JP2009185220A

JP2009185220A - 地盤改良用固化材

Info

Publication number: JP2009185220A
Application number: JP2008028375A
Authority: JP
Inventors: Akira Yamamoto; 晃山本; Kenji Yamamoto; 健次山本; Mamoru Yagi; 守八木; Yasuyuki Kanzaki; 康之神嵜
Original assignee: DAIEI KOGYO CO Ltd; DAIEI KOGYO KK
Current assignee: DAIEI KOGYO CO Ltd; DAIEI KOGYO KK
Priority date: 2008-02-08
Filing date: 2008-02-08
Publication date: 2009-08-20

Abstract

【課題】普通ポルトランドセメントと廃石膏ボードから採取した二水石膏とを用いた地盤改良用固化材において、硫化水素の発生及び六価クロムの溶出を抑制することができる地盤改良用固化材を提供する。
【解決手段】本発明に係る地盤改良用固化材は、普通ポルトランドセメントと、ペーパースラッジ灰と、廃石膏ボードから採取した二水石膏と、を含んでなり、特に、普通ポルトランドセメント７５質量％と、ペーパースラッジ灰１５質量％と、二水石膏１０質量％と、を含んでなるのが好ましい。
【選択図】図１

Description

本発明は、産業廃棄物を利用した地盤改良用固化材に関する。

近年の大量生産・大量消費・大量廃棄の社会は人々の生活を豊かにした一方、地球環境に大きな負荷を与えており、例えば産業廃棄物の排出量は高水準で推移し、最終処分場の残容量のひっ迫など、大きな社会問題となっている。
このような事情に鑑みて、従来、産業廃棄物として処理されていた廃石膏ボードを、地盤改良用固化材の原料として利用することが提案されている。

例えば特許文献１には、石膏からなる芯材の両面がボード用原紙で被覆された廃石膏ボードのボード用原紙を芯材から分離せずに芯材と一体のままの状態で全体を粉砕、乾燥して得た繊維入り半水石膏パウダーを、含水比の高い汚泥や有機質土に添加して、含水比の高い汚泥をセメント系固化材で固化処理して得られた土に比べて一軸圧縮強さが同等以上であるとともに破壊ひずみが大きい改良地盤を製造することが記載されている。

一方、セメント系固化材を用いて地盤を改良すると、改良地盤から六価クロムが溶出し、土壌が汚染されるという問題がある。この問題を解決するために、例えば、特許文献２には、セメント系固化材の主成分として高炉セメントを用いることによって、高炉スラグの作用により改良地盤からの六価クロムの溶出を抑制することが開示されている。

特開２００７−１６１８９５号公報特許公開２００１−３２１７５６号公報

しかしながら、汚泥や有機質土中には、硫酸イオンを酸化剤として有機物を分解し、そのエネルギーで増殖する硫酸塩還元菌が存在していることが多い。そのため、特許文献１に記載の技術では、廃石膏と汚泥等を混合すると、廃石膏（二水石膏：ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）から溶出した硫酸イオンが硫酸塩還元菌によって還元されて硫化水素が発生するという問題がある。

また、六価クロムの溶出を抑制するために高炉セメントを用いると、改良地盤の強度を大きくすることができないという問題がある。一方、改良地盤の強度を大きくするために、高炉セメントよりも発現強度の高い普通ポルトランドセメントを用いると、六価クロムの溶出を抑制できないという問題があった。

本発明は、これらの問題を解決するためになされたものであり、普通ポルトランドセメントと廃石膏ボードから採取した二水石膏とを用いた地盤改良用固化材において、硫化水素の発生及び六価クロムの溶出を抑制することができる地盤改良用固化材を提供することを課題とする。

本発明に係る地盤改良用固化材は、普通ポルトランドセメントと、ペーパースラッジ灰と、廃石膏ボードから採取した二水石膏と、を含んでなることを特徴とする。

かかる構成によれば、ペーパースラッジ灰が持つ酸化カルシウム（ＣａＯ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と、二水石膏が持つ硫酸カルシウム二水和物（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）と、が水和反応してエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）が生成される。すなわち、二水石膏から溶出する硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２−）が、エトリンガイトの生成に消費されるので、土中の硫酸塩還元菌による硫化水素の生成が抑制されることとなる。

また、エトリンガイトは、それ自体が強度を持つ針状結晶であるので、普通ポルトランドセメントの使用量を減らしても改良地盤の強度が低下しにくい。そのため、所望の強度を得るために必要な普通ポルトランドセメントの添加量を少なくできるので、改良地盤の強度を高く保ちながら六価クロムの溶出を抑制することができる。また、普通ポルトランドセメントは、高炉セメントに比べて発現強度が大きいので、高炉セメントを用いた場合と同等以上の改良強度を容易に得ることができる。

なお、本発明に係る地盤改良用固化材は、前記水硬系物質７５質量％と、前記ペーパースラッジ灰１５質量％と、前記二水石膏１０質量％と、を含んでなるのが好ましい。このような配合にすれば、改良地盤中に硫酸カルシウムが残留することがなく、硫化水素の発生を好適に防止することができる。

また、普通ポルトランドセメント７５質量％に替えて、普通ポルトランドセメント５６．３質量％と、高炉スラグ１８．７質量％と、を含むように構成してもよい。

本発明によれば、普通ポルトランドセメントと廃石膏ボードから採取した二水石膏とを用いた地盤改良用固化材において、硫化水素の発生及び六価クロムの溶出を抑制することができる。そのため、廃石膏ボードの有効利用を促進して産業廃棄物の低減を図ることができる。

地盤改良用固化材は、例えば軟弱土や有機質土などの強度の低い地盤や排水処理場で発生した汚泥などに混合することにより、これらの地盤（材料）の強度を向上させる機能を有している。本実施形態に係る地盤改良用固化材は、主に、普通ポルトランドセメントと、ペーパースラッジ灰と、廃石膏ボードから採取した二水石膏（以下、「廃石膏」という場合がある）と、を含んでなる。

普通ポルトランドセメントは、水と反応して硬化する水硬系物質である。普通ポルトランドセメントは、酸化カルシウム（ＣａＯ）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）や二酸化けい素（ＳｉＯ_２）や酸化第二鉄（Ｆｅ_２Ｏ_３）などのクリンカー成分と、三酸化硫黄（ＳＯ_３）とを含有するほか、土壌汚染の原因となり得る六価クロム（例えば三酸化クロム（ＣｒＯ_３）や二クロム酸カリウム（Ｋ_２Ｃｒ_２Ｏ_７））を含有している。土と普通ポルトランドセメントの混合物が固化する過程において、水和反応により生成された水和物が六価クロムを十分に固定できなかった場合に、六価クロムが溶出すると考えられている。

ペーパースラッジ灰は、製紙工程において排出される微細繊維くずや、タルク、カオリン、古紙混入異物などからなるペーパースラッジを、減量化のために焼却処理して得られる物質である。ペーパースラッジ灰は、主に、酸化カルシウム（ＣａＯ）や酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）などを含有している。

廃石膏ボードは、建物の解体などによって生じた石膏ボードの廃材であり、従来は産業廃棄物として処理されていたものである。石膏ボードは、二水石膏（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）からなる板状の芯材の両面を紙等の表皮材で被覆した部材である。
廃石膏は、かかる廃石膏ボードを表皮材部分と芯材部分とに分離し、芯材部分のみを粉砕して粒状化したものである。

本実施形態に係る地盤改良用固化材においては、ペーパースラッジ灰が持つ酸化カルシウム（ＣａＯ）及び酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）と、廃石膏が持つ硫酸カルシウム二水和物（ＣａＳＯ_４・２Ｈ_２Ｏ）と、が水和反応してエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）が生成される。これにより、硫酸イオンが消費され、土中の硫酸塩還元菌による硫化水素の生成が抑制される。

本実施形態に係る地盤改良用固化材は、普通ポルトランドセメント７５質量％、ペーパースラッジ灰１５質量％、廃石膏１０質量％となるように配合するのが好ましい。このように配合すれば、ペーパースラッジ灰と廃石膏とが好適に反応してエトリンガイトが生成され、改良地盤中に硫酸カルシウムが残留することがない。そのため、硫化水素の発生を好適に防止することができる。

以上、本発明を実施するための最良の形態について詳細に説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。

例えば、地盤改良用固化材は、普通ポルトランドセメント７５質量％に替えて、普通ポルトランドセメント５６．３質量％と、高炉スラグ１８．７質量％と、を含むように構成してもよい。すなわち、地盤改良用固化材は、普通ポルトランドセメント５６．３質量％、高炉スラグ１８．７質量％、ペーパースラッジ灰１５質量％、廃石膏１０質量％となるように配合してもよい。このようにすれば、高炉セメントＢ種を１００質量％用いた場合に比べて改良地盤の強度を大きくしながら、六価クロムの溶出量（含有量）を極めて小さくすることができる。また、硫化水素の発生を好適に防止することができる。

また、本実施形態に係る地盤改良用固化材と、改良対象となる地盤や汚泥との混合比率は、特に限定されるものではなく、改良対象物の性状や要求される改良強度等に応じて適宜定めればよい。例えば事前に試験等を行い、その結果に基づいて決定すればよい。

以下、この発明の実施例を具体的に説明する。なお、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。

＜Ｘ線回折法＞
普通ポルトランドセメントとペーパースラッジ灰と廃石膏の配合比率を変えることにより、どのような化合物が生成されるかを、Ｘ線回折法により判定した。
なお、水硬系物質として、普通ポルトランドセメント以外に、普通ポルトランドセメントに高炉スラグを混合した混合セメント（以下、単に「混合セメント」という場合がある。）を用意した。混合セメントの混合割合は、質量比で普通ポルトランドセメント：高炉スラグ＝３：１とした。

実施例１として、普通ポルトランドセメント３３７．５ｇ（７５質量％）と、ペーパースラッジ灰６７．５ｇ（１５質量％）、廃石膏４５．０ｇ（１０質量％）と、を混合した紛体４５０ｇ（１００質量％）に、水２７０ｇ（紛体質量の６０％）を加えてペースト状にし、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰めて供試体を１本作成した。

比較例１として、普通ポルトランドセメント２２５．０ｇ（５０質量％）と、ペーパースラッジ灰１３５．０ｇ（３０質量％）、廃石膏９０．０ｇ（２０質量％）と、を混合した紛体４５０ｇ（１００質量％）に、水２７０ｇ（紛体質量の６０％）を加えてペースト状にし、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰めて供試体を１本作成した。

実施例２として、普通ポルトランドセメント２５３．１ｇと高炉スラグ８４．４ｇとの混合セメント３３７．５ｇ（７５質量％）と、ペーパースラッジ灰６７．５ｇ（１５質量％）、廃石膏４５．０ｇ（１０質量％）と、を混合した紛体４５０ｇ（１００質量％）に、水２７０ｇ（紛体質量の６０％）を加えてペースト状にし、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰めて供試体を１本作成した。

比較例２として、普通ポルトランドセメント１６８．８ｇと高炉スラグ５６．２ｇとの混合セメント２２５．０ｇ（５０質量％）と、ペーパースラッジ灰１３５．０ｇ（３０質量％）、廃石膏９０．０ｇ（２０質量％）と、を混合した紛体４５０ｇ（１００質量％）に、水２７０ｇ（紛体質量の６０％）を加えてペースト状にし、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰めて供試体を１本作成した。

また、ペーパースラッジ灰と廃石膏を加えない場合について検討するために、参考例１として、普通ポルトランドセメント４５０ｇ（１００質量％）に、水２７０ｇ（紛体質量の６０％）を加えてペースト状にし、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰めて供試体を１本作成した。

実施例１、比較例１、実施例２、比較例２及び参考例１の配合の一覧を表１に示す。

このように作成した各供試体を７日間養生した後、各供試体の芯の部分から５ｇ程度を採取し、真空乾燥機で３日以上乾燥して不要な水分を除去し、めのう乳鉢を用いて粒子が１０μｍ以下となるように粉砕した。粉砕した試料に対してＸ線回折装置を用いて試料内の結晶の同定を行った。

図１（ａ）は、参考例１のＸ線回折強度を示すグラフである。グラフの横軸は下記に示すＢｒａｇｇの式から定まるθの２倍の値（２θ）を示し、縦軸はＸ線回折強度を示している。
２ｄ・ｓｉｎθ＝ｎλ
ｄ：格子面間隔
θ：格子面と入射線及び回折線との間の角度
λ：Ｘ線の波長
ｎ：１次回折線（ｎ＝１）

図１（ａ）に示すように、参考例１では、水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）、ケイ酸三カルシウム（３ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、ケイ酸二カルシウム（２ＣａＯ・ＳｉＯ_２）、カルシウムアルミネート（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３）を示すピークが見られた。これらの化合物はポルトランドセメント成分の水和反応を示すものである。なお、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を示すピークは見られなかった。

図１（ｂ）は、実施例１のＸ線回折強度を示すグラフである。
図１（ｂ）に示すように、実施例１では、前記した参考例１と同様の化合物を示すピークの他に、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）を示すピークが見られた。これにより、普通ポルトランドセメントとペーパースラッジ灰と廃石膏の３成分によってエトリンガイトが生成されていることが分かる。

図１（ｃ）は、比較例１のＸ線回折強度を示すグラフである。
比較例１と実施例１とを比較すると、比較例１では、ケイ酸三カルシウムとカルシウムアルミネートを示すピークが見られなくなり、そのかわりに廃石膏が持つ硫酸カルシウム水和物を示すピークが見られた。

図２（ａ）は実施例２のＸ線回折強度を示すグラフである。
図２（ａ）に示すように、実施例２では、水酸化カルシウム、ケイ酸三カルシウム、ケイ酸二カルシウム、カルシウムアルミネートを示すピークと、エトリンガイトを示すピークが見られた。

図２（ｂ）は比較例２のＸ線回折強度を示すグラフである。
比較例２と実施例２とを比較すると、比較例２では、ケイ酸三カルシウムとカルシウムアルミネートを示すピークが見られなくなり、そのかわりに廃石膏が持つ硫酸カルシウム水和物を示すピークが見られた。

実施例１、２と比較例１、２のＸ線回折結果から考察すると、比較例１、２では、硫酸カルシウム水和物に対してケイ酸三カルシウム及びカルシウムアルミネートが少ないため、すべてのケイ酸三カルシウムとカルシウムアルミネートがエトリンガイトの生成に消費された後も硫酸カルシウム水和物が残存していると考えられる。これに対し、実施例１、２では、硫酸カルシウム水和物に対してケイ酸三カルシウム及びカルシウムアルミネートが十分に生成されるため、エトリンガイトの生成にすべての硫酸カルシウムが消費されていると考えられる。

以上の結果から、地盤改良用固化材の配合を、（１）普通ポルトランドセメント７５質量％、ペーパースラッジ灰１５質量％、廃石膏１０質量％、或いは、（２）混合セメント７５質量％、ペーパースラッジ灰１５質量％、廃石膏１０質量％、のようにすれば、廃石膏に含まれるすべての硫酸カルシウムが、エトリンガイトの生成に消費され、汚泥等に混合しても硫化水素が発生する恐れがないことが分かった。

＜一軸圧縮強度試験＞
普通ポルトランドセメントとペーパースラッジ灰と廃石膏との混合物が、様々な土質においてどのような強度特性を示すかについて調べるために、一軸圧縮強度試験を行った。

改良地盤の一軸圧縮強度試験を行うにあたり、地盤改良用固化材を混合する対象物として、汚泥、粘性土Ａ，Ｂ、礫質砂Ａ，Ｂの５種類の土を用意した。各土の土質性状を表２に示す。

実施例３として、普通ポルトランドセメントとペーパースラッジ灰と廃石膏とを７５：１５：１０の質量比で配合した地盤改良用固化材を用意し、これを表２に示す５種類の土の夫々に１ｍ^３当たり１００ｋｇの割合で混合し、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰め、一土質当たり３本の供試体を作成し、７日間養生した。

比較例３として、普通ポルトランドセメントのみからなる地盤改良用固化材を用意し、これを表２に示す５種類の土の夫々に１ｍ^３当たり１００ｋｇの割合で混合し、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰め、一土質当たり３本の供試体を作成し、７日間養生した。

実施例４として、混合セメントとペーパースラッジ灰と廃石膏とを７５：１５：１０の質量比で配合した地盤改良用固化材を用意し、これを表２に示す５種類の土の夫々に１ｍ^３当たり１００ｋｇの割合で混合し、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰め、一土質当たり３本の供試体を作成し、７日間養生した。

比較例４として、混合セメントのみからなる地盤改良用固化材を用意し、これを表２に示す５種類の土の夫々に１ｍ^３当たり１００ｋｇの割合で混合し、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰め、一土質当たり３本の供試体を作成し、７日間養生した。

比較例５として、高炉セメントＢ種のみからなる地盤改良用固化材を用意し、これを表２に示す５種類の土の夫々に１ｍ^３当たり１００ｋｇの割合で混合し、φ５０ｍｍ×Ｈ１００ｍｍのモールドに詰め、一土質当たり３本の供試体を作成し、７日間養生した。
なお、実施例３、比較例３、実施例４、比較例４及び比較例５に用いた地盤改良用固化材の配合比率を表３に示す。

このようにして作成した各試料あたり３本の供試体について、一軸圧縮試験機を用いて一軸圧縮強度試験を行い、得られた値を平均して各試料の一軸圧縮強度とした。各試料の一軸圧縮強度の一覧表を表４に示す。

一軸圧縮強度の評価として、地盤改良用固化材として高炉セメントＢ種のみを用いた場合の強度（比較例５）との比較を行った。高炉セメントＢ種は、六価クロム対策として最も一般的に用いられる地盤改良用固化材だからである。
表４に示すように、実施例３及び実施例４のいずれも、比較例５の一軸圧縮強度を大きく上回る値を得た。よって、地盤改良用固化材として現在多用されている高炉セメントＢ種に替えて、実施例３，４に係る地盤改良用固化材を用いても、十分な改良強度を得られることが分かった。

また、セメントの一部をペーパースラッジ灰及び廃石膏で置き換えることが一軸圧縮強度に対して有用であるかを調べるために、活性度指数を求めた。活性度指数は、「セメントのみを用いた場合の一軸圧縮強度」に対する「セメントの一部をペーパースラッジ灰及び廃石膏で置き換えた場合の一軸圧縮強度」の割合である。ここでは、活性度指数が、地盤改良用固化材全体に占めるセメントの割合よりも大きい場合に有用と判断することとした。

実施例３の活性度指数は、８０．２％（＝９２０．８／１１４７．７×１００）となり、地盤改良用固化材全体に占める普通ポルトランドセメントの割合（７５％）よりも大きい。
実施例４の活性度指数は、８５．２％（＝７２１．８／８４７．５×１００）となり、地盤改良用固化材全体に占める混合セメントの割合（７５％）よりも大きい。
以上より、実施例３、４に係る地盤改良用固化材の配合割合で、セメントの一部をペーパースラッジ灰及び廃石膏に置き換えることの有用性が確認された。

＜六価クロムの含有量＞
前記した一軸圧縮強度試験に用いた供試体について、六価クロムの含有量を計測する試験を行った。なお、当該試験は、平成３年環境庁告示「土壌の汚染に係る環境基準について」に定められた試験方法に基づいて行った。下表に、六価クロムの含有量の一覧表を示す。
なお、六価クロムの含有量の基準値は０．０５ｍｇ／Ｌであり、この値以下であれば合格となる。

表５に示すように、実施例３及び実施例４に係る試料の六価クロム含有量はすべて基準値を大きく下回る結果となった。このことから、実施例３，４に係る地盤改良用固化材が六価クロム対策として有効であることが分かった。
なお、比較例３の「汚泥」と混合した試料だけが基準値を上回る結果となった。

（ａ）は参考例１のＸ線回折強度を示すグラフ、（ｂ）は実施例１のＸ線回折強度を示すグラフ、（ｃ）は比較例１のＸ線回折強度を示すグラフである。（ａ）は実施例２のＸ線回折強度を示すグラフ、（ｂ）は比較例２のＸ線回折強度を示すグラフである。

Claims

普通ポルトランドセメントと、ペーパースラッジ灰と、廃石膏ボードから採取した二水石膏と、を含んでなる地盤改良用固化材。
請求項１に記載の地盤改良用固化材であって、
前記普通ポルトランドセメント７５質量％と、前記ペーパースラッジ灰１５質量％と、前記二水石膏１０質量％と、を含んでなる地盤改良用固化材。
前記普通ポルトランドセメント７５質量％に替えて、普通ポルトランドセメント５６．３質量％と、高炉スラグ１８．７質量％と、を含んでなる請求項２に記載の地盤改良用固化材。