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XII 新材料・未利用材料・リサイクル材を用いた社会資本整備に関する研究

→個別課題の結果要旨

研究期間:平成13年度~17年度
プロジェクトリーダー:材料地盤研究グループ長 萩原良二
研究担当グループ:技術推進本部(構造物マネジメント技術)、材料地盤研究グループ(新材料、リサイクル、土質)、基礎道路技術研究グループ(舗装)、構造物研究グループ(橋梁構造)

1. 研究の必要性
 これからの社会資本整備においては、新材料、新工法による土木構造物の高性能化やコスト縮減、ならびに、従来は使われずに廃棄されていた、または利用率の低かった未利用材料や各種廃棄物のリサイクル材の有効利用による循環型社会形成への貢献がこれまで以上に強く求められるようになってきている。

2. 研究の範囲と達成目標
 新材料、未利用材料、リサイクル材の利用技術のうち、本重点プロジェクト研究では、高強度鉄筋、FRPなどの新材料の土木構造物への利用技術、規格外骨材などの未利用材料の有効利用技術、建設廃棄物のうち技術開発の余地が多く残されている再生骨材や有機質廃材のリサイクル技術、および公共事業においてユーザーが安心して使える指針の作成が強く求められている他産業廃棄物のリサイクル材の利用技術の開発を行うことを研究の範囲として、以下の達成目標を設定した。
   (1) 高強度鉄筋、FRPなどの土木構造物への利用技術の開発
   (2) 規格外骨材などの未利用材料、有機質廃棄物の利用技術の開発
   (3) 他産業廃棄物のリサイクル技術とリサイクル材利用技術の開発

3. 個別課題の構成
 本重点プロジェクト研究では、上記の目標を達成するため、以下に示す研究課題を設定した。
   (1) 高強度鉄筋の利用技術の開発に関する研究(平成13~16年度)
   (2) FRPの道路構造物への適用に関する調査(平成13~17年度)
   (3) 再生骨材・未利用骨材の有効利用技術の開発(平成13~17年度)
   (4) 下水汚泥を活用した有機質廃材の資源化・リサイクル技術に関する調査(平成14~17年度)
   (5) 他産業リサイクル材の利用技術に関する研究(平成11~17年度)
   (6) 他産業リサイクル材の舗装への利用に関する研究(平成14~16年度)
 このうち、平成15年度は(1)、(2)、(3)、(4)、(5)、(6)の6課題を実施している。

4. 研究の成果
 本重点プロジェクト研究の個別課題の成果は、以下の個別論文に示すとおりである。なお、「2. 研究の範囲と達成目標」に示した達成目標に関して、平成15年度に実施した研究と今後の課題について要約すると以下のとおりである。

(1) 高強度鉄筋、FRPなどの土木構造物への利用技術の開発
 「高強度鉄筋の利用技術の開発に関する研究」では、兵庫県南部地震を契機とした耐震設計基準の見直しによって、主として柱部材を中心にコンクリート構造物の配筋が極めて過密となる場合が生じているため、安全性の確保と同時に施工の効率を向上させる一手法として、高強度鉄筋をせん断補強鉄筋としてRC部材に用いることを考え、そのせん断強度算定手法とそれを用いた設計手法を開発することを目標としている。平成15年度は、高強度せん断補強鉄筋を用いたRC部材のせん断強度を明らかにするため、繰り返しせん断載荷実験を行った。本実験の成果として、以下のことが明らかとなった。
(1) 1400N/mm2クラスの高強度せん断補強鉄筋であっても、その強度は十分発揮されるものと考えられる。土木学会コンクリート標準示方書では、コンクリートの設計基準強度が60N/mm2以上の高強度コンクリートを用いた場合にせん断補強鉄筋の引張強度として800N/mm2まで考慮できるとしているが、今回の試験結果によれば、高強度コンクリートとの併用でなくても、計算で得られるじん性率の範囲までであれば、せん断補強鉄筋の高い強度を設計に生かすことは十分可能である。
(2) 繰り返し載荷によってコンクリートの損傷が著しくなりすぎると、コンクリートと鉄筋の一体性が失われ、せん断補強鉄筋の持つ高強度が生かされなくなる。今回の試験結果では、高強度せん断補強鉄筋の活かされる限界は、計算で得られるじん性率の範囲までであり、これを超える塑性率で荷重の繰り返しを受けるとせん断補強鉄筋の強度が十分発揮されないまま、RC部材が破壊する。
なお、今後は高強度せん断補強鉄筋を用いたRC部材のじん性評価方法について、さらに検討を加える必要がある。
  「FRPの道路構造物への適用に関する調査」では、沿岸地域などの厳しい腐食環境にある道路構造物は、防食対策に多大な費用を要しているため、高耐食性構造物の構築技術の一つとして、FRP(繊維強化プラスチック)材料の橋梁等の道路構造物へ構造部材としての適用方法を提案することを目標としている。FRP材料を構造部材として道路構造物へ適用する場合には、耐荷強度が非常に重要となる。また、FRP構造部材により橋梁を構成する場合には、構造部材自体の耐荷強度の他に主桁同士あるいは主桁と横桁の接合強度が重要である。平成15年度は、FRP構造部材ならびにFRP構造部材のボルト接合に対する基本的な強度特性を把握するための実験を実施した。本実験の成果として、以下のことが明らかとなった。
(1) FRP材料を構造部材として適用する場合には、補剛桁の設置方法により強度が大きく異なることが確認された。また、FRP部材をL字型鋼材に締め付ける補剛桁のタイプが最も効果的であることが確認された。応力集中に伴うせん断破壊や剥離が強度低下の主要因と考えられ、本設置方法は上記の破壊様式を防止するには有力と考えられた。
(2) FRP構造部材の接合強度は、ダブルラップ接合を対象としたボルト強度を用いて、ある程度推定することが可能と判断された。FRP構造部材の構造体としての機能を確保するという観点から判断すると、終局強度ではなく、添接板が滑動して構造機能を失った場合の強度を用いることが適当と考えられた。
  今後は、接着剥離強度や樹脂クリープによるボルト軸力抜けの検討を継続するとともに、接着接合した大断面部材を構造部材として適用した場合の静的力学特性ならびに疲労特性について検討を行う予定である。さらに、上記部材を用いたFRP材料の歩道橋への適用について研究を実施する計画である。

(2) 規格外骨材などの未利用材料、有機質廃棄物の利用技術の開発
 「再生骨材・未利用骨材の有効利用技術の開発」では、建設廃棄物のリサイクル利用や建設廃棄物の削減に資するため、コンクリート解体材および従来廃棄されていた規格外骨材をコンクリート用骨材として有効利用するための要素技術の開発と品質評価規準の提案を行うことを目標としている。平成15年度は再生骨材の原材料となる解体コンクリートの水セメント比および解体コンクリート中の空気量が、再生骨材コンクリートの凍結融解耐久性に与える影響について実験的な検討を行った。この結果、次のことが分かった。
(1) 再生骨材コンクリートの圧縮強度は、原コンクリートの圧縮強度の影響をあまり受けない結果となった。
(2) 再生骨材コンクリートの凍結融解耐久性は原コンクリート中の空気量に大きく影響を受けること、また、原コンクリートの水セメント比にやや影響を受けることが分かった。
(3) 再生骨材の品質を示す密度、吸水率、安定性損失質量の値と、原コンクリートや再生骨材コンクリートの凍結融解耐久性との間に明確な関係は認められなかった。
(4) 再生骨材コンクリートの300サイクルまでの凍結融解試験結果は、原コンクリートの約50サイクルまで原コンクリートの凍結融解耐久性を評価する手法が得られれば、それから製造される再生骨材を用いたコンクリートの耐久性を事前に推定することが可能となることが判明したため、今後は、この評価手法の検討を進めていく予定である。
  「下水汚泥を活用した有機質廃材の資源化・リサイクル技術に関する調査」では、有機質廃材を資源として有効利用することを促進するため、草木等の有機質廃材と下水汚泥との混合発酵により資源化を図る方法、有機質廃材を改質・加工して下水処理に活用する方法などを開発することを目標としている。平成15年度は、蒸煮・爆砕した木質と下水汚泥との混合・嫌気性消化法から得られる消化汚泥の流動性や処理性について調べた。その結果、蒸煮・爆砕木質と下水汚泥との固形物混合比が1:1以内までは、槽内撹拌設備への大幅な負荷増大に繋がる危険性は少ないと思われ、得られる脱水汚泥の含水率も下水汚泥単独の場合よりも相当に低いものであった。また、木質から下水の高度処理に用いる有機酸を生産する発酵技術を開発するために、純粋なセルロースパウダーを用いた基礎的な実験を行った結果、酸発酵活性はpH6.5~8の中性近傍で高く、そこでの主成分は酢酸であり、その濃度は10,000 mg/Lを越えるものであった。
  今後は、木質バイオマスからの揮発性脂肪酸の生産技術の確立を目指すとともに、自治体や地域地域におけるバイオマス資源化・リサイクルシステムの提案と実用化を行っていく予定である。

(3) 他産業廃棄物のリサイクル技術とリサイクル材利用技術の開発
 建設部門以外の他産業からの廃棄物の多くは産業内でのリサイクルに限界を抱えており、建設資材としての利用に大きな期待が寄せられている。また建設分野においても、資源循環型社会の形成に積極的に貢献しようとしており、利用者が安心して利用できるリサイクル材の利用技術マニュアルの作成が求められている。このため、「他産業リサイクル材の利用技術に関する研究」では、他産業リサイクル材の種別ごとに適用用途に応じた工学的性能や環境安全性等の評価を行い、適正な利用を促進するための利用技術についてマニュアル化を図ることを目標としている。平成15年度は、マニュアル策定のための補足調査として、下水汚泥焼却灰を原料としたコンクリート工場製品や焼成品等の有害物溶出試験、および廃ガラスを骨材として使用したコンクリートのアルカリ骨材反応性試験を実施した。これらの試験結果から、以下のことが明らかとなった。
(1) 下水汚泥焼却灰を原料としたコンクリート工場製品および焼成品からは、規定値を超える有害物の溶出は認められず、環境庁告示第46号の環境基準を満足するものと判断された。
(2) 骨材として使用するガラスカレットの色や添加量、セメントの種類等を変えた各種モルタルバーについて、迅速法(JIS A 1804)に則りアルカリ骨材反応性試験を行ったが、いずれの試料も0.1%未満の長さ変化率であり、JISで規定しているアルカリ骨材反応性の判定基準を下回る結果となった。
 なお、平成16年度は「他産業リサイクル材利用技術マニュアル」策定に向けて、有識者らによる検討委員会を設け客観的意見を取り入れていくと共に、今年度の試験結果を補完する試験調査などを実施する予定である。
  「他産業リサイクル材の舗装への利用に関する研究」では、他産業から製造されるリサイクル材の中でも廃ガラスに注目し、舗装への利用方法を開発することを目標としている。平成15年度は、廃ガラス入りのアスファルト舗装の耐久性や付加的機能を明らかにするため、舗装走行実験場において試験施工を行い、49kN換算輪数で25万輪まで走行試験を行った。その結果、アスファルト舗装としての基本的性状が著しく低下することはないもののガラスカレットが飛散するものもあり、混入率は30%程度が限界と考えられた。付加的機能である視認性向上機能については、輝度測定の結果、ガラス入りアスファルト混合物は、対光を反射させ、自光はほとんど反射しない特性があることが分かった。また、すでに実用化されている高輝度ニート工法と比べると、光の反射に異なった傾向を示した。
  一方で、ガラス入りアスファルト混合物は高輝度対策の通常工法であるニート工法の1/7程度の材料費であるため、舗装としての耐久性、機能とコストを考慮した適用条件等についてさらに検討を加えていく予定である。


個別課題の成果

12.1 高強度鉄筋の利用技術の開発に関する研究

    研究予算:運営費交付金(道路整備勘定)
    研究期間:平13~平16
    担当チーム:技術推進本部(構造物マネジメント技術)
    研究担当者:河野広隆、渡辺博志、森濱和正
【要旨】
 せん断補強筋として約1400N/mm2の降伏点をもつ高強度鉄筋を用いたRC部材のせん断載荷試験を行い、その有効性について検討を行った。その結果、30N/mm2クラスの通常のコンクリートを用いた場合であっても、せん断補強鉄筋の持つ高強度を十分活用できることが明らかとなった。また、RC部材の変位が、計算で得られるじん性率を超えると、せん断補強鉄筋に作用する引張応力に余裕があっても、コンクリートとせん断補強鉄筋の一体性が失われることにより、RC部材が破壊する場合があることを明らかにした。

キーワード:鉄筋コンクリート、せん断、高強度鉄筋、じん性


12.2 FRPの道路構造物への適用に関する調査

    研究予算:運営費交付金(道路整備勘定)
    研究期間:平13~平17
    担当チーム:材料地盤研究グループ(新材料)
    研究担当者:明嵐政司、木嶋健、西崎到
【要旨】
 沿岸地域の道路構造物は海塩の影響による厳しい腐食環境におかれており、防食対策にかかる費用は膨大なものとなっている。このため、高耐食性構造物の構築技術の一つとして、耐塩害性能に優れた新しい構造材料の開発・導入が求められている。本研究では、耐塩害性能に優れた材料としてFRP(繊維強化プラスチック)材料を取り上げ、橋梁等の道路構造物へ構造部材として適用することを検討している。FRP材料を構造部材として道路構造物へ適用する場合には、耐荷強度が非常に重要となる。また、FRP構造部材により橋梁を構成する場合には、構造部材自体の耐荷強度の他に主桁同士あるいは主桁と横桁の接合強度が重要である。本稿では、FRP構造部材ならびにFRP構造部材のボルト接合に対する基本的な強度特性を把握した結果を報告する。

キーワード:FRP、補剛材、主桁、横桁、ボルト接合


12.3 再生骨材・未利用骨材の有効利用技術の開発

    研究予算:運営費交付金(一般勘定)
    研究期間:平13~平17
    担当チーム:技術推進本部(構造物マネジメント技術)
    研究担当者:河野広隆、片平博
【要旨】
 本研究は、コンクリート解体材および従来廃棄されていた規格外骨材をコンクリート用骨材として有効利用するための要素技術の開発と品質評価基準の提案を目指すものでる。一般的に生産される再生クラッシャーラン程度の品質の再生骨材をコンクリートに使用すると再生骨材コンクリートの凍結融解耐久性は低下する。15年度は再生骨材の原材料となる解体コンクリートの水セメント比および解体コンクリート中の空気量が、再生骨材コンクリートの凍結融解耐久性に与える影響について実験的な検討を行った。この結果、水セメント比の影響は比較的小さく、空気量の影響は大きいことが分かった。

キーワード:解体コンクリート、再生骨材、凍結融解耐久性、空気量


12.4 下水汚泥を活用した有機質廃材の資源化・リサイクル技術に関する調査

    研究予算:受託業務費
    研究期間:平14~平17
    研究担当グループ:材料地盤研究グループ(リサイクル)
    研究担当者:鈴木穣、落修一、長沢英和
【要旨】
 本調査は、草木系のバイオマスと排水処理系からのバイオマスの1つである下水汚泥の利活用の推進に寄与するために、双方のバイオマスの特性を生かしたより効果的な利活用技術を開発、提供することを目的としている。平成15年度は、蒸煮・爆砕した木質と下水汚泥との混合・嫌気性消化法から得られる消化汚泥の流動性や処理性について調べた。その結果、蒸煮・爆砕木質と下水汚泥との固形物混合比が1:1以内までは、槽内撹拌設備への大幅な負荷増大に繋がる危険性は少ないと思われ、得られる脱水汚泥の含水率も下水汚泥単独の場合よりも相当に低いものであった。また、木質から下水の高度処理に用いる有機酸を生産する発酵技術を開発するために、純粋なセルロースパウダーを用いた基礎的な実験を行った結果、酸発酵活性はpH6.5~8の中性近傍で高く、そこでの主成分は酢酸であり、その濃度は10,000 mg/Lを越えるものであった。

キーワード:バイオマス、バイオガス、草木、蒸煮爆砕、下水汚泥、メタン発酵、酸発酵


12.5 他産業リサイクル材の利用技術に関する研究

    研究予算:運営費交付金(一般勘定)
    研究期間:平11~平17
    研究担当グループ:材料地盤研究グループ(新材料、リサイクル、土質)
    研究担当者:明嵐政司、冨山禎仁、鈴木穣、南山瑞彦、宮本綾子、小橋秀俊、森啓年
【要旨】
 本研究では、他産業廃棄物を原料としたリサイクル材を土木分野で活用するために、個々のリサイクル材のその工学的性能や環境安全性等をの評価する手法を提案する。さらに、し個々のリサイクル材を評価するとともに、研究結果をとりまとめて、この結果に基づき「他産業リサイクル材利用技術マニュアル」を策定することを目的としている。平成15年度は、マニュアル策定のための補足調査を実施した。下水汚泥を原料としたコンクリート工場製品や焼成品等を対象に有害物の溶出試験を実施したところ、規定値を超える有害物の溶出は認められなかった。また、廃ガラス骨材のアルカリ骨材反応性を迅速法により試験した結果、いずれの試料もJISで規定しているアルカリ骨材反応性の判定基準を下回る長さ変化率であった。

キーワード:他産業リサイクル材、環境安全性、下水汚泥、ガラスカレット、アルカリ骨材反応


12.6 他産業リサイクル材の舗装への利用に関する研究

    研究予算:運営費交付金(道路整備勘定)
    研究期間:平14~平16
    研究担当グループ:基礎道路技術研究グループ(舗装)
    研究担当者:伊藤正秀 、新田弘之
【要旨】
 資源の枯渇や環境保全を背景として、各種産業界でのリサイクルが求められている。このため、本研究は建設部門以外の他産業から製造されるリサイクル材料の中でも廃ガラスに注目し、舗装への利用方法を開発することを目標として実施した。平成15年度は、廃ガラス入りのアスファルト舗装の耐久性や付加的機能を明らかにするため、舗装走行実験場において試験施工を行い、49kN換算輪数で25万輪まで走行試験を行った。その結果、アスファルト舗装としての基本的性状が著しく低下することはないものの、ガラスカレットの飛散が目立つものもあった。また、付加的機能である視認性向上機能については、すでに実用化されている高輝度ニート工法と比べると、光の反射に異なった傾向を示した。

キーワード:他産業リサイクル材、廃ガラス、舗装、輝度