(57)【要約】【課題】  ポンプ圧送時には流動性を有し、水中打設時には材料分離が小さく、打設後はゲル化し、低透水性および変形追従性を有する遮水材を提供すること。【解決手段】  含水比１００〜３００％の海成粘土懸濁液に、粘土鉱物を加え、これに珪酸塩類、アルカリ金属塩類、アルカリ土類金属塩類から選ばれた少くとも１種を加えてゲル状物質に改質してなる変形追従型遮水材。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
含水比１００〜３００％の海成粘土懸濁液に、粘土鉱物を加えてゲル状物質に改質してなる変形追従型遮水材。
【請求項２】
含水比１００〜３００の海成粘土懸濁液１００容量部に粘土鉱物を５乃至５０重量部を添加して、ゲル状物質に改質してなる変形追従遮水材。
【請求項３】
含水比１００〜３００の海成粘土懸濁液１００容量部にベントナイトを５乃至５０重量部を添加して、ゲル状物質に改質してなる変形追従遮水材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、海面における管理型廃棄物最終処分場の遮水構造物に用いる遮水材に関し、とくに、ポンプ圧送時には流動性を有し、水中打設時には材料分離が小さく、打設後はゲル化し、低透水性および変形追従性を有する遮水材に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、海岸、海面に設ける管理型廃棄物最終処分場の遮水工は、図１および図２に示すように、その多くは、遮水シート等を護岸背面と底面に敷設する方法や、鋼矢板や鋼管矢板を用い、その継ぎ手部分に止水処理を施す方法であった。図１は、遮水シートを用いる方法の１例を示し、図１Ａにおいて、１は護岸、２は２重遮水シート、３は押え材料、４は透水性地盤である。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を５ｍ、押え材料３の厚さを５ｍとする。図１Ｂは、その平面図を示す。
図２Ａは、鋼管矢板６を用いて護岸を形成する方法を示し、鋼管矢板６を図２Ｂの拡大図に示すようにその継手部分８で係合させて打ち込み、継手部分８に止水材９を注入して護岸７を形成し、図１Ｂと同様の平面形態の処分場５とする。図中、１０は中詰材、１１は不透水地盤である。
上記の遮水シートを用いる方法では、シートとシートの熱溶着やラップさせる作業を伴うために、現場作業が難しく、シートの破損が発生するおそれがあり、高い遮水性の確保が困難であった。
また、鋼管矢板を用いる方法には、継手部の止水材の充填が確実でなく護岸の変形により充填材が劣化するなどの欠点があった。
なお、管理型廃棄物最終処分場（以下、廃棄物処分場という）とは廃棄物処理法施行令第７条第１４号ハに示された廃棄物最終処分場をいう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
本発明は、主材として海成粘土を用い、その透水性、水中分離抵抗性および変形追従性を改善し、廃棄物処分場の遮水工に適する遮水材を提供しようとするものである。
【０００４】
海成粘土を用いる遮水材には、次の３つの特性が要求される。
1)  低透水性：
廃棄物中の有害物質が遮水材を通過しないよう、遮水材料には透水係数と施工厚みに基準値が設けられている。一般に必要とされる透水係数は、１０−５(cm/sec)以下であり、施工厚みは、透水係数が１０−５cm/secの場合には５．０ｍ以上である。
2)  水中分離抵抗性：
海面における廃棄物処分場の遮水工では、トレーミー管を用いる水中打設工事が行なわれる。この場合、打設される遮水材に、適当な粘着性が無ければ、打設中に遮水材が海水中に分散し、施工を効率良く行うことができず、周辺海域を汚染する。
3)  変形追従性：
施工された遮水材は長期間（数十年）にわたって、加えられた外力の大きさに応じて変形し、亀裂および破断を生じない特性が必要である。
この特性がなければ、上記1)、2)の特性を満していても、廃棄物処分場の遮水工に用いる遮水材としての機能は発揮されない。
例えば廃棄物処分場の遮水材として、海成粘土にセメントなどの固化剤を添加した固化
処理土を用いることが考えられているが、変形追従性に問題があり、施工後にひび割れを生じるなどの欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者らは、海成粘土の透水性、水中分離抵抗性および、変形追従性を改善するために、添加剤として粘土鉱物を用いると、透水性、水中分離抵抗性および変形追従性が改善されることを見出した。
【０００６】
上記粘土鉱物は、粘土ハンドブック（日本粘土学会編：１９９４年１０月３０日発行）に記載されている粘土鉱物と同一のものである。例えば、スメクタイト、カオリン鉱物、セピオライト、雲母粘土鉱物、混合層鉱物であり、これらの何れを用いてもよい。中でも、スメクタイト、カオリン鉱物、雲母粘土鉱物より選ばれた一種以上を用いることが好ましい。
上記スメクタイト族に分類される粘土鉱物の同族には、モンモリロナイト、サポナイト、ヘクトライトなどがあり、主としてモンモリロナイトから成る粘土をベントナイトと総称する。ベントナイトは、土木・建設および石油・小口径ボーリング分野、広く用いられ、市場に出回っているので、これを使用することが、経済的に好ましい。とくに群馬産、山形産、ワイオミング産の高膨潤性ナトリウムベントナイト（商品名：テルゲル）を用いることが、最も好ましい。
【０００７】
なお、水溶性アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、珪酸塩類（以下、水溶性無機塩ともいう）の内、少なくとも一種類以上をゲル化剤および水中分離抵抗剤として用いることができる。ここでいう水溶性アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩は、１３３９８の化学商品（化学工業日報社：１９９８年１月２８日発行）に記載されている水溶性無機塩と同一の物である。例えば、塩化ナトリウム、塩化カリウム、塩化カルシウム、亜硝酸カルシウム、硝酸カルシウム、硫酸アルミニウム、ポリ塩化アルミニウム、硫酸アルミニウムアンモニウム等である。
また珪酸塩類は、化学大辞典（共立出版株式会社）に記載されている珪酸塩類と同一の物である。例えば、メタ珪酸ナトリウム、オルト珪酸ナトリウム、二ケイ酸ナトリウム、四珪酸ナトリウム、メタ珪酸カリウム、二ケイ酸水素カリウムがあり、なかでもメタ珪酸ナトリウムを用いることが最も好ましい。
【０００８】
さらに、ゲル強度の向上を目的として、繊維状物質および／または固化剤を、粘土鉱物および水溶性無機塩と併用することができる。繊維状物質としては、アスベスト、セピオライトなどの天然繊維としての鉱物繊維、ロックウール（テルナイト社製品：TNファイバー）、ガラス繊維、金属繊維、炭素繊維などの化学繊維としての無機繊維、ポリプロピレン系、ポリ塩化ビニリデン系などの化学繊維としての合成繊維があるが、経済性、繊維長、経時変化からみてロックウールを用いるのが好ましい。
ロックウールは、数種の鉱物を高熱で溶融処理し、細い繊維状にした非晶質の人工無機繊維であり、天然鉱物繊維である石綿（アスベスト）とは異なる。遮水材料としてロックウールを使用する目的は、繊維で遮水材料中の各物質を絡ませ、それによって、分離性を防ぎつつ変形追従性を維持し、強度を向上させることにある。
固化剤としては、消石灰、生石灰、石灰系固化剤、無水石膏、半水石膏、セメント系固化剤、普通ポルトランドセメント、早強ポルトランドセメント、超早強ポルトランドセメント、中庸熱ポルトランドセメント等のポルトランドセメント類、高炉セメント、フライアッシュセメントなどであり、特に限定されない。
【０００９】
なお、施工性を考慮し、ゲル化の遅延を目的として、ゲル化遅延剤を、粘土鉱物、珪酸塩類、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩と併用することができる。または粘土鉱物、珪酸塩類、アルカリ金属塩、アルカリ土類金属塩、および繊維状物質、固化剤の一種類または二種類以上と併用することができる。
ゲル化遅延剤物質としては、ホウ酸アルカリ金属塩類（例えば、TR-18：テルナイト社製）、リグニンスルホン酸アルカリ金属類（例えば、リグニンスルホン酸ナトリウム）、ポリカルボン酸アルカリ金属塩類（例えば、QF750：日本ゼオン社製）、ポリアクリル酸アルカリ金属塩類（例えば、ポリアクリル酸ナトリウム）などの水溶性高分子、デキストリン、脂肪酸、ショ糖、マルトース、アルコール類があるが、ホウ酸アルカリ金属塩類とポリアクリル酸アルカリ金属塩類を用いるのが好ましい。
【００１０】
本発明に用いる粘土鉱物（ベントナイト）の添加量は、含水比１００〜３００％の海成粘土懸濁液１００容量部当たり、５重量部〜５０重量部の範囲が適正である。ベントナイトの添加量が５重量部以下の範囲では、透水係数が低減し、ゲル強度が低くなり、遮水材として適当でない。また、５０重量部以上の範囲では、水溶性無機塩を添加した場合、ゲル強度が高くなりすぎて、施工上問題を生じる場合がある。
【００１１】
珪酸塩類を用いる場合、その添加量は、上記１００容量部の海成粘土懸濁液当たり、０．０５重量部〜１０重量部の範囲が適正であり、０．０５重量部以下では、ゲル強度が低く、遮水材として適合しない場合がある。また、１０重量部以上は、水溶性無機塩の添加によるゲル強度が高すぎて、施工上問題を生じる場合がある。
【００１２】
また、繊維状物質を併用する場合、その添加量は、上記１００容量部の海成粘土懸濁液当たり、０〜５重量部の範囲が適正である。固化剤の添加量は、０〜５重量部未満の範囲が適正で、それ以上の範囲では、ゲル強度が強すぎたり、固化反応が生じるため適当でない場合がある。
さらに、ゲル化遅延物質を併用する場合、その添加量は、上記１００容量部の海成粘土懸濁液当たり、０〜３重量部の範囲が適正であるが、それ以上の範囲では、ゲル化を抑制して適正なゲル強度を発現しない場合がある。
【００１３】
本発明の作用について説明する。
一般の港湾浚渫で得られる海成粘土の含水比は、５０〜１５０％である。この程度の含水比をもつ海成粘土に添加剤を混合し、均一で流動性をもち、雑物を分離しやすい性状の海成粘土にするためには、これに、予め海水あるいは清水を添加し、含水比を１００％から３００％程度まで増加させ、懸濁液にしておく必要がある。懸濁液にすると、海成粘土の間隙率が増加する。これにベントナイトを加えるとベントナイト粒子が海成粘土粒子の間隙をうめると同時にゲル化を引きおこす。
【００１４】
さらに、透水性低減剤、ゲル化剤、繊維状物質を単品で使用するか、あるいは２から３物質を併用することによってゲル強度を高めることができる。ゲル強度が高くなりすぎたときは、ホウ酸アルカリ金属塩類あるいはポリアクリル酸アルカリ金属塩類のようなゲル遅延剤を併用すると、施工時のゲル化および強度が緩和される。
【００１５】
変形追従性とは液状ないしは塑性状を呈しており、外力に対し自由に形状を変えることができる状態のことをいい、ベーンせん断値あるいはフロー値でその状態を知ることができる。
ベーンせん断値は海成粘土に粘土鉱物、さらにゲル化剤を加えて改質した場合、粘土鉱物及びゲル化剤の添加量に比例して増加する。ベーンせん断値が高い場合は、遮水材料が塑性状態を通り越し、固化状態になった場合と同様な亀裂が入る。ベーンせん断値が低い場合は液状を呈する。
フロー値は海成粘土に粘土鉱物、さらにゲル化剤を加えて改質した場合、粘土鉱物及びゲル化剤の添加量に比例して低下する。フロー値が高い場合は、遮水性は液状を呈している。フロー値が低い場合は塑性状態を呈する。
したがって、ベーンせん断値及びフロー値を測定することで変形追従性の大きさを知ることができる。本発明の遮水材料の最終のベーンせん断値の適正値は０．３〜６．０（ｋＮ／ｍ２）、フロー値の適正値は８０〜１９５ｍｍである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、地域を問わず、海成粘土及び浚渫土を、清水あるいは海水を用いてその含水比を調整したのち、このベース流体に、添加剤として粘土鉱物加え、さらにゲル化剤、ゲル強化剤を加えて（必要ならばゲル化遅延剤を用いることができる）、変形追従型遮水材を提供することができる。本発明の変形追従型遮水材で、施工条件（底面、法面）に必要とされる物性値は、透水性低減剤およびゲル化剤、ゲル強化剤の添加量を調整することで達成できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
次に本発明の変形追従遮水材を用いた、海面における管理型廃棄物処分場の遮水工事の施工方法について述べるが、必ずしもこの方法に限定されない。
施工は図３に示すように、次の工程によって行なわれる。
(1)  解泥
原料土である海成粘土に水又は海水を加えスラリー状に解きほぐす。このとき、海成粘土中に含まれる大きなレキ、ゴミを取り除く。
(2)  調泥
スラリー状の海成粘土に、所定量の水又は海水を加え、雑物を除去し、目的とする含水比及び密度に調整する。
(3)  混練
得られた調整泥をプラント内のミキサーに送り込み、ベントナイトのみ、または、さらにゲル化剤、繊維状物質等を加え、練り混ぜ、遮水材を製造する。
(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。
(5)  打設
トレーミー管を使用して、所定の位置に遮水材を打設する。
【００１８】
本発明を、以下に記述する実施例によって、さらに詳細に説明するが、その内容に限定されない。
【実施例１】
【００１９】
名古屋港海成粘土を人工海水で含水比１５０％に調整したベース流体に対して、粘土鉱物として「テルゲル」の添加量を変えて変形追従型遮水材を試作し、物性値を試験した。試験組成と結果を表１に示す。
名古屋港海成粘土の土質特性試験結果は、表２に示す。
試験方法は、流動性としてFlow試験（JHS A 313、単位：mm）を行ない、変形追従性としてベーン剪断（単位：kN/m2）試験を行った。測定間隔は、遮水材試作直後と、物性値がほぼ安定した状態となる１６時間後、さらに長期間後の状態として２週間後（３３６時間）とした。
【表１】
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【表２】
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ベース流体にテルゲルを添加することで変形追従型遮水材が得られた。テルゲルの添加量によって流動性(Flow値)及び強度（ベーン剪断値）の物性値を変えることができる。
【実施例２】
【００２０】
名古屋港（東航路）海成粘土を、人工海水を用いて含水比１５０％にした。この調整土（以下ベース流体と言う）に対して、粘土鉱物としてベントナイト、例えばテルゲル（テルナイト社製）、クニゲルV1（クニミネ工業株式会社）及び浅間ベントナイト（豊順鉱業社製）を用い、ゲル化剤として珪酸ナトリウムを用い、粘性発現（Flow値）、強度（ベーン剪断）の物性値を測定した。試験組成と結果を表３に示す。
【表３】
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３種類のベントナイトを同一添加量で用いた変形追従型遮水材の試験結果より、粘土鉱物の添加によってフロー値およびベーン剪断値を改善させることができた。とくには、テルゲルは初期粘性発現が低く（低いFlow値）、１６時間後に高いゲル強度（高いベーン剪断）を示すことが分かった。
【実施例３】
【００２１】
名古屋港海成粘土を人工海水で含水比１５０％に調整したベース流体に対して、透水性低減剤としてテルゲル、ゲル化剤として珪酸ナトリウムを用いて変形追従型遮水材を試作し、物性値の測定及び水中分離抵抗試験、pH測定試験、透水係数測定試験を実施した。水中分離抵抗試験とは、作成した遮水材を海水中に吐出させる試験で、遮水材から発生する懸濁物質量を測定し、海水１リットル当り懸濁物質量であらわした値から、水中分離性の優劣を判定する。試験組成と結果を表４，５，６及び図４，５，６に示す。試験は実施例１に示した方法で行った。
【表４】
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【表５】
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【表６】
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【００２２】
ベース流体に、粘土鉱物例えばベントナイトを添加することで変形追従型遮水材が得られた。さらにゲル化剤を用い、透水性低減剤／ゲル化剤の添加量を変えることで、流動性(Flow値)及び強度（ベーン剪断値）を変えることができる。
また、遮水材の水中分離抵抗の試験より、懸濁物質量の値は低く、また、pH測定試験より、pH値が低いことより分離性が小さく、かつアルカリ汚染の小さい遮水材であることが分かる。透水性試験では、何れの配合組成の透水係数も１０−６(cm/sec)以下の透水係数を示し、遮水材の低透水性が確保されていることが分かる。
【実施例４】
【００２３】
名古屋港海成粘土を人工海水で含水比１５０％に調整したベース流体に対して、増粘剤としてテルゲル、ゲル化剤として珪酸ナトリウム、さらにゲル強度の向上を目的に、繊維状物質としてTNファイバーおよび少量の固化剤（高炉セメントＢ種：トクヤマ社製）を用いて変形追従型遮水材を試作し、物性値を試験した。試験組成と結果を表７に示す。試験は実施例１に示した方法で行った。
【表７】
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ベース流体に、テルゲルおよびゲル化剤を添加し、さらにTNファイバー或いはセメントを併用して作成した遮水材の物性値は、併用しない遮水材よりも高い物性値を得ることができた。
また、テルゲル／ゲル化剤／繊維性物質、テルゲル／ゲル化剤／固化剤の添加量を変えることで流動性(FLOW値）及び強度（ベーンせん断値）を変えることができる。
ベース流体に、実施例３に示した増粘剤およびゲル化剤（珪酸ソーダ）の低い添加量範囲に少量のセメントを添加することで、実施例３で得られた物性値よりも高い物性値の変形追従型遮水材が得られた。ベントナイト／ゲル化剤／固化剤の添加量を変えることで、流動性(Flow値)及び強度（ベーン剪断値）を変えることができる。
【実施例５】
【００２４】
名古屋港海成粘土を人工海水で含水比１５０％に調整したベース流体に対して、テルゲル、珪酸ナトリウムを用いて変形追従型遮水材を試作した。このゲル化した変形追従型遮水材に、ゲル化遅延剤としてQF750およびTR-18を用いて物性値を試験した。
試験組成と結果を表８に示す。試験は実施例１に示した方法で行った。
名古屋港海成粘土の上質特性試験結果は、前記表２に示す。
【表８】
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ゲル遅延剤は、組成−１６と比較して、試作直後の流動性に優れ(Flow値が高くなる)、強度も低く（ベーン剪断値を低くなる）、ゲル遅延効果が得られた。さらに強度は経時変化とともに高くなる傾向を示した。ゲル化遅延剤QF750は、TR-18よりも高いゲル遅延効果を示した。
【実施例６】
【００２５】
これまでの実施例は、名古屋港（東航路）海成粘土を、人工海水で含水比１５０％に調整したベース流体に透水性低減剤としてテルゲル、ゲル化剤として珪酸ナトリウム、ゲル強化剤としてTNファイバーを用いて変形追従型遮水材を調整したものである。
しかし、海成粘土は地域によって物理的特性が異なる。そのため、東京港（新海面）海成粘土を用いて変形追従型遮水材を確認した。
東京港海成粘土の土質特性試験結果を、表９に示した。
【表９】
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試料の調整にあたって、東京湾海成粘土がＷ0＝１３２．６％でシルト分が３２．９％及び粘土分が５０．３％と高いため、人工海水を用いて含水比２００％に調整したものをベース流体とした。
上記ベース流体にゲル化剤として珪酸ナトリウムを添加して変形追従型遮水材を試作し、物性値を試験した。試験組成と結果を表１０に示す。試験は実施例１に示した方法で行った。
【表１０】
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東京港海成粘土を用いた変形追従型遮水材は、珪酸ナトリウムのみの添加で試験した。その結果、名古屋湾海成粘土を用いた場合と同様に、珪酸ナトリウムの添加量とともに、変形追従性を維持した状態で物性値の向上が認められた。なお、東京湾海成粘土中のシルト、粘土分が高く透水性低減剤の添加を必要としなかった。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１（Ａ）、（Ｂ）は従来の廃棄物処理場の断面と平面を示し、図１（Ａ）は図１（Ｂ）のＸ−Ｘ線による断面図である。
【図２】図２（Ａ）は、従来の別の廃棄物処理場の断面を示し、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＹ−Ｙ線による断面拡大図である。
【図３】図３は海成粘土を用い、これを処理場の底面に打設する工程を示す図。
【図４】図４は、水中分離抵抗試験における試験組成と懸濁物質量とｐＨの関係を示す図表。
【図５】図５は、試験組成と透水係数の関係（１）を示す図表。
【図６】図６は、試験組成と透水係数の関係（２）を示す図表である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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