火山灰の挙動 - 株式会社かほくノマディックライフ

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14524 (2022) この記事を引用

1155 アクセス

1 オルトメトリック

メトリクスの詳細

火山灰 (VA) は、爆発的な火山噴火の副産物の 1 つです。これらはセメント質の特性により、環境に優しい土壌安定化アプローチとして土壌安定剤として使用できます。この研究では、一次元圧縮試験および一軸圧縮試験の下での粘土質土の挙動に対する添加材としての VA (最大 20%) の影響を調査しました。この目的のために、VA パーセンテージの影響、硬化条件、つまり最適な含水量 (OMC) と飽和サンプル、および硬化時間が、走行距離計の弾性率、および一軸圧縮強度 (UCS) に及ぼす影響を調査します。結果は、VA の添加により、飽和条件下で UCS が継続的に増加することを示しています。ただし、この改善は、OMC 状態で 5% の追加 VA ではかなり大きく、UCS では 325% の改善をもたらします。 UCS の最大の改善は、飽和状態で VA を 20% 添加したときに発生します。また、VA と土壌の混合物は低応力レベルでより持続可能であり、VA の添加により走行距離計の弾性率が増加することも明らかになりました。硬化時間を長くすると、ポゾラン反応により形成される結合が増加します。追加の VA は、特に短期間の硬化時間の場合、圧密パラメータに大きな影響を与えません。

ここ数十年間、道路建設プロジェクトの土壌改良と安定化では、制限と利用可能な資源に関して環境に優しいアプローチが検討されてきました。採用された解決策では、ジオシンセティックスの使用 1、2、3、土壌へのポリマー/バイオポリマーの添加 4、5、6、またはタイヤや砕いたガラスなどのさまざまな種類の廃棄物の添加 7、8、9、10 が考慮されています。、11．以前の研究に基づくと、土壌の安定化は道路の持続可能性にとって重要で費用効果の高い方法です12。土壌の化学的改良は、環境とプロジェクト費用に合わせて行うことができる最も一般的な技術の 1 つです。現在、化学的改良は、セメント、石灰、ポゾランなどのセメント質材料を使用して行われています12、13、14、15、16。

セメントと石灰は土壌安定化において高い性能と効率を持っていますが、製造プロセスや使用中に劣化や汚染などのいくつかの環境問題が引き起こされる可能性があります12,17。近年、土壌中のセメントと石灰の混合物に関連する問題に関して、環境に優しい廃棄物材料を使用することが技術者の間で普及しました。これまでの取り組みに注目すると、ポゾランを土壌改良材として使用することは、環境に悪影響を与えることが比較的少ないため、研究者の間で人気の話題となっている 12,17。ポゾランは珪質をベースにした物質で、その製造方法（飛灰、火山灰、殻灰など）に応じて多様化します。ポゾランの使用は、エネルギーと温室効果ガスの排出を節約するだけでなく、大気汚染の削減にも効果的です17,18。

農業分野や工業企業によって生成される廃棄物、つまり飛灰、スラグ、タイヤ、ガラス、穀物の殻の利用の可能性が最近調査されました8、19、20、21、22、23、24、25、26。石炭火力炉と火山の噴火によってそれぞれ廃棄される飛灰と火山灰（VA）は、セメント/石灰の適切な代替品として選択でき、土壌の安定化にも使用できます。多くの研究者が、さまざまな条件下での VA の挙動を研究してきました。追加のセメント質材料を使用して土壌改良を評価するには、粒子間の結合と強度特性を推定する必要があります27。この目的のために、直接せん断試験、三軸試験、一軸限定圧縮試験、およびカリフォルニアベアリング比 (CBR) などの標準的な従来の試験を実行できます。土壌塊にポゾランを添加すると、強度、摩擦角、凝集力、CBR21、22、23、24、25、26、27、28、29、30、31、32、33 などの土壌特性を改善できます。

Liu ら 28 は、黄土土壌を安定させるためにフライアッシュベースのジオポリマーを追加しました。研究で使用された飛灰と黄土の比率は 10%、20%、30% でした。フライアッシュの割合が増加すると、ヤング率と圧縮強度の両方が増加します。 Xiao et al.29 は、一軸圧縮試験により海洋粘土の改善に対する追加のフライアッシュの影響を調査しました。改善は養生期間、飛灰含有量、水分含有量に大きく依存します。彼らは、フライアッシュ含有量が高く (34.5%)、養生日数が 90 ～ 150 日の試験片では、圧縮強度が大幅に増加します (最大 85%) と述べています。さらに、通常のポルトランドセメントと比較して、フライアッシュを添加材として使用すると、長期養生の効果が大きくなる29。 Mir と Sridharan30 は、3 つの異なる養生時間 (1、7、および 28 日) での一次元圧縮試験を使用して、粘土質土壌混合物の圧縮率に対する追加のフライアッシュの影響を研究しました。長期条件では、圧縮特性を向上させるために追加のフライアッシュの最適な割合は約 20% でした。しかしながら、最適なフライアッシュ含有量は、短期間では６０％に等しかった。 Ma et al.31 によって得られた結果によれば、フライアッシュを安定剤として使用すると、硬化時間を長くすることで割線弾性率と圧縮強度が増加します。

Solanki et al.32、Pinilla et al.33、Edil et al.34 は、フライアッシュを添加剤として使用し、弾性係数を決定するためにいくつかの CBR テストを実施しました。フライアッシュを添加すると、弾性率が大幅に増加します。さらに、弾性率の挙動は、硬化時間および含水量と非線形の関係があります。 Pandian と Krishna35 は、CBR テスト (クラス C とクラス F) に対する 2 つの異なる種類の飛灰の影響について言及しました。フライアッシュにより機械的耐久性が向上しました。これら 2 種類の飛灰の違いは、カルシウムの量に関係します。この物質はポゾラン反応において重要な役割を果たします36。 Turner37 は、骨材表面道路の安定材としてフライアッシュを使用しました。フライアッシュを追加すると、路盤の強度パラメータに大きな影響を与えます。効果は水と安定剤の比率に大きく依存します。また、フライアッシュの添加により設計厚さが約 5 分の 1 に減少し、費用対効果が向上することも観察されました。

VA を単独で適用するか、さまざまな舗装層、路床、キャッピング層、または路床に VA を石灰またはセメントと組み込むことについて、さまざまな調査が行われました。 Bahadri et al.27 は、泥灰土土壌を安定させるために、異なる地域から抽出された 3 つの異なる VA を使用しました。 VAの添加により土壌可塑性指数は大幅に減少した。一軸圧縮試験による弾性率が増加しました。 Hossain et al.12、Hossain および Mol38 は、VA を使用して粘土質土壌を安定化しました。安定化土塊の耐久性は、強度、吸水性、乾燥収縮に対する浸漬の影響を調査することによって評価されました。高い割合の VA (最大 20%) を添加すると、セメントと VA を組み合わせて使用するよりも大きな効果があります。 Hastuty と Ramadhany39 は、クレーの性能に対する VA の添加を評価するために CBR テストと一軸テストを実行しました。 VA と土壌の混合物は、より高い強度と CBR 値を持っています。 Iskandar ら 40 は、いくつかの CBR および一軸試験を実施しました。彼らは、VA と石膏の添加により、CBR と一軸強度の両方がほぼ 100% 向上することを観察しました。

マシュハド（イランのホラーサン・ラザヴィ州の州都）のダウンタウンには、微粒子で構成される腐朽した粘土質の土壌が存在する。これらの細粒土は、強度が弱い、適切な強度が不足している、剛性が低いなどの劣った特性を持っています。したがって、持続可能性と建設による外部荷重による変位を確保するには、地盤の安定化が必要です。

文献に示されているように、調査の大部分は飛灰土壌の安定化に関連しており、追加の VA の効果は十分に調査されていません。土壌の機械的特性に対する VA の有効性に取り組んだ研究はほんのわずかです 12、33、34、35、39。路床材料としての安定化粘土の圧縮性と圧密挙動は、インフラ建設にとって重要な問題です。これまでに VA と土の混合物の圧密挙動が研究されてきました。したがって、この研究の主な目的は、2 つの可能な硬化条件、つまり最適水分含有量 (OMC) と 7、14、28、および 90 日間の飽和条件における VA と土壌の混合物の圧密挙動を理解することです。さらに、VA と土壌の混合物の重量測定特性がこの研究で初めて決定されました。オードメトリック特性は、沈下推定や数値モデリングによく使用されます。また、圧密パラメータ、つまり飽和状態の圧縮指数 (Cc)、膨潤係数 (Cs)、および再圧縮指数 (Cr) が、VA と土壌の混合物についてさまざまな養生時間で測定されます。最後に重要なことですが、VA と土壌の混合物の走行距離計弾性率は、25 ～ 400 kPa のさまざまな応力レベルで測定されます。このパラメータは、沈下推定にとって最も重要なパラメータです。この目的のために、プロクター試験、一次元圧縮試験、および一軸圧縮試験といったいくつかの標準試験が実施されました。 VA の 4 つの割合 (5%、10%、15%、20%) を粘土質土壌と混合します。サンプルは OMC で準備および硬化され、現場プロジェクトの制限、つまり気象条件を表す飽和条件で行われました。 OMC 条件と飽和条件の両方での一軸圧縮強度 (UCS) が測定されます。また、走査電子顕微鏡 (SEM) とエネルギー分散分光法 (EDS) を使用して、処理前後の結合形成を示しました。

この研究で使用された土壌は、イランのマシュハド中心部から採取されました。土壌の物理的および機械的特性は、米国材料試験協会 (ASTM) に従って測定されました41、42、43。これらの特性を表 1 に示します。土壌は、統一土壌分類システム (USCS)44 に従って CL-ML に分類され、AASHTO 分類基準 (ASTM D3282)45 に従って A-6 に分類されます。図1に土壌粒度分布曲線を示します。表 2 にその化学的性質と元素を示します。化合物の最大量は CaCO3 で 14.55% です。 CaOは、CaCO3化合物を含む土壌内の水の存在によって生成されます。その結果、SiO2、Al2O3、または Fe2O3 化合物のいずれかを含む追加のポゾランは、生成された CaO と反応し、土壌改良の原因となるケイ酸カルシウム水和物 (CSH) およびアルミン酸カルシウム水和物 (CAH) を生成します27。

土壌粒度分布。

この研究で使用されたポゾランは、イランのマシュハドの北西140kmにある天然ポゾラン鉱山から抽出されました。粗い粒子を粉砕機と＃200の篩に通して、VAの粒子サイズが十分に細かいことを確認しました。 VA の比重 (Gs) は、ASTM D854-1443 に基づいて 2.05 です。 ASTM C61846 規格によれば、N ポゾラン材料として分類されています。表 3 は、X 線回折 (XRD) 技術に従って推定された VA の化合物と元素を示しています。図 2 は、この研究で使用した土壌と VA を示しています。図 3 は、土壌と VA の走査型電子顕微鏡 (SEM) 写真を示しています。粒子のサイズと形状の点では、土壌サンプル (図 3a) は VA (図 3b) と比較して粒子が大きく滑らかです。実際、粉砕プロセスにより、VA は角張った粒子形状を持ちます。

この研究で使用した材料: (a) 粘土質土壌、(b) 火山灰 (VA)。

使用した材料のSEM顕微鏡写真。 (a) 粘土質土壌、(b) 火山灰 (VA)。

地盤改良性能に及ぼすVA添加効果を調査するために、締固め試験、一軸圧縮試験、一次元圧縮試験を含む一連の標準試験を実施した。

これらのテストは、さまざまな硬化時間と VA の割合を考慮して実行されました。改善手順の検証と管理のために、圧縮試験と一軸試験が実行されたことは注目に値します。走行測定パラメータと圧密パラメータを研究するために、一次元圧縮試験が実施されました。一軸圧縮試験の硬化時間として 28 日間を考慮しました。一次元圧縮テストに関して、表 4 にさまざまなパラメータとテストプログラムをまとめます。各試験の一般的な名称はVAnDt-Xと呼ばれます。VAnはn VAと土壌の混合物の割合、Dtはt養生時間、Xは養生条件を示します。 VA0、VA5、VA10、VA15、および VA20 は、それぞれ VA と土壌混合物の 0、5、10、15、20% を表します。これらの混合物は以前の調査に基づいています31。硬化手順は、最適水分含有量 (-OMC) または飽和 (-S) 条件で 7、14、28、および 90 日間行われます。たとえば、VA5D7-S は、飽和条件を考慮した 7 硬化日で VA の 5% に相当します。すべてのテストは相対標準プロクター圧縮 (RC) 90% で実行されたことに注意してください。

乾燥した土壌を、乾燥状態で所望の割合のＶＡと混合した。水を加えて激しく混合することにより、VA 土壌の均一な混合物を調製しました。次いで、混合物をビニール袋に包み、振盪して継続的に混合した。最後に、バッグは試験を行うまで保管した。 ASTM D69847 を考慮して、VA と土壌の混合物 (異なる VA 含有量) の OMC と最大乾燥密度 (MDD) を決定するために、標準的なプロクター圧縮試験が実行されました。これらの試験では硬化時間は考慮せず、準備後すぐに実施しました。 ASTM D216648 に従って一軸圧縮強度 (UCS) を測定するために、直径 50 mm、高さ 100 mm の円筒形試験片を使用しました。再成型サンプルがモイストタンピング法に基づいて OMC で調製されたことは注目に値します49。準備したすべての試験片を再びビニール袋に包み、23 ± 2 °C に制御された温度の硬化チャンバー内で数日間保管しました。飽和硬化条件に関しては、サンプルを水で満たされたポットに浸漬しました。一軸試験では、変位制御荷重を 1 mm/分の速度で適用しました。この荷重率の値は、交通荷重により舗装路盤の下に生じる変形率に対応します38。

ASTM D243550に従って、安定化土壌に対して一次元圧縮試験を実施しました。これらの試験には、直径 75 mm、高さ 20 mm の円筒形の金型を使用しました。試験片の準備は一軸圧縮試験と同様でしたが、サンプルは養生チャンバーに 7、14、28、および 90 日間置かれました。 VA の割合ごとに、飽和および OMC 試験条件用に 2 つのサンプルを再構成しました。また、飽和状態については、サンプルの上下に多孔質石を組み立てた後、一次元圧縮装置のポット内を満水にし、試験室の温度を23±2℃に一定に保った。 (図4を参照)。このテストの応力レベルは、二次道路に相当する 400 kPa に制限されています37。

一次元圧縮テスト。 (a) 負荷をかけた状態、(b) 飽和条件でサンプルを硬化、(c) 最適な含水率 (OMC) 条件でサンプルを硬化。

図 5a は、さまざまな VA パーセンテージでの含水量による乾燥密度の変化を示しています。図 5b は、実施された標準監督テストの結果を示しています。 OMC および MDD に対する VA の割合の影響が表示されます。 VA 割合を 0 から 20% に増加させると、MDD は約 9% 減少します (1920 から 1750 kg/m3)。この傾向は、Hossain と Mol38 によっても観察された混合物の VA 比重と粒度分布に起因すると考えられます。

(a) 含水量による乾燥密度の変化、(b) 火山灰 (VA) 含量による最大乾燥密度 (MDD) と最適含水率 (OMC) の変化。

まず、追加の VA 粉末が土壌粒子をコーティングします。これにより、より粗大な粒子の混合が生じ、その結果、自由空間の体積が増加します。ただし、VAが粒子表面をすべて覆うまで自由空間（空隙率）は拡大します。次に、土壌への VA の添加量が増えると、空隙が埋められ、空隙率が減少します 38。土壌に VA をさらに添加した場合の影響は低くなります。この挙動は、VA パーセンテージによる空隙率の変化を示す図 6 によっても説明できます。 VA割合を増加させると空隙率は10%増加し、その後減少する傾向にあります。この減少は、VA の粒子サイズによるものである可能性があります。

火山灰（VA）含有量による空隙率の変化。

VA パーセンテージに対する最適水分含有量の変化には、逆の傾向が観察されます。 VA を 20% 添加すると、OMC は最大 2% 増加し、水の量は VA 含有量と直接関係します。 Hossain や Mol38 などのさまざまな研究者によって取り上げられています。彼らは、この傾向はポゾラン反応におけるVAと土壌混合物の吸水に起因する可能性があると述べました。

図 7 は、VA10D90-S サンプルの SEM 写真を示しています。 VAの微粒子が粘土粒子を覆い、化学結合を形成します。化学結合には CSH と CAH が含まれています (図 7 の明るい点)。エネルギー分散分光法 (EDS) テストを実行して、結晶結合内の化合物を測定しました。図 8 に示すように、CSH および CAH にはカルシウムの量が多く含まれています。したがって、固体結合を表す明るいスポットは、ポゾラン反応によって生成されます27。

VA10D90-S処理土壌のSEM顕微鏡写真。

VA10D90-S ポゾラン製品の EDS グラフ。

図 9 は、硬化 28 日後の UCS に対する VA の添加の効果を示しています。 UCS は約 17 kPa ですが、VA が 20% の安定化土壌では最大 147 kPa まで上昇します。飽和状態を考慮すると、硬化すると 760% の改善を示します (図 9a)。土壌中の VA の存在は抵抗結合を誘発し、土壌の凝集力の強化とより高い UCS につながります。

一軸圧縮強度 (UCS) に対する火山灰 (VA) 含有量の影響。 (a) 飽和状態、(b) 最適含水率 (OMC) 状態。

一方、OMC の硬化条件を考慮した UCS も同様に増加しますが、VA5 が最も大きな強度を示しました。実際、土壌に 5% の VA を添加すると、UCS は VA0 での 45 kPa から始まり、VA5 では 170 kPa (改善の 277%) まで急激に増加します。次に、追加のVAを土壌に追加すると、VA20の約74 kPa（改善の64％）まで非線形に減少します（図9b）。この傾向は27でも観察されました。ポゾラン反応は水が不足しているために完了できず、余分な VA を添加することで状況が悪化する可能性があり、土壌サンプルの空隙率が高くなります。さらに、VA 粒子は本来非凝集性であるため、余分な VA を追加すると、結合がなくなるため UCS が減少します。

合計 36 回の 1-D 圧縮テストを実施して、VA の追加による走行距離計の弾性率への影響を調査しました。この目的のために、25 kPa、50 kPa、100 kPa、200 kPa、および 400 kPa の 5 つの応力レベルに対して割線弾性率が決定されました。図 10 は、4 つの異なるテスト、VA0D0-OMC、VA0D0-S、VA15D90-OMC、および VA15D90-S の応力-ひずみ曲線を示しています。応力レベルが一定の場合、土壌に VA を添加すると、安定化されていない土壌の場合と比較して、OMC 条件と飽和条件の両方で変位が低くなります。割線弾性率は、以下の式（式1）および図10に従って計算されます。

一次元の圧縮応力-ひずみ曲線。

この研究では、パラメータは IF (改善係数) と名付けられています。これは次の方程式を使用して取得できます。

ここで、Ess は VA を使用した安定化土壌の走行距離計係数であり、Ens は一定の応力レベルにおける非安定化土壌 (VA = 0%) の走行距離計係数です。 IFはVAと土壌混合物の沈下特性を示します。次の部分では、VA パーセンテージ、硬化時間、条件 (飽和または不飽和) が IF に及ぼす影響について説明します。

図 11 は、OMC 条件における VA パーセンテージの変化と IF の関係を示しています。 VA パーセンテージを 15% まで増加させると、IF はすべてのストレスレベルで増加し、VA20 では減少します。実際、VA の量が増えると、VA20 によってより高い沈下が誘導され、その結果 IF が減少します。

最適含水率 (OMC) 条件における改善係数 (IF) に対する火山灰 (VA) 含有量の影響。

図12に飽和一次元圧縮試験（従来の圧密試験）のIFの結果を示します。土壌に添加されるVAが増えるほど、IFは増加します。実際、飽和状態の VA パーセンテージが増加すると、沈下は一貫して減少します。 OMC 条件と飽和条件の両方の結果を比較することにより、IF の発生は VA20 内の水分不足に起因すると考えられます。したがって、製造された抵抗結合は VA15 と同様に小さくなります。飽和条件では、サンプルが水で満たされているため、VA ポゾラン反応が継続し、より高い IF に達します。 VA の圧縮特性は土壌圧縮特性よりも高くなります 30。したがって、不飽和条件の場合、VA を 15 ～ 20% 追加すると、ポゾラン反応により多くの水が必要になります。サンプル中により多くの VA が存在するため、VA20 では沈降が減少します。

飽和状態の改善係数 (IF) に対する火山灰 (VA) 含有量の影響。

すでに述べたように、VA はセメント質材料の一種であるため、硬化時間 (ポゾラン反応時間) がサンプルの強度に顕著な影響を与えます。現在の研究では、VA と土壌混合物の走行距離計弾性率を養生 7、14、28、および 90 日で測定しています。硬化はOMCおよび飽和条件で行われました。結果を図1および2に示します。それぞれ13と14。どちらの条件でも、IF は大幅に増加しました。たとえば、VA5D7-OMC および VA5D90-OMC の特定の応力レベル、つまり 25 kPa の場合、短期硬化時間 (IF7 日 = 2.6 日および IF90 日) とは対照的に、長期硬化期間では IF が 196% まで上昇しました。 = 5.1)。 OMC 状態の場合、ポゾラン反応に十分な水が不足しているため、30 日間の硬化時間後も IF はほぼ一定のままです。一方、IF は、飽和状態までの硬化時間を長くすると比較的直線的に増加します。ポゾラン反応には水が必要で、水が多ければ多いほど抵抗結合が生成されるため、飽和条件では硬化時間が 90 日になるまで IF が大幅に増加します。

最適な含水率 (OMC) 条件の改善係数 (IF) に対する硬化時間の影響。

飽和状態の改善係数 (IF) に対する硬化時間の影響。

前述したように、走行距離計の弾性率は 5 つの異なる応力レベルに対して決定されます。図 15a、b は、OMC および飽和条件における VA15 のさまざまなストレスレベルでの IF 変化を示しています。応力レベルと IF の間の間接的な非線形関係は、すべての硬化時間で観察されます。ストレスレベルが増加すると、IF は劇的に減少します。養生中に形成された土壌と VA 間の結合は、荷重を加えると破壊される可能性があります。実際、負荷レベルが高くなるほど、より多くの結合が切断されます。また、図 15 では、IF とストレスレベルの関係がべき乗関数 \(IF=k{(\frac{\sigma }{{P}_{atm}})} として補間できることもわかります。 ^{n}\)、R 二乗値の測定値は、データの良好な適合を示します。補間関数において、k と n は硬化条件、時間、VA 含有量によって変化する定数です。これらのパラメータ k と n は、それぞれ硬化条件と応力レベルに基づいて変化します。

改善係数 (IF) は、さまざまな状態の火山灰 (VA15) を 15% 追加するストレスレベルに応じて変化します。 (a) 最適水分含有量 (OMC)、(b) 飽和。

図１６に示すように、ＶＡのパーセンテージに伴うｋおよびｎの変化は、図１６および図１６と同様の傾向を示す。 VA を追加すると、形成された結合が拡張され、VA と土壌の混合物がより脆くなり、VA20-OMC を除いて k の値が高くなります。したがって、この脆弱性により、応力が加わった結果として、より多くの亀裂が発生します。また、k 値は、より多くのポゾラン結合が存在するため、OMC 状態よりも飽和状態の方が大きくなります。実際、k に影響を与える重要なパラメータは VA の割合と硬化条件 (時間と水分) であり、結合の形成に依存します。 n は負の値を持ち、より高いストレスレベルに対する追加の VA の低減効果を示します。同様に、飽和状態では n 値が低くなります。水分含有量が多ければ多いほど、粘土の挙動は脆くなりません。したがって、OMC 条件を使用して調製されたサンプルは飽和状態よりも脆くなり、OMC 条件では n の値が大きくなります。

火山灰 (VA) 含有量と硬化時間の n と k への影響。

図17に飽和条件での一次元圧縮試験（従来の圧密試験）を示します。図 17 は、90 日間の硬化時間における VA のさまざまな割合の典型的な圧密試験グラフを示しています。前述したように、VA を追加すると空隙率が増加し、グラフが上にシフトします。圧縮指数 (Cc) は、外部荷重下で土壌の体積が減少する能力を示します。図 18 は、さまざまな硬化時間における VA パーセンテージによる Cc の変化を示しています。見てわかるように、土壌に VA を添加すると Cc が減少しますが、短期間の養生時間では VA が増加すると Cc に影響します。この効果は、サンプルを 90 日間硬化させる場合に重要になります。形成された結合は、短期間の硬化時間で追加の VA によって断片化されます。この短期間の硬化期間の傾向は、抵抗結合が高応力レベルで破壊され、Cc が荷重の最終増分 (400 kPa 応力での接線勾配) で決定されるという事実に起因すると考えられます。たとえば、90 日間の硬化時間に関して、VA20-D7-S および VA20-D90-S では、Cc は 0.082 から 0.032 まで 60% まで減少します。

90 日間の養生時間における、さまざまな火山灰 (VA) 含有量の圧密曲線。

硬化時間に伴う圧縮指数 (Cc) に対する火山灰 (VA) の影響。

膨潤係数 (Cs) は、除荷後に土壌の体積が増加する能力を示します。図19にVA含有量によるCsの変化を示します。同様に、VA は Cs にほとんど影響を与えず、短期間の硬化にのみ影響します。それにもかかわらず、VA パーセンテージが増加すると、硬化時間が長期化すると Cs が減少します。ポゾラン結合は、適切に製造されている場合、限られた範囲で膨潤を妨げます。より具体的には、再圧縮指数（荷重の初期増分における Cc 決定、Cr）も評価され、追加の VA が沈下特性に及ぼす影響を詳しく調べます。図 20 は、VA 含有量による Cr の変化を示しています。 VAの増加とともにCrは減少します。追加の VA を追加すると、この減少は線形になります。したがって、土壌への VA の添加は、より低い応力レベルでの圧密パラメータに効果的であると言えます。

さまざまな硬化時間における膨潤指数 (Cs) に対する火山灰 (VA) 含有量の影響。

異なる硬化時間における再圧縮指数 (Cr) に対する火山灰 (VA) 含有量の影響。

この研究では、粘土質土壌の安定化に火山灰（VA）を使用する可能性を、圧縮、一軸圧縮、および一次元圧縮試験を使用して調査します。 VA の 4 つの異なるパーセンテージ (つまり、5、10、15、および 20%) を土壌に添加して、最適水分含有量 (OMC) および7 ～ 90 日間の硬化期間中、完全に飽和した状態で保管します。統合パラメータに対する VA の影響が評価されました。実験室での調査により、次の結論が得られます。

VAを使用すると空隙率とOMCが増加します。これは、ポゾラン反応後の空間と結合の形成に起因すると考えられます。したがって、VAを追加すると吸水性が高まり、

OMC 条件の場合、追加の VA の最適な割合は、一軸圧縮試験と 1-D 圧縮試験でそれぞれ 5% と 15% に等しくなります。一方、飽和硬化条件では、両方のテストで最適な VA は観察されませんでした。言い換えれば、水の存在により結合形成が可能になることがわかりました。

地盤剛性パラメータは VA の添加により大幅に改善され、この改善は飽和養生条件でより重要になります。

養生期間については、VA が一定割合の場合、養生条件を短期間（7 日間）にすると改善率（IF）が高くなります。それにもかかわらず、この向上は、長期硬化条件 (14 日以上) でより顕著になります。実際、硬化時間全体を通じて、ポゾラン反応によってより多くの結合が形成されます。

ストレスレベルの観点からは、サービス負荷が低い場合には VA を使用する方が生産性が高いと言えます。そうしないと、作成された結合が断片化して、剛性と弾力性の両方が低下します。したがって、VA による安定化は、基礎ベースの改良とは対照的に、舗装設計に機能すると考えられます。

VA を追加すると、再圧縮指数 (Cr) が圧縮指数 (Cc) よりも劇的に減少します。腫れ指数 (Cs) への影響は低いです。追加の VA を追加しても、短期 (最大 28 日) では統合パラメーターに与える影響は無視できますが、長期 (つまり 90 日) では影響が大きくなります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開記事に含まれています。生データは、合理的な要求に応じて責任著者から入手することもできます。

火山灰

ケイ酸カルシウム水和物

アルミン酸カルシウム水和物

電子顕微鏡で観る

エネルギー分散型分光法

最適な水分含有量

最大乾燥密度

改善要因

一軸圧縮強度

最適な含水率条件で t 日間で硬化した火山灰と土壌の混合物の N パーセント

飽和状態で t 日間で硬化した火山灰と土壌の混合物の N パーセント

割線弾性率

垂直応力

垂直ひずみ

安定化土壌の走行速度計係数

安定化されていない土壌の走行速度計弾性率

定数パラメータ

圧縮指数

膨潤係数

再圧縮インデックス

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著者らは、辛抱強く原稿を検討し、建設的なコメントをくれたシドニー工科大学の Sanjay Nimbalkar 博士に感謝の意を表したいと思います。

マシュハドフェルドウシ大学工学部土木工学科、マシュハド、イラン

モハマド・アミン・サイヤー & サイード・アブリシャミ

スティーブンス工科大学土木・環境・海洋工学部、ホーボーケン、ニュージャージー州、07030、米国

プーヤダストパック

大学 Grenoble Alpes、CNRS、Grenoble INP、3SR Lab、38000、グルノーブル、フランス

ダニエル・ディアス

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モハマド・アミン・サイヤー: テスト、執筆、概念化、レビュー。サイード・アブリシャミ: 監修、編集、概念化、方法論、レビュー。プーヤ・ダストパック: 原案執筆、概念化、レビュー、編集。ダニエル・ディアス: レビュー、編集、概念化、方法論。

サイード・アブリシャミへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

シュプリンガーネイチャーは、発行された地図および所属機関における管轄権の主張に関して中立を保ちます。

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転載と許可

セイヤ、MA、アブリシャミ、S.、Dastpak、P. 他一次元圧縮試験における火山灰と土壌の混合物の挙動。 Sci Rep 12、14524 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18767-8

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受信日: 2022 年 4 月 9 日

受理日: 2022 年 8 月 18 日

公開日: 2022 年 8 月 25 日

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