(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
細骨材として下水汚泥溶融スラグ100〜25重量％と砂０〜75重量％とを含むセメントモルタルからなる圧送充填材を地下空間に圧送充填する充填工法であって、前記圧送充填材の製造プラントからの圧送距離の延長に応じて前記砂の混合割合を大きくするように、上記圧送充填材の配合を変えることを特徴とする地下空間の充填工法。
【請求項２】
前記砂の配合割合は最大で75％に抑えることを特徴とする請求項１記載の地下空間の充填工法。
【請求項３】
セメントモルタルが、更にベントナイトを含む、請求項１または２の何れか１項に記載の地下空間の充填工法。
【請求項４】
セメントモルタルが、更にＡＥ減水剤を含む、請求項１乃至３の何れか１項に記載の地下空間の充填工法。
【請求項５】
地下空間が、シールド坑内空間である、請求項１乃至４の何れか１項に記載の地下空間の充填工法。
【請求項６】
前記シールド杭内空間を隔壁で仕切って密閉空間とするスパン割りを行い、長さの異なる輸送管を前記圧送充填材の製造プラントから延ばして各スパンに導入し、各輸送管を通じて対応するスパンの密閉空間に圧送充填材を送って充填し、その充填を終えると同時に各輸送管の先端部を切断し、その先端を次のスパン内へ後退させると共に、切断部分はそのまま充填材内に埋め残し、その後、次のスパンを隔壁で仕切ってその密閉空間内に圧送充填材を充填し、以降、前記作業を繰り返すことを特徴とする請求項５に記載の地下空間の充填工法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、下水汚泥の再利用技術に係り、特に下水汚泥溶融スラグを含む地下空間用圧送充填材と、該圧送充填材を用いた地下空間の充填工法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
我が国の下水汚泥発生量は、下水道普及率の向上並びに下水処理の高度化に伴って急激に増大している。この下水汚泥は、主に埋立処分されてきたが、近年、処分地の確保が困難になることに加え、処分費用の高騰もあって、その再利用化、再資源化が大きな開発テーマになっている。下水汚泥の有効利用形態としては、従来より土壌改良を目的とした緑農地利用と建設資材利用とがあるが、現在は緑農地利用が大勢を占め、今後、建設資材としての利用が大いに期待されている。
【０００３】
下水汚泥を建設資材として利用する場合は、下水汚泥に脱水、加熱等の処理を加えて焼却灰（石炭系焼却灰、高分子系焼却灰）または溶融スラグの形態とし、用途に応じて、これら焼却灰や溶融スラグをそのまま資材として用いるか、あるいはこれらに成形、焼成等の二次加工を加えて用いるようにしている。そして従来、前者の用途例としては土質改良材、路盤材、路床材、コンクリート骨材等が、後者の用途例としてはタイル、レンガ、透水性ブロック、陶管等があるが、何れも品質面、価格面等で問題があり、大きな需要につながっていないのが現状である（建設省都市局下水道部監修「下水汚泥の建設資材利用マニュアル（案）」1991年版第 231〜247 頁  社団法人日本下水道協会発行）。
【０００４】
ところで、建設資材としての下水汚泥溶融スラグ（以下、単に溶融スラグという）は、下水汚泥を1200〜1500℃の高温下で溶融状態とし、これを冷却固化してなるもので、その冷却方式により、水と直接接触して得られる水砕スラグと大気中で放冷することにより得られる空冷スラグとに分けられる。このうち、水砕スラグは細粒状または砂状、空冷スラグは塊状または砕石状となっているが、何れのもの共、比重（絶乾比重、表乾比重）が概ね 2.5〜3.0 で砕石並みとなっていることから、従来は、主に路盤材、コンクリート骨材としての利用が図られていた（上記「下水汚泥の建設資材利用マニュアル（案）」第 143〜229 頁）。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記溶融スラグは、空冷スラグに一部結晶化が進んでいる状態が見られるものの、水砕スラグを含めてその大部分がガラス質となっており、上記路盤材、コンクリート骨材として用いた場合には、締固め性や強度に問題があり、現状、その利用は限られたものとなっていた。
【０００６】
一方、例えば地下配管工事においては、シールド工法により掘削形成されたシールド坑内に配管を敷設した後、このシールド坑内（地下空間）に充填材を圧送して充填することが行なわれている。この場合、充填材としては、長時間にわたってフレッシュ性状を維持すること、長距離圧送において管内閉塞などのトラブルを生じないこと、現地盤と同程度の強度を有することなどの特性が必要で、そこで従来は、細骨材として砂を多量に含ませると共に、ベントナイトを含ませたセメントモルタル（ＣＢモルタル）を圧送充填材として用いていた。
【０００７】
本発明者等は、このような地下空間に対する圧送充填材に着目し、その細骨材として上記溶融スラグを用いた場合の材料特性、特に流動性、材料分離抵抗性、圧縮強度等を種々検討した結果、該溶融スラグは上記圧送充填材の細骨材として十分に活用できることが分かった。
本発明は、上記した知見に基いてなされたもので、その目的とするところは、溶融スラグの新規な有効利用形態を提供し、もって下水汚泥の有効利用量の大幅な拡大を図ることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明に係る地下空間の充填工法に用いられる圧送充填材は、細骨材として溶融スラグを含むセメントモルタルからなることを特徴とする。溶融スラグ特に水砕スラグは、前記したようにガラス質で砂状となっているばかりか、砕石とほぼ同等の密度を有しているので、セメントモルタルの細骨材として用いても流動性、材料分離抵抗性がそれほど低下することはない。しかも、溶融スラグ自体の強度が小さいことに加え、セメントペーストとの付着性も強くないので、発現強度はそれほど大きくならず、地下空間の充填材として好適となる。
【０００９】
本発明に係る地下空間の充填工法に用いられる圧送充填材において、上記細骨材は、溶融スラグの一部を砂により置換してもよいものである。このように溶融スラグの一部を砂により置換することで、材料分離抵抗性が向上し、長距離圧送しても管内閉塞を生じることはなくなる。この場合、材料分離抵抗性の指標となる加圧ブリーディング率でみると、砂の置換率（配合割合）が50％程度までは、砂の配合割合が大きくなるに従って加圧ブリーディング率が低下するので、圧送距離に応じて砂の配合割合を増していくのが望ましい。ただし、砂の配合割合が50％以上になると加圧ブリーディング率の低下はほとんど認められないので、該砂の配合割合は最大で75％程度に抑えるのが望ましい。
【００１０】
本発明に係る地下空間の充填工法に用いられる圧送充填材は、必要に応じて更にベントナイト、ＡＥ減水剤等を添加してもよいものである。ベントナイトは、その吸水・膨潤作用によりセメントモルタルに適度の粘性を付与する他、細骨材の分離や沈殿を抑制して加圧流動性を向上させる作用をなし、その上、セメントの水和反応に直接関与しないため圧縮強度を抑制する作用をなす。したがって、セメントモルタルにベントナイトを配合することにより、セメントモルタルの長距離圧送性が向上し、かつ現地盤の強度に対応した発現強度調整が容易となる。
【００１１】
一方、ＡＥ減水剤は、練上り直後のセメントモルタルの流動性を向上させる作用をなすと共に、セメントの水和反応を遅らせることから、該セメントモルタルの流動性の維持特性（フレッシュ性状の維持特性）を高める作用をなす。したがって、セメントモルタルにＡＥ減水剤を配合することにより、セメントモルタルの流動性およびフレッシュ性状の維持向上が達成され、セメントモルタルの製造からポンプ圧送、充填、配管清掃に至る施工の確実性が高められる。
【００１２】
本発明に係る地下空間の充填工法において、地下空間の形態は任意であり、前記したシールド坑内空間はもとより、例えば、地盤沈下で生じた構造物基礎部分の空洞であっても、あるいはオープンに掘削した穴または溝底部分であってもよい。このような地下空間に溶融スラグを含む充填材を圧送し充填することで、溶融スラグの大量使用が可能になり、下水汚泥の有効利用量が飛躍的に増大する。
なお、例えば地下空間がシールド坑内空間である場合には、前記シールド坑を隔壁で仕切って密閉空間とするスパン割りを行い、長さの異なる輸送管を前記圧送充填材の製造プラントから延ばして各スパンに導入し、各輸送管を通じて対応するスパンの密閉空間に圧送充填材を送って充填し、その充填を終えると同時に各輸送管の先端部を切断し、その先端を次のスパン内へ後退させると共に、切断部分はそのまま充填材内に埋め残し、その後、次のスパンを隔壁で仕切ってその密閉空間内に圧送充填材を充填し、以降、前記作業を繰り返す。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面も参照して説明する。
【００１４】
図１乃至図４は、シールド工法により掘削形成されたシールド坑内空間を対象にした本発明の実施の形態を示したものである。これらの図において、１は、港湾２の底に掘削形成されたシールド坑で、一方の岸３に形成された発進立坑４と他方の岸５に形成された到達立坑６とを結んでいる。シールド坑１内の内周壁はセグメント７（図３、４）により補強されており、その内部には適宜の支持フレーム８を用いて、例えば下水処理場間を結ぶ複数本（ここでは３本）の配管９が敷設されている。
【００１５】
本実施の形態は、上記配管９の敷設工事を終えたシールド坑１内へ、後述の圧送充填材を充填しようとするもので、この圧送充填に際しては、シールド坑１の全長を二分割すると共に、それぞれをスパン割りし、中央部から発進立坑４と到達立坑６へ向けて各スパン単位で圧送充填を行なって、順次充填域を延ばすようにする。より詳しくは、図４に示すように、各スパンを隔壁１０で仕切って密閉空間Ａとし、この空間Ａに両岸３、５に設置した、圧送充填材の製造プラント１１、１２から延ばした輸送管１３、１４を導入する。そして、製造プラント１１、１２から各輸送管１３、１４を通じて対応するスパンの密閉空間Ａに圧送充填材を送って充填し、その充填を終えると同時に各輸送管１３、１４の先端部を切断し、その先端を次のスパン内へ後退させると共に、切断部分はそのまま充填材内に埋め残す。その後、次のスパンを隔壁１０で仕切ってその密閉空間Ａ内に圧送充填材を充填し、以降、前記作業を繰り返して充填域を発進立坑４と到達立坑６へ向けて順次延ばす。なお、輸送管１３、１４は、充填効率を高めるため複数本使用するのが望ましく、この場合は、図４に示すように密閉空間Ａ内への突出長さを各輸送管１３ａ，１３ｂごとに変更するのが望ましい。
【００１６】
ここで、製造プラント１１、１２は、図２に示すように、連続ミキサー１５を中心として、その周りに溶融スラグ槽１６、砂ホッパ１７、セメントサイロ１８、ベントナイトサイロ１９、水タンク２０等の各種原料貯槽を配置すると共に、ベントナイトと水とを予備的に混合してベントナイトミルクを製造するベントナイトプラント２１とポンプ２２とを配置した構成となっている。連続ミキサー１５には各種原料貯槽１６〜２０およびベントナイトプラント２１から必要な原料が定量供給されるようになっており、連続ミキサー１５は、これら原料を混合して所定の組成を有する圧送充填材（セメントモルタル）を製造し、この圧送充填材は、ポンプ２２の作動により輸送管１３、１４を通じて前記シールド坑１内の各スパンの充填域に圧送される。なお、図２中、２３は発電機、２４はコンプレッサー、２５は送風機をそれぞれ表している。
【００１７】
しかして、本実施の形態においては、各製造プラント１１、１２からの圧送距離に応じて、上記圧送充填材の配合を変えるようにしている。表１は、その配合例を示したもので、特に細骨材を構成する溶融スラグと砂との混合比を圧送距離に応じて変えるようにしている。具体的には、圧送距離が 100ｍまでは細骨材の全て（ 100％）を溶融スラグから構成し、圧送距離が 100〜200 ｍ， 200〜400 ｍ， 400〜700 ｍ， 700ｍ以上と延びるに従って、溶融スラグと砂との混合比をそれぞれ90：10，75：25，50：50，25：75となるように変更する。なお、圧送距離の境界はどちらの混合比を採用してもよい。セメントモルタルは、細骨材中の砂の混合割合が大きくなるに従って材料分離抵抗性が向上するので、このように圧送距離の延長に応じて砂の混合割合を大きくすることで、長距離圧送しても管内閉塞を生じることはなくなる。しかも、このように細骨材に占める砂の量を変えても、圧送充填材中に添加される溶融スラグ量は、立方メートル当り 250〜1000kgとかなり多く、したがって、本実施の形態のようにシールド坑１の全長を充填する場合には、溶融スラグの有効利用量が著しく増大するようになる。因みに、シールド坑１の全長約1400ｍ、シールド坑１の内径約1750mmの場合、圧送充填材の総打込量は約3600ｍ3 、溶融スラグの総使用量は約2500ｔとなり、下水汚泥の再利用化に大きく寄与するものとなる。
【００１８】
【表１】
0004273467.tif 000002
【００１９】
【実施例】
実施例１
溶融スラグとして、下水汚泥を1200〜1500℃で溶融状態とし、これを水に接触させて急冷固化した水砕スラグを用い、その化学組成を求めた。表２は、その結果を示したもので、この水砕スラグにはケイ素、カルシウム、アルミニウム、リンの酸化物に加え、鉄の酸化物が比較的多く含まれている。鉄が多いと、コンクリート骨材として用いた場合に錆が生じる虞れがあるが、本発明のように地下空間の圧送充填材の骨材として用いる場合には、錆が発生しても何らの問題もなく、その有効利用性が阻害されることはない。
【００２０】
【表２】
0004273467.tif 000003
【００２１】
実施例２
上記水砕スラグ（溶融スラグ）と砂（ここでは海砂）との混合割合を 100：０，90：10，75：25，50：50，25：75，０：100 の６つの水準に変化させ、それぞれについて粒度分布を調査した。図５は、その結果を示したもので、溶融スラグのみの場合は0.6mm 以下の細骨分が少なく、土木学会「コンクリート標準示方書」で定める細骨材の粒度範囲（同図に点線で示す）の外にあるが、これに海砂を混合することによって細骨分が多くなり、海砂を25％以上配合することにより標準的な粒度分布を確保できるようになる。ただし、本発明のように地下空間の充填材として用いる場合は、溶融スラグのみとしても特に問題となることはない。
【００２２】
実施例３
セメント、ベントナイト、溶融スラグ、砂およびＡＥ減水剤を表３に示す割合で配合して種々のセメントモルタル１〜１０を製造し、各セメントモルタル１〜１０について、実験室的にモルタルフロー試験、加圧ブリーディング試験、ブリーディング試験を行なった。ここで、セメントモルタル１〜６は、細骨材としての溶融スラグと砂との混合割合を 100：０（１），90：10（２），75：25（３），50：50（４），25：75（５），０：100 （６）の６つの水準に変化させたもので、主にモルタル特性に及ぼす溶融スラグと砂との混合比（骨材混合比）の影響を見るために用いた。また、セメントモルタル７〜１０は、ＡＥ減水剤の添加量をセメント（Ｃ）の1.0 ，2.0 ，4.0 ，6.0 倍に変化させたもので、主にモルタル特性に及ぼすＡＥ減水剤の添加量の影響を見るために用いた。
【００２３】
【表３】
0004273467.tif 000004
【００２４】
なお、上記各セメントモルタルの原料の種類および性状は下記のとおりとなっている。
セメント    ：高炉セメントＢ種，比重3.04，比表面積4070cm2/g
ベントナイト：比重2.40
溶融スラグ  ：水砕スラグ，比重2.83，吸水率0.83％，粗粒率3.58
砂          ：海砂，比重2.57，吸水率2.13％，粗骨率1.90
ＡＥ減水剤  ：リグニンスルホン酸化合物
【００２５】
また、上記各試験は下記方法によった。
モルタルフロー試験      ：KODANN−305
ブリーディング試験      ：JSCE−F522（500mm メスシリンダ使用）
加圧ブリーディング試験  ：JSCE−F502
【００２６】
図６は、モルタルフロー試験の結果を示したものである。これより、モルタルフロー値は溶融スラグと砂との混合比によらずほぼ一定であることが分かった。また、このモルタルフロー値は、時間の経過とともに低下するが、特に30分から60分の間で低下率が大きくなっており、所望のフロー値 180±20mmを維持するためには、練上り後、30分以内に充填域に圧送するのが望ましいといえる。
【００２７】
図７は、加圧ブリーディング試験の結果を示したものである。これより、加圧ブリーディング率は、細骨材として溶融スラグを 100％用いたセメントモルタルが最も大きく、溶融スラグに対する砂の混合割合を増すほど小さくなっている。ただし、砂の混合割合が50％程度のところで加圧ブリーディング率は最小となり、それ以上砂の混合割合を増した場合には、加圧ブリーディング率がわずか上昇する傾向を示すので、溶融スラグと砂との混合比は、25：75程度に抑えるのが望ましい。この加圧ブリーディング率は、材料分離抵抗性の指標となるもので、管内閉塞などのトラブルを防止するには、圧送距離に応じて砂の混合割合を大きくするのが望ましいことが分かる。
なお、ブリーディング率に及ぼす骨材混合比の影響は、図８に示すように、溶融スラグと砂との混合比が変化しても、ブリーディング率はそれほど変わらず、その影響は小さいものとなっている。
【００２８】
図９は、ＡＥ減水剤を添加したセメントモルタルについてのモルタルフロー試験の結果を示したものである。これより、モルタルフロー値はＡＥ減水剤の添加量が増すほど大きくなる傾向にあり、特に練上り後の経過時間が長くなる（60分）ほど、その傾向が顕著になっている。このことは、ＡＥ減水剤がセメントモルタルの流動性の維持特性（フレッシュ性状の維持特性）を高める上で大きな効果を有することを意味し、したがって、セメントモルタルにＡＥ減水剤を適当量配合することにより、セメントモルタルの製造からポンプ圧送、充填、配管清掃に至る施工の確実性を高めることができる。
なお、加圧ブリーディング率、ブリーディング率に及ぼすＡＥ減水剤の影響は、図１０に示すように、溶融スラグと砂との混合比が変化しても、加圧ブリーディング率、ブリーディング率共にそれほど変わらず、材料分離特性の面からみれば、ＡＥ減水剤の影響は小さいといえる。
【００２９】
実施例４
表４に示すように、溶融スラグと砂との混合比を、 100：０，90：10，75：25，50：50に変えた４種類のセメントモルタル（圧送充填材）を製造し、これらを、前記実施の形態と同じ要領でシールド坑１（図１〜４）内の充填域（スパン）に対し、同表中に示すように圧送距離を変えて圧送充填した。そして、各圧送充填材について、圧送前・後におけるモルタルフロー値と、７日および２８日材齢後の圧縮強度とを求めた。なお、各セメントモルタルの原料は実施例３と同じものを用いた。また、シールド坑１は、全長約1400ｍ、内径約1750mmの大きさで、立坑４または６（図１）の高さは20ｍとなっている。さらに、圧送充填材を圧送する輸送管１３または１４（図１〜４）としては、口径125mm の大きさを有するものを用いた。
【００３０】
【表４】
0004273467.tif 000005
【００３１】
図１１は、圧送前・後のモルタルフロー値に及ぼす圧送距離の影響を示したものである。これより、圧送距離が 600ｍ以上になると、モルタルフロー値が圧送後に大きくなる傾向にあるが、いずれの圧送充填材についても、圧送距離および圧送前・後に関わらず所望のフロー値 180±20mm内にモルタルフロー値が収まり、十分な流動性を確保できることが明らかになった。また、配管の切替え、配管清掃による管閉塞を生じることもなく、良好なポンプ圧送性を有することも確認できた。
【００３２】
図１２は、７日および２８日材齢後の圧縮強度に及ぼす圧送距離の影響を示したものである。これより、圧送距離によらずほぼ一定の圧縮強度が得られ、また、その圧縮強度レベルも、現地盤の強度に比べればやや大きいものの、それほど大きくならないことが確認できた。
【００３３】
【発明の効果】
以上、説明したように、本発明に係る地下空間の充填工法によれば、セメントモルタルの細骨材として下水汚泥溶融スラグを用いるので、溶融スラグの大量使用が可能になり、下水汚泥の利用範囲が拡大して、その有効利用量が飛躍的に増大する効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る地下空間の充填工法の、一つの実施の形態を模式的に示す断面図である。
【図２】本充填工法で用いる圧送充填材の製造プラントの一つの実施の形態を示す模式図である。
【図３】本充填工法の施工対象であるシール坑内の状態を示す横断面図である。
【図４】本充填工法の施工対象であるシール坑内の状態を示す縦断面図である。
【図５】本発明に係る圧送充填材で用いる細骨材の粒度分布を示すグラフである。
【図６】本発明に係る圧送充填材のフロー値に及ぼす骨材混合比と経過時間の影響を示すグラフである。
【図７】本発明に係る圧送充填材の加圧ブリーディング率に及ぼす骨材混合比の影響を示すグラフである。
【図８】本発明に係る圧送充填材のブリーディング率に及ぼす骨材混合比の影響を示すグラフである。
【図９】本発明に係る圧送充填材のフロー値に及ぼすＡＥ減水剤と経過時間との影響を示すグラフである。
【図１０】本発明に係る圧送充填材の加圧ブリーディング率およびブリーディング率に及ぼすＡＥ減水剤の影響を示すグラフである。
【図１１】本発明の実施工におけるモルタルフロー値に及ぼす圧送距離の影響を示すグラフである。
【図１２】本発明の実施工における圧縮強度に及ぼす圧送距離の影響を示すグラフである。
【符号の説明】
１    シールド坑
４，６  立坑
９    配管
１０  隔壁
１１，１２  圧送充填材の製造プラント
１３，１４  輸送管
【図１】
0004273467.tif 000006
【図２】
0004273467.tif 000007
【図３】
0004273467.tif 000008
【図４】
0004273467.tif 000009
【図５】
0004273467.tif 000010
【図６】
0004273467.tif 000011
【図７】
0004273467.tif 000012
【図８】
0004273467.tif 000013
【図９】
0004273467.tif 000014
【図１０】
0004273467.tif 000015
【図１１】
0004273467.tif 000016
【図１２】
0004273467.tif 000017