JP2005272510A

JP2005272510A - 土質固化剤および土質固化工法並びに土質固化物

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Publication number: JP2005272510A
Application number: JP2004084432A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Taki; 義宏滝
Original assignee: TAGUCHI GIJUTSU KENKYUSHO KK
Current assignee: TAGUCHI GIJUTSU KENKYUSHO KK
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06

Abstract

【課題】ヘドロ，建設残土等を再泥化しないように，また植物がよく生育するように良好な団粒構造を持ち，かつ，より強い強度を持ち，更には有害重金属が溶出しない固化物とすることができる土質固化剤および土質固化工法並びにかかる固化物を提供する。
【解決手段】水砕スラグと二水石膏にアルカリ刺激剤として消石灰又はセメントを加えた固化主剤と，塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸ナトリウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤を配合して土質固化剤とする。この土質固化剤と土などの土類，褐炭などの炭類，焼却灰，貝化石などの多孔質体，パーライトなどの軽量無機物，アクリル系水中不分離性混和剤から選ばれた一種類以上の物質とを混合して固化させて固化物を得る。
【選択図】図１

Description

本発明は，ヘドロ，建設残土等を固化再生して農林業や園芸向け植栽土にしたり，或いは，ダムや堤防の法面や海中構造物等を強度を有しかつ緑化可能なものに固化する場合にあっては，土中や水中で透水性を持ち団粒構造を有する土質とし，また，有害金属を含む焼却灰や汚染土壌を中性で固化すると共に強アルカリ性下で溶出の大きい重金属を封じ込めることができる土質固化剤および土質固化工法並びにこの方法により形成される土質固化物に関するものである。

従来，土質固化剤としては，セメント系，石灰系等の固化剤が用いられているが，ヘドロ等をリサイクルするためにそれらを用いると強アルカリ性となり，農林地，堤防の法面，漁礁，屋上緑化用土壌等動植物を生育すべきものには適さないものとなること，また，植栽土としては量の多少を問わずポルトランドセメント等のセメント（本明細書では略してセメントという）の使用に難色を示す農家が多いことなどにより，普及が進み難いという問題点がある。また，鉛や６価クロム等の有害重金属を含む焼却灰や汚染土壌をセメントで固化してこれらを封じ込め，溶出しないよう処理する場合，強アルカリ性となり，表１の各種金属水酸化物の溶解度とｐＨの関係を示すグラフ（「産業公害」Ｖｏｌ．１３，Ｎｏ．１１，Ｐ２９「廃棄物のコンクリート固形化技術」下田正雄著より）から理解できる通り，鉛や６価クロム等が溶出し，規制値を満たさないという問題点もある。

これらの課題を解決する方法の一つとして，水砕スラグ，二水石膏系セメントを用いる方法がある。この方法は固化後のｐＨが８〜１０と低く，前記植栽土向きではある。しかし，水砕スラグ，二水石膏系セメントでは，ヘドロや腐食土など有機物含有量が多い土の固化は，セメントと同様難しい。このため，何かを添加して固化物が再泥化しないように，また植物がよく生育するように良好な団粒構造を持ち，かつ，より強い強度を持つものにする必要がある。本発明は，このような要望に答えようとするものである。

本発明の発明者は，かかる見地より土質固化剤を検討した。そして，主成分は，製鉄所で副生する高炉水砕スラグと，発電所等で副生する排煙脱硫二水石膏（本明細書では略して二水石膏という）とした。これらを水和すると，エトリンガイド結晶（３ＣａＯ，Ａｌ₂Ｏ₃，３ＣａＳＯ₄，３２Ｈ₂Ｏ）等が生成し始める。それらの反応を促進してエトリンガイド結晶等をより多く，かつ，早く作る，いわゆる固化反応を進めるため，アルカリ刺激剤として消石灰（Ｃａ（ＯＨ）₂）又はセメントを用いるが，その添加量は極く少なくてすむため，本発明の土質固化剤によって得た固化物のｐＨは中性付近である。しかし，前述したような問題点があるため，それらをさらに改善するため，アルカリ刺激剤とともに固化助剤を添加する。

固化助剤は，塩化カリウム，塩化マグネシウム，，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成り，上記水砕スラグ，二水石膏，消石灰又はセメントが水と反応してエトリンガイド等の含水結晶を作り固化していく際，固化物の結晶形を変える媒晶剤の役目をし，極く小量の添加で成分の種類が多い程色々な形の結晶が混在し，かつ，絡み合ったりしてポーラスな団粒構造を持つものにする働きがある。さらに，前述のセメント等による固化を阻害する腐食土などに含まれる有機物分や粘土が強く吸着保持している水分を離脱させることにより，それらと土質固化剤とがより強く結合することになり，土粒子同士の団粒化も進み，ヘドロ等を固化した場合に再泥化しない構造を持つものになる。

その理由を詳述すると，有機物分等が固化を阻害する主な原因は，腐食土中の腐蝕酸の構造に含まれるカルボキシル基（−ＣＯＯＨ）量に起因する。その量は，ＣＥＣ（Cation Exchange Capacity陽イオン交換容量) にて代表でき, 土中のＯＭ値（Organic Matter) との相関も認められる。このカルボキシル基はかなり強い酸としての性質を示し, ヒドロニウムイオン化した水分子を強く周囲に取り巻き, それが固化の発現を阻害するわけである。その阻害を低減するには, Ｃａイオン等の陽イオンによりカルボキシル基末端のＨをイオン交換により中和し，周囲を取り巻く水分子を外せばよい。上記固化助剤には陽イオンの運び屋としてクエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上の酸が含まれているので，効率的に陽イオンを腐食土中のカルボキシル基に到達させて中和反応を行わせることができ，従来固化が難しかった腐食土でも本発明の土質固化剤により固化することが可能となる。

また，鉛，６価クロム，砒素等の有害重金属類が多少土質中或いはセメント中に含まれている場合も，本発明の土質固化剤の主成分由来の複雑に絡み合った結晶群中に閉じ込められたり，結晶構造自体に取り込まれたりして溶出し難くなり，また，中性近くで固化するため強アルカリ性下では錯塩化して溶解する鉛や６価クロムの溶出が抑制される。

本発明の土質固化剤の固化主剤および固化助剤の好ましい配合比は，固化主剤である水砕スラグ８５〜９５重量部，二水石膏４〜１０部重量部，アルカリ刺激剤として消石灰またはセメント０．５〜２．５重量部の混合物とし，これに固化助剤を０．５〜２．５重量部配合することである。

本発明の土質固化剤を用いて土質固化を行う場合，固化主剤である水砕スラグ，二水石膏，消石灰またはセメントから成る土質固化剤の主成分に水を加え，これに塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤を添加して混合し，この土質固化剤と土，土砂，腐食土，建設残土，ヘドロ，汚泥などの土類，褐炭，草炭，もみ殻くん炭などの炭類，フライアッシュなどの焼却灰，珪藻土，貝化石などの多孔質体，パーライト，バーミキュライトなどの軽量無機物から選ばれた一種類以上の物質とを混合して固化させる。

或いは, 固化主剤である水砕スラグ，二水石膏，消石灰またはセメントから成る土質固化剤の主成分に水を加え，これに塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤，土，土砂，腐食土，建設残土，ヘドロ，汚泥などの土類，褐炭，草炭，もみ殻くん炭などの炭類，フライアッシュなどの焼却灰，珪藻土，貝化石などの多孔質体，パーライト，バーミキュライトなどの軽量無機物から選ばれた一種類以上の物質とを混合して固化させる。

固化助剤を添加しなくても土質固化は可能であるが，固化助剤を添加する場合よりも固化物のｐＨは高くなる。

褐炭，草炭，もみ殻くん炭，活性炭などの炭類を混合する理由は，炭類は多孔質で大きな表面積を持ち，かつ，褐炭，草炭といった若年炭は腐食土と同様に植物由来のカルボキシル基等植物に必要な微量成分を保持・イオン交換したり，ｐＨの緩衝作用をする官能基を多く含むため，農牧地での作物，野菜，牧草や森林での樹木，海での海藻類の生育に役立つからである。

また，フライアッシュなどの焼却灰，珪藻土，貝化石などの多孔質体は多数の微小な孔を有し，水，空気，肥料分の保持に役立ち，かつ，植物と共存し栄養物を受給する微生物や小動物の住処を提供するため，上記と同様植物の生育に役立つ。

更に，もみ殻くん炭は半分が珪素分（ＳｉＯ₂）であるから，これを配合することにより，本発明の土質固化剤によって形成される固化物には次のような用途も期待できる。海域によっては，従来河川から流れ込んでいた珪素分がダムの設置によりダム内の淡水性のプランクトンの増殖で珪素分が吸収されダム内に蓄積されるため少なくなり，珪素を食べる珪藻が減少し逆に非珪藻類が増殖して赤潮や貝毒などが発生したりしてその結果アジやサバなど魚が急減するといった状況が起こっている。その対策として，固化物にもみ殻くん炭を多く混入し，粒状，礫状に形成してこれらの集合物を，或いは，塊状に形成してこれをその海域に入れれば，珪素分や昆布の胞子の受精に必要な鉄分等が海中に供給されることになり，魚も増え海の浄化にも役立つ。この場合，波の力や住みつく海藻類の根の成長により少しづづ砕ければ新たな表面ができ，珪素分等が供給され続けることになるので，それほど強固に固化しなくてもよい。

更に，アクリル系水中不分離性混和剤を添加すると，固化物に粘性を与え，粒状に固化できる。

以上に説明したところから明らかな通り，本発明は，水砕スラグと二水石膏を主成分とし，セメントを使用としてもアルカリ刺激剤として使用するようにしたから固化した土質が強アルカリ性とならず中性に近くなる。

また，本発明によれば，塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上とクエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤を用いると，固化主剤への媒晶作用によるエトリンガイド結晶他，多種結晶群の形成によるポーラス化を促進する（電子顕微鏡写真参照）とともに腐食土や粘土強吸着水のイオン交換による離水により固化強度を向上させることができ，Ｃａ，Ｍｇ等多価イオンによる植物に有害なＮａイオンの溶脱をはかりうることにより最適の透水性を確保することができ，更に，上記媒晶作用による多種結晶群の形成による有害重金属の取り込みと結晶群による閉じ込めにより有害重金属の固定，不溶出化を実現することができる。

次に、本発明の実施例を説明するが，本発明はその要旨を超えない限り以下の実施例によって限定されるものではない。

実施例において，溶出試験は，環境庁告示第１３号による方法により溶出処理を行い，ＪＩＳＫ０１０２−１９９３に準じて溶出液の濃度分析を行った。

市販の培養土（ＣＥＣ値約３０ｍｅｑ／１００ｇ，ＯＭ値９％，水分３６％）を使用し，本発明の一実施例である水砕スラグと二水石膏とアルカリ刺激剤として消石灰を用いた固化主剤，及び，固化助剤から成る土質固化剤を用いて固化した。比較例として，培養土とセメントによる固化物，及び，培養土と固化主剤による固化物を表２に示した。固化助剤添加によるｐＨ低下効果が認められる。

本例において使用した固化助剤の配合を表３に示す。

焼却灰のセメント固化により強アルカリになると鉛や６価クロム等が溶出しやすくなるが（表１参照），中性に近いと溶出が少なくなる効果を鉛によって見た。

用いた焼却炉の焼却灰は，廃家電製品廃プラスチックを焼却した焼却炉で生成したもので，その元素分析値は，カリウム（１．８ｗｔ％），ナトリウム（１．９ｗｔ％），カルシウム（３３ｗｔ％），亜鉛（０．２１ｗｔ％），マグネシウム（０．２４ｗｔ％），硫黄（０．９７ｗｔ％），鉄（０．０６１ｗｔ％），鉛（０．０６５ｗｔ％），アルミニウム（０．０６７ｗｔ％），錫（０．０５９ｗｔ％），銅（０．０１２ｗｔ％），珪素（０．１７ｗｔ％），リン（０．０１６ｗｔ％）であった。

この灰に対して鉛の溶出試験を行ったところ，溶出液中の鉛の濃度は，２．４ｍｇ／ｌ，溶出液のｐＨは１２．２であった。

この灰に対して，前記実施例１のＮＯ１と同様の水砕スラグ，二水石膏，消石灰，固化助剤の混合物を２０ｗｔ％の割合で添加混合後，水を灰に対して３０ｗｔ％の割合で加え，固化した。３日間放置後の固形物の鉛の溶出試験を行ったところ，鉛の濃度は０．０３ｍｇ／ｌ，ｐＨは９．１であった。

比較のため，この灰３０ｇに対し，セメントを２０ｗｔ％の割合で添加混合後，水を灰に対して３０ｗｔ％の割合で加え，固化した。３日間放置後の固形物の鉛の溶出試験を行ったところ，鉛の濃度は０．２ｍｇ／ｌ，ｐＨは１２．４であった。

屋上緑化用の中性で軽くレンガ状にするための形状を保つ培養土向きの固形物を表４の配合で試作した。

培養土は市販のもので篩分けし２ｍｍアンダー品を使用した。また，コンポストは生ゴミ処理機より排出後３０日放置してて得た熟成品を使用した。

海中で漁礁や海藻床とする中性固化物を下記表５の配合で試作した。

もみ殻くん炭の配合により多孔質分が増加し，ｐＨ低下が早まったと考えられる。

本発明の実施により得られた土質固化物の走査電子顕微鏡観察写真である。

Claims

水砕スラグ，二水石膏を主成分とし，これに，消石灰またはセメントから成るアルカリ刺激剤より成る固化主剤と，塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤を配合した土質固化剤。
固化主剤である水砕スラグ８５〜９５重量部，二水石膏４〜１０部重量部，アルカリ刺激剤０．５〜２．５重量部，固化助剤が０．５〜２．５重量部から成る請求項１記載の土質固化剤。
水砕スラグ，二水石膏，消石灰またはセメントから成る土質固化主剤に水を加え，これに塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤を添加して混合し，この土質固化剤と土，土砂，腐食土，建設残土，ヘドロ，汚泥などの土類，褐炭，草炭，もみ殻くん炭などの炭類，フライアッシュなどの焼却灰，珪藻土，貝化石などの多孔質体，パーライト，バーミキュライトなどの軽量無機物，又はアクリル系水中不分離性混和剤から選ばれた一種類以上の物質とを混合し，固化させる土質固化工法。
水砕スラグ，二水石膏，消石灰またはセメントから成る土質固化主剤に水を加え，これに塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤，土，土砂，腐食土，建設残土，ヘドロ，汚泥などの土類，褐炭，草炭，もみ殻くん炭などの炭類，フライアッシュなどの焼却灰，珪藻土，貝化石などの多孔質体，パーライト，バーミキュライトなどの軽量無機物，又はアクリル系水中不分離性混和剤から選ばれた一種類以上の物質とを混合し，固化させる土質固化工法。
固化主剤である水砕スラグ８５〜９５重量部，二水石膏４〜１０部重量部，アルカリ刺激剤０．５〜２．５重量部，固化助剤が０．５〜２．５重量部から成る請求項３記載の土質固化工法。
土質固主剤の水砕スラグ，二水石膏，消石灰またはセメントに水を加え，これに塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤を添加して混合し，この土質固化剤と土，土砂，腐食土，建設残土，ヘドロ，汚泥などの土類，褐炭，草炭，もみ殻くん炭などの炭類，フライアッシュなどの焼却灰，珪藻土，貝化石などの多孔質体，パーライト，バーミキュライトなどの軽量無機物，又はアクリル系水中不分離性混和剤から選ばれた一種類以上の物質とを混合し，固化して形成される土質固化物。
水砕スラグ，二水石膏，消石灰またはセメントから成る土質固主剤に水を加え，これに塩化カリウム，塩化マグネシウム，塩化ナトリウム，塩化カルシウム，塩化アンモニウム，炭酸カリウム，硫酸ナトリウム，燐酸カルシウム，酸化バリウム，二酸化マンガンから選ばれた５種類以上と，クエン酸，酒石酸，マレイン酸から選ばれた１種類以上から成る固化助剤，土，土砂，腐食土，建設残土，ヘドロ，汚泥などの土類，褐炭，草炭，もみ殻くん炭などの炭類，フライアッシュなどの焼却灰，珪藻土，貝化石などの多孔質体，パーライト，バーミキュライトなどの軽量無機物，又はアクリル系水中不分離性混和剤から選ばれた一種類以上の物質とを混合し，固化して形成される土質固化物。
固化主剤である水砕スラグ８５〜９５重量部，二水石膏４〜１０部重量部，消石灰またはセメント０．５〜２．５重量部，固化助剤が０．５〜２．５重量部から成る請求項６記載の土質固化物。