特集

沿岸技術の進展と研究課題 ～コースタルテクノロジーの現況～

建設・産業副産物の地盤材料としての有効活用をめぐる技術菊池 喜昭

東京理科大学 理工学部 土木工学科 教授

1. はじめにに、浚渫粘土のように、従来まず埋立地に放り込んで、埋め立て完了後地盤改良すればよいという対応を改め、埋め立てると

著者は 5 年前に CDIT No.471）で、「建設副産物等の有効活用同時に良好地盤として機能するような、浚渫土の積極的利用のをめぐる技術開発の動向と展望」を執筆した。本稿では、改め道を開くというふうに変化した。⑤は特に東日本大震災の後にて、副産物を地盤材料として有効活用するときに考えるポイン注目されてきている。東日本大震災では、災害廃棄物の大規模トを紹介してみたい。副産物の有効活用に関する背景や狙いにな分別が行われ、できる限り多くの廃棄物を再利用しようとしついて、一部前稿と重複するところがあるが、読者の便のため、てきている。その一つの表れが、公益社団法人地盤工学会が独重複を恐れずに書いていきたい。

立行政法人国立環境研究所から委託した、「災害廃棄物から再25 年ほど前に建設副産物や産業副産物を有効活用しようと生された復興資材の有効活用ガイドライン」2）の策定である。

いう機運が起きた理由は、簡単に言うと、①天然資源の枯渇のこのガイドラインの趣旨は、災害廃棄物の処理の結果得られた危険性と地球規模での自然保護、②廃棄物処分場のひっ迫、③復興資材を地盤材料としての特性と環境安全性に配慮しながら臨海部で大量に産出する副産物等の積極的利用の促進、④港湾積極的に有効利用しようとするものであり、安定型の廃棄物に施設の老朽化対策に必要となる新たな性質を持つ地盤材料の開ついてはかなりの部分が地盤材料としても使えるとしたもので発の必要性が主たるものであったと思う。その後、阪神淡路大ある。その際、最後に残ったのが、篩い下残渣で、これについ震災、東日本大震災などを契機に、⑤災害廃棄物の有効利用がては、一般には地盤材料としても取り扱いが難しいものという視野に入ってきていると思われる。

範疇に置かれた。

①については、港湾工事はおおむね大規模工事で、大量の地盤材料を使用してきているということで、良質の石や砂が枯渇

2. 人工地盤材料に求められる性質していることからくるものである。②は廃棄物の最終処分場の港湾等工事で用いられる、建設副産物等を加工して作られる残余が少ないことから、廃棄物の最終処分量を削減する必要が人工地盤材料にはどういう性質が求められているのだろうか。

出ており、そのために分別収集が進んでいるが、分別した材料

人工地盤材料が持つべき基本的な性質は、大量に産出するこを有効に利用することでさらに最終処分を減らそうというものと、材料品質のばらつきが少ないことがあげられる。すでに述である。③は、海外から資源を調達するわが国では、沿岸域にべたように、港湾工事では一度に大量の地盤材料を必要とする様々な工場が立地しており、そこから産出する産業副産物をでので、大量調達ができないものでは使い勝手が悪いということきるだけ有効活用しようというもので、従来、製鉄工場から出になる。また、材料の品質のばらつきが天然材料と同程度以下てくる鉄鋼スラグと石炭火力発電所から出てくる石炭灰が主たでないと安心して使えないということになる。そのうえで、従る対象であった。④は①から③までのやや受け身的内容とは少来の地盤材料の代替として用いるのであれば、使用する箇所し異なり、積極的に材料の性質を改善することで新たな地盤材に応じて、表 1 に示すような天然材料に対して要求している性料を生み出していこうというものである。これは、従来の地盤質に等しいか、それを上回る性質を持っていることが要求さ材料だけでは老朽化した岸壁の改良や更新を行うのに十分ではれる。

ないとの判断から行われているものである。この視点はさら22 CDIT 2022 ▷ No.57

ところで、人工地盤材料については、図 1 のような方法で改沿岸技術の進展と研究課題

表1

用途と地盤材料に求められる性質

利用用途

求められる性質

地盤改良材（ドレーン材）

透水性が良いこと目詰まりが生じないように粒度が良いこと

地盤改良材（サンドコンパクションパイル材）

粘性土地盤の場合：締まりやすく、十分な強度が期待でき、ケーシングからの排出が容易なもの

本体工中詰材

固まらないこと

裏込材

せん断抵抗が大きいこと、また単位体積重量が小さいこと

裏埋材（裏込材と同様）

盛土材

締め固めやすいこと
施工が容易で、せん断強度が大きく、圧縮性が小さいこと

覆土材（盛土材と同様）

埋立材

軽いこと

副産物等
建設発生土
廃棄物

特集

重いこと

膨張しないこと

圧縮しにくいこと

改質・処理・生産

用途

材料特性の改善（強度や安定性など）

一般
地盤材料

新たな機能を付与

一般の地盤材料（新材）の代替材［再資源化］

機能アップ材料

用途に適合した機能

他産業の副産物

優れた機能

用途に応じた材料

新材料

図1

高機能
地盤材料
軽量 , 流動化 , 高強度などの性質を持った材料

人工地盤材料の創造

質をし、よりよいものに変えていこうとする考え方が以前からきるだけ簡単に混ぜないと材料価格があがってしまうことにあある。図 1 中に赤で書かれたところがポイントであるが、従来る。混ぜるときに手間がかかることの例としては、SGM 軽量の地盤材料では見られないような高機能を持つ地盤材料を人工土があげられよう。SGM 軽量土は多くの方がご存知の通り、的に作ることが可能であるし、また、そういったものを作り出粘性土を主体として浚渫土に水を加えて液体状にしたものに、そうとする努力が必要であると思われる。図中にあるような、気泡あるいは、発泡ビーズとセメントを混合するものである。

機能アップとか、新たな機能とか、高性能とは具体的には何か

特に気泡の場合には、混合、圧送、水中投入時に、消泡や分離ということであるが、例えば、より軽い材料、せん断強度の大ということが問題になり、非常に丁寧な混合攪拌作業が必要ときな材料、より靭性に富む材料、透水性の高い材料など、様々なっている。これに対して、管中混合処理土は、SGM 軽量土なものが考えられ、要求は時とところによって変わるので、具と同じように、浚渫粘土にセメントを混合するものであるが、体的にこれというのは言いにくい。

粘性土の含水比をうまくコントロールすることで圧送パイプの3. これまでに行われてきた技術的検討
3.1 2 種類以上の材料を混合中で圧送中に半ば自動的に混合するものである。
また、あまり一般化されていないが、浚渫粘土にゴムチップを混ぜた材料も提案されている 3）。このときのゴムの大きさ

何かと何かを混ぜることで、悪い品質を抑え、良い品質に改は、SGM 軽量土の発泡ビーズの寸法を参考にして決めたもの

善するということはよく行われている。例えば、土にセメントで、径が 2mm 程度のものを利用している。この数字は前例がを混ぜるなどはその典型例である。ほかには、気泡を混ぜるとあったことによるものであるが、こうすることで混ざりやすか、発泡ビーズを混ぜる、ゴムチップを混ぜるなどされてきてく、分離しにくくすることができた。

いる。地盤材料の場合、混ぜるときに注意しなくてはいけない

水中投入時の分離も混合材料を利用するときの課題である。

ことは、そもそも混ぜるのは手間のかかることであるので、で事前混合処理土は、もともと砂とセメントを混合する工法であCDIT 2022 ▷ No.57 23

るが、ベルトコンベアーの上でこれらを混合し、投入する直前ときは重くすることも有利になるが、この場合には、土粒子密に、のりを吹き付けてセメントと砂の分離を抑えている。

度の大きなものを用いることが良く使われている。実際には単3.2 軽量化に土粒子密度が大きいというだけでは単位体積重量を増すこと軽くすることの一番の効果は、埋め立てた時などに基礎地盤にはつながらないので、単位体積重量を大きくするということに作用する上載荷重を低下させ、圧密沈下を抑制することにあに注意が必要である。

る。擁壁などに作用する土圧も低減できそうであるが、通常は3.3 高せん断強度化

単純に軽量化しただけでは土圧低減の効果は小さい。それは、せん断強度を高めることは構造物に作用する主働土圧の低地震時の土圧低減には上載荷重の低下があまり寄与しないこと下に寄与する。土のせん断強さはモールクーロンの破壊基準による。にみられるように、τ =c + σ tan φで表される。ここにτ：せ軽くするにはそもそも軽い材料を用いればよいので、その典ん断強度、c ：粘着力、σ：考えている面に作用する直応力、型的な例は気泡あるいは発泡スチロールを用いることである。

φ：せん断抵抗角である。構造物に作用する土圧を低下させ

3

発泡スチロールの密度は、30kg/m 程度である。粘性土の場

るには、図 2 に示すように、せん断抵抗角を大きくするより合、水を加えることは軽くすることの第 1 歩である。SGM 軽も、粘着力を大きくする方が効果的である。図 2 によれば、せ量土では液性限界の 1.5〜2.0 倍の含水比になるように水を加ん断抵抗角を 5 度変えると主働土圧係数は 2 割程度変化する

えており、これだけで材料は軽くなる。ただし、もちろん、水が、そこまでであるのに対し、粘着力が大きくなれば擁壁に作を加えただけでは水と土が分離するので、セメントを添加して用する全主働土圧を 0 にすることができる。図 3 に示すようなその状態のまま固めるということが良く行われている。その結断面で、固化改良体がそれだけで十分な安定性を保てていれ果、セメント処理土の多くは、密度が小さくてせん断強度が大ば、ケーソンが前面に動いたときに、ケーソンの背後の土がきな材料となっている。セメント処理粘性土の弱点は、ある圧崩れて、ケーソンがもとに戻れないということは起きなくな力レベル以上の圧力が作用するとセメントで固めた部分が壊れる。ではどの程度の粘着力があればよいかというと、よほどだし、大きく体積収縮することである。また、気泡などを多く大きな構造物でない限り c が 150kN/m2 もあれば十分であろ含ませた場合には、等方的に圧力がかかっただけで気泡がつぶう。c =150kN/m2 はおおざっぱに言ってコンクリートの圧縮れてしまい、体積収縮するとともにせん断強度も失うというこ強さの 100 分の 1 以下である。固化処理土の場合、φ =0 を仮ともある。

定して、c =150kN/m2 を確保しようとするならば、必要な一

このほか、軽くするには様々な軽量材が用いられており、シ

軸圧縮強さ qu は 300kN/m2 となる。これに固化処理土でよくラスなど火山灰由来の材料も軽量化材として利用されている。

使われてきた安全率 3 を考慮すると設計段階での一軸圧縮強さ

なお、カウンターウェイトやケーソンなどの中詰め材とするを 900kN/m2 見ておけば、自立する裏込めを作ることができ、

2500

1.2
1（kN/m）

Kacosδ/Ka35cosδ

全土圧

主働土圧係数の変化率

1.40.8

壁の高さ 15m

2000

単位体積重量 17kN/m3
上載荷重 20kN/m2

1500
1000
500

0.62530354045

せん断抵抗角φ（degree）（a）せん断抵抗角の変化に伴う主働土圧係数の変化
図224 CDIT 2022 ▷ No.57

0050

100

150200粘着力 c（kN/m2）（b）
粘着力の変化に伴う擁壁の全土圧の変化

土のせん断強さをあげることよる擁壁に作用する主働土圧の変化への影響

沿岸技術の進展と研究課題

特集人工材料は今のところない。大きなブロックを作って利用するというアイデアならば、まだ可能性があるかもしれないが、捨埋立材
ケーソン

固化改良体

石のようにかみ合わせを期待するとなると、粒子の局所に大きな圧縮力が作用し、割れてしまうのではないかということが問

裏込め材

題である。よほどの工夫をしない限り、天然の石材のような大基礎捨石

きな圧縮強さを持つ粒子を作るのはかなり難しい。
3.5 環境安全性

地盤改良

副産物をいざ使おうとすると、勢い、環境問題をおろそかにしがちであるが、平成 27 年に改訂された「港湾・空港等整備におけるリサイクルガイドライン（改訂）」4）において、環境に図3

対する課題の評価方法が明確化された。図 4 は参考文献 1）に土圧低減を考えた固化改良体掲載された図の採録である。検査基準が明確化されたので、対処方針が立てやすくなってきている。
ケーソンの安定性が格段と高まることになる。

3.6 災害廃棄物の活用

ところで、地盤材料に粘着力を付与するには、セメントを添

1. で紹介した⑤に関連する技術開発の中で著者の研究室で加するばかりでなく、自硬性のある材料、例えば高炉スラグや行ってきた研究を紹介する。災害廃棄物を分別して最後に残っ製鋼スラグなどの鉄鋼スラグを混ぜるなどの方法もある。

た低品質地盤材料が、篩い下残渣であるが、これが木屑を比較3.4 粒子破砕の問題的多く含む材料であり、木屑の腐朽が懸念されるため、なかな人工的に作った地盤材料の現段階での最も弱点と思われるのか扱いづらい材料であった。それを有効に活用できないかといは、粒子の圧縮強さが不足していることである。つまり、マウう研究である。この研究のヒントは、ゴムチップを混合した地ンドの大きな鉛直応力が作用する箇所のようなところに使える盤材料にあった。木屑は単体では、大きなせん断ひずみが生じコンクリート構造物（ケーソン枠、上部工、消波ブロック）
港湾用途溶出量基準（JIS 試験法）

コンクリート構造物，道路（港湾のトンネル含む）：
一般用途溶出量基準，含有量基準（JIS 試験法）
覆土材：一般用途溶出量基準，
含有量基準（土対法試験法）

ケーソン中詰材：
港湾用途溶出量基準（JIS 試験法）

埋立材：
一般用途溶出量基準，含有量基準（土対法試験法）

消波ブロック

裏込材：
一般用途溶出量基準，含有量基準（土対法試験法）

埋立材（材料の露出する恐れが無い場合）：
港湾用途溶出量基準（JIS 試験法）

裏込材（固化又は敷布有り）；
港湾用途溶出量基準（JIS 試験法）
サンドコンパクションパイル材（材料の露出する恐れが無い場合）
港湾用途溶出量基準（JIS 試験法）

図4

リサイクル材料の適用箇所の違いによる検査基準の違い（国立環境研究所 肴倉宏史氏提供）

CDIT 2022 ▷ No.57 25

れば、最終的には大きなせん断抵抗を発揮することが考えられるが、せん断剛性が著しく低いため、そのままでは使いづら

4. まとめい。ゴムチップを固化処理粘土と混ぜるとせん断剛性が低いと我が国のリサイクル材料活用技術は、これまで、再利用できいう問題が解消し、さらに、靭性が増すというメリットが出るずに困っているものを加工して使えるものにするというスタン

3）こと が明らかとなっているので、木屑と固化する材料を混合スのものが多かったと思う。これが、アメリカでは、今は捨てすることで面白い性質を引き出すことができるのではないかとてしまっているけど、うまく使うとメリットが大きいからリサ

5）

考え、製鋼スラグと木屑を混ぜる実験をしてきた 。その結果イクルするという発想が多いということをかつてアメリカの研の一例が図 5 である。ここでの条件であれば、繊維状の木屑を究者に聞いたことがある。つまり、日本ではマイナスをできる5〜20% 程度混合すると、圧縮強さが製鋼スラグ単味の場合よだけ少なくという思想であるが、アメリカの状況は、マイナスり大きくなる上、破壊ひずみが大きくなるという特徴を示しのものは捨ててプラスのものをさらに大きなプラスへという感た。木屑は腐食するのではないかとの懸念があるが、これまでじであろうか。アメリカでやっているような研究は日本では別に実験してきた範囲では、pH が高いことと、嫌気状態を作れにリサイクルの研究とは言わないと思う。結局、日本の方がよることが幸いして、腐朽の問題はあまり大きくならないかもしり厳しい条件で必要に迫られて技術開発していることになる。

れないという感触を得ている。

結局はこういった厳しい環境にさらされることで技術は進歩するのであり、技術者としてはありがたい環境が与えられているようである。

Axial stressσ(kPa)

8000600

5Numbers show the coconut ﬁber
1015 mixing ratio (vol%)20

近年では、カーボンニュートラルの観点や海底火山噴火に伴う軽石処分などが副産物の有効利用の課題と関連して来ているなど、今後とも新たな技術の開発が期待されている。

27400【参考文献】

332001）菊池喜昭：建設副産物等の有効活用をめぐる技術開発の動向と展望 , 一
般財団法人 沿岸技術研究センター機関紙 , No.47 , pp．19-21, 2017.

Curing duration = 7days
00369121518

Axial strainεa(%)2）公益社団法人地盤工学会：災害廃棄物から再生された復興資材の有効活用ガイドライン , 公益社団法人地盤工学会 , 96 p., 2014.
3）例えば、菊池 喜昭 , 永留 健 , 御手洗 義夫 : ゴムチップ混合固化処理土の破壊メカニズムとせん断時の透水性の変化 , 地盤工学ジャーナル , 1 巻 2号 , pp.19-32, 2006.
4）https://www.mlit.go.jp/kowan/kowan_fr5_000054.html

図5 屑（ココヤシ繊維）と製鋼スラグを混合した時の一軸
木
圧縮試験における応力ひずみ関係（養生7日）

26 CDIT 2022 ▷ No.57

5）Tomotaka Yoshikawa, Yoshiaki Kikuchi, Shohei Noda, Yuka
Kakihara, Akihiro Oshino : ICE Virtual Library, EnvironmentalGeotechnics, pp. 1-9, 2021. DOI:10.1680/jenge.19.00233