JP5318013B2 - 浚渫土の改質方法 - Google Patents

Description

本発明は、水域環境修復材（例えば、浅場や干潟の造成材）などに用いる浚渫土の改質方法に関する。

水質環境改善などを目的として、浅場や干潟の造成が行われている。従来、浅場や干潟の造成は、砕石を用いて沖合に土留め潜堤を設置した後、その岸側（陸側）に中詰材として浚渫土を設置し、その表層に天然砂を覆砂するような工法が採られている。
これに対して、特許文献１には、浚渫土砂と鉄鋼スラグとからなる非固結性の浅場・干潟造成材が開示されている。また、特許文献２には、鉄鋼スラグに含まれるＣａＯ分を積極的に活用し、浚渫土に鉄鋼スラグを混合して強度改質を行う技術が示されている。この技術では、主に鉄鋼スラグのＣａＯ分と浚渫土のＳｉ、Ａｌ等とのポゾラン反応により、浚渫土の強度改質を行うものである。

特開２００５−１３３３０９号公報 特開２００９−１２１１６７号公報

しかし、鉄鋼スラグはＣａＯ分が高いため、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材を水域で使用した場合、接触海水のｐＨ上昇が生じる恐れがあり、特に蒸気エージングや粒度調整等の工程を経ないスラグを用いた場合には、急激なｐＨ上昇が起こることが懸念される。これに対して、特許文献１では、浚渫土砂による鉄鋼スラグの物理的封じ込めにより海水のｐＨ上昇が抑えられるとしているが、単に浚渫土砂に鉄鋼スラグを混合しただけでは、海水のｐＨ上昇を適切に抑えることはできない。また、特許文献２では、使用する鉄鋼スラグの遊離ＣａＯ量や浚渫土に対する混合割合などについて詳細な検討がなされ、強度改質に好適な条件が示されているが、このような条件を満足しただけでも、海水のｐＨ上昇を適切に抑えることはできない。

したがって本発明の目的は、鉄鋼スラグを混合して浚渫土の改質を行う方法において、水域環境修復材などに使用した際に、海水のｐＨ上昇が適切に抑えられるように浚渫土を改質することができる方法を提供することにある。

本発明者らは、鉄鋼スラグを混合して浚渫土の改質を行う場合に、適量の遊離ＣａＯを含有する鉄鋼スラグを用い、且つ混合材の流動性（フロー値）を最適化することにより、水域環境修復材などに使用した際の海水のｐＨ上昇が適切に抑えられる改質浚渫土が得られることを見出した。
本発明はこのような知見に基づきなされたもので、以下を要旨とするものである。

すなわち、鉄鋼スラグを混合することで浚渫土の改質を行う方法において、細粒分含有率が６０質量％以上の浚渫土に対して、遊離ＣａＯ含有量が０．５〜１５．０質量％の製鋼スラグを、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値が８．５〜２３．０ｃｍとなり、且つ混合材中の製鋼スラグの混合率が１０〜５０実容積％となるように混合することを特徴とする浚渫土の改質方法である。

本発明によれば、鉄鋼スラグを混合して浚渫土の改質を行う方法において、適量の遊離ＣａＯを含有する鉄鋼スラグを用い、且つ混合材の流動性（フロー値）を最適化することにより、水域環境修復材などに使用した際の海水のｐＨ上昇が適切に抑制されるように浚渫土を改質することができる。このため、水域環境を保全しつつ、従来使用できなかった浚渫土を浅場・干潟造成材などのような水域環境修復材として有効利用することができ、また、鉄鋼スラグもエージング処理などを施すことなく使用できるので、鉄鋼スラグを経済的に利材化できる利点もある。

鉄鋼スラグの遊離ＣａＯ含有量が混合材の一軸圧縮強さに及ぼす影響を示すグラフ 接触海水のｐＨが９．０以下となる混合材を、浚渫土の細粒分含有率と混合材のフロー値との関係で示すグラフ 鉄鋼スラグの混合率が混合材の一軸圧縮強さに及ぼす影響を示すグラフ 鉄鋼スラグの混合率が混合材のｐＨに及ぼす影響を示すグラフ

本発明の浚渫土の改質方法は、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材（以下、単に「混合材」という場合がある）を浅場・干潟造成材などのような水域環境修復材として用いる際に、海水ｐＨの管理基準値（ｐＨ≦９．０）が満たされるようにするために、浚渫土、鉄鋼スラグおよび混合材の性状などを定量的に規定するものである。すなわち、この改質方法は、浚渫土（好ましくは細粒分含有率が２０％以上の浚渫土）に対して、遊離ＣａＯ（いわゆるフリーライム）含有量が０．５〜１５．０質量％の鉄鋼スラグを、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値が８．５〜２３．０ｃｍとなるように混合するものである。

本発明では、（a）浚渫土と鉄鋼スラグの混合材の流動性（フロー値）を最適化することにより、鉄鋼スラグを浚渫土により包み込む作用を高め、アルカリ分の溶出を抑える（＝浚渫土と鉄鋼スラグの混合直後における作用効果）、（b）適量の遊離ＣａＯを含有する鉄鋼スラグを浚渫土と混合することにより、スラグ成分と浚渫土成分とのポゾラン反応を利用してアルカリ分の固定および溶出抑制を図る（＝浚渫土と鉄鋼スラグを混合してから一定期間経過してからの作用効果）、という作用効果の組み合わせにより、改質浚渫土（混合材）を水域環境修復材として用いた際の海水ｐＨの上昇を適切かつ安定的に抑制するものである。

まず、上記（a）については、浚渫土と製鋼スラグの混合材の流動性が不十分であると、スラグの表面を浚渫土が安定的に包むことができず、一方、流動性が高すぎると浚渫土と製鋼スラグが分離してしまい、この場合もスラグの表面を浚渫土が安定的に包むことができず、いずれの場合もスラグが直接海水に接触してしまい、アルカリ成分が溶出しやすい状況が起こりうることが判った。したがって、混合材の流動性を最適化することが重要であり、具体的には、混合材のフロー値を８．５〜２３．０ｃｍにすることで、安定してアルカリ成分が溶出しにくい混合状態を確保でき、海水のｐＨ上昇を抑制できることが判った。

また、さらに検討した結果、混合材のフロー値が上記条件を満足しても、浚渫土の粒度が粗すぎる場合には、一見、十分に混合されているように見えても、スラグの表面を浚渫土が安定的に包むことができず、海水とスラグが接触したりすること、混合材内外の海水が入れ替わることによって、海水のｐＨが上昇してしまう場合があることが判った。したがって、浚渫土の粒度を最適化することが好ましく、具体的には、細粒分含有率が２０質量％以上の浚渫土を使用すれば、上記のような問題を生じることなく、鉄鋼スラグとの適切な混合状態が得られることが判った。
さらに、一般的に鉄鋼スラグは細粒分含有率が１０質量％以下であるため、浚渫土の細粒分含有率が２０質量％を下回った場合には、混合材は砂質土としての特性が極めて強まる。その結果、透水性が増したり、鉄鋼スラグを包み込む効果が弱まったりしてしまい、海水ｐＨの管理基準（ｐＨ≦９．０）を安定して確保することができなくなる場合があるものと考えられる。

また、上記（b）については、（i）主に鉄鋼スラグのアルカリ成分を浚渫土中のＳｉ，Ａｌ等とのポゾラン反応により生成物として固定するとともに、このポゾラン反応を利用して混合材を固結させること、（ii）ポゾラン反応生成物がスラグを被覆する（ポゾラン反応生成物がスラグ表面を包む）ことによりアルカリ成分の溶出を抑えること、という作用が複合的に得られることが判った。具体的には、遊離ＣａＯ含有量が０．５質量％以上の鉄鋼スラグを浚渫土に混合すればよいことが判った。

以下、本発明の詳細と限定理由について説明する。
本発明において浚渫土に混合する鉄鋼スラグ（鉄鋼製造プロセスで発生するスラグ）としては、高炉スラグ、製鋼スラグ、鉱石還元スラグなどがある。高炉スラグには、高炉徐冷スラグ、高炉水砕スラグがある。また、製鋼スラグとしては、溶銑予備処理、転炉吹錬、鋳造などの工程で発生する製鋼系スラグ（例えば、脱炭スラグ、脱燐スラグ、脱硫スラグ、脱珪スラグ、造塊スラグなど）、電気炉スラグなどが挙げられる。この中でも、遊離ＣａＯ含有量の観点から製鋼系スラグが好ましい。

また、鉄鋼スラグの遊離ＣａＯ含有量が０．５質量％未満では、上述したようなポゾラン反応が十分に生じない。図１に、鉄鋼スラグの遊離ＣａＯ含有量が混合材の一軸圧縮強さ（材齢２８日）に及ぼす影響を示す。この試験では、川崎港で採取した浚渫土（細粒分含有率６０質量％）に、粒度０−５ｍｍの製鋼スラグを混合した材料を使用した。スラグの混合率は３０実容積％とした。図１によれば、遊離ＣａＯ含有量が０．５質量％未満では混合材に強度が発現しない。但し、遊離ＣａＯ含有量が１５質量％を超えるとアルカリ溶出量が多くなるため、遊離ＣａＯ含有量は１５質量％以下が好ましい。

浚渫土の細粒分含有率とは、粒径が７５μｍ未満の粒子の比率である。浚渫土の細粒分含有率が２０質量％未満では、浚渫土の粒度が粗すぎるため、スラグの表面を浚渫土が安定的に包むことができ難くなり、海水のｐＨ上昇を適切に抑えることができなくなる場合がある。
また、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値が８．５ｃｍ未満、２３．０ｃｍ超のいずれも場合も、スラグの表面を浚渫土が安定的に包むことができない場合があり、海水のｐＨ上昇を適切に抑えることができない場合が発生してしまう。ここで、フロー値の測定は、ＪＨＳ−Ａ−３１３（日本道路公団規格）の「シリンダーフロー試験」に準拠して行う。
浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値は、浚渫土の含水比、浚渫土と鉄鋼スラグの混合割合などで調整することができる。

図２は、接触した海水のｐＨが９．０以下（海水ｐＨの管理基準値以下）となる混合材を、浚渫土の細粒分含有率と混合材のフロー値との関係で示すものである。この試験では、東京湾で採取した浚渫土（細粒分含有率９３．７質量％）、三河湾で採取した浚渫土（細粒分含有率９５．８質量％）に、粒度０−５ｍｍの製鋼スラグを混合した材料を使用した。浚渫土の細粒分含有率は、標準砂を混合させて調整し、混合材のフロー値は浚渫土に加水することで調整した。また、スラグの混合率は３０実容積％とした。

海水のｐＨは、下記（1）〜（3）の手順によるｐＨ測定試験（社団法人日本鉄鋼連盟「転炉系製鋼スラグ 海域利用の手引き」p.51参照）で測定した。
（1）試料を容器（φ８０ｍｍ×Ｈ５０ｍｍ）に高さ４０ｍｍとなるよう詰める（３００ｇ前後）
（2）試料の５倍の質量の人工海水に、容器を静かに浸す（２Ｌビーカー使用）
（3）３０分〜３時間以内に容器の外周を、１回／ｓｅｃの周期で１０回撹拌した後、ｐＨの計測を行う。
図２によれば、混合材のフロー値が８．５〜２３．０ｃｍの範囲を外れた場合にはｐＨ＞９となってしまう。また、浚渫土の細粒分含有率が２０質量％未満の場合には、ｐＨ＞９となるおそれがあることから、実用的には、細粒分含有率が２０質量％以上の浚渫土を用いることが好ましい。

また、混合材中での鉄鋼スラグの混合率は、１０〜５０実容積％が好ましい。鉄鋼スラグの混合率が１０実容積％未満では、鉄鋼スラグによる浚渫土の改質効果が小さくなる。図３に、鉄鋼スラグの混合率が混合材の一軸圧縮強さ（材齢２８日）に及ぼす影響を示す。この試験と下記の図４の試験では、東京湾で採取した浚渫土（細粒分含有率４５質量％）に、粒度０−５ｍｍの製鋼スラグを混合した材料を使用した。図３によれば、鉄鋼スラグの混合率が１０実容積％以上で混合材強度の明確な改善効果が認められる。１０実容積％未満でも強度改善効果を有する可能性はあるが、ポゾラン反応による安定した強度上昇は期待できない。また、わざわざ浚渫土に鉄鋼スラグを混合して使用するメリットも小さくなる。一方、鉄鋼スラグの混合率が５０実容積％を超えると、浚渫土の割合が少なくなるので、フロー値やｐＨの制御が難しくなる。図４に、鉄鋼スラグの混合率が混合材のｐＨに及ぼす影響を示す。これによれば、鉄鋼スラグの混合率が３０実容積％までは緩やかなｐＨ上昇が認められ、５０実容積％まではｐＨ＜９であるが、５０実容積％を超えるとｐＨ上昇が大きくなり、ｐＨ＞９となる。このような観点から、鉄鋼スラグの混合率のより好ましい上限は３０実容積％である。
本発明により改質された浚渫土（混合材）は、浅場・干潟造成材をはじめ、水域での種々の用途に適用できる。

東京湾で採取した浚渫土（細粒分含有率９３．７質量％）に、粒度０−５ｍｍの製鋼スラグを混合した材料を使用した。浚渫土の細粒分含有率は、標準砂を混合させて調整し、混合材のフロー値は浚渫土に加水することで調整した。また、スラグの混合率は３０実容積％とした。
得られた混合材について、そのフロー値と接触海水のｐＨをさきに述べた方法で測定した。その結果を、鉄鋼スラグの遊離ＣａＯ含有量、鉄鋼スラグの混合率、浚渫土の細粒分含有率などとともに表１に示す。なお、実施例で示した条件では、混合材の一軸圧縮強さ（材齢２８日）は、いずれも５００ｋＮ／ｍ^２を超える高い強度を示した。

表１に示すとおり、本発明例のように、遊離ＣａＯ含有量が０．５〜１５．０質量％の鉄鋼スラグを用い、且つ浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値が８．５〜２３ｃｍの場合には、ｐＨ≦９となっている。これに対して、Ｎｏ．１〜４の比較例のように、遊離ＣａＯ含有量が０．５〜１５．０質量％の鉄鋼スラグを用いても、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値が８．５ｃｍを下回る、或いは２３．０ｃｍを上回る場合には、ｐＨ＞９となっている。また、Ｎｏ．１２，１３の比較例のように、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値が８．５〜２３ｃｍを満足していても、鉄鋼スラグの遊離ＣａＯ量が１５質量％を超える場合にも、ｐＨ＞９となっている。
したがって、本発明の浚渫土の改質方法に従い、鉄鋼スラグを混合して浚渫土の改質を行うことにより、浚渫土を水域環境修復材などとして使用した際に、海水のｐＨ上昇を適切に抑えることができる。

Claims (1)

1. 鉄鋼スラグを混合することで浚渫土の改質を行う方法において、
   細粒分含有率が６０質量％以上の浚渫土に対して、遊離ＣａＯ含有量が０．５〜１５．０質量％の製鋼スラグを、浚渫土と鉄鋼スラグの混合材のフロー値が８．５〜２３．０ｃｍとなり、且つ混合材中の製鋼スラグの混合率が１０〜５０実容積％となるように混合することを特徴とする浚渫土の改質方法。

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