下水汚泥焼却灰のコンクリートへの適用に関する研究
コンクリート研究室

宮澤聡

主査

丸山久一

副査

下村

副査

小松俊哉

匠

要旨：現在大部分が埋め立て処分されている下水汚泥焼却灰を，溶融処理を行わずコン
要旨：クリート材料として再資源化し，多量にコンクリートに用いた場合のコンクリートの圧縮強度特性について検討した．その結果，汚泥焼却灰の混入は単位水量の著しい増加を招き，コンクリートの圧縮強度を著しく低下させるが，塩化ナトリウムを添加することにより大幅な強度増加が図れることを確認した．
キーワード：下水汚泥焼却灰，再資源化，圧縮強度特性，塩化ナトリウムキーワード：
ンクリート２次製品に利用することを目的とし

1. はじめに下水汚泥焼却灰（以下，焼却灰）は早くからコた．コンクリート２次製品としては，高い強度ンクリート材料として注目されてきており，こや耐久性をそれほど必要としない消波ブロック

１），２）．しへの適用を考えることとした．消波ブロックにかし，そのほとんどが溶融ガラス化処理を経た要求される圧縮強度は 21N/mm2，必要なスラン焼却灰を対象としたものであった．溶融処理はプは４～８cm である．本論文ではこの要求性能1000℃以上の高温で焼却灰を再焼却し，溶融さを満足する配合を検討した．

れまでにも様々な研究が行われてきたせることで減容・無害化・安定化を図る方法である．しかし，溶融処理は，特別な溶融炉が必

2. 下水汚泥焼却灰要となることや処理コストが高くなることがネ

本研究で使用した焼却灰は，下水処理施設かックとなっているため普及しずらいのが現状でら運ばれてくる下水汚泥を流動床焼却炉にてある．また，溶融処理されていない焼却灰は，800℃で焼却処理をしたときに発生する産業廃大部分が埋め立て処分されている．しかし，下棄物である．なお，本大学の位置する新潟県中

水処理施設の高度化，下水道普及率の向上に伴越地区からは，年間約 3000ｔが排出されており，い，下水汚泥の排出量は年々増加の一途をたど全量埋立処分されている．っている．そのため，産業廃棄物を処理する処

表‐1，2 に焼却灰の物性値と化学成分を示す．

分場の残存容量の減少や新規処分場の確保難，焼却灰の密度は 2.50～2.60g/cm3 である．これそれによって生じる産業廃棄物の不法投棄などは，焼却灰は同一プラントから採取しているがの問題が発生し，年々深刻な状況になっている．

採取日によって値が変化するために，その変化

これらのことから，産業廃棄物の有効利用，再の範囲を示している．メディアン径から，セメ資源化は早急に解決しなければならない問題でントより粗い粉体状であることがわかり，またある．

ｐＨが非常に高いことがわかる．化学成分は，そこで本研究では，溶融処理を行わず，現在大部分が埋立処分されている下水汚泥焼却灰を対象とし，コンクリートの混和材料として，コカルシウム，シリカ，リン，鉄，アルミニウムが多く含まれている．
表‐3 に焼却灰に含まれている有害物質の溶出試験の結果を示す．溶出試験方法は環境告示
第 46 号法に準拠した方法で行った．有害物質の表‐1 下水汚泥焼却灰の物性値
3
密度（g/cm ）2.50～2.60

溶出量はすべて環境基準を満足する値となって含水率（%）

1.92いる．これらのことより，有害物質という観点ｐH
メディアン径（μｍ）

13.35
28.47

からは，焼却灰をコンクリート材料とすることは，問題はない．

表‐2下水汚泥焼却灰の化学成分
化学成分
（％）
CaO
22.00
MgO
2.80
Fe2O312.00
5.20
Al2O3
SiO223.00
1.00
K2O
Na2O
0.65
P2O5
15.00
0.82
SO3TiO20.49
MnO
0.29

3.下水汚泥焼却灰の混入の影響
3.下水汚泥焼却灰の混入の影響
3.1 実験概要
焼却灰をできるだけ多量にコンクリートに混入させ，目標とするコンクリート２次製品の要求性能を満足する配合を検討した．表‐4 に，実験に用いた使用材料を示す．セメントは普通ポルトランドセメントを，骨材は信濃川産の川砂，川砂利を使用した．表-5 に，本実験で使用したコンクリートの配合を示す．配合条件は，できるだけ焼却灰の使用量を多くしたいために，焼却灰を 400 kg/ｍ3，500 kg/ｍ3，600 kg/ｍ3混入した３配合とし，単位セメント量はそれぞ

表‐3れの配合で 250kg/ｍ3 一定とした３）．コンクリ
ートのフレッシュ性状は，２次製品の要求性能を満たすようにスランプを５cm，空気量を３％となるように単位水量を調節した．なお，ＡＥ剤をセメント質量に対して 0.002％添加した．
コンクリートの練混ぜは強制ミキサを用い，細下水汚泥焼却灰の溶出試験結果
有害物質 試験結果
カドミウム
N.D
鉛
N.D
六価クロム
N.D
セレン
N.D
水銀
N.D
砒素
N.D
N.D：測定限界値以下

骨材，粗骨材，セメント，焼却灰の順に投入し，30 秒間空練りを行った後，水（ＡＥ剤）を加え

表‐4て 60 秒間練り混ぜを行った．各配合について材
齢 28 日まで 20℃の水中養生を行った．
3.2 実験結果および考察
図‐1 に，焼却灰の混入量とコンクリートの使用した材料の物性値
セメント 細骨材
粗骨材

密度(g/cm3)

3.15

2.522.71

吸水率(%)
粗粒率(F.M)
実績率(%)-

2.26
2.5166.55

1.367.2066.13

圧縮強度の関係を示す．焼却灰は表‐1 に示すように細かい粉体である．また，表‐５より，コンクリートに混入すると同一スランプを得る
ためには非常に多量の単位水量が必要となる．
これは，焼却灰の粒子形状が複雑で多孔質であることが原因であると考えられる．そのため，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コンクリートの強度が低下する．

表‐5 混入量の影響の検討配合
AE剤
単位量（kg/m3）
W/C s/a(%) (%) W
C 焼却灰 S
G C×％
141
162200252525352
406 250499

400
500
600245 784 0.002
186 597 0.00298 312 0.002

図‐2 に焼却灰 500 kg/ｍ3 混入コンクリートと材齢の関係を示す．焼却灰混入コンクリート

25

ただし，この実験結果では，消波ブロックに要求される圧縮強度を満足することはできない．
4.強度の改善方法
4.強度の改善方法

2圧縮強度（N/mm ）ンクリートとほぼ同様である．

2020 01515 01010 0550004.1 実験概要
焼却灰を多量に混入すると目標とする圧縮強度が得られない．そこで，目標とする圧縮強度

40 0が得られるよう，セメント量の増加，高性能減焼却灰混入量（kg/ｍ 3 ）

水剤の添加，塩化ナトリウムの添加について検50 060 0

図‐1
図‐1 焼却灰混入の影響討した．焼却灰混入量は，目標強度を満足する範囲で，できるだけ多量に焼却灰を混入させるという観点から 500 kg/ｍ3 とした．

30

本実験ではセメント量の増加が焼却灰混入コ
ンクリートの強度の増加に及ぼす影響について検討した．表‐6 に，実験で使用したコンクリートの配合を示す．使用材料は表‐4 と同様のものを用いた．焼却灰の混入量は 500 kg/ｍ3 とし，セメント量を 250kg/ｍ3，350 kg/ｍ3，450 kg/ｍ3 とした．スランプを５cm，空 気量を３％となるように配合を調整した．なお，ＡＥ剤をセメント質量に対して 0.002％添加し，材齢 28 日
まで 20℃の水中で養生を行った．

24.2.1 実験概要

圧縮強度（N/mm ）4.2 セメント量の増加

2010
焼却灰500k g
普通コ ンク リー ト

00714212835

材齢（日）
図‐2
図‐2 材齢と圧縮強度の関係

4.2.2 実験結果および考察
図‐2 に，セメント量を増加した焼却灰混入コンクリートのセメント水比（Ｃ/Ｗ）と圧縮強度の関係を示す．セメント量を増加させることによって目標とする圧縮強度が得られた．
また，
この図より，焼却灰混入コンクリートにおいてもセメント水比と圧縮強度の間にはほぼ線形関係が成り立つことが認められる．つまり，焼却灰混入コンクリートにおいても，従来の普通コ

表‐6 セメント量増加の検討配合
3s/a
AE剤単位量（kg/m ）C/W(%) W C 焼却灰 S G （C×％）
0.58 25 433 250
166 530 0.002
0.79 25 444 350 500 138 443 0.002
0.97 25 463 450
106 339 0.002

水セメント比（％）

水セメント比は材齢 7 日目までに 28 日強度の約 60％の強度発現が見られることから，強度発現性は普通コ25 0

圧縮強度

ンクリートと同様に圧縮強度はセメント水比によってほぼ決定されると考えられる．
そのため，度を達成することは可能である．
4.3 高性能減水剤の添加
4.3.1 実験概要
本実験では高性能減水剤の添加が焼却灰混入コンクリートの強度の増加に及ぼす影響につい2
圧縮強度（N/mm ）水セメント比を低減させることによって目標強3020
焼却灰500kgて検討した．表‐7 に実験で使用したコンクリ

10ートの配合を示す．使用材料は表‐4 と同様の0.5ものを用いた．焼却灰の混入量は 500 kg/ｍ3 と0.70.91.1

セメント水比C/W

し，セメント量を 250kg/ｍ3，一定とした．高性能減水剤はナフタリン系を使用し，添加率は

図‐3
図‐3 セメント量増加の影響

粉体質量に対するものとして，１，３，５%とした．スランプを５cm，空気量を３％となるように配合調整を行った．なお，ＡＥ剤をセメント質量に対して 0.002％添加し，材齢 28 日まで20℃の水中で養生を行った．
4.3.2 実験結果および考察
図‐3 に，高性能減水剤を添加した焼却灰混入コンクリートの高性能減水剤添加率と圧縮強

表‐７ 高性能減水剤の添加検討用配合
3高減剤
単位量（kg/m ）s/a
C/W(%) W
C 焼却灰 S
G （P×％）

0.62 25 4060.70 25 358 250
0.76 25 328
0.81 25 308
P：セメント＋焼却灰

500

186215234245597688749790

1.0
3.05.0度の関係を，図‐4 にＣ/Ｗと強度の関係示す．
高性能減水剤の添加率を１％とすると無添加のコンクリートと比較してＣ/Ｗが 24％低下し，30それによって大きな強度増加が見られた．しかし，さらに添加率を大きくした場合，Ｗ/Ｃが大られるような強度の増加はなく，逆に強度が低下する傾向が見られた．これは焼却灰混入コンクリートにおいて，多量に減水剤が添加されたため硬化不良をおこしたものであると考えられ
る．本配合で高性能減水剤の添加率を変えるだ

2
圧縮強度（N/mm ）きく低下しているにもかかわらず，図‐2 に見焼却灰500kg

2010けでは，目標強度を達成することはできない．

04.4 塩化ナトリウムの添加
4.4.1 実験概要
本実験では，塩化ナトリウムの添加が焼却灰

0.02.04.06.0

高性能減水剤添加率（ ％）図‐4図‐4 高性能減水剤添加率と強度の関係
高性能減水剤添加率と強度の関係

混入コンクリートの強度の増加に及ぼす影響について検討した．塩化ナトリウムは減水効果が．また，シリカを多く含んだ産業廃棄物をコンクリートに混入させている既往の研究では塩化ナトリウムの添加によって強度の増加が確認されている４)，５），６)．
これらのことから，本研究においても焼却灰混入コンクリートに対し塩化ナトリウムの添加を検討した．表‐8 に，実験で使用したコンクリ

2
圧縮強度（N/mm ）あると報告されている

高減剤添加
セメント量増加35４），５）

2515ートの配合を示す．使用材料は表‐4 と同様の5ものを用いた．焼却灰の混入量は 500 kg/ｍ3 と0.5し，セメント量を 250kg/ｍ3，一定とした．塩0.70.9

セメント水比C/W

化ナトリウムは市販のものを使用し，添加率は粉体質量に対するものとして，１，３，５%とし図‐5
図‐5 高性能減水剤添加によるＣ/高性能減水剤添加によるＣ/Ｗの関係た．スランプを５cm，空気量を３％となるように配合を調整した．なお，ＡＥ剤をセメント質量に対して 0.002％添加し，材齢 28 日まで 20℃の水中で養生を行った．
4.4.2 実験結果および考察
図‐5 に塩化ナトリウム添加率と圧縮強度の関係を，図‐6 に塩化ナトリウムの添加によるＣ/Ｗと強度の関係を示す．これらの図から，焼表‐8 塩化ナトリウムの添加検討用配合
3s/a
単位量（kg/m ）NaClC/W(%) W
C 焼却灰 S
G （P×％）

0.62
0.60
0.63
0.63

25252525406
415
250
400395500

186
177
184184597
566587588

1.03.05.0

却灰混入コンクリートでは塩化ナトリウムを添加することで大幅な強度増加が図れることが確認できる．添加率３％で強度は最大の増加を示しており，目標とする圧縮強度を満足すること30ができた．
ートにおいても塩化ナトリウムを添加することによって減水効果が認められ，添加量を増加させることでＷ/Ｃを低下させることができた．しかし，添加率が５％になると強度は添加率が３％の時よりも低下し強度の増加は見られなかった．また，塩化ナトリウムの添加によってＣ/Ｗは大きくなっているが，セメント量の増加，高性能減水剤の添加によるＣ/Ｗの増加に比べて，Ｃ/Ｗの増加量は小さいにもかかわらず大きな強度増加が見られた．これは，塩化ナトリウ
ムを添加することによって何らかの化学反応が2
圧縮強度（N/mm ）表‐8，および図‐6 から焼却灰混入コンクリ

焼却灰500kg

20100024NaCl添加率（％）
図‐6図‐6 NaCl 添加率と強度の関係

6生じ，強度が増加したと考えられる５）．
塩化ナトリ ウム 添加
セメント量増加

焼却灰をできるだけ多量にコンクリートに混入させ，目標とするコンクリート２次製品の要求性能を満足する配合を検討した．その結果，以下の知見が得られた．
１）焼却灰はカルシウム，シリカを多く含み，有害物質の溶出も認められず，コンクリート材料として再資源化可能な材料である．
２）焼却灰は粉体状であるため多量にコンク

2
圧縮強度（N/mm ）

5.まとめ
5.まとめ

3020

100.5

リートに混入すると所要のワーカビリティーを0.9

セメント水比C/W

確保するためには多量の単位水量が必要となる．
３）焼却灰混入コンクリートの強度発現性は

0.7

図‐7
図‐7 NaCl 添加によるＣ/添加によるＣ/Ｗの関係

普通コンクリートとあまり変わらない．
４）圧縮強度は普通コンクリートと同様にセメント水比によってほぼ決定される．
５）高性能減水剤を添加すると，低い添加率
ではＷ/Ｃの低下に伴い強度は増加するが，添加量が増加すると，Ｗ/Ｃは低下するものの強度は低下する．
６）塩化ナトリウムを添加すると強度は大きく増加する．

４）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，2000.3５）桜井邦昭ほか：鋳物灰を多量に混入したコンクリートの圧縮強度特性，土木学会第 54
回年次学術講演会講演概要集，第５部，pp24‐
25，1999.9

７）以上の結果より，下水汚泥焼却灰を多量

６）長滝重義ほか：フライアッシュを用いたに用いたコンクリートは，高い強度や耐久性を新硬化体の海洋構造物への適用性，コンクリーそれほど必要としない消波ブロックへの適用は

ト工学年次論文報告書，Vol.９，No.１，pp211

十分可能であると考えられる．

‐216，1987

参考文献
１）中村博之：廃棄物溶融スラグの高流動コンクリートへの適応に関する研究，長岡技術科学大学大学院修士論文，1997.3
２）野尻拓男ほか：下水汚泥焼却灰のコンクリートへの有効利用について，コンクリート工
学年次論文報告書，Vol.22，No.2，pp43‐48，
2000．7３）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，pp1153‐1158，2000．7