JP6193105B2 - 変形追従型遮水材 - Google Patents

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本発明は、地盤が有害物質により汚染されている場合に、汚染物質が地下水と共に周辺の地盤を汚染することを防止するために設置する連続地中遮水壁構造に関する。
従来、工場やごみ焼却施設、あるいは既設廃棄物処分場等において、地盤が有害物質により汚染されている場合、汚染物質が地下水に侵入し周辺の地盤を汚染することを防止するために、汚染した地盤の周囲を矢板による止水壁や連続地中壁等によって囲み遮水する方法が採られている。
遮水方法としては、具体的には、鋼矢板工法、現位置固化壁工法、連続地中壁工法等がある。
鋼矢板による遮水壁を構築する方法は、U型等の鋼矢板を互いに連結して地中の不透水層まで打ち込み、各鋼矢板間の連結継手内に水膨張性の止水材を予め充填しておき、水の流通を遮断できる構造することで連続遮水壁を形成するものである。
現位置固化壁による方法は、TRD工法等のように地中の不透水層に到る深さまで土砂攪拌翼を旋回させつつ挿入し、その土壌中に固化材を注入しつつ攪拌することによって、地中の不透水層に達する現位置固化壁を連続して造成するものである。
連続地中壁による方法は、地中の不透水層に到る深さの連続地中溝を溝堀用のグラブバケット等によって掘削し、その連続地中溝内に鉄筋およびコンクリートを打設してコンクリート製の地中壁を連続して構築するものである。
また、特許文献1には、地下の不透水層に達する深さに形成した連続地中溝内に含水比を調整した粘土懸濁液に粘土鉱物およびゲル化剤を加えてゲル状に改質した変形追従性を有する遮水材と砂若しくは砕石等の骨材とを混合した充填材を充填する方法が開示されている。
特開2004−183364号公報
前述した3工法による遮水壁は、何らかの原因でこれらの遮水工の一部が破損すると、汚染物質が再び周囲に流出し、汚染の拡大を招く恐れがある。また、所要の遮水性を長期的に確保することや、地震時や不動沈下といった地盤の変形に対する安全性をさらに高めることが必要とされている。
特許文献1の方法においても、遮水材の透水係数が10-6cm/秒前後と透水性が高く、汚染された地下水の移動を抑制するには不十分である場合がある。また、遮水材の比重が1.17〜1.66g/ccと低く、地下水の移動速度が大きい場合は、遮水材が薄まり流出する問題がある。砂などの骨材の使用量を遮水材100.0容量部に対して5.0〜50.0容量部の割合で混合しても、遮水材の比重は1.23〜1.94g/ccと依然低く、骨材と遮水材が均一な状態にならないことから遮水材のみが流出して骨材のみが残るという問題がある。
発明者らは上記課題について鋭意検討した結果、水と粘土鉱物粉末を配合した粘土鉱物の懸濁液にさらに硫酸バリウムを配合することにより、塑性体のゲル状の性状を呈する、遮水効果を有する変形追従型遮水材を見出した。
すなわち、本発明の一つの態様によると、100.0質量部の水と、6.0〜20.0質量部の粘土鉱物粉末と、30.0〜400.0質量部の硫酸バリウム粉末とを少なくとも含む変形追従型遮水材を提供することができる。また、本発明の別の態様では、水と粘土鉱物粉末を配合して懸濁液を得る工程と、前記懸濁液と硫酸バリウム粉末を配合して、流動性組成物を得る工程とを少なくとも含む、変形追従型遮水材の製造方法を提供することができる。
本発明の変形追従型遮水材は、硫酸バリウム粉末の沈降やブリージングの発生の可能性が極めて低減される。つまり、粘土鉱物や硫酸バリウムが分離せずに水中に分散するため、塑性体のゲル状の性状を呈し、優れた遮水効果を有する。
更に詳しく述べると、粘土鉱物粉末と硫酸バリウム粉末を水に均一に混合することにより、粘土鉱物が適度に水和膨潤して、塑性変形の特性を有したゲル体の遮水材となる。粘土鉱物は、コロイド範囲の粒子径で硫酸バリウム粒子間に作用して粒子空隙を埋め、透水係数を10-10〜10-12cm/秒まで著しく低下させることが可能である。また、硫酸バリウムは真比重が4.3g/ccと非常に高く、化学的には不活性で非常に安定した鉱物であることから、塑性流動性を維持したまま遮水材を製造することが可能である。また、連続地中壁孔内に充填した場合には、周辺の地盤と同程度の比重となり、地盤の変形を押させることができる。更に、地震等の外部応力が加わっても、それに応じた塑性変形を生じて変形追従することから、遮水効果が失われない。
本発明は、変形追従型遮水材に関する。本発明の変形追従型遮水材は、水と粘土鉱物粉末と硫酸バリウム粉末を少なくとも含む。
本発明に用いられる水としては、水道水、純水等の精製または蒸留された人工水、および地下水、川水、海水等の天然水が挙げられ、水道水および海水が好ましい。
粘土鉱物としては、スメクタイト、カオリン鉱物、蛇紋石、雲母粘土鉱物、緑泥石、バーミキュライト、タルク、セピオライト、混合層鉱物、アロフェン、イモゴライト等が挙げられる。これらの粘土鉱物を1種類、または2種類以上を組み合わせて用いてもよい。これらの粘土鉱物の中で、特にスメクタイトが好ましく、スメクタイト粘土鉱物の含有量が60.0%以上、膨潤力が20ml/2g以上の製品を使用することが好ましい。スメクタイトに分類される粘土鉱物の同族には、モンモリロナイト、サポナイト、ヘクトライト等があり、主としてモンモリロナイトからなる粘土をベントナイトと総称する。このベントナイトは、土木、建設および石油、小口径ボーリング分野等の分野に用いられており、市場に広く出回っているため入手しやすく、また、経済的にも好ましい。例えば、群馬産、山形産、ワイオミング産の高膨潤性ナトリウムベントナイトが好ましく、特に高膨潤性のスメクタイト粘土鉱物が主成分であるワイオミング産のベントナイト製品(製品名:NBクレイ)を用いることが好適である。粘土鉱物は、粉砕された粉末として用いることが好ましく、例えば、ローラーミル、振動ミルやボールミル等を用いて粉砕することができる。粘土鉱物粉末の粒径は、例えば、地盤工学会基準の「土の粒度試験方法」(JGS0131−2000)に準拠して測定することができ、この場合、粒子径分布が0.2〜70.0μmの範囲に存在し、D60粒子径が1.0〜2.5μmの範囲にあることが好ましい。
粘土鉱物粉末の配合量は、水100.0質量部に対して、6.0〜20.0質量部、特に流動性においては、好ましくは6.0〜18.0質量部の範囲である。6.0質量部より少ないと、変形追従型遮水材において、ブリージングを発生させたり、硫酸バリウムが沈降してしまう。20.0質量部より多いと、変形追従型遮水材において、特に高比重領域で流動性がなくなり、ポンプによる充填や抜き取りが出来なくなる。ブリージングは、水から粘土鉱物や硫酸バリウムの固形分が分離する現象である。例えば、プレコンパクトコンクリート工(注入モルタル)のブリージング率および膨張率試験方法(地盤工学会)に準拠して評価することができ、1%以下が好ましい。
硫酸バリウムとしては、一般に市販されている化学品の硫酸バリウム粉末を用いることができる。しかしながら、遮水材のコストが高くなる。このため、バライト鉱山から採掘される硫酸バリウム原鉱石を粉砕し、一定の粒度分布の範囲に調整したバライト粉末製品(製品名:テルバー)である硫酸バリウム粉末を用いることが好適である。変形追従型遮水材に用いる硫酸バリウムの好ましい規格としては、真比重が4.2以上、湿式篩い分析での200メッシュ残留物が3.0%以下であり、純度が90.0%以上である。
硫酸バリウムの配合量は、水100.0質量部に対して、30.0〜400.0質量部、好ましくは185.0〜400.0質量部の範囲である。硫酸バリウムが30.0質量部より少ないと、遮水効果が劣る。400.0質量部より多いと、遮水材において、良好な流動性を得られず、遮水材の単位体積当たりの水分量が不足し、遮水材の製造が困難となる。硫酸バリウムは、水と配合した際に沈降してしまうと、所望の遮水材の性能が十分に得られない。このため、上記で説明したとおり、100.0質量部の水に対して、粘土鉱物粉末が6.0〜20.0質量部、硫酸バリウム粉末が30.0〜400.0質量部の配合比とすることがよい。なお、硫酸バリウムの沈降は、例えば、シリンダーに一定量の遮水材を量り取り、24時間静置後に沈降量を測定することで評価することができる。
変形追従型遮水材の比重は、例えば、硫酸バリウムの配合量によって調整することができる。遮水材の比重としては、2.01〜2.59g/ccの範囲とすることが、地下水の移動を抑制し、周辺地盤を安定させ、また、周辺地盤への透水性を低くする等の点で好適である。
変形追従型遮水材は、必要に応じて、高分子ポリマーや分散剤等の有機化合物、または石灰石、石膏、砂利等のコンクリート材やモルタル材等をさらに含んでいてもよい。但し、有機化合物は、長期間の使用においてはバクテリアなどによって分解し、製造直後の特性から変化することが懸念されるため、使用期間に注意する必要がある。
変形追従型遮水材の製造方法としては、水と粘土鉱物粉末を配合して懸濁液を得る工程と、懸濁液と硫酸バリウム粉末を配合して、流動性組成物を得る工程とを少なくとも含む。また、さらに、得られた流動性組成物をポンプによって容器へ充填する工程を含んでいてもよい。
上記のようにして得られた変形追従型遮水材の流動性は、ポンプ等で移送可能なレベルが好ましく、例えば、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」によるモルタルのテーブルフロー試験に準拠して評価することができる。この場合、テーブルフロー値が100〜195が好ましく、125〜195mmがさらに好ましい。
本発明によれば、遮水材は「変形追従性」である。変形追従性は、液状ないしは塑性状を呈しており、外力に対し自由に形状を変えることができる状態のことをいい、例えば、ベーンせん断値あるいはフロー値でその状態を知ることができる。ベーンせん断値が高い場合若しくはフロー値が低い場合は、遮水材が塑性状態を通り越し、固化状態になった場合と同様な亀裂が入る。ベーンせん断値が低い場合若しくはフロー値が高い場合は、液状を呈する。したがって、ベーンせん断値およびフロー値を測定することで変形追従性の大きさを知ることができる。本発明の遮水材のベーンせん断値は、JGS1411−2003に準拠して測定する場合には、0.3〜6.0kN/mが好ましい。フロー値は、上述したとおりJIS R 5201「セメントの物理試験方法」によるモルタルのテーブルフロー試験に準拠した場合に、テーブルフロー値が100〜195mmが好ましい。
また、変形追従型遮水材は、例えば、容器等に充填して使用する場合、充填した後にゲル状の塑性体の性状を呈する。塑性体は、半固体と液体の中間の状態を示すものであり、例えば、JIS A 1205「土の液性限界・塑性限界試験方法」に準拠して評価することができる。
さらに、変形追従型遮水材は、優れた遮水効果を有する。遮水効果は、例えば透水係数で評価することができ、JIS A 1218「変水位法」に準拠して測定することができる。透水係数は小さいほど、遮水材の遮水効果があり、例えば、10-8cm/秒より小さいことが好ましく、10-10cm/秒より小さいことがさらに好ましい。
本発明の変形追従型遮水材は、変形追従性と低透水性を与えるために、水と粘土鉱物粉末を配合して懸濁液に硫酸バリウム粉末を配合している。更に詳しく述べると、粘土鉱物粉末と硫酸バリウム微粉末と水を均一に混合することにより粘土鉱物が適度に水和膨潤して、塑性変形の特性を有したゲル体の遮水材となる。粘土鉱物は、コロイド範囲の粒子径で硫酸バリウム粒子間に作用して粒子空隙を埋め、透水係数を10-10〜10-12cm/秒まで著しく低下させることが可能である。また、硫酸バリウムは、真比重が4.3g/ccと非常に高く、化学的には不活性で非常に安定した鉱物であることから、塑性流動性を維持したまま遮水材を製造することが可能となる。連続地中壁孔内に充填した場合、周辺の地盤と同程度の比重となり、地盤の変形を押させることができる。更に、地震等の外部応力が加わっても、それに応じた塑性変形を生じて変形追従することから遮水効果が失われることはない。
以上のことから、本発明によれば、粘土鉱物や硫酸バリウムのブリージングの発生の可能性が極めて低減された、分離せずに水中に分散した、ゲル状の塑性体の性状を呈する、優れた遮水効果を有する変形追従型遮水材を提供できる。
以下に実施例および比較例を挙げて本発明にかかる変形追従型遮水材について更に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
<実施例1〜23>
水として水道水を用い、粘土鉱物粉末としてベントナイト(NBクレイ、ホージュン社製)を用いて、懸濁液を作製した。得られた懸濁液に硫酸バリウム粉末(テルバー、テルナイト社製)を配合して、変形追従型遮水材を作製した。各実施例の変形追従型遮水材の配合組成比を表1に示す。なお、含水比は、水の重量を固体の重量で除して、物質に含まれる水分の割合を示したものであり、{(水の重量(g))/(固体の重量(g))}×100で算出した。また、出来上り容量は、水の比重1.0g/cc、硫酸バリウム粉末であるバライトの真比重4.3g/cc、粘土鉱物粉末であるベントナイトの真比重2.5g/ccを用いて算出し、出来上り1m当りの配合量は、表1の配合組成比に基づいて算出した。
得られた変形追従型遮水材は、以下の方法を用いて評価した。流動性評価は、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」によるモルタルのテーブルフロー試験に準拠して測定した。テーブルフロー値については、130〜190mm±5mmの範囲の場合に、特に流動性良好と判明した。遮水材の比重は、水の比重を1.0g/ccとし、硫酸バリウム粉末であるバライトの真比重4.3g/cc、粘土鉱物粉末であるベントナイトの真比重2.5g/ccを用いて各々算出した。ブリージングは、プレコンパクトコンクリート工(注入モルタル)のブリージング率および膨張率試験方法(地盤工学会)に準拠して測定した。得られたブリージング率が1%以下を良好とした。硫酸バリウムの沈降は、シリンダーに一定量の遮水材を量り取り、24時間静置後に沈降量を測定した。得られた沈降量が零であるものを沈降分離なしとした。遮水性は、透水係数で評価した。透水係数は、JIS A 1218「変水位法」に準拠して測定し、10-8cm/秒より小さい場合に遮水性良好とした。なお、評価結果を表2と表3に示す。
表2に示すように、ベントナイトの配合量が水道水100.0質量部に対し、6.0〜20.0質量部の範囲で、良好な流動性を得るとともに、ブリージングおよび硫酸バリウムの沈降分離も発生しなかった。また、表3に示すように、変形追従型遮水材の透水係数は、10-8cm/秒よりも小さく、また、従来の遮水材の10-6cm/秒よりも小さく、透水性が良好となることがわかった。このことから、変形追従型遮水材は、遮水材として優れているといえる。
<比較例1>
粘土鉱物を用いない以外は、実施例1と同様にして変形追従型遮水材を作製し評価した。結果を表2に示す。得られた組成物は、硫酸バリウムが完全に沈降分離して底部に硫酸バリウムの層が形成され、目的とする遮水材の性質は得られなかった。
<比較例2〜8>
表1に示す組成比を用いた以外は、実施例1と同様にして変形追従型遮水材を作製し評価した。結果を表2に示す。ベントナイト添加量が、水道水100.0質量部に対し5.0質量部より少なくなると、高流動性になるとともに多量のブリージングが発生した。また、硫酸バリウム添加量が400.0質量部を超えると、流動性が著しく低くなり、均一に混合することができず、製造することができなかった。

Claims (6)

  1. 100.0質量部の水と、6.0〜20.0質量部の粘土鉱物粉末と、30.0〜400.0質量部の硫酸バリウム粉末とを少なくとも含み、粘土鉱物と、硫酸バリウムとが、分離せずに水中に分散した、ゲル状の塑性体の性状を呈し、JIS R 5201「セメントの物理試験方法」によるモルタルのテーブルフロー試験に準拠した、テーブルフロー値が100〜195mmである、変形追従型遮水材。
  2. 前記硫酸バリウム粉末が、185.0質量部以上400.0質量部未満である請求項1に記載の変形追従型遮水材。
  3. 前記粘土鉱物が、スメクタイト、カオリン鉱物、蛇紋石、雲母粘土鉱物、緑泥石、バーミキュライト、タルク、セピオライト、混合層鉱物、アロフェンおよびイモゴライトからなる群から選ばれる1種類または2種類以上の組み合わせである請求項1または請求項2に記載の変形追従型遮水材。
  4. 前記水が、海水である請求項1〜3のいずれか1項に記載の変形追従型遮水材。
  5. 2.01〜2.59g/ccの比重を有する請求項1〜4のいずれか1項に記載の変形追従型遮水材。
  6. 請求項1〜5のいずれか1項に記載の変形追従型遮水材の製造方法であって、
    水と粘土鉱物粉末を配合して懸濁液を得る工程と、
    前記懸濁液と硫酸バリウム粉末を配合して、流動性組成物を得る工程と
    を少なくとも含む、変形追従型遮水材の製造方法。
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