粉体状産業廃棄物を混入させたコンクリートに関する研究
コンクリート研究室 加勢 貴志
指導教官 丸山 久一
1．

はじめに
表-1 使用材料および物性値
吸水率 粗粒率 実績率
比重(％)
（F.M）
(％)
3.15
セメント（C）
2.57
2.26
2.5165.69
細骨材（S）
粗骨材（G）
1.36
7.20
66.31
2.72
AE剤（AE）
アルキルアリスルホン酸系
高性能AE減水剤（SP）
ポリカルボン酸系

大量生産・大量消費を基盤とした産業は日本に大きな経済発展をもたらしてきたが，その一方で周辺の環境に対する負荷も増加させてきた。その結果，大気汚染や土壌汚染などの公害問題が大きな社会問題となった。1980 年代から 1990 年

代にかけて処理技術の進歩や法改正などにより，

表-2 使用した廃棄物の物性値
還元下水汚泥鋳物灰スラグ
焼却灰

公害問題は沈静化し始めてきたが，廃棄物を取り巻く問題，とりわけ埋め立て処分場不足の問

比重3.102.632.58

含水率 (%)
メディアン径(μm)
モード径(μm)

0.3

0.20.532.401147.02168.5528.487147.66177.28

題は，より深刻な問題として注目されるようになってきた。
産業廃棄物の最終処分場は，周辺住民から「忌避施設」という概念を逸脱することが難しいことや，増新設を敬遠した社会的風潮などがあいまって，埋め立て可能な残存容量が年々減少しており，「使い捨て社会から循環型社会への転換」が謳われている近年，一刻も早い再資源技術の確立が望まれている。
このような現状を踏まえて，本研究では新潟県中越地区において，現在も埋め立て処分されている産業廃棄物のうち還元スラグ，鋳物灰おＣａO
ＭｇO
Ｆｅ 2 O3
Ａｌ 2 O3ＳｉO2Ｐ 2O5

表-3 化学成分 （％）
還元下水汚泥鋳物灰スラグ
焼却灰
50.4
0.11
16.0
8.3
0.63
1.90.639.27.911.7
2.16.1
23.5
59.9
29.012.0

よび下水汚泥焼却灰に着目し，これらをコンク鋳物灰に加え，下水汚泥焼却灰も含めた三種類リート材料として再利用することを目的とした。の産業廃棄物を混入させたコンクリートの配合

これまでの研究の結果，還元スラグはコンクリとその強度について検討を行った。また，廃棄ートの膨張および急結を引き起こすことが，物は粉体状であるため，粘性が高くなり，施工膨張は鋳物灰を混合させることで，急結は石性の低下が問題となることから高性能 AE 減水

膏を添加することで抑制できることが確認さ剤の影響についても検討を行った。

1）れている 。また，粉体が多量に混入されるコンクリートにおいて「コンクリートの変形性は2．

ペーストの変形性に支配される」と仮定し，ペ実験に使用した材料を表-1 に示す。セメントーストおよびモルタルフロー試験から単位水量は普通ポルトランドセメントを，骨材は信濃川

１)2）の予測を可能とした配合方法を確立した。

今回は，既往の研究を参考とし，還元スラグ，使用材料産の川砂，川砂利を使用した。また，使用した粉体状産業廃棄物の物性値および化学成分を表-2，3 に示す。

1） モルタル中の細骨材容積比(ｓ/ｍ)が 0.3 以

粉体状産業廃棄物は還元スラグ，鋳物灰，下水汚泥焼却灰(以下 焼却灰)の三種類である。還元スラグは電気炉においてスクラップから鉄鋼下。
2） ンクリート中の粗骨材容積が 300ｌ/m3 程度以下。

製品を再生精錬する際に発生し，カルシウムや

3） コンクリートの変形性はペーストの変形性アルミニウムを多く含有している。鋳物灰は鋳に支配され，骨材の噛み合いなどに影響さ物工場において鋳型を造型，解枠する際に発生れない。

し，シリカ分を多く含有する。また，焼却灰は4） 細骨材はある一定の拘束水比を持つ。ただ下水処理施設から排出される下水汚泥を焼却炉し，細骨材に拘束される水はコンクリートにおいて約 800℃で焼却したもので，カルシウの変形には寄与しない。

ム，シリカ，リンを多く含有している。
2）配合および実験方法
本実験で使用した配合を表-4 に示す。配合条

3．廃棄物混入量の影響
3．1

件はセメント量を 250kg/m3，焼却灰量を 100～

実験概要

本実験では，三種類の廃棄物の混入量とコンクリートの強度発現について検討を行った。

300 ㎏/m3 とし，還元スラグ(表中:スラグ)・鋳物灰を各 300～500 ㎏/m3 とした。今回の実験では還元スラグと鋳物灰の混合率は，還元スラグの膨張抑制を考慮して 1：1(重量比)とした。

1)配合設計
1)配合設計本研究で対象とした廃棄物を用いるコンクリ

コンクリートの練り混ぜには強制ミキサを用ートの構造物は消波ブロックであり，消波ブロいた。骨材，粉体の順に投入し，30 秒間空練り

2ックの設計基準強度は 18Ｎ/㎜ である。本実験を行った後，水(AE 剤)を加え，60 秒間練り混ぜ

では圧縮強度試験結果の変動係数から割増係数を行った。排出直後にスランプ試験，空気量試2を算出し，目標強度を 22Ｎ/㎜ と設定した。コ験(JIS A 1101，JIS A 1128)を行い，各配合につンクリートの目標スランプは 5±1cm，目標空気いてφ100×200mm の供試体を作成し，20℃の水量は 3%とし，AE 剤はセメント量の 0.002%添加中養生を行った。材齢は 28 日とし，圧縮強度試した。

験は JIS A 1108 に準拠して行った。

本研究で用いた産業廃棄物は粉末状であり，コンクリートに混入させた場合，多量の水を拘束する。そのため，通常の配合設計方法では適当なスランプを得るために膨大な試験練りが必要となる。そこで本実験では，桜井らが提案した配合設計方法を適用した。この方法はペーストフロー試験およびモルタルフロー試験によって単位水量を予測するものである。JIS R 5201に準拠して行った。
ただし，この配合設計方法が適用できる範囲は限られており,以下の条件および仮定が成り立つ場合のみ適用される。

配合No．
331441551332333

表-4 廃棄物混入量の影響の検討配合
単位量 (kg/m３ )W
C スラグ 鋳物灰 焼却灰 S
G311300300
203 645
100 117 136
37440040050054 172410 250 500
377
200 135 430
30030046230063 200※配合名「331 」はスラグ300㎏/m3，鋳物灰300㎏/m3，焼却灰100㎏/m3を示す

3.2 実験結果，考察
本実験における全ての供試体において急結，膨張は確認されなかった。このことから三種混合コンクリートにおいても還元スラグ・鋳物灰の関係を示す。図-1 からの混入量が増加するとともに強度が低下していることがわかる。これは表-4 からもわかるように，コンクリート中の粉体量が増加するに従って単位水量が増加して2圧縮強度 （ N/ m m ）抑制されることが確認された。
図-1 に還元スラグ･鋳物灰混入量と圧縮強度

圧縮強度

202 00W / C (% )151 50101 00550

W / C （ ％）は重量比 1：1 で混入させることで急結，膨張はいることが主な原因と考えられる。混入してい0る廃棄物はいずれも微細な粉体状であるため，0331

同一のスランプを得るために多量の水が必要となる。本実験ではセメント量を 250 ㎏/m3 と一441551

図- 1 ス ラグ 鋳物灰混入量の影響定としているため，結果的に水セメント比2

圧縮強度 （ N/ m m 2 ）

図-2 に焼却灰混入量と圧縮強度の関係を示す。
本実験においても目標強度を達成することは出来なかった。図-2 から，焼却灰の混入量が増加
すると水セメント比が大きくなり，それに伴って強度が低下していることがわかる。還元スラ
グ・鋳物灰量を変化させた場合と比較すると，全体的な廃棄物混入量が多少少なめでも，その150

101005500る。

適当な施工性を得るためには単位水量が大幅に増加することが確認された。
本実験では各粉体が拘束する水量を確認するために，還元スラグ・鋳物灰および焼却灰単体の拘束水比をペーストフロー試験によって求めた。拘束水比はペーストが変形し始めるときの水粉体容積比で，粉体のペースト流動に対する特性値である 3)。なお，ペーストフロー試験は
JIS R 5201 に準拠して行った。

332333

図- 2 焼却灰混入量の影響

位水量が大幅に増加するためであると考えられ粉体をコンクリートに混入させるにあたって，

0331

量が増加すると必要なスランプを得るために単1）） 実験概要，実験方法

200

15

強度低下量は顕著である。これは焼却灰の混入

3．3 粉体の拘束水比

圧縮強度
W / C (% )20考えられる。

W / C （ ％）(W/C)が増加し，強度低下を招いているものと表-6 廃棄物の拘束水比
廃棄物名

還元スラグ

鋳物灰

焼却灰

拘束水比

0.82910.58901.95122）） 実験結果，考察
表-6 に各産業廃棄物の拘束水比をペーストフロー試験によって算出した値を示す。拘束水比はある体積の粉体が拘束する水量を比で表したものである。表-6 からもわかるように焼却灰は他の廃棄物に比べて水を多く拘束し，その量は焼却灰自体の 2 倍程度である。本研究で使用している焼却灰は 800℃程度で焼却されたものであり，1000℃以上の高温で溶融処理されたものではない。そのため，その粒子形状は複雑で多孔質であると考えられる。この形状から焼却灰

は多くの水を拘束し，単位水量の増加につなが重量に対する割合である。SP は練り混ぜ温度やるものと考えられる。

練り混ぜ温度条件等の変化に非常な敏感な添加剤であることが知られており，過剰な添加は安4． 高性能 AE 減水剤添加率の影響定した施工性の妨げとなるため，本実験におけ4．1 実験概要

る SP 添加率は 5.0%を上限とした。

本研究では廃棄物を混入させたコンクリートの使用対象を消波ブロックに絞り，廃棄物を出

2)供試体の作成方法および実験方法
2)供試体の作成方法および実験方法

来るだけ多量に混入することを目的としてきた。

コンクリートの練り混ぜは強制ミキサを用いしかし，廃棄物を多量に混入することにより同た。骨材，粉体の順に投入し，30 秒間空練りを一スランプであっても普通コンクリートと比べ行った後，水(SP)を加え，60 秒間練り混ぜを行て粘性が高く，施工の妨げになると考えられる。

い，5 分間静置した後，排出した。排出直後にそこで本実験では高性能 AE 減水剤を添加しスランプ試験，空気量試験(JIS A 1101，JIS Aた配合における施工性と強度を確認するため，1128)を行い，各配合についてφ100×200mm の廃棄物を混入させたコンクリートにおける廃棄円柱供試体を作成した。養生条件は 20℃の水中物混入量に対する高性能 AE 減水剤の添加率お養生および恒温室で 20℃の気中養生とした。材

よびその強度特性について検討を行った。

齢は 28 日とし，圧縮強度試験は JIS A 1108 に準また，コンクリートの廃棄物混入量の限界を拠して行った。

求め，要求性能を満足させる廃棄物混入量の限界を確認した。

4．2 実験結果，考察
実験結果，考察1） フレッシュ性状1）配合）配合

SP を添加した配合における焼却灰量に対す

本実験では，基準となる普通コンクリートのるスランプと SP 添加量の関係を図-3 に示す。

配合設計を行い，普通コンクリートに骨材と置

この図から焼却灰を増加させていくに従って換させる形で廃棄物を混入した。その際に細骨SP 添加率が上がっていることがわかる。このこ材率(s/a)は一定に保って骨材の調整を行った。とから焼却灰には SP の分散能力を低減させる

表-7 に本実験で使用した配合を示す。セメン

要因があると考えられる。SP の粉体分散能力は，

3ト量を 300 ㎏/m ，還元スラグ・鋳物灰混入量をSP が練り混ぜ水中に存在することでその効果それぞれ 100 ㎏/m3 一定とし，焼却灰混入量は 0を発揮するものと考えられる。これに対し，焼3～100 ㎏/m とした。W/C は 61%一定とし，目標却灰には水を多量に拘束する性質がある。そのスランプは 10±2.5cm としてポリカルボン酸系ため，SP が作用する場となる練り混ぜ水を焼却の高性能 AE 減水剤(SP)で調整した。 なお，SP灰が拘束してしまい，より高い分散能力を発揮の添加率は粉体(表中 P：セメント+廃棄物)のするためには SP の添加率を上げる必要がある

配合NO.

W/C（%）

W

100-0
100-25100-50100-75100-10061184

表- 7 ＳＰ添加率の影響
3単位量 (kg/ m )C
スラグ 鋳物灰 焼却灰
025300100
1005075
10033S604594585575565※配合名「100-25 」はスラグ・鋳物灰各100㎏/m ，焼却灰25㎏/m を示す

ＳＰG (P* wt % )993
9771.00
961
1.259452.009295.00

ものと考えられる。
SP添加率
ス ランプ

たが，スランプ値は 0.5cm と目標スランプに達105.084.063.042.021.0

しなかった。このことから W/C61%における廃棄物混入量の限界値は還元スラグ・鋳物灰が各100kg/m3，焼却灰が 75kg/m3 であると考えられる。

ス ランプ （ c m ）120.002） 強度特性

0

還元スラグ・鋳物灰混入量を一定とし，焼却灰SP添加率 （ ％）6.0

焼却灰混入量 100kg/m3 では SP を 5.0%添加し255075100

焼却灰量 （ ㎏/ m 3 ）混入量を変化させた配合において圧縮強度試験
図- 3 焼却灰量によるス ランプとS P添加率の関係を行った。図-4 に SP を添加した場合の廃棄物混入量と圧縮強度の関係を示す。本実験における配合では目標強度を達成することができた。

60

本実験では W/C，単位水量，s/a および還元ス

気中

水中50

カ分を多く含んだ混和材を混入したコンクリー
トでは湿潤養生が重要となると言われている 5)。

図‐ 4 圧縮強度試験結果

しているものと考えられる。
フライアッシュコンクリートなど，特にシリ1 00 - 75

0焼却灰15 0かる。これは廃棄物に含まれるシリカ分が影響

10

1 00 - 50

水中養生における強度が非常に大きいことがわ

1 00 - 25

また，養生条件によって強度が大きく異なり，20

1 00 - 0果があることが示唆される。

30

CAS25 0

ことから，少量の焼却灰は強度を増加させる効40

普通生における圧縮強度の増加が確認された。この圧縮強度（N/m m

らず，焼却灰混入量が増加するに従って水中養2）

ラグ・鋳物灰混入量を一定としているにも関わ

これは混和材が水和するために多量の水が必要とされるためであり，本実験の結果においても400同様のことが考えられる。いずれにしても，今○ 焼却灰△ Ｃ ＡＳ

150

250

回の実験では単一の W/C についての結果であるため，今後さらなる検証が必要である。
3） 廃棄物混入量の限界

300200

図-5 はモルタルフロー試験の結果である．この図から，W/C61%，SP 添加率 5.0%以下の条件において，安定したコンクリートの打設（目標スランプの達成）が可能な廃棄物混入量は，CASコンクリートでは各 250kg/m3，焼却灰コンクリ

100
100

200

300

350

3

各廃棄物混入量(kg/ m )図‐ 5 モ ルタルフロー試験結果

三種類の廃棄物における混入量の限界は還元
33

スラグ・鋳物灰が各 100kg/m ，焼却灰が 75kg/m

なので，これらをまとめると廃棄物の混入量の限界は図-6 に示すような関係であると考えられる。この図から，W/C61%，スランプ 10±2.5cmの条件において，還元スラグ鋳物灰と焼却灰の混合割合および混入量の限界の関係は相関性が高いことが確認された．すなわち，図中の直線より下の領域の示す量であれば，廃棄物を混入させても安定した施工性を得ることが可能であることを示している．
5．まとめ
還元スラグ，鋳物灰および焼却灰の三種類の産業廃棄物を混入させたコンクリートの強度，高性能 AE 減水剤の適応性について検討した。本研究の結果から以上の知見が得られた。
1) 焼却灰は還元スラグ・鋳物灰と比較するとその拘束水比は非常に大きく，多くの水を拘束する。
2) 三種混合コンクリートに SP を添加することによって，小さい単位水量であっても適当な施工性を得ることができた。
3) SP 添加率を上げても適当な施工性が得られる混入量には限界が存在する。
4) 三種類の廃棄物を混入させたコンクリー
トにおいて，普通コンクリートと同程度の強度を得ることができた。
参考文献
1) 桜井邦昭：粉体状産業廃棄物を用いたコンクリートの配合設計に関する研究，長岡技術科
学大学大学院修士論文，2000．
2)桜井邦昭ほか：粉体状産業廃棄物を多量に混入したコンクリートの配合設計方法に関する研究，コンクリート工学年次論文報告集，Vol．
22，No．2，pp1153‐1158，2000．

3
下水汚泥焼却灰混入量(kg/ m )ートでは 150kg/m3 以下となった．

300
W/ C = 6 1 %C = 3 0 0 kg/ m 3
スランプ1 0 ±2 . 5 c m
Y = - 0 . 5 9 2 X＋1 4 4 . 1
R 2 = 0.9868

200

10000100200300

還元スラグ鋳物灰の各混入量(kg/ m 3 )図- 6 廃棄物混入量の限界値

3)枝松良展ほか：粉体特性とペーストフロー値との関係，土木学会論文集，No．538/V-31，
pp．37-46，1996．
4)コンクリート便覧，
第 6 章 ，6．
4 養生，pp383．