ガラスビーズの力学特性に与える時間依存性
地盤工学研究室

門脇悠太

指導教員

豊田浩史

1. はじめに
近年，循環型社会の構築に対する意識が高まっており，土木分野でもリサイクルへの取り組みが活発となっている．例えば廃タイヤを裁断・粉砕して生成したタイヤゴムチップは，溶出試験の結果，環境への負荷が少ないことと，固化処理土と混合した際の靭性の増大や液状化しにくくなる特性から欧米諸国ではここ10 年で地盤材料として盛んに用いられている．1)2)3)
廃ガラスは，無色のものについてはガラス製品として再利用されているが，色付きのものはリサイクルが図－1 粒径加積曲線

困難である．しかし，廃ガラスはタイヤゴムチップなどと同様に骨材など土木材料として再利用されてい2.1 液状化試験(飽和非排水繰返し三軸試験)る．そこで，廃ガラスを地盤材料改良への利用が可能

本研究では，通常圧密に加え，将来的に長期圧密をとなれば，経済的で安全な社会基盤を作ることに寄与行うことを視野に入れた試験方法を用いた．長期圧密できるはずである．本研究では廃ガラスを地盤材料へをさせる際，停電等によりコンプレッサーが停止するの再利用する際，地盤改良の効果を調べるため，ガラと，所定の圧力を保つことができないため，本研究でスビーズの液状化強度特性，初期せん断剛性，静的貫は，背圧を載荷せずに試験を行なっている．間隙圧係入特性などの力学的特性と溶出物，構成物質などの化数 B>0.95 を満たすと飽和していると判断し，自動制学的特性を明らかにしていく．

御により平均有効主応力 p’=50kPa で等方圧密を行う
圧密過程に移行する．

2. 試験方法

圧密開始から排水が終了するまでの圧密を通常圧密

本研究は，ガラスビーズと豊浦標準砂を試料としてとて，圧密終了後，軸ひずみ速度 0.1mm/min のひず試験を行った．漏斗体積法及び負圧法により，供試体み制御と繰返片振幅 σd を設定し，自動制御で繰返しを作製した．なお，本研究では板ガラス，瓶ガラス等載荷を行う．この繰返し載荷過程は，両振幅軸ひずみに広く用いられているソーダ石灰ガラスを球形に加工DA=5%に達した時を液状化したものとし，試験を終したものをガラスビーズとして使用した．

了した．本試験方法は軸ひずみ速度一定で，載荷周波数一定の試験条件 4)を満たすことができない．しか表－1 各試料の物理的特性

し，過去の研究成果 5)から，試験結果に与える影響はないといえる．

最大乾燥密度3

ρmax(g/cm )最小乾燥密度3

ρmin(g/cm )土粒子密度ρs(g/cm3)

ガラスビーズ

豊浦砂

1.582

1.645

1.452

1.335

2.2 BE（ベンダーエレメント）試験
本研究では，キャップおよびペデスタル中央に送受信用 BE を設置した．圧密期間に応じて適宜，せん断波を送信して供試体中を伝播するせん断波の速度を測

2.487

2.650

定し，せん断波速度 Vs を求めた．また，せん断波速度Vs から初期せん断剛性 G0 を求めた．せん断波の伝播速度 Vs と初期せん断剛性 G0 は次式より算出した．

Vs= L /⊿tToyourasand Dr0=40%,RL=0.125
Toyourasand Dr0=60%,RL=0.141
glassbeads Dr0=30%,RL=0.176

G0=𝜌𝑡 Vs2
Vs：せん断波速度(m/s)，L：BE 間距離(mm)，⊿t：せん断波到達時間(msec)，G0：初期せん断剛性(kPa)，3

𝜌𝑡 ：湿潤密度(g/c𝑚 )である．
L はキャップとペデスタルの BE 先端間距離をとる

繰返し応力振幅比, d/2c0.22

ここに，

0.20
0.18
0.16
0.140.12

tip-to-tip 法を，⊿t は送受信波形の立ち上がり点を結0.1

110100繰返し載荷回数, Nc

ぶ start-to-start 法を用い，同定した．
図－2 繰返し応力振幅比σd/2σc－間隙比 ec 関係
2.3 コーン貫入試験
0.20

入特性を調べるため，コーン貫入試験を行った．上載

0.18

圧 10kPa を作用させた状態で，長期間養生を行ったの
ち，一定の速度(0.25mm/min)で貫入棒を貫入させ，コーン貫入抵抗を測定した．

液状化強度比,RL

本研究では，長期圧密されたガラスビーズの静的貫0.160.140.12
0.100.60

2.4 溶出試験

Toyourasand Dr0=40%
Toyourasand Dr0=60%
Glassbeads Dr0=30%

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

間隙比,ec(%)

本研究では，長期養生された試料から溶出される物質を調べるために，一か月間水中で養生させたガラス

図－3 液状化強度比 RL－間隙比 ec 関係

ビーズ，蒸留水に対してイオンクロマトグラフィーによる成分分析を行った．

3.2 BE 試験
図－4 にガラスビーズ Dr=30%，豊浦砂 Dr=60%，2.5 赤外分光分析試験

Dr=40%の供試体に対して行った BE 試験により得られ本研究では長期間水中に浸潤されたガラスビーズかた初期せん断弾性係数 G0 と圧密後間隙比 ec の関係をら析出された物質を調べることを目的とし，赤外分光示す．図より，ガラスビーズがもっとも G0 が大きく，分析試験を行った．

次いで豊浦砂 Dr=60%，豊浦 Dr=40%の順の大きさとなっているが，間隙比に大きく依存していることがわか

3．試験結果および考察

る．ガラスビーズの粒子形状は球形であるため，間隙3.1 液状化試験比が小さくなることがわかる．

本研究で行ったガラスビーズ Dr=30%，豊浦砂Toyourasand Dr0=40%
Toyourasand Dr0=60%
Glassbeads Dr0=30%

られた繰返し応力振幅比σd/2σc と繰返し載荷回数 Ncの関係を図－2 に，液状化強度比 RL と圧密後間隙比 ecの関係を図－3 に示す．図－2 より，ガラスビーズの液状化強度曲線がもっとも上に位置しており，傾きも他の二つと比較しかなり大きい．また，図－3 より，ガラスビーズがもっとも RL が大きく，次いで豊浦砂
Dr=60%，豊浦 Dr=40%の順となっているが，間隙比が大きいほど直線的に RL が小さくなっている．
これはガラスビーズの粒子形状が球形であり，間隙比が小さくなるためだと考えられる．

初期せん断弾性係数,G0(MPa)Dr=60%，Dr=40%の供試体に対する液状化試験より得807570656055
0.60

0.65

0.70

0.75

0.80

0.85

0.90

間隙比,ec

図－4 初期せん断弾性係数 G0－間隙比 ec 関係

3.3 コーン貫入試験
ガラスビーズ Dr=40%，豊浦砂 Dr=60%の供試体に対qc30/qc301day

スビーズの貫入抵抗値 qc は貫入長さ Lc=30mm の位置

7days

14days28days1day14days

58days126daysro

して行ったコーン貫入試験より得られた貫入抵抗値
qc と貫入長さ Lc の関係を図－5 に示す．図より，ガラ

Glass beads,Dro=40%,qc30
1day
3days
2.0 Toyoura sand,D =60%,qc30

3days

1.5(以下 qc30 と表記する)で豊浦砂の 1/2 程度の値となっている．
これはガラスビーズの粒子形状が球形であり，1.01せん断抵抗が小さいためだと考えられる．
Glass beads,tcuring=1day
Drc=40.9%
Drc=40.7%
Toyoura sand,tcuring=1day
Drc=63.0%

貫入抵抗値， qc(MPa)1.50

Drc=42.3%

Drc=38.8

1.25

10100

養生期間， tc(day)図－7 qc30 増加率 qc30/qc301day－養生時間 tc 関係
3.5 溶出試験

1.000.75

豊浦砂とガラスビーズの物質構成を表－2 に示す．

0.50

いくつかの違いはあるが，ここでは，カルシウム Ca に0.25ついて着目する．ガラスビーズには 10%程度カルシウ

0.00
0102030

貫入長さ， Lc(mm)40

ム Ca が含まれているのに対し，豊浦砂にはほとんど含まれていないことがわかる．そこで，イオンクロマ

図－5 貫入抵抗値 qc－貫入長さ Lc 関係

トグラフィーを用いて測定したカルシウムイオン Ca2+の溶出量を図－8 に示す．図より，蒸留水からは何も3.4 長期試験（BE 試験，コーン貫入試験）検出されなかったのに対し，ガラスビーズからはカル長期圧密を作用させたガラスビーズ Dr=40%，豊浦

シウムイオン Ca2+が 17mg/L 程度検出された．このこ砂 Dr=60%の供試体に対して行った BE 試験より得らとよりカルシウムイオン Ca2+の溶出が析出物の発生にれた G0 の増加率 G0/G010min と圧密時間 tc の関係を図－関わっていると考えられる．

6 に，コーン貫入試験により得られた qc30 の増加率
qc30/qc301day と圧密時間 tc の関係を図－7 に示す．図よ表－2 豊浦砂とガラスビーズの物質構成

り，G0 と qc30 の増加率はともに豊浦砂において，最も長い圧密期間を作用させたケースでも増加率はほとん
ど変化しなかったのに対し，ガラスビーズでは圧密時間を作用させると，最大 1.5～1.7 倍程度と高い増加率を示した．また，長期圧密後のガラスビーズ供試体からは，析出物のような物質が確認された．これは，ガラスビーズや間隙水が何らかの化学反応を起こしている可能性があり，その点について詳しく調べていく．
1816Ca (mg-Ca/L)

141.42+

初期せん断弾性係数，G0/G010min

1.6*Glass beads, 'c=50kPa
tc=14days, ec=0.664, Drc=34.5%
tc=21days, ec=0.664, Drc=34.3%*Toyoura sand, 'c=50kPa
tc=28days, ec=0.760, Drc=60.6%

1.212108642

1.000.010.11
圧密時間，tc(day)10

図－6 G0 増加率 G0/G010min－圧密時間 tc 関係

Glass beads

Water

図－8 各試料のカルシウムイオン Ca2+溶出量

3.6 赤外分光分析試験
図－9，図－10 に赤外分光分析により得られた未使

G0．貫入抵抗値 qc はほとんど増加しなかったのに対し，ガラスビーズは初期せん断弾性係数 G0，貫入抵用のガラスビーズとガラスビーズ析出物の IR スペク

抗値 qc は増加傾向を示した．

トルを示す．図よりガラスビーズ析出物の IR スペク

・ガラスビーズから Ca2+の溶出が確認された．また，トルにおいて，炭酸カルシウム CaCO3 のピーク値（波ガラスビーズの析出物に CaCO3 が含まれていた．この数：1500cm-1）近辺に小さなピークが確認されることよ

ことより，ガラスビーズから溶けた Ca2+と間隙水に存り，CaCO3 が含まれていることが分かった．このこと在した CO32-が結合し CaCO3 を生成したことが析出物

より，ガラスビーズから溶けた Ca2+と水に溶けた二酸発生の原因だと考えられる．

化炭素 CO2 により炭酸イオン CO32-が生成され，これらが結合し CaCO3 を生成したことが析出物発生の原因だと考えられる．

5．結論
本研究により，ガラスビーズを砂に混入することで，液状化強度とせん断剛性の増大とせん断強度の減少が発生することが分かった．また，ガラスビーズを水中で長期間圧密することで，せん断剛性とせん断強度の増加が見込まれるため，地盤改良材としても有用である．
参考文献
1)御手洗義夫，安原一哉，菊池喜昭，大谷順，Ashoke
K Karmokar：古タイヤゴムチップの地盤材料としての

図－9 IR スペクトル（未使用ガラスビーズ）

有効利用と環境影響について，第 6 回環境地盤工学シンポジウム発表論文集，pp.351-358, 2005.
2)近者淳史，兵動正幸，渕山美怜，今田光一，野田翔
兵：タイヤチップの力学特性と戸建住宅基礎地盤への適用による液状化防止と応答の低減効果，土木学会論
文集 C(地盤工学)，Vol.71, No.1, pp.33-46, 2015.
3) 御 手 洗 義 夫 ， 安 原 一 哉 ， 菊 池 喜 昭 ， Ashoke KKarmokar：古タイヤゴムチップを固化処理土に混合した新しい地盤材料の開発と力学的特性，土木学会論文
集 C(地盤工学)，Vol.63, No.3, pp.881-900, 2007.

図－10 IR スペクトル（ガラスビーズ析出物）

4)社団法人地盤工学会編：液状化メカニズム・予測法と設計法に関するシンポジウム発表論文集，p.25,

4．まとめ

1999.

本研究より得られた知見は以下の通りである．

5)久野達彦，中瀬明男，中野堂裕文：繰返し載荷時の・ガラスビーズの液状化強度比 RL，初期せん断弾性

間隙水圧挙動と粒度の関係，第 33 回土木学会年次学係数 G0 は豊浦砂より大きい．これは，ガラスビーズ術講演会講演概要集，pp.136-137, 1978.の粒子形状が球形であり，間隙比が小さいためである．
・ガラスビーズの貫入抵抗値は，豊浦砂より小さい．
これはガラスビーズの粒子形状が球形であり，せん断力に対する抵抗が小さいことが原因である．
・長期圧密により，豊浦砂の初期せん断弾性係数