JP4744796B2 - 無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する土壌安定用団粒状固化材 - Google Patents

Description

本発明は、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトの持つ二大成分ニ酸化珪素と酸化アルミニウムに着目し、水和化合物、無機高分子凝集剤および有機高分子凝集剤との結合によって、土粒子と団粒化を瞬時に且つ大量に行わせる事ができる組成の選定と組成量の設定を特徴とする技術に関する。

従来、工事現場、災害現場にて発生する高含水汚泥や養豚場にて発生する畜産汚泥などは、セメント系固化材、石灰系固化材、高分子系固化材などを利用して土壌機能を回復、改良されている。例えば、干拓現場では土壌固化材として強アルカリ性のセメント系が使用され、土壌固化に長時間を要している。また石灰系のフライアッシュ灰は、印刷物等に含まれる顔料などから六価クロムや鉛などが溶出するおそれのある土壌固化材であり、固化時には高温で発熱する。更に、高分子系は弱酸性を示し、上記いずれの土壌固化材も未処理での利用には限界がある。
更に、土壌固化時における含水比は、セメント系固化材、石灰系固化材、高分子系固化材などいずれの土壌安定固化剤も低く、このままでは広範囲に高含水比土壌への実用に耐えない。

一方、土壌改良剤の利用方法については、例えば、特許文献１には高含水軟弱土壌改良用団粒状固化材が提案されている。これは、「大量に廃棄物として発生するフライアッシュ灰やペーパースラッジ灰などの焼却灰を再利用し、含水量の多い軟弱土やヘドロ状汚泥を植物の植生に好ましい団粒状の土壌環境に改良するとともに、植物生体系に有害なセメントの使用量を極力抑制して、これまで以上に土壌強度を高めることができる。」ことを旨とする土壌改良剤が提供されている。
しかし、上記手段では、土壌改良達成までに長時間を要すると共に、土壌の含水比が185％を越えて使用する用途には限界がある。従って、一時的な土壌改良剤になり得ても、瞬時に且つ広範囲な土壌の含水比に対応できる永久的な土壌安定剤になり得ないものである。
特願2001-169024号

そこで本発明は、含水量の多い軟弱土やヘドロ状汚泥などの土壌に混合してｐＨを中性に改質維持し、使用量に応じて保水度合いを調整可能として、土壌強度を瞬時にかつ水分比で７００％となる広範囲に安定固化する土壌安定固化材を提供するものである。更に、畜産汚泥の水分を保水して消臭するなど土壌機能を回復する土壌安定固化材を提供するものである。

上記目的を達成するために、請求項１記載の無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する土壌安定用団粒状固化材は、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトから成る群の少なくともいずれか一つを含む成分１００重量部に対して、無機高分子凝集剤１〜１６重量部と有機高分子凝集剤１〜２５重量部、ポルトランドセメント７〜３０重量部、硫酸バンド３〜１５重量部、無水石膏０.７〜１０重量部、メタクリル酸エステル０.３〜５重量部、リグニンスルホン酸塩類０.０８〜０.５３重量部、ステアリン酸塩類０.０７〜０.４０重量部、トリポリリン酸ソーダ０.０４〜０.２７重量部、水酸化ナトリウム０.０１〜０.０６８重量部を混合することを特徴とする。

請求項２記載の無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する土壌安定用団粒状固化材は、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライト中のシリカ骨格に、ポリ塩化アルミニウムなど無機高分子凝集剤の持つアルミニウムが同型置換して脱水し、シリカ-アルミナ固体を形成することを特徴とする。

請求項３記載の無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する土壌安定用団粒状固化材は、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトがポリアクリルアミド系などノニオン系有機高分子凝集剤とフロックを形成して水の脱水分離を促進することを特徴とする。

請求項４記載の無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する土壌安定用団粒状固化材は、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトの水分吸着能を高く保持するためにポリ塩化アルミニウムとポリアクリルアミド系凝集剤でエトリンガイド結晶を極大化することを特徴とする。

本発明は、無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する土壌安定用団粒状固化材は、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰やゼオライトに共通して存在するニ酸化珪素と酸化アルミニウムを含む粉状焼却灰や天然資源を原料とするので、水和化鉱物との結合によって、含水量の多い軟弱土やヘドロ状汚泥など土壌の水分を７００％まで保水して植物の植生などに好ましい団粒状の土壌環境に瞬時に改良固化することができる。更に、畜産汚泥の水分を保水するので、水分中に溶解している臭気元を離脱気化させて消臭することができる。また、粉状焼却灰は大量の製紙スラッジを焼却した灰分であるので、産業廃棄物の有効利用ができる。

この発明の実施の形態を、図１および表１、表２、表３、表４および表５に基づいて説明する。その冒頭に、本発明の原料であるペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトについて説明する。
ペーパースラッジ灰及びフライアッシュ灰は、大量の産業廃棄物として排出されるものであり、ペーパースラッジ灰は製紙スラッジの焼却処分灰であり、フライアッシュ灰は石炭の燃焼残灰である。またゼオライトは天然資源で、単独あるいは混合灰として土壌安定固化材の原料に用いられる。

次に、粉状焼却灰や天然資源の化学組成について一例をあげて説明する。
表１に土壌安定固化材の原料である粉状焼却灰および天然資源についての化学組成比較を示す。この表に示す通り、本発明の土壌安定固化材の原料に共通して多量に存在する化学組成はニ酸化珪素と酸化アルミニウムであり、この原料が保有する二大組成と立体網目構造に着目して、無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する土壌安定用団粒状固化材を考案した。

次に、以上の性状を保持する該ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトを原料とした土壌安定固化材の配合構成を検討した。粉状焼却灰および天然資源に多量に存在する二大化学組成はニ酸化珪素と酸化アルミニウムである。この原料が保有する該組成と立体網目構造に勘案し、吸水量の増大機能に着目した。
つまり、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトと水で構成される系に水和化鉱物を添加して、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライト水和化鉱物-水の系を形成し、この系は急激な水和反応を形成すると共に、水の吸着量を増大させるものと推測される。更に、該水和物にアルミニウム系の無機高分子凝集剤を添加して、粉状焼却灰および天然資源のシリカ骨格へアルミニウムの同型置換が行なわれた後、脱水し、酸化物イオンと金属イオンが表面に露出してシリカ-アルミナ固体の表面となって反応性を向上させ、いわゆる触媒作用が出現する。そこで該シリカ-アルミナ固体表面は該水和化鉱物と水和反応を促進して吸水量を増加させると共に、有機高分子凝集剤を添加することによって土粒子の凝集を図り、更なる土壌固化促進を行なうことを期待し、つまり、無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する材料は、水和化鉱物に吸水機能を付与し得る材料と考えた。

そこで該ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトを原料とし、該水和化鉱物に新たな添加剤を配して水の吸着量を大幅に増大する土壌安定固化材を配合構成した。該土壌安定固化材の組成を表２に示す。水和化鉱物および凝集剤は、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトと水の界面において水和反応を起こして水和物を形成し、汚泥など軟弱土からの吸水を促進する。粉状焼却灰および天然資源の有効利用と汚泥の安定固化への機能回復を果す。

更に、各組成の機能について説明する。
多孔質を保持しているペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトは汚泥中の水分を吸収し、土壌安定固化材を構成する水和化鉱物と反応して、水和反応を起こす。水和化鉱物の一つ目、ポルトランドセメントまたは早強セメントは、水を吸収して含まれる骨材とともに固化する性質がある。水和化鉱物のニつ目、硫酸バンドは、ｐＨを下げ、汚泥水分に溶出する溶存汚濁物質を吸着固定する。三つ目は無水石膏で、水和反応により吸水固化して土質の強度を上げ、硫酸バンドの凝集力を助ける効果がある。そして四つ目がメタクリル酸エステルで、硫酸バンドと無水石膏との組合せで凝集力を大幅に増強する。また改良土のひび割れを防止する効果がある。五つ目がリグニンスルホン酸塩類で、セメント粒子に接触すると、その湿潤・浸透・吸着作用によりセメント凝集粒群の各セメント粒子を均一に分散させる効果がある。更に六つ目がステアリン酸塩類である。このノニオン系のステアリン酸塩類は、アニオン系のリグニンスルホン酸塩類のみでは疎水性の材料を親水化して強い湿潤作用と均一に分散させる効果と他の混和剤とのゲル化により粘度を増して固結する効果がある。七つ目のトリポリリン酸ソーダは、負電荷のリン酸基を媒介として多量のカチオンが吸着されるので均一に分散させる効果が大きくなる。水和化鉱物八つ目の水酸化ナトリウムは、強アルカリ性であり、酸性土壌に対して中和する役目をする。

その結果、多孔質を保持しているペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトは汚泥中の水分を吸収し、土壌安定固化材を構成する水和化鉱物によって水和反応を起こし、エトリンガイド3CaO・Al₂O₃・3CaSO₄・32H₂Oを生成する。エトリンガイドは汚泥の含水比を低下させつつ針状結晶として生成するに従って、ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトと土粒子を包囲しながら迅速に固化し団粒化していく。また、該ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトは多孔質であるので、その孔表面に有機質、重金属、臭気などを短時間に付着吸収して離脱させないで、エトリンガイドとともに強固な団粒体を形成する。

しかしながら、汚泥の含水比を低下させつつ生成する針状結晶エトリンガイドにもその成長に限度が現れる。土粒子が固化団粒化するに従って該エトリンガイドの成長が次第に鈍化し、土壌強度に上限が生まれることに起因する。
そこで、該水和化鉱物にアルミニウム系の無機高分子凝集剤ポリ塩化アルミニウムを添加して、粉状焼却灰および天然資源のシリカ骨格へアルミニウムの同型置換を起こして脱水し、酸化物イオンと金属イオンが表面に露出してシリカ-アルミナ固体表面の反応性を向上し、いわゆる触媒作用を起こさせる。そこで図１に示すように、ペーパースラッジ灰２など該粉状焼却灰および天然資源はシリカ-アルミナ固体となってその表面において水和化鉱物と水和反応を促進し、針状結晶エトリンガイド１を更に発育させながら吸水量を増加させ、土粒子３の固化団粒化を促進する。
更に、有機高分子凝集剤であるポリアクリルアミド系のノニオン凝集剤を添加することによってフロック４を形成し、土粒子の凝集を図って水の脱水分離を促進する。既に形成されている団粒体は針状結晶エトリンガイド１の成長の妨げとなるが、フロック４を形成して更に強固な団粒体として土粒子３の凝集を図るので、土壌強度が上がるにつれて、エトリンガイド１の成長が進み易くなり、結果として、水分比７００％という汚泥であっても驚異的に土壌固化促進を行なうことができる。
無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有する材料は、水和化鉱物に吸水機能を更に付与する材料を形成している。

以上、土壌安定固化材における各原料の性質に勘案して、上記混合重量比の範囲で、改良すべき土壌の性質、状態に適するように調合を行なう。その基本となる土壌安定固化材の実施例を表３に示す。

次に、表３に示す該土壌安定固化材１tonをヘドロ状汚泥原土に混合して、農地用、歩道用、更には車道用に改良する場合の混合実施例を表４に示す。この混合実施例に見られるように、土壌安定固化材の添加量は、原土の含水比と目標とする改質土壌により異なる。例えば自転車の轍のでき難い程度の歩道用道路強度は一軸圧縮強度で約0.2kgf/cm² を示す。この値が得られるようにペーパースラッジ灰土壌安定固化材の量を調整し、含水量の多い軟弱土やヘドロ状汚泥にその水を含む総重量の５％を添加して道路形成時の配合とし、また３％を添加して農地形成時の配合としている。更に、一般車道用道路においては歩道用道路に比較して一軸圧縮強度で3kgf/cm²を示すので、ヘドロ状汚泥の総重量の７％を添加して道路形成時の配合とした。高速車道用道路においては、一軸圧縮強度に勘案して総重量の20％まで可能であることが確認できた。

次に、高含水比を持つヘドロ状汚泥への添加処理比較例を表５に示す。ヘドロ状汚泥の含水比に対応し、土壌安定固化材の性能と添加量により、土壌安定固化材の使用可能範囲を決めることができる。従来の土壌安定固化材ではヘドロ状汚泥の含水比１８５％が上限であったが、本発明の土壌安定固化材はこれまで得られていない範囲、即ち、含水比で７００％を有するヘドロ状汚泥まで可能となったことを表している。しかし、含水比４００％の汚泥への添加処理が一般的な添加量であり、それ以上は添加量が増加して価格が高騰する（図２、図３参照）。

本発明は、含水量の多い軟弱土やヘドロ状汚泥を保水して造成する農耕土、またそれ以上の強度を持たせる道路、更には畜産汚泥の水分を保水することによる消臭など汚泥土壌の機能回復に要する土壌安定固化材に利用することができる。更に、その機能回復に必要な量に関わる土壌安定固化材に利用することができる。

本発明の１実施例を示す針状結晶エトリンガイド、ペーパースラジ灰、土粒子およびフロックの模式図。 汚泥水に一般固化剤と本発明土壌安定用団粒状固化材と添加した場合を比較をした写真で、左右ともに添加前の状態を示す。 同上添加後の状態を示す写真で、左が含水比４００％の場合の一般固化剤、右が含水比４００％の場合の本発明固化剤を示す。

符号の説明

１ 針状結晶エトリンガイド
２ ペーパースラッジ灰
３ 土粒子
４ フロック

Claims (4)

1. ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、ゼオライトから成る群の少なくともいずれか一つを含む成分１００重量部に対して、アルミニウム系無機高分子凝集剤０．５〜５重量部とポリアクリルアミド系有機高分子凝集剤０．５〜７重量部、ポルトランドセメント７〜３０重量部、硫酸バンド３〜１５重量部、無水石膏０.７〜１０重量部、メタクリル酸エステル０.３〜５重量部、リグニンスルホン酸塩類０.０８〜０.５３重量部、ステアリン酸塩類０.０７〜０.４０重量部、トリポリリン酸ソーダ０.０４〜０.２７重量部、水酸化ナトリウム０.０１〜０.０６８重量部を混合することを特徴とする無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有した土壌安定用団粒状固化材。
2. ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、又はゼオライトのシリカ骨格に、ポリ塩化アルミニウムの持つアルミニウムが同型置換して脱水し、シリカ-アルミナ固体を形成することを特徴とする請求項１記載の無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有した土壌安定用団粒状固化材。
3. ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、又はゼオライトがポリアクリルアミド系の有機高分子凝集剤とフロックを形成して水の脱水分離を促進することを特徴とする請求項１記載の無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有した土壌安定用団粒状固化材。
4. ペーパースラッジ灰、フライアッシュ灰、又はゼオライトの水分吸着能を高く保持するためにポリ塩化アルミニウムとポリアクリルアミド系凝集剤を添加することでエトリンガイド結晶を成長させたことを特徴とする請求項１記載の無機高分子凝集剤と有機高分子凝集剤を含有した土壌安定用団粒状固化材。