JP2865631B2 - 固化剤 - Google Patents

固化剤

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裕 石川
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【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、建設汚泥や洗浄土
砂や石炭灰など、含水率の高い微細粒子汚泥にセメント
とともに加えられて、生成する固化物の強度を高める固
化剤に関する。
【0002】
【従来の技術】近年、建設汚泥や製砂時の洗浄土砂や石
炭灰など、含水率の高い微細粒子汚泥をセメントにより
固化させて、路盤材などとして再利用しようとする試み
がなされている。
【0003】たとえば、トンネル工事など、水を注入し
つつ掘削を行う工事では、大量に水を含んだ土砂が発生
するので、ベントナイト粘土と水酸化ナトリウムなどの
アルカリとを土砂に加えてベントナイト粘土に含水さ
せ、含水率が低減した土砂を埋立処分などしている。ベ
ントナイト粘土は回収して繰り返し利用するが、徐々に
吸水性が低下するので、最終的には、ベントナイト粘土
を含んだ含水率40〜45%の土砂(微細粒子汚泥)を
セメントにより固化させ、固化物を再利用するようにし
ている。その場合、セメントが水和反応によりエトリン
ガイトを形成し、エトリンガイトの結晶体がベントナイ
ト粘土などの微細粒子を包含した状態で固化する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、汚泥中
には腐食質が含まれていることがあり、腐食質の多くは
カルボキシル基を有する有機物質であるため、腐食質が
含まれている場合には、上記したエトリンガイトが完全
な結晶体とならず、固化物の強度が弱まるという問題が
ある。
【0005】また、汚泥粒子が微細であるため、セメン
トの添加のみでは強度の発現が小さく、そのため粗大粒
子を添加するとともに、セメントを大量に加えているの
が現状である。しかし、このようにしてコンクリート化
することで強度を大きくしようとしても、含水量が多い
ためセメント中の石灰分が水中に溶出して、セメントの
水和反応が阻害されることになり、固化物の強度を高め
るのは容易ではないという問題がある。
【0006】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記した
問題を解決すべく種々検討した結果、ポリビニルアルコ
ールを加えることにより、そのヒドロキシル基によって
カルボキシル基をエステル化することができ、カルボキ
シル基によるセメント固化阻害を防止し得ることを見い
出した。
【0007】また、セメント中の石灰分が水中に溶出し
てセメントの水和反応が阻害される点についても、ポリ
ビニルアルコールによって粒子どうしを結着させ、耐水
性を増強して、石灰分の溶出に起因する強度低下を補完
できることを見いだし、本発明を完成するに至った。
【0008】すなわち本発明は、建設汚泥や洗浄土砂や
石炭灰など、含水率の高い微細粒子汚泥にセメントとと
もに加えられて、生成する固化物の強度を高める固化剤
であって、けん化度70%〜100%のポリビニルアル
コールと、接着性および粘着性を有する水溶性または油
性の樹脂とを含んだ固化剤を提供するものである。
【0009】ポリビニルアルコールは非イオン系高分子
化合物であり、塩やpHの動向によらず結晶化して、接
着能力を発揮することが知られている。ポリビニルアル
コールによる接着の原理は以下の通りであると思われ
る。
【0010】ポリビニルアルコールのヒドロキシル基
(以下、OH基と記す)が、汚泥中に含まれる有機物質
のカルボキシル基(以下、COOH基と記す)とエステ
ル結合を形成し、それにより、COOH基によるセメン
ト固化阻害を防止する。
【0011】一方、ポリビニルアルコールのOH基(親
水性)が、以下に示したようにベントナイト粘土などの
微細粒子の表面の酸素原子と水素結合を形成し、それに
より微細粒子の表面にポリビニルアルコールが強く吸着
する。
【0012】
【化4】
【0013】その結果、微細粒子の表面はポリビニルア
ルコールのアルキル鎖(疎水性)で覆われ、それにより
疎水化した微細粒子どうしが水中でVan der Waals 力
により凝集する。さらに、凝集した微細粒子の表面のポ
リビニルアルコールのアルキル鎖に、水中のポリビニル
アルコールがVan der Waals 力により吸着し、そのO
H基によって微細粒子表面が再び親水性となる。親水性
となった微細粒子は水中で分散し、微細粒子同士水素結
合を形成するため、微細粒子同士の吸着力が高まる。こ
のような状態で微細粒子間のセメントが固化するため、
固化物の強度が高まる。
【0014】しかるに、けん化度の高いポリビニルアル
コールは、遊離OH基が多いが故に耐水性に欠けるが、
本発明者らの知見によれば、ポリビニルアルコールの水
溶液に過量のアルカリ、Ca(OH)2 やNaOHを加
えると、水に溶けないゲルが生成する。これは、ポリビ
ニルアルコールのOH基にCa(OH)2 やNaOHが
反応して−O−Ca−O−や−O−Naが生成すること
によるものと思われる。
【0015】このため、微細粒子汚泥にセメントを混合
したものに、ポリビニルアルコール水溶液を混合する
と、ポリビニルアルコールは、セメントに含まれている
CaOより生じたCa(OH)2 や、ベントナイト粘土
とともに添加されたNaOHなどの水酸化アルカリと反
応してゲル化し、耐水性が大きく向上する。
【0016】ポリビニルアルコールとしては、上記した
ように遊離OH基が多いほど、COOH基をエステル化
し易く、水素結合を形成し易く、常温水に溶解し易いの
で、けん化度の大きいものが好ましく、通常、けん化度
70%以上のものを用いるが、80%以上のものが好ま
しい。また、水への溶解し易さという点から、重合度1
00〜3000のものが好ましい。しかし、重合度が大
きくなると完全けん化物であっても部分けん化物であっ
ても固結力に大きな差はなくなるので、適当な重合度と
適当なけん化度を有するものを選択する。種々のポリビ
ニルアルコールは、クラレ、電気化学などから、ポバー
ル、デンカポバールなどの登録商標の下に入手できる。
【0017】水溶性または油性の樹脂は、各材料を混合
した時点で適度な粘性が必要なので配合される。
【0018】さらに接着性を高めるために、ポリ酢酸ビ
ニルを配合するのが好ましい。ポリ酢酸ビニルは、アル
カリにより加水分解されてポリビニルアルコールになる
ことが知られており、したがって、微細粒子汚泥にセメ
ントを混合したものに、ポリ酢酸ビニルを混合した時に
は、ポリ酢酸ビニルは少なくとも一部加水分解されてし
まう。しかし、各材料を混合した時点での粘性を高める
ために配合される。ポリ酢酸ビニルの重合度は特に問わ
ない。
【0019】上記した水溶性または油性の樹脂として
は、たとえば、(a)ポリビニルエーテル、 (b)ポリビニルブチラール、 (c)ポリメチルアクリレート、 (d)ポリビニルホルマール、 (e)式
【0020】
【化5】
【0021】で示される構造単位からなる化合物、
(f)式
【0022】
【化6】
【0023】(式中、xは1、2、または4である)で
示される構造単位からなる化合物、および(g)式
【0024】
【化7】
【0025】で示される構造単位からなる化合物で構成
される群から1種または複数種用いることができるが、
接着および粘着能力を有し、耐水性を有するかあるいは
セメントとの反応により耐水性が強化されるものであれ
ば、これらに限定されることなく用いることができ、重
合度は特に問わない。
【0026】(a)に示したポリビニルエーテルは、重
合度にもよるが側鎖のアルキル基の炭素数が大きくなる
と水不溶性になるので、メチル、エチル、イソブチルな
ど、炭素原子数の小さいアルキル基を有するものが好ま
しく、たとえばLutonal(BASF社、ドイツ
国)を使用できる。しかし、炭素原子数の大きいアルキ
ル基を有するものは接着性が高いので、低重合度のもの
で希釈するなどして用いてもよく、コストや安全性を考
慮して適宜選択し、水溶液として添加する。
【0027】(b)に示したポリビニルブチラールは、
たとえば積水化学、電気化学から入手することができ、
水不溶性なのでアルコールエマルジョンとして添加す
る。(c)に示したポリメチルアクリレートは、たとえ
ば旭化成、クラレなどから入手することができ、水溶性
なので水溶液として添加する。
【0028】(d)に示したポリビニルホルマールは、
たとえばチッソ、電気化学などから入手できるが、ポリ
ビニルアルコール(PVA)とホルマリンとを周知方法
で反応させることにより製造することもでき、その場合
は反応が終了せず固化しない適当時に重合生成物を含ん
だ反応液を添加する。
【0029】(e)に示した化合物は、PVAとシス
1,4ポリイソプレン(あるいは天然ゴム)とを周知方
法で反応させることにより製造でき、水溶性重合させる
と乾燥後に耐水性が極めて強化されるので、重合生成物
を含んだ反応液を添加する。
【0030】(f)に示した化合物は、PVAとジアル
デヒドとを硫酸触媒の存在下で反応させることにより製
造でき、通常は重合生成物を含んだ反応液を添加する。
(g)に示した化合物は、PVAとコハク酸とを硫酸触
媒の存在下で反応させることにより製造でき、通常は重
合生成物を含んだ反応液を添加する。
【0031】ポリビニルアルコールとポリ酢酸ビニルと
その他の樹脂との配合比は特に問わない。また、セメン
トとしては、ポルトランドセメントや特殊セメントな
ど、種々のものを使用できる。
【0032】上記した固化剤を用いて、建設汚泥や洗浄
土砂や石炭灰など、含水率の高い微細粒子汚泥を固化さ
せる際は通常、含水率40〜45%程度の汚泥100重
量部に対して、セメント15重量部〜20重量部を混合
するとともに、請求項1〜請求項4のいずれかに記載の
固化剤の溶液またはエマルジョンを、ポリビニルアルコ
ール濃度が2%〜4%となるように調製し、その2重量
部〜4重量部を混合する。これより固化剤の添加量が多
いと乾燥が遅くなる。
【0033】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を説明す
る。地下鉄工事現場で発生した含水率約42%の建設汚
泥30kgを多段混練羽根式混練機に投入して130r
pmで30秒間混練し、この汚泥に、ポルトランドセメ
ント6kgを添加して30秒間混練した後、下記のよう
な固化剤の水溶液(PVA濃度が2%となるように調製
した)を0.6kg添加して1分間練混し、混練物を5
0φ×100のモールドに詰めて28日間養生した。得
られた固化物の一軸圧縮強度をJIS A1216の測
定方法により測定した。結果は以下の通りであった。た
だし、ポリビニルアルコールはけん化度88%、重合度
980のものを用い、ポリ酢酸ビニルは重合度440の
ものを用い、ポリビニルエーテルは炭素数10のアルキ
ル基を有する重合度230のものを用いた。
【0034】
【表1】
【0035】上記した結果より、本発明の固化剤を加え
ることによって、固化物の一軸圧縮強度が高まったこと
がわかる。また、ポリビニルアルコールのみを含んだ固
化剤より、2種混合および3種混合の固化剤の方が強度
が上昇しており、これらの固化剤の方が結着力が高いと
考えられる。
【0036】次に、上記と同様にして、含水率約42%
の建設汚泥30kgにポルトランドセメント6kgを添
加して混練した後、ポリビニルアルコール/ポリ酢酸ビ
ニル/ポリビニルエーテル(1:1:1)からなる固化
剤の水溶液を下記の通り添加して練混し、混練物を40
kg/cm2 の圧力で3回プレスし、28日間養生し
た。得られた固化物をジョークラッシャーで解砕し、粒
径40mm〜0mmのものについてJIS A1211
の方法により修正CBRを測定した。結果は以下の通り
であった。
【0037】
【表2】
【0038】上記したように、セメント量を同一とした
場合、固化剤の添加量が多い方が修正CBRが増加する
とともに、すり減り減量が低下しており、本発明の固化
剤により結着性が高まったと考えられる。
【0039】
【発明の効果】以上のように、本発明の固化剤によれ
ば、けん化度の大きいポリビニルアルコールを含んでい
ることにより、生成する固化物の強度を高めることがで
き、建設汚泥や洗浄土砂や石炭灰など、含水率の高い微
細粒子汚泥の有効利用を図れる。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.6 識別記号 FI C09K 17/48 C09K 17/48 P // C09K 103:00 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) C09K 17/44 C04B 24/24 C04B 28/04 C09K 17/10 C09K 17/20 C09K 17/48

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 建設汚泥や洗浄土砂や石炭灰など、含水
    率の高い微細粒子汚泥にセメントとともに加えられて、
    生成する固化物の強度を高める固化剤であって、けん化
    度70%〜100%のポリビニルアルコールと、接着性
    および粘着性を有する水溶性または油性の樹脂とを含ん
    だことを特徴とする固化剤。
  2. 【請求項2】 さらにポリ酢酸ビニルを含んだことを特
    徴とする請求項1記載の固化剤。
  3. 【請求項3】 樹脂が、(a)ポリビニルエーテル、 (b)ポリビニルブチラール、 (c)ポリメチルアクリレート、 (d)ポリビニルホルマール、 (e)式 【化1】 で示される構造単位からなる化合物、 (f)式 【化2】 (式中、xは1、2、または4である)で示される構造
    単位からなる化合物、および(g)式 【化3】 で示される構造単位からなる化合物で構成される群から
    1種または複数種選択されることを特徴とする請求項1
    または請求項2のいずれか1項記載の固化剤。
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