沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）

港湾工事用溶融スラグの特性について
On the characteristic of melting slag for the port construction.
三好宏昌*・成瀬英治**・在間勇二***
MIYOSHI Hiromasa, NARUSE Eiji and ARIMA Yuuji* 前 （財）沿岸技術研究センター** 前 （財）沿岸技術研究センター*** （社）日本産業機械工業会

調査部 主任研究員
研究主幹兼第二調査部長

エコスラグ利用普及センター

技術部長

The melting slag is made heated refuse and sludge, melted and solidified. It is called 『 the ecologyslag 』 which satisfy the safety standard of related laws and regulations. The physical and chemical
characteristics necessary for design and construction works was summarized in order to utilize
effectively as a material for the harbor construction.
Key Words : melting, slag, harbor constructionがある程度である．

1. はじめに溶融スラグは，ごみや下水汚泥等を加熱し，溶融･固化してできたもので，“天然の砂や石”と同様な粒度分布や強度を有している．この溶融スラグのうち関連法規の安全基準を満足するものは『エコスラグ』と呼ばれ，現在，建築・土木資材（路盤材，アスファルト合材等）分野を中心に有効利用されている．しかし，エコスラグの利用率は全国のエコスラグ発生量の６割程度に留まっており，今後予想されるエコスラグの発生量増加，処分地の逼迫等を考慮すると，更なる有効利用を図っていく必要がある．本稿は，このようなエコスラグを港湾工事用材料として有効利用するために，設計・施工に必要な，エコスラグの物理的・化学的特性の一部をとりまとめたものである 1)．

2. 概要について
ここでは，エコスラグを天然砂の代替材料として，港湾工事に使用する場合について検討する．また，対象とするエコスラグは，関連する JIS 等で規定される溶出量及び含有量の安全基準を満足したものとする．

2.1 製造廃棄物処理工程における溶融処理は，都市ごみ又は下水汚泥の焼却灰等の焼却残さの減容化及び無害化を目的に開発された．その後，都市ごみ又は下水汚泥を直接に溶融する処理方式も実用化され，現在は両方式が併用されている．いずれの溶融スラグも冷却方式により水砕ス
ラグと徐冷スラグに分類できる．しかし，冷却方式の違いから生じる溶融スラグの物理的，化学的差異はほとんど無く，水砕スラグと徐冷スラグは，粒径と外観の違い

・焼却灰を溶融後に冷却して製造
都市ごみ

→焼却炉

→

灰溶融炉

→

溶融スラグ（水砕，徐冷）

下水汚泥

→

焼却炉

→

灰溶融炉

→

溶融スラグ（水砕，徐冷）・都市ごみ又は下水汚泥を直接溶融し，冷却して製造
都市ごみ→ガス化溶融炉→下水汚泥→乾燥機→溶融スラグ（水砕，徐冷）
汚泥溶融炉→溶融スラグ（水砕，徐冷）

2.2 加工スラグ製造工程の最終段階において，溶融スラグを冷却する方式として，「水砕」と「徐冷」がある．水砕は，エコスラグを骨材等砂状粒子として利用する場合に用いられる冷却方式である．溶融スラグは水中で急冷されるため，通常は数 mm 程度の砂状となる．冷却過程によっては針状のスラグが混入することもあり，必要に応じて破砕等の整粒設備で針状物を取除く．
一方，徐冷は，砕石等塊状で利用する場合に用いられる冷却方式である．徐冷スラグは空気中で時間をかけて冷却されるため，通常は数cm から数10cm の塊状となる．
一般に利用目的に合わせて破砕処理等の粒度調整を行う．
いずれのスラグも利用条件によっては，何ら加工されずに使用される場合もある．

2.3 外観エコスラグの外観は，冷却方式により異なる．徐冷ス
ラグは空気中でゆっくり冷却温度を制御して結晶化を促進させるため，表面が光沢を持っている．水砕スラグは水中で急冷し固化させるため，砂状である．
（写真-1）－ 61 －

ふるい通過百分率 (%)

沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）

1009080706050403020
100サンドコンパクション
パイル実績範囲２）

砕石コンパクション
パイル実績範囲２）

0.01

0.1

1

10100

ふるいの寸法 (mm)

写真-1 徐冷スラグ（左） 水砕スラグ（右）図-1 粒度分布（都市ごみ，水砕スラグ，破砕なし）

ふるい通過百分率 (%)

3. 物理的性質について
3.1 粒度（1）水砕スラグ

サンドコンパクション
パイル実績範囲２）

砕石コンパクション
パイル実績範囲２）

0.01

0.1

110100

ふるいの寸法 (mm)

図-2 粒度分布（下水汚泥，水砕スラグ，破砕なし）

ふるい通過百分率 (%)

都市ごみ又は下水汚泥を原料とする各水砕スラグについて，破砕の有無による粒度分布測定結果を図-1～図-3に示す．なお，破砕ありのデータは，下水汚泥スラグのデータが少なかったため両者データを合わせて示す．
水砕スラグは，破砕の有無に関わらず，原料（都市ごみ又は下水汚泥）の違いによる粒度分布に大きな差違はない．破砕なしの場合（図-1，図-2）でも粒度分布は比較的均一で，粒径 D50 は９割以上の試料で 0.7～2.5 mm の範囲にある．破砕ありの場合は（図-3），破砕なしの場合に比べ粒度は若干細かくなるとともに分布は均一化され，粒径 D50 は９割以上の試料で 0.5～1.0mm の範囲となる．
水砕スラグは，図-1～図-3 に示したように破砕の有無によらずにサンドコンパクションパイルに用いられた天然砂の粒度分布の実績範囲内にほぼ収まる．なお，0.075mm以下の細粒分は破砕なしでは 2～5 % 以下であり（図-1，図-2），バーチカルドレーン工法のように透水性を重視する土木材料としては，細粒分が少ない点で優れた材料といえる．なお，水砕スラグはスラグ流下が少量の場合には冷却過程で針状の粒子が発生して操作性が悪くなることがある．この対策として，あらかじめ針状の粒子を低減させるために破砕することもある．

10090807060504030201001009080706050403020100

サンドコンパクション
パイル実績範囲２）

砕石コンパクション
パイル実績範囲２）

0.01

0.1

110100

ふるいの寸法 (mm)

図-3 粒度分布（都市ごみ・下水汚泥，水砕スラグ，破砕あり）

3.2 単位体積重量

エコスラグ，天然砂・砂利，鉄鋼スラグ及び高炉水砕
スラグの単位体積重量を表-12),3),4),5)に示す．
乾燥状態でのエコスラグの単位体積重量は JIS A1104に従い測定したもので，試料を比較的密に詰めたときの値を表している．実測データから 平均値は 16.8 kN/m3 と（2）徐冷スラグなり，天然砂と同等の乾燥重量をもっている．このとき徐冷スラグの粒度は冷却条件により大きく異なるため， の飽和湿潤単位体積重量を試算すると，おおむね 20.5
kN/m3 の値となり，天然の砂又は砂利と同等の値となる．
一般的な粒度分布を示すことはできない．粒度分布の大部分が 10 mm を超える場合もあれば，比較的水砕スラグ
なお，製鋼スラグや高炉水砕スラグと比較すると，エコに近い粒度分布の場合もあるが，一般に徐冷スラグは水スラグの単位体積重量は天然砂に近い値を有している．
砕スラグより粗い粒度分布をもつ．そのため，徐冷スラ表-1 単位体積重量の比較（kN/㎥）
エコスラグ2)
天然の砂・砂利3)
製鋼スラグ4) 高炉水砕ｽﾗｸﾞ5)
グをサンドコンパクションパイル工法やバーチカルドレ
湿潤湿潤乾燥
飽和乾燥
飽和ーン工法の砂代替材料として用いる場合には，破砕によ（含水比5%換算）る粒度調整が必要である．
16.820.5
16.0
20.0
21.0～23.0
12.7－ 62 －沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）

さらに，高炉水砕スラグの水硬性は「粒子破砕」（D50の粒径を 60%程度の粒径になるまで磨砕）や「微粉末の存在」（間隙水重量の 22％，乾燥重量の 6～7％）が前提と4.1 透水性なっている 10）11）12)のに対し，エコスラグでは運搬時や施工時の振動・衝撃に対する細粒分の発生量が小さく，水エコスラグの透水性は天然砂と同等と考えられる．
硬性を生じる要因は小さいため，エコスラグの水硬性は都市ごみ水砕スラグを対象とした室内試験では，透水-30
係数は表-2 に示すように 10 ～ 10 cm/s の範囲にある． ないものと考えてよい．
ただし，エコスラグの水硬性に関する試験例は少なく，これは天然の細砂・中砂と同等である．また，締固めに-2塩基度が高く，かつ，粒子破砕の発生が懸念される場合
よる破砕試験を実施した試料も透水係数は，10 cm/s のオーダ 6)であった．には，透水試験と強度に関する試験を行って水硬性の有間隙比が増加すると，図-4 に示すように天然砂と同様無を確認することが必要である．
7),8),9)に透水係数が大きくなる傾向
表-3 水硬性に用いたエコスラグの化学成分 13）を示す．
下水汚泥スラグについては試験例がないが，水砕スラ試料
エコスラグ A
エコスラグ B
グの場合では，その粒径分布が同等である事から都市ご成分
都市ごみ下水汚泥みと同等と考えられる．透水係数が重要な施工の場合は，CaO (wt%)25
9透水試験を実施する必要がある．
SiO2 (wt%)
41
22
表-2 透水係数（都市ごみ・水砕）

4. 力学的性質について

項 目試料17） 試料27） 試料37） 試料47） 試料58） 試料68）
乾燥密度 ρd（g/cm3）
1.52
1.551.591.62
1.48
1.57e
0.814
0.779
0.734
0.702
0.949
0.838
間隙比
透水係数 ｋ (cm/s) 1.64×10-1 1.37×10-1 1.05×10-1 8.66×10-2 3.97×10-1 2.83×10-18）

8）

*6）

9)

9)

項 目試料139) 試料149) 試料159) 試料169)
乾燥密度 ρd（g/cm3）
1.79
1.81
1.84
1.86
間隙比
e0.574
0.560
0.535
0.515
-2-2-2透水係数 ｋ (cm/s) 5.96×10 5.02×10 3.41×10 2.79×10-2* 締固めによる破砕試験後6)透水係数 k (cm/s)

10.1

0.01

0.001
0.6

0.7

0.8

0.9

1518

塩基度(CaO/SiO2 比)

0.610.419)

項 目
試料7
試料8
試料9
試料10
試料11
試料12
乾燥密度 ρd（g/cm3）
1.66
1.75－
1.50
1.70
1.74
間隙比
e0.738
0.649
－
0.877
0.662
0.608
-1-1-2-1-2
透水係数 ｋ (cm/s) 1.84×10 1.23×10 2.47×10 2.20×10 5.99×10 5.76×10-2

0.5

Al2O3 (wt%)

14.3 破砕特性
エコスラグの突固め，振動及び乾湿繰り返しによる粒子破砕試験結果 14）によると，この試験条件下では礫分が若干砂分に変化するだけで細粒化はないことが確認され，粒子破砕はほとんど発生しないと考えられる．
また，エコスラグの試験施工のために，室内破砕試験を行った結果 15），天然砂に比べ若干細粒化しやすい傾向が見られるが，サンドコンパクションパイル材料として問題ない範囲の破砕しか生じないことが報告されている．
サンドコンパクションパイル工法の施工における一般的な加振時間は 15 ～ 20 分（施工深度 20 m 程度）であるのに対し，室内試験では 60 分間加振を行っており，これは実際の施工を上回る条件と考えられる．
したがって，エコスラグは，サンドコンパクションパイル工法などの施工に伴う粒度組成を大きく変えるような粒子破砕は起きないものと考えられる．

間隙比 e5. 化学的性質について

図-4 間隙比と透水係数の関係

5.1 化学成分
4.2 水硬性
エコスラグはカルシウムを含むため水硬性の可能性がある．しかし，水硬性要因のカルシウム分及び塩基度（CaO/SiO2 比）は，共に下記の確認試験に用いたエコス
ラグでは 表-3 に示すような値であり，潜在水硬性があるとされる鉄鋼スラグ（高炉スラグ及び製鋼スラグ）の塩基度（高炉スラグで約 1.2 ，製鋼スラグで 1.5～4 ）よりおおむね低い．

エコスラグは，酸化アルミニウムは約 10～30％，二酸化ケイ素は約 30～60％，酸化カルシウムは約 10～30％の範囲にある．
表-4 にエコスラグ，鉄鋼スラグ及び天然石材の化学成分 2），4）16）を示す．また，塩基度（CaO/SiO2）は 0.1～1.5の範囲にある．安山岩等の天然材と同様に二酸化ケイ素が主成分で，高炉スラグや製鋼スラグに比べて酸化カルシウムや塩基度が低い物が多い．エコスラグを構成する－ 63 －

沿岸技術研究センター論文集 No.6（2006）

代表３成分はほぼ一定の範囲に分布しているが，CaO は幅広く分布している．これは排ガス処理方式の差異による飛灰中のCa含有量や飛灰混合率の差によるところが大きい．なお，溶融炉形式（灰溶融炉，ガス化溶融炉，汚泥溶融炉）や冷却方式（水砕又は徐冷）がエコスラグの化学成分に及ぼす影響は少ない．
表-4 化学成分
化学成分 単位 エコスラグ2） 製鋼スラグ4) 高炉スラグ14)

10.5～21.033.8

山土4)
59.6

34.4～54.7

41.70.4

5.8

8.8～39.5

1.6～8.7

13.4

2217.30.8―

CaO

wt % 21.6～57.3
wt % 8.9～43.3

Al2O3

wt %

MgO

wt %

0.2～6.5

2.9～8.7

7.4

Fe2O3

wt %

0.3～12.6

Na2O

wt %

0.2～10.0

7.6～22.4*
―

0.4＊
―

K2O

wt %

0.3～2.8――

SiO2安山岩4)
59.6

後，エコスラグの利用が各地で促進され，使用実績が増えていくことによりデータが補完されると考えられる．
最後になりましたが，本稿は，(社)日本産業機械工業会より受注し作成した「港湾工事用エコスラグ利用手引書」の内容の一部をとりまとめたものである．作成に当たっては，東洋大学の福手教授を委員長とする検討委員会の委員の方々に貴重なご意見を頂いた．ここに記して,厚く御礼申し上げます．

2.8

参考文献

―

3.1＊＊―

1) (社)日本産業機械工業会・(財)沿岸技術研究センター：港湾――

工事用溶融スラグ 報告書，平成 18 年 3 月

2) (社)日本産業機械工業会エコスラグ利用普及センター発注記）*全鉄量として、**FeOとして

行：循環社会の輪をつなぐごみと下水の溶融スラグ（エコスラグ）有効利用の課題とデータ集（2005 年度版）

5.2 有害物質の溶出量及び含有量

3) (社)日本港湾協会：港湾の施設の技術上の基準・同解説 （上JIS A 5031（一般廃棄物，下水汚泥又はそれらの焼却灰を溶融固化したコンクリート用溶融スラグ骨材）又はJIS A 5032（一般廃棄物，下水汚泥又はそれらの焼却灰を溶融固化した道路用溶融スラグ）で規定されている溶出量及び含有量の安全基準を満足する溶融スラグだけをエコスラグと称し，利用の対象とする．
有害物質の溶出量及び含有量基準を表-5及び表-6に示す．なお，エコスラグは約 1200℃以上の高温で処理されるので，有機系有害物は含まない．
表-5 溶融スラグに係る溶出量基準
項目
カドミウム
鉛
六価クロム
砒素総水銀
セレン
ふっ素
ほう素単位mg/ｌmg/ｌ
mg/ｌ
mg/ｌ
mg/ｌ
mg/ｌ
mg/ｌmg/ｌ

巻），平成 11 年 4 月

4) (財)沿岸開発技術研究センター・鉄鋼スラグ協会：港湾工事用製鋼スラグの利用手引書，平成 12 年 3 月

5) (財)沿岸開発技術研究センター・鉄鋼スラグ協会：港湾工事用水砕スラグの利用手引書，平成元年 8 月

6) 白倉 光雄：サンドコンパクションパイル工法へのスラグ利用について，平成 7 年度東京都清掃技報第 20 号，1996.

7) 長田守弘・西原信義・長田昭一･三浦仁・森田由紀雄・諏訪朝夫：都市ごみ直接溶融スラグの地盤改良材としての適用性に関する基礎試験，第 10 回廃棄物学会研究発表会講演論文
集，1999.

溶出量基準0.01 以下0.01 以下
0.05 以下
0.01 以下
0.0005 以下
0.01 以下
0.8 以下1 以下

8) 川崎製鉄（株）等：プラズマ式ごみ焼却灰溶融スラグの地盤改良材としての適用試験報告書，平成 7 年 9 月

9) 東京都環境局提示，平成 16 年度試験結果
10)高橋邦夫・菊池喜昭・尾島啓介・星秀明・篠崎晴彦：高炉水
砕スラグの固結に及ぼす要因について（その１：各種要因の影響）土木学会第 57 回年次学術講演会，平成 14 年 9 月

11)高橋邦夫・菊池喜昭・元木卓也・鈴木操・中川雅夫：高炉水
砕スラグの固結に及ぼす要因について（その 2：粒度の影響）

表-6 溶融スラグに係る含有量基準
項目
カドミウム
鉛
六価クロム
砒素
総水銀
セレン
ふっ素
ほう素単位
mg / kg
mg / kg
mg / kg
mg / kg
mg / kg
mg / kg
mg / kg
mg / kg

土木学会第 57 回年次学術講演会，平成 14 年 9 月

12)中島研司・菊池喜昭・水谷崇亮・村田智佳：高炉水砕スラグ

含有量基準
150 以下150 以下250 以下150 以下15 以下
150 以下4000 以下
4000 以下

微粉末を添加した高炉水砕スラグの硬化現象，第４０回地盤工学研究発表会，2005 年 7 月

13)（社）日本産業機械工業会：平成 14 年度 汚泥や焼却灰の減容化・循環に関する研究 報告書，平成 15 年 6 月
14) 川崎製鉄（株）等：プラズマ式ごみ焼却灰溶融スラグの地盤改良材としての適用試験報告書，平成 7 年 9 月
15) 東京都清掃局・基礎地盤コンサルタンツ（株）：中防スラグ有効利用調査（SCP 地盤改良試験）報告書，平成 6 年 3 月
16) 鐵鋼スラグ協会発行：鉄鋼スラグの特性と有用性（パンフレ

6. おわりにット），平成 17 年度版

エコスラグの港湾工事への利用実績はまだ少なく，参考にしたデータは，必ずしも十分なものではないが，今－ 64 －