(57)【要約】【課題】鉛直管に沈降速度の異なる２種類以上の粒状体を投入し、混合装置を用いることなく、管内閉塞および汚濁防止を図りつつ、これらの粒状体が所定割合で混合された堆積層を水底に形成可能とする粒状体の水中投入方法および水中投入装置を提供する。【解決手段】鉛直管２の上端開口部２ａから沈降速度の異なる２種類以上の粒状体Ｓ１、Ｓ２をそれぞれ別系統で一緒に投入し、この投入で発生する鉛直管２内の水の脈動がそれぞれの粒状体Ｓ１、Ｓ２を混合させるとともに、沈降速度を減速させ、下端開口部から流出すると水底１０にそれぞれの粒状体Ｓ１、Ｓ２が所定割合で混合された堆積層９が形成される。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
上端開口部を水上に、下端開口部を水底近傍に位置させた鉛直管の前記上端開口部から沈降速度の異なる２種類以上の粒状体をそれぞれ別系統で一緒に投入し、水底に堆積層を形成する粒状体の水中投入方法であって、前記粒状体の投入により発生する前記鉛直管内の水の脈動により、それぞれの粒状体を混合し、該混合した粒状体を前記下端開口部から流出させて、水底に前記沈降速度の異なる粒状体が所定割合で混合された堆積層を形成する粒状体の水中投入方法。
【請求項２】
前記粒状体に潜在水硬性を有する材料を含む請求項１に記載の粒状体の水中投入方法。
【請求項３】
前記鉛直管内の水密度（ρ）と、前記鉛直管内の水面下の体積（Ｖ）と、投入する前記粒状体の密度（ρｄ）と、投入する前記粒状体の体積（Ｖｓ）と、その投入に要する時間（ｔ）と、前記鉛直管内の固有周期（Ｔ）とから下記（１）式により、脈動指数（Ｐ１）を算出し、それぞれの粒状体の前記脈動指数（Ｐ１）が２以上４０以下になるように、それぞれの粒状体の投入をおこなう請求項１または２に記載の粒状体の水中投入方法。
Ｐ１＝ρ×Ｖ／（ρｄ×Ｖｓ／ｔ）×Ｔ  ・・・・（１）
【請求項４】
上端開口部を水上に、下端開口部を水底近傍に位置させた鉛直管の前記上端開口部から沈降速度の異なる２種類以上の粒状体をそれぞれ別系統で一緒に投入し、水底に堆積層を形成する粒状体の水中投入装置であって、前記鉛直管と、該鉛直管の上部に設置された前記それぞれの粒状体を前記鉛直管内に投入する投入手段とを備え、該投入手段によって、それぞれの粒状体の単位時間当りの投入質量の増減を制御して投入し、前記鉛直管内に水の脈動を発生させる粒状体の水中投入装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、粒状体の水中投入方法および水中投入装置に関し、さらに詳しくは、鉛直管に沈降速度の異なる２種類以上の粒状体を投入し、混合装置を用いることなく、管内閉塞および汚濁防止を図りつつ、これらの粒状体が所定割合で混合された堆積層を水底に形成可能とする粒状体の水中投入方法および水中投入装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、種々のリサイクル材料の有効利用が推進されており、例えば、港湾工事では鉄鋼スラグ等を岸壁の裏込め材や汚染底質の覆砂材として利用することが期待されている。このように、今後、利用されるリサイクル材料が多様化すると考えられる。
【０００３】
従来、裏込め材や覆砂材を鉛直管を用いて水底に投入方法が知られおり、管内の閉塞防止、投入による底質の散乱による汚濁防止等の種々の改善策が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記したように、鉛直管を用いて投入される材料が多様化するにつれて、沈降速度の異なる複数の材料を投入する必要性も高まってくる。しかしながら、従来の投入方法は、専ら、鉛直管に単一系統で土砂等を投入するものであり、別系統でそれぞれの材料を一緒に管内に投入するものではなかった。
【０００５】
このように、沈降速度の異なる２種類以上の粒状体を鉛直管に投入した場合に、それぞれの粒状体を分離させることなく、所定割合で混合させて水底に堆積させることについては十分検討されていなかった。そのため、予め所定割合で異種の粒状体を混合して投入するなど、投入に際しては混合過程が別途、必要になるという問題があった。
【特許文献１】特開２００２−１２９５６９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、鉛直管に沈降速度の異なる２種類以上の粒状体を投入し、混合装置を用いることなく、管内閉塞および汚濁防止を図りつつ、これらの粒状体が所定割合で混合された堆積層を水底に形成可能とする粒状体の水中投入方法および水中投入装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため本発明の粒状体の水中投入方法は、上端開口部を水上に、下端開口部を水底近傍に位置させた鉛直管の前記上端開口部から、沈降速度の異なる２種類以上の粒状体をそれぞれ別系統で一緒に投入し、水底に堆積層を形成する粒状体の水中投入方法であって、前記粒状体の投入により発生する前記鉛直管内の水の脈動により、それぞれの粒状体を混合し、該混合した粒状体を前記下端開口部から流出させて、水底に前記沈降速度の異なる粒状体が所定割合で混合された堆積層を形成することを特徴とするものである。
【０００８】
また、本発明の粒状体の水中投入装置は、上端開口部を水上に、下端開口部を水底近傍に位置させた鉛直管の前記上端開口部から沈降速度の異なる２種類以上の粒状体をそれぞれ別系統で一緒に投入し、水底に堆積層を形成する粒状体の水中投入装置であって、前記鉛直管と、該鉛直管の上部に設置された前記それぞれの粒状体を前記鉛直管内に投入する投入手段とを備え、該投入手段によって、それぞれの粒状体の単位時間当りの投入質量の増減を制御して投入し、前記鉛直管内に水の脈動を発生させることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の粒状体の水中投入方法によれば、上端開口部を水上に、下端開口部を水底近傍に位置させた鉛直管の上端開口部から、沈降速度の異なる２種類以上の粒状体をそれぞれ別系統で一緒に投入し、この粒状体の投入により発生する鉛直管内の水の脈動により、それぞれの粒状体を混合するので、沈降速度の異なる２種類以上の粒状体を予め混合する必要がなく、そのための混合装置も不要となる。脈動による上下動で鉛直管内での閉塞を防ぐこともできる。
【００１０】
この混合された粒状体は、脈動によって沈降速度が自由沈降速度よりも小さくなる。これに伴い下端開口部からの流出速度も減速し、混合した粒状体の水域への拡散や水底土壌の巻き上げ等を防ぐことができる。これによって、水域汚濁を抑制しながら、沈降速度の異なる２種類以上の粒状体が所定割合で混合された堆積層を水底に形成することができる。
【００１１】
本発明の粒状体の水中投入装置によれば、上端開口部を水上に、下端開口部を水底近傍に位置させた鉛直管の上端開口部から沈降速度の異なる２種類以上の粒状体をそれぞれ別系統で一緒に投入し、水底に堆積層を形成する粒状体の水中投入装置であって、鉛直管と、この鉛直管の上部に設置されたそれぞれの粒状体を鉛直管内に投入する投入手段とを備え、この投入手段によって、それぞれの粒状体の単位時間当りの投入質量の増減を制御して投入し、鉛直管内に水の脈動を発生させるので、この脈動によってそれぞれの粒状体を混合でき、混合装置も不要となる。この脈動による上下動で鉛直管内での閉塞を防ぐこともできる。
【００１２】
さらに、上記した方法と同様の効果が得られ、水域汚濁を抑制しながら、沈降速度の異なる２種類以上の粒状体が所定割合で混合された堆積層を水底に形成することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明の粒状体の水中投入方法および水中投入装置を図に示した実施形態に基づいて説明する。
【００１４】
図１に本発明の水中投入装置１の構造を内部を透視して示す。この水中投入装置１は、図示しない台船等に設置され、水底１０に堆積層９を形成する海域に配置されている。水中投入装置１の鉛直管２が上端開口部２ａを水上に、下端開口部２ｂを水底１０近傍に位置させ、所定の長さを水没させて立設されている。
【００１５】
鉛直管２に土砂等の粒状体Ｓを投入した際には、鉛直管２内の水が上下動（脈動）する現象が見られる。本発明は、この脈動を利用して沈降速度の異なる２種類以上の粒状体Ｓを混合するものである。脈動の詳細については後述する。
【００１６】
鉛直管２の水上にある上部構造は、粒状体Ｓの投入手段となっている。この鉛直管２の上端開口部２ａには、漏斗状のシュート部４が連結され、シュート部４の上部には２基のホッパ部３が備わっている。それぞれのホッパ部３には、鉛直管２内に投入される沈降速度の異なる粒状体Ｓ１、Ｓ２が保持されている。ホッパ部３の下端は開閉可能な投入ゲート５となっており、投入ゲート５の近傍には、投入される粒状体Ｓ１、Ｓ２の投入速度、投入重量を計測し、投入ゲート５の開閉を制御する計測制御装置６が設けられている。この制御によって、それぞれのホッパ部３から別系統で投入される粒状体Ｓ１、Ｓ２の投入質量、投入時間、投入速度が調整可能となっている。尚、ホッパ部３は、投入する粒状体Ｓの種類に応じた数が設けられる。
【００１７】
ホッパ部３とともに、シュート部４の上部には振動装置７が設置されている。振動装置７がシュート部４を振動させることによって、シュート部４でのブリッヂ等の発生を防止して、粒状体Ｓ１、Ｓ２が円滑に鉛直管２内に投入される。
【００１８】
投入手段の別の例を図２に示す。図２に示すように、鉛直管２の上端開口部２ａには、２つの漏斗状のシュート部４が連結され、それぞれのシュート部４の上方には搬送コンベヤベルト８が設置されている。
【００１９】
搬送コンベヤベルト８には、ベルト上を搬送されて投入される粒状体Ｓ１、Ｓ２の搬送速度、搬送重量を計測し、搬送コンベヤベルト８の搬送速度を制御する計測制御装置６が設けられている。この制御によって、それぞれの搬送コンベヤベルト８から別系統で投入される粒状体Ｓ１、Ｓ２の投入質量、投入時間、投入速度が調整可能となっている。搬送コンベヤベルト８およびシュート部４は、投入する粒状体Ｓの種類に応じた数が設置される。
【００２０】
例えば、粒状体Ｓとして潜在水硬性を有する材料を少なくとも１種類用いて、この水中投入装置１によって水中に投入することで、他の粒状体Ｓと混合された堆積層（固結層）９を水底１０に形成することができる。潜在水硬性を有する材料としては、高炉水砕スラグ、セメント、フライアッシュ等を例示することができる。
【００２１】
以下、水底１０にダイオキシン等の汚染物質が積層している海域において、汚染物質を封じ込めるために、水底１０に堆積層（固結層）９を形成する場合を例にして、この水中投入装置１を用いた本発明の水中投入方法を具体的に説明する。
【００２２】
ここで、投入される粒状体Ｓは、高炉水砕スラグＳ１および製鋼スラグＳ２であり、それぞれ沈降速度が異なるものである。両者Ｓ１、Ｓ２ともに鉄鋼スラグの一種であり、高炉水砕スラグＳ１は、高炉から生成する溶融スラグを高圧水で急冷してガラス質（非結晶）の粒状体にしたものである。軽量で内部摩擦角が高く、潜在水硬性を有しているので時間の経過とともに固結する特性があるが、単体では固結に数ヶ月程度の時間が必要とされる。
【００２３】
製鋼スラグＳ２は、高炉で製造された硬くて脆い銃鉄から不要な成分を除去し、靭性および加工性に優れた鋼にする製鋼過程で生じる石灰石を主体とした粉粒状体の副産物であり、転炉スラグ、溶銃予備処理スラグおよび電気炉スラグ等を用いることができる。
【００２４】
両スラグＳ１、Ｓ２は図１に示すように、それぞれのホッパ部３から所定の投入速度（投入質量／投入時間）に制御され、シュート部４を介して連続的に鉛直管２内に一緒に投入される。
【００２５】
このように、両スラグＳ１、Ｓ２の単位時間当り投入質量が制御された投入によって、鉛直管２内に脈動が発生し、高炉水砕スラグＳ１と製鋼スラグＳ２と混合され、アルカリ刺激材となる製鋼スラグＳ２が高炉水砕スラグＳ１の全体に広がり、水和固化反応が促進される。下端開口部２ｂから流出する混合した両スラグＳ１、Ｓ２は、固結時間を短くして水底１０に堆積層（固結層）９を形成する。例えば、固結時間は半月〜１ヶ月程度となる。
【００２６】
この投入を移動しつつ、対象となる範囲で実施することによって、図３に示すように健全層１０ａにダイオキシン等の汚染物質の汚染層１０ｂが積層された水底１０を堆積層（固結層）９で覆うことができる。高炉水砕スラグＳ１による固結層９は、透水率が１０−３〜１０−４ｃｍ／ｓｅｃ程度と低く、汚染物質を確実に封じ込めることが可能になる。
【００２７】
このように、単体では固結に長い時間を要する高炉水砕スラグＳ１を製鋼スラグＳ２と混合装置を用いることなく、混合させて、容易に遮断性に優れた固結層９を形成することができる。両スラグＳ１、Ｓ２の有効利用の観点からも、優れた活用方法といえる。脈動による上下動で鉛直管２内での閉塞も生じにくくなる。
この混合した両スラグＳ１、Ｓ２は、脈動によって沈降速度が自由沈降速度よりも小さくなり、下端開口部２ｂからの流出速度も減速する。したがって、混合した両スラグＳ１、Ｓ２の水域への拡散や水底１０の汚染物質の巻き上げ等を防いで、水域汚濁を抑制しながら、両スラグＳ１、Ｓ２が所定の質量割合で混合された堆積層（固結層）９を形成できる。
【００２８】
両スラグＳ１、Ｓ２の質量割合は、固結強度等から最適な割合を採用し、最適割合に応じて両スラグＳ１、Ｓ２の投入速度（単位時間当たり投入質量）を制御する。
【００２９】
高炉水砕スラグＳ１の水和固化反応を促進するアルカリ刺激材となる粒状体としては、高炉徐冷スラグ、消石灰、セメントを用いることができる。高炉徐冷スラグとは、銑鉄を製造する高炉で溶融された鉄鉱石のうち、鉄以外の成分を副材料の石灰石やコークス中の灰分と一緒に分離回収した粒状体である。
【００３０】
尚、本発明に用いる粒状体Ｓとしては、鉄鋼スラグの他に土砂等を例示することができ、形状は特に限定されない。このような沈降速度の異なる２種類以上の粒状体Ｓを用いて、管内閉塞および汚濁防止を図りつつ、それぞれの粒状体Ｓを所定割合で混合して裏込め材の投入工事や覆砂工事等に適用することができる。
【００３１】
この脈動の要因は、鉛直管２内の密度増加による平均水位の低下および落下する粒状体Ｓの運動量による振動と考えられるが、所定の条件が必要である。
【００３２】
脈動の発生を示す指標として、例えば、下記（１）式による脈動指数Ｐ１を用いることができる。
Ｐ１＝ρ×Ｖ／（ρｄ×Ｖｓ／ｔ）×Ｔ・・・・（１）
ρ：鉛直管内の水密度    Ｖ：鉛直管内の水面下の体積
ρｄ：投入する粒状体の密度    Ｖｓ：投入する粒状体の体積
ｔ：粒状体の投入に要する時間  
Ｔ：鉛直管内の固有周期（Ｔ＝２π（Ｌ／ｇ）１／２）
Ｌは鉛直管の水没長、ｇは重力加速度である。
【００３３】
このＰ１値は、鉛直管２内の水量に対する粒状体Ｓの投入速度（単位時間当り投入質量）を表しており、Ｐ１値が小さい場合は鉛直管２内で閉塞が生じ、Ｐ１値が大きい場合は鉛直管２内での水位低下が小さくなる。したがて、投入するそれぞれの粒状体ＳのＰ１値を所定の範囲、具体的には２以上４０以下にすることで粒状体Ｓを混合可能な脈動を発生させることができる。さらに良好な脈動を発生させるには、それぞれの粒状体Ｓを混合した混合体について算出される脈動指数Ｐ１を２以上４０以下にすることが好ましい。
【００３４】
尚、（１）式は鉛直管２内の断面に一様に粒状体Ｓが落下したとの仮定によるものなので、粒状体の落下断面積Ａｓが鉛直管の断面積Ａより小さい場合は、Ｐ１値に断面積比Ａ／Ａｓを乗じて補正する必要がある。それぞれの粒状体Ｓの脈動指数Ｐ１値は、近い程よい。
【００３５】
また、脈動によって粒状体Ｓの沈降速度を低下させて効率よく混合させる指標として、例えば、下記（２）式による拘束指数Ｐ２を用いることができる。
Ｐ２＝β×νｓ／（ａＳ１＋Ｓ２／Ｔ）・・・・（２）
β：干渉沈降による補正係数  νｓ：粒状体の沈降速度
ａＳ１＋Ｓ２：それぞれの粒状体Ｓ１、Ｓ２による水面振動の振幅の和
Ｔ：鉛直管内の固有周期
【００３６】
このＰ２値を小さくすると粒状体Ｓの沈降速度が低下し、より混合効率を向上させることができる。それぞれの粒状体Ｓの拘束指数Ｐ２値は、近い程よい。
【００３７】
上記した両指数Ｐ１、Ｐ２は本発明者らの水理実験において、その適用の妥当性が確認されている。
実施形態では、管内径が長手方向に均一な鉛直管２となっているが、上端開口部２ａから下端開口部２ｂに向かって管内径が漸増する鉛直管２を用いることもできる。
【実施例１】
【００３８】
脈動の発生条件を確認するため、表１に示すように粒状体を高炉水砕スラグおよび製鋼スラグの２種類とし、管内径を変えた４条件（Ａ〜Ｄ）について、投入量を１０〜８０００ｃｍ３の８種類にして、各条件でスラグを単独投入する実験を行なった。
【００３９】
試験方法は、鉛直管の上端に同一径の円筒を取付け、その間に仕切板を介挿し、円筒に投入量のスラグを保持した。その後、仕切板を引抜いて瞬時にスラグを鉛直管内に投入した。この際の鉛直管内の脈動を水圧変動によって計測し、結果を図４に示す。
図４の縦軸は鉛直管の水没長Ｌで無次元化した最大水位低下量Δｈであり、横軸は投入したスラグの脈動指数Ｐ１である。
【００４０】
【表１】
2006336354.tif 000003
【００４１】
図４から脈動の発生条件は、脈動指数Ｐ１が概ね２以上４０以下であることが確認できた。脈動指数Ｐ１が２未満では閉塞が発生し、４０超では鉛直管の大きさに比して投入量が少なすぎて水面が波打つだけであった。この条件を満たす、それぞれのスラグを別系統で一緒に鉛直管に投入した際にも、脈動が発生することがわかっている。
【実施例２】
【００４２】
図２に示した水中投入装置に相当する装置を用いて、沈降速度の異なる２種類の粒状体を水槽の水中に投入する１／４スケールの実験を行なった。使用した粒状体は、高炉水砕スラグおよび製鋼スラグであり、そのスペックおよび投入条件は表２に示す。使用した鉛直管は内径３５．５ｃｍであり、没水長さ２．０ｍ、下端開口部から水底までの間隔を５０ｃｍに設定した。
【００４３】
この実験により、両スラグを別系統で一緒に鉛直管内に投入した際の経時的な鉛直管内の水圧変動を測定し、その結果を図５に示す。図５の縦軸は変動圧力ｐ、横軸は経過時間ｔである。また、水底に形成された堆積層の両スラグの混合状態を確認し、その結果を表３に示す。
【００４４】
【表２】
2006336354.tif 000004
【００４５】
【表３】
2006336354.tif 000005
【００４６】
[水圧変動]
表２および図５に示すように、両スラグは基準時から約２０秒後（ｔ１）から同時に鉛直管内に投入を開始し、高炉水砕スラグは以後、３３秒間に２０６ｋｇを、連続的にほぼ一定の投入速度（単位時間当り投入質量）で投入した。図５において、（ｔ３）が高炉水砕スラグの投入完了時である。製鋼スラグは２７秒間に１８５．４ｋｇを、連続的にほぼ一定の投入速度（単位時間当り投入質量）で投入した。図５において、（ｔ２）が製鋼スラグの投入完了時である。両スラグの投入速度（単位時間当り投入質量）は、ほぼ同じである。両スラグおよび混合スラグの脈動指数Ｐ１は、２以上４０以下の範囲にあるとともに、両スラグの脈動指数Ｐ１は、ほぼ一致している。
図５から両スラグの投入と同時に管内水位が低下し、基準時から３５秒後から４５秒後の間では、最大低下となって定常状態が継続している。これより、管内での有効な脈動の発生が確認できた。管内の固有周期は２．６秒であり、計算した固有周期２．８秒とほぼ一致していた。
【００４７】
[混合状態]
形成された堆積層から上下面を１００ｍｍ四方の正方形とした高さ２００ｍｍの四角注のコアを採取し、コア高さの中央部において、断面の拡大顕微鏡観察および化学成分分析をおこなった。尚、化学成分分析は両スラグの主要成分としてＳｉＯ２、ＣａＯの２成分について分析を行ない、混合比率を計算により求めた。
拡大顕微鏡観察では、両スラグに際立った偏りはなく、ほぼ均等に混合している状態であった。表３からは、ほぼ１：１の割合で混合していることが確認できた。以上のように、両スラグの投入速度（単位時間当り投入質量）比と同様の混合比となる堆積層が形成できた。
【図面の簡単な説明】
【００４８】
【図１】本発明の粒状体の水中投入装置の内部を透視して例示した全体構造図である。
【図２】図１に示した装置の投入手段の変形例を示す上部構造図である。
【図３】本発明によって堆積層が形成された水底を例示する断面図である。
【図４】実施例１における脈動指数と水位低下量等との関係を示すグラフ図である。
【図５】実施例２における鉛直管内の経時的な圧力変動を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４９】
１  水中投入装置
２  鉛直管      ２ａ  上端開口部      ２ｂ  下端開口部
３  ホッパ部    
４  シュート部
５  投入ゲート
６  計測制御装置
７  振動装置
８  搬送コンベヤベルト
９  堆積層（固結層）
１０  水底      １０ａ  健全層      １０ｂ  汚染層
Ｓ  粒状体    Ｓ１  高炉水砕スラグ（粒状体）  Ｓ２  製鋼スラグ（粒状体）
【図１】
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【図２】
2006336354.tif 000007
【図３】
2006336354.tif 000008
【図４】
2006336354.tif 000009
【図５】
2006336354.tif 000010