JP5515329B2 - セメントクリンカー、セメント系固化材、土壌の固化処理方法及びセメントクリンカーの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、セメントクリンカー、セメント系固化材、土壌の固化処理方法及びセメントクリンカーの製造方法に関する。
セメントクリンカーは、石灰石、粘土、硅石、鉄原料等の主原料をキルン中で高温焼成することによって製造される。セメントクリンカーの製造においては、それらの主原料だけでなく、各種産業副産物や産業廃棄物などが原料として有効に利用されている。その反面、原料の選択によっては、セメントクリンカー中にはクロム（Ｃｒ）や鉛（Ｐｂ）等の重金属類が少量持ち込まれることがある。このクロムは高温焼成されるセメントクリンカー中では有害な六価クロムの形態で存在する場合がある。
このようなセメントクリンカーを使用した場合、モルタル硬化体やコンクリート硬化体からの六価クロム溶出量は極めて少ないものの、セメント系固化材として使用する場合、土壌の種類、配合条件、セメント系固化材の種類によっては、固化処理土からの六価クロムの溶出量が多くなることがある（例えば、非特許文献１）。特に、関東ローム等の火山灰質粘性土を固化処理の対象とした場合には、六価クロム溶出量が環境基準値（０．０５ｍｇ/Ｌ以下）を上回ることがある（例えば、特許文献１、特許文献２）。これは、火山灰質粘性土中にカルシウムイオンを多量に吸着する粘土鉱物（アロフェンなどの非晶質粘土鉱物）が含まれており、これによってセメントクリンカー本来の水和反応が阻害されるためと考えられている（非特許文献２）。
これまで、固化処理土からの六価クロム溶出対策技術としては、六価クロムを三価クロムに還元する作用のある高炉スラグや硫酸第一鉄をセメントクリンカーに添加することが知られている（例えば、特許文献１、特許文献３、特許文献４）。また、その他にも、亜硫酸塩、チオ硫酸塩、硫化物等の還元性物質を主成分とする六価クロム溶出低減剤が提案されている（例えば、特許文献５）。このうち、高炉スラグは還元雰囲気で副生する副産物であるため、還元性を有する硫化物硫黄が一部存在（Ｓ２−）しているが、その溶解量は多いものではないことが知られている（例えば、非特許文献３）。
各種産業副産物や産業廃棄物の有効利用を促進しつつ、六価クロム溶出量を確実に低減するためには、セメントクリンカー中の六価クロム含有量を減らすことも必要である。その手法としては、例えば、セメントクリンカー製造時にセメントクリンカー粒子の内部及びその表面付近の酸素分圧を適度な条件にすることにより、還元性を有する硫化物硫黄を適量に含有させること（特許文献６）、セメントクリンカーの焼成工程で可燃物による還元作用を利用し、セメントクリンカー中の六価クロム含有量を減らす方法（特許文献７）がある。また、キルンバーナーの角度や設置位置、補助バーナーの角度や設置位置を調整して、セメントクリンカーを炎膜焼成することにより、全クロム含有量に対する六価クロム生成割合を低減する製造方法（特許文献８）等が提案されている。
高橋 茂、「セメントに含まれる微量成分の環境への影響」、セメント・コンクリート、Ｎｏ．６４０、ｐ．２０−２９（２０００）
後藤年芳他、関東ロームの安定処理について、土質工学シンポジウム発表会論文集、ｐ.７１−７５（１９９１）
盛岡 実他、「高炉徐冷スラグの還元効果とその機構」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｉｎｏｒｇａｎｉｃ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｊａｐａｎ １２，ｐ．４０８−４１５（２００５）
しかし、例えば、固化処理土からの六価クロム溶出量を環境基準値以下に抑えるために、特許文献１等で用いられている高炉スラグをセメントクリンカーに多量に添加すると、固化処理土の強度発現性が低くなるという事情があった。特に、関東ローム等のような土壌を固化処理する場合、固化処理土からの六価クロム溶出量を環境基準値以下に抑えるには、高炉スラグの添加量が多くなり、固化処理土の強度が低下することになる。
また、特許文献１等で用いられている硫酸第一鉄は、少量添加で還元効果が得られるため、固化処理土の強度発現性は低下しないものの、その材料の入手や専用サイロに費用が嵩むという事情や、空気酸化されやすいためその還元作用が失われやすいという事情がある。同様に、特許文献５で用いられている亜硫酸塩やチオ硫酸塩等の還元性物質を主成分とする材料は高価であり、そのセメント系固化材の製造原価が高くなるという事情がある。したがって、六価クロム溶出抑制効果と製造原価の両面から見れば、高炉スラグ微粉末を添加したセメント系固化材が、コストパフォーマンスが高く実用性に優れている。
さらに、特許文献７及び特許文献８のように、セメントクリンカーの焼成雰囲気を還元雰囲気に制御し、セメントクリンカー中の硫化物硫黄の含有量や六価クロム生成量を制御する方法では、過度な還元雰囲気において遊離石灰量が多くなり、セメント本来の品質が低下する恐れがある。また、特許文献６では、セメントクリンカー製造時にクロム含有量の少ない原燃料や煉瓦を使用しクロム含有量を減らすことが提案されているものの、セメントクリンカー焼成工程で有害な六価クロムが生成される量を減らす具体的な手法は何ら提案されていない。
また、上述の手法では、原料コストが高くなるとともに高価な耐火煉瓦を使用することになるため、セメントの製造原価が上がってしまうという事情もある。つまり、セメントの製造原価を上げずに、セメントクリンカー中の全クロム含有量を減らすことができるセメントクリンカー組成やその製造方法については未だに見出されていないのが現状である。また、セメント系固化材に用いるセメントクリンカー中の全クロム含有量及び六価クロム含有量の適正な範囲等についても明らかではない。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高炉スラグ微粉末を多量に添加しなくても六価クロム溶出量を確実に低減しつつ、固化処理土に優れた強度を発現させることが可能であり、かつ製造原価の低減が可能なセメントクリンカー、セメント系固化材、土壌の固化処理方法及びセメントクリンカーの製造方法を提供することを目的とする。
本発明者等は、上述の目的を達成するために鋭意検討した結果、セメント系固化材に用いるセメントクリンカーの諸率が、固化処理土からの六価クロムの溶出比、固化処理土の強度発現性に関係することを見出し、本発明を完成するに至った。
即ち、本発明は、水硬率（ＨＭ）が２．２０〜２．３５、ケイ酸率（ＳＭ）が２．５０〜２．９０及び鉄率（ＩＭ）が２．５０〜３．５０であり、かつ、全クロム含有量が３０〜７０ｍｇ／ｋｇであるセメントクリンカーを提供する。
上述の組成を有するセメントクリンカーは、セメント系固化材に高炉スラグ微粉末を多量に添加しなくても、固化処理土からの六価クロム溶出量を確実に低減しつつ、固化処理土に優れた強度を発現させることが可能であり、かつ製造原価も低減することができる。
また、上記セメントクリンカーの六価クロム含有量は、２０〜４５ｍｇ／ｋｇあることが好ましい。これによって、セメントクリンカー原料としての産業副産物及び産業廃棄物の使用量を減らさなくても、固化処理土からの六価クロム溶出量を十分に低減することが可能となり、環境基準値（０．０５ｍｇ／Ｌ以下）よりも十分に低い溶出量にすることもできる。
また、本発明のセメントクリンカー１トン当たりの原料原単位は、石灰石が１１００〜１３００ｋｇ、石炭灰が１５０〜４００ｋｇ、建設発生土が１０〜１００ｋｇ及び下水汚泥が１０〜５０ｋｇであり、セメントクリンカー中のＡｌ２Ｏ３含有量が５．０〜７．０質量％及びＦｅ２Ｏ３含有量が１．４〜２．８質量％であることが好ましい。
また、本発明は、上記セメントクリンカー１００質量部に対して、石膏を５〜３０質量部及び高炉スラグを１０〜１００質量部を含む、セメント系固化材を提供する。
上記本発明のセメント系固化材は、セメント系固化材に高炉スラグ微粉末を多量に添加しなくても、固化処理土からの六価クロム溶出量を確実に低減しつつ、固化処理土に優れた強度を発現させることが可能であり、かつ製造原価も低減することができる。
また、本発明は、上記セメント系固化材と、土壌と、を混合する工程を有する、土壌の固化処理方法であって、前記工程では上記土壌１ｍ３に対して上記セメント系固化材を１００〜３００ｋｇ混合する、土壌の固化処理方法を提供する。
上述の土壌の固化処理方法によれば、セメント系固化材に高炉スラグ微粉末を多量に添加しなくても、固化処理土からの六価クロム溶出量を確実に低減しつつ、固化処理土に優れた強度を発現させることが可能であり、かつ処理コストも低減することができる。
本発明はまた、石灰石、石炭灰、建設発生土及び下水汚泥を所定の配合比で調合する混合工程を有するセメントクリンカーの製造方法であって、上記混合工程において、上記セメントクリンカーの水硬率（ＨＭ）が２．２０〜２．３５、ケイ酸率（ＳＭ）が２．５０〜２．９０及び鉄率（ＩＭ）が２．５０〜３．５０となるように上記配合比を調整する、セメントクリンカーの製造方法を提供する。
上述のセメントクリンカーの製造方法によれば、セメント系固化材に高炉スラグ微粉末を多量に添加しなくても、固化処理土からの六価クロム溶出量を確実に低減しつつ、固化処理土に優れた強度を発現させることが可能であり、かつ製造原価も低減することができる。
本発明のセメントクリンカーの製造方法では、上記混合工程において、セメントクリンカーを１トン製造するに当たり、石灰石を１１００〜１３００ｋｇ、石炭灰を１５０〜４００ｋｇ、建設発生土を１０〜１００ｋｇ及び下水汚泥を１０〜５０ｋｇの配合比で調合することが好ましい。これによって、固化処理土の強度発現性に優れるとともに、固化処理土からの六価クロム溶出量と製造原価を十分に低減可能なセメントクリンカーを容易に製造することができる。
また、上記混合工程において、セメントクリンカーのＡｌ２Ｏ３含有量が５．０〜７．０質量％及びＦｅ２Ｏ３含有量が１．４〜２．８質量％となるように上記配合比を調整することが好ましい。これによって、固化処理土の強度発現性に優れるとともに、固化処理土からの六価クロム溶出量と製造原価を十分に低減可能なセメントクリンカーを一層容易に製造することができる。
本発明により、高炉スラグ微粉末を多量に添加しなくても六価クロム溶出量を確実に低減しつつ、固化処理土に優れた強度を発現させることが可能であり、かつ製造原価の低減が可能なセメントクリンカー、セメント系固化材、土壌の固化処理方法及びセメントクリンカーの製造方法を提供することができる。
以下、本発明に係るセメントクリンカー、セメント系固化材、土壌の固化処理方法及びセメントクリンカーの製造方法の好適な実施形態について詳細に説明する。
本実施形態のセメントクリンカーは、水硬率（ＨＭ）が２．２０〜２．３５、ケイ酸率（ＳＭ）が２．５０〜２．９０及び鉄率（ＩＭ）が２．５０〜３．５０であり、かつ全クロム含有量が３０〜７０ｍｇ／ｋｇである。
セメントクリンカーの水硬率（ＨＭ）は、以下の式（１）で算出される。上記セメントクリンカーの水硬率（ＨＭ）は、２．２０〜２．３５である。２．２０未満では、軟弱地盤を改良する場合に所定の強度が得られにくくなり、２．３５を超えるとセメントクリンカーの易焼成性が低下する。水硬率（ＨＭ）は、好ましくは２．２２〜２．３０であり、より好ましくは２．２４〜２．２９である。
ＨＭ＝ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（１）
ＨＭ＝ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（１）
セメントクリンカーのケイ酸率（ＳＭ）は、以下の式（２）で算出される。上記セメントクリンカーのケイ酸率（ＳＭ）は、２．５０〜２．９０である。２．５０未満では適正な組成のセメントクリンカーが得られ難くなり、２．９０を超えるとセメントクリンカーの製造原価が上がってしまう。ケイ酸率（ＳＭ）は、好ましくは２．５５〜２．８０であり、より好ましくは２．６０〜２．７５である。
ＳＭ＝ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（２）
ＳＭ＝ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（２）
セメントクリンカーの鉄率（ＩＭ）は、以下の式（３）で算出される。上記セメントクリンカーの鉄率（ＩＭ）は、２．５０〜３．５０である。２．５０未満では全クロム含有量の低減効果が小さくなる。六価クロム溶出抑制を向上させる観点から、鉄率（ＩＭ）は可能な限り高いことが望ましいが、鉄率（ＩＭ）が３．５０を超えると原料調合が困難となる。鉄率（ＩＭ）は、好ましくは２．７０〜３．４０であり、より好ましくは２．８０〜３．３０である。
ＩＭ＝Ａｌ２Ｏ３／Ｆｅ２Ｏ３・・・（３）
ＩＭ＝Ａｌ２Ｏ３／Ｆｅ２Ｏ３・・・（３）
本実施形態のセメントクリンカーは、全クロム含有量が３０〜７０ｍｇ／ｋｇである。ここで、全クロム含有量とは、セメントクリンカー中に含まれる三価クロムや六価クロム等の価数の異なる全てのクロムの合計含有量をいう。
全クロム含有量は、可能な限り少ないことが好ましい。ただし、セメントクリンカーにおける全クロム含有量が３０ｍｇ／ｋｇ未満になると、産業副産物及び産業廃棄物のセメントクリンカー原料としての調合量が少なくなり、セメントクリンカーの製造原価が上がってしまう。一方、セメントクリンカーにおける全クロム含有量が７０ｍｇ／ｋｇを超えると、関東ローム等のような火山灰質粘性土を固化処理する場合に、固化処理条件によっては固化処理土からの六価クロム溶出量が増大する恐れがある。セメントクリンカーにおける全クロム含有量は、十分に低い製造原価及び十分に低い六価クロム溶出量を両立させる観点から、好ましくは４０〜６５ｍｇ／ｋｇであり、より好ましくは４３〜６２ｍｇ／ｋｇである。
セメントクリンカーにおける六価クロム含有量は、２０〜４５ｍｇ／ｋｇであることが好ましい。全クロム含有量と同様に、六価クロム含有量はできるだけ少ないことが好ましいが、セメントクリンカーにおける六価クロム含有量が２０ｍｇ／ｋｇ未満では、セメントクリンカー原料に使用できる産業副産物及び産業廃棄物の量が少なくなり、製造原価が上がる傾向がある。一方、セメントクリンカーにおける六価クロム含有量が４５ｍｇ／ｋｇを超えると、関東ローム等のような火山灰質粘性土を固化処理する場合に、固化処理条件によっては固化処理土からの六価クロム溶出量が増大する傾向がある。セメントクリンカーにおける六価クロム含有量は、十分に低い製造原価及び十分に低い六価クロム溶出量を両立させる観点から、好ましくは２５〜４０ｍｇ／ｋｇであり、より好ましくは３０〜３５ｍｇ／ｋｇである。
セメントクリンカー１トン当たりの原料原単位は、石灰石が１１００〜１３００ｋｇ、石炭灰が１５０〜４００ｋｇ、建設発生土が１０〜１００ｋｇ及び下水汚泥が１０〜５０ｋｇであることが好ましい。ここで、セメントクリンカー１トン当たりの原料原単位とは、セメントクリンカーを１トン製造するための原材料の調合量を意味する。
本実施形態におけるセメントクリンカーの製造方法は、石灰石、石炭灰、建設発生土及び下水汚泥を所定の配合比で調合する混合工程を有し、上記混合工程において、上記セメントクリンカーの水硬率（ＨＭ）が２．２０〜２．３５、ケイ酸率（ＳＭ）が２．５０〜２．９０及び鉄率（ＩＭ）が２．５０〜３．５０となるように配合比を調整するものである。
上述のとおり、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）及び鉄率（ＩＭ）は、上記式（１）〜（３）により算出される値であり、セメントクリンカーに含まれるＡｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＣａＯの量で決定される。よって、セメントクリンカーを製造する際に、石灰石、石炭灰、建設発生土及び下水汚泥におけるＡｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３、ＳｉＯ２及びＣａＯの含有量を分析し、その分析結果に基づいて、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）及び鉄率（ＩＭ）が上記所定の範囲となるように、石灰石、石炭灰、建設発生土及び下水汚泥の配合比を調整することが好ましい。
上記混合工程において、セメントクリンカーを１トン製造するに当たり、石灰石を１１００〜１３００ｋｇ、石炭灰を１５０〜４００ｋｇ、建設発生土を１０〜１００ｋｇ及び下水汚泥を１０〜５０ｋｇの配合比で調合することが好ましい。
また、上記混合工程において、セメントクリンカー中のＡｌ２Ｏ３含有量が５．０〜７．０質量％及びＦｅ２Ｏ３含有量が１．４〜２．８質量％となるように、石灰石、石炭灰、建設発生土及び下水汚泥の配合比を調整することが好ましい。
本実施形態のセメントクリンカーは、セメントクリンカー製造時の石炭灰の調合量が、通常のポルトランドセメントクリンカーと比べて多いことが特徴の一つである。石炭灰の種類は特に限定されるものではなく、例えば、石炭火力発電所等から発生するものであり、フライアッシュ、ボトムアッシュ等が使用できる。
上記セメントクリンカーを１トン製造するために用いる石炭灰の調合量は、好ましくは１５０〜４００ｋｇである。石炭灰の調合量は、１５０ｋｇ未満では、製造原価が上昇するとともに、セメントクリンカーの鉄率（ＩＭ）が過小となる傾向があり、４００ｋｇを超えると原料調合が難しくなる傾向がある。石炭灰調合量は、より好ましくは１８０〜３６５ｋｇであり、さらに好ましくは２１０〜３３０ｋｇである。
上記セメントクリンカー１トン当たりの石灰石の調合量は、好ましくは１１００〜１３００ｋｇである。石灰石の調合量が１１００ｋｇ未満になると、所定の水硬率が得られにくくなり、１３００ｋｇを超えると易焼成性が著しく低下する。石灰石の調合量は、より好ましくは１１７０〜１２９０ｋｇであり、さらに好ましくは１２３０〜１２８０ｋｇである。
上記セメントクリンカー１トン当たりの建設発生土の調合量は、好ましくは１０〜１００ｋｇである。なお、上記建設発生土としては、例えば、建築工事や土木工事などにおいて副産物として発生する土壌などが挙げられる。
上記セメントクリンカー１トン当たりの下水汚泥の調合量は、好ましくは１０〜５０ｋｇである。
また上記セメントクリンカーは、その原料原単位を上述のとおりとし、Ａｌ２Ｏ３含有量を５．０〜７．０質量％及びＦｅ２Ｏ３含有量を１．４〜２．８質量％にすることが好ましい。
上記セメントクリンカー中のＡｌ２Ｏ３含有量が５．０質量％未満になると、全クロム含有量を十分に低減することが困難となる傾向があり、７．０質量％を超えると原料の調達及び原料調合が困難になる傾向がある。Ａｌ２Ｏ３含有量は、より好ましくは５．５〜６．５質量％であり、さらに好ましくは５．７〜６．３質量％である。
また、上記セメントクリンカー中のＦｅ２Ｏ３含有量が１．４質量％未満に制御することが難しく、かつ製造原価が上昇する。一方、Ｆｅ２Ｏ３含有量が２．８質量％を超えると、上記式（３）からＡｌ２Ｏ３含有量を７．０質量％とする必要がある。この場合、原料の調達及び原料調合が難しくなるとともに、セメントクリンカー中の液相生成量が多くなって、製造上の不都合が発生し易くなる傾向がある。セメントクリンカー中のＦｅ２Ｏ３含有量は、より好ましくは１．６〜２．６質量％であり、さらに好ましくは１．８〜２．４質量％である。
次に、セメント系固化材の好適な実施形態について説明する。本実施形態のセメント系固化材は、上記セメントクリンカー１００質量部に対して、石膏５〜３０質量部及び高炉スラグ１０〜１００質量部を含む。セメント系固化材における石膏の質量割合が５質量部未満では、固化処理土の強度発現性が保たれ難くなる傾向がある。なお、セメント系固化材における石膏の質量割合が増えるほど、固化処理土の強度発現性は向上する傾向があるが、３０質量部を超えると、その添加効果がほとんど得られなくなる。セメント系固化材における石膏の質量割合は、好ましくは１０〜２５質量部であり、より好ましくは１５〜２０質量部である。
上記セメント系固化材に使用される石膏の形態は、特に限定されるものでなく、二水塩、半水塩、無水塩のいずれも使用可能である。セメント系固化材をスラリー工法で使用する場合には、二水塩又は無水塩を用いることが好ましい。
また、高炉スラグは還元性を有する硫化物硫黄を含有するため、六価クロムを三価クロムに還元する作用を有する。本実施形態のセメント系固化材では所定の組成を有することにより、硫化物硫黄の含有が少ない高炉スラグを有効に活用できる点で優れている。
セメント系固化材における高炉スラグの質量割合が１０質量部未満になると、関東ロームのような火山灰質粘性土を処理する場合、六価クロム溶出量を十分に低減することが難しくなる。一方、セメント系固化材における高炉スラグの質量割合が１００質量部を超えると、固化処理土の所定強度が得られにくくなる。高炉スラグの質量割合は、好ましくは２０〜９０質量部であり、より好ましくは３０〜８０質量部である。
本実施形態のセメント系固化材は、例えば、セメントクリンカー、石膏及び高炉スラグについて混合と粉砕とを同時に行って製造してもよく、セメントクリンカーと石膏とを粉砕したセメント組成物に対して、事前に粉砕された高炉スラグ微粉末を後から混合して製造してもよい。粉砕機としてはボールミル、竪型ミル、振動ミル等を使用できるが、混合と粉砕を同時に行う場合には、例えばボールミルを使用すればよい。
また、本実施形態のセメント系固化材のブレーン比表面積は、好ましくは２５００〜５０００ｃｍ２／ｇであり、より好ましくは、２８００〜４８００ｃｍ２／ｇであり、さらに好ましくは、３０００〜４６００ｃｍ２／ｇである。
次に、土壌の固化処理方法の好適な実施形態について説明する。本実施形態の土壌の固化処理方法は、上記のセメント系固化材と、土壌と、を混合する工程を備え、上記土壌１ｍ３に対して上記セメント系固化材を１００〜３００ｋｇ混合するものである。
本実施形態の土壌の固化処理方法により得られる固化処理土における、六価クロム溶出の抑制効果を示す指標の一つとして、下記の式（４）の「六価クロム溶出比」を用いることができる。この数値が小さいほど、六価クロム溶出の抑制効果が高いことを示す。本実施形態の土壌の固化処理方法により得られる固化処理土は、六価クロム溶出比を、例えば、１．５以下に低減することができる。
六価クロム溶出比＝固化処理土から溶出した六価クロム量（ｍｇ／Ｌ）×１０３／セメントクリンカー中の六価クロム含有量（ｍｇ／ｋｇ）・・・（４）
六価クロム溶出比＝固化処理土から溶出した六価クロム量（ｍｇ／Ｌ）×１０３／セメントクリンカー中の六価クロム含有量（ｍｇ／ｋｇ）・・・（４）
上述の土壌の固化処理方法によって得られる固化処理土は、優れた強度発現性を有する。固化処理土の強度発現性は、「一軸圧縮強さ」により評価することができ、ＪＩＳ Ａ １２１６「土の一軸圧縮試験方法」により測定できる。軟弱地盤を改良するための一軸圧縮強さの指標としては、７００ｋＮ／ｍ２以上であればよい。
以下に、実施例を用いて本発明を詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
（実施例１〜２及び比較例１〜２）
［セメントクリンカーの製造］
まず、各実施例及び各比較例で使用するセメントクリンカーの原料（石灰石、硅石、高炉ダスト、銅ガラミ、石炭灰、建設発生土、下水汚泥、脱鉄スラグ、焼却灰）の化学組成を求めた。各原料の化学組成を表１に示す。
［セメントクリンカーの製造］
まず、各実施例及び各比較例で使用するセメントクリンカーの原料（石灰石、硅石、高炉ダスト、銅ガラミ、石炭灰、建設発生土、下水汚泥、脱鉄スラグ、焼却灰）の化学組成を求めた。各原料の化学組成を表１に示す。
上述の原料を用いて、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）及び鉄率（ＩＭ）が所定の値となるように、原料原単位を調整して、実施例１〜２のセメントクリンカーＫ１、Ｋ２及び比較例１〜２のセメントクリンカーＫ３、Ｋ４をそれぞれ調製した。セメントクリンカーの調製は、具体的には以下の通りに行った。
まず、上述の原料を竪型ミルにて所定の粒度になるまで２５０〜３００℃で乾燥粉砕した。その後、乾燥粉砕した原料をサスペンションプレヒーター上部から送入し、プレヒーター中で予熱及び仮焼して、ロータリーキルン中で約１４５０℃の高温で焼成した。その後、クーラーで急冷することによりセメントクリンカーＫ１〜Ｋ４を調製した。
セメントクリンカーＫ１〜Ｋ４の原料原単位及び主要化学組成を表２及び表３に示す。なお、セメントクリンカーの化学組成は、ＪＩＳ Ｒ ５２０２：１９９９「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて測定した。また、ｆ．ＣａＯ量は、セメント協会標準試験方法のＪＣＡＳ Ｉ−０１：１９９７「遊離酸化カルシウムの定量方法」に準じて測定した。
上記表３のセメントクリンカーＫ１〜Ｋ４の化学組成を用いて、下記式（１）〜（３）により、水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）及び鉄率（ＩＭ）を算出した。その値を表４に示す。
ＨＭ＝ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（１）
ＳＭ＝ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（２）
ＩＭ＝Ａｌ２Ｏ３／Ｆｅ２Ｏ３・・・（３）
ＨＭ＝ＣａＯ／（ＳｉＯ２＋Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（１）
ＳＭ＝ＳｉＯ２／（Ａｌ２Ｏ３＋Ｆｅ２Ｏ３）・・・（２）
ＩＭ＝Ａｌ２Ｏ３／Ｆｅ２Ｏ３・・・（３）
表４に、セメントクリンカーＫ１〜Ｋ４中の全クロム含有量及び六価クロム含有量も併せて示す。セメントクリンカー中の全クロム含有量は、セメント協会標準試験方法のＪＣＡＳ Ｉ−５２「ＩＣＰ発光分光分析および電気加熱式原子吸光分析によるセメントの微量成分の分析方法」に準じて測定した。また、セメントクリンカー中の六価クロム含有量は、セメントクリンカーをｐＨ１３に調整したエチレンジアミン四酢酸二ナトリウム（ＥＤＴＡ）溶液中で溶解すると、セメントクリンカー中の三価クロムは水酸化クロム（Ｃｒ（ＯＨ）３）として沈殿（溶解度積（２２℃）：６．３×１０−３１）し、溶液中には六価クロムだけが残存するという性質を利用して測定した。なお、六価クロムの定量にはＩＣＰ発光分光分析装置を用いた。
表４のとおり、実施例１〜２のセメントクリンカーＫ１及びＫ２は、水硬率（ＨＭ）が２．２０〜２．３５、ケイ酸率（ＳＭ）が２．５０〜２．９０、鉄率（ＩＭ）が２．５０〜３．５０の範囲を満たしていた。一方、比較例１〜２のセメントクリンカーＫ３及びＫ４は、鉄率（ＩＭ）が２．５を下回っており、上記範囲を満たしていなかった。
また、表４のとおり、実施例１〜２のセメントクリンカーＫ１及びＫ２は、全クロム含有量が３０〜７０ｍｇ／ｋｇ、六価クロム含有量が２０〜４５ｍｇ／ｋｇの範囲を満たしていた。一方、比較例１〜２のセメントクリンカーＫ３及びＫ４は、全クロム含有量及び六価クロム含有量について、上記範囲を満たしていなかった。
（実施例３〜１０及び比較例３〜１０）
［セメント系固化材の調製及びその試験方法］
セメントクリンカーＫ１〜Ｋ４に、ＳＯ３量が２．９％±０．１％となるように排脱二水石膏を添加し、ボールミルを用いて混合及び粉砕することにより、混合原料を調製した。
［セメント系固化材の調製及びその試験方法］
セメントクリンカーＫ１〜Ｋ４に、ＳＯ３量が２．９％±０．１％となるように排脱二水石膏を添加し、ボールミルを用いて混合及び粉砕することにより、混合原料を調製した。
次いで、フッ酸無水石膏（セントラル硝子製、ＳＯ３量：５６．３６％，ブレーン比表面積：４４００ｃｍ２／ｇ）及び高炉スラグ微粉末（千葉リバーメント製、ＳＯ３量：２．０３％、硫化物硫黄含有量：０．７１質量％、ブレーン比表面積：４３２０ｃｍ２／ｇ）を、所定の割合で混合原料に添加混合して、セメント系固化材を調製した。このとき、セメント系固化材中のＳＯ３量が７．０±０．１％となるように、石膏割合を１０質量％（内割）で一定とし、セメントクリンカーを市販の高炉スラグ微粉末で置換して調製した。また、セメント系固化材のブレーン比表面積が、４４００±１００ｃｍ２／ｇとなるように調製した。
セメント系固化材中のＳＯ３量は、ＪＩＳ Ｒ ５２０２：１９９９「ポルトランドセメントの化学分析方法」に準じて測定した。ブレーン比表面積は、ＪＩＳ Ｒ ５２０１「セメントの物理試験方法」に従い、ブレーン空気透過装置を用いて測定した。
［固化処理土の製造］
固化処理用の土壌として、関東ローム（含水比：９６．８質量％）を準備した。この関東ローム１ｍ３に対して、セメント系固化材２００ｋｇを混合し、ホバートミキサーで３分間練り混ぜて混合物を調製した。この混合物を、直径５０ｍｍ×高さ１００ｍｍの円柱型枠内にランマーにて３層詰めした後、２０℃で所定材齢まで密封養生して供試体（固化処理土）を得た。
固化処理用の土壌として、関東ローム（含水比：９６．８質量％）を準備した。この関東ローム１ｍ３に対して、セメント系固化材２００ｋｇを混合し、ホバートミキサーで３分間練り混ぜて混合物を調製した。この混合物を、直径５０ｍｍ×高さ１００ｍｍの円柱型枠内にランマーにて３層詰めした後、２０℃で所定材齢まで密封養生して供試体（固化処理土）を得た。
材齢７日の供試体について、環境庁告示４６号（平成３年８月２３日）に則って溶出試験を行い、振とう後のろ液中の六価クロムを測定した。セメント系固化材を用いた場合の固化処理土からの六価クロム溶出量表５に示す。なお、下記式（４）で求められる「六価クロム溶出比」も併せて表５に示す。
六価クロム溶出比＝固化処理土から溶出した六価クロム量（ｍｇ／Ｌ×１０３）／セメントクリンカー中の六価クロム含有量（ｍｇ／ｋｇ）・・・（４）
六価クロム溶出比＝固化処理土から溶出した六価クロム量（ｍｇ／Ｌ×１０３）／セメントクリンカー中の六価クロム含有量（ｍｇ／ｋｇ）・・・（４）
また、供試体の材齢７日における一軸圧縮強さをＪＩＳ Ａ １２１６「土の一軸圧縮試験方法」に準じて測定した。各種セメント系固化材を用いた場合の固化処理土の一軸圧縮強さを併せて表５に示す。
表５に示すように、実施例３〜１０の固化処理土は、六価クロム溶出量が環境基準値（０．０５ｍｇ/Ｌ以下）を下回っていたが、比較例３〜８の固化処理土は、六価クロム溶出量が環境基準値を上回っていた。実施例及び比較例のいずれにおいても、セメントクリンカーに対する高炉スラグ微粉末の量が多くなると、固化処理土からの六価クロム溶出量が少なくなる傾向にあった。
また、実施例３〜１０で使用したセメントクリンカーＫ１及びＫ２を用いると、比較例３〜１０で使用したＫ３及びＫ４を用いる場合に比べて、六価クロム溶出比が小さくなっていた。さらに、セメントクリンカーＫ１及びＫ２を用いた実施例３〜１０のセメント系固化材では，比較例３〜１０のセメントクリンカーＫ３及びＫ４に比べてＡｌ２Ｏ３量が多いため、その一軸圧縮強さが高くなっていた。これは、固化処理土中のエトリンガイト（セメントの水和反応により生成される水和物）の生成量が多くなったためと考えられる。
比較例９〜１０では、高炉スラグ微粉末を増量することにより、六価クロム溶出量は環境基準値以下に抑制することができたが、固化処理土の一軸圧縮強さが７００ｋＮ／ｍ２以下になり、十分な強度を確保することができなかった。
Claims (8)
- 水硬率（ＨＭ）が２．２４〜２．３５、ケイ酸率（ＳＭ）が２．６０〜２．９０及び鉄率（ＩＭ）が２．８０〜３．５０であり、かつ全クロム含有量が３０〜７０ｍｇ／ｋｇ、六価クロム含有量が２０〜４５ｍｇ／ｋｇであるセメントクリンカー。
- 水硬率（ＨＭ）が２．２４〜２．２９、ケイ酸率（ＳＭ）が２．６０〜２．７５及び鉄率（ＩＭ）が２．８０〜３．４０であり、かつ全クロム含有量が４３〜６２ｍｇ／ｋｇ、六価クロム含有量が３０〜３５ｍｇ／ｋｇである請求項１に記載のセメントクリンカー。
- 前記セメントクリンカー１トン当たりの原料原単位は、石灰石が１１００〜１３００ｋｇ、石炭灰が１５０〜４００ｋｇ、建設発生土が１０〜１００ｋｇ及び下水汚泥が１０〜５０ｋｇであり、
Ａｌ２Ｏ３含有量が５．０〜７．０質量％及びＦｅ２Ｏ３含有量が１．４〜２．４質量％である請求項１又は２に記載のセメントクリンカー。 - 請求項１〜３のいずれか１項に記載のセメントクリンカー１００質量部に対して、
石膏を５〜３０質量部、及び高炉スラグを１０〜１００質量部含むセメント系固化材。 - 請求項４に記載のセメント系固化材と、土壌と、を混合する工程を有する、土壌の固化処理方法であって、
前記工程では前記土壌１ｍ３に対して前記セメント系固化材を１００〜３００ｋｇ混合する土壌の固化処理方法。 - 石灰石、石炭灰、建設発生土及び下水汚泥を所定の配合比で調合する混合工程を有するセメントクリンカーの製造方法であって、
前記混合工程において、前記セメントクリンカーの水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）及び鉄率（ＩＭ）が、請求項１又は２記載のセメントクリンカーの水硬率（ＨＭ）、ケイ酸率（ＳＭ）及び鉄率（ＩＭ）となるように前記配合比を調整するセメントクリンカーの製造方法。 - 前記混合工程において、
前記セメントクリンカーを１トン製造するに当たり、前記石灰石を１１００〜１３００ｋｇ、前記石炭灰を１５０〜４００ｋｇ、前記建設発生土を１０〜１００ｋｇ及び前記下水汚泥を１０〜５０ｋｇ調合する請求項６に記載のセメントクリンカーの製造方法。 - 前記混合工程において、
前記セメントクリンカーのＡｌ２Ｏ３含有量が５．０〜７．０質量％及びＦｅ２Ｏ３含有量が１．４〜２．８質量％となるように前記配合比を調整する請求項６又は７に記載のセメントクリンカーの製造方法。
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