JP2002187748A

JP2002187748A - セメント組成物

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Publication number: JP2002187748A
Application number: JP2000381315A
Authority: JP
Inventors: Satoshi Watanabe; 聡渡辺; Kaoru Shigeta; 薫重田; Yutaka Yamamoto; 豊山本; Tetsuo Kato; 哲郎加藤; Masahito Hayama; 雅仁羽山
Original assignee: JGC Corp; Taiheiyo Cement Corp; Yokohama City
Current assignee: JGC Corp; Taiheiyo Cement Corp; Yokohama City
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2002-07-05

Abstract

(57)【要約】【課題】コンクリート製品工場における焼却灰のハン
ドリングのための設備コスト等を抑えて、焼却灰の有効
利用を図りつつ、安定した品質のコンクリート製品を製
造する。【解決手段】セメント１００重量部と焼却灰５０重量
部以下とを混合または混合粉砕してなるセメント組成物
を予め製造し、コンクリート製品工場で、粗骨材と、細
骨材と、高性能減水剤と、必要に応じて混和材や混和剤
と、適量の水とを混練してコンクリートとし、コンクリ
ート製品を製造する。多孔質の焼却灰であっても、コン
クリートの混練にあたって、単位水量とは別に焼却灰の
吸水量の略々１０％の補助水を添加すれば、製作対象と
するプレキャストコンクリート製品を決定した後、水セ
メント比、焼却灰添加率より、コンクリートとして最適
の配合設計をすることが可能となる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、セメントと焼却灰
とからなるセメント組成物に関し、特に、都市下水汚泥
焼却灰の有効利用を図りつつ、安定した品質のコンクリ
ート製品を製造するために使用されるセメント組成物及
びそれを用いたコンクリート製品とその製造方法に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、都市下水汚泥については、そのほ
とんどが焼却後埋め立て処理されていたが、埋立処分地
の延命化及び資源の有効利用のため、焼却灰を煉瓦また
はセメントの原料として利用したり、埋め戻し土の改良
材等に利用している。

【０００３】また、上記利用方法の他に、例えば、特開
昭４９−８２７２１号公報、特開昭５２−４５６２６号
公報、特開昭５３−１６４２０号公報、特開昭５３−６
１１２３号公報等には、汚泥焼却灰等を骨材として利用
したコンクリート製品等及びその製造方法が開示されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、コンクリート
製品等の製造に汚泥焼却灰等をそのまま骨材として利用
しようとした場合には、コンクリート製品工場におい
て、焼却灰と他の原料との配合を管理したり、焼却灰の
ための特別の輸送系統を必要としたり、焼却灰の飛散を
防止したり、作業者が焼却灰に直接触れることを防止す
る必要があるため、焼却灰のハンドリングのための設備
コスト及びコンクリート製品の製造コストが増大すると
いう問題があった。

【０００５】また、コンクリートの製造にあたって、焼
却灰を、セメント、細骨材、粗骨材等とともに同時（一
括）混練する場合には、細骨材及び粗骨材の混合媒体と
しての効果を期待したとしても、良好で品質の安定した
コンクリート製品を得るにはコンクリート製品工場にお
ける通常の混練時間を大幅に超過してしまうため、コン
クリート製品の生産性が低下するという問題があった。
すなわち、この際、混練時間を短縮すると製品の品質が
ばらつくといった問題があった。

【０００６】さらに、焼却灰は多孔質で吸水率が高いた
め、コンクリートの最適な配合設計を行うことは容易で
はないという問題があった。

【０００７】そこで、本発明は上記従来の焼却灰を用い
たコンクリート製品の製造における問題点に鑑みてなさ
れたものであって、コンクリート製品工場における焼却
灰のハンドリングのための設備コスト等を抑えることが
できるとともに、焼却灰を用いても、用いない場合と同
様の混練時間で同様の安定した品質のコンクリート製品
を製造できるようにするためのセメント組成物を提供す
ることを目的とする。

【０００８】また、本発明は、上記に加え、多孔質の焼
却灰であっても、コンクリートの最適な配合設計を容易
に行うことができる方法を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１に記載の発明は、セメント組成物であっ
て、セメント１００重量部と焼却灰５０重量部以下とを
混合または混合粉砕してなることを特徴とする。

【００１０】そして、請求項１記載の発明によれば、予
め焼却灰とセメントが混合されたセメント組成物のプレ
ミックス材が得られるため、焼却灰を含む結合材として
一定の性能を確保することができるとともに、コンクリ
ート製品工場側で焼却灰の配合割合を管理する必要がな
い等の利点があり、焼却灰を再利用しながら、コンクリ
ート混練物の混練時間を特別長くしなくとも安定した品
質のコンクリート製品を製造することができる。

【００１１】請求項２に記載の発明は、上記セメント組
成物の好ましい一つの形態として、上記焼却灰中のカル
シウム分は、ＣａＯ換算で１２重量％以下であることを
特徴とする。１２重量％を越えると、作業性が悪くなっ
たり、コンクリートの品質が低下するので好ましくな
い。これによって、セメント原料等として利用されてい
るＣａＯ分の比較的高い焼却灰ではなく、ＣａＯ分の比
較的低い凝集沈殿させた高分子系の焼却灰についても有
効利用を図ることができる。

【００１２】請求項３に記載の発明は、上記焼却灰とし
て、都市下水汚泥等の拘束水比が１．９以下で、材齢２
８日の活性度指数が７０以上のものである。ここで、拘
束水比とは、焼却灰を用いてコンクリートを製造した場
合に、コンクリートの流動に寄与しない、焼却灰の固定
粒子に拘束される水の容積と焼却灰との容積比をいう
（拘束水の容積／焼却灰の容積）。また、活性度指数と
は、基準モルタル供試体の圧縮強度に対する試験モルタ
ル供試体の圧縮強度の比を百分率で表したものである。
そして、拘束水比が１．９を越えると、従来と比べて同
等以上で品質の安定したコンクリートが得られ難くなる
ので好ましくない。また、活性度指数が７０未満のもの
では、強度発現の良好なコンクリートが得られ難くな
る。

【００１３】請求項４に記載の発明は、コンクリート製
品であって、上記請求項１乃至３に記載のセメント組成
物と、粗骨材と、細骨材と、高性能減水剤と、必要に応
じて混和材や混和剤と、適量の水とを混練してなるコン
クリートからなるため、請求項１乃至３に記載の発明の
作用効果を伴う形で従来と同等以上のコンクリート製品
を製造することができる。

【００１４】請求項５に記載の発明は、上記コンクリー
トの混練にあたって、単位水量とは別に、前記焼却灰の
吸水量の略々１０％の補助水が添加されることを特徴と
する。ここで、吸水量とは、焼却灰粒子間に拘束される
水量と、焼却灰と同一比表面積に粉砕した珪砂等のほと
んど吸水性を有しない粉末の粒子間に拘束される水量と
の差をいう。そして、上記吸水量の略々１０％の補助水
を添加することにより、多孔質の焼却灰であっても、コ
ンクリートの最適な配合設計を容易に行うことができ
る。

【００１５】

【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て詳細に説明する。本発明は、セメントと焼却灰とを混
合または混合粉砕してなるセメント組成物を予め製造
し、このセメント組成物を、粗骨材と、細骨材と、高性
能減水剤と、必要に応じて混和材や混和剤と、適量の水
とを混練してコンクリート（以下「ＳＡＣコンクリー
ト」ともいう）を製造し、このコンクリートによってコ
ンクリート製品を製造することを特徴とする。

【００１６】ここで、セメントには、普通ポルトランド
セメント等コンクリート製品の製造にあたって通常コン
クリート製品のメーカーで使用されるセメントを使用す
ることができる。また、焼却灰としては、都市下水汚泥
焼却灰等を使用することができ、後述するように、セメ
ント組成物をコンクリート製品の製造に利用する場合に
は、セメント１００重量部と焼却灰５０重量部以下とを
混合または混合粉砕したものを使用することができる。
５０重量部を越えると、結合材としての性能が著しく低
下するので好ましくない。

【００１７】焼却灰とセメントとの混合にあたっては、
バッチ式リボンミキサ、ナウタ、ヘンシェル、パグミル
等を使用することができる。また、焼却灰とセメントと
の混合粉砕にあたっては、ボールミル等を使用すること
ができる。この場合は、媒体量を調整して混合が主にな
るようにする。

【００１８】このようにして製造したセメント組成物
は、予め焼却灰とセメントが混合されたプレミックス材
になっているため、焼却灰を含む結合材として一定の性
能を確保することができ、コンクリート製品工場側で焼
却灰とセメントの配合割合を管理する必要がない。ま
た、コンクリート製品工場において、従来のセメント輸
送系統を利用することができ、焼却灰の飛散を防止した
り、人肌に焼却灰が直接触れることを防止するための特
別の設備を必要としない。また、従来と同様の製造時間
で製造できる。

【００１９】焼却灰とセメントとを混合するにあたっ
て、上記バッチ式リボンミキサを用いると、均一な混合
物を得るためには１５分程度を必要とすることが試験に
よって確認されている。一方、コンクリート製品工場に
おけるコンクリート混合物の混練時間は３分程度であ
る。従って、細骨材及び粗骨材の混合媒体としての効果
を期待したとしても、焼却灰が均一に分散したコンクリ
ート混合物を得ようとすると、焼却灰、セメント等と他
の材料を同時（一括）混練するにあたってコンクリート
製品工場における通常の混練時間を大幅に超過し、生産
性が低下する。この際、混練時間を短縮すると製品の品
質がばらつく。従って、この点からも、焼却灰とセメン
トとを予め混合または混合粉砕しておき、コンクリート
製品を製造する際には、これを用いることが重要であ
る。粗骨材や細骨材は従来と同様のものを用いれば良
い。高性能減水剤（高性能ＡＥ減水剤も含む）として
は、少量の添加で大きな減水効果の得られるポリカルボ
ン酸系のものが好ましい。また、必要に応じて、スラグ
珪石粉やフライアッシュ等の混和材や収縮低減剤等の混
和剤を添加してもよい。これらの配合割合は特に限定さ
れていない。尚、コンクリート製品としては、コンクリ
ートブロック、ボックスカルバート、Ｕ字溝、セグメン
ト等の各種二次製品が挙げられる。

【００２０】次に、上記セメント組成物を用いてコンク
リート製品を製造した試験例について説明する。

【００２１】まず最初に、コンクリート製品工場におけ
る室内配合試験について説明する。本試験にあたって、
使用した材料は表１に示すとおりであり、試験項目及び
試験方法は表２に示すとおりである。

【００２２】

【表１】

【００２３】

【表２】

【００２４】上記焼却灰のサンプル４種類（Ａ〜Ｄ）に
ついて、カルシウム含有率、拘束水比及び活性度指数を
測定したところ表３に示す結果となった。

【００２５】ここで、カルシウム含有率の測定は、ＪＣ
ＡＳ「調合原料及びダストの化学分析法」の酸化カルシ
ウムの測定方法に準じた。

【００２６】また、拘束水比については、水の容積１に
対して焼却灰（以下「粉体」という）の容積１．１〜
１．４とした４種類のペーストを作りフロー試験を行っ
た後、上記試験から得られた相対フロー面積比と粉体セ
メント容積比の関係を直線回帰し、相対フロー面積比が
０となる水粉体容積比を粉体の拘束水比と決定した。

【００２７】より詳細に説明すると、水粉体容積比１を
１．１、１．２、１．３、１.４としたセメントペース
トを作り、フロー試験を行った。フロー試験は、ＪＩＳ
Ｒ５２０１（セメントの物理試験方法）に定める方法
を準用したが、フローテーブルの代わりに、水平に設置
した磨きガラス上で行う。落下運動は与えず、フローコ
ーンを取り去った後、ペーストの変形が終了した時点で
の２方向の直径を測定した。

【００２８】引き続いて２回行ったフロー試験より得ら
れたフロー値の平均から、基準面積（直径１００ｍｍの
円の面積）を用いてペーストの相対フロー面積比を、式
１を用いて算定した。

【００２９】

【式１】

【００３０】相対フロー面積比と水セメント容積比との
間には線形関係があるので、これを直線回帰して、相対
フロー面積比が０となる水粉体容積比、すなわち直線の
切片を求め、これをセメントの拘束水比とした。

【００３１】次に、活性度指数は、ＪＩＳＡ６２０
１付属書２（規定）フライアッシュのモルタルによ
るフロー値比及び活性度指数の試験方法に準拠して求め
た。

【００３２】

【表３】

【００３３】そして、上記焼却灰Ａ〜Ｄ等の材料を使用
して、表４に示すように各々焼却灰セメント比が１０
％、２０％、３０％の３水準についてコンクリートの配
合を行い、表５に示すようなフレッシュコンクリートの
性状を得た。表５中の配合区分の「−１」、「−２」、
「−３」は、表４における配合種別が「１」、「２」、
「３」であることを示す。従って、例えば、表５の配合
区分「Ｂ−２」は、焼却灰Ｂを使用して焼却灰セメント
比２０％について試験を行った場合を示している。尚、
表５中の補助水については後述する。

【００３４】

【表４】

【００３５】

【表５】

【００３６】表５より明らかなように、焼却灰のカルシ
ウム分が１２重量％を越えると（配合区分Ｂ−１〜Ｂ−
３）作業性が著しく低下し、コンクリートの品質が低下
する。また、拘束水比が１．９を越えると（配合区分Ｃ
−１〜Ｃ−３）、標準配合と比べて若干作業性が低下す
るとともに、品質の安定したコンクリートが得られず、
活性度指数が７０未満のものでは（配合区分Ｄ−１〜Ｄ
−３）、強度発現の良好なコンクリートが得られ難くな
る。

【００３７】次に、補助水添加によるＳＡＣコンクリー
トの配合設計手法について説明する。焼却灰は、非常に
多孔質な粒子であることから所要の流動性を得るために
は、混和剤（高性能減水剤）だけでは、十分な分散性を
発揮することができず、水量の増加を合わせ考えること
が不可欠である。しかしながら、現行のコンクリート配
合設計では、例えば、混和材のような粉体の吸水量を決
定する方法も確立されておらず、何らかの手法により吸
水量を配合設計に展開することが必要であった。そのた
め、まず、図１の焼却灰の吸水に関する模式図に示すよ
うに、焼却灰粒子間に拘束される水量と、焼却灰と同一
比表面積に粉砕した珪砂粉末（珪砂粉末はほどんど吸水
しないと仮定して）粒子間に拘束される水量との差を焼
却灰粒子の吸水量と定義することとした。

【００３８】ここで、粒子に拘束される水量（拘束水
量）は、拘束水量＝拘束水比÷粉体の密度×１００によって算出され、例えば、焼却灰の拘束水比が１．８
１で密度が２．３８ｇ／ｃｍ³の場合には、拘束水量が
７６％となり、珪砂の拘束水比が０．８０で密度が２．
６４ｇ／ｃｍ³の場合には、拘束水量が３０％となる。
そして、吸水量（％）は、両者の拘束水量の差４６％と
なり、例えば、単位焼却灰量が１００ｋｇ／ｍ³の場合
には、吸水量は４６ｋｇ／ｍ³となる。

【００３９】しかしながら、算出した焼却灰の吸水量の
全水量を加えるのでは、コンクリートの流動性確保の観
点からは妥当であるが、圧縮強度や耐久性確保からは望
ましくない。そのため、例えば、焼却灰の吸水量が４６
％の場合には、この吸水量の配合設計への活用として、
次のステップを導き出した。

【００４０】通常のコンクリート（焼却灰を混入しない
コンクリート）であれば、セメント水比と圧縮強度は直
線関係にある。そのため、ＳＡＣコンクリートにおいて
も本来この関係が成り立つことを前提とし、焼却灰に吸
水される水量を種々想定し、セメント水比と圧縮強度と
の関係から、両者が最も直線に近似できる吸水量を算出
した。図２「蒸気養生（最高温度６５℃保持）材齢１４
日におけるセメント水比と圧縮強度の関係（焼却灰の吸
水量に対して１０％吸水したと想定した場合）」（コン
クリート製品を対象とした場合の一般的な管理条件）に
示すように、本来焼却灰の混入により加えるべき前記吸
水量の１０％が焼却灰に吸収されると仮定した場合、最
も直線に近似できることを示している。尚、同図におけ
る左上の■Ｃ等は、単位セメント量を示す。

【００４１】従って、ＳＡＣコンクリートにおいては、
蒸気養生（最高温度６５℃保持）材齢１４日の圧縮強度
を対象として配合設計を行う場合には、焼却灰吸水量の
１０％を「補助水」として、単位水量とは別途加えるこ
とが適切であるといえる。

【００４２】また、この補助水が本来の圧縮強度に寄与
しない焼却灰の吸水量と仮定することにより、図３に示
すような、焼却灰セメント比（ＳＡ／Ｃ）と水セメント
比（Ｗ／Ｃ）をパラメータとした蒸気養生（最高温度６
５℃保持）材齢１４日における等強度分布図（□内の数
字がコンクリートの圧縮強度（Ｎ／ｍｍ²）を示す）を
作成することができ、この等強度分布図を用いることに
より、単位焼却灰量、単位セメント量（焼却灰セメント
比）及び目標圧縮強度が定まれば、大略の水セメント比
を算出することが可能となり、製作対象とするプレキャ
ストコンクリート製品が決定すれば、水セメント比、焼
却灰添加率より、コンクリートとして最適の配合設計を
することができるとともに、ワーカビリティを予測する
こともできる。

【００４３】次に、実機試験として、ボックスカルバー
トを製造した場合を例にとって説明する。

【００４４】表６に示すように、室内配合試験において
使用した表１に示した各材料（焼却灰については、表３
の焼却灰Ａ）を使用して、通常の配合割合で、水セメン
ト比４３％で約３分間の混練時間でボックスカルバート
を製造した。混合方式は、本発明にかかる混練方式であ
るプレミックス方式と、比較例として従来の同時（一
括）混合方式で混練した。プレミックス方式について
は、焼却灰セメント比３０、４５、５５の３水準（配合
区分Ｉ〜III）について各々に２回試験を行い、同時混
合方式については、焼却灰セメント比が３０（配合区分
IV）の場合について２回試験を行った。尚、本試験にお
いて、フレッシュコンクリート試験及び圧縮強度試験に
ついては、表２に示した方法と同様の方法で実施した。
また、表６についても、表５の注１及び注２が適用され
る。

【００４５】本試験結果を表６に示す。この表より明ら
かなように、本発明にかかるプレミックス方式の場合に
は、焼却灰セメント比が５５の場合には、成形性がやや
劣り、強度も標準配合の場合を若干下回るが、それ以下
の焼却灰セメント比の場合には、作業性、強度ともに問
題がなかった。一方、同時混合の場合には、作業性につ
いては特に問題はないが、強度について標準配合を下回
るとともに、かなりばらつきが見られた。

【００４６】

【表６】

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明にかかるセ
メント組成物によれば、コンクリート製品工場における
焼却灰のハンドリングのための設備コスト等を抑えるこ
と等により、焼却灰の有効利用を図りつつ、安定した品
質のコンクリート製品を製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】焼却灰の吸水を説明するための模式図である。

【図２】焼却灰の吸水量に対して１０％吸水したと想定
した場合の材齢１４日（蒸気養生（最高温度６５℃保
持））におけるセメント水比と圧縮強度の関係を示すグ
ラフである。

【図３】焼却灰セメント比と水セメント比をパラメータ
とした蒸気養生（最高温度６５℃で保持）材齢１４日に
おける等強度分布図である。

フロントページの続き (72)発明者重田薫神奈川県伊勢原市東大竹651−64 (72)発明者山本豊神奈川県横浜市保土ヶ谷区仏向町1698−32 (72)発明者加藤哲郎神奈川県横浜市西区みなとみらい２−３− １日揮株式会社内 (72)発明者羽山雅仁東京都千代田区西神田三丁目８番１号太平洋セメント株式会社内Ｆターム(参考） 4G012 PB31 PC03

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】セメント１００重量部と焼却灰５０重量
部以下とを混合または混合粉砕してなるセメント組成
物。
【請求項２】上記焼却灰中のカルシウム分は、ＣａＯ
換算で１２重量％以下であることを特徴とする請求項１
に記載のセメント組成物。
【請求項３】上記焼却灰は、拘束水比が１．９以下
で、材令２８日の活性度指数が７０以上であることを特
徴とする請求項１または２に記載のセメント組成物。
【請求項４】上記請求項１乃至３に記載のセメント組
成物と、粗骨材と、細骨材と、高性能減水剤と、必要に
応じて混和材や混和剤と、適量の水とを混練してなるコ
ンクリートからなるコンクリート製品。
【請求項５】上記コンクリートの混練にあたって、単
位水量とは別に、前記焼却灰の吸水量の略々１０％の補
助水を添加することを特徴とする請求項４に記載のコン
クリート製品の製造方法。