JP6389596B2

JP6389596B2 - 遮水材

Info

Publication number: JP6389596B2
Application number: JP2013186297A
Authority: JP
Inventors: 上野　一彦; 一彦上野; 山田　耕一; 耕一山田
Original assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Current assignee: Penta Ocean Construction Co Ltd
Priority date: 2013-09-09
Filing date: 2013-09-09
Publication date: 2018-09-12
Anticipated expiration: 2033-09-09
Also published as: JP2015051412A

Description

本発明は、海面に設けられる管理型廃棄物最終処分場などの遮水に用いられる変形追随性の遮水材に関する。

海面に設けられる管理型廃棄物最終処分場（以下、海面処分場という。）においては、長期にわたって有害物質の漏出を防止する必要があるため、確実な遮水が要求される。例えば、海面処分場の底面とその周囲に遮水シートを敷設した構造の場合、遮水シートの継目や、敷設後に破損した箇所の遮水が難しいという問題がある。また、海面処分場の護岸を鋼矢板や鋼管矢板で築造した構造の場合には、鋼矢板や鋼管矢板の継手の止水が必要となるが、波浪や地震動により矢板が変形し、継手止水が破損して漏水する懸念がある。このような問題の対策技術のひとつとして、浚渫粘土などの粘性土を母材とし、ベントナイトを混合した変形追随性を有する土質形の遮水材を用いて遮水を行う技術が知られている。ベントナイトは、モンモリロナイトを主成分とし、膨潤性を示すため、遮水材の透水係数を低く維持する作用がある。しかし、母材となる海成粘土の入手が困難な場合がある。海成粘土の代替として、砂や、陸上から採取した粘土を用いることも考えられるが、海成粘土と比べて費用が嵩む。そこで、海成粘土の代替として石炭灰を用いることが提案されている（例えば、特許文献１、２）。

特開２００１−２９５６号公報特開２０１３−５９７５８号公報

遮水材の特性として、まず、透水係数が十分に低いこと（透水係数が１．０×１０^-6ｃｍ/ｓ以下）が要求される。また、廃棄物の荷重や地震などの外力によって亀裂や破断を生じない程度の変形追随性が要求される。また、施工においてはスラリー状の遮水材を圧送するため、圧送可能な程度の流動性が要求される。
そこで、本発明は、低透水性と変形追随性と流動性を実現し得る低コストな土質系の遮水材を提供することを目的とする。

本発明は、母材である石炭灰と、ベントナイトと海水とを含み、含水比が７１％以上１３１％以下の遮水材であって、前記ベントナイトに対する前記石炭灰の質量比が０．８以上３．４以下である遮水材を提供する。

本発明によれば、低透水性と変形追随性と流動性を実現し得る低コストな土質系の遮水材を提供することができる。

石炭灰の粒径加積曲線を示す図。試験用サンプルの配合と試験結果を示す表。遮水シートと遮水材を用いた遮水構造の一例を示す図。鋼管矢板で護岸を築造して遮水材を用いた遮水構造の一例を示す図。

本発明を実施するための形態について説明する。最初に、遮水材の材料について説明する。遮水材の材料は、石炭灰（フライアッシュ）とベントナイトと海水である。
石炭灰は、例えば、石炭火力発電所における微粉炭燃焼によって生成される。図１は、本実施形態で用いた石炭灰の粒径加積曲線を示す図である。密度は、２．２７１ｔ／ｍ³である。

ベントナイトは、モンモリロナイトを主成分とする粘土鉱物であり、水と混合することにより膨潤し、母材の空隙を埋めて透水係数を低下させる。ベントナイトには、ナトリウム型とカルシウム型があるが、膨潤性が高いことからナトリウム型ベントナイトを用いることが望ましい。本実施形態で使用したワイオミング産のベントナイトは、密度＝２．６４１ｔ／ｍ³、膨潤力＝２０ｍｌ／２ｇ以上、ｐＨ＝９．２乃至１０．２、真水での液性限界ｗ_L＝６３２％、海水（塩分濃度３％）での液性限界ｗ_L＝２４５％である。

次に、遮水材の試験について説明する。本実施形態では、石炭灰に海水を混合して石炭灰スラリーを作製し、この石炭灰スラリーにベントナイトを混合することによって遮水材の試験用サンプルを作製した。図２は、試験用サンプルの配合と試験結果を示す表である。この試験では、ベントナイトスラリーの透水係数を、ｋ＝２×１０^-7ｃｍ／ｓ（Ｗ３）とｋ＝１×１０^-7ｃｍ／ｓ（Ｗ４）の２通りに調整した。また、石炭灰スラリーの含水比を、ｗ＝４０％（Ｆ３）、ｗ＝３０％（Ｆ４）、ｗ＝２０％（Ｆ５）の３通りに調整した。また、ベントナイトスラリーと石炭灰スラリーの体積比を、ベントナイトスラリー：石炭灰スラリー＝８：２、５：５、２：８の３通りに調整した。そして、これらの互いに異なる組み合わせである１８ケースについて、フロー試験、ベーンせん断試験、変水位透水試験、圧密試験を行った。

フロー試験（旧日本道路公団ＪＨＳＡ３１３）で得られたフロー値によって遮水材の流動性を評価した。また、ベーンせん断試験（地盤工学会ＪＧＳ１４１１）によって得られた、混練直後、１日後（図中「１ｄ」）、７日後（図中「７ｄ」）、２８日後（図中「２８ｄ」）の各ベーンせん断強さによって、遮水材の変形追随性を評価した。また、変水位透水試験（地盤工学会ＪＧＳ０３１１）と圧密試験（地盤工学会ＪＧＳ０４１２）を併用して求めた透水係数によって、遮水材の低透水性を評価した。

図２における「ｃａｓｅＮｏ．」は、上記の１８ケースの各々に割り当てた識別子である。ｃａｓｅＮｏ．の先頭から２文字は、ベントナイトスラリーの透水係数（Ｗ３、Ｗ４）を表し、次の２文字は石炭灰スラリーの含水比（Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５）を表し、枝番号がベントナイトスラリーと石炭灰スラリーの体積比に割り当てた識別番号を表す（１が８：２、２が５：５、３が２：８）。例えばｃａｓｅＮｏ．がＷ３Ｆ３−１の場合は、ベントナイトスラリーの透水係数がＷ３（ｋ＝２×１０^-7ｃｍ／ｓ）で、石炭灰スラリーの含水比がＦ３（ｗ＝４０％）で、ベントナイトスラリーと石炭灰スラリーの体積比が１（ベントナイトスラリー：石炭灰スラリー＝８：２）ということになる。

「１ｍ³あたりの質量（ｔ／ｍ³）」は、試験用サンプル１ｍ³あたりに含まれるベントナイト（ＷＢ）、石炭灰（ＦＡ）、海水（ｗａｔｅｒ）の質量である。「含水比ｗ（％）」は、試験用サンプルの含水比、すなわち、石炭灰とベントナイトとの質量の和に対する海水の質量比を百分率で表したものである。「１ｍ³あたりの体積（ｍ³／ｍ³）」は、試験用サンプル１ｍ³あたりに含まれるベントナイト（ＷＢ）、石炭灰（ＦＡ）、海水（ｗａｔｅｒ）の体積である。

次に、試験結果について説明する。試験項目毎に以下の判定基準に従って試験値を判定した。フロー値については、９０ｍｍ以上１４０ｍｍ以下であるものを良好と判定した。ベーンせん断強さについては、混練直後のベーンせん断強さが０．６ｋＮ／ｍ²以下であるものを良好と判定した。透水係数については、２．０×１０^-7ｃｍ／ｓ以下であるものを良好と判定した。図２において太枠の欄は、良好でないと判定された試験値である。図２の左端の「総合評価」の欄に丸又は二重丸が記入されたケースが、フロー値（流動性）、ベーンせん断強さ（変形追随性）及び透水係数（低透水性）の３項目すべてで良好と判定されたケースであり、これらのケースのうち、試験値が相対的に優れているものが二重丸のケースである。

試験結果に基づいて遮水材の最適な配合について検討すると、以下のとおりである。
（１）ベントナイトスラリーに対する石炭灰スラリーの体積比
図２で示されるとおり、体積比（ベントナイトスラリー：石炭灰スラリー）＝２：８であるケース（Ｗ３Ｆ３−３、Ｗ３Ｆ４−３、Ｗ３Ｆ５−３、Ｗ４Ｆ３−３、Ｗ４Ｆ４−３、Ｗ４Ｆ５−３）では、少なくとも１項目の試験値が良好でないと判定された。つまり、フロー値、ベーンせん断強さ、透水係数のすべてで良好な値が得られるためには、少なくとも体積比（ベントナイトスラリー：石炭灰スラリー）が８：２から５：５の範囲内にあることが必要である。よって、ベントナイトスラリーに対する石炭灰スラリーの体積比は、８／２＝０．２５以上で５／５＝１．００以下が最適であると推察される。

（２）石炭灰スラリーの含水比
石炭灰スラリーの含水比については、試験で使用したｗ＝２０％、３０％、４０％で各々良好な試験結果が得られたため、ｗ＝２０％以上４０％以下が最適な含水比であると推察される。

（３）ベントナイトスラリーの含水比
Ｗ３とＷ４の含水比は、それぞれおよそ２１７％、１９９％であった。また、ワイオミングとは別の産地のベントナイトで同様の試験を行ったところ、含水比１００％程度で同等の試験結果が得られた。これらのことから、ベントナイトスラリーの含水比は、概ね１００％以上２５０％以下が最適であると推察される。

（４）ベントナイトに対する石炭灰の質量比
図２の試験結果からベントナイトに対する石炭灰の質量比の最小値と最大値を求めると、最小値としてＷ４Ｆ３−１のケースから、０．２４１／０．３４６≒０．６９が得られ、最大値としてＷ３Ｆ５−２のケースから、０．７８８／０．２０１≒４．０が得られた。よって、ベントナイトに対する石炭灰の質量比は、０．６９以上４．０以下が最適であると推察される。

（５）遮水材の含水比
図２の試験結果から遮水材の含水比の最小値と最大値を求めると、最小値としてＷ４Ｆ３−３のケースから５３％が得られ、最大値としてＷ３Ｆ３−１のケースから１４１％が得られた。よって、遮水材の含水比は、５３％以上１４１％以下が最適であると推察される。

次に、上記の配合による遮水材を用いた遮水工の施工手順について説明する。
＜手順１＞解泥
母材である石炭灰に海水を加えてスラリー状に解きほぐす。このとき、海水中に含まれる雑物を取り除く。
＜手順２＞調泥
スラリーに海水を加え、雑物を除去し、目標とする配合に調整して石炭灰スラリーを作製する。
＜手順３＞混練
石炭灰スラリーをプラント内のミキサーに送り込み、ベントナイトを加えて混錬し、遮水材を製造する。
＜手順４＞圧送
遮水材を、圧送ポンプを用いて、圧送管により打設場所まで搬送する。
＜手順５＞打設
トレミー管を使用して、所定の位置に遮水材を打設する。

次に、本実施形態に係る遮水材を用いた遮水構造の一例について説明する。図３は、遮水シートと遮水材を用いた遮水構造の一例を示す図である。図３（Ａ）は断面図であり、図３（Ｂ）は平面図である。１は護岸、２は遮水シート、３は遮水材、４は透水性地盤、５は処分場である。処分場５の大きさは、例えば、その底部の長さａが５００ｍ、護岸１の高さｂが２０ｍ、干潮時の水面と護岸頂部との高低差ｃが５ｍ、遮水材３の厚さが５ｍである。

図４は、鋼矢板や鋼管矢板で護岸を築造して遮水材を用いた遮水構造の一例を示す図である。図４（Ａ）は処分場全体の断面図であり、図４（Ｂ）は鋼管矢板による遮水壁の断面図であり、図４（Ｃ）は鋼管矢板と鋼矢板による遮水壁の断面であり、図４（Ｄ）はＢＯＸ形の鋼矢板による遮水壁の断面である。５は処分場、６は鋼管矢板または鋼矢板、７は遮水護岸、８は継手部、９は遮水材、１０は中詰材、１１は不透水地盤、１２は鋼管矢板、１３は鋼矢板、１４はＢＯＸ型の鋼矢板、１５は継手部である。
図４（Ｂ）の例では、鋼管矢板１２を継手部８で連結させて不透水地盤１１に打ち込み、継手部８に遮水材９を注入する。鋼管矢板６による連壁を２重構造とし、連壁間に中詰材１０を詰めて、遮水護岸７を形成する。
図４（Ｃ）の例では、鋼管矢板１２を継手部８で連結させ、さらに、継手部８の外側に別途設けた継手１５を介して鋼矢板１３を連結して、不透水地盤１１に打ち込み、鋼管矢板１２と鋼矢板１３に囲まれた空間に遮水材９を充填し、遮水護岸７を形成する。
図４（Ｄ）の例では、ＢＯＸ型の鋼矢板１４を継手部８で連結させて不透水地盤１１に打ち込み、継手部８により閉塞された空間に遮水材９を充填し、遮水護岸７を形成する。

本実施形態では、海成粘土に代えて石炭灰を母材として利用して遮水材を製造するから、海成粘土が入手困難な場合でも、低透水性と変形追随性と流動性を実現し得る土質系の遮水材を製造することができる。
また、石炭灰は、建設業における代表的な再生資源材料のひとつである。石炭灰はシルト粘土と物性が似ており、セメント分野などでは粘土の代替材として利用されているが、多くは廃棄物として灰捨場に埋め立て処分されている。本実施形態によれば、低コストな遮水材を製造することができる。また、石炭灰のリサイクルができるとともに、灰捨場の処分容量確保にも貢献することができる。
また、本実施形態では、石炭灰に海水を混合することによって石炭灰スラリーを作製し、この石炭灰スラリーにベントナイトを混合することによって遮水材を製造する。ベントナイトスラリーよりも石炭灰スラリーのほうが粘性が低いので、この製造方法によれば、ベントナイトスラリーに石炭灰を混合する方法よりも混錬が容易である。

（変形例）
上記の実施形態を次のように変形してもよい。
（変形例１）
石炭灰は、主に石炭火力発電所における微粉炭燃焼によって生成されるため、有害な重金属を含有している場合がある。そこで、石炭灰からの重金属の溶出を抑制する重金属不溶化材を遮水材に添加するようにしてもよい。重金属不溶化材としては、例えば、ゼオライトやドロマイト、酸化マグネシウムなどの無機系固化材、硫酸鉄や塩化鉄、硫化ナトリウム、水酸化ナトリウム、リン酸塩類などの無機系不溶化剤、ジメチル、ジチオ、カルバミン酸などの有機系キレート剤がある。また、重金属の種類に応じてこれらを組み合わせて使用してもよい。
なお、重金属不溶化材の添加は、遮水材製造過程のどの段階で行っても良いが、上記の実施形態における石炭灰スラリーの作製時に添加混合することが、最も効率が良い。また、添加量は石炭灰に対して質量比で５〜１０％程度を標準とするが、重金属溶出量が特に多い場合や、確実に溶出を抑制したい場合などは、これ以上の量を添加しても良い。

１護岸、２遮水シート、３遮水材、４透水性地盤、５処分場、６鋼管矢板、７護岸、８継手部、９遮水材、１０中詰材、１１不透水地盤

Claims

母材である石炭灰と、ベントナイトと海水とを含み、
含水比が７１％以上１３１％以下の遮水材であって、
前記ベントナイトに対する前記石炭灰の質量比が０．８以上３．４以下である
遮水材。