JAEA-Technology
2010-013

焼却灰のセメント固化試験Ⅰ−模擬焼却灰の基本的固化特性−
Cement Solidification Test for Incinerated Ash I- Fundamental Solidification Characteristics of Incinerated Ashes 川戸 喜実
坂本 浩幸

富岡 修 髙橋 邦明
芳賀 和子

目黒 義弘

Yoshimi KAWATO, Osamu TOMIOKA, Kuniaki TAKAHASHI, Yoshihiro MEGURO
Hiroyuki SAKAMOTO and Kazuko HAGA

バックエンド推進部門
バックエンド技術開発ユニット
Nuclear Cycle Backend Technology Development Unit
Nuclear Cycle Backend Directorate

July 2010
Japan Atomic Energy Agency

日本原子力研究開発機構

JAEA-Technology 2010-013
焼却灰のセメント固化試験Ⅰ－ 模 擬 焼 却 灰 の基本的固化特性－
日本原子力研究開発機構
バックエンド推進部門バックエンド技術開発ユニット
川戸

喜実、富岡

修、髙橋

邦明、目黒

義弘、坂本

浩幸＊、芳賀和子＊（ 2010年 3月 29日 受 理 ）原子力機構の各拠点から放射性廃棄物として発生する可燃物や難燃物の焼却灰を固型 化 す る た め に 、 セ メ ン ト 系 固 型 化 材 を 用 い て 模 擬 焼 却 灰 （ 飛 灰 ） の基本的な固化特性を調べた。固 型 化 材 の 種 類 、 焼 却 灰 の 充 填 率 、 固 化 遅 延 物 質 の 含 有 量 な ど の 固 化 条 件 を パ
ラメータに固化体の一軸圧縮強度を調べるとともに、不溶化剤を添加して固化体からの焼却灰中の重金属成分の溶出率を調べた。
①

普通ポルトランドセメント、高炉セメント、アーウィン系低アルカリ性セメント、水砕ス

ラグ系セメントを用い、焼却灰の固化体の圧縮強度を調べた。普通ポルトランドセメント、
高炉セメント、低アルカリ性セメントは、評価の目安とした一軸圧縮強度1.47 N/mm2を超えることを確認した。また、低アルカリ性セメントを用いた固化体は、他のセメント固化体に比べて高い強度を示した。
② 高炉セメントと低アルカリ性セメントについて、焼却灰の充填率を20 ％、30 ％、40 ％とした固化体を作製し、一軸圧縮強度を調べた。高炉セメントは充填率を40 ％にすると1.47
N/mm2を超えなかったが、低アルカリ性セメントは40 ％でも1.47 N/mm2を超えた。
③

高炉セメントと低アルカリ性セメントについて、セメントの固化遅延物質である焼却灰に存在する可能性のある鉛と亜鉛の含有量を増加（鉛成分：1.0 ％、2.5 ％、5.0 ％、10.0 ％、
亜鉛成分：4.9 ％、7.5 ％、10.0 ％、12.5 ％）させた固化体を作製し、硬化性への影響を調べた。両固化体とも全ての含有率で 1.47 N/mm2 を超える固化体が得られた。
④

重金属（鉛、カドミウム、クロム）の不溶化剤としてゼオライト、ベントナイト、硫酸鉄、硫化ナトリウムを選定し、それぞれ添加した固化体からの重金属の溶出率を調べた。硫酸鉄、
硫化ナトリウムはクロムに対する抑制効果が認められたが、ゼオライトとベントナイトは顕
著な溶出抑制効果が見られなかった。一方、セメント系材料自体の溶出抑制効果は、高炉セメントと低アルカリ性セメントが高かった。

核 燃 料 サ イ ク ル 工 学 研 究 所 （ 駐 在 ） ： 〒 319-1194＊ 株式会社太平洋コンサルタント

i

茨 城 県 那 珂 郡 東 海 村 村 松 4-33

JAEA-Technology 2010-013
Cement Solidification Test for Incinerated Ash I- Fundamental Solidification Characteristics of Incinerated Ashes Yoshimi KAWATO, Osamu TOMIOKA, Kuniaki TAKAHASHI, Yoshihiro MEGURO,
Hiroyuki SAKAMOTO* and Kazuko HAGA*
Nuclear Cycle Backend Technology Development Unit
Nuclear Cycle Backend Directorate
Japan Atomic Energy Agency
Tokai-mura, Naka-gun, Ibaraki-ken(Received March 29, 2010)
It is important to understand fundamental solidification characteristics of incinerated ashes ofcombustible and poorly combustible wastes generated by Japan Atomic Energy Agency. Simulated
solidified substances using general incinerator fly ash were prepared under different conditions
such as solidified materials, ash filling rates, amount of solidification retarders and so on,
and their compressive strength were determined. The leaching rate of heavy metals, whichwere included in the ash, from the solidified substance was examined and effects ofinsolubilizers were confirmed.
① The compressive strength of the solidified substances prepared using a normal portland cement, ablast furnace slag cement, and a low alkalinity cement exceeded a standard value, 1.47 N/mm2. The
substance made from the slag cement did not show enough strength even after 28 days. That madefrom the low alkalinity cement was stronger than the others.
② Using the blast furnace slag cement or the low alkalinity cement, the solidified substances were madeunder different filling rates of the incinerated ash to be 20%, 30% and 40%. The compressive strength of
the substance made from the blast furnace slag cement was lower 1.47 N/mm2 when the filling rate was40%. For the substances using the low alkalinity cement, all the strengths were over 1.47 N/mm2
regardless of the filling rate within the range examined.
③ The solidified substances were prepared by adding Pb of 1.0, 2.5, 5.0, or 10.0% and Zn of 4.9, 7.5,
10.0 or 12.5% with the blast furnace slag cement or the low alkalinity cement. Pb and Zn would
behave as retardative substances for solidification. All substances showed the compressive strength
over 1.47 N/mm2.
④ Zeolite, bentonite, ferrous sulfate and sodium sulfide were chosen as insolubilizers for heavy metals(Pb, Cd, and Cr). The solidified substances were made by adding these insolubilizers and the leachingrates of the heavy metals from the solidified substances were examined. Ferrous sulfate and sodium
sulfide prevented Cr from elution. Zeolite and bentonite did not show remarkable effects to prevent
elution of the metals. The cement, especially the blast furnace slag cement and the low
alkalinity cement itself showed elution inhibitory effect.
Keywords : Incinerated Ash, Compressive Strength, Filling Rate, Insolubilizer, Radioactive Waste* Taiheiyo Consultant Co., Ltd.

ii

JAEA-Technology 2010-013

目次

1.は じ め に ---------------------------------------------------------- 1
2.焼 却 灰 の セ メ ン ト 固 化 処 理 等 に 関 す る 調 査 ---------------------------- 1
2.1

一 般 焼 却 灰 の 固 化 方 法 ------------------------------------------ 1

2.2

一 般 焼 却 灰 中 の 重 金 属 成 分 -------------------------------------- 2

2.3

セメント固化に影響を与える成分 ---------------------------------- 22.4

重 金 属 の 不 溶 化 ------------------------------------------------ 3

2.5

試 験 に 用 い た 重 金 属 不 溶 化 剤 と セ メ ン ト 系 材 料 -------------------- 5

3.模 擬 焼 却 灰 の 作 製 -------------------------------------------------- 6
4.試 験 -------------------------------------------------------------- 8
4.1

セ メ ン ト 系 材 料 及 び 重 金 属 不 溶 化 剤 の 性 能 ------------------------ 8

4.2

焼 却 灰 充 填 率 等 の 影 響 ----------------------------------------- 22

4.3

固 化 遅 延 成 分 の 影 響 ------------------------------------------- 31

5.ま と め ----------------------------------------------------------- 37

参 考 文 献 ----------------------------------------------------------- 38iii

JAEA-Technology 2010-013

CONTENTS

1. Introduction ------------------------------------------------------------------------------- 1
2. Investigation on cement solidification methods of incinerated ash ------------------- 1
2.1

Solidification method of general incinerated ash -------------------------------------- 1

2.2

Heavy metals in incinerated ash ---------------------------------------------------- 2

2.3

Substances which affect cement solidification ------------------------------------ 2

2.4

Insolubilization of heavy metals --------------------------------------------------------- 3

2.5

Heavy metal insolubilizers and cement-based materials for the tests ------------- 5

3. Preparation of simulated incinerated ash ------------------------------------------------ 6
4. Results ------------------------------------------------------------------------------------- 8
4.1 Properties of cement-based material and heavy metal insolubilizers -------------- 8
4.2 Influence of filling ratios of incinerated ash --------------------------------------- 22
4.3 Influence of solidification retarders ------------------------------------------------- 31
5. Conclusion ------------------------------------------------------------------------------- 37

References ----------------------------------------------------------------------------------- 38iv

JAEA-Technology 2010-013

図目次
図3-1

焼却灰の走査型電子顕微鏡写真 -------------------------------------- 7

図4.1-1

OPCを用いたセメント固化体の圧縮強度測定結果 ------------------------13

図4.1-2

OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(不溶化剤なし) ------------- 14

図4.1-3

OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(鉛) ----------------------- 14

図4.1-4

OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(クロム(Ⅵ)) --------------- 15

図4.1-5OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(カドミウム) --------------- 15

図4.1-6BBを用いたセメント固化体の圧縮強度試験結果 ------------------------ 16

図4.1-7BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(不溶化剤なし) -------------- 17

図4.1-8BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(鉛) ------------------------ 17

図4.1-9BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(クロム(Ⅵ)) ---------------- 18

図4.1-10 BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(カドミウム) ---------------- 18
図4.1-11 LACを用いたセメント固化体の圧縮強度試験結果 ----------------------- 19
図4.1-12 LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(不溶化剤なし) ------------- 20
図4.1-13 LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(鉛) ----------------------- 20
図4.1-14 LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(クロム(Ⅵ)) --------------- 21
図4.1-15 LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(カドミウム) --------------- 21
図4.2-1BBを用いた固化体の圧縮強度測定結果（混和剤なし） ------------------ 24

図4.2-2BBを用いた固化体の圧縮強度測定結果（混和剤添加） ------------------ 24

図4.2-3

BBを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤なし） ---------------------- 25

図4.2-4BBを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤添加） ---------------------- 25

図4.2-5フロー値の測定結果（BB） ------------------------------------------ 26

図4.2-6LACを用いた固化体の圧縮強度試験結果（混和剤なし） ----------------- 27

図4.2-7

LACを用いた固化体の圧縮強度試験結果（混和剤添加） ----------------- 27

図4.2-8LACを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤なし） --------------------- 28

図4.2-9LACを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤添加） --------------------- 28

図4.2-10 フロー値の測定結果（LAC） ----------------------------------------- 29
図4.2-11 圧縮強度と鉛溶出量の関係 ------------------------------------------ 29
図4.2-12 圧縮強度とクロム(Ⅵ)溶出量の関係 ---------------------------------- 30
図4.2-13 圧縮強度とカドミウム溶出量の関係 ---------------------------------- 30
図4.3-1

灰の鉛濃度がBBセメント固化体の圧縮強度に与える影響 ---------------- 33

図4.3-2

灰の鉛濃度がLACセメント固化体の圧縮強度に与える影響 --------------- 33

図4.3-3

重金属溶出量に及ぼす鉛濃度の影響（BB:高炉セメント固化体） --------- 34

図4.3-4

重金属溶出量に及ぼす鉛濃度の影響（LAC:低アルカリ性セメント固化体) - 34

図4.3-5

灰の亜鉛濃度がBBセメント固化体の圧縮強度に与える影響 -------------- 35

図4.3-6

灰の亜鉛濃度がLACセメント固化体の圧縮強度に与える影響 ------------- 35

図4.3-7

重金属溶出量に及ぼす亜鉛濃度の影響（BB:高炉セメント固化体） ------- 36

図4.3-8

重金属溶出量に及ぼす亜鉛濃度の影響（LAC:低アルカリ性セメント固化体) 36v

JAEA-Technology 2010-013

表目次
表2.5-1

重金属不溶化の有効材料と不溶化機構 -------------------------------- 5

表3-1

焼却灰の元素組成比 ------------------------------------------------ 6

表4.1-1

不溶化剤種類と添加量 ---------------------------------------------- 8

表4.1-2試験で使用したセメント系材料 -------------------------------------- 9

表4.1-3

排出基準値と本試験で用いた分析装置の定量下限値 -------------------- 12

表4.1-4

セメント材料及び重金属不溶化剤の性能確認試験の配合条件 ------------ 12

表4.2-1

焼却灰充填率等の影響確認試験の配合条件 ---------------------------- 22

表4.3-1

試験に用いた焼却灰の組成 ------------------------------------------ 31

表4.3-2

固化遅延成分の影響確認試験の配合条件 ------------------------------ 32vi

JAEA-Technology 2010-013

１．はじめに
放射性廃棄物の処理においてセメント系材料は、処分容器に放射性廃棄物を固型化する材料として使用されている[1] 。例えば原子力発電所の定期検査等の工事で発生した低レベル
放射性廃棄物の金属類等の固体状の廃棄物は、種類毎に分類して、必要に応じて切断した後、ドラム缶に収納してセメント（モルタル）を充填して固型化される。また、原子力発電所の運転に伴い発生した廃液を濃縮した液体廃棄物は、セメントとともにドラム缶内に充填して均質・均一に固型化される。
これらの実績を踏まえ日本原子力研究開発機構（以下「原子力機構」という。）の各拠点から発生する焼却灰についてもセメント系材料を用いて固型化し処分する計画である。しかしながら、焼却灰の中には放射性核種を含むほか、亜鉛などのセメントの固化を遅延させる成分が含まれているものがある。そのため、固化処理にあたっては、廃棄物の種類や特徴に応じてセメント材料や配合条件などを設定しなければならない。また、作製する固化体に関して、処分の観点から固型化材に放射性核種を収着させることによって放射性核種の地下水への移行を遅延させる効果などが期待されている。そのため、セメント固化体の特性把握やセメント材料の機能の向上などが望まれている。
そこで、今後原子力機構の各拠点で進める焼却灰のセメント固化設備の設計等に向けて固化条件の設定及び固化体性能の把握等に資する基礎データを取得することを目的に平成 20
年度より焼却灰のセメント固化試験を開始した。平成 20 年度は焼却灰の基本的な固化特性を把握するため、一般焼却炉の焼却灰を用いセメント材料の種類、不溶化剤、焼却灰充填率、
水セメント比等が固化特性や含有成分の溶出などに及ぼす影響を調べる試験を実施した。
２．焼却灰のセメント固化処理等に関する調査
2.1

一般焼却灰の固化方法

都市ごみ焼却場から排出される焼却灰は、現在、最終処分場に埋立処分されている。
一方、焼却灰を有効利用する研究も進められている。利用方法としては、溶融スラグとして使用する方法やエコセメントの原料として使用する方法などであり、実際に都市ごみ焼却灰を使用したエコセメントが生産されている。
他方、焼却場の集塵灰(飛灰)には、鉛、カドミウム等が比較的多く含まれていることから、平成3年10月に改正された廃棄物の処理及び清掃に関する法律により、特別管理一般廃棄物とされ、平成7年度からは以下に示すような定められた方法で処理をしなければ埋立処分ができなくなった。
① 溶融処理ガスや電気エネルギーなどによって加熱し、スラグとした後に急冷、又は徐冷して固化させ、その中に重金属類を封入して安定化させる方法である。本法の利点は元の廃棄物量に対して減容効果が大きいことやスラグからの重金属類の溶出量が低いことなどである反面、溶融するための熱エネルギーが必要になることや設備が複雑になる点が難点である。
② セメント固化処理
セメントが硬化する際にセメントの持つ強いアルカリ性によって重金属類を難－1－

JAEA-Technology 2010-013

溶性化合物にして固化体中に閉じ込める方法である。利点は設備がシンプルで従来から土木用などに使われている簡単な機械が使える点である反面、最適なセメント固化条件で処理しないと成形後に固化体の割れや強度不足などが発生する。
③ 薬剤処理灰に液体キレート剤と水を加えて混錬することにより、重金属類を不溶性の重金
属キレート化合物にする方法である。利点は比較的簡単な処理フローで処理できる
反面、薬剤が高価であるなどの難点がある。
④ 酸等による処理
酸等による処理方法としては、酸抽出・硫化物処理法、酸抽出・水酸化物法、酸抽出・キレート剤固定法がある。例えば酸抽出・硫化物処理法では、ばいじんに水を加えてスラリー状とした後に酸を加えて重金属を抽出し、さらに水硫化ソーダを加えて溶解度の低い硫化物とする。この方法は、重金属の溶出率を下げることができる反面、機器の腐食、磨耗、閉塞など注意すべき点がある。
これらの中では、経済性や技術的な面からセメント固化処理が最も多く用いられているが、固化条件についてみると、一般の焼却灰のセメント固化処理では、法律上、固化体に強度が求められていないことから、固化に用いるセメントの添加量が少なく、焼却灰重量の数％～25％程度としている例 [2][3] が多い。この点で固化体に一定の強度が求められる放射性廃棄物のセメント固化処理とは、固化条件が異なる可能性がある。
2.2

一般焼却灰中の重金属成分

焼却灰は一般的に主灰と飛灰に区分される。主灰はごみを焼却した際に炉底部に残る灰及び不燃分であり、飛灰は燃焼の際に集塵機によって捕集された灰である。主灰は処分する際に含有する有害物質が問題となるケースは少ない。一般的な焼却灰に含有される重金属類は、鉛、カドミウムが比較的多く、クロムは少ない。主灰に比較して飛灰には多くの有害物質が含まれており、特に塩素、酸化硫黄（SO 4 ）、カドミウ
ム、亜鉛、水銀、ヒ素が含まれる [4] 。
重金属は㏗などの化学的環境によってその化学形態が異なる。また、元素によっても難溶性塩を生成する化学的環境が異なる [5] 。化学的環境は固化に用いるセメント系材料の種類によっても異なる。従って、セメント固化体から重金属の溶出を抑えるた
めには、焼却灰に含まれる重金属の種類や使用するセメントの特徴を十分に把握することが重要となる。
2.3

セメント固化に影響を与える成分

焼却灰を水と接触させた場合に溶出する成分は、焼却炉のタイプや灰種（主灰、飛灰）によらずカルシウム、ナトリウム、カリウム、塩素、硫黄が多い [4] 。これらの溶出成分はセメントの硬化を促進させる急結材に含まれる成分であり [6] 、セメントの硬化に影響を与える可能性がある。一方、銅、鉛、亜鉛などの化合物はセメントの凝結を阻害する [7] とされている。特に亜鉛化合物はセメントの主要なクリンカー鉱物であるエーライトC 3 S(3CaO･SiO 2 )の水和を遅延すると報告されている [8] 。溶解したZnOとCa(OH) 2 がCa[Zn(OH) 3 H 2 O] 2 を形成することにより遅延作用を示す。このように焼却灰－2－

JAEA-Technology 2010-013

中には硬化を促進させる成分と重金属のように硬化を遅延させる相反する効果を 持
つ成分が含まれている。
高橋ら [9] は普通ポルトランドセメント、超早強セメント、早強セメント、フライア
ッシュセメント（B種）、高炉セメント（B種）にカドミウム、鉛、亜鉛、銅、マンガ
ン、クロム、鉄の塩化物、硫酸塩、酸化物、硫化物を添加してセメントの強度発現性との関係を調べている。これによると硬化に悪影響を及ぼす重金属化合物として、鉛及び亜鉛の各種化合物、銅の硫酸塩及び硫化物、マンガンの硫酸塩があげられている。
また、硬化に影響が見られなかった化合物として、カドミウム、クロム、鉄の各種化合物、銅の酸化物と塩化物、マンガンの硫酸塩以外の化合物があげられている。
2.4

重金属の不溶化

上述のとおり一般の焼却灰中には鉛やクロムなどの重金属が含まれているものがあるが、原子力施設から発生する焼却灰も、鉛やクロムなどが少量含まれているものがある。これは焼却対象物である紙、布、プラスチック等の塗料や染料等に重金属が使われているために焼却灰中に残るものと考えられる。
従って、原子力施設から発生する焼却灰をセメント固化して処分するためには、環境への負荷を考慮し、焼却灰中の重金属を不溶化、安定化させて固化体からの溶出量を可能な限り低く抑えることが求められる。
そこで、重金属の不溶化の方法や不溶化剤の検討に資するため、一般産業界で行われている重金属の処理方法等について調べた。以下にその概要を示す。
(1) 廃液処理における重金属の不溶化技術 [10]① 鉛、カドミウムの排水処理方法
・水酸化物法、共沈法
水酸化物法は重金属が含まれている排水にNaOHやCa(OH) 2 を添加することによりアルカリ性にして水酸化物として析出・沈殿させる方法である。カドミウムはpHが大きくなると溶解度が低下しCd(OH) 2 として析出する。しかし、鉛は両性金属であり、pH8以上では水酸化錯イオンの溶解が支配的になる。
また、共沈法は塩化鉄(Ⅲ)又は塩化亜鉛を使って共沈処理を行う方法である。
・置換法
キレート剤と錯体を形成している重金属を他の無害な元素で置換し、置換された重金属を水酸化物として沈殿させる方法である。水酸化物法だけでは処理が不十分であるが他の金属イオン（鉄、カルシウム、マグネシウム）と共存させて処理することにより、廃液中の重金属濃度を低下させることができる。
・硫化物法
重金属を溶解度の低い硫化物にして除去する方法であるが、アルカリ性では硫化物の分散反応が起こるため、硫化物法は㏗中性域での処理が必要になる。本法は硫化水素の毒性や腐食性を考慮しなければならないため、排水処理への適用事例は少ない。
② クロム(Ⅵ)の排水処理方法
・薬品還元
クロム(Ⅵ)は強力な酸化剤であり、溶液中に酸化される物質があればクロム－3－

JAEA-Technology 2010-013(Ⅵ)自身は容易に還元されてクロム(Ⅲ)になる。クロム(Ⅲ)イオンはアルカリ性
で水酸化物となり沈殿する。クロム(Ⅵ)の還元には亜硫酸塩または硫酸鉄(Ⅱ)が使用され、亜硫酸塩の場合は、pHを2～2.5、酸化還元電位（以下「Eh」という。)
を300～400 mVに設定して行う。還元後はアルカリ剤で中和し、水酸化クロム(Ⅲ)
として沈殿分離する。還元剤として鉄(Ⅱ)を使用する場合は強酸性から強アルカ
リ性の広い範囲で還元が可能である。
・電解還元
電解処理によって酸化還元反応を生じさせ、クロム(Ⅵ)をクロム(Ⅲ)にする方法である。廃液濃度が低いと液抵抗などにより電力損失が大きくなることから、一般に電解還元は濃厚廃液の処理に適用される。
・イオン交換法、吸着法
クロム酸はイオン交換樹脂への吸着性が高いため、強塩基性陰イオン交換樹脂
塔に通水すれば完全に除去されるが、再生液の処理が必要である。
吸着材法としては、活性炭やゼオライトの適用が可能であり、活性炭は弱酸性領域での使用が適している。
(2) 重金属不溶化に関する研究例
内川 [5] は、セメント固化において重金属を固定する方法を以下のように大別している。
・キレート剤との反応によるキレート化合物の生成による固定、又はそれらの反応生成物への吸着による固定
・添加混合材料中の元素との置換固溶による固定
・極難溶性物質の生成による捕捉
・密実な組織を持つ固化体内部への閉じ込め
セメントの水和生成物であるエトリンガイド(3CaO・Al 2 O 3 ・3CaSO 4 ・32H 2 O)のAlとCrなどとの置換や珪酸カルシウム水和物（C-S-Hゲル）の結晶表面への吸着などを例としている。また、極難溶性物質の生成による捕捉は、重金属がアルカリ側で水に対する溶解度が低減し、系の㏗とEhが適当なアルカリ性領域で極難溶性化合物が生成し、固化体組織の中に沈積することによって起きる。
三木ら [11] は複合汚染土壌の改質において重金属の不溶化に関する室内試験を実施
し、不溶化剤の検討を行っている。使用されている不溶化剤は、固化系材料4種類（普通ポルトランドセメント、有機質土用固化材、低アルカリ固化材、溶液型注入材）と非固化系材料6種類（水酸化ナトリウム、硫化ナトリウム、硫酸鉄(Ⅱ)、ベントナイ
ト、ゼオライト、キレート剤）である。それぞれを単独で使用した試験、及び普通ポルトランドセメントと非固化系不溶化剤を組み合わせた試験を実施している。これによると陽イオンとして存在している重金属のカドミウム、鉛、水銀に対しては、セメント系材料の不溶化効果が高く、陰イオンとして存在している重金属であるヒ素、ク
ロムに対してはセメント系材料の不溶化効果は高くない。陽イオンとして存在している重金属のセメント系材料による不溶化は、セメント系材料がアルカリ性であるため陽イオンが水酸化物等の難溶性塩となりセメント系材料の水和生成物に収着、固溶するためと考えられる。
一方、非固化系材料の効果は、鉛に対してベントナイトの吸着効果が高く、クロム－4－

JAEA-Technology 2010-013(Ⅵ)に対しては硫化ナトリウムや硫酸鉄(Ⅱ)のような還元剤による不溶化効果が 高い。また、複合汚染土壌においても、普通ポルトランドセメントに還元剤である硫化ナトリウムを併用したものがクロム(Ⅵ)に対して有効である。
2.5

試験に用いた重金属不溶化剤とセメント系材料

重金属の処理方法等の調査結果から、各重金属に対する有効材料と期待した不溶化機構を表2.5-1に示す。
表2.5-1
不溶化の対象金属

重金属不溶化の有効材料と不溶化機構
有効材料

陰イオン系重金属

・硫化ナトリウム

ヒ素、クロム(Ⅵ)

・硫酸鉄(Ⅱ)

陽イオン系重金属

・ベントナイト特に鉛・ゼオライト

陽イオン系重金属
カドミウム、鉛、水銀

・セメント系材料－5－

期待する不溶化機構
・還元して難溶性塩として沈殿・固相に吸着、イオン交換・難溶性塩として沈殿・水和生成物に固溶、収着

JAEA-Technology 2010-013

３．模擬焼却灰の作製
本試験では一般廃棄物の焼却設備から排出された焼却灰を模擬焼却灰として使用した。使用した焼却灰は流動床型の焼却設備から排出された飛灰である。
使用した焼却灰の走査型電子顕微鏡写真を図3-1に示す。1μm程度の微細な粒子から数100μm程度の粗大な粒子まであるが、全体的には微細な粒子が多い。
焼却灰の元素組成比を表3-1に示す。焼却灰の元素組成を確認した結果、硬化の遅延物質と考えられ亜鉛の含有量が低かったため試薬で含有量を約5％まで上げて固化特性を見ることにした。また、重金属成分である鉛、クロム、カドミウムについてもそれぞれ試薬で１％まで上げて固化後の溶出率を調べることにした。添加した重金属
は、水に溶出しやすい化学形態とした。また、重金属量の調製方法は、溶解度の高い
試薬は潮解性があり、少量の試薬を焼却灰に均質に混合することが難しいことから、各重金属試薬の溶液を練り混ぜ水に添加する方法とした。試験に用いた添加試薬を以下に示す。
○塩化亜鉛(ZnCl 2 )○クロム酸ナトリウム(Na 2 CrO 4 ･4H 2 O)
○硝酸鉛(Pb(NO 3 ) 2 )○塩化カドミウム(CdCl 2 )

表3-1

焼却灰の元素組成比
wt ％

元素

組成比

Si

12.6

Al

7.8

Fe

2.9

Ca

30.1

Mg

2.7

S

1.5

Na

6.9

K

4.3

Ti

1.4

P

1.5

Cl

20.4

Zn

4.9

Cr

1.0

Cd

1.0

Pb

1.0

－6－

JAEA-Technology 2010-013

図3-1

焼却灰の走査型電子顕微鏡写真－7－

JAEA-Technology 2010-013

４．試験
4.1

セメント系材料及び重金属不溶化剤の性能

ここではセメント系材料及び重金属の不溶化剤の性能を確認するため、それぞれの材料について混練状態及び固化体の圧縮強度並びに固化体からの重金属の溶出率を調べた。
(1) 重金属不溶化剤
三木ら [11] の検討では、還元剤として硫酸鉄(Ⅱ)と硫化ナトリウムが使用されており、クロム(Ⅵ)に対しては、両方とも効果が高いとされている。添加量については、本試験に先行して実施した予察試験で硫酸鉄(Ⅱ)10％（灰重量に対して10％を外割で 添加）を添加したところセメントの水和反応が阻害されることがわかったため、硫酸鉄(Ⅱ)の添加量は 5％とした。また、硫化ナトリウムの添加量は三木らの研究で十分な不溶化効果が得られている0.5 ％とした。ベントナイトはモンモリロナイトを50 ％含むクニミネ工業株式会社製のクニゲルV1®を用いた。添加量はモンモリロナイト量の影響を確認するため、10％、20％とした。
ゼオライトは多くの種類があり、吸着能に多少の差はあるが、いずれも陽イオンの吸着性能がある。セメント固化のようにカルシウムイオン等のアルカリ金属が多量に共存する条件では、これらのイオンが重金属の吸着の競合イオンとなる可能性があるが、そのような検討はほとんど実施されていない。また、ゼオライトには天然鉱物を粉砕したものと人工のものが存在するが、セメント固化条件で陽イオン吸着能にどの程度の差があるか明確ではない。そこで、本試験では天然ゼオライトと人工ゼオライ
トの両方を試験した。天然ゼオライトは、比較的陽イオンの吸着能が高く、汚染土壌改良用に使用した実績 [12] がある日東粉化工業株式会社製のケイゼオン®を使用した。
また、人工ゼオライトは、火力発電所から排出された石炭灰を表面処理して陽イオン吸着能を持たせたゼオライトで生態系コンクリートブロックなどに使用実績 [13] のあるシーキュラス®を使用した。添加量は予察試験の結果を踏まえてそれぞれ10％とした。
本試験で使用した不溶化剤と添加量を表4.1-1に示す。
表4.1-1

不溶化剤種類と添加量
灰量に対する添加量

不溶化剤（外割wt％）

硫酸鉄(Ⅱ)（FeSO 4 ・7H 2 O）

5

硫化ナトリウム（Na 2 S・5H 2 O）

0.5

天然ゼオライト（ケイゼオン）

10

人工ゼオライト（シーキュラス）

10

ベントナイト（クニゲルV1）

10、20

－8－

JAEA-Technology 2010-013(2) セメント系材料
セメント系材料は練り混ぜ水に溶解するとpHやEhが変化する。重金属はpHやEhによって安定な化学種が異なることから、複数のセメント材料について試験することとし、
pHやEhが異なると思われるセメント系材料を選定した。
本試験で用いたセメント系材料の特徴を表4.1-2に示す。
表4.1-2試験で使用したセメント系材料

セメント系材料

特徴等

普通ポルトラン

最も一般的なセメント

ドセメント(OPC)予想される間隙水のpHは12.5～13.0程度

高炉セメント（Ｂ種）(BB)

ポルトランドセメントに高炉スラグを混合したセメント予想される間隙水のpHは12.5～13.0程度
高炉スラグの効果により固化体内は還元性雰囲気となる
アーウィン系低アルカリ性セメント

低アルカリ性予想される間隙水のpHは11程度

セメント(LAC)

水和物のカルシウムアルミネートサルフェートを多く生成することから、重金属イオンの置換固溶を期待できる

水砕スラグ系セメント(SC)

高炉水砕スラグを主成分としたセメント
高炉水砕スラグにアルカリ刺激剤を添加予想される間隙水のpHは13以上
高炉スラグの効果で固化体内は還元性雰囲気となる① 普通ポルトランドセメント(OPC)
日本で製造されているポルトランドセメントはJIS R 5210に規定されている5種類（それぞれに低アルカリ型がある）と白色ポルトランドセメント及び油井セメン
トである。ポルトランドセメントはエーライトと呼ばれる3CaO･SiO 2 系鉱物、ビー
ライトと呼ばれる2CaO･SiO 2 系鉱物、一般的にアルミネート相と呼ばれる3CaO･Al 2 O 3系鉱物、フェライト相と呼ばれる4CaO･Al 2 O 3 ･Fe 2 O 3 系鉱物とセッコウ（CaSO 4 ･2H 2 O）の5種類を基本鉱物としている。普通ポルトランドセメントの主要な化学成分の一例 [14] は、SiO 2 22％、Al 2 O 3 5.5％、Fe 2 O 3 3.0％、CaO 64.8％、MgO 1.4％、SO 3 1.9％である。また、鉱物組成の一例 [14] は、C 3 S 50％、C 2 S 26％、C 3 A 8％、C 4 AF 9％である（但し鉱物組成について、C：CaO、S：SiO 2 、A：Al 2 O 3 、F：Fe 2 O 3 と表す）。
普通ポルトランドセメントは、コンクリート工事用に広く使用されており、日本で使用される全セメントの約80％が普通ポルトランドセメントである。また、高炉セメント等の混合セメントの母体としても使用されている。
② 高炉セメント(BB)ポルトランドセメントに高炉水砕スラグを混合したもので、ポルトランドセメン
トの水和 により発生 した水酸化 カルシウム によって高 炉水砕スラ グが徐々に 水和反応する。従って、水酸化カルシウムの生成量が少なく、固化体の組織が緻密にな－9－

JAEA-Technology 2010-013

る。高炉セメントＢ種の化学成分の一例 [15] は、SiO 2 25.9％、Al 2 O 3 8.5％、Fe 2 O 3 1.9％、CaO 54.8％、MgO 3.7％、SO 3 1.9％である。高炉セメントの特徴として以下の点が挙げられる。
・短期の強度発現性は小さいが3ヶ月以上の長期では普通ポルトランドセメントを上回る。
・耐海水性、化学抵抗性に優れている。
・アルカリ骨材反応が生じにくい。
③ 低アルカリ性セメント（アーウィン系）(LAC)
アーウィン（3CaO･3Al 2 O 3 ･CaSO 4 ）－ビーライト（2CaO･SiO 2 ）を主成分とするセメ
ントクリンカーに関する歴史は古く [16] 、特に旧秩父セメント株式会社の研究者によって精力的に研究され、ガラス繊維補強コンクリート（Glass－fiber Reinforced
Concrete、GRC）用へと続く流れとなるものである。GRC用セメントは現在国内では唯一量産されている低アルカリ性を主目的としたセメントである。
近年特に中国において研究、商品化がなされ、実際に多くの量が流通している。
中国でのこの系のセメントの多くはGRC用セメントであり、建築外装への嗜好から装飾用のGRC部材が多く生産されている。しかし、GRC以外の用途にも使用されており、速硬セメントや補修用セメント、自己膨張性セメント、また厳寒期の工事用や、耐海水性から海洋構造物用など、特殊セメントとして実績がある。中国国内では用途によって細分されており [17] 、規格化されている。
Zhang と Glasser [18] は、アーウィン－ビーライト系セメントについて、水和反応などの基礎研究、コンクリート試験、実構造物から採取したコンクリート試料についての評価など、幅広い内容の報告をしている。試験に用いられているクリンカ－

ーの化学組成は、CS A(calcium sulfoaluminate clinker)が、SiO 2 3～13％、Al 2 O 3 30－

～ 40％ 、 Fe 2 O 3 1～ 3％ 、 CaO 36～ 45％ 、 SO 3 8～ 15％ で あ り 、 CS FA(calcium sulfo
ferroaluminate clinker)が、SiO 2 3～13％、Al 2 O 3 25～35％、Fe 2 O 3 3～13％、CaO 43－－～50％、SO 3 7～12％である。また、鉱物組成は、CS A が C 4 A 3 S 55～75％、C 2 S 8～－－

37％、C 4 AF 3～10％であり、CS FA が C 4 A 3 S 33～63％、C 2 S 14～37％、C 6 AF 2 15～35％－である（但しセメント鉱物組成について、C：CaO、S：SiO 2 、A：Al 2 O 3 、S：SO 3 、F：Fe 2 O 3 と表す）。セメントはこれらのクリンカーにセッコウを加えたものであり、用途によっては石灰石微粉末やスラグも添加されている。これらのセメントは以下の特徴が報告されている。
・ポルトランドセメントと同様にハンドリングできる。
・良好な強度発現性を示し、特に初期強度が非常に高い。
・炭酸化に対して抵抗性があり、硫酸塩や海水への抵抗性も高い。
・ガラス繊維やアルカリ反応性骨材に対し、ポルトランドセメントよりも影響が小さい。
最 近 で は 放射 性 廃 棄 物処 分 に 使 用す る こ と を目 的 に さ らに pHが 小 さく な る セ メ
ントの開発が進められている。田熊ら [19] は、2種類のセメントクリンカーから4種類のアーウィン系セメントを調製し、その水和生成物が、いずれもエトリンガイト、
C-S-Hゲル及びAl(OH) 3 ゲルであり、高pHの原因となる水酸化カルシウムやモノサル
フェート水和物が存在しないことを確認した。藤田ら [20] は、この系のセメントで－10－

JAEA-Technology 2010-013

は、高炉スラグ微粉末の含有量が低いほどpHが低く、同一クリンカーから作製した
一連のセメントにおいてpHの調製が可能であることを見出している。高炉スラグ微粉末の混入によっても良好な初期強度を発現し、且つ11を下まわる低いpHを達成するために、セメント質量の20 %のシリカフュームを添加した低アルカリ性セメント
では、長期的には10.5を下まわる低いpHとなったと報告されている。さらに、このセメントは普通ポルトランドセメントのJISの強度規格を満足することが確認されている。藤田らが調製したアーウィン系低アルカリ性セメントの化学組成は、CaO
38.80％、SiO 2 18.70％、Al 2 O 3 19.50％、Fe 2 O 3 0.59％、SO 3 20.82％、MgO 0.93％、Na 2 O 0.11％、K 2 O 0.14％である [20] 。
④ 水砕スラグ系セメント(SC)
BWR、PWR発電所、再処理施設の低レベル放射性廃棄物の固型化材としてアルカリ
活性スラグセメントが提案されている [21] 。このセメントは主成分である高炉水砕
スラグ（SiO 2 39％、CaO 39％、Al 2 O 3 12％、MgO 6％）がアルカリ材と反応することにより活性化され、水和反応が生じて硬化する。スラグセメントは微粉の水砕ス
ラグとシリカフューム、分散剤の混合物であり、ポルトランドセメントの成分は含まれていないが、固化体の主要鉱物はポルトランドセメントの水和物であるC-S-H
であり、得られる固化体は緻密で高強度であると報告されている [21] 。
(3) 確認項目及び確認方法① ブリーディング
土木学会標準示方書（JSCE-F522）に準拠し、試料をポリ袋の中に約20cmの高さまで充填した後、翌日まで静置させ、ブリーディングによって試料上面に浸み出した水(ブリーディング水)の発生状況を目視で観察した。ブリーディング水がある場合
はその容量を測定した。
② 圧縮強度
供試体の作製は、土木学会標準示方書（JSCE-F506）に準拠し、φ5 cm×10 cmの円柱供試体を同一条件の試験に対して4本製作し、4本の一軸圧縮強度の平均値をもって測定値とした。試験材齢は混練から7日後、及び28日後とし、室温20℃の密封条
件で養生した。圧縮強度の測定は、土木学会標準示方書（JSCE-G505）に準拠した。
供試体を圧縮試験機の加圧板の圧縮面に置き、衝撃を加えないように一様の速度で荷重を加え供試体が破壊するまでに試験機が示す最大荷重を求めた。
一軸圧縮強度の評価は、「核原料物質、核燃料物質及び原子炉の規制に関する法
律

核燃料物質等の埋設に関する措置等に係る技術的細目を定める告示」（以下「埋設告示」という。）第4条に示される廃棄体基準（1.47N/mm 2）と測定値を比較する
ことにより行った。
③ 溶出特性
溶出試験温度は20℃とし、試験方法は「産業廃棄物に含まれる金属等の検定方法
溶出試験」（昭和48年2月17日

環境庁告示第13号）第1-1(イ)に準拠して実施した。

28日材齢の試料は粒径5 mm以下になるように粉砕後、ふるいを用いて0.5 mm以上5 mm
以下になるように調製したものを使用した。試料 70gと純水 700mℓをポリ容器に入れ、振とう器で6時間連続して振とうさせ、その後、孔径 1μmのグラスファイバー
フィルターろ紙（GFP）を用いて吸引ろ過し、固液を分離した。液相試料を適量分取－11－

JAEA-Technology 2010-013

し、前処理してICP発光分光光度計(バリアン社製VISTA-Pro Ax型)により、カドミウ
ム、鉛を分析した。クロム(Ⅵ)は別途分取した液相試料を用いて、ジフェニルカル
バジド吸光光度法により分析した。分光光度計は(株)島津製作所製UV-1700型を使用した。
重金属の溶出率の評価は、「重金属に係る土壌汚染調査・対策指針」(平成6年11月環水管第205号)に定められる溶出量基準値を目安とした。
表4.1-3に分析装置の定量下限値と溶出基準値を示す。
表4.1-3

排出基準値と本試験で用いた分析装置の定量下限値

分析項目

分析方法

基準値（mg/ℓ） 定量下限値（mg/ℓ）

鉛

JIS K-0102.54.3(2008)

0.3

0.05

クロム(Ⅵ)JIS K-0102.65.2.1(2008)

1.5

0.02

カドミウム

JIS K-0102.55.3(2008)

0.3

0.01

(4) 混練条件① 配合条件
本試験の配合条件を表4.1-4に示す．
表4.1-4

セメント材料及び重金属不溶化剤の性能確認試験の配合条件

セメント(g)

水(g)

焼却灰(g) ※ 1

800

800

686

備考 ※ 2
W:C:A=3.5:3.5:3
灰充填率30wt %※1：不溶化剤の添加量は含まない。
※2：Wは水、Cはセメント、Aは焼却灰を示す。
② 混練フロー
重金属は焼却灰に含まれることを想定しているため、最初に焼却灰と重金属試薬の水溶液を混合した。セメントは水に接すると多量のイオンを放出することから不溶化剤の効果を阻害することが予測される。このため、灰と重金属のスラリーに不溶化剤を添加、混合した後にセメントを加えた。混練フローを以下に示す。
焼却灰＋水＋重金属水溶液＋不溶化剤
25 ％NaOH溶液添加］→
速2分）→

掻き落し

→

掻き落し（停止30秒）→

混練（低速2分）→［SCの場合 ※セメント添加（静止１分） →混練（低混練（30秒）※：セメントの性質上、水和反応の刺激剤としてアルカリを加える必要がある
ため。

－12－

JAEA-Technology 2010-013(5) 試験結果① 普通ポルトランドセメント(OPC)
混錬1日後に硬化し、体積膨張やブリーディング水は確認されなかった。
圧縮強度の測定結果を図4.1-1に示す。28日経過後の固化体の圧縮強度は硫化ナト
リウムと天然ゼオライトを加えた固化体で1.47 N/mm 2を下回ったが、それ以外の試験では1.47 N/mm 2以上となった。
不溶化剤を加えていない固化体の溶出試験の結果を図4.1-2、不溶化剤を加えた固化体の溶出試験の結果を図4.1-3～図4.1-5に示す。普通ポルトランドセメント自体の重金属の溶出抑制効果は、カドミウムに対しては溶出基準値以下に抑えられているが、鉛に対しては溶出基準値を超え、また、クロム(Ⅵ)も溶出基準値と同値であり、これらに対する溶出抑制効果は見られなかった。一方、不溶化剤の効果は、鉛に対しては、人工ゼオライトを加えた固化体で溶出基準値以下に抑えられたが、他の不溶化剤は溶出基準値を超えており、効果が見られなかった。クロム(Ⅵ)に対しては、硫酸鉄、硫化ナトリウム、天然ゼオライトを加えた固化体で基準値以下に抑えられたが、人工ゼオライトとベントナイトは効果が見られなかった。カドミウムに対しては、いずれの不溶化剤も溶出基準値以下であるが、測定値が検出下限値以下であったため、不溶化剤自体の効果は確認できなかった。

5.0
7d
28d

4.5

2

圧縮強度(N/mm )

4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0

OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPCM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は埋設告示値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-1

OPCを用いたセメント固化体の圧縮強度測定結果－13－

JAEA-Technology 2010-01310

溶出量（mg/ℓ）

1

0.1

0.01

0.001
Pb

Cr(Ⅵ)
重金属

Cd

試験条件：灰量 30％、Ｗ/Ｃ比 1
溶出基準値：Pb 0.3mg/ℓ、Cr(Ⅵ) 1.5mg/ℓ、Cd 0.3mg/ℓ

図4.1-2

OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(不溶化剤なし)

0.6

Pb溶出量(mg/ℓ)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPCM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は溶出基準値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-3

OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(鉛)－14－JAEA-Technology 2010-013

3.0

Cr(Ⅵ) 溶出量(mg/ℓ)

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPCM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は溶出基準値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-4

OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(クロム(Ⅵ))

0.5

Cd溶出量(mg/ℓ)

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0
OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPC- OPCM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は溶出基準値を示す．
全ての試験で測定値が検出限界値（0.01mg/ℓ）であったため、図中には検出限界値をプロットした．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-5OPCを用いたセメント固化体の溶出試験結果(カドミウム)－15－

JAEA-Technology 2010-013② 高炉セメント（BB）
混錬1日後に硬化し、体積膨張は確認されなかった。また、ブリーディング水は、不溶化剤を加えていない固化体及び硫化ナトリウムを加えた固化体で少量のブリー
ディング水が確認されたが、その他の固化体では確認されなかった。
圧縮強度の試験結果を図4.1-6に示す。28日経過後の固化体の圧縮強度は全ての試
験で1.47 N/mm 2以上となった。
不溶化剤を加えていない固化体の溶出試験の結果を図4.1-7、不溶化剤を加えた固化体の溶出試験の結果を図4.1-8～図4.1-10に示す。高炉セメント自体が重金属の溶出抑制効果を有し、鉛、クロム(Ⅵ)、カドミウムのいずれも溶出基準値以下に抑えられており、普通ポルトランドセメントと比べて溶出抑制効果が高いことがわかった。一方、不溶化剤の効果は、いずれの不溶化剤も鉛、クロム(Ⅵ)、カドミウムの溶出量は溶出基準値以下であるが、不溶化剤を加えていない固化体と比べて顕著な差はなく不溶化剤自体の効果は見られなかった。

5.0
7d
28d

4.5

2

圧縮強度(N/mm )

4.0
3.5
3.0
2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
BB- BB- BB- BBM2-BL M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10

BBM2S10BBM2B10BBM2B20

図中の太線は埋設告示値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-6BBを用いたセメント固化体の圧縮強度試験結果－16－

JAEA-Technology 2010-01310

溶出量（mg/ℓ）

1

0.1

0.01

0.001
Pb

Cr(Ⅵ)
重金属

Cd

試験条件：灰量 30％、Ｗ/Ｃ比 1
溶出基準値：Pb 0.3mg/ℓ、Cr(Ⅵ) 1.5mg/ℓ、Cd 0.3mg/ℓ

図4.1-7BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(不溶化剤なし)

0.6

Pb溶出量(mg/ℓ)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
BB- BB- BB- BBM2-BL M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10

BBM2S10BBM2B10BBM2B20

図中の太線は溶出基準値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-8BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(鉛)－17－

JAEA-Technology 2010-013

3.0

Cr(Ⅵ) 溶出量(mg/ℓ)

2.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
BB- BB- BB- BBM2-BL M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10

BBM2S10BBM2B10BBM2B20

図中の太線は溶出基準値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-9BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(クロム(Ⅵ))

0.5

Cd溶出量(mg/ℓ)

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0
BB- BB- BB- BBM2-BL M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10

BBM2S10BBM2B10BBM2B20

図中の太線は、溶出基準値を示す．
全ての試験で測定値が検出限界値（0.01mg/ℓ）であったため、図中には検出限界値をプロットした．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-10BBを用いたセメント固化体の溶出試験結果(カドミウム)－18－

JAEA-Technology 2010-013③ 低アルカリ性セメント（LAC）
混錬1日後に硬化し、体積膨張やブリーディング水は確認されなかった。
圧縮強度の試験結果を図4.1-11に示す。すべての試験で7日経過後の強度が1.47
N/mm 2 以上を示し、他のセメント材料に比べて高い強度が得られることを確認した。
不溶化剤を加えていない固化体の溶出試験の結果を図4.1-12、不溶化剤を加えた固化体の溶出試験結果を図4.1-13～図4.1-15に示す。低アルカリ性セメント自体の重金属の溶出抑制効果は、鉛、カドミウムに対しては溶出基準値以下に抑える効果が見られたが、クロム(Ⅵ)に対しては溶出基準値以下に抑えることができなかった。
一方、不溶化剤の効果は、鉛に対しては、いずれの不溶化剤も測定値が検出限界以下であったため、不溶化剤自体の効果を確認することができなかった。クロム(Ⅵ)
に対しては、硫酸鉄を入れた固化体で溶出基準値以下に抑えられたが、他の不溶化剤は効果が見られなかった。カドミウムに対しては、いずれの固化体も基準値以下に抑えられているが、不溶化剤を加えていない固化体と比べて顕著な差はなく不溶化剤自体の効果は見られなかった。

10.0
7d
28d

9.0

2

圧縮強度(N/mm )

8.0
7.0
6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LACM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は埋設告示値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-11

LACを用いたセメント固化体の圧縮強度試験結果－19－

JAEA-Technology 2010-013100

溶出量（mg/ℓ）

10

1

0.1

0.01
Pb

Cr(Ⅵ)
重金属

Cd

図中の太線は溶出基準を示す．
試験条件：灰量 30％、Ｗ/Ｃ比 1
溶出基準値：Pb 0.3mg/ℓ、Cr(Ⅵ) 1.5mg/ℓ、Cd 0.3mg/ℓ

図4.1-12LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(不溶化剤なし)

0.6

Pb溶出量(mg/ℓ)

0.5
0.4
0.3
0.2
0.1
0.0
LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LACM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は溶出基準値を示す．
全ての試験で測定値が検出限界値（0.05mg/ℓ）であったため、図中には検出限界値をプロットした．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-13

LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(鉛)－20－JAEA-Technology 2010-013

15.0

Cr(Ⅵ) 溶出量(mg/ℓ)

12.5
10.0
7.5
5.0
2.5
0.0
LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LACM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は溶出基準値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-14

LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(クロム(Ⅵ))

0.5

Cd溶出量(mg/ℓ)

0.4

0.3

0.2

0.1

0.0
LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LACM2-BL M2- M2- M2- M2- M2- M2FS5 NS0.5 K10 S10 B10 B20
図中の太線は溶出基準値を示す．
M2：灰量 30％
BL：不 溶 化剤 なし、FS5：硫酸鉄 5％、NS0.5：硫化ナトリウム 0.5％、K10:天然ゼオライト 10％
S10：人工ゼオライト 10％、B10：ベントナイト 10％、B20：ベントナイト 20％

図4.1-15

LACを用いたセメント固化体の溶出試験結果(カドミウム)－21－

JAEA-Technology 2010-013④ 水砕スラグ系セメント（SC）
水砕スラグ系セメントを使った試験では、全ての試験で28日経っても硬化しなかった。原因の一つとして水砕スラグ系セメントを硬化させるために加える水酸化ナ
トリウム水溶液の添加量が適切でなかった可能性が高く、試験条件の見直しが必要となったため、これ以降の試験は省略することとした。
4.2

焼却灰充填率等の影響

4.1項セメント材料及び重金属不溶化剤の性能試験で、比較的良好な結果を得た高炉セメントと硫酸鉄及び低アルカリ性 セメントと硫酸鉄の組合せで焼却灰の充填率 や水セメント比を変えて混練状態や固化体の圧縮強度を調べた。また、混和剤を添加した場合の流動性（フロー値）への影響を調べた。
(1) 確認項目及び確認方法
ブリーディング、圧縮強度、溶出特性の確認は4.1項の確認項目及び確認内容と同じとした。また、流動性の確認はJASS 15 M-13「セルフレベリング材の品質基準」の測定方法に準拠して流動性を確認した。
(2) 試験に使用した試薬等① セメント系材料と不溶化剤
高炉セメントB種（BB）＋硫酸鉄（FeSO 4･7H 2O）灰量の5 ％低アルカリ性セメント（LAC）＋硫酸鉄（FeSO 4･7H 2O）灰量の5 ％② 焼却灰充填率及び水セメント比
一般的に焼却灰の充填率を上げた場合には、水セメント比を大きくする必要がある。これは同じ水セメント比でも焼却灰の充填率を変えると流動性や水和条件が大きく異なり、混練や硬化ができない事象が発生するためである。従って、固化条件の設定にあたっては事前に予備試験を実施して水セメント比を設定した。設定条件
を表4.2-1に示す。
表4.2-1

灰充填率

焼却灰充填率等の影響確認試験の配合条件
水セメント比
0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

40％

[M1]

－

－

○

○

○

30％

[M2]

－

○

○

○

－

20％

[M3]

○

○

○

－

－

③ 混和剤
化学混和剤レオビルドSP8（ポリカルボン酸エーテル系高性能AE減水剤）をセメン
トと焼却灰を合わせた粉体量に対して0.3％添加した場合と添加しない場合の比較を行った。
(3) 混練フロー
4.1項の試験と同じ操作とした。

－22－

JAEA-Technology 2010-013(4) 試験結果①

焼却灰充填率、水セメント比、混和剤と圧縮強度との関係

ⅰ 高炉セメント（BB）
硬化に伴う体積膨張はなく、ブリーディング水は灰の充填量を30％、水セメント
比を1とした固化体に少量のブリーディング水が確認されたが、他の固化体は確認されなかった。
圧縮強度の試験結果を図4.2-1、図4.2-2に示す。焼却灰の充填率と圧縮強度との関係は、一般的には焼却灰の充填率が高くなるほど圧縮強度が低下するが、高炉セメントではこの傾向が見られなかった。また、焼却灰の充填率を40 ％にした試験では28日経過した後でも充分な強度が得られなかった。これは硬化を阻害する成分が多く含まれていることや高炉セメントの安定性等が影響している可能性がある。
水セメント比との関係では、灰の充填率が20％と30％の固化体で水セメント比が高くなるほど圧縮強度が低くなる傾向を示している。混和剤の添加の圧縮強度への影
響はほとんど見られなかった。
溶出試験の結果を図4.2-3、図4.2-4に示す。溶出試験では硬化が不十分だった焼却灰の充填率が40 ％の試験で鉛、クロム(Ⅵ)の濃度が高く基準値を上回った。カ
ドミウムの濃度は全ての配合で測定下限値以下までに抑えることができた。充填率と溶出率との関係では、鉛、クロムが充填率40％の固化体で高い値を示したが、これは硬化が十分でないことが原因と推察され、充填率20％と30％の比較においては、大差はない。一方、カドミウムは全ての試験で検出下限値以下であったため傾向が確認できなかった。水セメント比との関係では、いずれの重金属も顕著な傾向は見られなかった。溶出率への混和剤の影響も小さかった。
フロー値の測定結果を図4.2-5に示す。灰の充填率が低くなるほど、また、水セ
メント比が高くなるほど流動性が高くなる傾向を示しているが、混和剤の有無による違いは大きくはなかった。

－23－

JAEA-Technology 2010-013

8.02

圧縮強度（N/mm )

7.0

28d

28d

28d

6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
M1W1.0

M1W1.2

M1W1.4

M2W0.8

M2W1.0M2W1.2

M3W0.6

M3W0.8

M3W1.0

図中の太線は埋設告示値を示す．
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す

図4.2-1BBを用いた固化体の圧縮強度測定結果（混和剤なし）

8.02

圧縮強度（N/mm )

7.0

28d

28d

28d

6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
M1- M1- M1W1.0- W1.2- W1.4Ad
Ad
Ad

M2- M2- M2W0.8- W1.0- W1.2Ad
Ad
Ad

M3- M3- M3W0.6- W0.8- W1.0Ad
Ad
Ad

図中の太線は埋設告示値を示す．
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す

図4.2-2BBを用いた固化体の圧縮強度測定結果（混和剤添加）－24－

JAEA-Technology 2010-013

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
M1W1.0

M1W1.2

M2W0.8

M1W1.4

M2W1.0

M3W0.6

M2W1.2

M3W0.8

M3W1.0Cd については全ての試験で検出限界値（0.01mg/ℓ）であったため、図中には検出限界値をプロットした．
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す
溶出基準値：Pb 0.3mg/ℓ、Cr(Ⅵ) 1.5mg/ℓ、Cd 0.3mg/ℓ

図4.2-3

BBを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤なし）

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
M1- M1- M1W1.0- W1.2- W1.4Ad
Ad
Ad

M2- M2- M2W0.8- W1.0- W1.2Ad
Ad
Ad

M3- M3- M3W0.6- W0.8- W1.0Ad
Ad
Ad

Cd については全ての試験で検出限界値（0.01mg/ℓ）であったため、図中には検出限界値をプロットした．
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す
溶出基準値：Pb 0.3mg/ℓ、Cr(Ⅵ) 1.5mg/ℓ、Cd 0.3mg/ℓ

図4.2-4BBを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤添加）－25－

JAEA-Technology 2010-013

180160
フロー値（mm）

140

混和剤なし
混和剤あり

120
100
80
60
40
20
0
BB- BB- BB- BB- BB- BB- BB- BB- BBM1- M1- M1- M2- M2- M2- M3- M3- M3W1.0- W1.2- W1.4- W0.8- W1.0- W1.2- W0.6- W0.8- W1.0FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す

図4.2-5フロー値の測定結果（BB）

ⅱ 低アルカリ性セメント（LAC）
混錬1日後に硬化し、ブリーディング水も確認されなかったが、すべての固化体
で1～4％の体積膨張が見られた。
圧縮強度試験の結果を図4.2-6、図4.2-7に示す。固化体の強度に関しては、高炉セメントでは7日経過しても硬化しなかったが、低アルカリ性セメントでは7日経過時点ですべての試験で1.47N/mm 2を超える強度を示した。焼却灰の充填率と圧縮強度との関係では、焼却灰の充填率が高くなるほど圧縮強度が低下する傾向となった。水セメント比との関係も一般的な傾向と同様に水セメント比が高くなる
ほど圧縮強度が低くなる傾向であった。圧縮強度への混和剤の影響は小さかった。
溶出試験結果を図4.2-8、図4.2-9に示す。鉛とカドミウムは全ての試験で基準値以下まで抑えることができた。クロム(Ⅵ)は4.1項の試験で硫酸鉄を加えること
で基準値以下に抑えることができたが、ここでは全て溶出基準値以上となった。
この原因については、今後調べる予定である。焼却灰の充填率及び水セメント比と溶出濃度との関係では、鉛、クロムは顕著な傾向は見られなかったが、カドミ
ウムは充填率が低い水準で溶出濃度が低くなる傾向が見られた。溶出率への混和剤の影響は小さかった。
フロー値の測定結果を図4.2-10に示す。灰の充填率が低くなるほど、また、水セメント比が高くなるほど流動性が高くなる傾向を示しているが、混和剤の有無による違いは大きくはなかった。

－26－

JAEA-Technology 2010-013

20.0
7d
28d

18.0
14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
M1W1.0

M1W1.2

M2W0.8

M1W1.4

M2W1.0

M3W0.6

M2W1.2

M3W0.8

M3W1.0

図中の太線は埋設告示値を示す．
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す

図4.2-6LACを用いた固化体の圧縮強度試験結果（混和剤なし）

20.0
7d
28d

18.0
16.0
2

圧縮強度（N/mm )2

圧縮強度（N/mm )

16.0

7d
28d

7d
28d

7d
28d

7d
28d

14.0
12.0
10.0
8.0
6.0
4.0
2.0
0.0
M1- M1- M1W1.0- W1.2- W1.4Ad
Ad
Ad

M2- M2- M2W0.8- W1.0- W1.2Ad
Ad
Ad

M3- M3- M3W0.6- W0.8- W1.0Ad
Ad
Ad

図中の太線は埋設告示値を示す
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す

図4.2-7

LACを用いた固化体の圧縮強度試験結果（混和剤添加）－27－

JAEA-Technology 2010-013

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
M1W1.0

M1W1.2

M1W1.4

M2W0.8

M2W1.0M2W1.2

M3W0.6

M3W0.8

M3W1.0M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す
M3-W0.8 及び M3-W1.0 の値は検出限界（0.01m/ℓ）以下であったため、検出限界値をプロットした．
溶出基準値：Pb 0.3mg/ℓ、Cr(Ⅵ) 1.5mg/ℓ、Cd 0.3mg/ℓ

図4.2-8LACを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤なし）

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
M1- M1- M1W1.0- W1.2- W1.4Ad
Ad
Ad

M2- M2- M2W0.8- W1.0- W1.2Ad
Ad
Ad

M3- M3- M3W0.6- W0.8- W1.0Ad
Ad
Ad

M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す
M3-W0.6Ad、M3-W0.8Ad、M3-W1.0Ad の値は検出限界（0.01m/ℓ）以下であったため、検出限界
値をプロットした．
溶出基準値：Pb 0.3mg/ℓ、Cr(Ⅵ) 1.5mg/ℓ、Cd 0.3mg/ℓ

図4.2-9LACを用いた固化体の溶出試験結果（混和剤添加）－28－

JAEA-Technology 2010-013

250
混和剤なし
混和剤あり

フロー値（mm）

200
150
100
50
0

LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LAC- LACM1- M1- M1- M2- M2- M2- M3- M3- M3W1.0- W1.2- W1.4- W0.8- W1.0- W1.2- W0.6- W0.8- W1.0FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5 FS5
M は灰量(M1:40％、M2:30％、M3:20％)、W は水セメント比を示す

図4.2-10

フロー値の測定結果（LAC）② 圧縮強度と溶出量の関係
セメント固化による重金属の固定化では、固化体組織の緻密化により固定能力の向上が期待できる。一般的には水和が進み緻密化と強度との関係は比例関係にあると考えられるため、ここでは圧縮強度と溶出量との関係を調べた。
ⅰ 鉛
圧縮強度と溶出量の関係を図4.2-11に示す。低アルカリ性セメントは高炉セ
メントに比べて全体的に圧縮強度が高く、ほとんどの固化体で溶出量は検出下限値以下まで抑えられている。高炉セメントの場合は強度の低い固化体で基準値を超えている。このことから鉛の溶出量を抑えるためには、セメントのアル
カリ性環境を期待するだけでなくセメントの水和を充分に進行させ組織を緻密化させることも重要であると推察される。
100
BB(混和剤なし）

BB(混和剤添加）

LAC(混和剤なし)

LAC(混和剤添加）

Pb溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

2

圧縮強度（N/mm ）

図4.2-11

圧縮強度と鉛溶出量の関係

－29－

10.0

JAEA-Technology 2010-013

ⅱ クロム(Ⅵ)
圧縮強度と溶出量の関係を図4.2-12に示す。低アルカリ性セメントは固化体の圧縮強度に関らず全ての水準で溶出量が高いが、高炉セメントでは十分に硬化して強度が出ている固化体は基準値以下に抑えられている。高炉セメントにおけるクロム(Ⅵ)の溶出抑制効果は、スラグ中の還元物質とスラグの十分な水和が影響しているものと推察される。
100

Cr(Ⅵ)溶出量(mg/ℓ)

BB(混和剤なし）
LAC(混和剤なし)

BB(混和剤添加）
LAC(混和剤添加）

10

1

0.1

0.01
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

10.0

2

圧縮強度（N/mm ）

図4.2-12圧縮強度とクロム(Ⅵ)溶出量の関係

ⅲ カドミウム
圧縮強度と溶出量の関係を図4.2-13に示す。低アルカリ性セメント及び高炉セメント共に全ての固化体（強度）で基準値以下の値を示した。圧縮強度の違いによる影響や傾向が見られないことから、カドミウムの溶出量に与える水和の進行の影響は小さいと考えられる。
100
BB(混和剤なし）
LAC(混和剤なし)

BB(混和剤添加）
LAC(混和剤添加）

Cd溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
0.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

9.0

2

圧縮強度（N/mm ）

図4.2-13

圧縮強度とカドミウム溶出量の関係

－30－

10.0

JAEA-Technology 2010-013

4.3 固化遅延成分の影響
焼却灰の中には亜鉛成分や鉛成分などのセメント固化を遅延させる物質が含まれているものがあり、固化条件の設定にあたってはこれらの影響を確認しておくことが重要である。そこで高炉セメントと低アルカリ性セメントについて、焼却灰中の鉛と亜鉛成分を変化させて混練状態や固化体強度への影響を確認した。
(1) 確認項目及び確認方法
4.1項の確認項目及び確認内容と同じとした。
(2) 試験に使用した試薬等① セメント系材料と不溶化剤
高炉セメントB種（BB）＋硫酸鉄（FeSO 4･7H 2O）灰量の5 ％低アルカリ性セメント（LAC）＋硫酸鉄（FeSO 4･7H 2O）灰量の5 ％② 固化遅延物質含有量
硝酸鉛（Pb(NO 3) 2）：

2.5、 5.0、10.0 ％

塩化亜鉛（ZnCl 2）：

7.5、10.0、12.5 ％灰の組成を表4.3-1に示す。
表4.3-1

試験に用いた焼却灰の組成
wt ％各試験の組成比

Pb2.5

Pb5

Pb10

Zn7.5

Zn10

Zn12.5

Si

12.4

12.0

11.2

11.8

11.1

10.3

Al

7.6

7.4

6.9

7.3

6.8

6.3

Fe

2.9

2.8

2.6

2.7

2.6

2.4

Ca

29.6

28.6

26.8

28.2

26.4

24.5

Mg

2.6

2.5

2.4

2.5

2.3

2.2

S

1.5

1.4

1.3

1.4

1.3

1.2

Na

6.8

6.6

6.2

6.5

6.2

5.8

K

4.3

4.1

3.9

4.1

3.8

3.5

Ti

1.3

1.3

1.2

1.3

1.2

1.1

P

1.4

1.4

1.3

1.4

1.3

1.2

Cl

20.1

19.8

18.8

22.3

24.1

25.9

Cr

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

Zn

4.9

5.0

5.0

7.5

9.9

12.5

Cd

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

1.0

Pb

2.5

5.0

10.4

1.0

1.0

1.0

－31－

JAEA-Technology 2010-013(3) 混練条件① 配合条件表4.3-2

固化遅延成分の影響確認試験の配合条件

セメント(g)

水(g)

焼却灰(g)

800

800

686

備考
W:C:A=3.5:3.5:3
灰充填率30wt %※：Wは水、Cはセメント、Aは焼却灰を示す。
② 混和剤
使用せず
③ 混練フロー
4.1項の試験と同じ操作とした。
(4) 試験結果① 鉛の影響
圧縮強度の試験結果を図4.3-1、図4.3-2に示す。高炉セメントの固化体は、灰中の鉛濃度と圧縮強度とに明確な傾向は見えないが、低アルカリ性セメントでは鉛量の増加に伴い圧縮強度が低下しているように見える。重金属がセメントの水和に与える影響は明確になっておらず、圧縮強度に影響する要因やメカニズム等は不明であるが、28日後の強度で見るといずれの固化体も1.47 N/mm 2を超える強度が得られていることから、今回の濃度範囲では、強度を著しく低下させることがないことを確認した。
灰中の鉛量と重金属の溶出試験結果を図4.3-3、図4.3-4に示す。高炉セメントの固化体は、灰中の鉛量の増加に伴い鉛、クロム(Ⅵ)の溶出量も増加する傾向である
が、カドミウムはいずれも検出下限値以下で鉛濃度との相関は確認できなかった。
特に鉛の溶出量の上昇傾向が大きいが、これは灰中の鉛量が増加することで固定化しきれない鉛が増えたために溶出量が高くなったものと推察される。一方、低アル
カリ性セメントの固化体では、灰中の鉛量が増加してクロム(Ⅵ)、カドミウム、鉛ともに溶出量はほとんど変化が見られず、鉛、カドミウムに対して高い固定化能を維持していることを確認した。クロム(Ⅵ)に関しては硫酸鉄の還元効果が現れていないことから、添加量等の適正化を検討する必要がある。

－32－

JAEA-Technology 2010-013

7.0
7d
28d

2

圧縮強度（N/mm )

6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
1.0

2.5

5.0

10.0

Pb濃度（ｗｔ％）
図中の太線は埋設告示値を示す．

図4.3-1

灰の鉛濃度がBBセメント固化体の圧縮強度に与える影響

7.0
7d
28d

2

圧縮強度（N/mm )

6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
1.0

2.5

5.0

10.0

Pb濃度（ｗｔ％）
図中の太線は埋設告示値を示す．

図4.3-2

灰の鉛濃度がLACセメント固化体の圧縮強度に与える影響－33－

JAEA-Technology 2010-013

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

Pb濃度(wt％)

図4.3-3

重金属溶出量に及ぼす鉛濃度の影響（BB:高炉セメント固化体）

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
0.0

2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

Pb濃度(wt％)

図4.3-4

重金属溶出量に及ぼす鉛濃度の影響（LAC:低アルカリ性セメント固化体）－34－

JAEA-Technology 2010-013② 亜鉛の影響
圧縮強度の試験結果を図4.3-5、図4.3-6に示す。高炉セメントの固化体は、亜鉛濃度と強度との相関に顕著な傾向は見られないが、低アルカリ性セメントの固化体
では、亜鉛濃度が高くなるほど圧縮強度が低下する傾向を示した。いずれの固化体も28日後の強度では1.47 N/mm 2 を超える強度が得られており、今回の試験条件では強度を著しく低下させるような亜鉛濃度の影響は見られなかった。
亜鉛量を増加させた灰のセメント固化体からの重金属の溶出試験結果を図4.3-7、
図4.3-8に示す。高炉セメントの固化体では、クロムが亜鉛の増加に伴って溶出量が高くなる傾向を示したが、鉛については顕著な傾向が見られなかった。また、カドミウムは検出限界以下で亜鉛濃度との相関を確認することができなかった。一方、
低アルカリ性セメントの固化体は、いずれの重金属も亜鉛の増加で溶出量が大きく変化することはなく、亜鉛の影響を受けにくいセメント材料であることが確認でき
た。
7.0
7d
28d

2

圧縮強度（N/mm )

6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
4.9

7.5

10.0

Zn濃度（ｗｔ％）

図4.3-512.5
図中の太線は埋設告示値を示す．

灰の亜鉛濃度がBBセメント固化体の圧縮強度に与える影響
7.0
7d
28d

2

圧縮強度（N/mm )

6.0
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
0.0
4.9

7.5

10.0

Zn濃度（ｗｔ％）

図4.3-612.5
図中の太線は埋設告示値を示す．

灰の亜鉛濃度がLACセメント固化体の圧縮強度に与える影響－35－

JAEA-Technology 2010-013

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

Zn濃度(wt％)

図4.3-7

重金属溶出量に及ぼす亜鉛濃度の影響（BB:高炉セメント固化体）

100
Pb

Cr(Ⅵ)

Cd

溶出量(mg/ℓ)

10

1

0.1

0.01
2.5

5.0

7.5

10.0

12.5

15.0

Zn濃度(wt％)

図4.3-8

重金属溶出量に及ぼす亜鉛濃度の影響（LAC:低アルカリ性セメント固化体）－36－

JAEA-Technology 2010-013

５． まとめ
焼却灰の基本的なセメント固化特性を把握するため、種々のセメント系材料と不溶化剤について、固化試験を実施し、固化体の圧縮強度や固化体からの重金属の溶出率等を調査した。また、合わせて焼却灰の充填率や水セメント比などの固化条件の影響を確認した。その結果、高炉セメントと低アルカリ性セメントが比較的良好な結果を示し、焼却灰の固型化材として候補材料となることが確認できた。
しかしながら、今回、試験に用いた焼却灰は飛灰であり、炉底灰に比べて灰の粒度や含有成分、組成比等が異なることから、炉底灰の固化処理に関しては、飛灰の固化条件と異なる可能性が高い。このため、セメント固化設備の設計にあたっては、更に炉底灰を使った固化試験を実施する必要がある。また、固化条件の検討に加え設備の安定運転や保守性の観点からもハンドリング性の良い配合条件を設定する必要が あるとともに、固化体の品質を保証するためのデータ（均一性、空隙率、強度と超音波速度との相関データ等）の取得も必要である。更に処分評価や環境評価においては、
重金属の不溶化や核種の閉じ込めなどについて固化体機能の向上が望まれること から、これらの点についても更に調査、試験しなければならない。

－37－

JAEA-Technology 2010-013

参考文献[1] 文部科学省：公開ホームページ
http://www.mext.go.jp/b_menu/shuppan/anzen/990301t.htm[2] 若山正夫、 他 ：集塵灰セメント固化物の浸漬試験、埼玉県公害センター研究報告、[23]、 pp.39-44 (1996)[3] 小林信之、他 ：都市ごみ焼却灰のセメント固化への検討、第 51 回セメント技術大会
講演要旨、pp.192-193 (1997)[4] 「廃棄物の焼却技術」志垣正信編･著、 株式会社オーム社[5] 内川浩：セメントによる廃棄物、汚泥中の有害物の固定
セラミックス 12（1977）№2 pp.103-117[6] 「セメント化学雑論」セメント協会編[7] 社団法人セメント協会編、エンサイクロペディア[8] W.Lieber, Supplementary Paper Ⅱ-22 The Infuluence of Lead and Zinc Compounds
on the Hydration of Portland Cement, 5th ISCC, Vol.Ⅱ, pp.444-453, 1968
[9] 高橋秀夫、他、重金属を含む産業廃棄物のセメントによる固化に関する基礎的研究、小野田研究報告、第 25 巻、第 3 冊、第 90 号、pp.1-10(1973)[10] 公害防止の技術と法規編集委員会編：新・公害防止の技術と法規 2009[水質編]分冊Ⅱ、Ⅱ-pp.208-217[11] 三木博史、 他、 複合汚染土壌の不溶化に関する室内試験、 第 3 回環境地盤工学シンポジウム、 pp.251-256 (1999)[12] 日東粉化工業株式会社：公開ホームページ
http://www.nittofunka.co.jp/HP/zeolit/zo-13.html[13] 中部電力株式会社：公開ホームページ
http://www.chuden.co.jp/corporate/study/stu_other/circulash/yoto/index.html[14] 秩父小野田株式会社「図表で見るコンクリートの基礎知識」[15]「コンクリート総覧」笠井芳夫 編著[16] 福田延衛、山田盛男：ポルトランドセメント調合原料にセッコウを混合する実験、セメント技術年報、Vol.14、pp.124-129 (1960).
[17] 蔵重勲、坂井悦郎：急伸する中国を訪ねて－セメント・コンクリート見聞録、セメン
ト・コンクリート、No.699、May、pp.56-65 (2005).
[18] L. Zhang and F. P. Glasser：New Concretes Based on Calcium Sulfoalminate Cement、Modern Concrete Materials：Binders、 Additions and Admixtures、 R. K. Dhir andD. Dyer edited、 Thomas Telford. London、 pp.261-274 (1999).
[19] 田熊靖久、藤田英樹、坂本浩幸、小林久美子、芳賀和子、宇智田俊一郎：アーウィン
含有クリンカー－セッコウ－スラグ系セメントの水和反応と pH 挙動、日本セラミックス協会学術論文誌、第 104 巻 第 11 号、pp.1040-1047（1996）[20] 藤田英樹、倉内英敏、半井健一郎、辻幸和：アーウィン系セメントを用いた低アルカ
リ性コンクリートのフレッシュ性状および硬化特性、セメント・コンクリート論文集、第 61 巻、pp.248-254 （2008）[21] 佐々木忠志、他 ：低レベル放射性廃棄物のスラグセメント減容固化処理技術、放射性廃棄物研究、Vol.3、 No.2 (1997)－38－国際単位系（SI）
表１．SI 基本単位
SI 基本単位

基本量

名称
記号
長
さメ ートル m
質
量 キログラム kg
時
間秒s
流ア ンペア A
電
熱力学温度 ケ ル ビ ン K
ル mol
物 質 量モ光
度 カ ン デ ラ cd

表２．基本単位を用いて表されるSI組立単位の例
SI 基本単位
組立量
名称
記号
面
積 平方メートルm2
体
積 立法メートルm3
速 さ ， 速 度 メートル毎秒m/s
加速度 メートル毎秒毎秒
m/s2
波
数 毎メートルm-1
密 度 ， 質 量 密 度 キログラム毎立方メートル
kg/m3
面
積
密
度 キログラム毎平方メートル
kg/m2
比
体
積 立方メートル毎キログラム
m3/kg
電
流
密
度 アンペア毎平方メートル
A/m2
磁 界 の 強 さ アンペア毎メートル
A/m
(a)
量 濃度
， 濃 度 モル毎立方メートル
mol/m3
質量
濃度 キログラム毎立法メートル
kg/m3
輝
度 カンデラ毎平方メートル
cd/m2
1
屈
折
率 (b) （数字の） １(b)（数字の） １1
比 透 磁 率

乗数
1024
1021
1018
1015
1012
109
106
103
102
101

活

性 カタール

kat

d

Ｚ
Ｅ

10-2

セ ン チ
ミ
リ

c
m

ペ
テ

タ
ラ

Ｐ
Ｔ

µ
n

ギ
メ

ガ
ガ

Ｇ
Ｍ

マイクロ
ノ
10-9 ナコ
10-12 ピ
10-15 フェムト

キ
ロ
ヘ ク ト
デ
カ

ｋ
ｈ

ト
10-18 ア
10-21 ゼ プ ト
10-24 ヨ ク ト

a
z
y

da

d
°
’

10-3
10-6

p
f

1 d=24 h=86 400 s
1°=(π/180) rad1’=(1/60)°=(π/10800) rad1”=(1/60)’=(π/648000) rad”ha 1ha=1hm2=104m2
L，l 1L=11=1dm3=103cm3=10-3m3t
1t=103 kg

秒
ヘクタール
リットル
トン

表７．SIに属さないが、SIと併用される単位で、SI単位で表される数値が実験的に得られるもの
名称
記号
SI 単位で表される数値
1eV=1.602 176 53(14)×10-19J

電 子 ボ ル ト
ダ ル ト ン
統一原子質量単位eVDa
u

1Da=1.660 538 86(28)×10-27kg
1u=1 Da天

ua

1ua=1.495 978 706 91(6)×1011m

文

単

位

表８．SIに属さないが、SIと併用されるその他の単位
名称
記号
SI 単位で表される数値
バー
ル bar １bar=0.1MPa=100kPa=105Pa
水銀柱ミリメートル mmHg 1mmHg=133.322Pa

s-1 mol(a)SI接頭語は固有の名称と記号を持つ組立単位と組み合わせても使用できる。しかし接頭語を付した単位はもはや
コヒーレントではない。
(b)ラジアンとステラジアンは数字の１に対する単位の特別な名称で、量についての情報をつたえるために使われる。
実際には、使用する時には記号rad及びsrが用いられるが、習慣として組立単位としての記号である数字の１は明示されない。
(c)測光学ではステラジアンという名称と記号srを単位の表し方の中に、そのまま維持している。
(d)ヘルツは周期現象についてのみ、ベクレルは放射性核種の統計的過程についてのみ使用される。
(e)セルシウス度はケルビンの特別な名称で、セルシウス温度を表すために使用される。セルシウス度とケルビンの単位の大きさは同一である。したがって、温度差や温度間隔を表す数値はどちらの単位で表しても同じである。
(f)放射性核種の放射能（activity referred to a radionuclide）は、しばしば誤った用語で”radioactivity”と記される。
(g)単位シーベルト（PV,2002,70,205）についてはCIPM勧告2（CI-2002）を参照。

表４．単位の中に固有の名称と記号を含むSI組立単位の例
SI 組立単位
組立量
SI 基本単位による
名称
記号
表し方
-1
粘
度 パスカル秒
Pa s
m kg s-1
力 の モ ー メ ン ト ニュートンメートル
Nm
m2 kg s-2
表面
張力 ニュートン毎メートル
N/m
kg s-2角
速度 ラジアン毎秒
rad/s
m m-1 s-1=s-1
角
加速度 ラジアン毎秒毎秒
rad/s2
m m-1 s-2=s-2
熱 流 密 度 , 放 射 照 度 ワット毎平方メートル
kg s-3
W/m2
熱 容 量 , エ ン ト ロ ピ ー ジュール毎ケルビン
J/K
m2 kg s-2 K-1
比 熱 容 量 ， 比 エ ン ト ロ ピ ー ジュール毎キログラム毎ケルビン J/(kg K)
m2 s-2 K-1
比 エ ネ ルギ ー ジュール毎キログラム
J/kg
m2 s-2
熱伝
導率 ワット毎メートル毎ケルビン W/(m K) m kg s-3 K-1
体 積 エ ネ ル ギ ー ジュール毎立方メートル J/m3
m-1 kg s-2
電界の強さ ボルト毎メートル
V/m
m kg s-3 A-1
電荷密
度 クーロン毎立方メートル C/m3
m-3 sA
表面
電
荷 クーロン毎平方メートル C/m2
m-2 sA
電 束 密 度 ， 電 気 変 位 クーロン毎平方メートル C/m2
m-2 sA誘
電率 ファラド毎メートル
F/m
m-3 kg-1 s4 A2
透磁率 ヘンリー毎メートル
H/m
m kg s-2 A-2
モ ル エ ネ ル ギ ー ジュール毎モル
J/mol
m2 kg s-2 mol-1
モルエントロピー, モル熱容量 ジュール毎モル毎ケルビン J/(mol K) m2 kg s-2 K-1 mol-1
照 射 線 量 （ Ｘ 線 及 び γ 線 ） クーロン毎キログラム
C/kg
kg-1 sA
吸収線
量率 グレイ毎秒
Gy/s
m2 s-3放射
強度 ワット毎ステラジアン
W/srm4 m-2 kg s-3=m2 kg s-3
放射輝
度 ワット毎平方メートル毎ステラジアン W/(m2 sr) m2 m-2 kg s-3=kg s-3
酵 素 活 性濃 度 カタール毎立方メートル kat/m3
m-3 s-1 mol

記号

ゼ
タ
エ ク サ

日
度
分

表３．固有の名称と記号で表されるSI組立単位
SI 組立単位
組立量
他のSI単位による SI基本単位による
名称
記号
表し方
表し方
（ｂ）
平
面
角 ラジアン(ｂ)
rad
m/m
1
（ｂ）
2/ 2
立
体
角 ステラジアン(ｂ) sr(c)
1
m m
周
波
数 ヘルツ（ｄ）
Hz
s-1
力
ニュートン
N
m kg s-2
圧力
応
力 パスカル,Pa
m-1 kg s-2
N/m2
エ ネ ル ギ ー , 仕 事 , 熱 量 ジュールJNm
m2 kg s-2
仕 事 率 ， 工 率 ， 放 射 束 ワット
WJ/s
m2 kg s-3
電
荷
電気量 クーロン,
CsA
電 位 差 （ 電 圧 ） , 起 電 力 ボルト
VW/A
m2 kg s-3 A-1
静電
容量 ファラドF
C/V
m-2 kg-1 s4 A2
電
気
抵
抗 オーム
Ω
V/A
m2 kg s-3 A-2
コ ン ダ ク タ ン ス ジーメンス
S
A/V
m-2 kg-1 s3 A2
磁
束 ウエーバWb
Vs
m2 kg s-2 A-1
磁
束
密
度 テスラ
T
Wb/m2
kg s-2 A-1
イ ン ダ ク タ ン ス ヘンリーH
Wb/A
m2 kg s-2 A-2
セ ル シ ウ ス 温 度 セルシウス度(ｅ)℃K
光
束 ルーメンlm
cd
cd sr(c)
2
照
度 ルクス
lx
lm/m
m-2 cdBqs-1
放 射 性 核 種 の 放 射 能 （ ｆ ） ベクレル（ｄ）
吸収線量, 比エネルギー分与,
グレイ
Gy
J/kg
m2 s-2カーマ
線量当量, 周辺線量当量, 方向
Sv
J/kg
m2 s-2シーベルト（ｇ）
性線量当量, 個人線量当量
素

表５．SI 接頭語
記号 乗数
接頭語
Ｙ
シ
10-1 デ

表６．SIに属さないが、SIと併用される単位
名称
記号
SI 単位による値
分
min 1 min=60s
時h
1h =60 min=3600 s（a）量濃度（amount concentration）は臨床化学の分野では物質濃度（substance concentration）ともよばれる。
（b）これらは無次元量あるいは次元１をもつ量であるが、そのことを表す単位記号である数字の１は通常は表記しない。

酸

接頭語
ヨ
タ

オングストローム
海
里
バ
ー
ン

Å
Ｍ

１Å=0.1nm=100pm=10-10m
１M=1852m

b

ノ
ネ
ベ

ト
パ
ル

kn
Np
Ｂ

１b=100fm2=(10-12cm)2=10-28m2
１kn=(1852/3600)m/s

ル

dB

ッ
ー

デ

ジ

ベ

SI単位との数値的な関係は、対数量の定義に依存。

エ

表９．固有の名称をもつCGS組立単位
名称
記号
SI 単位で表される数値
ル
グ erg 1 erg=10-7 J

ダ
ポ

イ
ア

ス
ス

ト ー ク
チ
ル

フ
ガ

ォ

ン dyn 1 dyn=10-5N
ズ P 1 P=1 dyn s cm-2=0.1Pa s
ス St 1 St =1cm2 s-1=10-4m2 s-1
ブ sb 1 sb =1cd cm-2=104cd m-2
ト ph 1 ph=1cd sr cm-2 104lx
ル Gal 1 Gal =1cm s-2=10-2ms-2

マ ク ス ウ ｪ ルガ
ウス
エルステッド（ ｃ）

Mx
G
Oe

1 Mx = 1G cm2=10-8Wb
1 G =1Mx cm-2 =10-4T
1 Oe (103/4π)A m-1（c）３元系のCGS単位系とSIでは直接比較できないため、等号「は対応関係を示すものである。

キ
レ
ラ

名称
ュ
リ
ン

レ
ガ

ト

表10．SIに属さないその他の単位の例
記号
SI 単位で表される数値
ー Ci 1 Ci=3.7×1010Bq

ゲ

ン

ン R
ド rad
ム rem
マ γ

1 R = 2.58×10-4C/kg
1 rad=1cGy=10-2Gy
1 rem=1 cSv=10-2Sv
1γ=1 nT=10-9T
1フェルミ=1 fm=10-15m

フェルミ
メートル系カラット

1メートル系カラット = 200 mg = 2×10-4kg

気

ル Torr 1 Torr = (101 325/760) Pa
圧 atm 1 atm = 101 325 Pa

ロ

リ

ー

cal

ク

ロ

ン

µ

ト
標

準

カ
ミ

大

」

1cal=4.1858J（｢15℃｣カロリー），4.1868J（｢IT｣カロリー）4.184J（｢熱化学｣カロリー）

1 µ =1µm=10-6m（第8版，2006年改訂）

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