Stabilization of Lateritic Soil Using PET Bottle Shreds and Periwinkle Shell Ash for Subgrade Layer of Road Pavement
本研究は、ラテライト土を6%のPETボトル破片と6%の真珠貝殻灰で安定化させることが、その工学的特性、特にカリフォルニア支持力を5.5%から19.5%へと向上させることを実証しており、それによって道路舗装の路盤に対する持続可能な解決策を提示している。
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あらゆる道路は、その下に広がる地面から始まります。アスファルトの層が最初の一層でも敷かれる前に、エンジニアは、車やトラックの重さを支えて沈んだりひび割れたりしないよう、下の土壌を確保しなければなりません。この底層は「路床（サブグレード）」と呼ばれ、構造全体の基礎となります。世界の多くの地域では、利用可能な土壌として、鉄や粘土に富んだ赤色の土であるラテライトが用いられます。ラテライトは豊富に存在する一方で、特に濡れているときには圧力に弱く、それ単体で道路を建設するには適さないことがよくあります。これを解決するために、エンジニアは伝統的に他の材料を混ぜて土壌を強化してきましたが、これらの添加物は製造にコストとエネルギーを多く要します。同時に、世界は増え続けるゴミの山とも戦っています。ペットボトルや消費されたシーフードの殻は、埋立地を塞ぎ環境を害する二つの廃棄物の流れです。最近の研究を突き動かしている問いは、これら二つの全く異なる問題、すなわち「弱い土壌」と「過剰な廃棄物」を、ゴミを建設ツールに変えることで共に解決できるのではないか、という点です。
ナイジェリアのカヴェナント大学の研究チームは、二種類の特定の廃棄物を使用してこのアイデアを検証することに乗り出しました。それは、ポリエチレンテレフタレート（PET）ボトルの細かく砕いたプラスチックと、貝を燃やして作った灰です。ペリウィンクル（巻貝の一種）は西アフリカで広く食べられていますが、その殻は大量に廃棄されます。研究者たちはオグン州の現場からラテライト質の土壌を収集し、これらの廃棄物を混ぜることで土壌の挙動がどのように変化するかを確認するために、一連の実験室実験を開始しました。まず、土壌を乾燥させて均一な粉末状に砕くことで準備しました。次に、使用済みのペットボトルを洗浄し、爪ほどの大きさの細いストリップ状に裁断しました。貝については、洗浄した後に焚き火で焼き、その結果得られた灰を炉で加熱して化学的に活性化させた後、細かい粉末状に挽きました。
チームは問題を二つの段階で進めました。第一に、細かく砕いたプラスチックを、土壌が単独でどの程度扱えるかをテストしました。彼らは土壌に、総重量の2パーセントから10パーセントの範囲でプラスチック片を混ぜました。その結果、プラスチックを加えることで土壌は強くなったものの、ある一定の地点までであることが分かりました。重量比で6パーセントのプラスチックを加えたときに、土壌は最大の強度に達しました。それ以上加えると、余分なプラスチックが土の粒子が密に詰まるのを妨げてしまうため、実際には弱くなってしまいました。最適なプラスチックの量が特定された後、研究者たちは第二段階へと進み、プラスチックの含有量を6パーセントに固定した状態で、ペリウィンクル貝の灰の量を変化させました。彼らは、灰を2パーセントから10パーセントの量で加えた混合物をテストしました。
結果は明確な改善のパターンを示しました。未処理の自然な土壌は、土壌の強度を測定する標準的なテストにおいて5.5パーセントという非常に低い値を記録しました。研究者が6パーセントのプラスチック片と6パーセントのペリウィンクル貝の灰を組み合わせたところ、土壌の強度は3倍以上に達し、19.5パーセントに達しました。この特定の組み合わせは、土壌が押しつぶされることへの抵抗力、すなわち圧縮強度も大幅に向上させました。これは、自然の土壌の120.5ユニットから、処理された混合物の273.3ユニットへと上昇しました。また、研究者たちは、処理された土壌の透水性が低下したことも観察しました。つまり、未処理の土と比較して、水が通りにくくなったのです。これは、水の浸入が軟化や崩壊を招くことが多い道路の基礎にとって、極めて重要な利点です。
こうした成果にもかかわらず、研究者たちは、処理された土壌は以前よりはるかに強くなったものの、絶えず交通量のある主要な道路の重い層に求められる高い強度レベルにはまだ達していないと指摘しました。彼らが作成した最高の混合物は、交通量の少ない道路の路床層には適していますが、主要高速道路の基層の代わりになるものではありません。研究は、強度は二重のメカニズムによるものであることを示唆しています。プラスチック片は土を繋ぎ止める小さな繊維のように機能し、一方で貝の灰は土と化学的に反応してセメントのような結合を形成します。しかし、チームは、灰を加えすぎると（具体的には6パーセントを超えると）、余分な微粉末が土とプラスチックの間の結合を乱してしまうため、強度が再び低下することも発見しました。
この研究は、地域の土壌の質を向上させると同時に、環境中のプラスチックと貝の廃棄物の量を減らすための実用的な方法を示しています。研究者たちは、これらの特定の廃棄物を使用することは、ラテライト質の土壌が一般的な地域における道路建設のための実行可能な道であると結論付けました。彼らは、結果は有望であるものの、湿潤と乾燥のサイクルが何年も続く中で、この土壌がどの程度耐えられるかを確認するためのさらなるテストが必要であると強調しました。現時点では、この研究は、エンジニアリングがいかにして二つの環境負荷を、一つの有用な資源へと変えられるかを示す具体的な例を提供しています。ただし、それは「良すぎるものが問題になる地点」を避けるために、混合を注意深く調整できる場合に限られます。
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