(57)【要約】【課題】土壌の塩素及び重金属系の有害物質を固定可能とする安価な固化処理材を提供し、これを用いて、有害物質の環境への溶出が少なく、周囲環境のアルカリ化を防止できる固化処理方法を提供すること。【解決手段】高炉水砕スラグと、刺激剤としての製鋼スラグとを合計で８０ｍａｓｓ％以上含有することを特徴とする、土壌の固化処理材を用いる。また、製鋼スラグを、高炉水砕スラグの２〜３０ｍａｓｓ％含有することが好ましく、さらに石膏を含有することが好ましい。また、製鋼スラグが溶銑脱硫スラグであることが好ましく、製鋼スラグがエージング処理を経た製鋼スラグであることが好ましい。さらに、この固化処理材を水の存在下で土壌に混合し、該土壌を固化させることを特徴とする、土壌の固化処理方法を用いる。【選択図】　　　　　　なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
高炉水砕スラグと、刺激剤としての製鋼スラグとを合計で８０ｍａｓｓ％以上含有することを特徴とする、土壌の固化処理材。
【請求項２】
製鋼スラグを、高炉水砕スラグの２〜３０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする、請求項１に記載の土壌の固化処理材。
【請求項３】
さらに石膏を含有することを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の土壌の固化処理材。
【請求項４】
製鋼スラグが溶銑脱硫スラグであることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の土壌の固化処理材。
【請求項５】
製鋼スラグがエージング処理を経た製鋼スラグであることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の土壌の固化処理材。
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の固化処理材を水の存在下で土壌に混合し、該土壌を固化させることを特徴とする、土壌の固化処理方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土壌を固化処理するための固化処理材およびこれを用いた土壌の固化処理方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
軟弱地盤や、重金属汚染された土壌を改良するために、あるいは掘削工事等から発生する発生残土を処理するために、固化処理材を用いた土壌の固化処理が行なわれている。土壌固化処理材には、通常セメント系固化材が用いられているが、セメント系固化材は高価であり、また得られる固化体が高アルカリであると言う問題がある。
【０００３】
また、土壌に含有されている有害物質の溶出による環境汚染を防止するために、セメントで土壌を固化処理することで水銀、鉛、クロム、カドミウム、砒素、アンチモン、ＰＣＢ等を固定することができる。また、鉛、六価クロム、シアン等物質を含有する場合もセメントを多量に使用すれば固定可能であるが、費用がかかるという問題がある。
【０００４】
セメント系固化材に代わる固化材として、半水石膏と、高炉スラグと、硫酸化合物とからなる土壌固化剤が公知である（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、都市ゴミ焼却灰を原料に利用して製造された安価な固化材が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−６１４２４号公報
【０００７】
【特許文献２】
特開平１１−１４０４４２号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に記載の固化剤を用いる方法は、２０〜８０％と多量の半水石膏と、硫酸化合物とを用いるので高価である。
【０００９】
また特許文献２に記載の固化剤を用いる方法は、都市ごみ焼却灰等の廃棄物を原料としたエコセメントを利用した固化剤を提供するものであるが、エコセメントは塩素を多く含有するため、これを用いて固化処理を行なう場合には、塩素が流出する恐れがある。また、固化処理した土壌の周囲環境をアルカリ化する恐れもある。
【００１０】
一般に、土壌が塩素を含有している場合、セメントを用いてこれらを固化する場合には、塩素の固定能力が低いという問題がある。
【００１１】
したがって本発明の目的は、このような従来技術の課題を解決し、土壌の塩素及び重金属系の有害物質を固定可能とする安価な固化処理材を提供し、これを用いて、有害物質の環境への溶出が少なく、周囲環境のアルカリ化を防止できる固化処理方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
このような課題を解決するための本発明の特徴は以下の通りである。
（１）、高炉水砕スラグと、刺激剤としての製鋼スラグとを合計で８０ｍａｓｓ％以上含有することを特徴とする、土壌の固化処理材。
（２）、製鋼スラグを、高炉水砕スラグの２〜３０ｍａｓｓ％含有することを特徴とする、（１）に記載の土壌の固化処理材。
（３）、さらに石膏を含有することを特徴とする、（１）または（２）に記載の土壌の固化処理材。
（４）、製鋼スラグが溶銑脱硫スラグであることを特徴とする、（１）ないし（３）のいずれかに記載の土壌の固化処理材。
（５）、製鋼スラグがエージング処理を経た製鋼スラグであることを特徴とする、（１）ないし（４）のいずれかに記載の土壌の固化処理材。
（６）、（１）ないし（５）のいずれかに記載の固化処理材を水の存在下で土壌に混合し、該土壌を固化させることを特徴とする、土壌の固化処理方法。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の土壌の固化処理材について説明する。
【００１４】
本発明の土壌の固化処理材は、高炉水砕スラグと、刺激剤としての製鋼スラグとを合計で８０ｍａｓｓ％以上含有するものである。
【００１５】
高炉水砕スラグは潜在水硬性を有するシリカ含有物質であり、刺激剤を添加し、水を加えて混練すると硬化して、セメントと同様に重金属を固定することができる。これは、シリカ含有物質のガラスを構成している網目構造体中のシリカの鎖状結合が刺激剤により切断され、珪酸イオンがカルシウムイオンと水和反応してＣａＯ−ＳｉＯ２−Ｈ２Ｏ系水和物を形成するためである。刺激剤としてはアルカリを含有している必要があり、水酸化カルシウム、酸化カルシウム、水酸化カルシウムなどを含有する石灰微粉末やセメントなどを用いることができ、本発明では、製鋼スラグを用いる事を特徴とする。製鋼スラグは鉄鋼製造プロセスにおいて生じる副生成物であり、同プロセスにおいて大量に生成し且つ非常に安価な材料である。この製鋼スラグは、溶銑などを溶鋼に精錬するための種々の工程で発生し、例えば、脱炭スラグ、溶銑脱燐スラグ、溶銑脱硫スラグ、溶銑脱珪スラグ、取鍋精錬スラグ、電気炉製鋼スラグなどがある。製鋼スラグの化学成分はスラグが生成する精錬工程によりある程度の差はあるが、主な化学成分は酸化カルシウム（ＣａＯ）、二酸化珪素、酸化アルミニウム、鉄などである。製鋼スラグ中には精錬時に使用されたＣａＯの一部が未反応の状態で残存しており、この未反応ＣａＯが刺激剤としてのはたらきをする。固化処理材の刺激剤として用いる製鋼スラグは、粒径５ｍｍ以下が８５％以上、０．０７５ｍｍ以下が１０％以上程度の粒度のものを用いることが好ましい。このような固化処理材を用いて土壌を固化処理した場合、緻密なカルシウムシリケート水和物（ＣａＯ−ＳｉＯ２−Ｈ２Ｏ）を生成し、固化する。カルシウムシリケート水和物は微細な細孔を有する構造であり、細孔内に重金属を取り込みつつ固化する。細孔の直径は数ｎｍであり、セメント水和物と比較しても小さく、取り込まれた重金属は容易に離脱できない。高炉水砕スラグはＡｌ含有量が多いため、水和反応により塩素を含む水和物であるフリーデル氏塩（３ＣａＯ−Ａｌ２Ｏ３−ＣａＣｌ２−１０Ｈ２Ｏ）の生成能力が大きく、このため塩素を固定する能力が高い。また、ケイ酸カルシウム水和物などにも塩素を吸着ないし内包して固定する作用がある。固化処理材は、高炉水砕スラグに刺激剤としての製鋼スラグを添加する以外に、セメント等の他の固化材を含むことも可能であるが、十分な重金属固定能力を有するためには、高炉水砕スラグと製鋼スラグとを合計で８０ｍａｓｓ％以上含有することが好ましい。
【００１６】
本発明で用いる固化処理材は、上記のようにして使用するので、微粉状態であることが好ましく、高炉水砕スラグは３０００ｃｍ２／ｇ（単位質量あたりの比表面積：ブレーン比表面積）程度以上の微粉末であることが好ましい。
【００１７】
本発明の土壌の固化処理材は、製鋼スラグを、高炉水砕スラグの２〜３０ｍａｓｓ％含有することが好ましい。
【００１８】
上記の固化処理材において、刺激剤である製鋼スラグの配合量が２ｍａｓｓ％未満では、刺激剤としての作用が十分に得られない。一方、製鋼スラグの配合量が多いほどアルカリ刺激が強くなり、刺激剤としての効果は高まるが、過剰に配合すると相対的に高炉水砕スラグの割合が減少し、また、水和反応時の水酸化カルシウムの生成やエトリンガイトの生成（特に、脱硫スラグの場合）による膨張の影響を受けやすくなり、固化処理した土壌の強度が低下しやすい。製鋼スラグの配合量が３０ｍａｓｓ％を超えるとこのような傾向が顕著になるため、固化処理した土壌の強度を問題とする場合は、その配合量は３０ｍａｓｓ％以下とする。
【００１９】
本発明の土壌の固化処理材は、さらに石膏を含有することが好ましい。
【００２０】
固化処理材が、高炉水砕スラグに製鋼スラグと石膏を添加したものであると、石膏がその一部が水和反応過程において膨張性の水和物であるエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏ）を生成する。後述するように、エトリンガイトの生成は固化処理した土壌の強度特性の向上に寄与する。石膏を固化処理材に、固化処理材中の割合で５〜２０ｍａｓｓ％程度添加すると、強度特性の面で望ましい。石膏は通常品以外に石膏ボード廃材などから得られるリサイクル石膏も利用可能であり、リサイクル品を用いることは環境保全上望ましい。
【００２１】
土壌の固化処理材に用いる製鋼スラグは、溶銑脱硫スラグであることが好ましい。
【００２２】
溶銑脱硫スラグ（以下、単に“脱硫スラグ”という）は鉄鋼製造プロセスの脱硫工程で発生するスラグであり、組成及び形態面で以下のような特徴を有している。
【００２３】
（１）磁気選別などによる地金除去後において、ＣａＯの含有量が５０ｍａｓｓ％以上と高く、未反応ＣａＯも多く含まれているため刺激剤としての効果が高い。
【００２４】
（２）形態として、他の製鋼スラグに較べて細粒の割合が多いので、破砕・磨砕コストを省略し又は大幅に軽減することができる。
【００２５】
（３）硫黄分を１〜４ｍａｓｓ％程度含有している。硫黄は化学的に酸素と同じように負２価元素として金属と反応して硫化物を形成しやすいため、重金属の固定に有効である。また、スラグ中に硫黄分が多いと、その一部が水和反応過程において膨張性の水和物であるエトリンガイト（３ＣａＯ・Ａｌ２Ｏ３・３ＣａＳＯ４・３２Ｈ２Ｏ）を生成し、このようなエトリンガイトの生成が固化処理した土壌の強度特性の向上に寄与する。これは初期の強度向上にエトリンガイトの生成が寄与する（つまり、初期においてセメント粒子間の隙間をエトリンガイトが埋めることにより強度が向上する）ためであると考えられている。そして生成したエトリンガイトが潜在水硬性を有するシリカ含有物質である高炉水砕スラグの乾燥収縮の緩和に寄与し、その結果、強度特性が向上するものと考えられる。したがって、この点においても脱硫スラグは従来の刺激剤である石灰微粉末と比較して優れた特性を有している。
【００２６】
脱硫スラグは、鉄鋼製造プロセスの脱硫を目的とした精錬工程で発生するスラグであるが、その精錬方式（例えば、精錬設備、精錬容器、精錬方法）は特に限定されない。
【００２７】
磁気選別などによる地金（鉄分）除去処理後の脱硫スラグの組成は、例えば、酸化カルシウム（ＣａＯ）：５８ｍａｓｓ％、酸化珪素：（ＳｉＯ２）１６ｍａｓｓ％、酸化アルミニウム：（Ａｌ２Ｏ３）１０ｍａｓｓ％、全鉄：６ｍａｓｓ％、硫黄：３．５ｍａｓｓ％である。
【００２８】
土壌の固化処理材に用いる製鋼スラグは、エージング処理を経た製鋼スラグであることが好ましい。
【００２９】
予めエージング処理した製鋼スラグを用いることにより、固化処理した土壌の強度を上昇させることができる。これは、製鋼スラグに予めエージング処理を実施しておくことにより、製鋼スラグ中の未反応ＣａＯが水和反応により水酸化カルシウムが生成する際に約２倍もの体積膨張を伴うことに起因する固化処理した土壌の膨張が抑えられるためであり、その結果、固化処理した土壌の強度低下が防止される。また、脱硫スラグの場合には未反応ＣａＯを多く含有するため、このようなエージング処理の効果は特に大きい。
【００３０】
ここで、エージング処理とは製鋼スラグを湿空中又は水中におくことによって水分（水、温水、蒸気など）と反応させ、スラグの体積膨張や崩壊を事前に起こさせておく処理であり、その方法は特に問わないが、常温でエージング処理する方法としては、▲１▼スラグを湿空下におく方法、▲２▼容器などを用いてスラグを水中におく（沈める）方法などが考えられる。ここで、上記▲１▼の方法では、スラグを水中以外で水分と反応しやすい条件下におけばよく、例えば、野積みのスラグに散水する方法（人為的な散水の他に降雨でもよい）などでもよい。
【００３１】
また、製鋼スラグのなかでも脱硫スラグは特に未反応ＣａＯが多く反応性に富むため、他の製鋼スラグに較べてエージング処理の期間がかなり短くて済む。すなわち、脱硫スラグの湿空中又は水中でのエージング処理の期間は１日以上、好ましくは７日以上とすることが望ましいが、最長でも２ヶ月程度あれば十分である。他の製鋼スラグでは湿空中又は水中でのエージング処理の期間は６ヶ月以上とすることが望ましい。
【００３２】
また、製鋼スラグをさらに確実にエージング処理するため、蒸気エージングや温水エージングなどを実施してもよく、これらによれば湿空中又は水中でのエージング処理よりも短期間で処理を完了することができる。
【００３３】
このようなエージング処理を行うことにより、上述したような基本的な効果に加えて、製鋼スラグが崩壊することによりスラグの細粒化が進み、固化処理材の材料として必要な微粒分の回収率が向上するという効果も得られる。特に、脱硫スラグの場合は先に述べたように元々細粒分が多い上、これにエージング処理による崩壊作用が加わるため、微粒分の回収率が特に高くなる利点がある。
【００３４】
以上の点からして、製鋼スラグ（特に、脱硫スラグ）のエージング処理は、スラグから固化処理材の材料に適した微粒分を高い比率で回収する手段としても有効である。
【００３５】
以上のような本発明の固化処理材は、セメントと比較して安価であり、しかもスラグをリサイクル材として有効利用できるので、土壌の固化処理に好適である。
【００３６】
次に、本発明の固化処理剤を用いた土壌の固化処理方法について説明する。
【００３７】
本発明の土壌の固化処理方法は、上記の固化処理材を、水の存在下で土壌に混合し、該土壌を固化させることを特徴とするものである。
【００３８】
軟弱地盤や、重金属汚染された土壌を改良するために、あるいは掘削工事等から発生する発生残土を処理するために、高炉水砕スラグに刺激剤として製鋼スラグを添加した固化処理材を水の存在下で土壌に混合し、土壌に含まれる重金属、ＰＣＢ等を固定化するとともに、土壌に含まれる塩素を固定化することを可能とする。固化処理材には、さらに石膏を添加すると効果的である。また、製鋼スラグとしては、溶銑脱硫スラグを用いる事が好ましく、エージング処理を経たものを用いる事がより好ましい。水は、通常、土壌中に含まれているので新たに加える必要がない場合が多いが、水分が少ない場合には、固化処理材と水とを予め混合してから、土壌と混合することも、固化処理材と水と土壌を同時に混合して混練することも可能であるが、土壌を混合する前に固化処理材の水和反応が開始するのを防止できるので同時混合が好ましい。
【００３９】
土壌を固化処理する際の土壌に対する固化処理材の配合量は、土壌に固化処理材を配合後の状態で固化処理材を２０ｍａｓｓ％以上とすることが好ましい。土壌の塩素含有量にもよるが、２０ｍａｓｓ％未満では塩素の固定作用が十分ではなく、得られる固化処理した土壌の強度も十分ではない。固化処理材の配合量が多いほど、有害物質の固定作用が大きく固化処理した土壌の強度も増加するが、土壌の割合が少なくなるため、効率の面からは適当でない。
【００４０】
本発明の固化処理材を用いて固化処理した土壌は、塩素や重金属の溶出がほとんど無く、環境に与える影響の少ないことが特徴である。高炉水砕スラグ（微粉末）は、刺激剤存在下で水と反応し、カルシウムシリケート水和物を生成し、硬化する。カルシウムシリケート水和物は微細な細孔を有する構造のため、細孔内に重金属を取り込みつつ硬化体を形成する。微細な細孔は数ｎｍサイズとセメント水和物と比較しても小さく、取り込まれた重金属は容易に離脱できない。また、塩素は先に述べたように、フリーデル氏塩の生成とともに固定され、同時に硬化も進行する。
【００４１】
また、本発明の固化処理材を用いて固化処理した土壌は、セメントを用いて固化処理した場合に比べて低アルカリ性であるので、土壌への負担が少なく、この点でも環境に与える影響の少ない、環境に優しい素材である。
【００４２】
【実施例】
固化処理材として、ブレーン比表面積４０００ｃｍ２／ｇの高炉水砕スラグ微粉末、二水石膏、および刺激剤としてエージング処理を行っていない脱硫スラグ粉（０．０７５ｍｍ篩い下の脱硫スラグ粉）をそれぞれ用い、これらの配合比率を変えて表１に示す記号Ａ〜Ｅの固化処理材を作製した。
【００４３】
これらの固化処理材に、建設発生土を固化処理材２０質量部に対し、粘性土１００質量部の割合で加え、記号Ａ〜Ｅの一軸圧縮試験用の供試体を作製した。また普通ポルトランドセメントを固化処理材として用いて、記号Ｆの一軸圧縮試験用の供試体を作製した。これらの一軸圧縮強度（作製後２８日後）と鉛、塩素の溶出を測定した。強度の測定はＪＩＳ　Ｒ　５２０１に準じて行い、鉛、塩素の溶出は環境庁告知４６号に基づく溶出試験にて行った。これらの結果を表１に併せて示す。
【００４４】
【表１】
2004105783.tif 000002
【００４５】
固化処理材に高炉水砕スラグ、脱硫スラグを混合して用いたＢ、およびさらに石膏を加えたＣ〜Ｅではいずれも５ＭＰａ以上の強度が確保された。Ｂ〜Ｅの固化処理体については、鉛の溶出量は０．０１ｍｇ／Ｌ未満であり、土壌環境基準を満足した。塩素の溶出量も水道法の水質基準（２００ｍｇ／Ｌ以下）を下回る溶出量であった。
【００４６】
これに対し、比較例であるＡ、Ｆでは鉛の溶出量は０．０２ｍｇ／Ｌであり、塩素の溶出量は水道法の水質基準を上回った。
【００４７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、廃棄物や産業副生成物を主原料としている安価で省資源的な固化処理材を用いて土壌の固化処理を行なうことが可能である。固化処理した土壌は低アルカリ性で、周囲環境のアルカリ化を防止でき、塩素及び重金属系の有害物質の溶出が少なく、環境汚染を防止することができる。