JP3786899B2

JP3786899B2 - 泥土改質固化安定剤

Info

Publication number: JP3786899B2
Application number: JP2002164832A
Authority: JP
Inventors: 文男岩本
Original assignee: Mikuni Corp
Current assignee: Mikuni Corp
Priority date: 2002-06-05
Filing date: 2002-06-05
Publication date: 2006-06-14
Anticipated expiration: 2022-06-05
Also published as: JP2004008904A

Description

【発明の属する技術分野】
本発明は、泥土改質固化安定剤に関し、詳しくは、土壌及び汚泥の改良剤に関する技術分野に属するもので、汚染土壌の土質改良、汚泥、油泥等の泥質改良に優れた機能を有する泥土改質固化安定剤に関するものである。
【従来の技術】
土壌及び軟弱地盤又は汚泥等の固化・安定剤としては、従来から各種の土壌改良剤或いは固化剤が利用されている。
一般に、従来の土壌改良剤又は固化剤としては、セメントを主剤としたセメント系のものと、石灰を主剤とした石灰系のものとの二つに大別され、処理対象物によってそれぞれが選択され使用されている。
概略、当該処理対蒙物の組成が無機系成分で構成されている場合はセメント系の固化・安定剤が選択され、当該の処理対象物の組成が有機系成分で構成されている場合は石灰系の固化・安定剤が選択される。
【発明が解決しようとする課題】
しかし、セメント系の固化・安定剤の機能性について考察してみると、水和物生成による硬化である。その水和物とは、カルシウムとシリカの水和物ＣＳＨ〔Ｃ₂Ｓ（２ＣａＯ・ＳｉＯ₂）・Ｃ₃Ｓ（３ＣａＯ・ＳｉＯ₂）〕、モノサルフェート水和物：Etoringnite〔Ｃ₃Ａ（３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃）・Ｃ₄Ａ・Ｆ（４ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・ＦｅＯ）・ＣａＳＯ₄・２Ｈ₂Ｏ，３ＣａＯ・Ａｌ₂Ｏ₃・３ＣａＳＯ₄・３２Ｈ₂Ｏ〕、ボゾランBozoran（ｏ−Ｈ₄ＳｉＯ₄・ｍ−Ｈ₂ＳｉＯ₃）等が挙げられる。
但し、当該処理対象物には有機質成分が多少なりとも含有しているので、この有機質成分により水和物の生成が阻害されることがある。セメント系の固化・安定剤の場合、粒度調整、圧縮強度・圧密調整が非常に難しく、往々にして崩壊、流出等を起こしているのも有機質成分の存在による水和物生成阻害に起因している。
石灰系の固化・固定剤の主たる反応機構も水和硬化反応であるが、セメント系の固化・固定機能のような複雑な反応機構はもっていない。単なる水分の吸収による自己硬化反応とカルシウム化合物の形成による固定化反応と考えられる。従って、当該処理対象物の粒度調整、圧縮強度、圧密調整の機能はなく、強度的に改質・改良はできないので容易に崩壊し流出する。
更に、セメント系と石灰系の固化・安定剤で処理された当該処理対象物に共通した問題点がある。それは、当該処理対象物を処理する場合の添加量と処理後の対象物の水素イオン濃度ｐＨ値である。具体的には、処理に必要とされる添加量が、いずれの場合も処理対象物に対して１０〜２０ｗｔ％と固化・固定剤としては比較的多量を要していること、また、処理後の対象物の水素イオン濃度がｐＨ１０以上と高いアルカリ性となるため、新にアルカリ流出の問題提起になっていることである。
前記のセメント系と石灰系の固化・固定剤の他、最近に至ってフライアッシュを有効成分として配合された固化・固定剤も開発され、当該処理対象物が無機系又は有機系を問わず処理可能とされている。しかしながら、フライアッシュは発生源の材料材質によって求められる性質とその機能が異なるので経験的な調整が必要となる。
また、前記のセメント系と石灰系及びフライアッシュを配合したそれぞれの固化・固定剤で共通して言えることは、その主な目的が固化・固定による粒度調整と圧縮強度、圧密調整であり、現在求められている土壌汚染の無害化処理（臭気問題、重金属類の溶出問題、自然土壌との親和性等の解決法）の機能性は殆ど皆無と言える。また、一部の固化・固定剤には、重金属類の固定にキレート反応機構を応用したものがあるが、キレート法では長期間の安定性に難がある等の問題を残している。
本発明は、従来における上記事情に鑑みて開発されたものであり、従来の土壌及び汚泥の固化・固定処理剤における上記したような種々の問題を解決するための、もろもろの機能を兼ね備えた新規の粉体状の泥土改質固化安定剤の提供を目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る泥土改質固化安定剤は、樹皮灰又は石炭灰のいずれか一方又は双方から選定される主成分であるフライアッシュに土壌菌を配合したもの１００重量部に対して、必須成分である硫酸アルミニウム２〜５重量部、チオ硫蕨ナトリウム３〜２０重量部、けい酸アルミニウム２〜５重量部、硫酸カルシウム２〜５重量部、硫酸鉄２〜５重量部、セメント２０〜５０重量部が配合されていることを特徴とするものである。
請求項２記載の発明に係る泥土改質固化安定剤は、請求項１記載の泥土改質固化安定剤において、前記樹皮灰又は石炭灰のいずれか一方又は双方から選定される主成分であるフライアッシュに配合される土壌菌が、枯草菌類と、シュウドモナス菌類と、これらの変成菌で構成している。
請求項３記載の発明に係る泥土改質固化安定剤は、請求項１又は２記載の泥土改質固化安定剤において、前記必須成分の硫酸アルミニウム、チオ硫酸ナトリウム、けい酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸鉄、セメントの総重量部が、前記の主成分の２５〜４５重量部の配合比としている。
これらの本発明によれば、樹皮灰又は石炭灰のいずれか一方又は双方から選定される主成分であるフライアッシュを採用することにより、水分調整と正常な水和硬化反応を可能にしている。また、団粒化と粒度調整及び固化・固定による圧密と圧縮強度の調整は、セメントの弱点を硫酸アルミニウム、けい酸アルミニウム、硫酸カルシウムで補足し、それぞれの反応を強化している。
また、金属類（重金属類を含む）の固定と不溶出化の主役には、チオ硫酸ナトリウムと硫酸鉄、土壌菌等の積極的な金属類（重金属類を含む）固定・安定化機能を応用し、更に、土質変換の基礎となる前記フライアッシュ、硫酸アルミニウム等の水和物による複合結晶化構造の中に包含させることにより、固化・安定化の強化を図っている。
更に、処理対象物（泥土）の中性化と自然土壌との親和性は、上述したすべての反応により達成される。
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を説明する。
本実施の形態に係る泥土改質固化安定剤は、予めフライアッシュに特定の土壌菌を配合したものを主要成分とし、これに必須成分として硫酸アルミニウム、チオ硫酸ナトリウム、けい酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸鉄、セメントが均一に配合されて構成されている。
前記フライアッシュは、樹皮灰（fly ash of bark）又は、石炭灰（fly ash of coal）のいずれか一方又は双方を選定する。
フライアッシュに求める機能は、水の吸収性と保水力、水の浄化能、水和反応による自己硬化能であるが、フライアッシュは発生源の材料対質によりその性状と性能が異なる。例えば、パルプ材（pulp wood）とその樹皮（bark）、製紙汚泥（paper sludge）、石炭の場合は、産地によってその差異を認知することができる。
本実施の形態に係る泥土改質固化安定剤に適応するフライアッシュについては、経験的に基準となる成分比を設定しているので、配合するか又は補足するなりして調整することかできる。経験的見地からすれば、Ｓｉ／Ａｌ／Ｃａ比と炭素比、更に、微量元素（ミネラル成分）の触媒能が重要な要素となっているとの知見を得ている。
土壌菌の配合の目的は、金属類（重金属類を含む）の固定と油泥の分解、自然土壌との親和性の改善にある。前記のように土壌菌は枯草菌類（バチルス bacills bacteria）とシュウドモナス菌類（pseudomonas bacteria）とこれらの変成菌であり、すでに、その機能性については認知されているが、当該固化・安定剤に起用されてはいない。
必須成分中のチオ硫酸ナトリウムは、重金属類と積極的に反応して不溶性のチオ硫酸金属塩Ｎａ₃〔Ｍｅ（Ｓ₂Ｏ₃）₂〕を形成する機能がある。当該処理対象物中の特に重金属類の数値に応じて配合量を調整することができる。
必須成分中の硫酸アルミニウム（具体的には硫酸バンドである）は、当該処理対象物の水分と反応して重縮合水酸化アルミニウム〔コロイド状の水酸化アルミニウムＡｌ（ＯＨ）₃と、イオン化した水酸化アルミニウム〔Ａｌ_m（ＯＨ）_n ⁺〕に転化する。この重縮合水酸化アルミニウムには、泥土粒子間の電位を低下させ崩壊し細分化する機能と、有機金属類の無機化、金属イオンの収着・固定及び酸化触媒能があり、当該処理対象物の団粒化と粒度調整及び固化・固定化を促進する。
前記必頑成分中のけい酸アルミニウム（具体的には、長石又は雲母_xＭ₂Ｏ・_yＳｉＯ₂である）は、当該処理対象物には溶解することなく微粒子の核として団粒化と粒度調整及び固化・固定化反応を助長する。
必須成分中の硫酸鉄（具体的には硫酸第一鉄である）は、当該処理対象物内で加水分解を起こし硫酸Ｈ₂ＳＯ₄と酸鉄Ｆｅ₂Ｏ₃に解離し、中和反応と凝集反応によって団粒化と粒度調整及び固化・固定化反応を助長する。
本実施の形態に係る泥土改質固化安定剤を構成するフライアッシュとセメントは、前者を主役、後者を脇役と位置づける。従って、主役に求められる機能と脇役に求められる機能とは自ずと分けられるが、両者の機能がバランスよく交錯してこそ目的が果たされることになる。前記の通り、フライアッシュについては経験的見地からの基準を設定し調整している。セメントについても同様に経験的見地からの基準を設定し調整する必要がある。すなわち、セメントに求められる機能は、カルシウムとシリカの水和物ＣＳＨと、モノサルフェート水和物の形成による硬化である。この機能性を満足に果たすためには、これを阻害する要素を出来る限り排除する必要がある。前記の必須成分はセメントの機能性をより効果的にするための補助成分でもある。
本実施の形態に係る泥土改質固化安定剤の添加量は、当該処理対象物の含水比によって決定されるが、通常の土壌改良剤としては３〜８重量％の範囲内で処理される。但し、特種の処理対象物においては、前処理を必要とする場合がある。
（実施例）
以下に具体的な実施例について説明する。
１．代表的な泥土改質固化安定剤の調整
通常の土壌改良剤としての本実施例の代表的な泥土改質固化安定剤を次のような配合で調整した。
主成分であるフライアッシュは、樹皮灰（fly ash of bark）を選び、これに土壌菌（バチルス菌とシュウドモナス菌とこれらの変成菌からなる粉末）を２重量％加え均一に混合する。更に、主成分に対して必須成分である硫酸アルミニウム２重量％、チオ硫酸ナトリウム５重量％、けい酸アルミニウム２重量％、硫酸カルシウム２重量％、硫酸第一鉄２重量％、早強ポルトランドセメント３５重量％を均一に配合し調整した。その組成比を下記表１に示す。なお、フライアッシュには、土壌菌を２重量％含み、セメントには、早強ボルトランドセメントを配合している。
【表１】

２．前記の配合比で調整した泥土改質固化安定剤の性能試験は、有機質粘土系、シルト質系、粘質土系、粘土質砂系、粘土質礫系、火山灰質砂系、火山灰質礫系、火山質粘性土系の各土壌を処理対象原土とし、夫々の原土に対して、３〜１０％の範囲で添加して、各土質試験を実施した。各土質試験の結果を下記表２乃至表１６に示す。
下記表２乃至表１６中の各土質試験項目は、一般（湿潤密度、乾燥密度、土粒子の密度、自然含水比、間隙比、飽和度、強熱減量、ｐＨ）、粒度（礫分、砂分、シルト分、粘土分、均等係数、曲率係数、最大粒径）、コンシステンシー特性（液性限界、塑性限界、塑性指数）、分類（分類名、分類記号）、一軸圧縮（一軸圧縮強さ、破壊ひずみ）、三軸圧縮（全応力、有効応力）、圧密（圧縮指数、圧密降伏応力）、その他、団粒化度、透水係数等である。
表２乃至７は有機質粘土系に関する土質試験の結果を、表８はシルト質系、表９は粘質土系、表１０は粘土質砂系、表１１は粘土質礫系、表１２は火山灰質砂系、表１３は火山灰質礫系、表１４は火山灰質砂系、表１５は火山灰質礫系、表１６は火山質粘性土系の各土質試験の結果を示すものである。
【表２】

【表３】

【表４】

【表５】

【表６】

【表７】

【表８】

【表９】

【表１０】

【表１１】

【表１２】

【表１３】

【表１４】

【表１５】

【表１６】

また、従来の土壌改良剤との比較対条項目として、土粒子の密度の関係図、自然含水比との関係図、塑性指数との関係図、一軸圧縮強度との関係図、変形係数との関係図、粘着力と内部摩擦角との関係図を、図１乃至図６に各々示す。
表１乃至表１６、図１乃至図６で示すように、本実施例の泥土改質固化安定剤は、セメント系又は石灰系の固化・安定剤のような不安定さは全くなく、この泥土改質固化安定剤に設計された機能性のすべてが証明されていることが認知される。土粒子密度、自然含水比、塑性指数、一軸圧縮強度等は土質に拘わりなく添加量に応じてほぼ直線的な変化を示している。
変形係数、粘着力と内部摩擦角については、有機質粘土、シルト質土、粘土質、火山灰質の原土にそれぞれの特徴はみられるが、添加量の増加に伴う変化の傾向は同じと判断することができる。
セメント系又は石灰系の固化・安定剤は、一般的に土質には関係なくその添加量は１０〜２０％、場合によっては２０％以上を必要としていることから考案するに、土質の積極的な改質機能は弱く、固化・安定剤自体の固化反応による疎粒化で土全体の組成バランスを変える仕組みではないかと推察される。
この傾向はセメント系の固化・安定剤よりも石灰系の固化・安定剤に強いと判断される。
原土の性質を変えるためには、土粒子に積極的に反応して土粒子そのものを変質させる必要がある。本実施例の泥土改質固化安定剤の添加量は、土質に閑係なく５％前後を必要とするが、これにより目的に応じた土質に変質させ得ることが表１乃至表１６、図１乃至図６で証明される。
３．土壌改良剤に関する検討条件に安全性の項目がある。従来の土壌改良剤は、セメント、石灰を主成分としているため改良土は強アルカリ性を呈し、生物に対する安全性が極めて低い。本実施例の泥土改質固化安定剤は、処理対象原土が酸性又はアルカリ性であっても容易に中性化し長期安定化が期待できる。有機質粘土に関する施工後の４水素イオン濃度ｐＨ値に関する試験結果を下記表１７に示す。
【表１７】

４．泥土改質固定安定剤による泥炭の土質改良試験結果を下記表１８に示す。
【表１８】

５．泥土改質固定安定剤のこまつ菜に関する植生試験結果を下記表１９に示す。
【表１９】

６．泥土改質固定安定剤による金属類（重金属類を含む）の固定化と不溶出化については、請求項１記載の各要素の重量比の範囲内でその配合を替えて調整して試験を実施した。調整後の組成比を下記表２０に示す。
【表２０】

表２０において、フライアッシュには、土壌菌を２％を含む。また、セメントは、早強ボルトランドセメントを配合する。
但し、処理対象泥土中に含まれる金属類、特に重金属類の量によって配合は変わる。ちなみに、重金属類の含有量が多い場合はチオ硫酸ナトリウムの配合比は高くなるが土質そのものの改質には影響はない。
上記組成の本実施例の泥土改質固定安定剤による試験の対象汚泥は、鉱山排水の石灰を含む沈澱物、鉱山溜池のヘドロ、火力発電所の石炭灰（焼却灰と飛灰）を選択した。これら試験結果を下記表２１、表２２、表２３に各々示す。
【表２１】

【表２２】

【表２３】

以上詳述したように、本実施の形態に係る泥土改質固化安定剤に開するその組成と機能性についての説明と、これを検証するために３０数件に及ぶ試験を実施しその結果を示した。この実証試験により本実施の形態に係る泥土改質固化安定剤に設定された機能性は有効に発揮されていることが証明されている。
本実施の形態に係る泥土改質固化安定剤を構成するフライアッシュ、すなわち、樹皮灰又は石炭灰のいずれか一方又は双方から選定される主成分であるフライアッシュには、水の吸収性と保水性、水の浄化能、水和反応による自己硬化能を求めるが、このような機能の裏には必須成分のそれぞれの反応を促進させるためのもう一つの重要な触媒的要素がある。
その触媒的要素は、ミネラルと土壌菌の存在であると確信している。土質を改質するためには正常な水和反応が最大の条件となり、他の成分により固定された物質も水和反応による結晶化構造の中に取り込まれることにより、安定化又は無害化が可能となる。ミネラルと土壌菌の触媒的反応は超ミクロの領域の反応であると推察される。
以上説明したように、本発明の泥土改質固化安定剤は、樹皮灰又は石炭灰のいずれか一方又は双方から選定される主成分であるフライアッシュと土壌菌を主体とし、これに必須成分としてセメント、硫酸アルミニウム、チオ硫酸ナトリウム、けい酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸第一鉄を配合してなる新規の土壌改良剤である。
【発明の効果】
以上詳述した本発明によれば、フライアッシュに土壌菌を配合したもの主成分とし、必須成分としてセメント、硫酸アルミニウム、チオ硫酸ナトリウム、けい酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸第一鉄を配合して泥土改質固化安定剤としているので、水分調整と正常な水和硬化反応を可能とし、また、団粒化と粒度調整及び固化・固定による圧密と圧縮強度の調整も実現でき、更に、金属類（重金属類を含む）の固定と不溶出化、土質変換の基礎となる固化・安定化の強化を図り、更にまた処理対象物（泥土）の中性化と自然土壌との親和性をも実現できる泥土改質固化安定剤を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例の泥土改質固化安定剤の添加量と土粒子の密度との関係図である。
【図２】本発明の実施例の泥土改質固化安定剤の添加量と自然含水比との関係図である。
【図３】本発明の実施例の泥土改質固化安定剤の添加量と塑性指数との関係図である。
【図４】本発明の実施例の泥土改質固化安定剤の添加量と一軸圧縮強度との関係図である。
【図５】本発明の実施例の泥土改質固化安定剤の添加量と変形係数との関係図である。
【図６】本発明の実施例の泥土改質固化安定剤の添加量と粘着力と内部摩擦角との関係図である。

Claims

樹皮灰又は石炭灰のいずれか一方又は双方から選定される主成分であるフライアッシュに土壌菌を配合したもの１００重量部に対して、必須成分である硫酸アルミニウム２〜５重量部、チオ硫蕨ナトリウム３〜２０重量部、けい酸アルミニウム２〜５重量部、硫酸カルシウム２〜５重量部、硫酸鉄２〜５重量部、セメント２０〜５０重量部が配合されていることを特徴とする泥土改質固化安定剤。
前記樹皮灰又は石炭灰のいずれか一方又は双方から選定される主成分であるフライアッシュに配合される土壌菌は、枯草菌類と、シュウドモナス菌類と、これらの変成菌である請求項１記載の泥土改質固化安定剤。
前記必須成分の硫酸アルミニウム、チオ硫酸ナトリウム、けい酸アルミニウム、硫酸カルシウム、硫酸鉄、セメントの総重量部は、前記主成分の２５〜４５重量部の配合比である請求項１又は２記載の泥土改質固化安定剤。