実 証 プラントによる石 炭 灰 造 粒 砂 （ゼットサンド）の開 発 宇部興産株式会社 エネ ルギ ー ・ 環 境 ディ ビジ ョン 石 炭 ビジネ スユニ ット 開 発 部 大中 昭 １．まえがき 石 炭 需 要 の拡 大 に伴 い、石 炭 灰 の有 効 利 用 も大 きな問 題 となっている。従 来 から利 用 が 進 められてきたセメント原 料 用 途 の他 に、新 たな有 効 利 用 方 法 の検 討 が積 極 的 に進 められ ている。 宇 部 興 産 では、１９９５年 に石 炭 灰 造 粒 砂 （商 品 名 ：ゼットサンド）の開 発 に着 手 して以 来 、 枯 渇 しつつある砂 （川 砂 ・海 砂 ）や土 （まさ土 等 の砂 質 土 ）などの天 然 資 源 に替 わる人 工 土 木 材 料 としての製 造 技 術 開 発 ・用 途 開 発 ・環 境 影 響 評 価 を推 進 してきた。石 炭 灰 の有 効 利 用 は、長 期 にわたり多 量 の石 炭 灰 を安 定 的 に処 理 できることが必 要 である一 方 、土 木 材 料 は 短 期 間 に 大 量 に 消 費 され るた め、 大 規 模 に貯 蔵 し てお く 必 要 も あ る 。 ２．石 炭 灰 造 粒 砂 の製 造 設 備 実 証 運 転 2.1 特徴 石 炭 灰 造 粒 砂 は 、 屋 外 で の 貯 蔵 が 可 能 で 天 然 の 砂 や 土 な ど と 同 様 の 取 扱 い が で き る た め、 土 木 用 分 野 に お け る 石 炭 灰 利 用 技 術 の ひと つと し て大 いに 期 待 さ れて い る。 主 な用 途 ： 土 木 工 事 用 等 に用 いられ、天 然 の砂 や土 （まさ土 等 の砂 質 土 ）の代 替 材 料 （盛 土 材 ・路 床 材 ・埋 戻 し材 ・裏 込 め材 など） 特徴： ① 原 材 料 費 が安 価 で製 造 プロセスが簡 単 なた め 低 コスト で製 造 で きる ② 天 然 材 料 と同 様 の取 扱 いができる （屋 外 貯 蔵 が可 能 ） ③ 石 炭 灰 に 含 まれ る 微 量 金 属 の 溶 出 を 抑 える技 術 1) を 採 用 し、 環 境 に 優 し い 製 品 であ る 図－１． 石炭灰造粒砂 2.2 製 造 実 証 試 験 設 備 の概 要 財 団 法 人 クリーン・ジャパン・センターからの委 託 により、２００２年 度 より２年 間 の計 画 で、 石 炭 灰 造 粒 砂 の 製 造 技 術 を 実 証 する た めの 試 験 設 備 （ 製 造 能 力 ： 年 間 ７ ６ ， ０ ０ ０ ト ン ） を 設 置 し、枯 渇 しつつある砂 や土 などの天 然 資 源 に替 わる人 工 土 木 材 料 としての利 用 を促 進 す るた めの 実 証 試 験 を 行 っ て い る 。 本 設 備 は、２００２年 ３月 に完 工 した。同 年 ４～６月 に調 整 運 転 を行 い処 理 能 力 の把 握 と 運 転 条 件 の確 立 を図 った。その後 は、連 続 運 転 性 能 の確 認 を行 っており、当 初 の計 画 どお り安 定 した操 業 を継 続 している。一 方 、用 途 開 発 では、各 種 土 木 材 料 としての試 験 施 工 お よ び評 価 を 継 続 中 で あ る。 設備規模： 石 炭 灰 処 理 量 ５ ０ ,０ ０ ０ トン／ 年 （ 造 粒 砂 と して ７ ６ , ０ ０ ０ ト ン ／ 年 ） 主要設備： 石 炭 灰 ・ セ メ ント・ 添 加 材 サイロ 各 １ 基 １基 （１０ｍ３） 造粒機 搬 送 コン ベ ア、 養 生 建 屋 、 保 管 ヤ ード 設置場所： 宇 部 興 産 （ 株 ） 沖 の 山 コー ル セン タ ー 石炭灰サイロ 造粒機 添加材サイロ セメント・サイロ 制御室・分析室 図－２． 養生建屋 実証試験設備の全景 2 . 3 石 炭 灰 造 粒 砂 の 製 造 プ ロセ ス 石 炭 灰 造 粒 砂 製 造 プロセスの概 要 を、図 －３ に示 す。石 炭 灰 造 粒 砂 の原 料 は、石 炭 灰 （フライアッシュ）、セメント、添 加 材 、および水 の４種 類 である。必 要 に応 じ溶 出 抑 制 剤 を併 用 する。これらの原 料 を、バッチ式 造 粒 機 を用 いて、混 合 と造 粒 を同 時 に行 う。供 給 原 料 の 標 準 的 な配 合 重 量 比 は、石 炭 灰 ：セメント：添 加 材 ＝８５：５：１０である。供 給 水 量 は、粉 体 材 料 重 量 １ ０ ０ に 対 し て ３ ０ ～４ ０ 程 度 で あ る。 実 証 設 備 の 石 炭 灰 の 年 間 使 用 量 は 最 大 約 ５ ０ ， ０００トンである。 造 粒 された製 品 は、ベルトコンベヤを経 由 して養 生 ヤードに輸 送 される。製 造 直 後 の造 粒 物 は、セメントの硬 化 反 応 が進 み形 状 維 持 が可 能 となるまでの１～２日 程 度 養 生 ヤード（常 温 空 気 中 ）で初 期 養 生 する。初 期 養 生 を終 えた製 品 は、屋 外 の保 管 ヤードで約 １ヶ月 間 の 養 生 を行 った後 、出 荷 製 品 として保 管 される。出 荷 は、トラクターショベル等 の積 み込 み機 械 とダンプトラックの組 み合 わせによって行 われる。 図－３． 石炭灰造粒砂製造プロセスの概要 2.4 石 炭 灰 造 粒 砂 の基 本 的 性 質 石 炭 灰 造 粒 砂 の性 状 例 を表 －１に示 す。ここで、表 中 の一 軸 圧 縮 強 度 、三 軸 強 度 およ び透 水 係 数 は、A- ｂ法 で締 固 めた 供 試 体 によ る結 果 であ る。 これらの 結 果 から、 石 炭 灰 造 粒 砂 は、 1 ) 粒 子 内 に 空 隙 を 有 す るた め 粒 子 密 度 が 比 較 的 小 さ い こと 、 2 ) 粒 度 分 布 は 礫 分 が 少 なく砂 質 土 と同 程 度 であること、3)透 水 性 が良 いこと、4)吸 水 率 が高 く、最 適 含 水 比 も比 較 的 高 いこと、5)締 固 めが可 能 であり、強 度 ・支 持 力 特 性 が比 較 的 大 きいことから盛 土 材 料 と しての 基 本 的 性 能 を 有 す るこ と 、 など が 分 か る。 表－１．石炭灰造粒砂の性状例 物性値 備考 粒 子 密 度 ρ d (g/cm3) 項目 2.31 JIS A1202 に よ る 吸 水 率 Q (%) 43.9 J I S A 11 0 2 に よ る 平 均 粒 径 D50(mm) 0.59 JGS 0131 に よ る 塑 性 係 数 Ip NP 透 水 係 数 k(cm/s) 1.0×10 JIS A1218 に よ る 締固め 最適含水比 wopt(%) 44.1 A-b 法 に よ る 39.5 E-b 法 に よ る 最大乾燥密度 ρ dmax (g/cm3) 1.009 A-b 法 に よ る 1.068 E-b 法 に よ る 41 J I S A 1 2 11 に よ る E-b 法 締 固 め 度 95% 120 JIS A1216 に よ る 修 正 CBR(%) 一 軸 圧 縮 強 度 (kN/m2) 三軸 強度 JIS A1205 に よ る -3 2 粘 着 力 c’(kN/m ) 53.1 内 部 摩 擦 角 φ ’(°) 40.3 JGS 0523 に よ る 一 方 、環 境 に関 する安 全 性 を評 価 するため溶 出 試 験 （環 境 庁 告 示 ４６号 による）を行 い、 土 壌 環 境 基 準 を 満 足 す ること を 確 認 した 。 ３ . 土 木 材 料 と し て の用 途 開 発 盛 土 試 験 施 工 を２回 に渡 って実 施 し、既 存 の盛 土 材 料 である「まさ土 」と比 較 することによ って石 炭 灰 造 粒 砂 の盛 土 材 料 としての性 能 について検 討 した。さらに、これまでの土 木 施 工 実 績 につ いて も 紹 介 する。 3 .1 盛 土 試 験 施 工 の結 果 盛 土 試 験 施 工 2,3,4)の施 工 条 件 を、表 －２に示 す。図 －４には、第 1回 試 験 施 工 時 の盛 土 形 状 を 示 す。 表－２．試験盛土の施工条件 項目 施工時期 石 炭 灰 造 粒 砂 使 用 量 (m3) 法面勾配 盛 立 て 高 さ ( m) 仕 上 が り 厚 ( c m) 締 固 め 層 数 (層 ) 使用した締固め機械 ま き 出 し 厚 ( c m) 転 圧 回 数 (回 ) その他 第１回試験施工 2 0 0 1 年 11 月 48 1:1.8 1:1.5 1.5 30 5 振動ローラー (6.5t) 39 6 まさ土との 比較を実施 第２回試験施工 2 0 0 2 年 11 月 330 1:1.5 1:1.0 1.5 30 5 タイヤローラー (13.5t) 35 6 まさ土による 覆土法面を施工 （１）第 １回 盛 土 試 験 施 工 の結 果 盛 土 と し て の 品 質 を 確 認 す るた め、 各 層 の 転 圧 終 了 時 にＲＩ 密 度 ・ 水 分 計 によ る 現 場 密 度 試 験 とレベル測 量 を実 施 し、盛 立 て完 了 時 に盛 土 天 端 において砂 置 換 法 による現 場 密 度 試 験 、現 場 ＣＢＲ試 験 、道 路 の平 板 載 荷 試 験 などを実 施 した。なお、これらの試 験 は、施 工 完 了 から１ ２ ヶ月 経 過 時 点 まで 継 続 し て 調 査 した。 現 場 密 度 による締 固 め度 は、砂 置 換 法 で石 炭 灰 造 粒 砂 が９２％、まさ土 がほぼ１００％と なり、ＲＩ法 でも石 炭 灰 造 粒 砂 が８８～９５％、まさ土 が９１～９５％となった。すなわち、試 験 方 法 の違 いによる変 動 はあるものの、石 炭 灰 造 粒 砂 で得 られた密 度 増 加 としての締 固 め効 果 は、まさ土 のものと同 等 かやや劣 る結 果 になったものの、実 用 上 は全 く問 題 ないことが分 かっ た。 図 －５には現 場 ＣＢＲと地 盤 反 力 係 数 Ｋ３０の測 定 結 果 を示 す。石 炭 灰 造 粒 砂 の現 場 試 験 による支 持 力 特 性 は、盛 立 て完 了 時 には締 固 め度 がやや低 く、まさ土 のものより小 さいも のの、その後 の時 間 経 過 に伴 って増 加 すること、その傾 向 は次 第 に収 束 していることなどが 分 か っ た 。 こ れ ら の こ と は 、 セ メ ン ト を 含 む 石 炭 灰 造 粒 砂 の 単 粒 子 破 砕 強 度 5,6) が 経 時 的 に 増 加 する こ と に起 因 し ているもの と 考 えら れ る。 なお、本 試 験 盛 土 は、施 工 後 約 ２年 経 過 した時 点 においても風 雨 等 による侵 食 や崩 壊 は、 天 端 や 法 面 共 に 発 生 し て いな い。 本 試 験 盛 土 の一 部 は、施 工 後 １年 経 過 時 点 で撤 去 工 事 を行 った。小 型 のバックフォー （バケット容 量 ：０．４ｍ３）を用 いて容 易 に切 削 することができ、前 述 のとおり支 持 力 は経 時 的 に増 加 傾 向 にあるものの石 炭 灰 造 粒 砂 粒 子 の凝 結 固 化 は認 められず粒 子 状 態 を維 持 して いた。したがって、まさ土 などの天 然 の土 木 材 料 と同 様 に、施 工 後 に撤 去 や再 掘 削 などが必 要 と な る場 合 に も 利 用 可 能 であ る こと が 確 認 でき た。 ＜平面図＞ 6000 4000 100 11300 500 石炭灰造粒砂：ＣＢＲ 200 スロープ 15% まさ土 試験ゾーン 80 400 石炭灰造粒砂：地盤反力係数 まさ土：地盤反力係数 60 300 40 200 20 100 地盤反力係数K30 ［ＭＮ／ｍ３］ 5@300 =1500 まさ土 試験ゾーン まさ土 擁壁 現場CBR ［％］ 4000 まさ土：ＣＢＲ 試験ゾーン 石炭灰造粒材 5000 ＜断面図＞ 8000 15% ドレーン層 0 0 0 2 4 6 8 10 12 経過時間 ［月］ 図 － ４ ．盛 土 の 盛 り 立 て 方 法 と 成 型 後 の 形 状 図－５．支持力特性の比較 （２）第 ２回 盛 土 試 験 施 工 の結 果 引 き続 いて、２００２年 １１月 にも、盛 土 試 験 施 工 を実 施 した。第 ２回 目 となるこの試 験 では、 石 炭 灰 造 粒 砂 約 ３３０ｍ３を使 用 して、急 勾 配 法 面 （１：１．５および１：１の２勾 配 で施 工 ）やま さ土 による覆 土 法 面 などの評 価 項 目 を追 加 して調 査 を継 続 している。完 工 後 、現 在 約 1年 間 経 過 し安 定 した形 状 の維 持 を確 認 しており、前 回 同 様 、材 料 に起 因 する施 工 上 の問 題 も なく、 盛 土 材 料 と し て 実 用 に 耐 えう ること が 確 認 で きた 。 3 .2 石 炭 灰 造 粒 砂 を用 いた土 木 工 事 の施 工 実 績 上 述 した盛 土 試 験 施 工 のほかにも、種 々の土 木 工 事 などで石 炭 灰 造 粒 砂 を用 いた施 工 を行 っている。特 に、盛 土 材 ・埋 戻 材 などを中 心 とする、これまでの土 木 施 工 実 績 を表 －３に 示 し た。 ４．まとめ 現 在 、２００２年 度 より２ヶ年 の実 証 実 験 を継 続 中 であり、大 規 模 設 備 による製 造 技 術 の 確 立 と、土 木 分 野 を中 心 とする用 途 開 発 を進 めている。製 造 設 備 については、計 画 通 りの 操 業 を継 続 中 であり、長 期 連 続 運 転 性 能 の確 認 を行 う一 方 、用 途 開 発 に供 するためのサン プルを製 造 し、天 然 の砂 や土 （まさ土 等 の砂 質 土 ）の代 替 材 料 （盛 土 材 ・路 床 材 ・埋 戻 し 材 ・裏 込 め材 など）として、実 用 性 の評 価 を継 続 中 である。なお、本 製 品 は、２００２年 度 山 口 県 リサイクル製 品 の認 定 を取 得 しており、今 後 も土 木 材 料 としての実 用 化 を目 的 とする評 価 や認 定 取 得 を 計 画 中 であ る。 表－３． No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 石炭灰造粒砂を用いた施工例 目的 試験盛土（第１回） U 字溝敷き砂 路床材 築堤盛土 放水管埋戻し 市道部送水管埋戻し 放水管埋戻し 送水管埋戻し 浄化槽埋戻し ケーブル埋戻し 排水管埋戻し 試験盛土（第２回） 地中支持梁埋戻し 築堤盛土 構造物基礎埋戻し 倉庫床嵩上げ盛土 地盤嵩上げ 美祢市道拡幅盛土 築堤盛土拡幅 建屋床面地盤改良 汚水管埋戻し 市道部送水管埋戻し 施工年月 2001 年 11 2002 年 4 4 5 5 7 8 8 8 8～ 9 9 11 12 2003 年 1 1 1 1 2～ 3 4 6～ 7 7～ 8 10 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 月 使 用 量 (m3) 48 2 5 240 32 17 50 11 30 130 6 330 20 800 10 75 1,000 250 520 210 40 250 参考文献 1) 大 和 田 、鶴 谷 ほか：（財 ）石 炭 利 用 総 合 センター「第 10 回 石 炭 利 用 技 術 会 議 講 演 集 」（2000） 2) 檜 垣 貫 司 、宇 野 浩 樹 、川 崎 宏 二 、鶴 谷 巌 ，大 中 昭 ，仲 谷 朋 之 ：石 炭 灰 造 粒 材 （石 炭 灰 造 粒 砂 ）の土 木 材 料 への適 用 性 、土 木 学 会 第 57 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 集 、pp.1605-1606，2002． 3) 宇 野 浩 樹 、檜 垣 貫 司 、鶴 谷 巌 ，大 中 昭 ：セメント混 合 によって造 粒 化 した石 炭 灰 の盛 土 材 料 への適 用 性 、土 と基 礎 、vol.51, No.6, pp.545, 2003. 4) 宇 野 浩 樹 、檜 垣 貫 司 、鶴 谷 巌 ，大 中 昭 ：セメント処 理 で造 粒 化 した石 炭 灰 による盛 土 施 工 試 験 、第 5 回 環 境 地 盤 工 学 シンポジウム発 表 論 文 集 、pp.251, 2003. 5) 佐 藤 、兵 動 、鶴 谷 ほか：石 炭 灰 造 粒 材 の単 粒 子 強 度 が一 次 元 圧 縮 特 性 に及 ぼす影 響 ，第 36 回 地 盤 工 学 研 究 発 表 会 講 演 集 ，pp.657-658，2001． 6) 兵 動 正 幸 、中 田 幸 男 、吉 本 憲 正 、加 登 文 学 、鶴 谷 巌 、大 中 昭 ：石 炭 灰 造 粒 材 の一 面 せん断 特 性 、土 木 学 会 第 57 回 年 次 学 術 講 演 会 講 演 集 、pp.23-24，2002．
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