XI 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
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 河野広隆
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16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16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16年度は、高強度せん断補強鉄筋を用いた鉄筋コンクリート部材のせん断強度および高強度せん断補強鉄筋の曲げ加工方法に関する検討を行った。本実験の成果として、以下のことが明らかとなった。
(1) SD785クラスの高強度せん断補強鉄筋については、これまで設計基準強度が60N/mm2以上の高強度コンクリートを使用した場合についてのみ、その有効性を考慮できるとされてきた。しかし、今回の検討結果から、設計基準強度が30N/mm2クラス通常強度のコンクリートを使用した場合であっても有効に機能することが明らかとなった。ただし、実際の設計において、せん断補強鉄筋の負担するせん断力Vsを算定するにあたって、せん断補強鉄筋の降伏点をそのまま適用することは困難であり、低減係数を導入する必要がある。
(2) 高強度せん断補強鉄筋の曲げ加工部での破断を防止するためには、その曲げ内半径を2.5φ（φ=せん断補強鉄筋の公称直径）以上とする必要がある。これは、通常の鉄筋について道路橋示方書で定められている曲げ内半径の値（2.0φ）よりもわずかに大きいが、実際の施工においては大きな支障となるものではない。
なお今後は、コンクリート部材のせん断耐荷性能の評価方法の理論的根拠を明確にし、せん断破壊に対する照査方法について汎用性を高め、高強度鉄筋以外の新材料を用いた場合に対しても、適切な結果が得られるよう、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16年度は、FRP構造部材のボルト接合として、鋼材の接合形式として多用されている摩擦接合、FRP材料の接合形式として多用されているボルト－接着併用接合を取り上げ、接合強度に及ぼす要因を実験により分析した。本実験の成果として、以下のことが明らかとなった。
(1) 摩擦接合の場合には、ボルト軸力の増大と伴って最大荷重も増大した。最大荷重が増大した要因は、破壊モードの変化と摩擦力の増大の2点である。ボルト軸力を0から他の値へと増大させた場合には、破壊モードが圧縮破壊（圧壊破壊）からせん断破壊へと変化する。圧縮強度（圧壊強度）よりもせん断強度の方が高いために最大荷重は増大する。また、ボルト軸力を加えた場合には破壊モードがせん断破壊となるが、この領域ではクーロン摩擦則に従う摩擦力の増大により最大荷重が増大する。
(2) ボルト－接着併用接合の場合についても、ボルト軸力の増大と伴って最大荷重も増大した。最大荷重が増大した要因は、ボルト軸力の増大に伴う圧縮強度（圧壊強度）の増大である。ボルト－接着併用接合のせん断強度は摩擦接合のせん断強度よりも高くなるため、ボルト軸力を加えた場合にも圧縮強度（圧壊強度）が最大荷重を決定する要素となる。これはFRPの圧縮強度が低いために生じた現象と考えられる。
今後は、FRP構造部材の設計方法を取りまとめると共に、FRP歩道橋の利用性ならびに経済性について検討を行う予定である。
(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16年度は、再生骨材の凍結融解耐久性を精度良く評価する手法が確立すれば，凍結融解耐久性に優れた再生骨材のみを選別することが可能となり，再生コンクリートの普及に貢献できることから，簡易な再生骨材の凍結融解試験法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) 再生コンクリートの凍結融解耐久性は，原コンクリートの空気量とW/Cに大きく関係しており，原コンクリートがAEコンクリートであれば高く，NonAEコンクリートの場合には水セメント比が高いほど低下する傾向を示した。
(2) 再生骨材の安定性試験の結果は，再生コンクリートの耐久性指数と対応しなかった。
(3) 今回、簡易な再生骨材の凍結融解耐久性試験方法を提案した。この試験法による再生骨材の評価結果は，再生コンクリートの耐久性指数と良い対応を示した。
今後は、今回提案した試験方法の詳細について検討を進め，試験の信頼性を高めていくとともに，適用範囲，評価基準等について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16年度は、有機質廃材と下水汚泥から下水高度処理に用いる有機酸を生産するための酸発酵と、発酵廃液を液状で緑農地利用するための液体コンポスト化法について調べた。その結果、次のことが判明した。
(1) 蒸煮・爆砕処理した木質廃材は，酢酸を主成分とする有機酸発酵の原料として使用可能であった。ただし副成分には相違があり，セルロース基質に比べてプロピオン酸の生成量が少なく，酪酸が多かった。また，反応系内に存在していたのはClostridium属とBacteroides属に近い種類の細菌であった。
(2) 余剰活性汚泥と嫌気性消化汚泥を用い，酸素を加圧充填して20, 35, 50, 60, 70℃の温度条件で液体コンポスト化を行った結果，全てのケースにおいて2週間程度で安定化させることができた。70℃以上では熱分解が，60℃以下では生物分解が主要な反応であった。また，温度や基質に応じて多様な細菌群集が形成されていた。
今後は、引き続き酸発酵と液体コンポスト化法の確立を目指した研究を行うとともに、有機質廃材の下水汚泥脱水時における脱水助材化の可能性を調査していく予定である。
(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16年度は、マニュアル原案を有識者による委員会で審議いただいた。さらに、マニュアル策定のための補足調査も実施した。また前年度は、廃ガラスコンクリート用骨材のアルカリ骨材反応性を迅速法により判定出来なかったので、本年度は、モルタルバー法によって、アルカリ骨材反応性を判定した。これらの検討結果から、以下のことが明らかとなった。
(1) 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、モルタルバー法(JIS A 1146)に則りアルカリ骨材反応性試験を行ったが、アルカリ骨材反応性の判定基準0.1%以上の平均膨張率を上回る結果となった。
(2) ガラスカレットによるアルカリシリカ骨材反応を抑制するために、低アルカリ量普通ポルトランドセメントや高炉セメントB種による対策もあわせて検討したが、両対策ともに有効に機能することが明らかになった。
(3) 「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ることができた。
今後は、今年度の試験結果を補完する試験調査などを実施し、調査結果をマニュアルの内容に反映させていきたい。
「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16年度は、平成15年度に引き続き、ガラスカレットの周囲への飛散、コストを考慮した適用性について、さらなる検討を行い、ガラスカレットの舗装への適用性について以下の通りとりまとめを行った。
(1) アスファルト舗装へのガラスカレット混入率は、視認性向上機能を期待しない場合ストアス使用で15%程度以下、視認性向上機能を期待する場合は、改質アスファルトを使用で30%程度とすることが可能であることが明らかとなった。
(2) 高輝度ニート工法（炭化珪素使用）と比べて、改質アスファルト使用でガラスカレット混入率30%の場合、コストが1/4程度と非常に安価なため、適用箇所によっては有効な場合があることが明らかとなった。
(3) ブロック系舗装については、ブロック表面の骨材を100%ガラスカレットに置換でき、アスファルト舗装へ混入する場合と比較し、視認性向上の機能に大きく期待が持てることが明らかとなった。
以上の通り、廃ガラスから製造されたガラスカレットを舗装に利用することは上記の通り一定のメリットを有しており一定条件の下適用可能なことが明らかになったので、今後は上記の結果を舗装再生便覧へ反映し、ガラスカレットの適切なリサイクルを促していく予定である。
個別課題の成果
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、中村英佑
【要旨】
地震荷重の作用するRC部材の耐震性能を確保するためには、せん断補強鉄筋を十分に配置し、ぜい性的なせん断破壊を防止する必要がある。ここで、せん断補強鉄筋として高強度鉄筋を用いることができれば、耐震性の向上と同時に施工の効率化を図ることができる。本課題では、高強度せん断補強鉄筋を用いたRC部材の設計方法に関する検討を行った。結果として、高強度せん断補強鉄筋を用いたRC部材の載荷試験を行うと、30N/mm2程度の通常のコンクリートとの組み合わせにおいても、高強度鉄筋の持つ高い強度を活用できることが示された。ただし、繰り返し荷重を受けコンクリートの損傷が著しくなった場合には、コンクリートと鉄筋の一体性が失われ、高強度せん断補強鉄筋の効果を十分に発揮できずに荷重が低下した。また、曲げ部での引張強度の低下や破断などせん断補強鉄筋として望ましくない性状を生じさせないようにするには、曲げ内半径として2.5φを確保すれば良いことを示した。
キーワード：鉄筋コンクリート，せん断、高強度鉄筋、曲げ加工性能
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：西崎到、木嶋健
【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、FRP構造部材を相互に接合する必要がある。接合箇所は構造物の最弱箇所となる可能性が高いため、その強度特性を十分に把握しておくことが重要である。本稿では、FRP構造部材のボルト接合として、鋼材の接合形式として多用されている摩擦接合、FRP材料の接合形式として多用されているボルト－接着併用接合を取り上げ、接合強度に及ぼす要因を実験により分析した結果を報告する。
キーワード：FRP、摩擦接合、ボルト－接着併用接合、ボルト軸力、接着剤
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：渡辺博志、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。再生コンクリートの課題の一つとして凍結融解耐久性の確保があげられる。再生骨材の凍結融解耐久性を精度良く評価する手法が確立すれば，凍結融解耐久性に優れた再生骨材のみを選別することが可能となり，再生コンクリートの普及に貢献できる。この観点から，簡易な再生骨材の凍結融解試験法について検討を行ったものである。
キーワード：再生骨材，凍結融解耐久性，試験法
11.4 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：尾崎正明，落修一，庄司仁
【要旨】
本調査は，草木系のバイオマスと廃水処理から発生する下水汚泥の利活用を推進するために，双方の特性を活かした効果的な利活用技術を開発するものである。平成16年度は，草木廃材と下水汚泥を混合した有機酸発酵の特性を明らかにする実験を行った。その結果，草木廃材から酢酸を主成分とする有機酸の生産が可能であること，発酵を担う細菌群集は純粋セルロースの場合と近縁であること，といった特徴が分かった。さらに，下水汚泥などスラリー状有機質の液体コンポスト化手法を，常温から高温までの異なる温度の条件で調査した。液体コンポスト化には，高温条件による熱分解反応と，常温～中温条件での生物分解反応を組み合わせることが適していた。
キーワード：バイオマス，酸発酵，木質廃棄物，コンポスト，下水汚泥，微生物群集解析
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、西崎到、冨山禎仁、尾崎正明、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、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16年度は、マニュアル原案を有識者による委員会にかけ、そこで受けた指摘事項を反映させた内容に書き改めた。さらに、マニュアル策定のための補足調査も実施した。前年度は、廃ガラスコンクリート用骨材のアルカリ骨材反応性を迅速法により判定出来なかった。そこで、本年度は、モルタルバー法によって、アルカリ骨材反応性を判定した。その結果、ガラスカレットはアルカリ骨材反応性を有することがわかった。また、低アルカリ量の普通ポルトランドセメントや高炉スラグセメントを用いる対策が有効であることもわかった。
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
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 、小長井彰祐
【要旨】
資源の枯渇や環境保全を背景として、各種廃棄物のリサイクルが社会的に求められている。そこで、本研究は他産業リサイクル材の中でも廃ガラスに注目し、舗装への適用性を明らかにするため、廃ガラスから製造されるガラスカレットをアスファルト舗装及びブロック舗装へ使用した場合の耐久性、視認性向上機能の評価を室内及び舗装走行実験場で試験した。その結果、アスファルト舗装については、改質アス使用でガラス混入率30%程度とすることにより視認性向上を図ることが可能であることが明らかとなった。また、炭化珪素使用の場合と比べて、ガラスカレット混入の場合非常に安価なため、適用条件によっては有効な場合があることが分かった。ブロック系舗装については、ブロック表面の骨材を100%ガラスカレットに置換でき、アスファルト舗装へ混入する場合と比較し、混入率を高く設定でき、視認性向上機能に大きく期待が持てることが明らかとなった。
キーワード：他産業リサイクル材、ガラスカレット、アスファルト舗装、ブロック舗装、輝度
