FA モルタルの防砂シート代替材としての適用に関する技術的検討
Technical Investigation on FA Mortar as a Substitute for a Sucking Prevention Sheet
元木卓也*・鶴谷広一**・吉平健治***
MOTOKI,Takuya , TSURUYA,Hiroichi and YOSHIHIRA,Kenji* （財）沿岸開発技術研究センター
**

東海大学
***

海洋研究所

内閣府

企画部

研究員

教授（前（財）沿岸開発技術研究センター

沖縄総合事務局開発建設部

港湾計画課

理事）

建設専門官

A new material (FA mortar) which is mainly made of coal ashes is investigated experimentally andnumerically for the use of sucking prevention behind the backfill of a caisson in place of a sheet. Thevalidity is confirmed in the present study and based on the investigations, the test execution has been
conducted in Naha Port.
Key Words : FA mortar, coal ashes , sucking prevention sheet ,Naha Port

1. はじめにわが国の電気事業における石炭灰の発生量は平成12年度で約 630 万トンであり，平成 18 年度には 1,000 万トンを越えると推測されている．この内，有効利用率はセメント原料を中心に約 70％であり，残りは管理型処分場に埋立て処分されているのが現状である．今後増加する石炭灰に対処するために，有効利用に関する技術開発は重要な課題と言える．
一方，国土交通省の「港湾の技術開発の長期政策」においては，リサイクル材料の積極的な活用を通した循環型社会への対応などが重要技術開発テーマとして掲げられている．
沖縄総合事務局では，那覇港（新港ふ頭地区）岸壁整備工事が進められており，その内，裏込石表面に防砂シートによる吸出防止工を計画している．しかし，事例調査結果等から防砂シートの被災による土砂吸出しおよび陥没等が多地点で確認されており，その復旧対策に苦慮しているのが現状である．そこで，防砂シートと比較して耐久性に優れ被災しにくい代替材料として石炭灰を主体とした吸出し防止工（FA モルタル）について適用可能性を見極めるため，技術的検討を実施した．本論文では，
FA モルタルの特性を把握するための室内試験，FEM 解析による安全性の検証，透過波圧低減に関する水理模型実
験，現場試験工事等の検討について述べる．

2. FA モルタルの概要と施工法 1),2)
FA モルタルとは，石炭灰 F（フライアッシュ）に少量のセメント C（セメント添加率 C/(C+F)の範囲では 5～10％）を添加し，適量の混練水と混合することで力学特性を大幅に改善した新材料であり，軽量性，高い流動性，遮水性，環境に対する安全性が特徴である．施工は，FAモルタルの打設時に運搬・圧送中の流動性（スランプ≒20cm±2cm）を確保するためかつ傾斜部に対して安定性を保つために，打設直前に硫酸アルミニウムを添加（全粉体乾燥重量の 0.5%程度）することによって，型枠無しで行うことができる。この施工法を FAM-NF 工法と呼んでおり，今回の試験施工もこの工法で行った．

3. FA モルタルの設計
本検討のフローを図-1 に示す。FA モルタルの配合を変化させたときの物理性状について室内試験を行って確認し，構造物の沈下を予測したあとで，室内試験の値を用いて FEM 解析を実施し，最終的に FA モルタルの必要厚さを検討した．
開始

一軸圧
縮試
験曲げ変形試
験

沈下計
算

ＦＥ
Ｍ解析

必
要
厚さ検討

終了

物理性状確認のための室内試験

図-1 FA モルタル設計検討フロー

3.1 FA モルタル特性把握のための室内試験
FA モルタルの設計にあたり，セメント添加率，水粉体比（W/(C+F)）をパラメータにして 18 ケースの一軸圧縮試験，曲げ変形試験を実施し，強度と変形係数の関係，クラック進展に伴う周辺ひずみの変化等の把握を行った．
尚，FA モルタルは石炭灰が主材料であるため，その性状は炭種，排出元（発電所等）で大きく異なる．本室内試
験では，試験工事で用いる電源開発(株)石川石炭火力発電所産（湿灰）を用いて実施した．
(1) 一軸圧縮試験及び曲げ変形試験結果
図-2および図-3に一軸圧縮試験と曲げ変形試験結果を示す．

(3) 沈下予測計算結果
護岸法線位置を沈下量=0 とした場合の相対変位量は，
FA モルタル法尻部で約 25cm 程度，無処理部で約 40cm 程度となった．これらの変位量を FEM 解析時の沈下量として与えることとした．

3.3 FEM 解析
図-2 一軸圧縮強度(qu)と変形係数(E50)の関係

3.1 および 3.2 で得られた FA モルタルおよび地盤のデータを基に，FEM 解析を行った．
(1)解析用物性値
表-1 に，解析に使用したそれぞれの物性値を示す．
表-1 解析物性値
構成材料名

図-3 引張応力(σt)と変形係数(Et)の関係

上記の結果から以下の関係が得られ，後述する弾性解析（FEM 解析）の物性値として用いた．
Ｅ50≒200qu(1)
Ｅt ≒3000σt(2)
尚，同時に破壊時のσt/qu の整理結果から，σt が qu の20％程度以上になるとクラックが発生すると考えられる．

FA モルタルが破壊する状況は，ケーソン背面に埋立土砂が投入され，圧密沈下の進行に伴い FA モルタルに引張応力が発生し，許容引張応力を上回った場合が想定される．従って後述する FEM 解析に用いる条件として検討位置における相対的な最大沈下量を求めた．尚，計算ソフ
トは圧密計算沈下システム DECALTO（富士通 FCENA/X シリーズ Windows 版）を使用した．
(1) 検討断面図-4 に検討断面図を示す．下層地盤は地質調査資料よりシルト質砂層（厚さ：6～7m），沖積粘土，洪積粘土，琉球石灰岩（-40m 以深）となっており，ほとんど水平にしている．また，護岸の下層地盤は SCP（As=80％）及びSD により地盤改良が成されている．

岸

沈下部要素
ケーソン
基礎捨石
裏込石
FAモルタル

111818181.65

圧縮強度
qu(N/mm2)

弾性係数E(MN/m2)

－－－－－
5.0
7.0

1,000
沈下調整
3,000
100
301000
1,400

ポアソン比

引張強度σt(N/mm2)

0.49
0.05
0.2
0.3
0.3
0.2

－－－－－
1.0
1.4(2)解析モデル図
図-5 のようなモデル図を用いて解析を実施した．

3.2 周辺地盤の沈下予測

H.W.L +2.10
L.W.L +0.02

岩盤

単位体積重量γt(kN/m3)線)法.0m31(壁図-5 解析モデル図(3)解析ケース
解析ケースは，qu=7N/mm2 一定で FA モルタル必要厚さ(t)を 0.4～1.5ｍに変化させた場合と，t=1.0ｍ一定で quを 4～10N/mm2 に変化させたケースで各々裏込め石の変形係数を 2 種類用いて合計 30 ケース実施した．
(4)解析結果代表的な解析結果を図-6 に示す（t=1.0m，qu=7N/mm2）．
また，
FA モルタルの必要厚さを 1.0ｍとして設計強度(qu)を 4～10N/mm2 に変化させた場合の安全率を図-7 に示す．

▽+2.00FAモルタル
1 :1.2(tf/m2)▽-15.1＋ 2.0▽-21.0▽-40.0

図-4 検討断面15.0(2) 土質定数，圧密係数(Cv)，体積圧縮係数の設定(Mv)
土質定数，圧密係数(Cv)，体積圧縮係数(Mv)等は，事前のボーリング調査及び圧密試験結果の値を使用した．

(m)‐21.0図-6 応力分布図(t=1.0m,qu=7N/mm2)

2.00

2.00

1.80

1.80
1.591.63
1.491.54
1.43
1.37
1.25

1.40
1.20

1.60
1.40
1.20
1.00

1.00

0.80

0.80
最大発生応力
安全率

0.60
0.40

安全率

引張応力(N/mm2)

1.60

張強度を低減させ，クラックの進展深さと FA モルタル厚さ t=1.0ｍの関係を安全率で整理した．図-8 に安全率とクラック深さの関係を示す．
これによると，Fs=0.5 においてクラック深さが 1.0mとなり FA モルタルを貫通する結果となった．この結果と表-2 の結果から，FA モルタルの強度が仮に 4N/mm2 で裏込め石の弾性係数が 1,000MN/m2（Fs=0.82）であっても、厚さ 1.0m の FA モルタルではクラックが貫通しないことが分かった．

0.60
0.400.20

0.200.000.000246810
設計強度(N/mm2)1214

図-7 設計強度と発生最大応力および安全率の関係

図-6 から深さ-15m 程度の位置で，FA モルタルの表面付近に最大応力（約 1N/mm2）が発生していることが分かる．
この場合の安全性の評価では，安全率(Fs)≧1.4 となっている．
図-7 より設計強度が 4N/mm2 における最小安全率でもFs=1.25 となり安全性は確保されている．
また，解析用物性値の内，FA モルタルの変形に最も影響があるのは裏込め石の弾性係数である．その違いによる感度分析を実施した．その結果を表-2 に示す．

弾性係数
(MN/mm2)

4.0
5.0
6.0
7.08.09.010.0

800
1,000
1,200
1,400
1,600
1,8002,000（※

最大引張応力3000.64(1.25)
0.73(1.37)
0.84(1.43)
0.94(1.49)
1.04(1.54)
1.13(1.59)
1.23(1.63)( )は安全率を示す(N/mm2)
500
700
1000
0.78(1.03) 0.89(0.90) 0.98(0.82)
0.91(1.10) 1.02(0.98) 1.11(0.90)
1.07(1.12) 1.14(1.05) 1.24(0.98)
1.17(1.20) 1.26(1.11) 1.37(1.02)
1.26(1.27) 1.36(1.18) 1.48(1.08)
1.34(1.34) 1.45(1.24) 1.57(1.15)
1.44(1.39) 1.56(1.28) 1.67(1.20)

部分は裏込め石の弾性係数(MN/m2)，

4.1 概要表-3 実験条件は安全率

Fs≧1.0 の範囲を示す）

これらの結果より，FA モルタルの圧縮強度が低下を生じても安全率を確保できるように設計強度を 7N/mm2 と設定した．また，FA モルタルの厚さについても，同様に安全率を確保できる 1.0m とした．

3.4 仮想モデルにおけるクラック進展解析
FA モルタル表面のクラック発生安全率がどの程度になれば、FA モルタルにクラックが貫通するのか、FA モルタ
ル厚さを 1.0m とした場合について試算を行った。厚さ1.0ｍの板に強制的に変位を与えて引張応力が発生する
簡易モデルを想定し，クラックをジョイント要素で表現し，仮想最大引張応力に対してジョイント要素の許容引1.20

case
1-H1-H
1-H1-L
1-H2-H
1-H2-L
1-H3-L
1-H4-L
2-H2-H
不規則波

天端被覆なし〃〃〃〃〃ありなし

波 高(m)
2.8
〃〃〃
4.2
1.6
2.8
H1/3=1.6

周 期(s)
12.6
〃
15.1
〃
〃
12.6
15.1
T1/3=12.6

潮 位(m)
H.W.L.＋2.1
L.W.L.±0.0
H.W.L.＋2.1
L.W.L.±0.0〃〃
H.W.L.＋2.1
L.W.L.±0.0

4.2 実験結果
図-9 に実験結果を示す．FA モルタルが裏込め石天端を被覆していない場合には，FA モルタルに作用する波圧はケーソン前面の波圧の 30％程度になるが，FA モルタルが裏込め石天端を被覆している場合（ケース 2-H2-H）は53％になった．これは既往の実験結果 3)と同様であった．
今回は天端を被覆しないことを想定しているので，この結果から事前検討で得られているFAモルタルの必要厚さ 1.0ｍ（ケーソン前面波圧の 30％で算定）の妥当性を確認できた．
1.0p/p max

1.00
0.80
0.600.530.50.400.31

0.200.25

1.00
2H2-H

波0.0不規則図-8 安全率とクラック深さの関係

0.30

1H4-L0.90

0.25

1H3-L0.80
安全率0.23

1H2-L0.70

0.26

1H2-H0.60

1H1-L0.00
0.50

0.24

1H1-H

クラック深さ(m)ケーソン前面にて受けた波圧(p)はマウンドを透過し，透過波圧(pmax)となってケーソン背面に作用する．埋立て完了までの工事期間は，この透過波圧に FA モルタルの自重で抵抗させる必要があることから，その透過波圧を適切に評価し，FA モルタルの必要厚さ 1.0m の妥当性を確認すること必要があったため，水理模型実験を実施した．

模型実験は，模型縮尺を 1/20 とし，70m 二次元造波水路内に模型を設置して表-3 に示す実験条件で実施した．
なお，波高 2.8m，周期 12.6s が那覇港における設計条件の最大波である．

表-2 裏込め石の変形係数別の安全率
圧縮強度(N/mm2)

4. 透過波圧の低減効果に関する検討

図-9 各実験ケースにおける p/pmax

5. 現場試験工事

6. 今後の課題

前述の検討結果を考慮し，那覇港にて以下に示す試験工事を実施した．

本試験工事では，粉塵等の環境対策設備の簡素化を図るため，FA モルタルの主材となる石炭灰に湿灰を用いた．
しかし，湿灰が予想以上に搬送および計量設備に負荷をかけ，プラント全体の製造能力を低下させた．今後は搬送および計量設備の改造等の対策が必要であると考えている．また，今回は，配合試験の段階から石炭灰の排出元を特定して実施した．今後は，異なる発電所からの供給も想定して事前に配合試験を実施し，その施工性およびFAモルタルの強度特性等を十分に把握する必要がある．

5.1 概要試験工事の概要を表-4 に示す。
表-4 試験工事の概要
工期
平成13年12月～平成14年3月
施工数量
約1,700m2
設計強度
7N/mm2
セメント添加量C/(C+F)=10%
基本配合 水粉体比
W/(C+F)=40%
硫酸アルミニウム添加量
B/(C+F)=0.5%
日打設量
約90m3

5.2 品質管理

7. おわりに

品質管理は，打設日に供試体を 3 本分採取し，材例 28
日において一軸圧縮試験を実施した．併せて現場においてドラム缶内に打設したもの（現場コア）を海中で養生し，所定の材齢を経た後引揚げて，供試体作成後一軸圧縮試験を実施した．また，現場コアを用いた溶出試験，打設中に周辺の海水を採取した水質分析を行なった．
(1)一軸圧縮試験結果
室内海水養生の供試体および現場コアの一軸圧縮試験
結果は，全てのデータが設計強度(7N/mm２)を上回り，全体の平均強度が 8.1N/mm２となった．また，変動係数も 5％以下となり，均一な FA モルタルが製造・施工されたことが確認された．
(2)溶出試験結果
表-5 に示すように，全てのデータが土壌環境基準値以下となっており，環境への影響が無い事が確認された．
(3)水質分析結果
表-6 に示すように，全てのデータが排水基準値以下となっており，周辺への影響が無い事が確認された．

今回の防砂シート代替材としてのFAモルタルの適用に関する技術検討の結果，室内試験で得られた物性を用いたFAモルタルの設計の考え方，透過波圧低減効果の把握，試験工事における施工性，環境特性等について知見が得られた．その結果，防砂シートの代替材として FA モルタルの適用が十分可能であるという結論を得た．石炭灰を用いた本工法は，技術的妥当性の他にリサイクル材料の積極的な活用による循環型社会構築の観点からも，本格採用に向けた検討が進められることが期待される．

謝辞
本研究の実施および本論文をまとめるにあたり，電源開発株式会社のほか，関係者各位の方々に多大なるご協力をいただきました．深く感謝の意を表します．

参考文献
1) 能登原功.和田重久.鷲尾朝昭：フライアッシュモルタルを5.3 施工状況

用いた岸壁工事の施工,電力土木,No.284,pp.29-33,1999.

写真-1，写真-2 に施工状況写真を示す．写真-1 はコンクリートポンプ車の筒先からFAモルタルが排出されている状況である．これは，硫酸アルミニウムを添加後の状況であり，スランプ値は 10cm 程度である．
表-5 溶出試験結果
項目
ｐHSS
六価クロム
砒素
セレン濁度

単位
－mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
度

項目
ふっ素
ほう素
砒素
六価クロム
セレン単位
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l
mg/l

打設直上 ケーソン外港 環境基準値
8.2
8.2
1.8
N.D
N.D
N.D
0.5
N.D
N.D
0.1
N.D
N.D0.1
1.00.3-2) 井関晴夫.栗島敏.鷲尾朝昭：フライアッシュモルタルを用いた管理型灰処分場遮水工事の施工,電力土木,pp.106-110,1991.
3)

高橋重雄.鈴木高二朗.徳淵克正.岡村知光.下迫健一郎.善功企.山崎浩之：護岸の吸い出しに関する水理模型実験,港湾技術研究所報告,Vol.35,No2,pp.3-58,1996.

表-6 水質分析結果
計量結果
0.2
0.140.003
0.02N.D

環境基準値 測定下限値
0.8
0.1
1.0
0.01
0.01
0.002
0.05
0.01
0.010.005

写真-2 天端打設遠景
写真-1 天端打設近景