/m3)一定
スランプ：10±2.5(cm)360

表－６D342-SP340
W減少量
8 kg/m3

320

W減少量
333 kg/m

300(kg/m ) (%)

DSSPG

(P×%)

0%

0139

348

257 816

0.0

D342-SP1.0%

0139

348

257 816

1.0
1.5

D342-SP1.5%0139

348 250 342 257 816

D342-SP2.0%- 88136

340

262 832

2.0

D342-SP3.0%-3333126

315

278 883

3.0

D425-SP0166

416

193 6120.0

単位水量166416

193 6121.0

D425-SP2.0%

0166

416 250 425 193 612

2.01.01.52.03.0
高性能AE減水剤添加量 (P×%)

D425-SP2.5%-1010162406

202 643

2.5D425-SP3.0%-3535152381

215 6833.0・配合記号は，「D混入量(基本配合)-SP添加率-W減少量」で表す

・空気量調整剤をC×0.002％添加している・粉体量(P)＝セメント(C)+下水汚泥焼却灰(D)

セメント量：250(kg/m3)一定
下水汚泥焼却灰混入量：425(kg/m3)一定
スランプ：10±2.5(cm)・細骨材率 s/a＝25 (%)

15
基本配合：D342

W/C = 139 % 一定
スランプ：10±2.5 cm

3単位水量 (kg/m )C0の関係（基本配合：D342）

430

W0%

図－５ 単位水量と高性能 AE 減水剤添加量

450

単位量 (kg/m3)

3D425-SP1.0%

2800.0配合表（単位水量検討用）

W減少量 W/C

配合記号

3

単位水量 (kg/m )3802

平均圧縮強度：8.8 N/mm
変動係数：7.4 %

2

圧縮強度(N/mm )12410
W減少量10 kg/m3390
370
単位水量W減少量
335 kg/m

633500.0

91.02.02.53.0
高性能AE減水剤添加量 (P×%)

0

図－６ 単位水量と高性能 AE 減水剤添加量

D=342 kg/m3 D=342 kg/m3 D=350 kg/m3 D=375 kg/m3
SP=0.0 %SP=1.0 %SP=2.0 %SP=3.0 %

図－７の関係（基本配合：D425）

D342）

高性能 AE 減水剤を添加することによって，スランプが同一配合での圧縮強度および耐久性の増10
基本配合：D425が異なるにもかかわらず，ほぼ等しい値となった。この要因については，現在のところは悪出来ていないため，所定のスランプを得るために必要な単位水量と高性能 AE 減水剤添加量の関係について，更に調査する必要があると思われる。
3.2

硬化特性

3.2.1

圧縮強度

スランプおよび水セメント比が同一配合で下8W/C = 166 % 一定
スランプ：10±2.5 cm
平均圧縮強度：5.3 N/mm2
変動係数：10.2 %2

圧縮強度(N/mm )大が期待できる。
単位水量の減少量は，下水汚泥焼却灰混入量

圧縮強度のバラツキ（基本配合：

6420D=425 kg/m3
D=425 kg/m3
D=451 kg/m3
SP=2.0 %SP=0.0 %SP=3.0 %D=425 kg/m3
D=438 kg/m3
SP=1.0 %SP=2.5 %

図－８

圧縮強度のバラツキ（基本配合：D425）

水汚泥焼却灰混入量，高性能ＡＥ減水剤添加量

下水汚泥焼却灰混入量および高性能ＡＥ減水剤が異なる配合で作製したコンクリートの圧縮強添加量が異なることによって圧縮強度に若干の度を図－７，図－８に示す。これらの図より，バラツキがみられたが，一般的なコンクリートと同程度のバラツキであったことから，水セメ

60ント比が同一であれば，ほぼ同じ圧縮強度が得
囲内では下水汚泥焼却灰や高性能ＡＥ減水剤が強度発現に及ぼす影響は小さいと考えられる。
しかしながら，既往の報告によれば，下水汚泥焼却灰や高性能 AE 減水剤の混入量を増加させ502

圧縮強度 (N/mm )られると考えられる。したがって，本研究の範

セメント＝246～250(kg/m 3)
下水汚泥焼却灰＝54～425(kg/m 3)
高性能AE減水剤＝0.0～3.0(P×%)
スランプ：10±2.5(cm)40302010

た場合では，凝結反応が遅延し，初期強度に影響を及ぼす可能性があることが示唆されている

0050

ことから，配合設計において注意を払う必要がある。

図－９100150
セメント水比 (%)

200

圧縮強度とセメント水比の関係圧縮強度とセメント水比の関係を図－９に示す。図より，下水汚泥焼却灰混入コンクリート

参考文献の圧縮強度は，一般的なコンクリートと同様に

1) 宮澤聡ほか：下水汚泥焼却灰の再資源化にセメント水比と強い相関関係があることがわか関する研究，コンクリート工学年次論文報告る。したがって，下水汚泥焼却灰混入コンクリ

集，Vol.24，No.1，pp.1383-1388，2002.7

ートの圧縮強度は，高性能 AE 減水剤や下水汚泥

2) 野尻拓男ほか：下水汚泥焼却灰のコンクリ焼却灰の混入量に関係なく，セメント水比によートへの有効利用について，コンクリート工って概ね予測できると考えられる。

学年次論文報告集，Vol.22，No.2，pp.43-48，
2000.74.

まとめ3) 桜井邦昭ほか：粉体状産業廃棄物を多量に下水汚泥焼却灰混入コンクリートのフレッシ混入したコンクリートの配合設計方法に関ュ性状および硬化特性を混和剤の添加量によっする研究，コンクリート工学年次論文報告集，て定量的に評価する方法について検討した。

Vol.22，No.2，pp.1153-1158，2000.7

本研究の範囲内で得られた知見を以下にまとめる。

4) 大川

裕：高性能 AE 減水剤の特徴・種類および性能，コンクリート工学，Vol.37，No.6，
pp.15-20，1999.6

1) 下水汚泥焼却灰混入量が増加するに従って，

5) 土木学会

コンクリート委員会：コンクリー

所定のスランプを得るために必要な混和剤

トライブラリー96 資源有効利用の現状と課添加量は増加する。

題，(社)土木学会，pp.110-111，1999.10

2) 混和剤のスランプ増大効果は，下水汚泥焼却灰混入量に関係なく，ほぼ同じ傾向を示す。
3) 下水汚泥焼却灰混入コンクリートの圧縮強度は，下水汚泥焼却灰混入量および混和剤添加量に関係なく，セメント水比によって概ね予測できる。
4) 混和剤および水セメント比を選定することによって，下水汚泥焼却灰混入コンクリートのスランプおよび圧縮強度を制御できると考えられる。