JP4913193B2 - リサイクル地盤材料及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、赤土等の土砂や汚泥の泥状土と電力産業廃棄物である石炭灰飛灰を路盤材料等の再生材に再利用するためのリサイクル地盤材料及びその製造方法に関する。

沖縄県の河川等では豪雨などにより赤土等が流出して河床に泥状土として堆積し、河川断面積の減少や河川の動植物生育環境の阻害などの環境汚染問題を引き起こしている。

このように堆積した赤土による汚染泥状土は、河川環境を修復する必要性から浚渫撤去することが求められ、かつ、撤去後の汚泥土は、今後の循環型社会の構築から再利用することが求められている。

また、近年、石炭火力発電所などから排出される廃棄物としての石炭灰飛灰の処理量の増大に伴って、既存の処分場が飽和状態となっていることから、これら大量の石炭灰飛灰の処理が注目され、環境に対して安全に有効利用することが強く求められている。

石炭灰（底灰と飛灰）は、樹脂材などの固化剤と混合して、人工大理石やブロック材としての利用や、セメント固化材と混合して路盤材料や埋戻し材料などの再生利用材として使用されることも注目されている。

この石炭灰飛灰においては、フッ素Ｆ、ホウ素Ｂ、セレンＳｅなどの有害な無機質の重金属物質が含まれており、石炭灰飛灰による再生利用材を道路用の材料や埋戻し材料として用いる場合には、環境省で定められている重金属の溶出試験値が環境基準値以内になることが求められる。

石炭灰などの再利用においては、含水土壌の改良材の技術として、特許第３２４３８０４号公報などが開示されている。

また、有害物質を含む土壌処理剤の技術として、特開２００５−２３２３４１号公報が開示されている。

特許第３２４３８０４号公報 特開２００５−２３２３４１号公報

しかしながら、上記の特許第３２４３８０４号公報では、含水土壌を再生利用可能となるようにその強度を増加させ、かつ、砂のような流動性を付与するというものであり、重金属などの有害物質を低減化して環境基準に適合した土壌にする技術ではない。

また、特開２００５−２３２３４１号公報は、土壌中に含まれる毒性の高い六価クロムCr(６)を安定な三価クロムCr(３)に還元するもので六価クロムCr(６)に限定された技術であり、さらに、重亜硫酸ソーダと蛋白質を用いたものであり、かつ、化学薬品を必要とする技術となっていることから、六価クロムCr(６)以外のフッ素Ｆ、ホウ素Ｂ、セレンＳｅなどの有害物質の低減化とはならない。

本発明は、赤土泥状土および石炭灰飛灰を有効にリサイクルし、上記に示すような廃棄物中に含まれる多種類の有害物質を同時に低減化でき、かつ、路盤材料や埋戻し材料としての強度、性能にかかわる基準値をクリアし、地下水位が高く、液状化の可能性のある地域でも埋戻し材料として使用可能である安全で信頼性の高いリサイクル地盤材料を提供することを課題とする。

上記の課題を解決するために本発明では、リサイクル地盤材料として赤土の粗粒土と石炭灰飛灰と固化材とからなることを特徴とするものである。

該赤土は、国頭マージ土であることを特徴とするものである。

該赤土は、全国各地に分散して分布しており、粘着力が弱く、水に溶けやすく、また、沈殿しにくく、降雨などで流出しやすい。特に、沖縄県内では、国頭マージ土と称されており、pH４〜６の酸性土壌で鉄分とアルミニウムを多く含む独特の赤色土壌として広範囲に分布している。

この国頭マージ土の鉱物含有率（％）についての測定例を以下に示す。

採取地名 ： 石川 宜野座 恩納

含有鉱物名
―――――――――――――――――――――――――――――――――――
二酸化ケイ素 ６９．０ ７２．０ ７２．０
酸化アルミニウム １８．０ １６．０ １５．０
酸化第二鉄 ９．０ ７．０ ７．３

ケイバン比 ６．３ ７．４ ７．９
ケイ鉄バン比 ４．０６ ４．４１ ４．４９

本発明では、上記に示すように、二酸化ケイ素は、６５．０〜７５．０％程度が好ましい。

酸化アルミニウムは、１３．０〜２０．０％程度が好ましく、さらに好ましいのは、１５．０〜２０．０％が良い。

酸化第二鉄は、５．０〜１２．０％程度が好ましく、さらに好ましいのは７．０〜１２．０％が良い。

土粒子は、粒径（ｍｍ）により、以下の粒径区分に分けられる。
粘土 ０．０５ｍｍ未満
シルト ０．０７５ｍｍ未満
細砂 ０．０７５ｍｍ以上
中砂 ０．２５ｍｍ以上
粗砂 ０．８５ｍｍ以上
細礫 ２．０ｍｍ以上
中礫 ４．７５ｍｍ以上
粗礫 １９．０ｍｍ以上

そして、粘土、シルトが細粒分であり、細砂以上が粗粒分である。沈殿槽でシルト、粘土を沈殿分離することで細粒分を分離除去できる。

土を構成する土粒子の粒径（ｍｍ）の分布状態を粒度といい、土粒子の分布状態は粒径（ｍｍ）とその粒径を通過した土粒子の通過質量百分率の関係としての粒径加積曲線で表される。

本発明は、この粒径加積曲線において、通過質量百分率（％）が１０％のときの粒径Ｄ₁₀が１．２ｍｍ以上であり、６０％のときの粒径Ｄ₆₀が１０ｍｍ以上である粗粒土とするものである。

本発明で指摘する重金属類とは、石炭灰飛灰などに含まれている可能性のある無機質の重金属類を指す。特に、本発明では、この石炭灰飛灰に含まれているものであり、これらを再利用する場合に問題となる可能性のある重金属を示す。

環境省で定められ、かつ、環境基準に取り挙げられている８種類の無機質重金属は、水銀Ａｇ、鉛Ｐｂ、ヒ素Ａｓ、六価クロムＣｒ(６)、セレンＳｅ、ホウ素Ｂ、フッ素Ｆ、カドミウムＣｄである。

本発明のリサイクル地盤材料は、上記の重金属類を同時に低減化できるものである。

該固化材は、セメント系固化材などが使用できる。普通ポルトランドセメント（Ｎｏｒｍａｌ Ｐｏｒｔｌａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔ）などが好ましい。

さらに、本発明では、上記の固化材に対して、高炉スラグ微粉末が混合されていることを特徴とするリサイクル地盤材料としたものである。

該高炉スラグ微粉末は、製鉄所などの溶鉱炉から排出される鉱滓としての高炉スラグを粉砕して微粉末処理したものであり、その品質は比重２．８０以上、比表面積５，０００ｃｍ²／ｇ以上〜１０，０００ｃｍ²／ｇ未満のものである。

また、本発明では、上記のリサイクル地盤材料として、石炭灰飛灰が混合されていることを特徴とするものである。

該石炭灰飛灰は、火力発電所などの燃焼炉において石炭を燃焼させた後に排出される燃焼灰であり、通常、この灰は重金属類などを含有するため、管理廃棄処分されていたものである。

該リサイクル地盤材料は、重金属を含有する土壌や燃焼灰などの重金属を、リサイクル地盤材料の有する物理的及び、化学的な吸着と封じ込め（不溶化）作用により、廃棄物中の重金属類を化学的に安定化させたり、元に戻らないように固化・不溶化したりすることで低減化処理を行うものである。

該湿式ふるい処理は、粒径２ｍｍのふるい網の上に採取した赤土泥状土を広げて水流でふるい分けするものであり、２０ｍｍ以上のゴミや砂礫を除去するものであり、２ｍｍ以上、２０ｍｍ以下の赤土粗粒土となる。

尚、湿式ふるい処理した粒径２ｍｍ以下の砂礫粒子を含む細粒土は、沈殿槽でシルト及び粘土成分を分離し、プレス式脱水処理を行った。湿式ふるい処理後のスラリー化した泥水を脱水機のろ過脱水室に送泥し、強制的に圧力脱水し、脱水ケーキとして別途保管した。

リサイクル地盤材料は上記の湿式ふるい処理をし、シルト、粘土などの細粒分を除去した赤土粗粒土を用いて、造粒処理を行うものである。

造粒処理時の水固体重量比は、添加した水の重量に対する赤土粗粒土、石炭灰飛灰、固化材（普通ポルトランドセメント）と高炉スラブ微粉末の合計重量の比と定義する。

重金属類は固化材等によって赤土粗粒土とともに固化され、溶出できないように固定化（不溶化）処理されることで重金属類の低減化処理を実現するものである。

石炭灰の飛灰は、ポラゾン反応（自己硬化作用）と称される長期的な硬化作用を有することから、この飛灰を赤土の固化補助材として利用する。

また、本発明では、前記の製造方法により製造されたリサイクル地盤材を用いた強酸性液、強アルカリ性液に対して化学的な安全性を有する地盤材料とするものである。

前記の製造方法により製造されたリサイクル地盤材料の地盤環境に対する安全性は、図１２〜図１６のカラム通水試験に示すように有姿状態の地盤材料が、ｐＨ４の酸性液とｐＨ１２のアルカリ性液の２液において、液固比Ｌ／Ｓが０．１：１、１．２：１、０．５：１、１：１、１０：１のすべての液固比においても、六価クロムＣｒ(６)、ふっ素Ｆ、ほう素Ｂ、セレンＳｅのいずれにおいても溶出量は環境基準値以下となっており、強酸性液、強アルカリ性液に対して化学的な中長期の安全性を有する地盤材料となっていることが示されている。

また、本発明では、前記の製造方法により製造されたリサイクル地盤材料を用い、該地盤材は、通過質量百分率１０％の粒径Ｄ₁₀で粒径が２．０ｍｍ以上、Ｄ₆₀で８．０ｍｍ以上であり、液状化を抑止または、抑制することを可能とする地盤材料とするものである。

図６に示すように、本リサイクル地盤材料を用い、締固め度９０％以上とすると、液状化抵抗率Ｆ_L≧１以上となり、液状化は発生しない。

また、地表面沈下量Ｓ（ｃｍ）は、図７に示すように、層厚さＨ＝２０ｍにおいて、Ｓ≦１ｃｍ以下の微小沈下量である。

造粒処理は、赤土粗粒土と石炭灰飛灰を混合したリサイクル地盤材料を使いやすい粒度に調整するとともに、液状化の発生を抑制する粒度とするためである。本発明では、液状化の発生を抑制する効果を発揮する粒度を特定したことを特徴とするものである。

該造粒処理には、市販されている造粒機械を使用できる。例えば、北川鉄工所社製のモバイル型混練り造粒機械などでも良い。さらに、加振装置付きの造粒機械が好ましい。

造粒処理による処理材は、粒径０．０７５ｍｍ〜７５ｍｍの粗粒分９８％、粒径０．０７５ｍｍ未満の細粒分２％程度とすることが好ましい。
また、本発明では、前記の固化材（普通ポルトランドセメント及び高炉スラグ微粉末）の添加量が３５％〜５０％であることを特徴とするリサイクル路盤材料とするものである。

図８に示すように、舗装路盤材料として必要な基準値であるすりへり減量が５０（％）以下となるのは、固化材の添加量は、３５％以上であることが示されている。

本発明では、以下の効果を奏する。

１）赤土粗粒土及び石炭灰飛灰を有効にリサイクルできる。

２）廃棄物中に含まれる多種類の有害物質を同時に低減化できる。

３）路盤材料や埋戻し材料としての強度、性能にかかわる基準値をクリアできるリサイクル地盤材料を実現できる。

４）地下水位が高く、地震時に液状化の可能性のある地域でも埋戻し材料として使用可能であるリサイクル地盤材料を実現できる。

５）安全性、信頼性の高いリサイクル地盤材料を提供できる。

６）赤土粗粒土の吸着作用を活用した重金属類の低減化処理を実現できる。

７）赤土粗粒土の低減化作用と固化材、及び高炉スラグ微粉末の固定・不溶化作用を活用した効果的な重金属類の低減化処理を実現できる。

８）重金属を含有する産業廃棄物において、特別な化学薬品を必要とせずに重金属類の低減化処理を実現できる。

９）厳しい寒暖や乾湿繰り返し等の過酷な気象の変化に対応できるリサイクル地盤材料を実現できる。

１０）酸性雨やアルカリ性汚染水による地盤環境汚染に対応できるリサイクル地盤材料を実現できる。

１１）舗装路盤材料として、その基準となるすりへり減量を満たす舗装路盤材料を提供できる。

本発明によるリサイクル地盤材料の製造方法を示す概略図である。 本発明による湿式ふるい工程を示す概略図である。 本発明によるリサイクル地盤材料を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料の粒度分布図である。 本発明によるリサイクル地盤材料の液状化強度曲線を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料による液状化抵抗率を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料における地震時の地表面沈下量を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるすりへり減量を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるコーン指数を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料の繰返し乾湿圧縮試験手順を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料による乾湿圧縮試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるカラム通水試験概要を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料による六価クロムのカラム通水試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるふっ素のカラム通水試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるほう素のカラム通水試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるセレンのカラム通水試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料による乾湿繰り返し溶出試験概要を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料による乾湿繰り返し溶出試験フローを示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料による六価クロムの乾湿繰り返し溶出試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるふっ素の乾湿繰り返し溶出試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるセレンの乾湿繰り返し溶出試験結果を示す図である。 本発明によるリサイクル地盤材料によるほう素の乾湿繰り返し溶出試験結果を示す図である。

本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明によるリサイクル地盤材料の製造方法を示す概略図である。

最初に赤土（国頭マージ土）粗粒土の汚泥１を採取し、湿式ふるい２(図２参照）にかけた。採取した赤土汚泥１を開き目２ｍｍのふるい網の上に広げ、水流でふるい分けを行った。

２ｍｍ以上の砂礫粒子は、さらに２０ｍｍ以上の礫粒子を除いて赤土粗粒土３とし造粒材の材料とした。

尚、２ｍｍ以下の粒子は沈殿槽でシルト・粘土分を沈殿させて分離した。粘土分を含む泥水は、無機系凝集剤 (PAC) を加え、槽内でスラリー化した。そしてスラリー化した泥水はプレス式脱水機で脱水処理を施して処理し、脱水汚泥ケーキとして別途保管した。

造粒処理に用いた造粒機４は、小型ペレガイアを使用した。また、含水状態をモニタリングするため、簡易な含水率測定器を使用した。造粒材に用いた材料は、前記の粒径（ｍｍ）が２〜２０ｍｍの砂礫粒子からなる赤土粗粒土３、石炭灰５、高炉スラグ６、普通ポルトランドセメント７である。

１）赤土粗粒土３と石炭灰飛灰５を造粒機４に入れ、６０秒混合する。
２）高炉スラグ微粉末６及び普通ポルトランドセメント７を投入し、調整用の水（水固体重量比が２０〜２３％）を加えて１２０秒撹拌する。
３）造粒機４を操作し、造粒を開始する（６０秒）。
４）造粒機４を操作し、整粒を開始する（３０秒）。
５）製造された造粒材は、空気中に置いて約１週間養生する。
６）リサイクル地盤材８が出来上がる。（図３）

本造粒処理における混合割合は、
赤土粗粒土 ３４％
石炭灰飛灰 ３０％
普通ポルトランドセメント １８％
高炉スラグ微粉末 １８％
とした。

〔試験例１〕
出来上がったリサイクル地盤材料の粒度試験をおこなった。図４に示すように通過質量百分率：Ｄ₁₀で粒径が２．０ｍｍ以上、Ｄ₆₀で８．０ｍｍ以上であった。

〔試験例２〕
次に、前記のリサイクル地盤材料の液状化試験を行った。
液状化試験に用いたリサイクル地盤材の試料は、図５の液状化強度曲線図に示すように、（１）は締固め度90％以上の密詰め供試体の試料であり、（２）は、締固めなしの緩詰め試料となっている。
このような締固め状態における応力振幅比σd/2σ'o と繰返し回数Nc を求めるに当たり、地震時における液状化発生の繰返し回数Nc をマグニチュードM=6.75 に相当するNc =Neq=10 と仮定した場合、（１）ではσd/2σ'o≒0.65〜0.67，（２）では、σd/2σ'o≒0.25 となる．

液状化特性で求めた応力振幅比σd/2σ'o を用い，地下水位が高い地域に本リサイクル地盤材料を埋立て材料に使用した場合を想定して地震時の液状化発生の程度を検討した。検討では、地震時における本リサイクル地盤材料の液状化抵抗率Ｆ_Ｌと地表面沈下量Ｓの推定を試算した。

図６に液状化抵抗率を示す。この図より、リサイクル地盤材料による埋立て地盤の最小液状化抵抗率Ｆ_Ｌは、地表面において、Ｆ_Ｌ=1.12 となる。
また、リサイクル地盤材料は、密詰め状態、つまり、十分な締固めを行えばマグニチュードM≒6.8 の地震加速度α＝250Gal に耐えることが可能となる。
なお、マグニチュードM≒6.8 及び、地震加速度α＝250Gal は、気象庁が定義した震度階Ｖの強震に相当する地震である。

図７は、地震時の地表面沈下量Ｓ（ｃｍ）を示す図である。リサイクル地盤材料地層の密詰め状態のせん断ひずみγ_a=2〜3%及び、緩詰め状態のせん断ひずみγ_a≧10%以上に対応する体積減少率ε_vを用いて、埋立て飽和地盤の地震時の地表面沈下量Ｓ（ｃｍ）を検討した。
その結果を図７に示すが密詰め礫材の地表面沈下量Ｓ（ｃｍ）は、層厚さＨ＝２０ｍの場合にＳ≒１ｃｍの微小沈下量となり、緩詰め礫材の沈下量Ｓ≒１００ｃｍと比較すると１／１００に減少する。

図８は、固化材添加比とすりへり減量との関係を示す図である。

すりへり減量試験は、リサイクル地盤材料を上層路盤材（粒度調整砕石）に使用する場合に求められる試験である。

なお、リサイクル地盤材料のすりへり減量は次の式によって求める。

Ｒ＝（（Ｗ₁＋Ｗ₂）／Ｗ₁）×１００ 式（１）

ここに、Ｒ：すりへり減量（％）、Ｗ₁：試験前の試料質量（ｇ）、Ｗ₂：試験後に１．７ｍｍふるいに残留した試料の質量とする。

式固化材（BF＋PC）及び、石炭灰飛灰FAと式（１）より求めたすりへり減量Ｒとの関係では、固化材の増加に伴ってすり減り減量が減少し、かつ、固化材の添加比≧３５％以上で規格値以内になることが分かった。また、石炭灰飛灰FAの添加比が増えるとすりへり減量が増加する傾向にある。よって、石炭灰の添加比はFA≦３０％以下が適当である。

図９は、コーン貫入試験結果を示す図である。

コーン貫入試験は、リサイクル地盤材料を改良土としての埋戻土等に使用する場合に求められる試験である。

コーン貫入試験から求まるリサイクル地盤材料のコーン指数ｑ_cは、図９より、すべての試料において、ｑ_cは８００ｋＮ／ｍ²の基準値以上を確保している。そのことから、埋戻し土などに用いることが可能である。

図１０は、リサイクル地盤材料の繰返し乾湿圧縮試験手順を示す図である。

なお、乾湿繰返しによる一次元の圧縮量ε_N（％）は、以下の式によって求めた。

ε_N＝（Ｓ_N／Ｈ₀）×１００ 式（２）

ここに、Ｓ_N：乾湿繰返しサイクルＮ回後の一次元圧縮沈下量（ｃｍ）、Ｈ₀：供試体の初期高さ（１２．５ｃｍ）、Ｗ₂：試験後に１．７ｍｍふるいに残留する試料の質量とする。

リサイクル地盤材料の乾湿繰返しに伴う一次元圧縮量ε_N（％）の変化を図１１に示す。なお、試料は、粒径φ37.5mm〜φ19mm及びφ9.5mm〜φ4.75mmに調整した２種類を用いた。乾湿繰返し回数Ncに伴う一次元の圧縮ひずみε_d1は、圧縮荷重P_v＝１kgf/ｃｍ²に対してε_d1≒０．８％となり、乾湿繰り返しに対して安定していることが判明した。

図１２は、本発明によるリサイクル地盤材料によるカラム通水試験概要を示す図である。

カラム通水試験は、リサイクル地盤材料が地盤環境中において、酸性雨やアルカリ汚染水などの地下水環境の変動によって材料が中長期的な影響を受けることを想定した試験として行うものである。その試験手順は図１２のように行う。

通水液はpH4の酸性液と、pH12のアルカリ性液の２種類で実施した。

図１３〜図１６にカラム試験結果を示す。図１３は、六価クロムCr(６)のカラム通水試験結果であり、図１４はふっ素Ｆのカラム通水試験結果であり、図１５は、ほう素Ｂのカラム通水試験結果であり、図１６は、セレンＳｅのカラム通水試験結果である。

六価クロムCr(６)、セレンSe、ふっ素F、ほう素B の重金属は、すべての液固比Ｌ／Ｓにおいて溶出量が環境基準値以下となった。

図１７は、本発明によるリサイクル地盤材料による乾湿繰り返し溶出試験概要を示す図であり、図１８は、その乾湿繰り返し溶出試験フローを示す図である。

乾湿繰返し溶出試験は、厳しい気候の変動等の自然環境下にある場合を想定し、リサイクル地盤材料の乾燥・湿潤繰返し試験として行うものである。その試験手順は図１７、図１８のように行う。

乾湿繰返し溶出試験結果を図１９〜図２２に示す。図１９は、六価クロムCr(６)の乾湿繰返し溶出試験結果であり、図２０は、ふっ素Fの乾湿繰返し溶出試験結果であり、図２１は、セレンSeの乾湿繰返し溶出試験結果であり、図２２は、ほう素Bの乾湿繰返し溶出試験結果である。

繰返し回数が３２回においても、六価クロムCr(６）、セレンSe、ふっ素F、ほう素B のいずれの重金属においても、環境基準値以下となった。

１ 赤土（国頭マージ土）粗粒土の汚泥
２ 湿式ふるい
３ 赤土粗粒土
４ 造粒機
５ 石炭灰飛灰
６ 高炉スラグ微粉末
７ 普通ポルトランドセメント
８ リサイクル地盤材料

Claims (2)

1. 赤土泥状土から得た粒径２〜２０ｍｍの赤土粗粒土を３４重量％
   石炭灰飛灰を３０重量％、
   普通ポルトランドセメントを１８重量％、
   高炉スラグ微粉末を１８重量％、
   水を前記固体の総重量に対して２０〜２３％、
   の各割合で混合して得たことを特徴とするリサイクル地盤材料。
2. 赤土泥状土から得た粒径２〜２０ｍｍの赤土粗粒土３４重量％と石炭灰飛灰３０重量％とを混合して造粒したのち、普通ポルトランドセメント１８重量％、高炉スラグ微粉末１８重量％、及び、前記固体の総重量に対して２０〜２３％の水、を加え、１２０秒間攪拌して造粒した
   ことを特徴とするリサイクル地盤材料の製造方法。