廃石膏ボードから再生した半水石膏の流動化処理土への適用に関する基礎的研究
矢島 寿一
1，武藤 優
2，亀井 健史
3 1 明星大学 理工学部 総合理工学科 2 日本コンクリート工業株式会社 3 宮崎大学 工学部 都市環境工学科廃石膏ボードから再生した半水石膏の流動化処理土への適用に関する基礎的研究
矢島寿一
1，武藤優
2，亀井健史
3 1 明星大学 理工学部 総合理工学科 2 日本コンクリート工業株式会社 3 宮崎大学 工学部 都市環境工学科概 要
近年，建設現場から発生する廃石膏ボードの処分方法が問題となっている。また，建設発生土の処分方法 も従来からの問題である。そこで本研究では，廃石膏ボードから再生した半水石膏と建設発生土の両者を 流動化処理という方法を用いて有効利用できないかと考え，関東ローム，高炉セメントB 種，半水石膏， 水を混合した流動化処理土を作製し，フロー試験による流動特性，一軸および三軸圧縮試験による力学特 性を検討している。さらに，この流動化処理土の地盤環境への適用を考え，六価クロム，フッ素，ホウ素 の溶出特性を検討している。その結果，流動特性は練混ぜ後 1 時間までは十分な流動性を確保することが でき，力学特性についても配合条件により200kN/m2以上の強度を有することが判明した。そして，環境面 でも六価クロム，フッ素，ホウ素の溶出量は土壌環境基準値以下であることが明らかとなった。 キーワード：半水石膏，流動化処理土，フロー試験，力学的性質，地盤環境 は じ め に 建築物の内壁や天井の建築資材として使用されている 石膏ボードは，耐用年数が経過した建築物の解体により廃 材として発生しており，この廃石膏ボードの発生量は年々 増加する傾向にある 1)。廃石膏ボードの処理については， 石膏と紙に分離して再利用しているものもあるが，ほとん どが管理型処分場で処分されている。したがって，廃石膏 ボードのリサイクルはさまざまな分野で検討2)が進められ ているがまだまとまった量をリサイクルできる実績のあ る用途や工法は存在しない。現在，廃石膏ボードのリサイ クルの実績としては，石膏ボード原材料として3 万トン／ 年，土壌固化材料として数万トン／年であり，全体の数% にすぎない1)。このことから廃石膏ボードのリサイクル率 を上げるには安定して大量に使用する用途や工法を検討 することが重要である。本研究で使用する石膏は廃石膏ボ ードから生成される半水石膏である。半水石膏は廃石膏ボ ードから得られる石膏を 130℃～150℃程度で加熱生成し た材料である。この半水石膏は水を加えると水和反応を起 こし短時間で硬化するという性質を有している。 一方，建設発生土の有効利用技術として流動化処理工法 3)が普及している。流動化処理土とは，建設発生土，水， 固化材を混合し，流動性を持ち，かつ自硬性を有した材料 である。この流動化処理工法は，埋設管や擁壁等の埋め戻 し材として利用されている。そして，流動化処理工法は， 建設発生土の有効利用技術として一般的な工法となって おり，平成22 年度の総施工量は約 30 万 m3である4)。 本研究は近年建設業界で問題となっている建設発生土 と廃石膏ボードという 2 つの建設産業からの発生材を同 時に有効利用できないかという発想から出発したもので ある。そして，建設発生土と廃石膏ボードを同時に有効利 用する技術として，近年普及工法となりつつある流動化処 理工法を選定した。 半水石膏を地盤改良材として適用した研究は鵜飼ら5)の 研究に始まり，亀井ら6)の研究では，豊浦標準砂やMC ク レーに低配合普通ポルトランドセメントと半水石膏を混 合し，締固め特性，一軸圧縮特性を明らかにしている。さ らに亀井ら7)8)は，高含水比のMC クレーに低配合高炉セ メントB 種と半水石膏を混合し，一軸圧縮特性や養生期間 の影響を明らかにしている。一方，矢島ら9)も高含水比の MC クレーに低配合高炉セメント B 種と半水石膏を混合し たセメント安定処理土の三軸圧縮特性を明らかにしてい る。亀井ら10)はこのような半水石膏を用いたセメント安定 処理土の内部構造は，エトリンガイトの構造が発達するこ とからセメント安定処理土の強度発現に大きく関与して いることを確認しており，半水石膏の地盤改良材としての 有効性を示唆している。また，亀井ら11)は高含水比のMC クレーに低配合高炉セメント B 種と半水石膏を混合した 安定処理土のフッ素溶出について検討を行い，セメント固 化によるフッ素不溶出を確認しており，半水石膏は地盤工 学的な側面だけではなく地盤環境工学的な側面からも有 望な材料として研究が進んでいる。(a) 関東ローム (b) 高炉セメント B 種 (c) 半水石膏 写真 1 使用材料 0 20 40 60 80 100 0.001 0.01 0.1 1 10 粒径：(mm） 通過質 量百分 率 ： (% ) 関東ローム 半水石膏 図 1 関東ロームと半水石膏の粒径加積曲線 表 1 フロー試験の配合条件 W/S (%) C/S (%) B/S (%) 練混ぜ時間：(min) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 5 10 120 0 5 10 20 30 40 50 60 0 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 60 練混ぜ時間：t (min) フ ロ ー値 ： FL (m m ) B/S=0% B/S=5% B/S=10% B/S=15% B/S=20% B/S=25% B/S=30% B/S=35% B/S=40% C/S=5% (a) C/S=5% 0 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 60 練混ぜ時間：t (min) フ ロ ー値 ： FL (m m ) B/S=0% B/S=5% B/S=10% B/S=15% B/S=20% B/S=25% B/S=30% B/S=35% B/S=40% C/S=10% (b) C/S=10% 図 2 フロー値と練混ぜ時間の関係 本研究では建設発生土として関東ロームを採用し，高炉 セメント B 種と半水石膏を流動化処理土の地盤改良材と して適用できるか検討を行っている。まず，流動化処理土 は混合後，ある程度の時間流動性を確保しなければならな い。そこで，この半水石膏を混合した流動化処理土の流動 特性についてフロー試験を行い検討している。次に，半水 石膏を用いた流動化処理土の強度・変形特性について一軸 および三軸圧縮試験を行い検討している。そして最後に， この半水石膏を用いた流動化処理土に対して地盤環境の 面から環境への適用性を検討することを目的として，六価 クロム，フッ素，ホウ素の溶出試験を行い検討している。 使用材料 今回，本研究で使用した材料は写真 1 に示すような明 星大学構内より採取した関東ローム(ρs=2.68Mg/m3)，高炉 セメント B 種(ρs=3.04Mg/m3)，半水石膏(ρs=2.71Mg/m3)で ある。また，粒径加積曲線を図 1 に示す。 半水石膏を混入した流動化処理土の流動特性 フロー試験方法 フロー試験は「エアモルタル及びエアミルクの試験方法 (JHS 3131192)シリンダー法」に準じて試験を行った。な お，フロー値の測定時間は今回現位置撹拌混合を想定して いることから，最大で60 分までとした。フロー値の測定 を行う配合を表 1 に示す(表 1 に示す数値は重量比であ る)。含水比(w=W/S)=120%一定とし，セメント添加率(C/S) および半水石膏混入率(B/S)を変化させて行った。目標とす るフロー値は流動性が高く，材料分離の少ないフロー値 (FL)=180±20mm とした。練混ぜは 20ℓのホバート型ミキ サーを使用した。練混ぜ方法は，始めに設定した含水比の
表 2 一軸圧縮試験での配合条件 W/S (%) C/S (%) B/S (%) 15 25 30 35 40 15 25 30 35 40 5 10 120 表 3 三軸圧縮試験での配合条件 W/S (%) C/S (%) B/S (%) 15 30 40 120 10 0 100 200 300 400 500 600 0 5 10 15 20 25 30 材令：t (days) 一軸 圧縮強 さ： q u (k N /m 2 ) C/S=5%, B/S=15% C/S=5%, B/S=25% C/S=5%, B/S=30% C/S=5%, B/S=35% C/S=5%, B/S=40% 系列11 C/S=10%, B/S=15% C/S=10%, B/S=25% C/S=10%, B/S=30% C/S=10%, B/S=35% C/S=10%, B/S=40% 図 3 一軸圧縮強さと材令の関係 6 割程度の水と関東ロームを撹拌し，次に残り 4 割程度の 水とセメントを1 分間撹拌した。後に始めに撹拌した水＋ 関東ローム，次に撹拌した水＋セメントを混合し，さらに 1 分間撹拌した。最後に半水石膏を混入し，均一に混ざる ように1 分間撹拌した。フロー試験は練り上がり直後を 0 分として練混ぜし続け，5，10，20，30，40，50，60 分ご とにフロー値を計測し，時間経過に伴う流動性の変化を観 察した。 フロー値と練混ぜ時間 セメント添加率(C/S)=5%のフロー値(FL)と練混ぜ時間 (t)の関係を図 2(a)に C/S=10%のフロー値と練混ぜ時間の 関係を図 2(b)に示す。これより，フロー値は C/S=5,10%と も半水石膏混入率(B/S)が B/S=0～25%の範囲では練混ぜ時 間5 分程度で若干低下するが，その後のフロー値の低下率 は小さい。しかし，半水石膏混入率がB/S=30%以上となる と，フロー値は練混ぜ時間20 分程度まで大きく低下し， その後フロー値は若干大きくなり，練混ぜ時間60 分まで あまり変化は見られない。このことから，半水石膏混入率 がB/S=25%以下では，練混ぜ直後に若干の流動性の低下は 見られるが，それ以降はあまり流動性の低下は見られない。 B/S=30%以上では，練混ぜ 20 分程度まで流動性の低下が 見られるが，それ以降はあまり流動性の低下はみられない ことが判明した。したがって，練混ぜ時間60 分までフロ ー値が180±20mm となる配合は，C/S=5%では B/S=35%， C/S=10%では B/S=30%であることがわかった。 半水石膏を混入した流動化処理土の力学特性 試験方法 1) 配合条件と供試体作製方法 試験に供した半水石膏を用いた流動化処理土の配合条 件は，一軸圧縮試験ではフロー試験の結果からフロー値が 180±20mm に近づく半水石膏混入率(B/S)=15%以上とし， 三軸圧縮試験では一軸圧縮試験の結果から一軸圧縮強さ (qu)=200kN/m2以上となるセメント添加率(C/S)=10%とし た。一軸圧縮試験での配合条件を表 2，三軸圧縮試験での 配合条件を表 3 に示す(表 2,3 に示す数値は重量比である)。 供試体を作製するための練混ぜ方法はフロー試験と同 じ手順とし，供試体作製方法は，一軸および三軸圧縮試験 用供試体とも同様に，練り上がり直後に直径φ=50mm，高 さH=100mm の型枠に打設した。打設後 24 時間後に脱型 しラップで密閉した後，20±2℃の恒温室で所定の材令ま で養生した。 2) 一軸圧縮試験方法 一軸圧縮試験は，JIS A 1216「土の一軸圧縮試験方法」 に準じて行った。試験を行った材令は1，3，7，14，28 日 とし，同一配合条件の供試体を各材令につき3 本に対して 試験を行った。 3) 三軸圧縮試験方法 三軸圧縮試験は，JGS 05242000「土の圧密排水(CD)三 軸圧縮試験方法」およびJGS 05232000「土の圧密非排水 ( CU )三軸圧縮試験方法」に準じて行った。試験を行った 材令は密閉養生28 日以降で供試体の強度増加が収束する と考え，材令28 日以降に同一配合条件の供試体について 各拘束圧1 本の試験を行った。材令 28 日を経過した供試 体は両端面をストレートエッジにてトリミングし供試体 (φ=50mm,H=100mm)として使用した。三軸圧縮試験に使用 した供試体の飽和度(Sr)は Sr=92%以上であった。そこでこ の供試体の飽和度を上げるために十分な通水を行い，試験 開始時には背圧(σBP)を 200kPa 作用させ，B 値が 0.95 以上 となることを確認した後に試験を行った。また、CU およ びCD 試験せん断時のひずみ速度は 0.05mm/min で行った。 CD 試験時のひずみ速度 0.05mm/min についてはせん断時 に発生する過剰間隙水圧(u)が 0.5kPa 以下であることを 確認している。 一軸圧縮特性 1) 一軸圧縮強さと材令の関係
0 100 200 300 400 500 0 10 20 30 40 50 半水石膏混入率：B/S (%) 材令 28 日で の 一軸 圧縮強 さ： q u ( kN /m 2 ) C/S=5% C/S=10% 図 4 一軸圧縮強さと半水石膏混入率の関係 0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 400 500 一軸圧縮強さ：qu (kN/m2) 変形 係数 ： E50 (MN /m 2 ) 関東ローム(母材) クレイサンド(母材) E50=0.075qu r2=0.924 E50=0.17qu r2=0.876 図 5 変形係数と一軸圧縮強さの関係 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (%) 軸差 応力 ： q =( σ1 σ3 ) (k N /m 2 ) σ'c=100kPa σ'c=200kPa σ'c=300kPa σ'c=400kPa σ'c=500kPa C/S=10% B/S=15% qu=203kN/m2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (%) 体積 ひず み ： εv (% ) σ'c=100kPa σ'c=200kPa σ'c=300kPa σ'c=400kPa σ'c=500kPa C/S=10% B/S=15% (a) C/S=10%, B/S=15% 0 200 400 600 800 1000 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (%) 軸 差応力 ： q =( σ1 σ3 ) (k N /m 2 ) σ'c=100kPa σ'c=200kPa σ'c=300kPa σ'c=400kPa σ'c=500kPa C/S=10% B/S=40% qu=399kN/m 2 0 2 4 6 8 10 12 14 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (%) 体 積 ひず み ：ε v (% ) σ'c=100kPa σ'c=200kPa σ'c=300kPa σ'c=400kPa σ'c=500kPa C/S=10% B/S=40% (b) C/S=10%, B/S=40% 図 6 排水せん断特性 一軸圧縮強さ(qu)と材令(t)の関係を図 3 に示す。これよ り，全ての配合条件で一軸圧縮強さは材令の経過とともに 増加していることがわかる。そして，セメント添加率 (C/S)=5%の場合，半水石膏混入率(B/S)=30%以下では材令 28 日となっても一軸圧縮強さ(qu)=50kN/m2以下であり，一 軸圧縮強さは小さいことがわかる。一方，C/S=10%の場合， 材令1～3 日では一軸圧縮強さにあまり変化はみられない が，材令3～14 日にかけて大きく増加し，材令 14～28 日 ではやや増加していることがわかる。そして，C/S=10%で は全ての半水石膏混入率で材令28 日での一軸圧縮強さが 200kN/m2以上となった。 2) 一軸圧縮強さと半水石膏混入率の関係 材令 28 日での一軸圧縮強さ(qu)と半水石膏混入率(B/S) の関係を図 4 に示す。材令 28 日での一軸圧縮強さ(qu)は セメント添加率(C/S)=5,10%のどちらでも半水石膏混入率 (B/S)の増加に伴い増加していることがわかる。C/S=5%の 場合，半水石膏混入率(B/S)の増加に伴い材令 28 日での一 軸圧縮強さ(qu)の値は大きくなるが qu=100kN/m2以下であ った。一方，C/S=10%の場合，材令 28 日での一軸圧縮強 さ(qu)の値は qu=200kN/m2 以上であり，半水石膏混入率 (B/S)の増加とともに増加し，特に B/S=30%以上での増加 率が大きい。これは，水分量の多い流動化処理土に対して は，半水石膏混入率をB/S=30%以上としないと固化作用が 明確にみられないことを示しており，半水石膏を多く消費 するためには有効的であると考えられる。 3) 変形係数と一軸圧縮強さの関係 セメント添加率(C/S)=5,10%で材令 28 日の一軸圧縮試験 結果から求まる変形係数(E50)と一軸圧縮強さ(qu)との関係 を図 5 に示す。図中には母材をクレイサンドとした半水 石膏を用いたセメント安定処理土の E50～qu関係8)も併記 してある。この図より，今回の関東ロームを母材とした半 水石膏を用いた流動化処理土のE50～qu関係も変形係数は 一軸圧縮強さの増加に伴い増加し，E50とquには(1)式に示 すような関係が得られた。 E50(MN/m2)=0.075qu(kN/m2) (1)
0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (%) 軸差 応力 ：q =( σ 1 σ 3 ) (k N /m
2 ) σ'c=100kPaσ'c=300kPa σ'c=200kPaσ'c=400kPa σ'c=500kPa C/S=10% B/S=15% qu=203kN/m2 0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (%) 間 隙 水 圧 ：u (k N /m
2 ) σ'c=100kPa σ'c=200kPa σ'c=300kPa
σ'c=400kPa σ'c=500kPa C/S=10% B/S=15% (a) C/S=10%, B/S=15% 0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (％) 軸差応 力 ： q =( σ 1 σ 3 ) (k N /m 2 ) σ'c=100kPa σ'c=200kPa σ'c=300kPa σ'c=400kPa σ'c=500kPa C/S=10% B/S=40% qu=399kN/m2 0 100 200 300 400 500 0 5 10 15 軸ひずみ：εa (％) 間隙水 圧 ： u (k N /m
2 ) 100kpa 200kpa 300kpa
400kpa 500kpa C/S=10% B/S=40% (b) C/S=10%, B/S=40% 図 7 非排水せん断挙動 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 p'=(σ'1+2σ'3)/3 (kN/m2) q =( σ 1 σ 3 ) (k N /m 2 ) C/S=10% B/S=15% q=1.12p'+51.5 (a) C/S=10%, B/S=15% 0 200 400 600 800 1000 1200 0 200 400 600 800 1000 p'=(σ'1+2σ'3)/3 (kN/m2) q =( σ 1 σ 3 ) (k N /m 2 ) C/S=10% B/S=40% q=1.13p'+79.1 (b) C/S=10%, B/S=40% 図 8 有効応力経路 そして，母材をクレイサンド，関東ロームとしたことに より，E50～qu関係の勾配に約 2 倍の差異が生じたのは， 母材をクレイサンド，関東ロームと異なることはもとより， 供試体の作製方法が打撃を伴う作製方法(撹拌混合処理)と 打撃を伴わない作製方法(流動化処理)であるため，打撃を 伴わない供試体作製方法の方が大きな間隙比を持つ材料 となり勾配が低くなったものと考えられる。 三軸圧縮特性 1) 圧密排水せん断特性 セ メ ン ト 添 加 率(C/S)=10% ， 半 水 石 膏 混 入 率 (B/S)=15,40%の排水せん断時の軸差応力(q)，体積ひずみ (εv)と軸ひずみ(εa)の関係を図 6(a),(b)に示す。q～εa関係を 全体的にみてみると，どちらの半水石膏混入率(B/S)でも q ～εa関係は軸ひずみの増加に伴い軸差応力も増加し， εa=15%時の残留応力に至り，残留応力の大きさは拘束圧 (σ’c)の大きなものほど大きな値を示していることがわか る。しかし，q～εa関係におけるεa=1%以下の初期ひずみ領 域で低い拘束圧(σ’c)であると q～εa関係の初期勾配が大き くなる傾向がみられ，この傾向はB/S=40%が顕著である。 これは，拘束圧(σ’c)と一軸圧縮強さ(qu)の大小関係が影響 しているものと考えられ，σ’c＜quでは供試体の固化状態 が圧密時の拘束圧によって降伏せず，この状態でせん断過 程となるためq～εa関係の立ち上がりが高くなり，σ’c＞qu では供試体の固化状態が圧密時の拘束圧によって降伏し， この状態でせん断過程となるためq～εa関係の立ち上がり が低くなるためと考えられる。このように，σ’cとquの大 小関係によってq～εa関係の挙動が異なるのはセメント改 良土の挙動と同様であり，セメント改良土の排水せん断特 性は拘束圧が圧密降伏応力以下であるとひずみ硬化軟化 型，拘束圧が圧密降伏応力以上となるとひずみ硬化型とな り，拘束圧と圧密降伏応力の大小関係によって異なるせん 断挙動を示すと言われている12)。したがって，体積ひずみ (εv)と軸ひずみ(εa)の関係においても，拘束圧(σ’c)の状態が
0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 半水石膏混入率：B/S （％） せ ん 断 抵 抗 角 ： φ' （° ） 図 9 せん断抵抗角と半水石膏混入率の関係 0 10 20 30 40 50 0 10 20 30 40 50 半水石膏混入率：B/S （%） 粘 着 力 ： c' (k N /m 2 ) 図 10 粘着力と半水石膏混入率の関係 表 4 六価クロム溶出結果
No. 1 No. 2 No. 3 関東ローム 100% N.D. N.D. N.D. 高炉セメントB種 100% N.D. N.D. N.D. 半水石膏 100% N.D. N.D. N.D. C/S=10%, B/S=15% N.D. N.D. N.D. C/S=10%, B/S=30% N.D. N.D. N.D. C/S=10%, B/S=40% N.D. N.D. N.D. 濃度：(mg/L) 配合条件 0.00 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 関東 ロー ム10 0% 高炉 セメン トB種 100 ％ 半水 石膏 100 ％ C/S= 10%, B/S= 15% C/S= 10%, B/S= 30% C/S= 10%, B/S= 40% 六 価 ク ロ ム 濃 度 ： (m g/ L) No.1 No.2 No.3 0.05mg/L 図 11 各配合の六価クロム溶出量 σ’c＜quでは過圧密傾向となるため，σ’c＜quの体積ひずみ はσ’c＞quのεv～εa関係に比べ体積ひずみが小さくなる傾 向がみられる。 2) 圧密非排水せん断特性 セ メ ン ト 添 加 率(C/S)=10% ， 半 水 石 膏 混 入 率 (B/S)=15,40%の非排水せん断時の軸差応力(q)，間隙水圧 (u)と軸ひずみ(εa)の関係を図 7(a),(b)に示す。q～εa関係を 全体的にみてみるとどの半水石膏混入率(B/S)でも q～εa関 係は軸ひずみの増加に伴い軸差応力も増加し，εa=1～3% 付近で最大応力を示し，後にεa=15%時の残留応力に至るこ とがわかる。そして，軸差応力の大きさは拘束圧(σ’c)の大 きなものほど大きな値を示している。一方，この時のu ～εa関係は軸ひずみの増加に伴い間隙水圧も増加し， εa=5%付近で間隙水圧は拘束圧の約 8 割程度の値を示した 後，一定の値となる。 3) 半水石膏混入率がせん断抵抗角，粘着力に及ぼす影響 セ メ ン ト 添 加 率(C/S)=10% ， 半 水 石 膏 混 入 率 (B/S)=15,40%の有効応力経路(q～p’関係)を図 8(a),(b)に示 す。これより，どちらの配合条件とも排水せん断の場合に はせん断が進むにつれて軸差応力(q)は増加し，軸ひずみ (εa)=15%時の残留応力に至り，非排水せん断の場合にはせ ん断が進むにつれて軸差応力は増加し最大応力を示した 後，εa=15%時の残留応力に至ることがわかる。そこでここ では，軸ひずみ(εa)=15%時の残留応力状態を限界状態線 (C.S.L)と定義して図中に示した。 この C.S.L より各配合条件でのせん断抵抗角(φ’)と粘着 力(c’)を求め，半水石膏混入率(B/S)との関係で示すと図 9,10 となる。これより，せん断抵抗角(φ’)と半水石膏混入 率(B/S)の関係をみてみると，φ’は B/S によらずほぼ 28° 一定となっている。これは今回，せん断抵抗角は軸ひずみ (εa)=15%時を限界状態と定義した C.S.L より求めており， 限界状態では関東ロームに半水石膏を 40%混合しても母 材である関東ロームの影響が大きいため，せん断抵抗角が 半水石膏混入率に影響されず一定となるためと考えられ る。また，今回使用した関東ロームと半水石膏がほぼ同様 な粒度を持つこともせん断抵抗角が変化しなかった一要 因であると考えられる。このせん断抵抗角が半水石膏混入 率に影響されず一定であることは，半水石膏とクレイサン ドを混合した安定処理土(B/S=5～20%)においても同様の 結果が得られている8)。 また，粘着力(c’)と半水石膏混入率(B/S)の関係をみてみ ると，粘着力は半水石膏混入率の増加に伴い増加している。 粘着力は一軸圧縮強さと相関関係があることから，このc’ ～B/S 関係と図 4 に示した一軸圧縮強さと半水石膏混入 率の関係を見てみると，quは B/S の増加と伴に増加し， B/S=30%を境に急に変化している。しかし，図 10 の c’～ B/S 関係では B/S=30%からの急変は見られなかった。これ は今回，粘着力を求める方法としてせん断抵抗角と同様に 軸ひずみ(εa)=15%時を限界状態と定義した C.S.L より求め ており，最大応力を考慮していないためと考えられる。 半水石膏を用いた流動化処理土の環境特性
表 5 フッ素溶出結果
No. 1 No. 2 No. 3
関東ローム 100% x 1 0.043 0.027 0.036 高炉セメントB種 100% 0.270 0.234 0.230 半水石膏 100% 2.358 2.948 3.220 C/S=10%, B/S=15% 0.112 0.074 0.074 C/S=10%, B/S=30% 0.118 0.083 0.091 C/S=10%, B/S=40% 0.145 0.124 0.089 配合条件 希釈倍率 濃度：(mg/L) x 10 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 関東 ロー ム 100％ 高炉 セメン トB種 100 ％ 半水 石膏 100 ％ C/S= 10%, B/S= 15% C/S= 10%, B/S= 30% C/S= 10%, B/S= 40% フ ッ素 濃 度 ： (m g/ L ) No.1 No.2 No.3 0.8mg/L 図 12 各配合のフッ素溶出量 表 6 ホウ素溶出結果
No. 1 No. 2 No. 3 関東ローム 100% N.D. N.D. N.D. 高炉セメントB種 100% N.D. N.D. N.D. 半水石膏 100% 0.146 0.133 0.161 C/S=10%, B/S=15% N.D. N.D. N.D. C/S=10%, B/S=30% N.D. N.D. N.D. C/S=10%, B/S=40% N.D. N.D. N.D. 配合条件 濃度：(mg/L) 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 関東 ロー ム 100％ 高炉 セメン トB種 100 ％ 半水 石膏 100 ％ C/S= 10%, B/S= 15% C/S= 10%, B/S= 30% C/S= 10%, B/S= 40% ホ ウ 素濃度 ： (m g/L ) No.1 No.2 No.3 1.0mg/L 図 13 各配合のホウ素溶出量 配合条件および試験方法 1) 配合条件および検液の作製方法 今回，六価クロム，フッ素，ホウ素の溶出試験を行った 配合条件は関東ローム100%，高炉セメント B 種 100%， 半水石膏100%とセメント添加率(C/S)=10%一定として，半 水石膏混入率(B/S)を 15，30，40％とした 6 配合とした。 前節 4.1 1) 配合条件と供試体作製方法で作製した供試 体を材令 28 日以上 20±2℃の恒温室で密閉養生し，固化 した供試体を粉砕し，2mm ふるいを通過した試料を使用 した。この試料50g と水 500ml を振とう機で 6 時間振とう し，試料液を遠心分離器で20 分遠心分離する。その後， 遠 心 分 離 した 上 澄 み液 を メン ブ レ ン フィ ル タ ー(孔径 0.45m)をセットしたろ過器を用いてろ過し，このろ過液 を検液とした。 2) 六価クロム溶出試験方法 六価クロム溶出試験方法では，検液をジフェニルカルバ ジド吸光光度法によって溶出量の測定を行った。ジフェニ ルカルバジド吸光光度法とは検液に 1,5ジフェニルカル ボノヒドラジド(ジフェニルカルバジド)を加え，生成する 赤紫の錯体の吸光度を紫外可視分光光度計で測定し，クロ ム(Ⅵ)を定量する方法である。 3) フッ素溶出試験方法 フッ素溶出試験方法では，検液を純水で希釈し，イオン クロマトグラフ分析によって溶出量の測定を行った。イオ ンクロマトグラフ分析とは検液中の各種イオン成分を分 析・測定する分析装置である。 4) ホウ素溶出試験方法 ホウ素溶出試験方法では，検液を硝酸を加え熱処理し， 誘導結合プラズマ質量分析法(ICPMS)によって溶出量の 測定を行った。誘導結合プラズマ質量分析法とは，検液を 高温(8,000～10,000℃)のプラズマ炎中に噴霧し，その熱エ ネルギーによってイオン化された元素を質量分析装置に よって測定する方法である。 六価クロム溶出特性 各配合条件での六価クロム溶出試験結果を表 4 および 図 11 に示す。これより，関東ローム，高炉セメント B 種， 半水石膏の六価クロム溶出量はN.D.(Not Detected:不検出) であり，これらを混合した今回の配合条件(C/S=10%， B/S=15～40%)でも六価クロム溶出量は N.D.となり，土壌 環境基準で定められている0.05mg/L 以下の条件を満たし ていることがわかる。以上のことから，六価クロム溶出に 関しては，今回の関東ローム，高炉セメントB 種，半水石 膏とも土壌環境基準を満足しており，これら材料を流動化 処理し混合した場合でも六価クロム溶出量は土壌環境基 準を満足していることを確認した。 フッ素溶出特性 各配合条件でのフッ素溶出試験結果を表 5 および図 12 に示す。これより，関東ロームでは約0.035mg/L，高炉セ メントB 種では約 0.245mg/L と土壌環境基準で定められて いる0.8mg/L 以下の条件を満たしている。しかし，半水石 膏では 2.3～3.2mg/L と土壌環境基準を大きく超える結果 となった。これは石膏ボードの原材料として排煙脱硫石膏 (化学石膏，CaSO4･2H2O)が使用されているため 10)と考え られる。しかし，これらを混合した配合条件でのフッ素溶 出 量 の 平 均 値 は C/S=10%,B/S=15% で は 0.087mg/L ， C/S=10%,B/S=30%では 0.097mg/L，C/S=10%,B/S=40%では
0.119mg/L の溶出量であり，半水石膏混入率の増加に伴い フッ素溶出量は若干増加するがその値は土壌環境基準で 定められている0.8mg/L 以下の条件を満たしていることが わかる。以上のことから，フッ素溶出に関しては，今回の 材料単体では関東ローム，高炉セメントB 種のフッ素溶出 量は土壌環境基準を満足するが，半水石膏のフッ素溶出量 は土壌環境基準を満足しなかった。しかし，これら材料を 流動化処理し混合し，一軸圧縮強さがqu=200kN/m2以上の 強度とすることでフッ素溶出量を抑えることができ，土壌 環境基準を満足していることを確認した。 ホウ素溶出特性 各配合条件でのホウ素溶出試験結果を表 6 および図 13 に示す。これより，関東ローム，高炉セメントB 種のホウ 素溶出量は N.D.であるが，半水石膏のホウ素溶出量は約 0.147mg/L となった。また，これらを混合した今回の配合 条件(C/S=10%，B/S=15～40%)でもホウ素溶出量は N.D. (Not Detected:不検出)であり，土壌環境基準で定められて いる1mg/L 以下の条件を満たしている。以上のことから， ホウ素溶出に関しては，今回の関東ローム，高炉セメント B 種，半水石膏とも土壌環境基準を満足しており，これら 材料を流動化処理し混合した場合でもホウ素溶出量は土 壌環境基準を満足していることを確認した。 まとめ 1)半水石膏を混入した流動化処理土の流動特性は，半水 石膏混入率(B/S)=25%以下では，練混ぜ直後に若干流動性 は低下するが，それ以降はあまり低下しない。半水石膏混 入率(B/S)=30%以上では，練混ぜ 20 分程度まで流動性は低 下するが，それ以降はあまり低下しない。 2)半水石膏を混入した流動化処理土の材令 28 日の一軸圧 縮強さ(qu)は，セメント混入率(C/S)=5%の場合，半水石膏 混入率(B/S)の増加に伴い大きくなるが，qu=50kN/m2以下 であった。一方，C/S=10%の場合，quの値はqu=200kN/m2 以上となり，B/S=30%以上での増加率が大きい。 3)三軸圧縮試験の結果，せん断抵抗角(φ’)と半水石膏混入 率(B/S)の関係においてφ’は B/S によらずφ’=約 28°一定で あった。これは，今回の配合条件では，関東ロームに半水 石膏を 40%混合しても母材である関東ロームの影響が大 きいためせん断抵抗角が変化せず一定となったためと考 えられる。また，半水石膏混入率(B/S)と粘着力(c’)の関係 においてc’は B/S の増加に伴い増加する。 4)六価クロム溶出については，関東ローム，高炉セメン トB 種，半水石膏とも土壌環境基準を満足しており，これ ら材料を流動化処理し混合した今回の配合条件(セメント 添加率(C/S)=10%で，半水石膏混入率(B/S)=15,30,40％)でも 六価クロム溶出量は土壌環境基準を満足している。 5)フッ素溶出については，関東ローム，高炉セメント B 種のフッ素溶出量は土壌環境基準を満足するが，半水石膏 のフッ素溶出量は土壌環境基準を満足しない。しかし，こ れ ら 材 料 を 流 動 化 処 理 し 混 合 し た 今 回 の 配 合 条 件 (C/S=10%で，B/S=15,30,40％)では固化することによりフッ 素溶出量を抑えることができ，土壌環境基準を満足してい る。 6)ホウ素溶出については，関東ローム，高炉セメント B 種，半水石膏とも土壌環境基準を満足しており，これら材 料を流動化処理し混合した今回の配合条件(C/S=10%で， B/S=15，30，40％)ではホウ素溶出量は土壌環境基準を満 足している。 参 考 文 献 1) 社団法人石膏ボード工業会：廃石膏ボードの対応策について， http://www.gypsumboarda.or.jp/countermeasure.pdf, pp. 46, 2010. 2) 平成１３年度廃石膏ボードのリサイクルの推進に関する検討 会：廃石膏ボードのリサイクルの推進に関する検討調査， http://www.env.go.jp/recycle/report/h1405/index.html, pp.2022, 2002. 3) 久野悟郎，流動化処理工法研究機構流動化処理工法技術管理委員 会：土の流動化処理工法［第二版］－建設発生土・泥土の再生 利用技術－，技報堂出版，2007. 4) 流動化処理工法研究機構 HP, http://www.lsskiko.jp/bb/jisseki.htm 5) 鵜飼恵三：石膏ボード廃材から再生された石膏粉末の地盤改良材 としての有効性，群馬大学地域共同センター，11p. 2005 6) 亀井健史，加藤孝明，珠玖隆行：半水石膏の地盤改良材としての 有効利用－廃石膏ボードの再利用－，地盤工学ジャーナル，Vol. 2, No. 3, pp.245252, 2007. 7) 亀井健史，珠玖隆行：廃石膏ボードから再生した半水石膏を混入 したセメント安定処理土の一軸圧縮強さ，地盤工学ジャーナル， Vol. 2, No. 3, pp.237244, 2007. 8) 亀井健史，小川靖弘，志比利秀：半水石膏を利用したセメント安 定処理土の一軸圧縮特性に及ぼす養生期間の影響－廃石膏ボー ドの有効利用－，地盤工学ジャーナル，Vol. 4, No. 1, pp.99105, 2009. 9) 矢島寿一，村岡卓也，武藤優，亀井健史：半水石膏を混入したセ メント安定処理土のせん断特性，地盤工学ジャーナル，Vol. 6, No. 2, pp.331339, 2011. 10) 亀井健史，小川靖弘，志比利秀：半水石膏と石炭灰を添加したセ メント安定処理土の強度変形特性とその内部構造一ハイブリッ ド型地盤材料の創出－，地盤工学ジャーナル，Vol. 5, No. 1, pp.3543, 2009. 11) 亀井健史，蓬莱秀人：高炉セメント B 種による半水石膏のフッ 素不溶化技術の開発，地盤工学ジャーナル，Vol. 4, No. 1, pp.9198, 2009. 12) 矢島寿一，永岡高，谷崎誠二：正規・過圧密セメント改良土のせ ん断特性と破壊基準，土木学会論文集No.561/Ⅲ38, pp.205214, 1997. (2012.3.30 受付）
半水石膏のリサイクル
Basic study on application to Liquefied stabilized soils containing
bassanite produced from waste plasterboard
Juichi YAJIMA
1, Yuu MUTO
2and Takeshi KAMEI
3 1 Department of Interdisciplinary Science and Engineering, Meisei University 2 Nippon Concrete Industries Co., Ltd.3 Department of Civil and Environmental Engineering, Miyazaki University
9
Juichi YAJIMA
1，
Yuu MUTO
2，
Takeshi KAMEI
31 Department of Interdisciplinary Science and Engineering, Meisei University 2 Nippon Concrete Industries Co., Ltd.
3 Department of Civil and Environmental Engineering, Miyazaki University
It has been discussed recently what is the effective way to dispose of the waste plasterboard produced at the construction sites. The disposal method of construction generated soil is another issue to be discussed. In this study, as it was assumed that bassanite produced from waste plasterboard and construction generated soil could be effectively utilized through liquefied stabilization method, the flow properties with a flow test and the mechanical properties in unconfined and triaxial compression tests were examined in the liquefied stabilized soil made from Kanto loam, slag cement Bclass, bassanite, and water. Furthermore, the leaching properties of hexavalent chromium, fluorine, and boron were examined, as it was assumed that application of liquefied stabilized soil into geoenvironment could be utilized. The test results showed that the consistency properties were kept enough fluidity for an hour after mixture of the above mentioned materials and that the mechanical properties had unconfined compression strength by more than 200kN/m2 in a certain condition of material mixture. In terms of the environment aspect, it proved that the leachated amount of hexavalent chromium, fluorine, and boron was complied with the environmental quality standards for soil pollution.
