20270 日本建築学会大会学術講演梗概集（九州） 2016 年 8 月微細気泡混入による地盤改良体の品質改善に関する研究 - 粘性土を対象とした基本検討 - 深層混合処理工法一軸圧縮強度微細気泡変動係数正会員 ○ 奥山誠也* 正会員下村修一** 〃笹田寛* 〃水谷羊介*** 〃中村博*** 〃平野 ④ ①発生器 ②撹拌器聡*** 粘性土分散剤 1.はじめに深層混合処理工法では均質な地盤改良体を造成するため、施工時に機械的な対策が図られている他に、粘性土地盤において粘土粒子とセメント粒子の表面電位の違いにより生じる凝集体の形成を防ぐために分散剤を用いた化学的対策も取られている 1)。一方、近年多くの分野で微細気泡（マイクロバブル、ナノバブル等）が盛んに活用されている。微細気泡は直径数十μm 以下で水中では上昇速度が遅く消泡し難いなど様々な性質を持つ 2)。地盤工学の分野では、これらの特性を生かし地盤の不飽和化による液状化対策として、微細気泡を含んだ水を地盤中に注入する方法が試みられている例えば 3)。微細気泡は水溶液中で負に帯電していることが知られている 2)。このことはセメントスラリー中に微細気泡を混入させた場合、微細気泡は正に帯電しているセメント粒子と互いに引き合い、セメント粒子の表面電位の低下が期待できる。これにより、ソイルセメントスラリー中ではセメント粒子と粘土粒子との凝集体の形成を防ぎ、分散剤の使用時と同様の効果が期待できると考えられる。本研究ではセメントスラリーに微細気泡を使用した場合の効果について一軸圧縮強度とそのばらつきを対象に既往の研究結果 4)と比較検討した。 2. 微細気泡発生装置図 1 及び写真 1 に微細気泡の発生装置と微細気泡を水道水に吐出した様子を示す。微細気泡の発生方法は各種提案されている 2)が、本研究ではセメントスラリーに微細気泡を混入させる事を主な目的としているため、撹拌せん断方式を採用した。本装置は主に微細気泡の発生器とその外周部に設けた撹拌器から構成されている。微細気泡は発生器内のインペラを高速回転（本研究では 4000rpm）させ、負圧によって内部に外気を自吸し、その外気をインペラによりせん断することで生成される。同時にインペラ外周部に設けた多孔板からセメントスラリー内に吹き込まれ、撹拌翼でセメントスラリー全体に拡散される。 3.実験条件本研究では試料土に粘性土を用いた。表 1 に試料土の配合および固化材の条件、図 2 に土の粒径加積曲線を示す。試料土はカオリン粘土(ρs=2.748、IP=30.2)と珪砂 5 号 (ρs=2.667)をそれぞれ乾燥状態の質量比 7：3 で混合した後、含水比調整を行った。固化材には一般軟弱土用のセメント系固化材（以下、固化材）を用い、試料土の質量に対して 10％添加した。表 2 に実験ケースを示す。Case1 は分散剤および微細気泡を混入しない、比較検討を行う基本となる条件である。 Improvement of soil cement quality by fine bubble -Fundamental study for cohesive soil- ③通気管 ④空気取り込み口 ② 多孔板インペラ内蔵 ③ ① 発生器拡大図 1 微細気泡発生装置 (a)吐出前 (b)吐出中写真 1 微細気泡の吐出状況(水道水) 表 1 試料土の配合及び固化材の条件試料土固化材カオリン粘土珪砂5号含水比 W/C 添加率 (kg) (kg) (%) (%) (%) 3.6 1.6 70 60 10 100 90 通過質量百分率 (%) 80 70 60 50 40 30 カオリン粘土珪砂５号試料土 20 10 0 0.001 0.01 0.1 1 10 100 粒径(mm) 図 2 粒径加積曲線表 2 実験ケース Case 1 2-1 2-2 3-1 3-2 微細気泡混入対象セメントスラリー固化材用水 - 分散剤添加率 (%) 添加対象材齢（日） 7,28 - 7 0.2 0.6 固化材用水 7,28 Seiya Okuyama, Shuichi Shimomura, Hiroshi Sasada, Yousuke Mizutani, Hiroshi Nakamura and Satoshi Hirano ― 539 ― *日本大学大学院 **日本大学生産工学部 ***兼松日産農林ることで従来著者らが同様の目的で使用してきた分散剤と同程度もしくはそれ以上に期待できる強度のばらつきへの低減効果が確認された。本実験では外気を自吸しており、気泡径及びその分布範囲は制御していないため、今後はばらつきや強度発現に対して最適な制御方法を検討するとともに、各種土質に対する効果の検証も進める予定である。謝辞本研究の実施に当たり、日本大学生産工学部の松本真和准教授に有益な助言並びに実験の協力を頂きました。ここに記して謝意を表します。 -参考文献1)水谷羊介：界面活性剤添加によるソイルセメントパイルの品質改善に関する研究，日本大学博士論文，2004.1 2)柘植秀樹監修：《普及版》マイクロバブル・ナノバブルの最新技術，シーエムシー出版，2015.5 3)山田ほか：マイクロバブル混入工法による液状化対策の検討，第 41 回地盤工学研究発表会，pp.855-856，2006.7 4)笹田ほか：グルコン酸系分散剤による地盤改良体の品質改善に関する研究-室内配合試験に基づく強度のばらつき検討-，日本建築学会大会学術講演梗概集，構造Ⅰ，pp.535-536，2015.9 Case 1 平均一軸圧縮強度（kN/㎡） 445 変動係数（％） 45.1 2-1 521 17 2-2 490 11 3-1 624 23 3-2 505 13 1000 一軸圧縮強度(kN/m2) 800 600 400 200 0 1 2-1 2-2 3-2 3-1 Case No. a)材齢 7 日 Case 1 平均一軸圧縮強度（kN/㎡） 1223 変動係数（％） 24 2-1 805 16 2-2 3-1 964 9 2000 一軸圧縮強度（kN/m2） Case2 シリーズは微細気泡を混入させた条件であり、セメントスラリーに混入させた Case2-1 と固化材用水に混入させた Case2-2 の 2 ケースとした。Case3 シリーズは分散剤を用いた条件である。なお Case1 及び Case3 シリーズは既往の研究結果 4)を用いた。微細気泡を混入させた供試体の作製方法は以下の通りである。 ①カオリン粘土と珪砂 5 号を混合し、含水比調整水（水道水）を加えた後、ミキサーで 5 分間撹拌混合し試料土を作製する。 ②セメントスラリーは固化材用水（水道水）に固化材を入れ、ハンドミキサーで撹拌混合し作製する。この際、固化材用水に微細気泡を混入させる場合は、あらかじめ微細気泡発生装置で固化材用水に 5 分間微細気泡を混入させる。 ③セメントスラリーに微細気泡を混入させる場合、②で作製したセメントスラリーに微細気泡発生装置で 5 分間微細気泡を混入させる。 ④試料土にセメントスラリーを投入後、ミキサーで 1 分間撹拌混合しソイルセメントスラリーを作製する。 ⑤ソイルセメントスラリーを直径 5cm、高さ 10cm のモールドに 3 層に分けて詰め、各層タッピングを行い、供試体を作製する。供試体は 20℃、60％の恒温恒湿下で 7 日または 28 日養生した後、一軸圧縮試験（20 供試体）を行った。 4.実験結果図 3 に実験ケース毎の全供試体の一軸圧縮強度とその平均及び変動係数を示す。材齢 7 日においてセメントスラリーに微細気泡を混入した Case2-1 は分散剤および微細気泡を混入していない Case1 と比較して平均強度は大きく、ばらつきは低下していることが確認できる。固化材用水に微細気泡を混入した Case2-2 は Case2-1 と比較して平均強度及びばらつきともに若干低下していることが確認できる。固化材用水に微細気泡を混入させると、固化材との撹拌混合の過程で比較的大きい気泡径の微細気泡は消泡することから、ソイルセメントスラリーの凝集を抑える効果は視認できない程度の小さい気泡径の微細気泡により発揮されると考えられる。また、微細気泡を混入した場合、分散剤を 0.6%添加した Case3-2 とほぼ同程度の効果となることが確認できる。材齢 28 日においてセメントスラリーに微細気泡を混入した Case2-1 は Case1 と比較してばらつきは低下したが、平均強度も低いことが確認できる。分散剤を 0.2％添加した Case3-1 と比較するとばらつきはほぼ変わらず、平均強度は若干小さいことが確認できる。強度発現の遅延効果を発揮する分散剤と同様に、微細気泡も強度発現に対して影響している可能性がある。ただし、微細気泡についても材齢 7 日に対して材齢 28 日では 1.5 倍以上の強度増加が認められる。 5.おわりに本研究では、粘性土を対象とした深層混合処理工法においてソイルセメントスラリーの撹拌性能を向上させ、強度のばらつきを抑えることを目的とし、微細気泡に着目してその効果を検討した。その結果、微細気泡を用い 1600 1200 800 400 0 1 3-1 2-1 3-2 Case No. b)材齢 28 日図 3 平均一軸圧縮強度と変動係数の関係 *Graduate School, Nihon University ** College of Industrial Technology, Nihon University ***Kanematsu-NNK Corporation ― 540 ― 3-2 844 24