ＮＥＤＯ省エネルギー技術フォーラム 2014 省エネルギー革新技術開発事業実用化開発エネルギー・CO2ミニマム（ECM）セメント・コンクリートシステムの研究開発 (株)竹中工務店、鹿島建設(株)、(株)デイ・シイ、日鉄住金高炉セメント(株) 研究開発期間：平成23年12月～平成26年2月研究開発の概要背景と目的 2 ■コンクリート構造物 ●建築物や土木構造物等社会資本の基幹構造体 ●セメントの大量消費５,０００～６,０００万トン/年 ■セメントのエネルギー負荷 ●ほぼ全量がセメント由来 ●ＣＯ２で７５０ｋｇ／ｔ－セメントセメント製造時の焼成（1450℃）（製造プロセスでの省エネルギー化はほぼ限界） ●国全体のＣＯ２換算で約3％コンクリート橋梁超高層集合住宅 ■低エネルギー負荷セメントの開発 ECM 無水ポルトランド石膏セメント高炉スラグ BB 高炉スラグ OPC ポルトランドセメント 25 50 構成割合（%) 75 473kg/t ECMセメントCO2排出量高炉セメントB種 → 45％普通セメント → 75％ 750kg/t ポルトランドセメント 0 ●高炉スラグ：約２,５００万トン/年・約８００万トンが国内未利用 264kg/t 100 0 250 500 750 1000 CO2排出量（kg/t) 背景と目的 3 ■研究開発の目的エクセルギー（有効エネルギー）損失最小化技術の省エネルギー型製造プロセス ■セメント製造を高炉スラグを主原料とする非焼成主体のプロセスに転換する ■弱アルカリ性のＥＣＭセメントに適した構造体を開発しシステム化する高炉スラグ主体の弱アルカリ性セメント ECMセメント ECMセメント製造プロセス非焼成主体の製造プロセス成分構成高エネルギー投入副産物高炉スラグ再生微粉ポルトランドセメント ECM セメント粉砕・混合焼成成分非焼成成分化石燃料化学混和剤 ECM躯体構造再生微粉（反応刺激材）製造・連続遊星ミル：微粉・細骨材分離原料送風機ミルポットセメントのアルカリ性に期待しない基礎構造セメントのアルカリ性に期待しない躯体構造加速度 100～120G ・遠心気流分級：再生微粉抽出サイクロン解体コンクリート ECMセメント・コンクリートシステム ECM基礎構造高炉メーカーセメントの省エネルギー化省エネルギー型プロダクト加速化技術背景と目的 ■実用化開発の戦略と課題、および適用構造物 4 研究開発課題と開発体制 5 NEDO 助成事業者 (国)東京工業大学研究開発責任者㈱竹中工務店鹿島建設㈱竹本油脂㈱研究開発課題竹中工務店㈱デイ・シイ日鉄住金高炉セメント㈱太平洋セメント㈱日鉄住金セメント㈱東工大 ①セメントの研究開発 ○ ○ ②再生微粉の研究開発 ○ ○ ③地盤改良体の研究開発 ○ ④コンクリートの研究開発 ○ ⑤構造体の研究開発 ○ 竹本油脂鹿島建設 ○ ○ 共同研究先 ○ ○ デイ・シイ太平洋セメント日鉄住金高炉セメント日鉄住金セメント ○ ○ ○ ○ セメントの研究開発 6 ■セメントの研究開発課題とフロー高強度ECMセメント充てんシミュレーション粒度調整微粉高炉スラグ強度流動性土木用ECMセメント粗粉高炉スラグ超微粒子(シリカフューム) 断熱温度上昇強度高炉スラグ粉末度無水セッコウ量自己収縮高C3Sセメント水セメント比自然環境品質管理高C3Sセメント低中性化ECMセメント膨張材水和物の安定性炭酸化反応（促進試験）耐海水性 ECMセメントの製造・管理技術無水セッコウ量圧縮強度の変動高炉スラグ粉末度高強度ECMセメントの研究開発 7 ■高強度ECMセメントの研究開発の概要・目標性能：既存高強度セメントと同等性能（圧縮強度100 N/mm2と流動性3cm/sec） ■強度・流動性の検討（ラボ） ■粒度構成～流動性関係の検討 H24年 ■研究方針目標とする強度と流動性をバランスできる成分・粒度構成を見つける超微粒子（SF：ｼﾘｶﾌｭｰﾑ）の混合量を検討圧縮強度流動性 5cm/秒以上 20 30 40 水セメント比（％） 50 7 充てん性 6 を考慮し 5 た分級ス 4 目標値 3 ラグと少シリカフューム添加により目標達成 2 量のSFの ■粒度構成～流動性関係の検討 H25年 1 利用 Lフロー初速度（cm/s）流動性流動性（cm/秒）強度（N/mm2) 強度 100N/mm2以上 140 0 圧縮強度（N/mm2） 8 120 100 （簡易断熱28日）目標値 80 60 40 20 0 H H2 H H2 H24 H25 H24 H25 SF量 10% ⇒ 3% 10% ⇒ 3% 3）（調合条件：W/C=20％、W=170kg/m （調合条件：W/C=20%、W=170） H25高強度用ECMセメントH2（低SF）で流動性・強度の目標値を達成分級スラグで流動性確保（合理化）土木用ECMセメントの研究開発 8 ■土木用ECMセメントの研究開発の概要・目標性能：部材温度上昇量：高炉B種以下，コンクリート強度：24N/mm2以上 ■最終セメントの性能 ■研究方針 60 BB NSK NS DC 断熱温度上昇量（℃） 50 40 30 温度 20 BBより約5℃低下 10 高炉B 0 0 高炉B以下 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 経過日数（日）簡易断熱養生 40 時間 1 50 圧縮強度（N/mm2 ）温度上昇（℃）断熱温度上昇と強度をバランスし、熱ひび割れ性能の優れた成分・粒度構成の開発厚肉壁Ｈ25年 24N/mm2 91d 56d 28d 7d 30 強度 20 10 0 NSK マット NS D.C. ECMセメント製造メーカー構造体コンクリートで目標性能達成低中性化ECMセメントの研究開発 9 ■低中性化ECMセメントの研究開発の概要・目標性能：（ラボ性能）コンクリート中性化速度として，高炉B種CONの1.3倍以下 ■研究方針高エーライトセメントの焼成 H25年テストキルン（φ450×8,340mm） ④テストキルン製造の高C3S（70～85%）セメントを使用したECMセメントのコンクリート(W/C=50%)での中性化試験：促進中性化 H25年凡例：A-4000は水準Aのセメントに4000の高炉スラグ65%使用。中性化深さ(mm) 25 テストキルン製造セメントの鉱物組成鉱物組成（％、Bogue式）セメント 20 15 10 C3 S C2 S C3 A C4AF 5 55.7 15.3 9.7 10.0 0 水準B 72.5 -0.3 9.1 9.5 水準C 82.6 -9.8 8.8 9.2 水準A 水準Aはブランク目標値（BBの1.3倍）以下 A-4000 B-4000 C-4000 B-6000 C-6000 BB 高C3S（70～85%）セメントを使用したECMセメントのコンクリート中性化はBBの1.3倍以下の目標値を達成製造・管理技術の研究開発 10 ■製造・管理技術の研究開発の概要・目標性能：セメント品質として、強度の変動係数3%以下 ■研究方針：ECMセメントの成分品質変動から、セメントの品質変動を管理する技術を開発する。 ❏同一工場の材料を用いたECMセメントの品質変動 ❏セメント、スラグの粉末度と ECMセメントの強度 28日 7日セメントスラグ 3日 ❏高炉スラグの粉末度の調整による強度補正 ❏ECMセメントの強度の補正結果圧縮強度（28日） (N/mm2) 28日補正前補正後 Av. 50.0 50.0 S.D. 2.1 0.7 C.V. 4.2 1.4 7日 3日スラグ粉末度の調整により、ECMセメントの強度の変動係数は4.2⇒1.4％目標を達成地盤改良体の研究開発 11 ■地盤改良体の研究開発課題・鉄筋を使用しない地盤改良体（格子状液状化防止、基礎下地盤改良、山留め）への適用の研究・高強度（圧縮強度5N/mm2）、や高じん性（変形能力を3倍）の地盤改良体の研究開発 ■地盤改良体の施工方法セッコウ10% （プロトタイプ）地盤改良用ECMセメントの特徴 0.0 1.0 0 2.0 3.0 4.0 （N/mm2） 5.0 0.0 2.0 3.0 4.0 （N/mm2） 5.0 0.0 -5 case7 8W case6 8W -20 -20 -20 深度（mm） -15 深度（mm） -15 -30 -25 -30 -35 -40 -40 -40 -45 -45 -45 ＢＢ無水石膏5％ -50 （N/mm2） 5.0 case12 13W -30 -35 無水石膏10％ 4.0 case12 8W -25 -35 -50 3.0 case12 4W -10 case6 13W -15 -25 2.0 case12 2W -5 case6 4W -10 case7 13W 1.0 0 case6 2W case7 4W -10 1.0 高炉B種 0 case7 2W -5 深度（mm） ECM セメントは六価クロムの溶出は高炉Bと同等以下セッコウ5% （改良タイプ） -50 耐海水性はセッコウ量により調整し、高炉 Bと同等以上高強度地盤改良体の研究開発 12 ■高強度地盤改良体の研究開発の概要・目標性能：原位置改良体強度：5N/mm2以上（現状 1N/mm2の5倍強度） ■研究方針流動化剤の改良と通常強度（2N/mm2)の実地盤の実験を経て、高強度地盤改良体（5N/mm2)を実現する. ■実地盤における改良体の構築圧縮強度（N/mm2） 0 2 4 6 8 10 圧縮強度（N/mm2） 0 2 4 6 8 10 ■流動化剤の開発 0 0 流動化剤なし実機による試験施工流動化剤有り 4 6 目標 2N/mm2 2 ECM BB 8 深度（GL-ｍ）深度（GL-ｍ） 2 4 6 8 10 10 12 12 W/C＝80% 平均4.1N/mm2 目標 5N/mm2 W/C＝50% 平均6.3N/mm2 ・2N/mm2の改良体を実現し目標達成（H23年）・5N/mm2の改良体を実現し目標達成（H24年）コンクリートの研究開発 13 高強度コンクリートの研究開発 14 ■高強度コンクリートの研究開発の概要・目標性能：構造体強度：100N/mm2以上，Lフロー速度：3cm/sec以上 ■研究方針強度と流動性を満足する100N/mm2の高強度コンクリートの実現 ■実大試験体の研究実大RC柱（1m×1m×高さ3m)の施工実験を実施 H25年 ■強度の検討（実施工）目標値 100N/mm2 1台目 2台目 15 10 5 目標値 3cm/s 0 0 30 60 90 120 150 出荷からの経過時間（分）流動性の目標値（Lﾌﾛ-3cm/s以上）を達成鉛直コア採取位置の高さ（m） Lフロー初速度（cm/s） ■流動性の検討（実施工） 3.0 標準養生28日 116N/mm2 2.0 コア平均強度 113N/mm2 1.0 0.0 90 100 110 120 圧縮強度（N/mm2） 130 構造体強度の目標値（100N/mm2以上）を達成土木用コンクリートの研究方針 15 ■土木用コンクリートの研究開発の概要・目標性能：構造体強度：24N/mm2，構造体強度低下量：10N/mm2以下,部材温度上昇：高炉B種以下 ■施工性の確認 ■実大モデル温度応力解析杭コンクリートの研究開発 16 ■杭コンクリートの研究開発の概要・目標性能：実大部材の構造体強度：36N/mm2以上，分離抵抗性：高炉B種CON以上 ■研究方針：泥水（安定液）中で施工可能な流動性と硬化体強度を有する杭コンクリートの実現 ■杭コンクリートの施工手順杭切断の状況コア抜き状況 N 掘削安定液鉄筋投入挿入打設管ｺﾝｸﾘｰﾄ挿入打設 ECM③ 鉄筋ｶｺﾞ•ﾄﾚﾐｰ管の設置フレッシュ性状確認 N 充填性と打ち重ね部の確認コア圧縮強度コンクリートの耐久性の研究開発 17 ■コンクリートの耐久性の研究開発の概要 ■目標性能：中性化深さ高炉B種1.3倍以下，塩化物浸入量高炉B種以下，長期強度28日強度以上 ■酸・硫酸塩抵抗性の検討硫酸塩溶液（ Na2SO4=5%溶液） N ■塩化物イオン侵入抵抗性の検討電気泳動法の促進試験を実施 H25年 ■大型試験体による耐久性の検討 H25年 1年目のコア強度試験を実施 BB ECM N 膨張率（μ）浸漬1年外観状況（W/C=40%、N=2体）高強度 ECM 目標値 BB以下普通強度 BB 目標値 ECM 目標値 28日 N 目標値（BB以下）を達成 BB ECM 目標値（BB以下）を達成目標値（28日強度以上）を達成 BB ECM 構造体の研究開発 18 ■構造体の研究開発の概要・高強度ECMコンクリートを用いた場合の鉄筋コンクリート造（RC造）と鋼管コンクリート造（CFT造）、の構造性能を確認 ■高強度コンクリートを用いた構造部材の性能確認事項高強度RC構造の研究開発 19 ■高強度RC構造の研究開発の概要・目標性能： RC柱の曲げせん断性能：普通CON以上，RC柱梁接合部せん断性能：普通CON以上 ■研究方針：ECMコンクリートのRC耐震壁、RC柱、プレキャストRC接合部への適用技術を実現する。 ■高強度RC柱梁接合部ひび割れ発生状況（ECM 最大荷重時）荷重－変形関係の比較 ■先導研究・実用化研究で普通セメントと同等以上であると確認できた項目柱～40N/mm2 ～80N/mm2 ～120N/mm2 目標性能（普通セメント同等）達成 ■高強度RC耐震壁ひび割れ発生状況（ECM 最大荷重時）荷重－変形関係の比較せん断耐力補完可能曲げ耐力・変形性能柱梁接合部耐震壁せん断耐力・変形性能補完可能補完可能せん断耐力せん断耐力 ⇒120N/mm2までの柱・梁・柱梁接合部と80N/mm2までの耐震壁は従来のセメントと同様に取扱可能試設計による躯体CO2排出量の比較試設計建物・某集合住宅（地上20階）・従来RC ：4,768 tCO2 ・ECM-RC ：2,401 tCO2 約50%減注）目標性能（普通セメント同等）達成注）躯体コンクリートおよび鉄筋の CO2 排出量に基ずく値高強度CFT構造の研究開発 20 ■高強度CFT構造の研究開発の概要・目標性能： CFT柱梁接合部せん断性能：普通コンクリート以上 ■ 高強度CFT柱曲げせん断試験 ■ CFT柱梁接合部（ 100N/mm2 ）のせん断試験 ECMセメント(100N/mm2)を用いた高強度CFT 柱において高軸力下での力学性能を確認する試験体パラメータ一覧 M-600 ECM-800 M-800 1 ECM 100N/mm 鋼管 1 中庸熱 100N/mm2 2 ECM 100N/mm2 1 中庸熱 100N/mm2 600N級鋼ピン D= 280 2 t=6 加力プログラム 800N級鋼試験体図 300 軸力比：0.55No 加力 200 試験体図 100 2000 -15 -10 -5 -100 0 5 -200 10 15 M-800 中庸熱セメント ECM-800 ECMセメント -300 R(rad/1000) 加力装置設置状況亀裂発生 0 破断 22mm 1500 荷重(kN) ECM-600 試験体数コンクリート Q(kN) 試験体名 D/t=47 lk/D=8.9 材料 12mm 亀裂発生 1000 破断 500 降伏耐力 12mm 荷重-変形関係 ECMセメント中庸熱セメント目標性能（普通セメント同等）達成降伏耐力 22mm 0 0 10 20 変形(mm) 30 40 ※降伏耐力計算値はSRC規準による荷重-変形関係目標性能（既存の耐力式適用可能）達成研究成果の総括 21 本研究開発により得られた成果を以下に総括する。 1） ECMセメントの研究開発・高強度コンクリート用、土木マスコン用、低中性化用セメントを実現・ばらつきを考慮した製造管理技術を実現 2）微粉型ECMセメントの研究開発・実用的なエネルギー効率で、再生微粉の製造可能であることを確認 3）地盤改良体の開発・高強度地盤改良体，高靱性地盤改良体（靱性率で対目標80％）を実現 4）コンクリートの研究開発・高強度、杭および土木用コンクリートを実現 5）構造体の研究開発・ECMコンクリートを用いた高強度RC構造とCFT構造の耐震構造性能を確認 6）省エネ効果・これらの構造物への適用により、エネルギー・CO2原単位の削減に貢献・原油ベースで、2020年4.7万KL/年、 2030年21.7万KL/年省エネ効果-4（原油換算省エネ効果） 22 ■指標A、指標Bの算出概要 ①指標A（ ECMセメントの省エネルギー効果量）・普通セメント製造エネルギー：3480MJ/ｔ-セメント（セメント協会資料）・ECM（JIS型）は、普通セメント比省エネ率61％、高炉B種比省エネ率39％で算出・ECM（微粉型）は、普通セメント比省エネ率70％、高炉B種比省エネ率54％で算出 ②指標B（市場規模：普通セ：高炉B=3:1）・2020年のECM市場規模：100万トン･2030年のECM市場規模：444万トン ■省エネ効果 No. 指標 2020年普通セメント比高炉B比 2030年普通セメント比高炉B比 ① 指標A：ECMセメントの省エネルギー効果量 2106MJ/t-ｾﾒﾝﾄ ECM（JIS型） 887MJ/t-ｾﾒﾝﾄ ECM（JIS型） 2173MJ/t-ｾﾒﾝﾄ ECM（JIS:微粉 =8:2） 954MJ/t-ｾﾒﾝﾄ ECM（JIS:微粉 =8:2） ② 指標B：市場規模（普通セ：高炉B=3:1） 75万t 25万t 333万t 111万t ③ 省エネルギー効果 158万GJ 22万GJ 724万GJ 106万GJ ④ 総省エネルギー効果（GJ/年） 180万GJ 830万GJ ⑤ 総省エネルギー効果（原油kL/年）* 4.7万KL/年 21.7万KL/年 * 原油1L＝38.2MJ 23 ECMセメント・コンクリートシステムのコンセプト ■実用化のコンセプト高い環境性能を高品質と低コストで支えて実用化を進める  セメントの省エネルギー化（OPC比60％以上）  コンクリート構造物のエネルギー・CO2原単位削減（構造体のエネルギー・CO2削減30％以上）環高品コンクリート マスコンひび割れ抑制 塩化物侵入抑制 アルカリシリカ反応抑制境性能 ECMセメント・コンクリートシステム質実用化コンセプト低地盤改良 高強度・高靱性 六価クロム溶出抑制コスト セメント原価、立地に応じて20％低減コンクリート価格を普通コンクリートより、低減し普及促進（可能な所から）