JP2012193223A

JP2012193223A - 水底堆積土の処理方法

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Publication number: JP2012193223A
Application number: JP2011056107A
Authority: JP
Inventors: Kazuo Terasawa; 一雄寺澤; Kiyoshi Takigawa; 清滝川; Daizo Fukuoka; 大造福岡; Yuji Ono; 裕司小野; Yuki Kawamata; 友紀川真田; Tatsuya Masuda; 龍哉増田
Original assignee: FUKUOKA KENSETSU KK; Nippon Paper Industries Co Ltd; Jujo Paper Co Ltd
Current assignee: FUKUOKA KENSETSU KK; Nippon Paper Industries Co Ltd; Jujo Paper Co Ltd
Priority date: 2011-03-15
Filing date: 2011-03-15
Publication date: 2012-10-11
Anticipated expiration: 2031-03-15
Also published as: JP5818469B2

Abstract

【課題】本発明の課題は、高強度で良好な安定性を有する造粒物を水底堆積土から効率よく製造する技術を提供することである。
【解決手段】石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰、高炉セメントとを併用することによって、水底堆積土から効率的に造粒物を製造することができる。本発明の造粒物は、適度な強度と粒径を有し、水中においてその強度を維持するため、ドレーン材などとしての地盤改良材の用途に好適に用いることができる。
【選択図】なし

Description

本発明は地盤改良技術、すなわち水底堆積土を利用したドレーン材などとしての地盤改良材およびその製造方法に関するものである。

汚泥やヘドロなどの軟泥、流出しやすい土壌、軟弱な地盤の土壌などを固化して、土壌流出を抑制するため、従来から、各種の固化剤を軟泥や汚泥に添加して処理することが行われている。その際の固化剤としては、無機系の土壌に対してはセメント系固化剤、糞尿汚泥などの有機系の汚泥に対しては石灰系の固化剤が一般に用いられる。

しかし、セメント系固化剤は、セメントの水和硬化反応を利用して土壌を固化するものであり、セメントの硬化反応は有機物によって阻害されてしまう。そのため、水底から得られる浚渫土砂のような有機物を含有する処理対象に対してセメント系固化剤を用いることは有効でなく、十分な強度を有する固化物が得られない。また、石灰系固化剤は、固化処理後にアルカリが溶出する問題があり、環境保全の立場から、石灰系固化剤は、土壌の流出抑制や埋め立て、護岸などの用途に適するものではない。さらに、水底から得られる浚渫土砂は、海水などに由来する塩を多く含有し、水分含量が高いため、水底の堆積土砂に対しては一般的な土壌固化剤が有効でない場合も多い。

そこで、水底の堆積土砂に適した固化技術を開発すべく、種々の検討が行われており、例えば、以下の技術が報告されている。すなわち、特許文献１〜６には、ポリビニルアルコールを用いて浚渫土砂を固化する技術が記載されている。また、特許文献７には、硫酸第１鉄を用いて海底質汚泥を固化する技術が記載されている。さらに、特許文献８には、浚渫土砂から魚礁ブロックを製造する技術が記載されている。特許文献９には、石炭灰を用いて浚渫土砂を固化する技術が記載されている。

特開２００８−２５３１６３号公報特開２００７−１６７７９０号公報特開２００７−００７５８７号公報特開２００６−３２５５１４号公報特開２００６−３２５５１５号公報特開２００５−１３１５９５号公報特開２００５−３３４７３０号公報特開２００８−１８２８９８号公報特開２００３−０５５９５２号公報

しかし、水底堆積土の固化に関する従来の技術は、特殊な処理や高価な処理剤が必要であったり、大量の処理剤を使用するため、技術的または経済的に実用的とはいえず、より優れた水底堆積土の処理方法を開発することが強く望まれていた。

そこで、本発明の課題は、水分含量の高い水底堆積土から簡便かつ経済的に造粒物を得る技術を提供することである。

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究し、石炭燃焼灰に固化助剤としてペーパースラッジ燃焼灰と高炉セメントを併用することによって水底堆積土を効率的に固化して造粒物が得られることを見出し、本発明を完成させるに至った。

１つの態様において本発明は、地盤改良材であり、特に、石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰とを含んでなる水底堆積土用固化剤である。また別の態様において本発明は、造粒物の製造方法であり、特に、水底堆積土と石炭燃焼灰などから造粒物を製造する方法に関する。さらに別の態様において本発明は、地盤改良方法であり、特に、水底堆積土から石炭燃焼灰などを用いて製造した造粒物によって地盤の改良を行う方法に関する。

本発明は、以下に限定されるものでないが、下記の発明を包含する。
（１）石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰および高炉セメントを含んでなる水底堆積土用固化剤。
（２）石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰および高炉セメントを水底堆積土に添加して造粒することを含む、水底堆積土から造粒物を製造する方法であって、水底堆積土の固形分重量と石炭燃焼灰、およびペーパースラッジ燃焼灰との合計重量に対して高炉セメントを１０〜１５重量％添加する上記方法。
（３）ペーパースラッジ燃焼灰が、ＣａＯ換算でカルシウムを２０重量％以上含んでなる、（２）に記載の方法。
（４）石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰との合計添加量が、水底堆積土の固形分重量に対して１５０重量％以上である、（２）または（３）に記載の方法。
（５）造粒物が、２ｍｍ以上の直径を有する粒子を４０重量％以上含む、（２）〜（４）のいずれか１項に記載の方法。
（６）（２）〜（５）のいずれか１項に記載の方法によって得られた造粒物を海水中に投入することを含む、地盤改良方法。

本発明によれば、水底堆積土から効率的に造粒物を得ることができる。また、本発明の造粒物はある程度の強度を備えており、ドレーン材またはコンパクション材に使用することができ、軟弱地盤の改善など、環境保全にも有用である。さらに本発明は、水底堆積土や石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰といった廃棄物を利用して造粒物を得るため、コスト的に極めて優れており、廃棄物削減という観点からも有利である。

図１は、実験例１で製造したサンプル１（比較例）と原料（灰、土砂）のＸ線回折チャートである。図２は、実験例１で製造したサンプル３（実施例）とサンプル１のＸ線回折チャートである。

１つの態様において本発明は、石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰、高炉セメントとを含んでなる水底堆積土用固化剤に関する。また別の態様において本発明は、石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰、高炉セメントとを水底堆積土に添加して造粒することを含む、水底堆積土から造粒物を製造する方法に関する。本発明では、石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰、高炉セメントを併用することによって、軟泥である水底堆積土から適度な強度を有する造粒物を得ることができる。

水底堆積土
本発明は水底堆積土の造粒技術に関し、本発明において水底堆積土とは、海や湖、河川などの水底に堆積している土砂のことを指す。本発明は特に海底堆積土に好適に適応することができるが、海底堆積土には、いわゆる外海の海底堆積土だけでなく、港湾などの内海の海底堆積土も含まれ、また、湖であっても海水湖であればその海底堆積土も含まれる。本発明の技術は、水中などの現場でそのまま施工して水底堆積土を造粒してもよく、また、水底から浚渫した土砂に本発明を適用して造粒してもよい。本発明の海底堆積土は、海や港湾などの海水環境における海底堆積土であり、浚渫土砂とは、航路浚渫やヘドロ浄化などのために水底から浚渫される土砂をいう。一般に、浚渫土砂は、環境保全のために湖沼や湾内のヘドロを取り除く際や、航路に堆積した土砂を取り除く際に得られ、浸食された海岸などへ運搬されて、臨海部の埋め立てや護岸工事などに利用されることもある。

本発明において水底堆積土は、軟泥状態、脱水後のケーキ状態等どのような状態でも使用できる。好ましい態様において、石炭燃焼灰を用いて処理する際の水底堆積土の水分含量は１０〜６５重量％であり、より好ましくは３０〜６０重量％である。このような水分含量の水底堆積土であれば、水底堆積土の濃度が高いため効率的に固化物を得ることができ、また、適度な流動性を有するため輸送や造粒処理に好適である。

本発明の水底堆積土として浚渫土砂を用いる場合、公知の浚渫方法によって水底から得ることができ、例えば、グラブ浚渫やポンプ浚渫などによって浚渫土砂を得ることができる。ここで、グラブ浚渫とは、浚渫船などから吊されたグラブで水底の土砂を堀りあげることであり、小規模の浚渫に一般的に利用される。ポンプ浚渫とは、ポンプを用いて水底の土砂を堀りあげることをいい、連続的に土砂を吸引できることから、底泥を広く薄く浚渫でき（薄層浚渫）、大規模で均一な浚渫が可能である。本発明において、浚渫土砂を得るための浚渫方法は特に制限されず、例えば、水底のヘドロを浚渫する場合、ヘドロの堆積高は数十ｃｍ程度であるため、ヘドロが舞い上がることを抑制しつつ、ヘドロ層を薄層浚渫するような方法を選択すればよい。

石炭燃焼灰
本発明は石炭の燃焼灰を用いる。本発明で用いる石炭燃焼灰とは、石炭を燃焼させて得られる焼却残渣であり、シリカ（ＳｉＯ_２）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）を主成分とする。

本発明における石炭燃焼灰の作用は、高炉セメントのようなアルカリまたはアルカリ土類を添加されると、石炭燃焼灰の主成分であるシリカとアルミナが微細粒子の状態で、かつ水分の存在下では、セメントの水和によって生成される水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）_２）と徐々に反応して、カルシウムシリケート水和物（３ＣａＯ・２ＳｉＯ_２・３Ｈ_２Ｏ）、カルシウムアルミネート（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・６Ｈ_２Ｏ）、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）などを生成することにより、水底堆積土を凝集・固化させるものと考えられる。

本発明において石炭燃焼灰の添加量は、特に制限されないが、好ましい態様において、水底堆積土よりも多くの石炭燃焼灰を使用し、例えば、水底堆積土の固形分重量に対して１００〜２００重量％の石炭燃焼灰を添加することが好ましい。

ペーパースラッジ燃焼灰
本発明はペーパースラッジの燃焼灰を用いる。本発明においてペーパースラッジ（ＰＳ：Paper Sludge）とは、製紙工程から回収される廃棄物をいい、例えば、古紙再生工程（ＤＩＰ製造工程）、パルプ製造工程、紙製造工程などから発生するものを含む。したがって、ペーパースラッジは、パルプ繊維、填料や顔料に由来する無機物（カオリン、タルク、炭酸カルシウム等）、インキやインク、接着剤などを含んで構成される。燃焼灰の原料となるペーパースラッジとしては、カルシウム含量などの観点から、古紙再生工程から発生するペーパースラッジが特に好ましい。一般にペーパースラッジは、製紙工場などから大量に排出されるため、ペーパースラッジ燃焼灰は入手が容易である。そのため、本発明の水底堆積土用固化剤は、廃棄物削減、入手容易性、経済性などの観点から特に有利である。

本発明で用いるペーパースラッジ燃焼灰（ＰＳ灰）とは、ペーパースラッジを燃焼させて得られる焼却残渣であり、炭酸カルシウム、硅砂、タルク、カオリンなどに由来する無機物を主成分とする。本発明のペーパースラッジ焼却灰は、ペーパースラッジの焼却残渣であれば、集塵機などで捕捉されるフライアッシュ（飛灰）や炉底灰が含まれていてもよい。ペーパースラッジの燃焼は、例えば、７００〜１５００℃程度の温度で行うことができる。また、公知の焼却設備を用いてペーパースラッジを焼却することができ、具体的には流動床焼却炉などを挙げることができる。

一般に、紙には、炭酸カルシウムなどのカルシウム分が顔料や填料として添加されるため、ペーパースラッジを原料とする燃焼灰は、塵芥の焼却灰や高炉スラグと比較して、カルシウム含量が高いという特徴を有する。本発明の好ましい態様において、本発明で用いるペーパースラッジ燃焼灰は、元素分析した場合、ＣａＯ換算でＣａＯの比率が２０重量％以上であることが好ましく、３０重量％以上であることがより好ましい。また、ＣａＯの比率の上限は特に限定されないが、６０重量％以下であることが一般的である。さらに、本発明で用いるペーパースラッジ燃焼灰は、アルミニウム分に対するカルシウム分の比率も比較的高く、Ａｌ_２Ｏ_３とＣａＯの比率が１：０．５〜１：３程度であることが好ましく、１：１〜１：２．５程度であることがより好ましい。

本発明におけるペーパースラッジ燃焼灰の作用は、水底堆積土のような高含水軟泥に添加されると、土砂中の水分と水和反応し、エトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ_２Ｏ_３・３ＣａＳＯ_４・３２Ｈ_２Ｏ）やケイ酸カルシウム水和物などを生成しながら、水底堆積土を凝集・固化させるものと考えられる。本発明においてペーパースラッジ燃焼灰を用いると水底堆積土から適度な強度を有する造粒物が得られる理由の詳細は明らかでないが、ペーパースラッジ燃焼灰に含まれるアルミニウムやカルシウムが水底堆積土中の水分と反応して自硬するのに適しているためだと考えられる。

本発明においてペーパースラッジ燃焼灰の添加量は、特に制限されないが、好ましい態様において、水底堆積土よりも多くのペーパースラッジ燃焼灰を使用し、例えば、水底堆積土の固形分重量に対して１００〜４００重量％のペーパースラッジ焼却灰を添加することが好ましい。すなわち、水底堆積土に対してペーパースラッジ燃焼灰を多く配合すると、造粒物の強度が高くなり、長期的に安定な造粒物を得ることができる。

また、石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰の添加量の合計は、水底堆積土の固形分重量に対して１５０重量％以上とすることが好ましく、２００重量％以上とすることがより好ましい。

固化助剤
また本発明は、水底堆積土から造粒物を得るために、石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰とともに、固化助剤として高炉セメントを併用する。このような固化助剤を併用することによって、軟泥である水底堆積土から、高強度かつ長期的に安定な粒状の造粒物を得ることができる。本発明において用いる高炉セメントとは、ポルトランドセメントに高炉スラグ微粉を混合して製造されるセメントである。ここで、高炉スラグとは、溶鉱炉から銑鉄とともに約１５００℃の溶融状態で取り出された後比重差により分離して得ることができ、冷却固化の方法により、徐冷スラグと水砕スラグに分けられる。徐冷スラグとは、溶融状態の高炉スラグがゆっくり冷却されて岩石状に固まった結晶質のスラグである。また水砕スラグとは、溶融状態から水によって一気に冷却されて製造される砂上の非晶質体（ガラス質）であり、アルカリ性溶液による刺激を受けると急激に水和反応を起こす潜在水硬性を有することや、軽量でかみ合わせがよいことなど、天然材料にはない性質を有しており、高炉セメント原料やコンクリート混和材などに用いられている。

高炉セメントの添加量は、水底堆積土（固形分重量）と石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰の合計重量に対して５〜２０重量％であることが好ましい。さらに、１０〜１５重量％であることがより好ましい。このような範囲であれば、強度が高く、ある程度の粒子径を有する造粒物を効率よく製造することができる。また、経済性等を考慮すると、高炉セメントの添加量は、水底堆積土（固形分重量）と石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰の合計重量に対して１０〜１５重量％であることがより好ましい。

本発明においては、水底堆積土に対して、石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰、高炉セメントとを添加して造粒物を製造するが、水底堆積土と添加剤とが十分に混合されれば、添加の態様は特に制限されない。

造粒物
本発明によって得られる造粒物とは、粒状であればその形状は限定されない。造粒物の粒径とは、直径を意味するが、長径、短径のある場合はその平均を指し、レーザー回折、顕微鏡観察等により決定することができる。本発明の造粒物は、２ｍｍ以上の直径を有する粒子を４０重量％以上含むことが好ましい。このような造粒物は、ある程度の大きさを有するため、例えば海中で使用しても波にさらわれにくく、自然環境における土壌流出を抑制できるため、特に有用である。また、本発明の造粒物は、平均粒子径が１ｍｍ以上であることが好ましく、２ｍｍ以上であることがより好ましい。なお、造粒物の粒子径は、例えば、固化剤の添加量や造粒時間などによって適宜調整することができ、また、振動式や回転式などのふるい分け法などによって一定の粒子径を有する造粒物を得てもよい。

造粒物を製造する際には、通常の造粒技術を用いることができる。造粒は、公知の方法により行うことができ、例えば、逆流式、転動方式、撹拌方式、押出方式、破砕方式などの造粒法を採用することができる。具体的な装置としては日本アイリッヒ社製のインテンシィブミキサー（逆流式）やKitchen Aid社製のスタンドミキサー（撹拌方式）などが挙げられる。水底堆積土への石炭燃焼灰などの混合と造粒を両方行うことができ、造粒物の多孔性や強度を調整しやすい点で、逆流式ミキサーや撹拌方式のミキサーを好適に利用することができる。造粒時間に特に制限はなく、造粒時間を長くすると造粒物の粒子径が大きくなる傾向があるが、一定の大きさ以上には成長しない。撹拌方式のミキサーを用いる場合、造粒時間は、好ましくは１〜５分、より好ましくは２〜４分である。

このようにして得られた造粒物は、海、港湾などにおいて、造成、埋め立て、地盤改良などの用途に好適に使用することができる。本発明の造粒物は、海水中における強度が十分であるため、海底堆積土を固化・造粒した造粒物を再び海水中において用いる場合に特に好適である。また、ある程度の強度を有し、粒径をコントロールできるためサンドコンパクションパイル工法のドレーン材に適している。以上の点から、本発明で得られる造粒物は地盤改良材に適している。

以下、本発明の実施例を挙げつつ、本発明の内容を詳細に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。なお、本明細書において、部および％などは特に記載がない場合、重量基準であり、数値範囲はその端点を含むものとして記載される。

実験例１：高炉セメントの使用
（１）海底堆積土
海底堆積土として、熊本県八代市八代港の海底から得た浚渫土砂を用いた。後述する固化剤と混合する際の浚渫土砂の水分含量は３重量％（固形分９７％）であった。
（２）石炭燃焼灰
石炭を燃焼して得られる焼却残渣（燃焼灰）を用いた。
（３）ペーパースラッジ燃焼灰（ＰＳ燃焼灰）
製紙工場のパルプ製造工程や抄紙工程から回収されたペーパースラッジを焼却して得られる焼却残渣（燃焼灰）を用いた。ペーパースラッジの焼却は、流動床焼却炉にて８００〜９００℃で行った。
（４）海底堆積土の造粒処理
上記浚渫土砂１６０ｇに対し、石炭燃焼灰２００ｇ、ペーパースラッジ燃焼灰（ＰＳ灰）４０ｇ、水１５０ｇを添加して混合物の水分を３７．５％とし、スタンドミキサー（ＫＳＭ５０Ｐ、Kitchen Aid社製）を用いて５分間処理することによって造粒物を製造した（表１：サンプル１）。また、表１に示すように高炉セメントを用いた造粒物（サンプル２、３）も製造した。

造粒物の圧縮強度を、リングクラッシュ試験機（日本ＴＭＣ製）を用いて圧縮板の下降速度１２．５ｍｍ／ｍｉｎという条件にて、造粒物を破壊するために要する力を測定した。圧縮強度の測定は粒径が２ｍｍである造粒物を用いて行った。

一般に、高炉セメントは、有機物によって効果反応を阻害されるセメント系固化剤であるため、浚渫土砂のように有機物を含む処理対象には不向きであるとされる。しかし、表1に示したように、固化助剤として高炉セメントを添加したサンプル２，３（実施例）は、高炉セメントを添加しないサンプル１（比較例）と比べて造粒物の圧縮強度が格段に向上し、高炉セメントの配合部数を多くすることでさらに造粒物の強度が向上した。

また、サンプル１（比較例）と原料（灰、土砂）のＸ線回折チャートを図１，サンプル３（実施例）とサンプル１のＸ線回折チャートを図２に示す。これらより、原料に含まれる緑泥石等の鉱物が、造粒によって硬化に寄与する物質に変化したということが推測される。

実験例２：石膏の使用
浚渫土砂１６０ｇに対し、石炭燃焼灰２００ｇ、ペーパースラッジ燃焼灰（ＰＳ灰）４０ｇ、生石灰４０ｇ、水１５０ｇを添加して造粒物を製造した（表２：サンプル４）。また、表２に示すように異なる石膏を用いた造粒物（サンプル５，６）も製造した。

一般に、生石灰や石膏などの石灰系固化剤は、有機系の汚泥などに対する固化剤として用いられている。しかし、表２に示したように、これらを添加しても高炉セメントを同量添加したときに比べて造粒物の圧縮強度が向上しなかった。また、固化助剤として生石灰を添加したサンプル４は、固化助剤を添加しないサンプル１と比べて圧縮強度が減少した。

実験例３
石炭燃焼灰、高炉セメントおよびペーパースラッジ燃焼灰の添加量を表３のように変化させた以外は、実験例１と同様にして造粒物を製造した（サンプル７〜１１）。

表３に示したように、ペーパースラッジ燃焼灰の添加量を増やすことで造粒物の圧縮強度が向上したものの、ペーパースラッジ燃焼灰と高炉セメントを併用した場合と比べると造粒物の強度は低かった。

実験例４
実験例１・２と同様にして造粒物を作製した。得られた造粒物を海水に浸漬させ、海水浸漬前と浸漬後の造粒物の圧縮強度を測定した。海水への浸漬は、５０ｍｌビーカー中に造粒物１０ｇと海水４０ｍｌを入れ、２日間経過後サンプルを取出すことにより行った。圧縮強度は実施例１と同様に測定した。

これらの結果をまとめて表４に示す。表４から、本発明によって得られた造粒物（サンプル２・３）を海水に浸漬することで、サンプルの圧縮強度が大きく向上することが明らかである。よって、本発明の造粒物は海水中に投入してドレーン材に使用するのに好適である。

Claims

石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰および高炉セメントを含んでなる水底堆積土用固化剤。
石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰および高炉セメントを水底堆積土に添加して造粒することを含む、水底堆積土から造粒物を製造する方法であって、水底堆積土の固形分重量と石炭燃焼灰、ペーパースラッジ燃焼灰との合計重量に対して高炉セメントを５〜２０重量％添加する上記方法。
ペーパースラッジ燃焼灰が、ＣａＯ換算でカルシウムを２０重量％以上含んでなる、請求項２に記載の方法。
石炭燃焼灰とペーパースラッジ燃焼灰の添加量の合計が、水底堆積土の固形分重量に対して１５０重量％以上である、請求項２または３に記載の方法。
造粒物が、２ｍｍ以上の直径を有する粒子を４０重量％以上含む、請求項２〜４のいずれか１項に記載の方法。
請求項２〜５のいずれか１項に記載の方法によって得られた造粒物を海水中に投入することを含む、地盤改良方法。