| Project/Area Number |
24K07633
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 22010:Civil engineering material, execution and construction management-related
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| Research Institution | Oita National College of Technology |
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Principal Investigator |
山本 大介 大分工業高等専門学校, 都市・環境工学科, 准教授 (40398095)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
福永 隆之 九州大学, 工学研究院, 助教 (20869408)
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| Project Period (FY) |
2024-04-01 – 2027-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2024)
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| Budget Amount *help |
¥4,550,000 (Direct Cost: ¥3,500,000、Indirect Cost: ¥1,050,000)
Fiscal Year 2026: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2025: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000)
Fiscal Year 2024: ¥1,950,000 (Direct Cost: ¥1,500,000、Indirect Cost: ¥450,000)
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| Keywords | Ca循環型再生セメント / 廃コンクリート / CO2排出削減 |
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| Outline of Research at the Start |
◎課題①：地盤改良材用再生セメント製造の確立
粉砕廃コンクリートを1000℃程度で焼成し徐冷したのち粉砕する。この焼成温度帯では，主にC3Aが生成される。地盤改良材としての力学性状や安定性について，一軸圧縮強度やCBR試験などで適正な添加量や固化材としての性能などを検討する。
◎課題②：従来の焼成・急冷工程で生成する再生高炉セメントC種製造の確立
廃コンクリートから再生クリンカの製造を，通常のキルン焼成を前提に電気炉で検討する。焼成前の含有成分をXRFで分析し，C3S成分が高割合となるように適宜元素割合を調整し，材料配合・焼成急冷工程を管理することで，高炉セメントC種に適したクリンカを生成する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
地球温暖化対策が求められる中，セメント産業は日本全体の約3.5%，世界全体で約8%のCO2を排出するエネルギー多消費型産業であり，その改善が急務となっている．セメント製造時のCO2排出は，①焼成に伴うエネルギー起源のCO2と，②石灰石の脱炭酸によるプロセス由来のCO2に大別される．エネルギー起源の排出削減には焼成温度の低下が有効であり，鉄やフッ素などの鉱化剤の添加により，溶融温度を下げる．一方，プロセス由来の排出は廃コンクリートをカルシウム資源として再利用することで大幅削減が期待される．本年度の研究では，CO2削減を目的として，廃コンクリートを活用したビーライト（C2S）主体の再生セメント製造と，鉱化剤の添加による低温焼成型セメントの製造を目指した．
再生セメントの原料調整はOPCと同等に調整し基本配合とした．これを1250℃での低温焼成によるクリンカー生成を試みたが，通常の配合では焼成が困難であることが判明したため，鉱化剤の添加や焼成前の圧縮による材料密度の向上でクリンカー生成の促進を試みた．鉱化剤の添加は溶融温度を下げ，液相生成を促し焼成温度を低下させる効果が期待される．この結果を基に，廃棄物を原料としたクリンカー焼成を目標に焼成実験を実施した．廃コンクリートは再生骨材製造工場から採取したもので，骨材等を除去してセメントペースト粉末が多い状態にした．
実験結果では、廃棄物原料は試薬と異なる生成物特性を示し，特に不純物の影響でゲーレナイトの生成が顕著であった．一方で，添加物や成分比を適切に調整することで，クリンカー生成を促進する手法が見出せることが示唆された．これにより，廃棄物の有効活用とセメント製造プロセスの効率化が期待される．ただし，不純物の影響を抑える技術的工夫や廃棄物使用によるアルカリ量の増加等が今後の課題である．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
R6年度は、廃コンクリート、アルミドロス、カーバイトかす等の産業廃棄物を使用し、低温焼成条件にて再生セメントの製造を試みた。現在の実験成果では、1250℃ではセメント成分であるC3S,C2S,C3A,C4AFの生成量が少なく、また低温であるためゲーレナイトも生成された。一方、同じ調整試料で1450℃で焼成を行ったところ、ゲーレナイトは生成されなかったが試料が溶融してしまい、クリンカーとして使用できる状態ではなかった。一方、1450℃焼成では溶融していない部分の試料の成分はセメント鉱物ができていた。
このような結果から、廃棄物原料から再生セメントの製造を試みる場合、鉱化剤の添加や焼成前の圧縮による材料密度の向上を行ったとしても、焼成温度1250℃は温度が低すぎセメント鉱物の生成は困難であること、また同じ試料でも1450℃では一部が溶融をしてしまうこと、溶融していない部分についてはセメント鉱物の生成ができていたことが確認された。
ここから次の課題として、廃棄物原料を用いつつも、鉱化剤作用を示す不純物を除去するなどを行い、1450℃で溶融しないようにすれば再生セメントを製造できる可能性があると判断された。
再生セメントの製造に成功したのち、これをベースセメントとした高炉セメントC種への適用性を検討する予定であるが、R6年度はまだ再生セメントの生成に成功していないため、早強ポルトランドセメントを用いた高炉セメントC種の強度発現性、塩害抵抗性、中性化抵抗性、針部材へ適用した際の力学特性について検討を行った。その結果、高炉セメントＣ種を用いたコンクリートは十分実用に耐える特性を持つことが確認された。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、R6年度の実験結果を反映させ、廃棄物減量を用いつつも溶融させることなくセメント鉱物を生成する実験を継続する。廃棄物原料からセメント鉱物を製造でき次第、その再生セメントの物性を確認し、通常のセメントと同等の使用が可能か否かを検討する。検討項目としては、水和解析、セメントの密度、安定性、凝結時間、強さ試験等が挙げられる。
なお、水和解析については、再生セメントの水との練り混ぜ開始後に生成される水和物をXRDを用いて詳細分析し、通常のセメントと同等の水和物が生成されていることを確認する。また硬化後は一定の材令ごとにSEM-EDSを用いてセメント水和物の生成確認も行う予定である。また、セメントの水和に伴う自己収縮も確認する予定である。
通常のセメントと同等の性能が確認でき次第、さらにセメント由来のCO2を削減すべく、高炉セメントC種のベースセメントとしての再生セメントの使用可能を探る。通常のセメントを用いた場合の高炉セメントC種の初期強度改善や塩害、中性化、収縮等、コンクリートとした場合に懸念される事項については、24年度に実験を進めており良好な試験結果を得ている。再生セメントができ次第、セメント材料を再生セメントに置き換え再度、同様の実験を行う予定である。
一方で、低温焼成の実験も引き続き継続して行い、廃棄物減量を用いたC3Aを主体とする土質改良のために使用する低強度セメントの製造も目指す。
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