JP2009190949A

JP2009190949A - 浄水場脱水ケーキと砕石微粉末を用いた土木用造粒物及びその製法

Info

Publication number: JP2009190949A
Application number: JP2008035241A
Authority: JP
Inventors: Masasuke Yunoki; 応介柚木; Akimasa Izumiyama; 昭政泉山; Yoshiyuki Ochi; 良幸越智
Original assignee: Daiichi Sekisan Unyu Kk; Hitachi Ltd; Asaka Misono Utility Services Corp
Current assignee: Daiichi Sekisan Unyu Kk; Hitachi Ltd; Asaka Misono Utility Services Corp
Priority date: 2008-02-15
Filing date: 2008-02-15
Publication date: 2009-08-27

Abstract

【課題】浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の双方を用いて、路床材と同等な強度を有し、埋め戻し材等にも十分に利用可能な土木用造粒物及びその製法を実現する。
【解決手段】浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を回転翼８を有する造粒機７に投入し、回転翼を高速で回転して解砕した後、造粒機に高炉セメントＢ種と水を加え回転翼を低速で回転して造粒することにより、埋め戻し材等にも十分に利用可能な土木用造粒物を製造する。この場合において、浄水場脱水ケーキの配合率が７０±２０質量％、砕石微粉末の配合率が３０±２０質量％の範囲で配合して１００質量％とし、高炉セメントＢ種の配合率が外割合で５〜１０質量％の範囲で選択することが好ましい。
【選択図】図２

Description

本発明は、浄水場脱水ケーキと砕石微粉末を用いた土木用造粒物及びその製法に関する。

浄水場では、河川水等に含まれている粘土質や藻類などの汚泥を凝集沈殿させる処理が行われるが、その凝集沈殿された汚泥を脱水して得られる脱水ケーキ（以下、浄水場脱水ケーキと称する。）が産業廃棄物として排出される。

一方、砕石場においても、砕石の生産において、水洗選別の過程で生じる排水を沈殿、脱水処理することにより、砕石微粉末（以下、砕石微粉末と称する。）が産業廃棄物として排出される。

ところで、最近は、埋め立て処分場の手当てが困難になりつつあることから、浄水場脱水ケーキや砕石微粉末を有効利用することが要望されている。例えば、浄水場脱水ケーキを培養土やセメント原料として活用することが提案されているが、必ずしも有効利用法が確立されていない。一方、砕石微粉末は、土砂として有効利用することは困難で、その有効利用についてはいまだ確立されていない。

そこで、特許文献１には、浄水場脱水ケーキを用いて管工事布設用の埋め戻し材を製造する方法が提案されている。これによれば、含水率が６０〜７０％の浄水場脱水ケーキをロールクラッシャーや混練ミキサ等により解砕して粘度化し、粘度化した浄水場脱水ケーキに必要に応じて生石灰を加えて混練した後、高炉セメントB種などのセメント系固化材を加えて混練ミキサで攪拌及び練り込み、生石灰を主導する造粒粉材を添加しながら、混練ミキサ等で混練して１０ｍｍ以下の粒子に造粒して埋め戻し材を製造している。また、埋め戻し材の強度を向上させるため、必要に応じて、造粒粉材とともに補強材として山砂、石粉などを１０〜４０質量％加えることが記載されている。

特に、特許文献１によれば、高炉セメントB種を１５質量％、山砂を２５質量％添加した場合、路床土としての適否を判断するための指標であるＣＢＲ値が１８６％の強度の埋め戻し材を得ることができるとし、山砂の添加率を２０質量％に減らしても、ＣＢＲ値が１３７％の強度を得ることができるとしている。さらに、同条件で、生石灰の添加率を０％とし、山砂の添加率を２０質量％に減らしても、ＣＢＲ値が３４％の強度を得ることができるとしている。

特開２００６−８８０５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された従来技術では、砕石微粉末の有効利用については考慮されていない。つまり、補強材として山砂、石粉などを１０〜４０質量％加えることが記載されているが、補強材として砕石微粉末を用いることについては検討されていない。

上述のように、従来は、比較的大量に出る産業廃棄物としての浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の双方を用いて、それらの産業廃棄物を有効利用することについて考慮されていない。

本発明が解決しようとする課題は、浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の双方を用いて、路床材と同等な強度を有し、埋め戻し材等にも十分に利用可能な土木用造粒物及びその製法を実現することにある。

上記の課題を解決するため、本発明は、浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を配合して解砕した後、高炉セメントＢ種と水を加えて造粒して土木用造粒物を製造することを特徴とする。

すなわち、土木材料として適用するには、浄水場脱水ケーキを造粒化する必要があるが、浄水場脱水ケーキ単体では、造粒化し難く、かつ強度不足であることから、これに処理に困っている砕石微粉末を加え、さらに高炉セメントＢ種を添加して造粒することにより、物理的、力学的性状のどちらにおいても良好な品質を得ることができるようにしたのである。

なお、砕石微粉末は粒度補正材として配合するものであり、製造される造粒物の強度などの品質を確保することができる。また、高炉セメントＢ種は固化材として加えるものである。浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を配合して解砕することにより、浄水場脱水ケーキの塊りをほぐして砕石微粉末との配合を促進し、さらには高炉セメントＢ種との馴染みを促進することができ、結果的に土木用造粒物の物理的及び力学的な強度及びその均質性を高めることができる。

具体的には、浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を回転翼を有する造粒機に投入し、前記回転翼を第１の速度で回転して解砕した後、前記造粒機に高炉セメントＢ種と水を加え前記回転翼を前記第１の速度よりも低い速度で回転して造粒することが好ましい。すなわち、解砕は高速回転で短時間行い、セメント添加後は低速回転で長時間かけて造粒する。これにより、良好な造粒物を得ることができる。

また、上記いずれかの場合において、浄水場脱水ケーキの配合率が７０±２０質量％、砕石微粉末の配合率が３０±２０質量％の範囲で配合して１００質量％とし、高炉セメントＢ種の配合率が外割合で５〜１０質量％とすることができる。なお、添加する水は、セメントの硬化に必要な量を補うものであるから、浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末の含水量を考慮して、適宜様子を見ながら水を加えることが望ましい。これにより、土木用造粒物の含水比を低減することができる。また、土木用造粒物は、最大粒径を５ｍｍに造粒することが好ましい。

例えば、本発明の製法により製造された土木用造粒物は、高炉セメントＢ種の含有率が外割合で５〜１０質量％としたとき、土木用造粒物の２．５ｍｍ貫入におけるＣＢＲ値が、浄水場脱水ケーキが８５質量％で砕石微粉末が１５質量％のとき２７〜３０％である。同様に、浄水場脱水ケーキが７５質量％で砕石微粉末が２５質量％のとき３１〜３４％で、浄水場脱水ケーキが６５質量％で砕石微粉末が３５質量％のとき３２〜３５％であるから、土木用材料として、十分な強度を有する造粒物を得ることができる。

また、浄水場脱水ケーキは、一般に含水比が８０％以上であることから、土質区分基準上、泥土ｂに属する。しかし、本発明の製法により製造された土木用造粒物は、後述するように含水比が４０％程度以下であるから、粒度補正材、増量材、路床材の粒度補正、充填材、路床材、裏込め材、埋め戻し材などの土木材料として有効利用できる。また、本発明の土木用造粒物は、保水性に優れているため、地温の上昇を抑え、ヒートアイランド現象を緩和すると共に地球温暖化抑止対策としても有効である。

また、本発明の製法により製造された土木用造粒物は、力学的、物理的性状において土木系材料としての強度及び品質を満足するものであるから、産業廃棄物を有価物に転化できる。本発明の製法によれば、産業廃棄物を資源化再利用できるから、産業廃棄物の最終処分費用を節約するとともに、循環型社会基本法に則った利用が可能となる。

本発明によれば、浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の双方を用いて、路床材と同等な強度を有し、埋め戻し材等にも十分に利用可能な土木用造粒物及びその製法を実現することができる。

以下、本発明の浄水場脱水ケーキと砕石微粉末を用いた土木用造粒物及びその製法の実施形態を説明する。

図１に、本発明の土木用造粒物の一実施形態の製法のフローチャートを示し、図２に土木用造粒物の一実施形態の製造装置のフローシートを示す。

図２に示すように、本実施形態の製造装置は、それぞれ受入ヤード１、２に受け入れた浄水場脱水ケーキと砕石微粉末を、必要に応じて浄水場脱水ケーキ受入ホッパ３と砕石微粉末受入ホッパ４に貯留する。浄水場脱水ケーキ受入ホッパ３と砕石微粉末受入ホッパ４の底部には、それぞれコンベアなどからなる切出し機５、６が設けられ、切出し機５、６により適量切出された浄水場脱水ケーキと砕石微粉末は造粒機７に投入されるようになっている。造粒機７は、円筒状の容器の筒軸周りに回転する回転翼８が備えられている。また、造粒機７には、セメントホッパ９から高炉セメントＢ種が適量投入され、かつ水源１０から水が適量供給可能になっている。

このように構成される本実施形態の製造装置により、図１に示すように、切出し機５を適宜駆動して、土木用造粒物の原料となる浄水場脱水ケーキと砕石微粉末をそれぞれ適量切出して造粒機７に投入する（工程１）。次いで、造粒機７の回転翼８を高速（例えば、２５００ｒｐｍ)で回転して、浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の配合物を解砕する（工程２）。この解砕処理は比較的短時間（例えば、30秒）でよい。次いで、造粒機７内の浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の配合物に高炉セメントＢ種と水を適量添加して（工程３）、回転翼８を低速（例えば、９００ｒｐｍ)で回転して、最大粒径が５ｍｍ程度の造粒物に造粒する（工程４）。なお、造粒後、一定の養生期間（例えば、７日程度以上）をおいて製品とすることが望ましい。

本実施形態によれば、浄水場脱水ケーキ単体では造粒化が困難な浄水場脱水ケーキに処理に困っている砕石微粉末を配合し、さらに高炉セメントＢ種を添加していることから、セメントの固化作用によって容易に造粒することができる。また、粒度補正材として砕石微粉末を配合していることから、製造される造粒物の強度を十分に補うことができ、物理的、力学的性状のどちらにおいても良好な品質の土木系材料に用いる造粒物を得ることができる。

また、浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を配合して解砕することにより、浄水場脱水ケーキの塊りをほぐして砕石微粉末との配合を促進し、さらには高炉セメントＢ種との馴染みを促進することができ、結果的に土木用造粒物の物理的及び力学的な強度及びその均質性を高めることができる。

また、造粒工程で添加する水は、高炉セメントＢ種の硬化に必要な量を補うものであるから、浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末の含水量を考慮して、適宜様子を見ながら水を加えることが望ましい。これにより、土木用造粒物の含水比を低減することができる。

以下、本発明の土木用造粒物の製法により製造した土木用造粒物の具体的な実施例の試験結果について、表１〜表６及び図３、図４を参照して説明する。表１は、浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の配合率（質量％）を変化させて試験した試験例１〜６であり、高炉セメントＢ種の添加量を５％（質量％）に設定した例である。なお、高炉セメントＢ種の添加量は、浄水場脱水ケーキと砕石微粉末の配合率１００％に対する添加割合であり、いわゆる外割合である。表２は、高炉セメントＢ種の添加量を１０％に設定した試験例１１〜１６であり、その他の条件は表１と同一である。

また、表１、２中の用語は、以下の定義のとおりである。
・含水比：土の乾燥重量に対する含水重量の比を表し、単位はｗｔ％である。
・含水率：土の湿潤重量に対する含水重量の比を表し、単位はｗｔ％である。
・乾燥密度：土全体の体積に対する乾燥土の質量を表し、単位はｇ／ｃｍ^３あるいはｔ／ｍ^３である。
・設計ＣＢＲ：路床や路盤材料の表面に直径５．０ｃｍのピストンが２．５ｍｍ又は５．０ｍｍ貫入したときの荷重を標準荷重に対する百分率であらわしたもので、試験方法はJIS A 1211による。

表１、表２に示すように、各試験例の造粒直後の含水比に対して、空気中において７日間養生した後の含水比は、大きく低下しており、良好な造粒物が得られることがわかる。また、砕石微粉末の配合率が増えるにつれて、含水比が低下することが確認できる。

また、造粒物のＣＢＲ値は、図３の砕石微粉末の配合率とＣＢＲ値の関係に示すように、砕石微粉末の配合率に応じてＣＢＲ値が増加しているが、砕石微粉末の配合率が２５％を超えるとＣＢＲ値の増加が緩やかになる。例えば、試験例２、３、４又は試験例１２、１３、１４に示すように、配合率が浄水場脱水ケーキが７０±２０％の範囲で、砕石微粉末が３０±２０％の範囲では、高炉セメントＢ種の含有率が外割合で５〜１０質量％としたとき、土木用造粒物の２．５ｍｍ貫入におけるＣＢＲ値が、浄水場脱水ケーキが８５質量％で砕石微粉末が１５質量％のとき２７〜３０％である。同様に、浄水場脱水ケーキが７５質量％で砕石微粉末が２５質量％のとき３１〜３４％で、浄水場脱水ケーキが６５質量％で砕石微粉末が３５質量％のとき３２〜３５％である。また、５．０ｍｍ貫入におけるＣＢＲ値は、浄水場脱水ケーキが８５質量％で砕石微粉末が１５質量％のとき２４〜２６％で、浄水場脱水ケーキが７５質量％で砕石微粉末が２５質量％のとき３１〜３５％で、浄水場脱水ケーキが６５質量％で砕石微粉末が３５質量％のとき３２〜３５％である。

また、砕石微粉末の配合率を増やしても乾燥密度の増加がわずかであることから、浄水場脱水ケーキの廃棄量と砕石微粉末の廃棄量とのバランスにもよるが、砕石微粉末の廃棄量が相対的に少ない場合は、砕石微粉末の配合率を増やしてもＣＢＲ値の増大が抑えられ、かつ乾燥密度の増加がわずかであることを考慮すると、砕石微粉末の配合率は１５〜３５％の範囲が好ましく、さらには２０〜３０％の範囲が好ましい。これにより、十分な強度を有する土木用造粒物を得ることができる。

次に、砕石微粉末の配合率が２５％の場合について、高炉セメントＢ種の添加量の効果を比較した試験結果を表３、表４に示す。表３は物理的性状の試験結果であり、表４は力学的性状の試験結果である。

また、表３、４中の用語は、以下の定義のとおりである。
・密度・吸水率試験：粗骨材の密度及び吸水率試験であり、試験方法はJIS A 1110による。
・表乾密度：表乾状態（試料内部の空隙に水分が満たされている状態）の試料の質量を試料の絶対容積で除した値
・絶乾密度：試料の絶乾状態（全く水分を含んでいない状態）の質量を試料の絶対容積で除した値であり、試料の内部に独立している空隙及び外部に連なる空隙を全て試料の空隙とみなした場合の密度であり、単位はｋｇ／Ｌ
・吸水率：湿潤状態の試料の表面水を拭い去って表乾状態とし、さらに１００〜１１０℃で定重量となるまで乾燥して絶乾状態とし、そのときの試料の絶乾状態の重量Ａ、表乾状態の重量Ｂとしたとき、下式で示す吸水量百分率をいう。

吸水量百分率＝(Ｂ−Ａ)／Ａ×１００(％)
・単位容積質量試験：骨材の単位に容積質量及び実績率試験方法であり、試験方法はJIS A 1104による。
・単位容積質量：骨材の単位に容積質量及び実績率試験方法（JIS A 1104）に規定された方法によって、容器に骨材をつき固めた状態での骨材の単位体積あたりの質量をいう。
・実績率：ある容器の中に入った骨材の粒子が締めるその物体が実際に占める容積の割合をいう。
・微粒分量試験：骨材の微粒分量試験であり、骨材に含まれる粘土、シルト、ロームなどの微細な粒子の全量を求めるために行う試験であり、試験方法はJIS A 1103による。
・土の液性・塑性限界試験：土の液性限界・塑性限界試験方法。土の状態が変化する境界の含水比を測定する。試験方法は、JIS A 1205による。
・液性限界：土が塑性体から液体に移るときの境界の含水比。
・塑性限界：土が塑性体から半固体に移るときの境界の含水比。
・塑性指数：液性限界と塑性限界の差。
・土粒子の密度試験：突固めによる土の締固め試験（JIS A 1210）により求めた土粒子の密度(g/cm³)。
・スレーキング試験：脆弱岩材料の耐久性を評価するもの。旧日本道路公団「岩のスレーキング率試験方法(JHS110-1992)」による。
・コーン指数：締固めた土のコーン指数試験（JIS A 1228）により求められる数値。締め固めた土に直径2cmの先の尖ったコーンを人力で貫入させてその抵抗値からコーン指数を計算する。
・締固め試験／最大乾燥密度／最適含水比：突固めによる土の締固め試験（JIS A 1210）。含水比を変化させた土を締め固めて得られた乾燥密度と含水比の関係は締固め曲線で表せる。乾燥密度が最大となる乾燥密度が最大になるときの含水比を最適含水比、そのときの乾燥密度を最大乾燥密度という。
・水硬性：水と反応して硬くなる性質。

それらの表３、４に示すように、高炉セメントＢ種を１０％添加した方が、物理学的、力学的、双方の面で良好な結果が得られた。すなわち、力学的性状面では土木系材料として、品質を十分に満足する。物理的性状では、単位体積あたりの重量は土木系材料のそれよりも軽く、団粒構造を呈し、保水性に優れていることがわかる。

次に、物理的な造粒物の水浸時間による支持力の変化を確認するために、砕石微粉末の配合率を２５％の造粒物について、最適含水比で締め固めた試験体を作成し、４日間、２週間、３週間、４週間経過時点で設計ＣＢＲ試験を行った。その結果を表５及び図４に示す。

表５及び図４に示すように、高炉セメントＢ種の含有率を５％、１０％の双方に同様な傾向が確認できた。いずれの試験体においても、水浸日数の経過によりＣＢＲ値の上昇が確認できた。２．５ｍｍ貫入時のＣＢＲ値と５．０ｍｍ貫入時のＣＢＲ値が３〜４週間にかけて逆転する現象は、支持力をもつ土の傾向が出ており、水硬性が十分にあることが考察できる。

以上説明したように、本実施形態の土木用造粒物の製法によれば、単体では造粒化し難く、かつ強度不足である浄水場脱水ケーキに、処理に困っている砕石微粉末を加え、さらに高炉セメントＢ種を添加して造粒することにより、物理的、力学的性状のどちらにおいても良好な品質の土木系材料を得ることができる。

特に、砕石微粉末を粒度補正材として配合することにより、製造される造粒物の強度などの品質を確保し、固化材として高炉セメントＢ種を加えることにより、土木用造粒物の物理的及び力学的な強度及びその均質性を高めることができる。

また、本実施形態の製法により製造された土木用造粒物は、含水比が４０％程度以下であるから、粒度補正材、増量材、路盤材の粒度補正、充填材、路床材、裏込め材、埋め戻し材などの土木材料として有効利用できる。また、本実施形態の土木用造粒物は、保水性に優れているため、地温の上昇を抑え、ヒートアイランド現象を緩和すると共に地球温暖化抑止対策としても有効である。

また、本発明の製法により製造された土木用造粒物は、力学的、物理的性状において土木系材料としての強度及び品質を満足するものであるから、産業廃棄物である浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を有価物に転化できる。つまり、産業廃棄物を資源化再利用できるから、産業廃棄物の最終処分費用を節約するとともに、循環型社会基本法に則った利用が可能となる。

本発明の土木用造粒物の一実施形態の製法の手順を示すフローチャートである。本発明の土木用造粒物の一実施形態の製造装置のフローシートである。砕石微粉末の配合率とＣＢＲ値の関係を示す線図である。造粒後の養生日数とＣＢＲ値の関係を示す線図である。

符号の説明

３浄水場脱水ケーキ受入ホッパ
４砕石微粉末受入ホッパ
５、６切出し機
７造粒機
８回転翼
９セメントホッパ
１０水源

Claims

浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を配合して解砕した後、高炉セメントＢ種と水を加えて造粒する土木用造粒物の製法。
浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末を回転翼を有する造粒機に投入し、前記回転翼を第１の速度で回転して解砕した後、前記造粒機に高炉セメントＢ種と水を加え前記回転翼を前記第１の速度よりも低い速度で回転して造粒する土木用造粒物の製法。
請求項１又は２に記載の土木用造粒物の製法において、
前記浄水場脱水ケーキの配合率を７０±２０質量％、前記砕石微粉末の配合率を３０±２０質量％の範囲で配合して１００質量％とし、前記高炉セメントＢ種の配合率が外割合で５〜１０質量％であることを特徴とする土木用造粒物の製法。
請求項３に記載の土木用造粒物の製法において、
前記土木用造粒物の最大粒径を５ｍｍに造粒することを特徴とする土木用造粒物の製法。
浄水場脱水ケーキ及び砕石微粉末が配合され、高炉セメントＢ種を固化材として最大粒径が５ｍｍに造粒されてなる土木用造粒物。
請求項５に記載の土木用造粒物において、
前記浄水場脱水ケーキの配合率を７０±２０質量％、前記砕石微粉末の配合率を３０±２０質量％の範囲で配合して１００質量％とし、前記高炉セメントＢ種の配合率が外割合で５〜１０質量％であることを特徴とする土木用造粒物。
請求項５に記載の土木用造粒物において、
前記浄水場脱水ケーキの配合率が７５±１０質量％、前記砕石微粉末の配合率が２５±１０質量％の範囲で配合して１００質量％とし、前記高炉セメントＢ種の配合率が外割合で５〜１０質量％であることを特徴とする土木用造粒物。
請求項７に記載の土木用造粒物において、
前記高炉セメントＢ種の含有率が外割合で５〜１０質量％で、前記土木用造粒物を造粒してから７日養生後の２．５ｍｍ貫入によるＣＢＲ値が、前記浄水場脱水ケーキが８５質量％で前記砕石微粉末が１５質量％のとき２７〜３０％、前記浄水場脱水ケーキが７５質量％で前記砕石微粉末が２５質量％のとき３１〜３４％、前記浄水場脱水ケーキが６５質量％で前記砕石微粉末が３５質量％のとき３２〜３５％であることを特徴とする土木用造粒物。