論文

結合材として用いるスラッジ固形分の有効利用に関する実験的研究
砂田栄治*1・古井博*2・西村正*3・佐藤立美*4

要旨：オキシカルボン酸を主成分とする凝結遅延剤を添加したスラッジ水を用い，水セメント比 3 水準，スラッジ固形分の水和進行程度 3 水準，スラッジ固形分率 4 水準の合計 36 配合について実験を行った。実験の結果，スラッジ固形分の強熱減量が 3%程度以下であればスラッジ固形分率 9%まで，強熱減量が 5%程度以下であればスラッジ固形分率 3%までをセメントと置き換えて使用してもコンクリート品質に悪影響を及ぼさないことを確認した。
キーワード：スラッジ水，スラッジ水改質剤，結合材，強熱減量，スラッジ固形分率
1. はじめに
近年，生コン工場においてはスラッジ水脱水ケーキの処理が年々困難になってきている。本研究は，コンクリートの品質に悪影響を及ぼすことなく，スラッジ水を練混ぜ水として全量使用する方法を確立することを最終的な目的として行った。
スラッジ水の活用に関する既往の研究には，スラッジ水を脱水後に乾燥粉砕して粉末状にしたものを，計量混(a) 強熱減量 3%合によりコンクリートの結合材として用いる研究など
1)2)

写真−1がある。

(b) 強熱減量 13%

セメント粒子の電子顕微鏡写真 3)

本研究の特徴は，スラッジ水のままで計量混合することにより，スラッジ固形分（以下，固形分という）をコ

2.1 改質スラッジ水の製作

ンクリートの結合材としてセメントと置き換えて用い実験に用いた改質スラッジ水は，改質スラッジ水を製ようとするものであり，オキシカルボン酸を主成分とす作するための予備実験として，a)実際に生コン工場からる凝結遅延剤（以下，スラッジ水改質剤という）を用い発生したスラッジ水，b)上水道水に普通ポルトランドセることで，スラッジ水中のセメント粒子の水和を抑制管メントを添加した懸濁水(以下，疑似スラッジ水という)理したスラッジ水(以下，改質スラッジ水という)の有効および c)疑似スラッジ水に砂分を固形分に対し 10〜的な活用方法の研究である。

30w%添加したものなどについて，スラッジ水改質剤の添加時期を変更するなどしてモルタル試験で検証した。

2. 実験概要

なお，スラッジ水濃度（スラッジ水に対する固形分の質3)

写真−1 は，強熱減量がそれぞれ 3%および 13%のス量分率で，以下濃度という）は 13%としている。

ラッジ水中に存在するセメント粒子の電子顕微鏡写真

検証結果 4)では，モルタルフロー比および活性度指数である。写真−1(b)でわかるように水和の進んだセメンに有意差はなく，接水後 1〜3 時間後の疑似スラッジ水

ト粒子は細い針状の水和物が生成され，この空隙にはモにスラッジ水改質剤を添加した固形分の ig-loss 進行程度

ルタルおよびコンクリートの流動性に寄与しない水のはほぼ同等であったことから，b)の疑似スラッジ水を採占める割合が，非常に大きくなっていることが推察され用することとし，スラッジ水改質剤の添加時期は接水後る。

2 時間とした。

本実験では固形分の強熱減量（以下，ig-loss という）実験の ig-loss 水準は ig-loss≒2%，ig-loss≒5%およびをスラッジ水中のセメント粒子の水和進行の指標とし，ig-loss≒8%と定め，スラッジ水改質剤の添加率を調整し，ig-loss の増加がコンクリートの品質にどの程度影響を与

24 時間保管後の ig-loss がそれぞれ目標の値になるようえるか調査した。

管理したものを用いた。

*1 広島県生コンクリート工業組合

技術委員会*2 広島地区生コンクリート協同組合共同試験場*3 グレースケミカルズ（株）

技術部長*4 広島工業大学

工博

工学部教授

品質技術部会長
場長

(正会員)

(正会員)

(正会員)

(正会員)

表−1

コンクリート配合と配合条件

3

結合材（B）(kg/m )記号

W/C(%)

水(kg/m 3 )

細骨材(kg/m 3 )

粗骨材(kg/m 3 )

砕砂

加工砂

砕石2010

砕石1005高 性 能
AE 減水剤(B×%)

W/C=60%

60

スラッジ
固形分
300

180763

187554299

0.90

W/C=50%50360

180710174565304

1.08

W/C=40%40450

180639156576309

1.62−

表乾2.63

表乾2.56

表乾2.69

−

1.64

1.41

0.38

−

59.3

−

セメント

密 度(g/cm3)
使用材料の 物 性2.45 〜
2.96*

吸水率(%)−−

FM 又は実積率(%)−−

配 合 条 件
備3.16

考

2.62

セメントは普通ポルトランドセメントを用いた。また，単位粗骨材かさ容積はW/C=60%において0.535m3/m3，W/C=50%において0.545m3/m3，W/C=40%において0.555m3/m3とした。
＊：スラッジ固形分の密度は，試し練り終了後に試験したものであり，配合設計の密度はセメントの密度を用いた。

2.2 配 合 の 種 類 と 試 験 項 目

表−2

試し練り時の強熱減量(単 位 ： %)濃度 13%で，ig-loss 3 水準の改質スラッジ水を用い，

記号

最大

最小

幅

平均値

W/C＝60%，50%および 40%のコンクリート配合で，ス

ig≒2%

2.88

2.22

0.66

2.54

ラッジ固形分率（結合材に対する質量分率で，以下固形ig≒5%

6.97

5.21

1.766.16分率という）0%，3%，6%および 9%について室内試し

ig≒8%

9.28

7.43

1.858.51

練りを行い評価した。なお，固形分率 0%は上水道水のみを用いた配合で本実験の基準配合とし，固形分率 3%，6%および 9%用いた配合を対象配合と呼ぶ。
配合および配合条件は表‑1 に示すとおりである。また，
スランプは基準配合を 18±1.0cm に高性能 AE 減水剤の添加率で調整し，対象配合では高性能 AE 減水剤の添加率

表−2 に時間の補間で求めた各試し練りバッチのig-loss 推定値のうち，最大・最小・幅・平均値を示す。
3.2 スランプ
図−1 には，ig-loss 水準ごとに，固形分率がスランプに与える影響（対象配合−基準配合）を示している。

を基準配合と同じにした。空気量は全配合において

図−1 (a)に示すとおり，ig-loss≒2%では，全ての W/C4.5±1.5%を満足するように AE 剤と消泡剤の添加率で調において固形分率 9%までのスランプが基準配合に対し整した。て±1.0cm 以内になった。

フレッシュコンクリート試験についてはスランプ試

図−1 (b)に示す ig-loss≒5%では，W/C=50%および験，空気量試験，コンクリート温度を全配合行い，ブリW/C=60%の配合において固形分率 9%までのスランプがーディング試験および凝結試験を W/C＝50%で行った。

基準配合に対して± 1.5cm 以内になった。しかし，硬化コンクリート試験については圧縮強度試験，静弾W/C=40%の配合では，固形分率の増加にともないスラン性係数試験を全配合行い，乾燥収縮ひずみの測定，凍結融解試験，促進中性化試験を W/C＝50%で行った。また，W/C＝50%で一部気泡間隔係数の測定も追加した。

プが大きく低下した。
図−1 (c)に示す ig-loss≒8%では，W/C=60%の配合において固形分率 9%までのスランプが基準配合に対して±2.0cm 以内になった。しかし，W/C=50%の配合におい3. 実験結果および考察ては固形分率にともなうスランプの低下がやや大きく，3.1 試し練り時の ig‑loss

W/C=40%の配合においては極めて大きい結果となった。

試し練りは ig-loss 水準ごとに日を変えて行ったが，1

図−1 を全体的に見ると，W/C，固形分率および ig-loss

日に 10 数バッチ試し練りを実施する約 8 時間のうちにがスランプ低下に影響を及ぼすことがわかるが，中でも改質スラッジ水の ig-loss は増加する。したがって，8 時W/C の影響が大きいことが推測できた。したがって，単間のうちの最初・中間・最後に改質スラッジ水から ig-loss

位結合材量×固形分率×ig-loss とスランプ低下量の関係

試験用の試料を採取して，時間ごとの ig-loss 確認し，各において，単位結合材量を累乗した時の指数を徐々に増試し練りバッチの ig-loss は時間の補間で推定した。

してみると，指数 3.5 で図−2 に示す相関関係が確認で

W/C=60%
W/C=50%
W/C=40%036
固形分率(%)(a)9

スランプの差（cm）

スランプの差(cm)20-2-4-6-8-10-1220-2-4-6-8-10-12-14□W/C=60%◇W/C=50%△W/C=40%y = -0.0079x + 0.9831
R² = 0.9124
0

ig≒2%

500

1000

1500

2000

20-2-4-6-8-10-12

図−2369

固形分率(%)(b)ig≒5%20-2-4-6-8-10-12

ブリーディング量の差(cm3/cm2)

0

スランプの差(cm)単位結合材量，ig‑loss および固形分率がスランプに及ぼす影響

0ig≒2%
ig≒5%
ig≒8%

-0.02
-0.04
-0.06

基準値

-0.08

0.18〜0.19
0369(cm3/cm2)

固形分率(%)(a)

ブリーディング量100369

固形分率(%)
(c)
図−1

ig≒8%

固形分率がスランプに及ぼす影響

ブリーディング終了時間の差(min)スランプの差(cm)単位結合材量3.5 × 固形分率 × ig-loss × 10-8

4:30〜5:00-30(時:分)-50-70きた。なお，ここで採用した ig-loss は試し練り水準値で0369固形分率(%)

なく，3.1 で述べた各試し練りバッチの推定値である。

(b)

図−2 に示すような相関関係が生コン工場の実際のスラッジ水で確認することができると，生コン工場では，基準値

-10

図−3

終了時間

固形分率がブリーディングに与える影響

配合ごとにスランプに影響を及ぼすことのない固形分率を設定することが可能になる。仮に図−2 の関係式かきくなるにつれて小さくなっており，終了時間も同様の

ら 計 算 す る と ， 単 位 結 合 材 量 が 400kg/m3 の 配 合 へ傾向を示していることがわかる。また，これらの傾向は

ig-loss3%の改質スラッジ水用いるとき，スランプへの影

ig-loss≒5%および 8%について特に顕著である。これは，響を 0.5cm 以下に止めるためには，固形分率を 4.88%以固形分に針状の水和物が生成されたことで，保水性が高下にすれば良いことになる。

くなったことが要因と推察される。

また，ig-loss が大きくなった場合，基準配合（上水道ig-loss≒2%について基準配合との差を見ると，最大で，水の配合など）からのスランプへの影響を推定し，高性

ブリーディング量 -0.01cm3/cm2，ブリーディング終了時

能 AE 減水剤の使用量を増して単位水量の増加を防ぐな

間 -30 分であり，基準配合とほぼ同等であった。

どの対応が可能になる。

3.4 凝結3.3 ブリーディング
図−3 に ig-loss と固形分率がブリーディング量と終了時間に与える影響（対象配合−基準配合）を示す。
図−3(a)(b）より，ブリーディング量は固形分率が大図−4 に ig-loss と固形分率が凝結時間へ与える影響（対象配合−基準配合）を示す。
ig-loss≒ 2%で は 始 発 お よ び 終 結 時 間 の 基 準 配
合 と の 差 は ，固 形 分 率 9%ま で ±11 分 以 内 と な り ，

30

ig≒5% 始発

1.00

ig≒8% 始発

0.95

ig≒2% 終結-30

ig≒5% 終結ig≒8% 終結

-60

圧縮強度比

0
凝結時間の差（min）

1.05

ig≒2% 始発

0.90
0.85
0.80

基準値
0始発基準値
-90

ig≒2%
ig≒5%
ig≒8%
線形 (ig≒2%)
線形 (ig≒5%)
線形 (ig≒8%)

6:22〜6:39(時:分)

3

03

69

35.9〜38.3(N/mm2)(a) W/C=60%

8:15〜8:54(時:分)1.05

固形分率(%)

1.00

固形分率が凝結時間へ与える影響

凝結時間にほとんど影響を及ぼさないことがわかる。しかし，ig-loss≒5%および 8%では，固形分率が増加する

圧縮強度比

図−49

固形分率(%)

終結基準値-1206にしたがい始発および終結時間が早くなる傾向であり，

0.95
基準値

0.90

45.8〜46.0

0.85(N/mm2)0.80

固形分率が 6%では始発および終結時間は基準配合に対0

し 60 分以上早くなっている。

369

固形分率(%)

ig-loss≒5%の固形分率 3%では始発，終結ともに基準(b) W/C=50%配合との差が 35 分以内であり，このあたりまでが実用域と考えられる。

1.05

3.5 圧縮強度1.00比に与える影響（対象配合／基準配合）を W/C 別に示す。
図−5 に示すとおり(a)W/C=60%における ig-loss≒8%と(c)W/C=40%における ig-loss≒5%および 8%では，固形分率が大きいほど圧縮強度比が小さくなる傾向が顕著で圧縮強度比

図−5(a)(b)(c)に ig-loss と固形分率が 28 日圧縮強度0.95
基準値0.9061.0〜61.7

0.85(N/mm2)

0.80ある。また，(c)W/C=40%における ig-loss≒8%については0

固形分率 9%で圧縮強度比が 0.85 程度まで低下した。

69固形分率(%)(b)W/C=50%については，各 ig-loss とも固形分率の増加に(c) W/C=40%伴う圧縮強度比の傾向は定かでない。
調合設計指針に示す試し練り判定基準 0.95 倍以上 5)を3

図−5

固形分率が 28 日圧縮強度比に与える影響満足するのは，ig-loss≒ 2%では固形分率 9%までの全てと ig-loss≒ 5%お よ び 8%の 固 形 分 率 3%で あ る 。
分散分析（それぞれの測定値の分散を比較して同一の4)において圧縮強度と静弾性係数の関係は，NEW RC 式に対して±5%以内となっており，本実験の範囲では，ig-loss

母集団に属するか否かの判定）結果 から判断すると，および固形分率が静弾性係数に与える影響は問題にな

ig-loss≒2%では W/C および固形分率を要因とした圧縮らない程度といえる。

強度比に有意性はなく，ig-loss≒5%では W/C において有3.7 乾燥収縮意水準（判定の危険率）5%で有意となり，ig-loss≒8%で

図−7 は JIS A 6204 6.1.7 f) で行った乾燥収縮試験結果

は固形分率において有意水準 5%で有意となった。

で，ig-loss と固形分率が乾燥材齢 26 週の乾燥収縮ひずみ

3.6 静弾性係数に与える影響（対象配合−基準配合）を示す。

図−6 は圧縮強度と静弾性係数の関係であるが，圧縮2

図−7 では ig-loss≒5% についてのみ，固形分率が大強度 60N/mm 程度の領域では，ig-loss≒2%の静弾性係数きくなるにつれ乾燥収縮ひずみが大きくなる傾向であは一般的に指標として用いられる NEW RC 式 6)と比較しるが，分散分析結果は ig-loss および固形分率を要因として小さい傾向である。しかし，全体的にはすべての配合た乾燥収縮ひずみの差に有意差は認められなかった。

36.0□ig≒2%

34.0◇ig≒5%

32.0△ig≒8%

30.0

NEW RC 式
K1=1，K2=1，γ＝2.4

28.0
26.0

300サイクルサイクル
相対動弾性係数(%)

静弾性係数(kN/mm2)

110

NEW RC 式 ±5％38.0□ig≒2%

90◇ig≒5%

70△ig≒8%(ig≒2%)

50(ig≒5%)30(ig≒8%)036
固形分率(%)

30.035.040.045.050.055.060.065.0
図−8圧縮強度(N/mm2)

6040
200-20-40-60-80□ig≒2%◇ig≒5%△ig≒8%
基準値0

図−7

固形分率が相対動弾性係数に与える影響

圧縮強度と静弾性係数の関係

36固形分率(%)

9ig≒5%

100

300サイクル
相対動弾性係数(%)

乾燥収縮
ひずみの差(μ)

図−69

固形分率 3％

9080

ig≒2%

70

固形分率 0％60

530〜65040(μ)

ig≒2%y = -0.3641x + 289.69
R² = 0.9585

50500

固形分率 9％600700

気泡間隔係数(μm)

固形分率が乾燥収縮に与える影響
図−9

気泡間隔係数が相対動弾性係数に与える影響

3.8 凍結融解抵抗性
図−8 は JIS A 1148 で行った 300 サイクルの相対動弾きいほど相対動弾性係数の低下が大きいことがわかる。
特に ig-loss≒2%は顕著であり，ig-loss≒2%においては固形分率 6%および 9%で相対動弾性係数 60%を下まわる結果となった。また，基準配合（上水道水の配合）でも ig-loss≒2%は比較的小さい値となった。そこで，原因を調査するため図−8 に■で示す ig-loss≒2%の固形分率 0%および 9%と，◆で示す ig-loss≒5%の固形分率 3%で気泡間隔中性化深さの差(mm)性係数であるが，ig-loss≒2%および 8%は固形分率が大32
10-1-2-3-4□ig≒2%◇ig≒5%△ig≒8%(ig≒2%)(ig≒5%)(ig≒8%)06

固形分(%)

係数を測定した。この気泡間隔係数と 300 サイクルにおける相対動弾性係数の関係を図−9 に示す。

3図−109基準値12.0〜14.0(mm)

固形分率が中性化深さに与える影響

図−9 に示すとおり，気泡間隔係数と相対動弾性係数の関係に高い負の相関関係が認められ，気泡間隔係数の結果的に本実験では ig-loss と固形分率が凍結融解作用差が相対動弾性係数に大きな影響を及ぼすことがわかに対する抵抗性へ及ぼす影響を確認することはできなる。コンクリートを凍結融解作用から十分保護するためかった。しかし，気泡径が要因として特定できることかには，気泡間隔係数を 200μm 以下とするのが望ましいと

ら，消泡剤を混入した高性能 AE 減水剤などの使用によ7)いわれている が，本実験では著しく大きな値となった。

り一定量以上の AE 剤の使用を確保するなどして，適切これは基準配合を含めていえることであり，練混ぜ時にな空気泡を連行し，気泡間隔係数を小さくするなどの解連行された空気泡の気泡径が大きかったといえる。さら決策が考えられる。に，練混ぜ時には固形分率を大きくするほど連行空気が3.9 中性化入りやすく，消泡剤の添加量は増加した。この傾向は

図−10 は JIS A 1153 で行った促進中性化試験結果で，ig-loss≒2%のケースで顕著であった。以上のことに起因

ig-loss と固形分率が 26 週中性化深さに与える影響（対象し，ig-loss≒2%のケースで相対動弾性係数が大きく低下配合−基準配合）を示したものである。

したと考えられる。

図−10 より ig-loss≒2%および ig-loss≒5%で固形分率が大きくなるほど中性化深さが小さくなることがわか(6) 凍結融解作用に対する抵抗性に与える影響についてる。逆に ig-loss≒8%では固形分率が大きくなるほど中性は，強熱減量や固形分率による影響を確認すること化深さが大きくなる傾向である。

はできなかった。しかし，気泡間隔係数の測定結果

以上のことより ig-loss≒8%では固形分が多いほどコから，適切な空気泡を連行すれば，凍結融解作用にンクリートマトリックスの密実性が低下するといえるが，ig-loss≒2%および 5%は，固形分が多いほど密実性対する抵抗性は確保できると考えられる。
(7) 中性化速度については，強熱減量を 5%程度以下に抑が向上するといえる。

制管理した場合，固形分率が大きいほど中性化深さが小さくなることが確認できた。

4.まとめ

総じて述べると，スラッジ固形分の強熱減量を 2%程

本実験の範囲において，スラッジ水改質剤を用いてス度以下に管理した場合，コンクリートの品質に悪影響をラッジ固形分の強熱減量を抑制管理した時，スラッジ固及ぼすことなく，スラッジ固形分率 9%まで用いること形分の強熱減量とスラッジ固形分率がコンクリートのが可能といえる。また，スラッジ固形分の強熱減量が 5%品質に与える影響についてわかったことを以下にまと程度まで進行した場合は，スラッジ固形分率 3%まで置める。なお，実験では全ての配合でスラッジ固形分を結き換えても耐久性を損なうことはないが，高性能 AE 減合材と考え，配合の単位セメント量と置き換える配合補水剤などの増量でスランプを確保するなどの対策が必正を行ったものである。また，以下で述べる強熱減量が要となる。

2%程度とは強熱減量が 2.22%〜2.88%，5%程度とは5.21%〜6.97%，8%程度とは 7.43%〜9.28%の範囲である。

5. 終わりに(1) スランプについては，強熱減量を 2%程度に抑制管理

本実験は 2006 年 5 月に社団法人 日本コンクリート工することにより，固形分率 9%までの置き換えであれ学協会 中国支部に設置された，改 質 ス ラ ッ ジ 有 効 活

ばほとんど影響しないことがわかった。強熱減量が用 研 究 委 員 会 が，約 2 年間の研究活動を行った結果を2%程度を超えて進行した場合，スランプの低下する要約したものであり，参加していただいた委員をはじめ値を推定し，高性能 AE 減水剤の添加率を増すなどのご協力いただいた広島県生コンクリート工業組合技術補正が必要であり，基準とする配合（上水道水など委員会並びに広島地区生コンクリート協同組合技術委を用いる配合）からスランプの低下する値は，強熱員会の方々に深く感謝いたします。また，本研究費の一減量，固形分率および単位結合材量を要因にした，部は平成 18 年度日本コンクリート工学協会中国支部の相関関係より把握できる可能性がある。

研究奨励金によったことを付記し，謝意を表します。

(2) 空気連行性とその気泡径については，強熱減量が小さいほど，固形分率が大きいほど気泡径の大きな空参考文献

気泡が増す傾向にあった。消泡剤を混入した高性能

1)

山田祐定，中西正，中西佳久：コンクリートAE 減水剤などの使用により一定量以上の AE 剤の使スラッジの再利用とその有効性について，セメント用を確保するなどして，良質な空気泡を連行し，気コンクリート論文集，Vol.40，pp.229-232，1986

泡間隔係数を小さくするなどの対策が必要である。

2)

畑中重光，近原典子，湯浅幸久：乾燥微粉砕(3) ブリーディングおよび凝結時間については，強熱減した生コンスラッジの活性度と有効利用に関する量を 2%程度に抑制管理することにより固形分率 9%

一考察，セメントコンクリート論文集，Vol.51，

までであればほとんど影響しないことがわかった。

pp.470-475，1997

また，強熱減量が 2%程度を超え 8%程度以下であれ

3)ば，固形分率を 3%以下にすることで実用性が確保できると考えられる。

練混ぜ水に用いる品質管理指針，pp.46，2003
4)(4) 圧縮強度については，強熱減量が大きいほど，固形分率が大きいほど低下する傾向が確認できた。しか6)

建設省総合技術開発プロジェクト：鉄筋コンクリー
ト造建築物の超軽量・超高層化技術の開発 平成 4保することができる。
ような影響は認められなかった。

(社)日本建築学会：コンクリートの調合設計指針・同解説，pp176，1999.2

れば固形分率 3%までは圧縮強度比で 0.95 以上を確
(5) 静弾性係数および乾燥収縮については，問題となる(社)日本コンクリート工学協会中国支部：改質スラッジ有効活用研究委員会報告書，2008.5

5)し，強熱減量を 2%程度に抑制管理すると固形分率9%まで，強熱減量が 2%程度を超え 8%程度以下であ全国生コンクリート工業組合連合会：スラッジ水を年度 高強度コンクリート分科会報告書，1993.3
7)(社)日本材料学会：コンクリート用化学混和剤，朝倉書店，pp.109，1972