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
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（特命事項担当、新材料、リサイクル、土質）、基礎道路技術研究グループ（舗装）
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17年度は(2)、(3)、(4)、(5)の4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平成17年度における成果は、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、これまで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た。そこで、本研究では、高強度せん断補強鉄筋を用いたRC部材の設計方法を検討するため、高強度せん断補強鉄筋を用いたRC部材のせん断載荷試験、および高強度鉄筋の曲げ加工性能に関する材料実験を行った。得られた成果は次のとおりである。
| (1) | 高強度鉄筋でせん断補強した鉄筋コンクリート部材の耐荷力算定手法の開発に関しては、引張強度が1200N/mm2までの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耐荷性能の算定方法を明らかにすることができた。検討結果によると、SD685クラスの鉄筋であれば、高強度コンクリートとの併用でなくても、その高強度を100%活用してせん断耐荷力を算定して良いことを見いだした。引張強度が700N/mm2以上の強度を持つせん断補強鉄筋については、試験結果からその利用にあたって強度の低減を考慮する必要があることが判明した。 |
| (2) | 高強度鉄筋でせん断補強した鉄筋コンクリート部材の設計法の提案に関しては、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耐荷性能の設計方法ならびに、構造細目である最小曲げ内半径を示すことができた。 |
| (1) | FRP歩道橋の設計法として、「道路橋示方書・同解説（鋼橋編）」に示される許容応力度法に準拠した方法が十分適用可能であると考えられた。本設計法の特徴は、材料特性を直交異方性材料の積層理論に基づいて算出すること、主桁部材のたわみ制限を支間長の1/600から1/400に緩和すること、FRP主桁部材の座屈強度照査法として弾性理論に基づく方法を適用すること、の3点である。 |
| (2) | FRP主桁部材の経済的な構築方法として、ビルトアップ法を提案し、実験およびFEM解析により適用性に関する検討を行った。その結果、主桁部材の力学的挙動は、座屈が生じるまでの領域では線形FEM解析、座屈後の領域では幾何学的非線形FEM解析により精度良く推定できることが分かった。接着面での接合が十分であれば、ビルトアップ主桁部材は一体成形主桁部材と同等に扱うことが可能であると判断された。 |
| (3) | 摩擦形式ボルト接合では、ボルト軸力の増大に伴って最大荷重も増大する。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。また、ボルト軸力を加えた試験体の破壊モードは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と試験体の2面せん断強度の和で最大荷重が評価される。 |
| (4) | ボルト軸力を加えたボルト－接着併用接合では、ボルト軸力の増大に伴って最大荷重も増大する。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の増大である。ボルト－接着併用接合のせん断強度は、試験体と添接板との接着力により摩擦形式ボルト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ついても、圧壊強度が最大荷重を決定する要素となる。これはFRPの圧縮強度が鋼材等に比べて低いために生じた現象である。今後は、接着剤の強度を含めた長期耐久性に関する検討が重要と考えられる。 |
| (5) | ビルトアップ主桁部材の経済性はスパン長20m程度が限界であるため、スパン長20m以上の橋梁に対応した主桁部材の構築方法が課題である。また、FRP橋梁の一層のコスト低減を目的として、橋梁形式やスパン長を考慮した総合的な評価方法を確立することが重要と考えられる。 |
(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た。研究の内容と成果は以下の通りである。
| (1) | 粗骨材の種類（砕石、砂利）、水セメント比(55, 70, 85％)、空気量(有,無)を変化させた原コンクリートを製造し、それを破砕して再生粗骨材を製造した。この再生粗骨材を用いてW/C55％、空気量5％の条件で製造した再生骨材コンクリートの凍結融解抵抗性を試験により求めた。この結果、再生骨材コンクリートの耐久性指数は、原コンクリートが空気量有の条件では高く、原コンクリートが空気量無の条件では原コンクリートのW/Cが高いものほど低下する傾向を示した。 |
| (2) | 再生骨材の製造方法として回転式破砕機やロッドミルを用いる方法や、再生骨材コンクリートの配合を実用的な範囲で工夫する方法（空気量2.5％増、W/C5％減など）について検討した。しかしながら、これらの方法で再生骨材コンクリートの凍結融解抵抗性を改善することは困難であることが分かった。 |
| (3) | 再生骨材の凍結融解抵抗性を簡易に評価することのできる試験法を提案した。再生骨材を容器に入れて水を満たして蓋をし、これを冷凍庫と水槽に交互に入れることで凍結融解作用を与える。1日1サイクルで10サイクルまで試験を行ない、試験前後の再生骨材の粒度(FM)の違いから凍結融解抵抗性を評価するものである。この試験結果と再生骨材コンクリートの凍結融解試験結果とは良い対応を示した。 |
| (4) | 規格外骨材については、密度や吸水率等の物理的性質が規格を満足しない細骨材または粗骨材がコンクリートの強度や凍結融解耐久性に与える影響を調査した。この結果、細骨材については強度や耐久性に与える影響は少ないこと、粗骨材については強度への影響は小さいものの、凍結融解抵抗性への影響は大きいことが分かった。 |
| (5) | 骨材の凍結融解抵抗性を評価する試験法として安定性試験があるが、安定性試験の結果とコンクリートの凍結融解試験結果との間に良い対応関係は見られず、安定性試験に替わる新たな試験法の開発が必要と考えられる。 |
| (1) | 広葉樹系爆砕物と下水汚泥との混合メタン発酵は円滑に進行し、双方の固形物混合比で1：1以上でも酸発酵に陥ることはなかった。メタン発酵液中には溶解性のTOCとPO4が多く残存する傾向を示したが、これは鉄系の凝集剤で効果的に除去され、実際には脱水工程で鉄塩を併用すればよいものであった。また、メタン発酵液中のNH4は爆砕物の混合比が増すごとに大幅に減少していた。したがって、木質廃材の利用に関して、爆砕木質と下水汚泥の混合嫌気性消化法は実用可能と判断され、資源としてのメタンガス生産に大きく寄与できる。 |
| (2) | 有機質廃材からの有機酸発酵に関しては、発酵そのものを確認、維持することができたが、それを維持・持続させる制御因子が不明であり、実用化には更なる追究が必要である。一方、余剰（濃縮）汚泥、消化汚泥とも、酸素を加圧充填した液体コンポスト化手法によって、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。よって、有機質廃材と下水汚泥との混合発酵液残渣に関しては緑地・農地利用に資するための液体コンポスト化法は有用である。 |
| (3) | 木質材に街路樹管理から発生した枝材を機械的にチップ化後、更に摩砕したものを下水汚泥（混合生汚泥）に混合して脱水性を調べた結果、木質材の混合は下水汚泥の脱水性を大幅に改善した。このように、木質廃材を摩砕したものは、下水汚泥の脱水助材として非常に有効であること、および爆砕木質に少量の下水汚泥を添加してコンポスト化を施せば、ピートモスに替わる園芸資材となり得ることが示された。 |
| (4) | 爆砕木質と下水汚泥の混合嫌気性消化法および発酵液残渣の液体コンポスト化法の実用化は、システム化の機械的な詳細を詰めるのみにある。下水汚泥の脱水助材としての摩砕木質廃材および園芸資材としての爆砕木質に少量の下水汚泥を添加してコンポスト化は、直ちに実用可能と思われる。 |
(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た。本研究の内容と成果は以下のとおりである。
| (1) | 建設工事における他産業リサイクル材料利用技術マニュアルの作成では、他産業リサイクル材料・用途についての研究開発状況、利用状況、マニュアル化、JIS化等に関する最新の情報に基づき、リサイクル材・用途ごとに建設資材としての適用性を評価した。この評価をもとに、リサイクル材・用途ごとに「実施工へ利用できるもの」「試験施工へ利用するもの」「調査段階のもの」という3段階に分類した「他産業リサイクル材利用技術マニュアル（案）」を作成した。このマニュアル（案）を学識経験者からなる委員会に諮り、「建設工事における他産業リサイクル材料利用技術マニュアル」を作成した。 |
| (2) | リサイクル材として環境安全性等の評価が不確かな材料の検証を行った。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。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）によ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シリカ骨材反応性の判定基準を下回る結果となった。他方、ガラスカレットの平均膨張率は、アルカリ骨材反応性試験をモルタルバー法（JIS A 1146）によっても求めた。その結果、アルカリ骨材反応性の判定基準0.1%以上を上回る結果となった。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は、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種による対策が有効に機能することが明らかになった。 |
| (3) | リサイクル材料の社会的経済的側面からの考察とケーススタディーでは、「建設工事における他産業リサイクル材料利用技術マニュアル」において「今後の検討を待つ材料」に分類されている廃棄貝殻のリサイクルの可能性を検討した。貝殻の主成分は炭酸カルシウムであり、石灰石の成分に酷似している。建設工事ではセメントや骨材として石灰石が広く使われており、この代替品として貝殻が使える可能性がある。関係機関へのヒアリングと文献調査によって、 これまでの貝殻の利用用途で、そのほとんどが価格や需給の均衡といった経済学的課題を考慮していないことが、貝殻の廃棄およびリサイクルに係わる抜本的な対策技術となっていない原因であることがわかった。需給量の均衡・材料輸送距離の観点から非常に有望であるものとしては、コンクリート製品の細骨材代替材料としての利用がある。ただし、コンクリート製品の強度とワーカビリティの兼ね合いから設定される細骨材の最大置換率約20%を新しい技術開発によって向上させ、貝殻代替骨材の安い価格をコンクリート製品に反映させることが課題として残されている。 |
| (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と考えられた。 |
| (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と考えられた。 |
| (3) | 一方、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。 |
| (4) | 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、上記のとおり一定のメリットを有しており、一定条件下において適用可能なことがわかった。 |
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、耐塩害性能に優れた構造材料を土木構造物に導入することが求められている。本研究では、耐塩害性能に優れた構造材料としてFRP（繊維強化プラスチック）を取り上げ、汎用性の高い鈑桁形式歩道橋への適用可能性について検討を行った。設計法については、活荷重たわみ制限を緩和した道路橋示方書の設計法に準拠した方法が適用できることを示した。また、個別要素技術については、経済性を考慮して小断面部材を組み合わせたビルトアップ主桁部材が適用できることや、ボルト接合においては鋼材以上に軸力が重要であることを示した。
キーワード：FRP、鈑桁形式歩道橋、主桁部材設計法、ビルトアップ主桁部材、ボルト接合
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、再生骨材と未利用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。再生骨材コンクリートの課題の一つとして凍結融解抵抗性の確保があげられる。このため、再生骨材コンクリートの凍結融解抵抗性に影響を与える要因とその改善手法について検討を行った。また、再生骨材の凍結融解抵抗性を精度良く評価する手法が確立すれば、凍結融解抵抗性に優れた再生骨材のみを選別することが可能となり、再生骨材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。未利用骨材については、密度や吸水率等の物理的性質が規格を満足しない骨材を使用した場合のコンクリートの硬化後の性状を調査し、有効利用の可能性を検討した。
キーワード：再生骨材、凍結融解抵抗性、試験法、冷凍庫、低品質骨材
11.3 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，牧孝憲
【要旨】
本調査は、草木系のバイオマスと下水処理から発生する下水汚泥の利活用の推進に寄与するために、双方の特性を活かした効果的な利活用技術を開発すべく、草木と下水汚泥の混合嫌気性消化、木質からの有機酸生産、液状汚泥のコンポスト化、木質材の下水汚泥脱水助材化、木質材の緑化資材化について取り組んだ。その結果、木質材に蒸煮爆砕を施したものと下水汚泥との混合嫌気性消化法と液状汚泥をそのままの状態でコンポスト化する液体コンポスト化法を開発した。また、摩砕加工した木質材の脱水助材化と爆砕木質材の園芸資材化の可能性、有効性が高いことを確認した。木質材からの有機酸生産に関しては最適なpH制御値や安定発酵を司る因子について更なる研究が必要とされた。酸発酵や液体コンポスト化については発酵を担う細菌群集解析を行い、特に液体コンポスト化には詳細な生物学的評価を加えた。
キーワード：バイオマス、下水汚泥、嫌気性消化法、酸発酵、コンポスト、脱水、緑化資材、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13～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（特命事項担当）西崎到、冨山禎仁、尾崎正明、宮本綾子、小橋秀俊、森啓年
【要旨】
本研究の目的は、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、リサイクル材の工学的性能や環境安全性等を評価する手法を提案し、研究結果をとりまとめて、「他産業リサイクル材利用技術マニュアル」を策定することである。平成16年度は、それまでの調査研究によって完成させたマニュアル原案を有識者による委員会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、モルタルバー法によって、ガラスカレットをコンクリート骨材として利用する時のアルカリ骨材反応性を判定し、ガラスカレットはアルカリ骨材反応性を有するが、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。平成17年度は、前年度に完成させた「他産業リサイクル材利用技術マニュアル」を元にして、「建設工事における他産業リサイクル材料利用技術マニュアル」（土木研究所編著、大成出版刊行）を完成させた。さらに、このマニュアルでは詳細な記述を避けている、リサイクル材料の経済性についての指標を確立するための予備調査を行った。この調査結果に基づいて、リサイクル利用が進んでいない廃棄貝殻を事例とした検討を行い、コンクリート製品細骨材の代替利用が経済的に成り立つ可能性のある利用用途であることが明らかになった。
キーワード：他産業リサイクル材、環境安全性、社会制度、経済性、貝殻
