気泡混合軽量土の局所的物理特性に関する研究

1．はじめに防災設計工学研究室

玉尾

由享

指導教官

海野隆哉

さの適切な評価を行えないと考えられる．

気泡混合軽量土(以下，軽量土)は盛土荷重の軽

図 2 に応力‑ひずみ曲線の一例を示した．ほと減による地盤沈下の抑制，擁壁などに作用する土んどの供試体でひずみ硬化型の挙動を示し，平均圧の軽減などに効果があることから，近年，施工一軸圧縮強さは 414kN/m2 であった．

事例が増えている改良土である．この軽量土の設計や品質管理において一軸圧縮強さを用いてい次に破壊形式と力学挙動の検討を行うために，配合を変化させた軽量土を作製し試験を行った.

るのが現状である．しかし軽量土供試体を用いて一軸圧縮試験を行った場合，土とは異なる力学挙動や破壊形式を示すことから，正確な一軸圧縮強さを評価するには問題があると考えられる．しか配合表（1m3 あたり）

表1
配合名称
基本配合

粘土

固化材

水

気泡量(kg)

(kg)

(kg)

(ｌ)

180

180297578

し，このような軽量土特有の性質について報告された事例は少ないことから，本研究では軽量土供試体の物理特性が力学挙動や破壊形式に与える軽量土要因を求めることを目的として，供試体に対して供試体各種物理試験および力学試験を行い検討した．

容器

2．基本配合の軽量土に対する一軸圧縮試験

一軸圧縮試験用

表 1 に目標密度 0.68g/cm3，水セメント比（W/C）
1.65，空気量（Air）57.8％の軽量土の配合（以12.5cm14.0cm

物理試験用

図 1 一軸圧縮試験用，物理試験用供試体作製位置

下，基本配合という）を示した．使用材料は，粘土に住友大阪セメント㈱製のスミクレー，固化材

BA

C Dにタフロック，起泡剤にサン･オリエント化学㈱製の動物性蛋白質系起泡剤のグルフォーム
No.200 を用いた．一軸圧縮試験で用いた供試体は粘土・固化材・水を練り混ぜたものに気泡発泡装置で発泡させた気泡を混入するプレフォーム方式で混合し，練り混ぜ後の軽量土を幅 26cm×長さ

写真 1600

後，直径 5cm×高さ 12.5cm のモールドを挿入し，500硬化後にモールドから脱型する方法で作製した．
なお，物理試験用供試体も同じ容器内で作製した
軽量土を用いた（図 1）．脱型後は外気に触れないようラップで覆い，恒温恒湿状態で 14 日間養生し，試験を行った．
写真 1 に軽量土の一軸圧縮試験後に見られる破壊形式の一例を示した．基本配合では 45 本中 40本（約 90％）でＢのような下部での圧縮破壊を生圧縮応力σ（kN/m 2 ）37cm×高さ 14cm のプラスチック容器に打設した

軽量土の破壊形式

400
300
200

平均一軸圧縮強さ

100

qu=414kN/m200123

圧縮ひずみε（％）

図2

応力‑ひずみ曲線3．配合を変えた軽量土の一軸圧縮試験

じた．このことから，供試体の下部が弱部となっ

表 2 に基本配合を元に水セメント比を変えた配て局所的に破壊していることから供試体の要素合（W/C シリーズ）と，空気量を変えた配合（Air性が失われており，その他の破壊形式とは異なっシリーズ）の配合表を示した．この配合表に従い，て全体的な破壊を呈していないため，一軸圧縮強先に述べた方法で軽量土を作製した．次にこれら

4．軽量土内の物理特性の軽量土に対して行った一軸圧縮試験の結果に4‑1ついて述べる．

湿潤密度試験と含水比試験

試験は JIS A 1225『土の湿潤密度試験方法』に供試体の破壊形式に着目すると，W/C が小さい

記されているパラフィン法に従って行い，密度の場合は，局部圧縮破壊以外にもせん断破壊や割裂測定には電子比重計（写真 2）を用いた．また，破壊などが確認された．一方，W/C が大きくなる

これと同時に JIS A 1203『土の含水比試験』に従と局部圧縮破壊が数多く確認された．

い，含水比の測定も行った．試験で用いた軽量土図 3 に W/C シリーズの応力‑ひずみ曲線を示しは一軸圧縮試験用供試体と同バッチで作製したた．水セメント比の小さい軽量土供試体では一軸物理試験用供試体を使用した．そして一軸圧縮試

圧縮強さが大きくなり，ひずみ硬化−軟化型の挙験同様，材齢 14 日で試験を行った．湿潤密度試動を示したが,水セメント比が大きくなるほど一験と含水比試験で使用したサンプルは物理試験

軸圧縮強さは小さくなり，ひずみ硬化型の挙動が用供試体から高さ 1cm ごとの砕片より取り出した．

多く確認された． 以上のことから単位体積重量試験結果の一例として Air65％配合の湿潤密度試の小さな配合ほど圧縮破壊を生じ，一軸圧縮強さ験および含水比試験の結果を図 4 に示す．

が小さくなることがわかった．Air 配合でも同様

湿潤密度については，全断面の結果がρt=0.55の結果が得られたことから,破壊形式・強度・変（g/cm3）付近に分布していることがわかる．つま形特性にバラツキを与える要因として，供試体内り湿潤密度からは軽量土供試体の破壊形式に影の骨格を構成する母材と間隙の比が供試体内の響を与える要因を見出せないことがわかった．こ位置によって変動するためではないかと考え，供れに対し，含水比は軽量土下部において急激に増試体の鉛直方向の湿潤密度分布を測定すること加する傾向にあることが分かった．これは下部でとした．これと同時に含水比，材料の体積にも注局部圧縮破壊する軽量土に共通して見られた傾目し，測定を行った．

向であった．

表23配合表（1m 当り）

粘土

固化材

水

気泡量(kg)

(kg)

(kg)

(ｌ)

W/C1.3

212

212

275

578

W/C1.5

194

194

286

578

W/C1.8

167

167

304

578

W/C2.0

156

156

312

578

Air20％

340

340

561

200

Air40％

255

255

420

400

14

Air65％

149

149

246

650

12

Air70％

127

127

210

70010700
W/C1.3
W/C1.5
W/C1.8W/C2.0

圧縮応力σ（kN/m 2 ）600500

写真 2高さh（cm）

配合名称

電子比重計

864400230002000.40.81.0

湿潤密度ρt （g/cm ）5060 70 80 90 100
含水比w（％）

図 4 Air65％配合の湿潤密度および含水比の分布00123

圧縮ひずみε（%）

図30.6

3100

W/C シリーズの応力‑ひずみ曲線

4‑2

軽量土内の各材料の体積分布

軽量土内の各材料の体積分布を算出するために必要となるパラメーターρs を得るため，JIS A

1202『土粒子の密度試験』に従って試験を行った．

含水比が中部の値とほぼ一致するためである．

なお，試料の脱気には真空デシケーターと真空ポ
14

得られた土粒子の密度ρs と，4‑1 の湿潤密度ρt12と含水比 w の結果から，試料の体積を V=100（cm3）10とした場合の各材料の体積（水 Vw，母材 Vs，空気Va）を算出した．計算に使用した式は以下のとおりである．

ρd =ρtw
1+100

高さh（cm）

ンプ（負圧：‑100kPa）を用いた．試験によってVs

Va

8642（式 1）00204060803

各材料の体積V（cm ）ここでρt：湿潤密度（g/cm3）
図5ｗ：含水比（%）

Air65％配合の各材料の体積分布14（式 2）

12 W/C1.8ρ
Vs = d ⋅ Vρs（式 3）Va = V − ( Vw + Vs )（式 4）

10高さh（cm）

Vw = m w = V ⋅ ρ t − V ⋅ ρ dVw

図 5 に算出した Air65％配合の各材料の体積を

Wb= 1.10Wm

W/C1.3
W/C1.5

W/C2.0

Air20%

86

Air65%

4

Air70%

Air40%

Wb= 0 .99
Wm

2 基本配合示した．空気の体積に注目すると，軽量土下部で0上部よりも空気量が少ない傾向にある．これは全50 60 70 80 90 100
含水比w（％）

配合で共通して見られた傾向であった．理論的に局部圧縮破壊考えて，空気が少ない部位では骨格が密な状態に

図6あり，その他の部位と比較すると高い強度を持つ

50 60 70 80 90 100
含水比w（％）

その他の破壊破壊形式別の含水比分布と考えられる．しかし実際に一軸圧縮試験を行った場合，下部において圧縮破壊を生じ，理論とは5．供試体採取位置を変化させた軽量土まったく異なった挙動を示した．このことから，

5‑1

供試体作製方法

空気の体積分布が破壊形式に与える影響は少な

一連の研究では，図 1 に示したように容器の最いと考えられる。そこで母材と水の関係，つまり下端付近の部位を含んで供試体を作製していた．

含水比によって破壊形式の検討を行うこととし

しかしこれまでの結果より，単位体積重量の小さた．

な軽量土を作製する際，図 1 の方法では含水比のそこで図 6 に各配合の一軸圧縮試験で見られた影響を受けることで弱部が存在すると考えられ破壊形式から，圧縮破壊とその他の破壊に分類しる．そのため一軸圧縮試験を行っても供試体下部

破壊形式別の含水比分布を示した．圧縮破壊を生で圧縮破壊が見られ，適切な一軸圧縮強さの評価じた場合，供試体下部（0.5〜2.5cm）の含水比 Wbを行うことはできないと考えられた．そこで供試が中部（5.5〜8.5cm）での値 Wm の 1.10 倍であり，体採取位置を容器の最下端から 6cm 上げて一軸圧せん断や割裂破壊を生じた場合は 0.99 倍であっ

縮試験用供試体を 21 本と物理試験用供試体を作たことから，下部の含水比が中部よりも高い場合製（以下，底上げ供試体）し，検討を行った（図に圧縮破壊が生じる可能性が高いと考えること

7）．なお，ここで使用した軽量土は基本配合にしができる．なお，ここで供試体中部の含水比を基たがって作製したものである．

準とした理由は，配合から算出した軽量土の理論

が供試体下部で高い値となるため圧縮破壊が完全に生じなくなることはなかったが，せん断や割軽量土裂破壊を多くの供試体で生じるようになったと12.5cm供試体考えられる．
底上げ供試体についての見解を述べる．

網6.0cm

一軸圧縮試験により圧縮破壊が減り，せん断や容器割裂破壊が増えたこと，応力‑ひずみ曲線で見ら一軸圧縮試験用れる挙動が変化し，一軸圧縮強さが増加したこと，物理試験用下部における含水比の急激な増加が見られない
図7

ことから，底上げによって含水比の不均衡の部分底上げ供試体の採取位置を軽減でき，より適切な一軸圧縮強さの評価がで5‑2きるようになったと考えられる．

一軸圧縮試験

図 8 に底上げ供試体の応力‑ひずみ曲線を示し14た．基本配合と異なる点として，ひずみ硬化‑軟12化型の挙動が多く見られ，平均一軸圧縮強さが基本配合の平均一軸圧縮強さは 414 kN/m2 であったことから，底上げによって変形特性が変化し，強度も 1.21 倍になったことが伺える．また，底上げ供試体に対し一軸圧縮試験を行った結果，基本配合とは異なる破壊形式を示した．基本配合では 90％の供試体において下部での圧縮破壊を生

Wb= 1.02
Wm

10
高さh（cm）499kN/m2 となったことが挙げられる．これに対し，

Wb= 1.10
Wm

86420

じたが，底上げ供試体は圧縮破壊が 33％，せん断

50 60 70 80 90 100
含水比w（％）

50 60 70 80 90 100
含水比w（％）

や割裂破壊が 67％となったことが確認された．

基本配合

底上げ

図9圧縮応力σ（kN/m 2 ）

600

6．結論

500

含水比の分布から軽量土供試体の破壊形式を400分類できることがわかった．また，底上げを行う

300

ことで含水比の影響を少なくすることができ，より適切な一軸圧縮強さの評価が可能になると考200えられる．

平均一軸圧縮強さ
100

しかし，今回の研究で用いた配合は水セメント

2qu=499kN/ｍ比と空気量をそれぞれで変化させたものであり，

00

図85‑3

基本配合と底上げ供試体の含水比分布

123

これらを同時に変化させた配合を行っていない

圧縮ひずみε（％）

こと、さらに本研究では容器に打設した軽量土に底上げ供試体の応力‑ひずみ曲線対して試験を行ったものであることから，配合ケ含水比試験

4‑2 より，含水比の分布傾向によって軽量土供ースの拡張と，実際に施工される軽量土に対する検討を行うことの 2 点が今後の課題である．

試体の破壊形式が分類できることが明らかとなったことから，基本配合と底上げ供試体の含水比【参考文献】

を図 9 に示した．底上げ供試体の含水比は基本配1）軽量地盤材料の物理評価に関する研究委員

合と異なり，下部において急激な上昇をする様子

会：軽量地盤材料の開発と適用に関するシンポジは見られず，供試体下部での含水比は中部の値にウム発表論文集，社団法人

比べ 1.02 倍であることがわかった．若干含水比

地盤工学会，2000．