Effect of the addition of cement on the loess stabilization: a case study of Gorgan loess from northern Iran

イラン北部のゴルガンの街の地下には、レスと呼ばれる独特な土壌が広がる広大な領域が存在します。専門知識のない人の目には、それはありふれたクリーム色の土に見えるかもしれませんが、地盤工学エンジニアにとっては、隠れた脅威です。この土壌は、風で運ばれた塵が緩やかなハニカム構造（蜂の巣状の構造）として堆積することで形成されます。乾燥しているときは荷重を支えることができますが、これには危険な秘密があります。水で飽和状態になると、その脆弱な内部結合が溶け出し、建物や道路の重みによって地面が突然崩落し、急速に沈下してしまうのです。「崩壊性」として知られるこの現象は、レスの堆積層が70メートル以上の深さに達することもあるこの地域において、深刻な構造的被害を引き起こしてきました。エンジニアにとっての課題は、この土壌を脆くしたり、処理費用を高くしたりすることなく強化し、雨が降っても地面が安定した状態を維持できるようにする方法を見つけることです。

テヘラン大学とコム大学の研究者たちは、一般的で安価な材料であるセメントを用いて、この問題を解決しようと試みました。彼らの目的は、ゴルガンのレスにセメントを混合することで、崩壊の危険がある土壌を強固な基礎へと変容させられるかどうかを確認することでした。彼らは現地の土壌サンプルを採取し、重量比でゼロから最大9パーセントまで、さまざまな量のセメントを混合しました。時間の経過がプロセスにどのように影響するかを理解するために、彼らは混合物をすぐにテストするのではなく、実際の建設プロジェクトで起こる養生プロセスをシミュレートするために、サンプルを密閉容器に入れて7日間、14日間、そして28日間放置しました。その後、硬化したサンプルに対して、圧縮性、膨張性、および破壊するまでに耐えられる力（強度）を測定する一連のテストを実施しました。また、強力な顕微鏡を用いて土壌を詳細に観察し、微視的なレベルで何が起きているのかを化学的に分析しました。

結果は驚くべきものでした。未処理のレスは極めて弱く、圧縮強度はわずか0.1メガパスカル（土壌が破壊される前に耐えられる圧力の尺度）でした。しかし、研究者がセメントの添加量を増やし、混合物の養生時間を長くするにつれて、土壌は著しく強くなりました。最も劇的な改善が見られたのは、9パーセントのセメントを添加したサンプルでした。28日間の養生後、これらのサンプルは未処理の土壌よりも8.5倍強くなっていました。研究者たちは、土壌を養生させる時間が長いほど強くなることを観察しており、これは化学反応によって土壌粒子が時間の経過とともに継続的に結合していることを示しています。この強度の向上は、単にセメントが隙間を埋めているだけではなく、セメントが土壌中のミネラルと反応して、新たな耐久性のある結合を作り出すという化学的な変容の結果でした。

強くなっただけでなく、処理された土壌ははるかに安定し、この地域を悩ませている危険な沈下に対しても耐性が高まりました。研究者たちが濡れた際の土壌の崩壊傾向を測定したところ、セメントの添加によってこのリスクが劇的に減少することが分かりました。未処理のサンプルでは、崩壊の可能性は「中程度に深刻」と分類されましたが、9パーセントのセメントを加えたサンプルでは、このリスクは「わずかな」レベルまで低下しました。これは、土壌が突然沈下する可能性が極めて低いことを意味します。同様に、圧力による圧縮や、濡れた際の膨張の傾向も大幅に減少しました。セメントを添加すればするほど、土壌の動きは少なくなり、緩い水に敏感な土ではなく、まるで固い岩石のように振る舞う材料となるのです。

なぜこのような変容が起きたのかを理解するために、チームは走査型電子顕微鏡と化学分析を用いて土壌の内部を覗き込みました。未処理のレスは、大きな開いた孔（あナ）と粒子間の弱い結合を持つ混沌とした構造、つまり砂が緩く積み重なったような状態を示していました。対照的に、セメント処理されたサンプルは全く異なる姿を見せました。顕微鏡画像は、セメントが土壌粒子の間の空隙を埋める針状の構造とゲル状の物質を作り出したことを明らかにしました。これらの新しい形成物は「ケイ酸塩水和物」として知られ、個々の粒子を密接に相互接続されたネットワークへと結合させる接着剤のような役割を果たしました。このプロセスは「凝集（フロック形成）」と呼ばれ、緩く開いた構造を緻密でコンパクトな塊へと変えました。化学分析により、カルシウムやその他の結合元素の量が増加した一方で、元の土壌の持つ分散しやすい性質が、強固で凝集力のある構造へと置き換わったことが確認されました。

本研究は、セメントの添加がイラン北部の問題となっているレスを安定化させるための非常に効果的な方法であると結論付けています。セメントの含有量を増やし、混合物を十分に養生させることで、エンジニアは強度が大幅に向上するだけでなく、水が導入された際の突然の崩壊にも耐えうる土壌を作り出すことができます。この研究は、9パーセントのセメントを適切に加えるだけで、地盤工学的な脅威を信頼できる基礎へと変えられることを実証しており、この特定の種類の土壌崩壊が起こりやすい地域における、実用的かつアクセシブルな解決策を提示しています。研究結果は、適切な配合と十分な時間があれば、私たちの足元の地面をしっかりと踏みとどまらせることができることを示唆しています。