Stablilization of Clay with Fly Ash and GGBS Based Geopolymer: Influence on Strength, Consolidation, and Shrinkage Characteristics

私たちの足元の地面は、常に固く、揺るぎない基礎であるとは限りません。世界中の多くの地域では、土壌は粘土によって支配されています。粘土は、スポンジのように振る舞う微細な粒子状の材料です。雨が降ったり季節が変わったりすると、この粘土は水を吸収して膨張し、大きな力で押し上げます。空気が乾燥すると、収縮してひび割れ、その上に載っているものから離れてしまいます。この膨張と収縮の絶え間ないサイクルは、エンジニアや住宅所有者にとって悪夢であり、道路の隆起、基礎の亀裂、そして構造物の不均等な沈下を引き起こします。この土壌を建設に適した安全なものにするために、技術者たちは伝統的に、普通のセメントや石灰を混ぜ合わせます。これらの結合材は硬化して土壌粒子を互いに固定し、安定した基盤を作り出します。しかし、これらの伝統的な結合材の生産は二酸化炭素排出の主要な原因であり、地球規模の気候危機に大きく貢献しています。これが、重い環境負荷をかけることなく土壌を安定させる代替案の探索を後押ししてきました。

研究者たちは、産業廃棄物、具体的にはフライアッシュと高炉スラグに注目しました。フライアッシュは発電所で石炭を燃焼させた後に残る微細な粉末であり、スラグは鉄を作る際の副産物です。どちらの材料も、特定のアルカリ溶液と混合すると、強固な岩のような物質を作り出すために必要な化学成分を豊富に含んでいます。「ジオポリマー化」として知られるこのプロセスは、これらの廃棄物を、従来のセメントに代わる結合材へと変貌させます。インドのマドラス工科大学とティアガラージャ・カラージ・エンジニアリング・カレッジの研究チームは、これらの産業副産物が、インドのマドゥライで見られる特定の種類の問題のある粘土をどの程度うまく制御できるかをテストすることを目的としました。彼らの目標は、単に土壌が強くなるかどうかを確認することだけでなく、その処理によって、荷重の下での土壌の沈下挙動や、乾燥時の収縮がどのように変化するかを理解することでした。

チームは、地元のバス停の近く、深さ2メートルの地点から粘土のサンプルを選定しました。この土壌は、中間程度の圧縮性を持ち、つまり圧力に対して容易に押しつぶされる性質があり、また中程度の膨張性、すなわち濡れたときに膨張しやすい傾向があるものとして分類されました。この土壌を処理するために、研究者たちはフライアッシュとスラグをさまざまな量で混合し、それぞれの材料について、全乾燥重量の25%、35%、45%という3つの異なる濃度を作成しました。彼らは、硬化プロセスを開始するための化学的なトリガーとして機能する水酸化ナトリウムとケイ酸ナトリウムの溶液を用いて、これらの混合物を活性化させました。また、スラグ混合物が急速に固まりすぎるのを防ぐために、少量の化学的遅延剤も添加しました。処理された土壌は、その後、円筒形に詰められ、テストにかけられる前に、0日から28日までの異なる期間、養生されました。

結果は、変容の明確な物語を明らかにしました。未処理の粘土は非常に強度が低く、わずか3.63 kg/cm²でした。研究者がフライアッシュで処理された土壌をテストしたところ、時間の経過とともに養生が進むにつれて強度が上昇することがわかりました。最高の性能を示したのは35%のフライアッシュを含む混合物で、28日後に17.19 kg/cm²の強度に達しました。これは劇的な改善であり、土壌を自然の状態のほぼ4倍強くしました。しかし、フライアッシュの含有量を45%に増やすと、強度は実際に低下しました。これは、結合材が多すぎると、土壌を強化するのではなく、むしろ土壌の構造を希釈してしまうことを示唆しています。

スラグベースの混合物については、物語は少し異なりました。スラグの場合、材料を添加するにつれて強度は上昇し続けました。研究全体の中で記録された最高強度は、45%のスラグを含む混合物であり、28日後に18.84 kg/cm²に達しました。これは未処理の粘土に対して419%の増加でした。強度がテストされた最高量においても上昇し続けていたため、研究者たちは、理想的なスラグの量は45%よりもさらに高い可能性があると指摘しました。フライアッシュについては、すでに35%で最適値（スイートスポット）を過ぎていました。

単に土を硬くするだけでなく、処理は圧力の下での土壌の振る舞いを劇的に変えました。柔らかい粘土の上に重い荷重が置かれると、土壌は圧縮され、水が絞り出され、時間の経過とともに地面が沈み込みます。研究者たちはこの挙動を測定し、処理された土壌は沈下しにくいことがわかりました。35%のフライアッシュを含む混合物は、土壌の圧縮傾向を約70%減少させ、45%のスラグ混合物は、それを約84%減少させました。さらに、処理された土壌は未処理の粘土よりも早く沈下しました。これは、残りの沈下がより迅速に起こり、その上に建設された構造物にとって長期的な懸念になりにくいことを意味します。

おそらく最も重要な発見は、干ばつや豪雨に見舞われる地域にとって、収縮の変化です。未処理の粘土は乾燥するにつれて著しく収縮し、基礎にダメージを与える深いひび割れを生じさせます。ジオポリマー処理はこの挙動を大幅に抑制しました。35%のフライアッシュを含む混合物は体積収縮をほぼ半分に減少させ、45%のスラグ混合物は収縮を約63%減少させました。これは、処理された土壌が乾季においてもはるかに安定しており、建物が粘土質の土壌で通常直面するようなひび割れや膨張に抵抗できることを意味します。研究者たちはまた、処理された土壌がより低い可塑性を持つこと、つまり濡れたときに永久に変形する可能性が低くなり、安定性がさらに高まったことも観察しました。

これらの知見は、フライアッシュやスラグのような産業副産物を使用することが、困難な土壌を安定させるための強力で低炭素な代替手段となることを示唆しています。本研究は、35%のフライアッシュと45%のスラグが、テストされた範囲内において最も効果的な割合であることを特定し、元の強度の約5倍の強度向上を実現すると同時に、膨張と収縮のリスクを劇的に減少させました。廃棄物を高性能な結合材に変えることで、このアプローチは地盤工学的な問題を解決するだけでなく、環境問題にも対処し、従来のセメントのような重いカーボンフットプリントを負うことなく建設を行う方法を提供します。この研究は、これらのジオポリマー結合材が、問題のある粘土を信頼できる基礎材料へと効果的に変容させ、未来のインフラを支える準備ができていることを裏付けています。