(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
土質材料と、水分が補給されることにもとづき膨潤する低透水性材料と、固化材料と混合して成る遮水構造材において、上記低透水性材料を構成する組成微粒子を、上記固化材料が固化する過程あるいは固化後に消失するカプセルで被ったことを特徴とする遮水構造材。
【請求項２】
上記カプセルをパラフィン、又はゼラチン、又はグルコン酸ソーダ、又はシリコン、又はアスファルト乳剤より構成したことを特徴とする請求項１に記載の遮水構造材。
【請求項３】
遮水構造材は、廃棄物堆積場内の内面の遮水層として用いたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の遮水構造材。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、土木構造物等に適用される遮水構造材に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図７ないし図８は、産業廃棄物を処分するための堆積場の一例を示す断面図であり、各図において、１ａは地盤１を凹状に掘削した堆積部、２は堆積部１ａの表面を覆うようにコンクリートを打設し、遮水を行う遮水層、３は遮水層２の上に敷設された遮水シート、４は遮水シート３の底部５側に堆積されて、シート３を保護する保護砂である。
【０００３】
コンクリートより成る上記遮水層２は、通常主材となる砂及び砂利等の土質材料と、遮水性があるベントナイトやカオリン等を含む低透水性材料と、これらを固めるセメント等の固化材料とをミキサで攪拌混合して遮水構造材とし、この遮水構造材を打設して、遮水層２として構築している。
【０００４】
図９に示すようにベントナイト６は、粘土鉱物の一種であり、結晶構造は、結晶板７ａ，７ｂの内側に、陽性のナトリウムイオン８を有し、このナトリウムイオン８の回りには、水分子９が付着したものであり、結晶板７ａ，７ｂの層の間に上記水分子９より成る層間水を含んだ構造となっている。
この層間の水分子９より成る層間水のイオン濃度は、ベントナイト６まわりの水分子９のイオン濃度より高いので、浸透圧差を生じ、この浸透圧差でまわりの水分子９が層間に補給される。この水分子９の補給は、ナトリウムイオン８と結晶板７ａ，７ｂとが結合しているので、この結合力と、上記浸透圧力とが釣り合うまで行われる。このように、ベントナイト６にはその回りの水分子９が補給されることになり、このことからベントナイト６は、図１１に示すように膨潤する性質を有する。
【０００５】
図１０において水分子９が回りから補給されて膨潤して体積が増えることにより、遮水層２中の僅かな間隙を埋める作用を有して遮水性能を発揮する。この膨潤は浸透圧膨潤と呼ばれ、層間の層間水のイオン濃度が高いので、一旦層間に取込まれた水分子９は、簡単には結晶板７ａ，７ｂの外側に出ていくことができない。ただし、乾燥すると層間から外側に出ていき、体積が減り凝集する。
【０００６】
固化材料として用いられるセメントは、ポゾラン反応によって固化して強度を発現する。ポゾラン反応の中心的役割をするのがセメントに含まれるカルシウムイオン１０である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
つぎに、固化材料としてのセメントと混合させた状態では、図１１に示すように、ベントナイト６は、陽イオン交換性が強く、内側にある＋１価のナトリウムイオン８と固化材料のセメントに含まれる＋２価のカルシウムイオン１０とを交換してしまう。ナトリウムイオン８はベントナイト６の外側に出て行き、カルシウムイオン１０がベントナイト６の内側に取り込まれてしまう。このカルシウムイオン１０は、ナトリウムイオン８に比べ、結晶板７ａ，７ｂと結合する力が強い。そのため、一度乾燥すると、結晶板７ａ，７ｂの層間に水分子９が補給されなくなって層間の水分子９の量が少なくなり、膨潤性が落ちてしまうという問題がある。
図１２に示すように、ベントナイト６があまり膨潤しないことになると、ベントナイト６の隙間１１から水Ｗがゆっくりと通ってしまうので遮水性能を十分発揮できなくなってしまう。
また、固化材料であるセメントについては、固化反応の主体であるカルシウムイオン１０がベントナイト６に取り込まれるために、カルシウムイオン１０が不足することから強度の発現性が低くなってしまう。
【０００８】
すなわち、強度を発現するセメントと、遮水を行うベントナイト６をそのまま混合すると、本来の両者の長所を互いに打ち消し合うという問題点があった。
【０００９】
従って、遮水層２が乾燥するときにクラックが生じる問題点があった。すなわち、このような従来の遮水性の粘性土あるいは土質材料に固化材料と低透水性材料とを混合し、スラリー化した遮水構造材で遮水層２を構築すると、この遮水構造材が乾燥するときに収縮し、クラックが発生することがある。このクラックが水みちとなり、この水みちを水が通って漏水するので遮水層２の遮水性能が発揮できなくなる。
【００１０】
このように従来は、ベントナイト６とセメントを混合すると、ベントナイト６は、内部のナトリウムイオン８とセメントのカルシウムイオン１０とをイオン交換して内部に取り込む化学変化を起こし変成するので、ベントナイト６が乾燥すると膨潤せずに遮水性能が落ちていた。
また、ベントナイト６にカルシウムイオン１０が取り込まれるので、ポゾラン反応が十分に行われず、セメントが十分に固化せずに遮水層２の強度が落ちていた。
また、遮水層２が乾燥収縮するときに、クラックが発生し、このクラックから漏水するので、遮水層２の遮水性能が発揮できなくなるという問題点があった。
【００１１】
本発明は上記問題点を解消するためになされたもので、低透水性材料が外側よりカルシウムイオンを内部に取り込まないようにして十分膨潤するようにし、遮水性能を発揮するとともに、固化材料が必要な強度を発現して固化するとともに、クラックが発生しても遮水性能を発揮することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の遮水構造材は、土質材料と、水分が補給されることにもとづき膨潤する低透水性材料と、固化材料と混合して成る遮水構造材において、上記低透水性材料を構成する組成微粒子を、上記固化材料が固化する過程あるいは固化後に消失するカプセルで上記組成微粒子を被ったものである。
【００１３】
本発明の請求項２に記載の遮水構造材は、上記カプセルをパラフィン、又はゼラチン、又はグルコン酸ソーダ、又はシリコン、又はアスファルト乳剤より構成したものである。
【００１４】
本発明の請求項３に記載の遮水構造材は、遮水構造材は、廃棄物堆積場内の内面の遮水層として用いたものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について図面に基づき説明する。
【００１６】
実施の形態１．
図１ないし図４は、本発明の実施の形態１に係わる遮水構造材を堆積場に適用した遮水層の一例を示す断面図であり、図７ないし図８と同じものは同一符号を用いている。
この場合、遮水層２は、従来と同様にベントナイト６と固化材料と土質材料とより成る。２１は上記ベントナイト６を組成するパウダー状の微粒子であり、２２はこのベントナイト６の微粒子２１を覆うようにして被着される添加剤のポリエチレングリコールである。
ベントナイト６の鉱物結晶の外側にポリエチレングリコール２２を被着して、マイクロカプセル２３をベントナイト６の回りに一体化し、このマイクロカプセル２３は、内部のナトリウムイオン８とセメントのカルシウムイオン１０とがイオン交換されて化学変化を起こさないように保護するものである。
このマイクロカプセル２３は、セメントがカルシウムイオン１０を中心的な役割としてポゾラン反応を起こし固化した後あるいは固化する過程で、水に溶ける。マイクロカプセル２３が無くなることにより、水分子９がベントナイト６に補給されることによりベントナイト６が水を含み膨潤して、遮水性能が発揮されるものである。
【００１７】
このマイクロカプセル２３で覆ったベントナイト６を低透水性材料として用いて遮水層２を構築する。
【００１８】
遮水層２の築造方法は、まず、ベントナイト６と、ポリエチレングリコール２２をミキサーで攪拌混合する。このポリエチレングリコール２２は、室温で固体であるので、攪拌しにくい。そのため、熱を加えて５０℃以上とし、ポリエチレングリコール２２を液体状態にして攪拌混合する。十分に攪拌混合された後に、ベントナイト６の微粒子２１の外側は、ポリエチレングリコール２２で覆われる。温度を徐々に室温に戻していくと、ポリエチレングリコール２２が徐々に固まる。
図１に示すように、ベントナイト６の微粒子２１の外側にポリエチレングリコール２２の壁ができ、ベントナイト６をマイクロカプセル２３で覆うことができる。
【００１９】
図２に示すように、ベントナイト６をマイクロカプセル２３で覆ったものとセメントより成る固化材料と砂，砂利等の土質材料とをミキサーで攪拌した後に、このような遮水構造材を凹状に掘削された堆積部１ａの表面に打設することで遮水層２を形成する。つぎに、この遮水層２の上に密着して、遮水シート３を敷設する。この遮水シート３の底部５上に保護用の保護砂４を堆積する。
なお、遮水層２の築造に際し、のり面２４には、上からの圧力があまりかからないので、のり面２４に打設する遮水構造材の強度は、打設した後に崩れない程度の強度があればよい。
底部５は、のり面２４に比べ圧力がかかる。強度は、一軸圧縮強度が３００ｋＰａ程度でよく、セメントの分量は出来上がり毎に１００ｋｇ／ｍ３程度でよい。
【００２０】
コンクリートの打設後は、図３に示すように、セメントがカルシウムイオン１０を中心的な役割としてポゾラン反応を起こし、２週間から１ヶ月の間で固化する。マイクロカプセル２３がバリアとなり、カルシウムイオン１０がベントナイト６の鉱物結晶中に入り込むことを防ぐ。ポリエチレングリコール２２は水に溶ける性質を持つので、この固化が進行する過程で、あるいは固化後にマイクロカプセル２３は水に徐々に溶け、固化後に完全に水に溶ける。
【００２１】
なお、セメントが固化するときには、反応熱を発生し、この反応熱でマイクロカプセル２３が溶け出してしまうので、ベントナイト６の一部のナトリウムイオン８がカルシウムイオン１０となってしまうので、水に触れても膨潤しなくなるが、その分量はおよそ数％と考えられる。この分量に見合った分のベントナイト６とポリエチレングリコール２２とをあらかじめに多目に加えておけば、この一部が膨潤しなくなる不都合を防止できる。
【００２２】
セメント固化後、図４に示すように、マイクロカプセル２３が溶け出してベントナイト６の表面から無くなった後は、ベントナイト６が水分子９を含み、膨潤するので、ベントナイト６同志が密接状態となるのでベントナイト６，６間に水が通る隙間がなくなるので、ベントナイト６が遮水性能を発揮し得る。
【００２３】
遮水層２が完成した後に、遮水層２が乾燥し、再び降雨等により遮水層２に水が入り込んでも、ベントナイト６は内部にナトリウムイオン８を含んでおり、変成されていない。そのため、ベントナイト６はこの水を含み膨潤するために、遮水性能が保たれる。
【００２４】
図５に示すように、遮水層２が乾燥収縮して、底部５にクラック２５が生じても、図６に示すように、ベントナイト６がクラック２５内に入り込み浸透し、水を含んで膨潤して、この膨潤したベントナイト６がクラック２５の水みちを塞ぐので、遮水性能を発揮することができる。
【００２５】
なお、上記添加剤のマイクロカプセル２３として、ポリエチレングリコール２２の他に、パラフィン、ゼラチン、グルコン酸ソーダ、シリコン、アスファルト乳剤等のいずれか又はその混合物を用いてもよい。
また、上記低透水性材料として、ベントナイト６の他に、カオリンを用いてもよい。
【００２６】
なお、上記マイクロカプセル２３は、遮水層２に滞留してしまうおそれもあるが、水に溶けて溶け出したり、腐って崩れて放散したり、微生物によって吸収されたり、光分解、化学変化を起こして放散する。そのためベントナイト６の微粒子２１のみとなるので、ベントナイト６は安定して水を含み膨潤して、ベントナイト６が長期に渡って遮水性能を発揮することができる。
【００２７】
また、本発明はパウダー状のベントナイト６に適用するだけでなく、粒を大きくした粒子状のベントナイト６について本発明を適用してもよい。
【００２８】
このように、本発明の形態では、ベントナイト６の微粒子２１の外側をポリエチレングリコール２２のマイクロカプセル２３で覆ったので、セメントが固化する期間は、このマイクロカプセル２３でベントナイト６内のナトリウムイオン８とセメント内のカルシウムイオン１０とがイオン交換されることを防ぐことができ、セメントが固化する過程ないしは固化した後に、マイクロカプセル２３が水に溶けるので、セメントの固化後にベントナイト６が膨潤することができ、ベントナイト６がカルシウムイオン１０を内部に取り込まずに膨潤でき、遮水性能を発揮できる。
また、マイクロカプセル２３がベントナイト６内にカルシウムイオン１０を取り込むことを防いだので、セメント内に必要な強度を発現するためのカルシウムイオン１０が十分にあるために、セメントは必要量のポゾラン反応を起こし、必要な強度を発現して固化できる。
また、マイクロカプセル２３が、ベントナイト６内に含まれるナトリウムイオン８がイオン交換されることを防いだので、ベントナイト６内にナトリウムイオン８が安定に存在し、これにより、膨潤性が高く、遮水層２にクラック２５が発生しても、このクラック２５にベントナイト６が入り込んで膨潤するので、水みちを塞ぐことができ、クラック２５が発生しても、遮水性能を発揮できる。
【００２９】
なお、本発明については、堆積場に遮水層を構築する場合について説明したが、本発明はこれに限定されずに、河川の底面及び斜面やゴルフ場の池に本発明を適用して、漏水防止を行わせてもよく、砂漠の地下に本発明を適用し、砂漠の地下にダムを構築してもよい。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１に記載の発明によれば、土質材料と、水分が補給されることにもとづき膨潤する低透水性材料と、固化材料と混合して成る遮水構造材において、上記低透水性材料を構成する組成微粒子を、上記固化材料が固化する過程あるいは固化後に消失するカプセルで上記組成微粒子を被ったので、低透水性材料が外側よりカルシウムイオンを内部に取り込まないようにして十分膨潤するようにし、遮水性能を発揮できるとともに、固化材料が必要な強度を発現して固化できるとともに、クラックが発生しても遮水性能を発揮することができる。
【００３１】
また、請求項２に記載の発明によれば、上記カプセルをパラフィン、又はゼラチン、又はグルコン酸ソーダ、又はシリコン、又はアスファルト乳剤より構成したので、低透水性材料が外側よりカルシウムイオンを内部に取り込まないようにして十分膨潤するようにし、遮水性能を発揮できるとともに、固化材料が必要な強度を発現して固化できるとともに、クラックが発生しても遮水性能を発揮することができる。
【００３２】
また、請求項３に記載の発明によれば、遮水構造材は、廃棄物堆積場内の内面の遮水層として用いたので、低透水性材料が外側よりカルシウムイオンを内部に取り込まないようにして十分膨潤するようにし、遮水性能を発揮できるとともに、固化材料が必要な強度を発現して固化できるとともに、クラックが発生しても遮水性能を発揮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施の形態１に係わる遮水構造材を示す模式図である。
【図２】  実施の形態１に係わる遮水構造材を用いた遮水層の構成を示す断面図である。
【図３】  実施の形態１に係わる遮水構造材を用いた遮水層を示す断面図である。
【図４】  実施の形態１に係わる遮水構造材を用いた人工遮水層を示す断面図である。
【図５】  実施の形態１に係わる遮水構造材を用いた遮水層のクラックを示す断面図である。
【図６】  実施の形態１に係わる遮水構造材を用いた遮水層のクラックを示す断面図である。
【図７】  従来の遮水層の構成を示す断面図である。
【図８】  従来の遮水層の構成を示す断面図である。
【図９】  ベントナイトの結晶構造を示す模式図である。
【図１０】  ベントナイトの結晶構造を示す模式図である。
【図１１】  ベントナイトの結晶構造を示す模式図である。
【図１２】  従来の遮水層の構成を示す断面図である。
【符号の説明】
２  遮水層、３  遮水シート、６  ベントナイト、８  ナトリウムイオン、１１  カルシウムイオン、２１  ベントナイト微粒子、２２  ポリエチレングリコール、２３  マイクロカプセル。
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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