フライアッシュ
フライアッシュは、石炭火力発電所でボイラー燃焼ガスから回収される球状の微細な石炭灰である。主成分は二酸化ケイ素と酸化アルミニウムで、それ自体に硬化性はほとんどない。ところがセメントの水和で生じるアルカリと反応すると、硬い化合物をつくる。この性質を利用して、コンクリート用の混和材やフライアッシュセメントの原料として広く使われている。日本ではJIS A 6201「コンクリート用フライアッシュ」で品質が定められている。
発電所の煙道で生まれる微粒子
発電用ボイラーでは、石炭を細かく粉砕した微粉炭を約1400〜1500℃で燃焼させる。燃えずに残った鉱物分は高温で溶け、燃焼ガスと一緒に浮遊しながら冷えるあいだに表面張力で丸くなる。これを電気集じん機で捕集したものがフライアッシュで、ボイラー底部に落ちる粗い灰（クリンカアッシュ）とは区別される。粒径はおおむね1〜100μm、平均では20μm前後。石炭灰全体のうち約85〜90%がこのフライアッシュにあたる。
ポゾラン反応で強度が後から伸びる理由
ポルトランドセメントが水和すると、強度の大部分を担う水和物と同時に水酸化カルシウムが副産物として生じる。フライアッシュ中のガラス質のシリカは、この水酸化カルシウムとゆっくり反応してケイ酸カルシウム水和物（C-S-H）を生成する。この現象がポゾラン反応である。反応式を簡略化すると次のようになる。
SiO2 + Ca(OH)2 + H2O → CaO・SiO2・nH2O（C-S-H）
反応は常温では遅く、材齢28日を過ぎてから本格化する。材齢7日の強度は普通コンクリートより低くなりやすいものの、91日や1年といった長期材齢では同等以上の強度に達することが多い。設計基準強度を材齢56日や91日で設定する工事があるのはこのためである。
JIS A 6201による4つの品質区分
JIS A 6201は1958年に制定され、現在はI種〜IV種の4区分になっている。区分を分ける主な指標は、粉末の細かさを示す比表面積（ブレーン方法）、未燃炭素量の目安となる強熱減量、モルタルの流動性を示すフロー値比、強度発現を示す活性度指数の4つ。市場流通量が最も多いのはII種で、生コン工場で扱われるのも大半はこの区分である。
| 区分 | 比表面積（cm2/g） | 強熱減量（%） | フロー値比（%） | 活性度指数・材齢28日（%） |
|---|---|---|---|---|
| I種 | 5000以上 | 3.0以下 | 105以上 | 90以上 |
| II種 | 2500以上 | 5.0以下 | 95以上 | 80以上 |
| III種 | 2500以上 | 8.0以下 | 85以上 | 80以上 |
| IV種 | 1500以上 | 5.0以下 | 75以上 | 60以上 |
二酸化ケイ素45.0%以上、湿分1.0%以下、密度1.95g/cm3以上という共通条件もある。あらかじめセメントに混合した製品はJIS R 5213「フライアッシュセメント」の対象で、混合率に応じてA種（5%を超え10%以下）、B種（10%を超え20%以下）、C種（20%を超え30%以下）に分かれる。
海外規格との違い
米国のASTM C618は、酸化カルシウムの少ない無煙炭・瀝青炭由来の灰をClass F、亜瀝青炭や褐炭由来でカルシウム分の多い灰をClass Cとしている。Class Cは自硬性をもつため、日本の分類とは考え方が少し異なる。
コンクリートの性質はどう変わるか
粒子が球形なので、ボールベアリングのように働いて単位水量を減らせる。セメントの一部を置き換えることで水和熱も下がり、ダムや大型基礎などのマスコンクリートでは温度ひび割れの抑制に役立つ。長期的に組織が緻密になるため塩化物イオンが浸透しにくくなり、アルカリシリカ反応の抑制対策としても国土交通省の通達で認められている。
弱点もある。水酸化カルシウムが消費されてアルカリ性がやや低下するため、中性化は進みやすい。初期強度が出にくいので、冬場の工事では型枠の存置期間を長めにとる必要がある。
生コン工場と施工現場での扱い
実務で問題になりやすいのは、発電所ごと、さらに炭種の切り替えごとに品質が変わる点である。強熱減量が高い灰は未燃炭素がAE剤を吸着するので、同じ添加量でも空気量が1〜2%下がることがある。そのため生コンクリート工場では、ロットが変わるたびに空気量を試験練りで確認するのが一般的。価格はセメントより安いことが多いが、輸送費の比率が大きく、発電所から100km程度を超えると置き換えによるコストメリットが薄れるという声もある。九州・中国地方の工場で使用実績が多いのは、こうした立地条件による面が大きい。
同じ混和材の高炉スラグ微粉末と比べると、フライアッシュは流動性の改善効果が大きく、高炉スラグは初期の強度発現で優れる。設計者は、耐久性を求める部位なのか、早期脱型を優先する部位なのかで両者を使い分けている。
セメント以外の利用先
日本では石炭灰が年間1000万t規模で発生しており、その約7割はセメント原料として粘土の代わりに使われている。コンクリート混和材以外の用途も多い。
- 地盤改良材や流動化処理土の材料
- 道路の路盤材・埋め戻し材
- 水熱処理でつくる人工ゼオライト
- 土壌改良材や肥料の原料
こうした土木用途では、ホウ素やセレン、六価クロムなどの溶出量を土壌環境基準と照らして確認することが前提になる。発生源である石炭火力の稼働率が下がると供給量そのものが減るため、需給の変化に応じて調達計画を見直す生コン工場も出てきている。
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