JP3982907B2 - 汚泥の固化材、それを用いた成形体、及びその固化方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は汚泥の固化材及びその固化方法に関し、詳しくは、汚泥の中でも微砂や粘土を含む汚泥を固化させて圧縮強度を２０Ｎ／ｍｍ² 以上とし、ブロックや路盤材、その他の土木建築資材の一部として利用するための固化材、それを用いた成形体、及びその固化方法に関する。
【０００２】
【従来技術及びその課題】
従来、各種鉱山の採掘工程や洗浄工程において、あるいは土木建築工事に際し、多量の汚泥が発生する。特に、建設汚泥の場合は、汚泥の種類は粗骨材の場合もあるし、細骨材の場合も粘土の場合も、これらの任意の混合物の場合もあり、発生する場所によって異なるので一定しないが、微砂や粘土を多量に含む混合物の場合は含水率が５０〜８０％程度と高いので、そのまま埋め戻すことができず、殆どは産業廃棄物として最終処分場で処理（廃棄）されているのが現状である。しかしながら、最終処分場は既に満杯であり、新しい処分場の建設は、建設に反対する住民運動が顕在化し、困難となっている。
従って、このままでは鉱山の運営にも支障きたし、また、新しい土木建築工事が発注できないという深刻な課題が生じている。
【０００３】
これらの課題を解決するために、微砂や粘土質の汚泥を８００℃程度の高温で焼成して有効利用する方法や水溶性の接着剤で固化させて、そのまま建設資材の一部として有効利用する方法なども研究されている。
しかしながら、高温処理する方法はそのまま建設資材とはならなく、樹脂による固化は価格が高価であることと、臭気が強いものもあり労働衛生環境の課題が残り、かつ、可燃性であることなどから大量に使用しにくい面を有している。
【０００４】
本発明者は、安価で安全な材料を使用して、建設資材として利用可能な２０Ｎ／ｍｍ² 以上の圧縮強度を発現させる固化材、それを用いた成形体、及びその固化方法を鋭意研究した結果、セメントを主成分とした方法を見出し発明を完成させたものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
すなわち、本発明は、粉末度が 2,500 〜 8,000cm ² /g であるセメント100重量部と、石膏類を無水物換算で１〜15重量部と、シリカフューム、メタカオリン、ケイ化木の焼却灰の中の一種又は二種以上を２〜20重量部配合することを特徴とする汚泥の固化材であり、汚泥が、粒子径 0.044mm 以下の微砂や粘土を含有するものである該固化材であり、該固化材を用いてなる汚泥の固化方法であり、汚泥中の粒子径が0.044mm以下の微砂や粘土に含まれる水分量に対して、該固化材を、水固化材比で1.30以下となるように配合して練混ぜることを特徴とする汚泥の固化方法であり、汚泥、該固化材、及び細骨材を含有してなるモルタル又はコンクリートであり、汚泥が、粒子径 0.044mm 以下の微砂や粘土を含有するものである該モルタル又はコンクリートであり、細骨材が、汚泥中の粒子径が 0.044mm 以下の微砂や粘土 100 重量部に対して、 30 〜 300 重量部である該モルタル又はコンクリートであり、該モルタル又はコンクリートを用いることを特徴とする汚泥の固化方法であり、該固化方法により固化した成形体である。
【０００６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を詳細に説明する。
本発明は、セメントと、石膏類と、シリカフューム、メタカオリン、ケイ化木の焼却灰の中の一種又は二種以上からなる（以下、シリカフューム等という）汚泥の固化材であり、それを用いた成形体、及び汚泥中の粒子径が０．０４４ｍｍ以下の微砂や粘土（以下、粘土等という）と固化材とを配合する汚泥の固化方法である。
尚、微砂や粘土は日本では０．０５ｍｍ以下の粒子に分類（日本農学学会法）されているが、当セメント業界では０．０４４ｍｍのふるいがあるので０．０４４ｍｍを基準とした。
【０００７】
本発明の固化材において、使用されるセメントは各種ポルトランドセメント及び高炉スラグセメントであり、セメント自身の粉末度が重要である。本発明の固化材として使用されるセメントの粉末度は2,500〜 8,000cm ² /gであり、好ましくは3,000cm²/g以上であり、4,000〜8,000cm²/g がより好ましい。粉末度が2,500cm²/g未満では石膏類やシリカフューム等と併用し、水固化材比を小さくしても20N/mm²以上の強度を得ることは困難であり、8,000cm²/gを超える粉末度では水和反応が速すぎて急結気味となったりして粘土等との練混ぜ操作や成形操作が困難となり、強度低下につながるので、細かすぎても好ましくない。
【０００８】
本発明で使用される石膏類としては、二水石膏、半水石膏、III 型無水石膏の他、II型無水石膏の一種又は二種以上が使用される。これらは無水物換算でセメント１００重量部に対して、１〜１５重量部配合されるが、１重量部未満では強度発現効果は小さく、１５重量部を超えると強度が低下するか、強度の伸びが停滞するようになり好ましくない。常温では、好ましくは３〜１０重量部、より好ましくは４〜８重量部であり、蒸気養生では配合量の高い方に好ましい範囲がシフトする。
尚、より好ましい石膏類はII型無水石膏であるが、石膏類の粉末度は強度に対する影響は小さく、セメントと同等以上であれば良いものである。
さらに、本発明においてシリカフューム、メタカオリン、ケイ化木の焼却灰の中の一種又は二種以上を、セメント１００重量部に対して２〜２０重量部配合する。
【０００９】
シリカフュームとは金属シリコンやフェロシリコン合金などを電気炉で製造する際に、副生する非晶質のＳｉＯ₂ の超微粉末であり、メタカオリンはカオリンなどの粘土を８００℃程度で焼成したアルミノケイ酸質の微粉末である。、ケイ化木の焼却灰は稲、藁、竹などのケイ化木の焼成した時の灰で非晶質ＳｉＯ₂ である。いずれも、ポゾラン活性が強くセメントの水和によって生成するＣａ（ＯＨ）₂ と反応して固化する。２重量部未満では、石膏類と併用しても強度増進効果は小さく、２０重量部を超えて添加してもそれ以上の強度増進効果が示されないものであり、好ましくは４重量部以上、より好ましくは５〜１０重量部である。
【００１０】
本発明の実施において、前述したように、汚泥は粘土等のみの場合だけでなく、粗砂や礫との任意の混合物である場合も多い。
従って、粒度試験より粘土等の分量と粗砂や礫の構成比率を測定し、粘土等の量に対して固化材量を配合し、かつ、水固化材比が１．３０以下となるように調節する。この際、固化材と反応させる水は粘土等の中の水分を利用し、新たに水は添加しない。
尚、水固化材比とは、汚泥中の粒子径が０．０４４ｍｍ以下の微砂や粘土に含まれる水分量と用いる固化材量の比率であり、重量比である。
【００１１】
水固化材比（重量比）が１．３０を超えると２０Ｎ／ｍｍ² 以上の強度は得られ難くなり、好ましくは１．０前後以下である。そして水固化材比が小さいほど強度も高くなるが、水固化材比の調節は固化材量で行うので小さくするほど不経済となることと、小さすぎても成形ができなくなり、かえって、強度低下が生ずるので水固化材比は０．２５以上が好ましい。
【００１２】
本発明の実施において、成形体とする際に細骨材や粗骨材等の骨材を粘土等に含まれているものとは別に適量添加することは好ましいことである。細骨材とは０．０４４ｍｍを超え、５ｍｍ以下の粗砂であり、粗骨材とは５ｍｍを超え、４０ｍｍ以下の礫である。
尚、４０ｍｍを超える粗骨材を除外するのは、プレキャスト品の肉厚は、一般にマスコンクリートのように厚くできないので、肉厚に対して大きな骨材は強度等の欠陥部分となるためであり、予め粘土等に含む場合は、製造過程でふるいでとり除く。
これらの骨材は粘土等と固化材との練混ぜ効率を上げ、固化材の分散効果を高めるので強度を高める。また、粘土等と固化材のみの微粒子だけの硬化体では構造敏感性が高く強度は高くても脆くなり、スリヘリ量（路盤材などに必要な物性、骨材のロサンゼルス試験機で試験する）なども低くなるのに対して、骨材を添加することによって構造敏感性を低下させ、安定した高い強度とスリヘリ抵抗性も得られるものである。
さらに骨材の添加は、処理する粘土等の量と固化材量にプラスされるるために出来上がりの製品量が多くなるので経済的にも好ましいものである。
【００１３】
骨材は天然産、各種人工骨材やスラグが利用され、通常、モルタルやコンクリートに使用可能な品質のものであれば、特に限定されない。
これら骨材の配合率（予め粘土に含まれているものも計算に入れる）は、粘土等の量１００重量部に対して、細骨材は３０〜３００重量部配合し混合する。細骨材が３０重量部未満では混合効率が悪く、また、強度も高くならないので好ましくない。３００重量部を超えるようになると成型し難くなるので好ましくない。好ましい細骨材量は５０重量部以上、より好ましくは７０〜１５０重量部である。また、粗骨材の場合は成形可能な範囲で任意量で良い。
尚、４０ｍｍを超える粗骨材は、成形体の製造過程でふるいで取り除く。
【００１４】
本発明の固化方法において、練混ぜは、コンクリート用の強制練りミキサーやニーダーやその他の練混ぜ装置が使用される。これらの練混物は、一見、乾燥しているような状態となるが、これを型枠に入れ、タンピングによる突き固めや加圧、又は振動加圧によって成型して製品とする。成形後の養生方法は、常温で強度が発現するまで気乾又は湿潤養生しても良いし、任意の時間又は材齢で蒸気養生して強度を発現させても良いものである。
【００１５】
実際の汚泥に対して、どの様に固化材を添加して、処理していくかを説明する。
（１）汚泥が全量粘土質で細骨材や粗骨材を含まない場合は、まず、平均的となるように任意の箇所からサンプリングを行い、それを練り混ぜてその適当量を１５０℃で、その乾燥時間に対する重量変化量が１ｗｔ．％以下となるまで乾燥して粘土の含水量として求める。そして、粘土１００重量部に対して固化材を、必要によっては細骨材や粗骨材を前記した適正量を配合して練り混ぜ、成形する。この場合の乾燥のためのサンプリング量は５００ｇ〜１０００ｇである。
（２）汚泥が任意に細骨材や粗骨材を含む場合は、まず、平均的となるように任意の箇所からサンプリングを行い、それを練り混ぜてその適当量を秤取り１５０℃で乾燥して全体の含水量として求める。尚、この場合の乾燥のためのサンプリング量は、混ざっている粗骨材の寸法によって異なるが１ｋｇ〜１０ｋｇである。別に、練り混ぜたものを適当量秤取り、適量の水を加えて懸濁させ、０．０４４ｍｍと５ｍｍと４０ｍｍのふるいを重ねて懸濁液をふるう。０．０４４ｍｍのふるい上に残った５ｍｍ以下の細骨材、５ｍｍのふるい上に残った４０ｍｍ以下を粗骨材とし、４０ｍｍのふるいに残った粗骨材も含めて、０．０４４ｍｍ以下の粘土等との構成重量を百分率で表す。この際、細骨材や粗骨材、４０ｍｍを超える骨材は表面乾燥状態に調整して測定した重量を用いる。そして、各構成量は下記の式から求める。
粘土量＝全体量−〔表面乾燥した細骨材、粗骨材、及び４０ｍｍを超える骨材の合量〕／全体量×１００
細骨材量＝全体量−〔粘土量、粗骨材量、及び４０ｍｍを超える骨材の合量〕／全体量×１００
粘土だけの含水量の算出は、全体の乾燥減量から、細骨材、粗骨材、及び４０ｍｍを超える骨材の含水量を２ｗｔ．％一定とし、構成量から算出し、全体の乾燥重量から減ずる。
また、成形体の製造時は、粘土などの中の細骨材、粗骨材（５ｍｍを超え４０ｍｍ以下）を加えた上で新たに適量の細骨材、粗骨材を配合して固化材と共に練り混ぜる。この混合物はバサバサの水分のないような状態となるので４０ｍｍでふるうことによって、４０ｍｍを超える大きな粗骨材を成形前に容易に取り除くことができる。
【００１６】
以下、本発明を実施例にて詳しく説明するが、これらに限られるものではない。
【００１７】
【実施例】
実施例１
組成を任意に変化させた固化材と、沼地から採取した含水率６５％の粘土（４４μｍ、０．０４４ｍｍの水ぶるい全通、粗砂や礫なし）と、細骨材としてコンクリート用（５ｍｍ下）の表面乾燥状態の川砂を使用して、それぞれの割合を任意に変化させて、ＪＩＳモルタル用のモルタルミキサーで５分間練混ぜた。練混ぜたものをφ５×１０ｃｍの型枠に入れ、φ１２ｍｍの丸鋼を切断した切断面を利用して人力で幾層にも突き固めて成形した。成形体は３日後に脱型し、そのまま、２０℃の室内で気乾養生して材齢２８日の圧縮強度を測定した。その結果を表１、表２に示す。尚、使用した材料は以下の通りである。
【００１８】
《固化材の成分》
セメント
普通ポルトランドセメントクリンカーにＳＯ₃ として２％となるように二水石膏を配合して、振動ポットミルで、粉末度（ブレーン法、ポロシチー０．５とした）を種々変えたセメントと、これに、一部、ＳＯ₃ として２％となるように二水石膏を配合して粉砕した高炉水砕スラグ粉末（粉末度５０５０ｃｍ² ／ｇに粉砕したもの）を混合した高炉スラグセメントを用いた。
ａ．２０９０ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
ｂ．２５００ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
ｃ．３０８０ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
ｄ．４０５０ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
ｅ．５１００ｃｍ² ／ｇ（高炉スラグ粉末４５％内割り配合した）
ｆ．６０９０ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
ｇ．７１２０ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
ｈ．７９９０ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
ｉ．９２００ｃｍ² ／ｇ（普通セメント）
【００１９】
石膏類
Ａ．フッ酸発生の不溶性無水石膏（粉末度３０１０ｃｍ² ／ｇ）
Ｂ．工業用二水石膏を粉砕した物（粉末度５３００ｃｍ² ／ｇ）
Ｃ．Ｂを熱処理して半水石膏として粉砕（粉末度１００００ｃｍ² ／ｇ以上）
Ｄ．Ｂを熱処理して可溶性無水石膏として粉砕（粉末度１００００ｃｍ² ／ｇ
以上）
【００２０】
シリカフューム等
イ．シリカフューム（市販品、粉末度２３ｍ² ／ｇ）
ロ．メタカオリン（市販品、粉末度８０００ｃｍ² ／ｇ）
ハ．藁の焼成灰（粉末度１．２ｍ² ／ｇ）
【００２１】
【表１】

【００２２】
【表２】

【００２３】
表１、表２より、実験Ｎｏ．１−１の比較例ではセメントの粉末度が適正であっても低い強度しか得られないのに対して、本発明の固化材はセメントの粉末度によって強度が大きく左右される。固化材に用いるセメントの粉末度が２０００ｃｍ² ／ｇ（実験Ｎｏ．１−２，比較例）では１０Ｎ／ｍｍ² 強の強度しか得られないのに対して、２５００ｃｍ² ／ｇ以上で急に強度が増大して２０Ｎ／ｍｍ² 以上の強度が得られるようになり、粉末度が大きくなるほど高い値が示される。また、高すぎてもセメントの水和が速くなり突き固めが不十分となり、結果的に強度は急低下することも示される（実験Ｎｏ．１−１０，比較例）。
【００２４】
そして、本発明ではセメントの粉末度が２５００ｃｍ² ／ｇ以上、好ましくは３０００ｃｍ² ／ｇ以上、より好ましくは、４０００〜８０００ｃｍ² ／ｇであることが示される（実験Ｎｏ．１−３〜１−９）。
【００２５】
また、石膏類単独では、その配合量の多少にかかわらず２０Ｎ／ｍｍ² 以上の強度は示されない（実験Ｎｏ．１−１１〜１−１９）。
シリカフューム等の場合もその配合量の多少にかかわらず、２０Ｎ／ｍｍ² 以上の強度は示されない（実験Ｎｏ．１−２０〜１−２６）。
【００２６】
石膏類とシリカフュームの併用は、相乗的に強度を増進させ、それぞれ１重量部、２重量部以上の併用で２０Ｎ／ｍｍ² 以上の高い強度が得られるようになる（実験Ｎｏ．１−２７〜１−３４）。
そして、それぞれの単独添加ではあるが、石膏類は好ましくは３〜１０重量部、より好ましくは４〜８重量部（実験Ｎｏ．１−１１〜１−１９）となっており、シリカフューム等は４重量部以上が好ましく、５〜１０重量部がより好ましい（実験Ｎｏ．１−２０〜１−２６）ことが示されるが、これらの範囲で双方を併用するのが好ましい。
【００２７】
水固化材比では１．３０以下で２０Ｎ／ｍｍ² 以上の強度が得られるようになり、１．０前後以下が好ましい。水固化材比が小さくなるほど強度も高くなるが、小さすぎても強度は低下する。これは固化材量が多くなりすぎると成形性が悪くなるためであり、０．２５以上とするのが好ましい（実験Ｎｏ．１−３５〜１−４２）。
【００２８】
細骨材の添加は、粘土への固化材の分散性を高めて強度を増大させ、細骨材量は多くなるほど強度も高くなるが、多すぎても成形性が悪くなるため強度は低下する。細骨材量は３０〜３００重量部で効果が示され、５０〜２００重量部が好ましく、より好ましくは７０〜１５０重量部である（実験Ｎｏ．１−４９〜１−５５）。
【００２９】
実施例２
実施例１の実験Ｎｏ．１−１とＮｏ．１−５２を使用し、標準粒度で表乾状態の２５〜５ｍｍと４０〜５ｍｍの粗骨材（砕石）の配合量を変えて、容量５０リットルの遊星型強制練りミキサーで全量で約３０リットル分の粘土と固化材と細骨材、粗骨材を５分間練混ぜた。
供試体はφ１２．５±２５ｃｍの型枠に約２３ｃｍの高さに成形した。成形方法は、先端にφ５×１０ｃｍのシリンダーを溶接したφ１２ｍｍの鋼棒を用いて、幾層にも分けて突き固め、最後にφ１２×５ｃｍの鉄製の盤を当て全体を２０トンの圧力でプレスした。
養生は供試体を作製してから４時間後、７５℃まで３時間で上げ、そのまま５時間保持してから、蒸気バルブを締めて翌日まで徐冷して脱型した。
その後、室内気乾養生して材齢７日で圧縮強度を測定した。その結果を表３に示す。
【００３０】
【表３】

【００３１】
表３より、粗骨材の適量添加は単なる増量材的意味だけではなく、強度を増大させる。これは粗骨材の積み重なりが強度に貢献するものと推察される。
【００３２】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明を利用することにより、鉱山の採掘や建設工事に伴う発生汚泥の中でも最も固化し難い、含水量の高い微砂や粘土質の微粒子を固化させることができ、かつ、建設資材に使用可能な強度まで高めることができる。従って、汚泥の産業廃棄物としての処理が不要となり、かつ、汚泥に付加価値を与え、環境をも整える。

Claims (9)

1. 粉末度が 2,500 〜 8,000cm ² /g であるセメント100重量部と、石膏類を無水物換算で１〜15重量部と、シリカフューム、メタカオリン、ケイ化木の焼却灰の中の一種又は二種以上を２〜20重量部配合することを特徴とする汚泥の固化材。
2. 汚泥が、粒子径 0.044mm 以下の微砂や粘土を含有するものであることを特徴とする請求項１記載の汚泥の固化材。
3. 請求項１又は２記載の固化材を用いてなる汚泥の固化方法。
4. 汚泥中の粒子径が0.044mm以下の微砂や粘土に含まれる水分量に対して、請求項２記載の固化材を、水固化材比で1.30以下となるように配合して練混ぜることを特徴とする汚泥の固化方法。
5. 汚泥、請求項１記載の固化材、及び細骨材を含有してなるモルタル又はコンクリート。
6. 汚泥が、粒子径 0.044mm 以下の微砂や粘土を含有するものであることを特徴とする請求項５記載のモルタル又はコンクリート。
7. 細骨材が、汚泥中の粒子径が 0.044mm 以下の微砂や粘土 100 重量部に対して、 30 〜 300 重量部であることを特徴とする請求項６記載のモルタル又はコンクリート。
8. 請求項５〜７のうちのいずれか一項記載のモルタル又はコンクリートを用いることを特徴とする汚泥の固化方法。
9. 請求項３、４、又は８記載の固化方法により固化した成形体。