港湾空港技術研究所報告第 63 巻第 1 号(2024.3)

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－
杉山

友理*・橋本

永手**・Couture Cyrille ***・高野要

大樹****

旨

電気浸透圧密手法が浚渫土砂の減容化手法として非常に有効であることが分かっている．ここで，電気浸透圧密とは，粘性土中に電流を流すことで陽極から陰極に間隙水を強制脱水させる手法である．
しかし，地盤材料や使用する電極材料により電気浸透効果が全く異なるため，電気浸透圧密工法として現場適用時の仕様が決まらず，現場適用事例は非常に少ない．このような状況を鑑みると，粘性土に対する電気浸透現象を電気化学的な視点で整理する必要がある．電気浸透効果に影響する電気化学的な要因として，粘性土/電極界面の電圧降下，粘性土内の電流キャリア，電圧印可による粘性土内のイオン組成変化の3つが挙げられる．粘性土に電気浸透を適用するためには，これらの要因を適切に評価することが重要である．本研究では，3つの異なる実験系を構築し，それぞれの結果から電気浸透圧
密に対する電気化学的な整理を試みた．その結果，分極試験により粘土材料と電極材料の組合せにより粘性土/電極界面の電圧降下が異なることを示した．また，電気浸透要素試験の結果から，大きな電流
電圧値を印加しても電気浸透脱水効果は大きくならないことを明らかにした．このとき，電気浸透を起こす最適な電流電圧値は粘性土の組成に依存することがわかった．電気浸透圧密後の供試体を用いたEPMA分析では，粘土にナトリウムなどの酸化性イオンが多く含まれる場合，電気泳動や地盤内で起こる化学反応に影響を与えるため，電流を最適な印可方法が粘土によって異なる可能性を示した．さらに，本研究では，実験室規模の電気浸透脱水試験を原位置に近い配置で行うことで，粘性土の脱水，圧密および表面クラックの発生の関係について検討した．
キーワード：粘性土，減容化，電気浸透，圧密，模型実験* 地盤研究領域土質研究グループ 主任研究官** 構造研究領域材料研究グループ 研究官*** 地盤研究領域土質研究グループ 専任研究官**** 地盤研究領域土質研究グループ長〒239-0826 神奈川県横須賀市長瀬3-1-1 国立研究開発法人海上・港湾・航空技術研究所港湾空港技術研究所
電話：046-844-5053
Fax：046-844-4577
E-mail：sugiyama-yu@p.mpat.go.jp- 104 -REPORT OF THE PORT AND
AIRPORT RESEARCH INSTITUTE
Vol.63, No.1 (Mar.2024)

Study on volume reduction method for dredged soil by electro-osmosis－Electrochemical perspective on the applicability of electroosmosis for clay consolidation－
Yuri SUGIYAMA*
Nagate HASHIMOTO**
Cyrille COUTURE***
Daiki TAKANO****

Synopsis
There are three main electrochemical factors affecting the electroosmotic flow in clay soil: thevoltage loss at the clay/electrode interface, the type of current carriers in the soil, and the ioncomposition change in the clay due to voltage application. Appropriate evaluation of these factors isimportant to cost-effectively implement electroosmosis for in situ soil consolidation projects. In thisstudy, three different experimental systems were developed and used to investigate electrochemical
reactions occurring in reconstituted and natural marine clay during electroosmotic consolidation.
The results of polarization tests show that the voltage loss at the clay/electrode interface is different
depending on the combination of the clay material and electrode material. The results ofelectroosmotic element test also show that electroosmotic dehydration does not increase if large
current-voltage value is applied, and that an optimal current-voltage value for causing
electroosmosis depends on the cohesive soil composition. If the clay contains a lot of oxidizable
ions such as sodium, these ions affect to electrophoresis and chemical reactions that occur in thesoil. Therefore, the optimal configuration to apply electric current also differs depending on the clay.
The results of laboratory scale electroosmotic dehydration tests, arranged in a realistic in-situ layout,
are performed to study the relationship between soil dehydration, consolidation and surface crack
generation.

Key Words: Dredged soil, Volume reduction, Electro-osmosis,* Senior researcher, Soil Mechanics and Geo-Eenvironment Group, Geotechnical Engineering Department** Researcher, Materials Group, Structural Engineering Department*** Postdoctoral Researcher, Soil Mechanics and Geo-Eenvironment Group, Geotechnical Engineering Department**** Head of Soil Mechanics and Geo-Environment Group, Geotechnical Engineering Department
3-1-1, Nagase, Yokosuka, Kanagawa 239-0826, JapanPort and Airport Research Institute
Phone : +81-46-844-5053
Fax : +81-46-844-4577
E-mail : sugiyama-yu@p.mpat.go.jp- 105 -

目

次

旨 ·····················································································································

104

1. まえがき ················································································································

107

2. 地盤材料と実験手法 ··································································································

107

2.1

地盤材料 ··········································································································

107

2.2

実験条件 ············································································································

108

要

2.2.1

粘性土/電極界面の電圧降下測定試験 ································································ 1082.2.2

電気浸透圧密試験 ··························································································· 108

2.2.3

3次元土槽を用いた電気浸透脱水試験 ································································ 109

3. 試験結果 ················································································································

110

3.1

粘性土/電極界面の電圧降下測定試験 ··································································

110

3.2

電気浸透圧密試験 ·····························································································

110

3.2.1

カオリン粘土 ································································································· 110

3.2.2

東京湾粘土 ···································································································· 111

3.3

電子線マイクロアナライザーによる面分析 ···························································

112

3.4

電気浸透により脱水した水の定性分析 ·································································

112

3.5

3次元電気浸透脱水実験 ·····················································································

113

4. 考察 ·······················································································································

116

4.1

粘性土/電極界面の電圧降下 ··················································································· 117

4.2

粘性土内の電流キャリア ······················································································ 117

4.3

電圧印加による粘性土内のイオン組成変化 ····························································· 119

5. あとがき ·················································································································· 119
6. 電気浸透圧密工法の現場への適用について ··································································· 119
参考文献 ······················································································································· 120- 106 -

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－

1.

まえがき

密工法とはこのような水の移動を利用して粘性土等を脱水するものである．ここで，電気浸透効果に影響する電地盤工学や地盤環境工学における電気浸透の利用は、気化学的な要因を列挙すると次の通りである．

地盤の圧密・安定化手法、強度増加手法、汚染地盤浄化・粘性土/電極界面の電圧降下

修復工法、汚泥の除水などへの適用性が非常に高く，多・粘性土内の電流キャリア

くの研究が報告されている[1-12]．その中で，Xue et al. [2]・電圧印加による粘性土内のイオン組成変化

は様々な電極材料を用いた電気浸透実験を実施し，電気

粘性土に電気浸透を適用するためには，これらの要因を浸透効果に及ぼす影響について検討している．Ready et al.

適切に評価することが重要である．しかし，これらの要[3]は浚渫土に対する電気浸透の有効性について検討した因が電気浸透効果に及ぼす影響については未解明である．

結果，電気浸透による脱水効果が非常に高いことを明ら

そこで，粘性土の電気浸透圧密を電気化学的な視点で整かにしている．Zareh et al. [8]は，浚渫土とカオリンを用理することを本研究の目的とした．本研究では，3つの異いた電気浸透圧密試験を実施し，圧密後の供試体を用いなる実験系を構築し，それぞれの結果から電気浸透圧密た一軸試験を実施した．その結果，印可電圧が大きいほに対する電気化学的な整理を試みた．

ど圧密沈下量が大きく，強度も大きくなることを明らか2.

にした．このように，これまで多くの研究成果が報告さ

地盤材料と実験手法

れているが，粘性土への電気浸透効果に及ぼす電気化学的要因について検討された研究はほとんどない．ここで，

2.1 地盤材料

圧密とは，飽和粘性土地盤が静的荷重を受け，地盤の粒本研究では，カオリン粘土及び東京湾粘土を用いる．

子間に含まれる水（間隙水）が時間遅れを伴って脱水し，カオリン粘土は，Si-Oの4面体層とAlの周りに2つのOと4密度を増加する現象である．多くの場合，粘土粒子は水

つのOHが配位した8面体層とがOを共有して結びついた中で負に帯電している．そのため，土粒子表面付近の正1：1型の層状珪酸塩鉱物を粉末状にしたものに，初期含に帯電した間隙水は通電により陰極側へ移動する．これ

水比が100%となるように水道水を加え攪拌して作成したにより陰極側から間隙水の脱水が生じる．

ものである．一方，東京湾粘土は東京湾から浚渫した海

土木技術分野の現場への電気浸透の適用としては，シ

成粘土である．東京湾粘土の初期含水比は自然含水比のンガポールにおいてcofferdam（囲い堰）の脱水時に堤防140%とした．また，粘土中の間隙に含まれる溶液（以下が大きく動いた際，迅速な安定化手法として電気浸透が間隙水とする）は海水である．溶液の分析を行った結果採用された[13]．他にも，電気浸透を用いた現地実証実験

を表-1に示す．表-1より，東京湾粘土はカルシウムやマグとして，軟弱地盤の地盤改良[14]や有機質シルト質粘土のネシウムイオンなどを多く含み，単位体積に含まれるイ

脱水[15]などが報告されている．土に対する電気浸透脱水

オン濃度が高いことが分かる．ここで，陰イオンはイオ現象の解明を目的とした実験[16-21]や数理モデルの提案

ンクロマトグラフ法，ナトリウム及びカリウムはフレー[22-25]も行われており，電気浸透現象を実験的・解析的

ム原子吸光法，カルシウム及びマグネシウムは発光分光に追及することが可能になっている．

分析法により測定した．また，東京湾粘土のXRD測定の現場適用事例が少ない理由として，地盤材料や使用す

結果，石英，斜長石，白雲母，緑泥石，黄鉄鉱が同定さる電極材料により電気浸透効果が全く異なるため，電気れた．東京湾粘土はこれらの結晶構造を有する粘土鉱物

浸透圧密工法として現場適用時の仕様が決められなかっが混在する材料であることが分かった．東京湾粘土及びたことが挙げられる．このような状況を鑑みると，粘性

カオリン粘土の物理試験結果を表-2に示す．塑性指数は粘土に対する電気浸透現象を電気化学的な視点で整理する

土の粘性を表す指標であり，塑性指数が大きいほど粘性必要がある．

が大きい．東京湾粘土の塑性指数はカオリン粘土よりも電圧が印加された粘性土内では，電気浸透の他にイオ大きいことから，粘性が大きい材料であることが分かる．

ンやコロイドが電流キャリアとなる電気泳動が生じる．

また，透水係数はカオリン粘土及び東京湾粘土共に小さ

ここでは，イオンの泳動（Electromigration）もコロイドの

く，排水に長時間を要する材料であるといえる．

泳動（Electrophoresis）も区別せずに”電気泳動”と称す．
先述の通り，粘性土は負に帯電している場合が多く，陰極に向かって浸透による水の移動が生じる．電気浸透圧- 107 -

杉山

友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野大樹

WE_I, CE,およびREはそれぞれ，ポテンショスタットの作

表 1 東京湾粘土の溶液分析結果

Cl

SO42-

Na

K

Ca

Mg

用電極の端子電圧，作用電極の端子電流，対極および参

7300

2000

4200

200

220

530

照電極である．WE_V, WE_I, CE, およびREは図-2に示す

Unit：mg/L

ようにそれぞれ接続した．対極には銅電極を用いた．塩

表 2 物理試験結果

橋を試験片から1.5mm程度離れた位置に設置し，電流を対KaolinTokyo Bay clay

極と作用電極間に与え，粘性土/作用電極界面1.5mmの領

Density (g/cm )

2.77

2.68

域にかかる電位を測定した．照合電極には飽和銀塩化銀

Liquid limit (%)

52.1

102.4

電極を用いた．内部溶液は飽和塩化カリウム水溶液としPlasticity index

22.4

63.1

た．作用極の寸法は1cm×1cmで，被測定面積は1cm2ある．

6.3E-06

6.1E-07

掃引速度は96mV/minで自然電位から±5V vs.SSEまで電3

Hydraulic conductivity(cm/sec)

圧をかけ，分極曲線を得た．なお，アノード分極とカソ

D60 (mm)0.00200.0046

ード分極で実験系は新しく作り直した．粘性土の系は水溶液の系に比べて拡散係数が小さいことが予想され，電2.2

圧印加によって電極界面の普遍性が損なわれる可能性を実験条件考慮したためである．

本研究では，粘性土/電極界面の電圧降下測定試験，電気浸透圧密試験および原位置における電極配置を想定し2.2.2た室内模型実験を実施する．

電気浸透圧密試験

粘性土/電極界面の電圧降下測定試験

粘性土内の電流キャリアと電圧印加による粘性土内の粘性土/電極界面では電圧が急激に降下することが分

イオン組成変化について検討するため，東京湾粘土及びかっている[26, 27]．そのため，本研究ではこの電圧降下

カオリン粘土を対象とした電気浸透圧密試験を実施した．

のことを電圧損失とよぶ．電圧損失が大きいと，粘性土杉山ら[28]は，電気浸透圧密試験後のカオリン供試体に作用する電圧が小さくなるため，電気浸透脱水が生じに対して EPMA 分析を行い，カオリンの間隙水のイオンにくくなり，脱水量が少なくなる．電気浸透脱水効果を分布がほぼ均一になることを明らかにした．一方，カオ

正確に評価するためには，電圧損失を計測し把握しておリンとは異なり，東京湾粘土は海成粘土であるため間隙くことが重要である．

水に多くのイオンを含む．東京湾粘土供試体の間隙水の2.2.1

そこで，粘性土/電極界面の電圧降下について調べるた

イオン分布について検討するため，実験後の供試体を対め，粘性土と電極の境界近傍に生じる分極量を分極試験

象に，電子線マイクロアナライザー(EPMA)による面分析

により計測した．粘性土には，カオリン粘土及び東京湾（以下 EPMA 分析とする）により，供試体断面のイオン粘土を用いた．電極材料は，ステンレス，アルミニウム，

分布を調べた．

鉄の3種類とした．実験装置の概要を図-1に示す．セルの電気浸透圧密試験には，電気浸透圧密試験装置を用い

寸法はφ60mm，高さ40mmの円筒形である．図中のWE_V,

た．試験装置の概略図を図-2 に示す．将来的に，電気浸透による粘性土の圧密特性について調べるため，電気浸RE

Reference ElectrodeAg
KCl solution agar
KCl solution
AgCl
Counter Electrode
Soil

Test metal(1cm×1cm)

CE

2mm

WE_I
WE_V

図-1

分極量取得時の実験装置概要

図-2- 108 -

電気浸透圧密試験装置

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－

透圧密試験装置は標準圧密試験装置と同じ規格になるよ

磨紙を用いた乾式研磨とした．研磨後，分析面に導電性

うに製作した[29]．標準圧密試験とは，直径 60mm，高さを与える目的で炭素を蒸着し，EPMA 分析を実施した．

20mm の供試体を用いて側方変位を拘束し，上下面の排JSCE-G574[30]に準拠し，分析を実施した．スキャン方式

水を許した状態で鉛直荷重を載荷し，載荷荷重に応じたはステージスキャンとした．濃度換算には比例法を用い

飽和粘性土地盤の沈下量や沈下時間の推定に利用され，ており，測定元素の相対濃度は比較可能であるが，一般

圧縮性や圧密係数などを求めるものである．電気浸透圧には絶対値は保証できないとされている．ただし，普通

密試験装置は標準圧密試験装置と異なり，供試体上下端

セメントに塩化物イオンを混入した試料の測定例による面が電極に接しているため直流電流を印可可能である．

と，本手法で求めた質量濃度は化学分析によるデータとまた，電極反応によって生じるガスと電気浸透によって対応した値となっており，絶対値としても一定の精度を脱水した水を分離回収するための気液セパレータを設置有していると考えられる．面分析画像の作成条件は，空している．また，電極反応により発生するガスが電極と隙など実体のない部分を除くピクセルを表示した．

粘土間に留まらないように，電極にはパンチング処理を施した．開口率は 20%で，電極面積は 2,239 mm2 である．

2.2.3

実験中常に電極が粘土と接するよう，圧密に影響を及ぼ

電気浸透脱水の3次元的効果について検討するため，アさない程度の鉛直荷重を与えた．電気浸透により供試体

3 次元土槽を用いた電気浸透脱水試験

クリル円筒模型土槽を用いた実験を実施した．

が収縮するため，圧密容器をメンブレンで覆い，その隙用いた地盤材料は初期含水比100%のカオリン粘土であ間を水で満たすことで鉛直荷重に等しい垂直荷重を作用る．模型土槽は，内径410mm，高さ440mmのアクリル円させた．本研究で実施した電気浸透圧密試験では，標準筒容器である．中央に外径56mm，厚さ2mmで，パンチン

圧密試験と同様，スラリー供試体のサイズが直径 60mm，

グ処理を施した陰極を設置した．陰極表面にベンコット

高さ 20mm であるため，初期の電極間隔は 20mm である．

を排水用のドレーン材として巻き付け，陰極の下部から

電気浸透脱水により供試体が沈下した分だけ電極間隔が排水するように陰極中央部に地盤下端面から10mmの高狭くなるが，本試験中の沈下量はいずれも 1mm 以下でさまでチューブを通し，そこから集水し脱水量を計測しあり，電極間隔は試験中ほぼ一定であることを確認した．

た．地盤高さが270mmとなるように粘土試料を投入した．

電気浸透圧密中常に電極を粘土と接触させた状態にする

画像解析を実施するため，側面は色付きカオリンを塗布ために鉛直荷重を載荷した．電気浸透圧密により試料がし，地表面には黒色ビーズを散布した．陽極はφ12mmと収縮するため，試料の側方変形量についても計測するた

し，極板間隔が110mmとなるように陰極の周囲に陽極をめ，試料側方をメンブレンで覆い，メンブレンと圧密容器との隙間を水で満たすことにより鉛直荷重に等しい水
平荷重を載荷した．このとき，側圧は隙間に充填された
水圧と等しく，水圧は圧密試験装置の横に設置したタンクとの水頭差により載荷した．電気浸透圧密試験中に与えた荷重のみを載荷して圧密試験を実施し，これらの荷重が電気浸透圧密に与える影響が非常に小さいことを確認した．
実験後の供試体を対象に，電子線マイクロアナライザー(EPMA)による面分析（以下 EPMA 分析とする）により，供試体断面のイオン分布を調べた．分析には，日本電子社製電子線マイクロアナライザーJXA-8200 を用いた．分析条件は，加速電圧 15kV，試料電流 200nA，プローブ径（試料に入射する電子ビームの直径）50µm とし，
ピクセルサイズ（分析を行う一つの区画のサイズ）を100µm とした．試料の中央近辺をカッターにより切断して縦 1.5 cm，横 5.5 cm，厚さ 0.5 cm 程度の試験片を採取
し，1 週間真空乾燥した．これを樹脂により包埋した後，図-3

斜線の面を鏡面状に研磨し分析面とした．研磨は耐水研- 109 -

3 次元モデル土槽断面図

杉山

友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野

大樹設置した．実験断面を図-3に示す．同じ実験断面で，陰ウム以外のケースで電流密度が 5.0 mA/㎠のあたりで急激

極材料の違いおよび陽極表面積の違いについて検討するに変化することが分かる．陰極側の分極曲線については

た め ， 3 ケ ー ス （ Case Al-Al_12, CaseAl-Al_6, Case

材料による顕著な差は生じなかった．

Al-Fe_12）の実験を実施した．Case Al-Al_12およびCase
Al-Al_6は，電極材料として陰極・陽極共にアルミニウム

3.2

電気浸透圧密試験を用いた．Case Al-Fe12は，陰極材料を鉄，陽極材料をア

3.2.1

カオリン粘土

ルミニウムとした．Case Al-Al_6では，陽極表面積の違い

定電流値を0.01, 0.02, 0.05Aの3ケースとし，陽極材料にが脱水量に及ぼす影響について検討するため，陽極本数3はアルミニウムを，陰極材料には鉄を用いた．試験結果

本でφ6mmのアルミ棒を用いた．全3ケースについて，を図-5に示す．これらの結果より，定電流値が0.01Aのケ

0.4Aの定電流で20時間通電した．電圧の最大値は73.5Vでースで最終脱水量が最も小さくなり，0.02Aと0.05Aのケある．

ースの脱水曲線がほぼ一致した．印可直後の脱水速度は，定電流値によらずほぼ同じであった．黒線で示す0.01Aの

3.

試験結果

ケースをみると，電位が緩やかに上昇するに従い脱水量が増加していることが分かる．しかし，電圧値が40Vを超

3.1

粘性土/電極界面の電圧降下測定試験

えると電圧が一定となり，0.02Aおよび0.05Aのケースの分極曲線を図-4 に示す．縦軸正が陽極側，負が陰極側

最終電圧値73.5Vよりも最終電圧値が小さかった．粘性土で生じる分極量である．分極量は測定電位から自然電位に作用する電圧が小さくなったため最終脱水量が小さくを差し引いた値とした．図-4(a)に示すカオリンのケースなったといえる．図-5(c)のグレー線で示す0.05Aの電位を見ると，陽極側の分極量はステンレスと比較してアルの経時変化をみると，印可直後から急激に電位が上昇しミニウムと鉄で小さくなった．ステンレスの陽極側の分ている．図-4(a)に示す分極曲線から，陰極側の 鉄は極量について，電流密度が 0.2mA/㎠で急激に変化する傾向を示した．陰極側の分極量は全ての材料でほとんど同程 度 であ る が ， ア ル ミ ニ ウ ム の 分 極 曲線 が 電 流 密 度
0.5mA/㎠で急激に変化する傾向を示した．図-4(b)の東京
湾粘土のケースを見ると，陽極側の分極曲線はアルミニ

Polarization value/V

8.0

(a)

Aluminum
Iron
Steel

6.0
4.0
2.0
0.0
-2.0
-4.0
-6.0
0.00

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00Current density/mA cm-2

Polarization value/V

8.0

(b)

Aluminum
Iron
Steel

6.0
4.0
2.0
0.0
-2.0

Aluminum
Iron

-4.0
-6.0
0.00

0.01

0.10

1.00

10.00

100.00Current density/mA cm-2

図-4

図-5

カオリン粘土の脱水量時間変化および電圧時間変化 (a) 0.01A, (b) 0.02A, (c) 0.05A

分極曲線 (a)カオリン, (b) 東京湾粘土- 110 -

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－

0.8mA/cm2を超えると分極量が大きくなり，陽極側のアル0.05A の定電流条件で実験を実施した．Case CV-Fe では，

ミは1.0mA/cm2 を超えると分極量が急激に大きくなるこ

陽極にアルミニウム，陰極には鉄を用い，定電圧条件ととが分かる．0.02Aおよび0.05Aのケースは，電流密度がした．定電圧値は，10 V→20 V→ 40 V→73.5 V の順に段それぞれ0.7 mA/cm2および1.8mA/cm2程度であり，0.05A

階的に増加させた．電流値が 0.1 A まで低下したタイミのケースは分極量が大きくなる電流密度に近い値である．

ングで定電圧値を切り替えた．脱水量の経時変化及び電このことから，0.05Aのケースは，粘性土/電極界面に集中

圧変化を図-6 に示す．図-6 に示す 0.05ACC 条件の Case

して電位が作用することで，粘土内に作用する電位勾配

CC-Al と図-5(c)のカオリン 0.05ACC 条件のケースを比が小さかったといえる．そのため，0.02Aおよび0.05Aの

較すると，東京湾粘土の電位が非常に小さく，通電後 400

ケースの最終脱水量にほとんど差が生じなかったといえ分経過時まで電位がほとんど変化しないことが分かる．

る．試験後の平均含水比は，0.01 A : 53.8%, 0.02 A : 50.6%,

小さな電位でも電気浸透脱水により脱水量は徐々に増加

0.05 A : 49.6%となり，全ケースで高い脱水効果が得られしたが，脱水時間が非常に長くなる結果を得た．図-7 にた．

累積エネルギー消費量と脱水量の関係を示す．図中の矢印で示す点は，総脱水量が両ケース 20g となる点で，こ3.2.2のときの累積エネルギー量はいずれのケースも 12 kJ で

東京湾粘土

東京湾粘土は間隙水に塩化ナトリウムを含むため，粘ある．さらに、CV 条件下で通電した Case CV-Fe では，土の抵抗が小さい．そのため，カオリン粘土のケースで累積エネルギー消費量が両ケース同じであったにもかか用いた条件と同じ定電流値で通電すると，電気浸透脱水

わらず総脱水量が多くなる結果を得た．同じ脱水量を得に時間がかかることが予想された．そこで，定電圧条件

るためのエネルギー消費量を比較すると，Case CC-Al がで通電することが効果的であると考え，定電流条件と定Case CV-Fe よりも脱水効率が高いが，Case CC-Al ではこ

電圧条件の 2 ケースについて実験を検討した．Caseの脱水量に到達するまでに 400 分かかり，Case CV-Fe でCC-Al では，電極材料を両極共にアルミニウムとし，最終脱水量 27 g を得るのに要した 180 分よりも長いこと

図-6

図-7

脱水量の経時変化及び電圧変化 (a) Case CC-Al, (b) Case CV-Fe

累積エネルギー消費量と脱水量の関係

図-8- 111 -

電流及び電圧の経時変化（Case CV-Fe）杉山友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野大樹が分かる．図-7 の矢印で示される同じ累積エネルギー消上面から深さ 3 mm 程度までにかけて層状に高い領域が費量と脱水量に到達するために必要な時間を比較すると，見られ，その周囲がやや高かった．その他は概ね一定でCase CV-Fe が Case CC-Al よりも 6 倍速く脱水し，Case

あった．MgO 濃度は，分析面の右側 2/3 程度の領域におCC-Al の最終脱水量である 20 g に到達するために必要ないて，上面からの深さが 3 mm 程度の位置が層状に高か時間を比較しても Case CV-Fe は脱水速度が約 3 倍になるった．Cl 濃度は，分析面の外周部に特に高い所が部分的ことが分かった．試験後の平均含水比は，Case CC-Al がに見られ，その他は高い部分とやや高い部分とが斑状に

73.9 %, Case CV-Fe が 55.6%となり，Case CV-Fe に関して分布していた．

は塑性限界以下まで低下した．このことから，定電圧条

次に，図-9(Ⅱ-a)より，分析面の状態は，Case CC-Al

件で通電することが海成粘土の電気浸透脱水には有効でと Case CV-Fe でほとんど差は見られなかった．MgO 濃

あるといえる．Case CV-Fe の東京湾粘土の脱水に 180 分

度は，左下と右下部分で低くなっており，高濃度層が上を要したが，粘性土の脱水時間としては非常に短い．

から 7mm 程度の位置に見られる．
この位置は Case CC-Al

図-8 に示す CaseCV-Fe の電流及び電圧の経時変化を見よりも上端面から離れた位置であった．

ると，50 分経過後付近において，電圧変化がないにも関わらず電流値が急激に増加していることが分かる．この3.4

電気浸透により脱水した水の定性分析

とき，圧密容器にハンマーで軽く振動を与えると，気液

カオリン粘土を用いた電気浸透圧密試験で脱水した溶セパレータ内に大粒の気泡が放出される様子が観察され，液が無色透明であったのに対し，東京湾粘土から脱水しある程度気泡が抜けると電流値が下がり始めた．このこ

た溶液の色は暗褐色であった．溶液の pH を測定したととから，電極反応により発生したガスが，供試体と電極

ころ，どちらも pH14.0 程度と高アルカリであることが分間に一時的にトラップされたことが原因で電流値が急にかった．これは，陰極においてカソード反応で生成され増加したと考えられる．そのため，本実験では電圧値をる OH-が原因であるといえる．東京湾粘土からの脱水溶上げた直後は，電流値を確認し，必要に応じて圧密容器

液について，着色の原因となったイオンについて調べるに振動を与えることでガス抜きを実施した．電流値が急ため，3.3.2 項で示した Case CC-Al の東京湾粘土の電気激に変化しているのはガス抜きに伴うものである．

浸透圧密試験により脱水した溶液を用いて，陽イオン 6
成分と陰イオン 7 成分についてそれぞれ定量分析及び定電子線マイクロアナライザーによる面分析

性分析を実施した．陽イオンは，試料を 0.45µmPTFE メ

3.3.2 節で実施した実験後の供試体について EPMA 分

ン ブ レ ン フ ィ ル タ ー を 用 い て ろ 過 し た 後 ， JIS K

析を行った．測定元素は，ケイ素(Si)，アルミニウム(Al)，0102:2019 [31]に従い，Ca2+, Na+, Mg2+はイオンクロマト

カルシウム(Ca)，マグネシウム (Mg)，塩素(Cl)とした．

グラフ法，Fe2+はフェナントロリン吸光光度法により定Case CC-Al 及び Case CV-Fe の分析結果をそれぞれ図

量分析を実施した．なお，Fe3+は溶解性鉄及び鉄(Ⅱ)か-9(I)，(Ⅱ)に示す．図-9(a) が真空乾燥後の分析面の写らの計算法，Al3+は鉱泉分析法指針原子吸光法[32]によ真，図-9(b)が分析した各元素の濃度分布である．上方がる定量(Al 換算)により分析した．陰イオンは，各陰イオ

試料の陰極側，下方が陽極側である．各画像左側のスケン標準液の保持時間と試料検液のクロマトグラムを確認

ールは上面からの深さを表し，その目盛の間隔は 1 mm

し，陰イオンの有無を判定した．また，含有する可能性である．なお，包埋に用いた樹脂には Cl が含まれているのある陰イオンについては，標準液と試料検液の電気伝ため，Cl の濃度分布については参考程度に留める．図

導度比から半定量値を算出した．イオンクロマトグラフ-9(Ⅰ-a)より，試料上面において、上面から 6 mm 離れ

陰イオン定性分析には，サーモフィッシャーサイエンテ

た位置に横方向のひびが、試料全体に複数本の縦方向のィフィック社製イオンクロマトグラフ分析装置

ひびが見られた。横方向のひびより上方側に薄い黒色層(DIONEX INTEGRION HPIC シ ス テ ム IonPac AS22,が確認された。試料は概ね暗緑色を呈しているが、ひび

IonPac AS18)を用いた．

3.3

割れの周囲に明褐色を呈する部分が見られた。これは、陽イオンの定量分析結果および陰イオンの定性分析結樹脂の浸透の程度の差によ るものと考えられる。図果を表-3 に示す．表-3 に示す半定量値は，標準物質と試-9(Ⅰ-b)の SiO2 濃度を見ると，試料上面からの深さが 2料溶液の電気伝導から求めた相対的な面積比から算出しmm 程度の位置に層状に濃度が低い部分があったが，そた値であり，絶対値の正確度を保証するものではない．

の他は概ね一定であった．Al2O3 濃度は，下面側の左右

これらの結果から，着色に影響を及ぼす可能性があるイがやや高いことを除くと概ね一定であった．
CaO 濃度は，オンの含有量が非常に少なく，溶液が赤褐色を呈する原- 112 -

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－

因は含有イオンではないことが分かった．溶液は陰極側えられる．

から排出され，非常に高い pH を有している．このときの pH 値は，粘土が持つ最大のゼータポテンシャル値で3.5ある．また，溶液は長時間放置しても沈殿せず，溶液の図-10 に全ケースの脱水量と時間の関係をまとめる．

色に変化も生じなかった．したがって，溶液の色は粘土

陰極に鉄を使用した Case Al-Fe_12 で最も脱水量が多くの微粒子が分散されたコロイド溶液に起因するものと考なる結果を得た．Case Al-Al_12 および Case Al-Al_6 の結図-93 次元電気浸透脱水実験

東京湾粘土 EPMA 結果- 113 -

杉山

友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野大樹

果を比較すると，脱水曲線がほぼ一致していることが分

Al-Al_12 の結果から，①の時刻では円形状クラックが陰かる．φ12 mm および φ6 mm の電流密度はそれぞれ 1.3

極周辺に発生し，陰極側に無数の細かな放射状クラック

mA および 2.6 mA であり,および一部目視で確認可能な放射状クラックが発生した．

図-4 の分極曲線から両者の分極量が類似していることが分かる．これらの結果から，その後，②に示す状態では円形状クラックが陰極側から

この実験においては陽極表面積の違いが最終脱水量に及陽極側に向って進展し，陽極が粘土と剥離するように円ぼす影響が小さかったといえる．

形状クラックが発生した．放射クラックは陰極から陽極

側方カメラで撮影した画像を用いた画像解析により得に向って徐々に進展する様子が見られた．③では陽極同られた模型地盤高の経時変化を図-11 に示す．このとき，士を結ぶように円形状クラックが発生し，3 つの大きな陰極付近の粘土は電極から剥離するまでの時間が短く，放射状クラックがそれぞれ陰極から陽極に向って徐々に画像解析を実施した側面と模型地盤中央部の地盤高は異進展した．④では画像解析対象領域ではほとんど変化はなるため，図-11 に示す地盤高は模型側面の結果である．

生じず，陰極－陽極間の粘土全体が持ち上がるように収画像解析は地盤が収縮して壁面から剥離するまでの間で縮し始め，陽極と壁面の間に無数の円形状クラックが生実施した．図-11 より Case Al-Al_12 および Case Al-Al_6

じた．Case Al-Fe_12 でも同様の傾向を示した．しかし，は最終地盤高さが同程度であることが分かる．しかし，Case Al-Al_12 では放射状クラックよりも円形状クラッCase Al-Al_12 は Case Al-Al_6 よりも収縮が早く生じた．

クの発展が早く，Case Al-Fe_12 では円形状クラックよりCase Al-Fe_12 は沈下量が最も大きく，収縮による体積変も放 射 状ク ラッ クの発展 が 早く 生じ た．一方 ，Case化が生じ始めるまでの時間が最も長くなった．図-9 に示

Al-Al_6 では，陰極周辺で円形状クラックが生じるが，す脱水量の経時変化において，600 分 (10 時間)経過時か陽極側への進展が遅く，他の 2 ケースのように陽極同士

ら Case Al-Fe_12 の脱水曲線が他の 2 ケースと差が生じ始を結ぶような円形状クラックは生じなかった．放射状ク

めることが分かる．また，700 分（11~12 時間）経過時

ラックの発展は他の 2 ケースよりも早く，3 つの大きなに Case Al-Al_12 および Case Al-Al_6 についても脱水曲線

放射状クラックで区切られる 3 つの粘土ブロックがそれに差が生じている．これらの時間は沈下よりも収縮によ

ぞ れ 陰 極 か ら 剥 が れ る よ う に 収 縮 が 生 じ た ． Case

る変形が卓越し始める時間に一致する（図-11）．

Al-Al_12 および Case Al-Al_6 の結果から，陽極径が 12

次に，上方カメラで撮影した画像を用いた画像解析に

mm の場合，円形状クラックが放射状クラックよりも速より得られた地表面の偏差応力分布を図-12 に示す．図く進展した．一方，陽極径が 6 mm の場合，放射状クラ中の円形状クラックは陰極周りから同心円状に発生するックが円形状クラックよりも速く進展した．

クラックであり，放射状クラックは陰極から陽極に向っクラックが生じることで，陰極周辺の地表面の粘土がて 発 生 す る ク ラ ッ ク で あ る ． 図 -12(a) に 示 す Case

陰極から徐々に剥離した．また，剥離したことにより，
陰極中央付近で盛り上がるような変形が生じた．このと表-3

定量分析結果 (単位：mg/L)き，自重圧密による沈下も同時に生じ，脱水した水が壁

Anions component

面沿いの地表面に溜まる様子が確認できた．通電開始か

Ca2+

＜1

Na+

8600

Fe

2+

＜4

Fe

3+

＜4

2+

＜1

Al3+

＜100

Mg

Cationes component
FCl

0.3
-

90

NO2-

0.1

Br-

0.3

NO3-

0.2

SO42-

39
“＜”は定量下限値未満であることを示す- 114 -

図-10

脱水量の経時変化

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－ら 10 時間後には，陰極で生じた無数のクラックのうちのて 100～140 度の範囲で生じた．

3 つが壁面付近まで進展する大きなクラックとなった．

実験後に測定した地盤内含水比測定結果を図-13 に示

壁面にクラックが到達した後は，壁面付近の地表面に溜す．含水比測定箇所は，(1)陰極付近，(2)陽極付近，(3)

まった水が脱水し，電気浸透脱水により沈下ではなく収

陰極と陽極間，(4)壁面付近である．含水比は深度ごとに縮による変形が卓越する様子が確認できた．クラックの

20 mm の間隔で測定した．壁面付近は陰極中央よりも沈発生状況については，全ケースで同様の傾向を示し，初下量が大きかったため，含水比測定は地盤高 60～80cm

期に陰極周辺で無数の微細なクラックが生じた後，そのまでとなっている．これらの結果から，全ての計測点に

うちの 3 つが壁面付近まで進展する大きなクラックとなおいて，初期含水比 100%からカオリンの液性限界であった．3 つのクラックができる間隔は，全ケースについる 52%以下まで含水比が低下する結果を得た．各ケース

図-11

側方カメラ画像を用いた画像解析による地盤高の経時変化(a) Case Al-Al_12(b) Case Al-Al_6(c) Case Al-Fe_12
図-12

上方カメラを用いた画像解析による地表面の偏差ひずみ分布とクラックの進展の関係- 115 -

杉山

友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野大樹の模型地盤全体の平均含水比は，Case Al-Al_12 が 47.5%，

る．一方，鉄電極の場合，アルカリ性環境での耐腐食状

Case Al-Al_6 が 48.6%，Case Al-Fe が 46.0%となり，含水態にあるため，腐食が発生しにくくなる．この影響によ比は Case Al-Fe_12 で最も小さく，Case Al-Al_6 で最も大り，陰極で鉄とアルミニウムの粘土/電極界面に作用するきくなった．陽極－陰極間の含水比分布はケースによら

電圧損失に大きな差が生じたと考えられる．また，通電ずほぼ同一であった． Case Al-Fe_12，Case Al-Al_12，

後 800 分経過時に急激に電位が上昇していることが分か

Case Al-Al_6 の順に小さくなった．これは，図-9 に示す

る．12 V という電圧値は，電気化学反応により水素ガス

最終脱水量の多い順に対応している．含水比の深度分布が発生している限り本実験で与えている電流密度の値にについては，全ケース同様に底部の方が表層部よりも若対して大きすぎる値である．また，照合電極の設置位置干低下していることが分かる．下部ほど自重圧密によるは水位よりも下にあるため，常に電極に電流が流れてい脱水量が多くなるため含水比が低下したといえる．

たと考えられる．800 分経過時に見られた電圧降下の急

Case Al-Al_12 および Case Al-Fe_12 は陰極材料以外の激な上昇と下降の理由は本実験では明らかにすることは

条件は全て同じであるが最終脱水量に差が生じた．Case

できなかったが，この時点では脱水がほぼ完了していた

Al-Al_12 および Case Al-Fe_12 で粘性土/陰極界面に設置

ため脱水には影響を及ぼさなかったと考えられる．

した照合電極による電位測定結果を図-14 に示す．図-14

4.

より，Case Al-Al_12 は Case Al-Fe_12 よりも電極と粘土考察境界に作用する電位が大きいことが分かる．通電することにより，陰極付近の水はアルカリ性となるため（pH ≈今後，地盤の電気浸透脱水工法を確立するため，上記

14.0），アルミニウム電極の表面で腐食が発生しやすくなで得られた実験結果から，電気化学的な要因が電気浸透

図-13

図-14

地盤内含水比分布：(a) Case Al-Al_12, (b) Case Al-Al_6 and (c) Case Al-Fe_12

粘土/陰極界面での電圧損失測定結果

図-15- 116 -

粘土の電気浸透脱水時の概要イメージ

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－

効果に及ぼす影響について考察する．

に小さい粘性土があるとすれば，電流が多く流れても電気浸透は生じにくい結果となる．このように，電気浸透4.1

粘性土/電極界面の電圧降下

による電流，電気泳動による電流および粘性土/電極界面

電気浸透脱水工法適用時は，電極間に数十 V の電圧をの電圧降下による電流は可能な限り分離して理解する必

印加することから，電極の電流密度はある程度大きくな

要がある．

り，使用する電極によっては粘性土/電極界面の電圧降下

3.2.1項に示すカオリン粘土を用いた電気浸透圧密試験

が非常に大きくなる．したがって，分極試験等を用いて結果について，式(2)を用いて整理したものを図-16に示す．

粘性土/電極界面の電圧降下を計測することは，電気浸透0.01Aのケースでは，脱水量と R 変化がほぼ比例関係であ圧密系の電気化学的性状を理解するために重要である．2

ることが分かる．0.02Aのケースでは， R が安定して上昇

章では，液抵抗値の異なる 2 種類の粘土試料を用いて粘し，40分経過付近で R が一度低下する間，脱水量が増加

性土/電極界面の電圧降下測定試験を行い，同じ電極材料した．その後70分経過時には R および脱水量が共に一定であっても粘性土により分極曲線の傾向が異なることをとなった．120分経過時をみると， R が再度上昇すること示した．カオリン粘土のように液抵抗値が大きい地盤材が分かる．このとき， R が上昇しても脱水量に変化が生料を用いる場合，比較的小さな電流密度を用いて電極間の粘土に大きな電圧を作用させることができる．そのたじなかった．粘性土中の含水量が変化しないため，式(2)に示す Ros は変化せず， R ph は粘性土中のイオンが増加す

め，粘性土/電極界面の電圧降下が電気浸透脱水効果に及るため減少する傾向を示すはずである．そのため，このぼす影響は小さくなると考えられる．一方，東京湾粘土

ときの抵抗 R の上昇は Rin に起因すると考えられる．粘性のように液抵抗値が小さい地盤材料を用いる場合，電極土/電極界面付近の間隙水は通電初期に脱水が完了してい間の粘性土に大きな電位を与えるために電流密度を大きるため， Rin が上昇しても脱水量が変化しなかったと考えくする必要がある．この場合，粘性土/電極界面の電圧降られる．0.05Aのケースでは，50分経過時に脱水量が一定

下が電気浸透脱水効果に及ぼす影響が大きいため，電圧になっても R が上昇している．このときの R の上昇は，降下が小さくなる電極材料の選定が非常に重要になる．

0.02Aのケースと同様， Rin が上昇したことが原因であると考えらえる．各ケースの R の値を比較すると，0.01Aの4.2

ケースで最も R が大きいにも関わらず，脱水量が最も小粘性土内の電流キャリア

3章で実施した電気浸透圧密試験結果から，電気浸透をさくなった．このことから，0.01Aのケースでは脱水速度生じさせるための最適な印可電流値が粘性土ごとに存在が遅いため粘性土中のイオンが増加することで電気泳動することを明らかにした．電圧が印加された粘性土内の電気浸透脱水時の概要を図-15に示す．電気浸透による電流と電気泳動による電流が存在し，電流計で計測される
電流は次の式で表される．
I m  ios  i ph(1)

ここに， I m は電流計で計測される電流[A]， ios は電気浸透による電流[A]， i ph は電気泳動による電流[A]である．
様々な粘性土において ios と i ph がそれぞれどのような値となるかは電気化学的な解釈には非常に重要である． ios
および i ph の整理の仕方はさまざまに考えられるが，本論
文では印加電圧Ｖを式(1)で割った値を次の通り定義する．
V
1

 Rin
Im  1
1 
(2)



R
R
os
ph


ここに， Ros は電気浸透による抵抗[Ω]， R ph は電気泳動に
V  I m  R  Rin  よる抵抗[Ω] ，Rin は電圧降下による抵抗[Ω]である．Ros お
よび R ph は電極間の電圧に対してそれぞれ ios および i ph を決定する数値である．例えば， Ros が大きく， R ph が非常

図-16- 117 -

抵抗変化(a)および脱水量変化(b)杉山友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野大樹

による電流キャリアが卓越し，それにより R ph よりも Ros

旦急激に下がり，その後また徐々に増加する傾向を示しが大きくなったことで電気浸透が生じにくくなったと考ている．この間，Case1とは異なり，脱水量も増加していえらえる．一方，0.02Aと0.05Aのケースは，脱水曲線がることが分かる．このことから，このときの (R  Rin ) 変化

一致しているにも関わらず R は0.05Aのケースが大きかは，Ros ，R ph および Rin 全ての変化が生じている状態であった．このことから，いずれのケースも電気浸透によるると考えられる．150分経過時には，R が不安定になった．

電流 ios は同じ値であり，0.05Aでは電気浸透に対して余分に電流を与えていたことが推測される．つまり，定電流

このとき，脱水量に若干の変化があることから，電圧を大きくするために電流を与えすぎたことで Ros よりも R ph

値を0.05A以上に大きくしても，電気泳動による電流が増が大きくなり，電気浸透よりも電気泳動が卓越する状態

加するだけで電気浸透脱水効果を高めることができないになっていると推測される．これらの実験結果から，粘といえる．

性土に対する電気浸透脱水効果は，印可電流および印可

東京湾粘土については，定電圧条件および定電流条件

電圧が大きいほど大きくなるものではないことが明らか

で電気浸透圧密試験を実施した．累積消費エネルギー量になった．試験中，電気浸透による電流 ios が電気泳動にと正規脱水量の関係を図-17に示す．正規脱水量とは，ios

よる電流 i ph よりも大きくなる印可電流を与えることで，に比例する脱水量を ios および i ph の和である累積電流値
で除した値である．累積電流とは，陽極反応で生成され電気浸透脱水効果を高めることができると考えられる．
カオリン粘土と東京湾粘土の Ros ，R ph および Rin は異なた電子の総量であるため，正規化された脱水量とは単位る値になることが本研究の実験結果から明らかになった．

反応あたりの排水量，すなわち総電流に対する ios の比率を印可初期の粘性土の Ros ， R ph の割合は粘性土ごとに異な意味する．そのため，正規脱水量が多いほどイオンが効率的に帯電し，電気泳動の抵抗 R ph が小さいことになる．

るため，粘性土の種類により ios および i ph の割合も異なる．

正規脱水量はCase CV-FeがCase CC-Alよりも大きい結果

ことは，効率的に電気浸透を生じさせるために重要であ

これらの電流値がそれぞれどのような値となるかを知るとなった．これは， R ph が小さくなったことで，電気浸透脱水効果がより長く発揮されたことでCase CV-Feの最終

0.035

Normalized dehydrated water/gC-1

脱水量が多くなったと考えられる．
東京湾粘土を用いた電気浸透圧密試験結果について，
式(2)を用いて整理したものを図-18に示す．図-18(a)に示
すCase CC-Al（0.05Aの定電流条件）では，通電後130分経
過時までは徐々に R が増加した後，一度 R が低下した状態で一定となった．400分経過時には R が急増した． R が急増する際，脱水量が変化していないことが分かる．このことから，カオリン粘土と同様，このときの抵抗 R の

0.03
0.025
0.02
0.015
0.01

Case CV-Fe

0
0

10

20

30

40

50

60

70

80

Energy consumption/kJ

上昇は Rin に起因すると考えられる．一方，Case CV-Feでは， (R  Rin ) が徐々に増加し，定電圧値の切り替え後に一

図-18

Case CC-Al

0.005

図-17

正規脱水量と累積エネルギー消費量の関係

抵抗の経時変化（東京湾粘土）：(a) Case CC-Al, (b) Case CV-Fe- 118 -

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－

り，これらの電流比率と粘性土の物理特性との関係を明くなった．さらに，EPMA 分析結果から，ナトリウムならかにすることが必要である．

ど酸化しやすいイオンを多く含む粘性土を対象に電気浸透を適用する場合，電気泳動により陽極に向かう陰イオ

4.3

ンが陽極で生成された OH-と結合することで酸化物の薄電圧印加による粘性土内のイオン組成変化

電圧印加によって，電極界面では電気化学反応が生じ膜層が形成されることが分かった．

ることから，粘性土の間隙水のイオン分布には偏りが生[3] 現場への適用を想定して実施した 3 次元模型土層をじると考えられる．粘性土の間隙水のイオン組成は，電用いた電気浸透脱水試験結果から，粘土と電極の接触を極界面での電気化学反応，電気泳動，電気浸透，粘土の長時間維持することで電気浸透脱水による収縮を遅らせ分散性等にも影響する重要な要因である．3.3節で実施しることが，電気浸透脱水の効率向上に繋がることが分かた電気浸透圧密試験後の供試体を用いたEPMA分析結果

った．

より，電気浸透脱水をすると粘土に空間的イオン分布が[4] 粘性土地盤の電気抵抗と電流値の関係について検討生じることが分かった．また，電気泳動により陰極側にした結果，粘性土ごとに電気浸透効果が大きくなる最適－

移動する陽イオンが陰極から生成されるOH と結合するな電流値が存在することが分かった．粘性土に電圧を与ことで酸化物の薄膜層ができることを明らかにした．一

えると，電気浸透と電気泳動が同時に発生する．しかし，

般に陰極付近ではpHが上昇し，陽極付近ではpHが低下す

脱水には電気浸透のみが影響を及ぼすため，電流値を単るため，試料中のpH分布が均一でなくなる．pHはゼータに増加させるだけでは，電気泳動に消費される電流も大電位と密接に関係する．また，ゼータ電位の変化は脱水きくなるため，電気浸透脱水効果を増加させることがで速度に影響を及ぼす．つまり，pHが不均一になることできない．しかし，粘性土の種類および電極材料により電

電気浸透脱水効果が低下する．この問題を回避するため

気浸透に消費される電流を最大化する通電方法を選択すには，粘土試料を速やかに脱水し，試料内部のpHをあるることで，脱水効率を最適化することができる可能性が程度一定に保つ必要がある．粘性土/電極界面の電圧降下あることが分かった．

を最小限に抑え，電気浸透による電流が卓越する条件で本研究で得られた電気浸透圧密試験結果は，電気浸透

通電することで脱水効果を高めることができれば，pH変圧密工法を効率的に実施し，現場適用時の仕様を決める

化を最小限に抑えて最終脱水量を増加させることにも繋ための一助となる可能性がある．ただし，そのためにはがる．

電気浸透脱水後の地盤の力学特性について把握することも求められる．今後は，地盤力学的な視点から粘性土地

5.

あとがき

盤への電気浸透の適用について検討するため，地盤材料の物理特性の違いを考慮し，様々な粘性土地盤を用いた

本研究では、粘土地盤における電気浸透流に影響を与

電気浸透圧密試験を実施し，粘土地盤のゼータ電位と脱える 3 つの主要な電気化学的要因である，粘性土/電極界

水メカニズムの関係について明らかにしたいと考えてい面の電圧降下，粘性土内の電流キャリア，電圧印可による．

る粘性土内のイオン組成変化について検討するため，36.

つの異なる実験系を構築し，それぞれの結果から電気浸電気浸透圧密工法の現場への適用について

透脱水に対する電気化学的な整理を試みた．得られた結果を以下にまとめる．

電気浸透圧密工法を現場に適用するためには，まず初[1] 分極試験結果から，粘土/電極界面の電圧損失は粘土

めに対象地盤に対する電気浸透脱水効果について検討し，と電極材料の組み合わせによって異なることを明らかに

電極材料の選定，印可電流値及び印可方法を設定する必した．東京湾粘土のように液抵抗値が低い地盤材料を使要がある．電気浸透脱水効果については，対象地盤の物用する場合，電極間の粘土内に大きなポテンシャルを作

理特性を調べた上で電気浸透圧密試験を実施し，脱水量用させるためには電流密度を増加させる必要がある．こ変化や電流電圧変化のデータを取得することで定量的なの場合，粘土/電極界面での電圧損失が電気浸透脱水に与評価が可能であると考えている．対象地盤が有機物やイえる影響は大きい．

オンを多く含むことが予想される場合，必要に応じて溶[2] 電気浸透圧密試験結果から，初期電気抵抗が小さい

液分析を実施する必要がある．また，分極試験により電海成粘土に電流を流す場合，定電圧条件で通電する方法

圧損失が小さくなる電極について検討することで最適なが定電流条件で通電する方法よりも脱水速度が約 3 倍速電極の選定が可能である．電極配列は，従来の真空圧密- 119 -

杉山

友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野

大樹

工法のドレーン打設と同じように，図-19 のような対面ることになる．電気浸透脱水効果が高い地盤材料につい的な配列で電極を打設しても十分電気浸透脱水効果が得ても，RS 電極を用いることで電極間隔を 2 m 以上にできられると考えられる．また，RS 電極［33］を用いることる可能性があれば，別途大型の模型実験等により電極間で集水範囲が広くなるため，分割数や任意電位の大きさ隔を設定する必要がある．
今後，現場実証実験を実施し，等を調整することで真空圧密と同様 1m~2m 間隔で電極

具体的な現場適用時の仕様設定について検討したいと考を打設できる可能性があると考えている．

えている．

以上のことから，現場における電気浸透圧密工法施工の際の電極間隔について，従来適用されている真空圧密（2024年1月31日受付）

工法において排水材であるドレーンの打設が 1m 間隔程

参考文献

度であることから，電気浸透圧密工法適用時にも 1～2m

1.

L. Casagrande (1949), Electroosmosis in soils,

間隔で電極を打設することを目標とし，電気浸透圧密試

Geotechnique, Vol. 1(3), pp.159-177. DOI:

験結果を用いた電気浸透圧密工法を現場適用する際は以https://doil.org/10.1680/geot.1949.1.3.159
2.

下の流れで電極間隔および電流電圧値を設定する．

Xue, Z., Tang, X., Yang, Q., Wan, Y. and Yang, G. (2015)① 現地の地盤材料を用いた電気浸透圧密試験を実施し，Comparison of electroosmosis experiments on marine

電気浸透脱水に対する地盤材料特性を把握する

sludge with different electrode materials, Drying② 脱水に要する時間や必要となる電力を計測した結果Technology, Vol.33(8), pp.986-995. DOI:

から，電極間隔を従来のドレーン打設間隔である 1～2ｍ

10.1080/07373937.2015.1011274
3.

とできるかどうかの判定を行う

Jeyakanthan, V., Gnanendran, C.T. and Lo, S.-C. R.

③ ①で調べた地盤材料特性及び分極試験から，使用す(2011) Laboratory assessment of electro-osmotic

る最適な電極材料（従来電極・ＲＳ電極（分割数・任意

stabilization of soft clay, Journal of the Canadian

電位））を選定する

Geotech, Vol. 48, pp.1788-1802. doi:10.1139/T11-073
4.

④ 施工対象となる現地の領域面積において必要となる

Chappell, B.A., and Burton, P.L. (1975) Electro-osmosis

電力を電気浸透圧密試験で計測した電流電圧値を参考に

applied to unstable embankment, Journal of the

推定し，具体的な電極間隔を設定する

Geotechnical Engineering Division, ASCE, 101(GT8),
pp.733–740.

従来の真空圧密工法のドレーン打設間隔と同様，電気
5.

浸透圧密工法の電極間隔は地盤材料特性により異なり，

Reddy, K.R., Urbanek, A. & Khodadoust, A.P. (2006)

電気浸透脱水効果が高い地盤材料であれば電極間隔は 2electroosmotic dewatering of dredged sediments:

ｍとし，電気浸透脱水効果が小さい場合には，ＲＳ電極

bench-scale investigation. Environ Manage 78(2),を用いるなど電極に工夫をして 1～2 m で電極を打設す

pp.200–208.

①真空圧密時のドレーン打設と類似配置②現在の実験検討中の電極配置（具体的な電極間隔は検討中）

浚渫土砂処分場

極板（陽極）

極板（陰極）+ドレーン

真空ポンプ
による排水

図-19

電気浸透による圧密工法の現場適用イメージ図- 120 -

電気浸透を用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土の電気浸透圧密効果に関する電気化学的考察－

6.

7.

8.

Lo, K.Y., Inculet, I.I., and Ho, K.S. (1991),

Toh, M.L., and Hee, A.M. (2004), A field trial for soft

Electroosmotic strengthening of soft sensitive clays,

clay consolidation using electric vertical drains,

Canadian Geotechnical Journal, 28(1), pp.62–73.

Geotextiles and Geomembranes, 22(1–2), pp.17–35.

doi:10.1139/t91-007.

doi:10.1016/S0266-1144(03)00049-9

Brian, A.C. & Peter, L.B. (1975) Electro-osmosis applied

18. Mohamedelhassan, E., and Shang, J.Q. 2002. Feasibility

to unstable embankment, Journal of the Geotechnicalassessment of electro-osmotic consolidation on marine

engineering division, Vol.101(8), pp.733-740.

sediment. Proceedings of the ICE – Ground

Zareh, A., Poursorkhabi, R. V., Majdi, A. A., & Sarand,

Improvement, 6(4): 145–152.

F. B. (2023) The efficiency of the electro-osmosis

doi:10.1680/grim.2002.6.4.145.

method on the consolidation and strength properties of

19. Shang, J.Q., Lo, K.Y., and Huang, K.M. 1996. On

the gray clay of Tabriz. Geoenvironmental Disasters,

factors influencing electro-osmotic consolidation.

10(1), 1-12.
Zhou J, Tao YL, Xu CJ, Gong XN, Hu PC (2015)
Electro-osmotic strengthening of silts based on selected
electrode materials. Soils Found 55(5):1171–1180.
https://doi.org/10.1016/j.sandf.2015.09.017
10. Korolev, V. A., & Nesterov, D. S. (2019) Influence ofGeotechnical Engineering, 27(2):23–26.

9.

20. El Naggar, M.H., and Routledge, S.A. 2004. Effect ofelectro-osmotic treatment on piles. Proceedings of the
ICE – Ground Improvement, 8(1): 17–31.
doi:10.1680/grim.2004.8.1.17.
21. Zhuang Y.F. (2021) Large scale soft ground consolidation
using electrokinetic geosynthetics. Geotext Geomembr
49(3):757-770.
https://doi.org/10.1016/j.geotexmem.2020.12.006.
22. Hu, L., Wu, W. & Wu, H. (2012) Numerical model ofelectro-osmosis on physicochemical parameters andmicrostructure of clay soils. Journal of Environmental
Science and Health, Part A, 54(6), 570-581.
11. Mahalleh H.A.M., Siavoshnia M, Yazdi M (2021)
Effects of electro-osmosis on the properties of highelectroosmotic consolidation in clay, Geotechnique,plasticity clay soil: chemical and geotechnical62(6), pp.537–541.

investigations. J Electroanal Chem 880:114890.

23. Lewis, R.W., and Garner, R.W. (1972) A finite element

https://doi.org/10.1016/j. jelechem.2020.114890

solution of coupled electrokinetic and hydrodynamic

12. Silva, K. N., Paiva, S. S., Souza, F. L., Silva, D. R.,

flow in porous media, International Journal for

Martínez-Huitle, C. A., & Santos, E. V. (2018)

Numerical Methods in Engineering, 5(1), pp.41–55.

Applicability of electrochemical technologies for

doi:10.1002/nme.1620050105.

removing and monitoring Pb2+ from soil and

24. Mohamedelhassan, E., and Shang, J.Q. (2001) Analysis

water. Journal of Electroanalytical Chemistry, 816,

of electrokinetic sedimentation of dredged Welland

171-178.

River sediment. Journal of Hazardous Materials, 85(1–2),

13. Estabragh, A. R., Naseh, M., & Javadi, A. A. (2014)

pp.91–109. doi:10.1016/S0304-3894(01)00223-0.

Improvement of clay soil by electro-osmosis technique.

Method of Combination of Electroosmosis, Vacuum and

PMID:11463505.
25. Yuan J., Hicks M.A. (2015) Numerical analysis ofelectro-osmosis consolidation: a case study. Géotech Lett
5(3):147-152. https://doi.org/10.1680/ jgele.15.00045
26. Zhuang, Y.F. and Wang, Z. (2007) Interface electric

Surcharge, Preloading for Soft Ground Improvement,

resistance of electroosmotic consolidation, Journal of

China Ocean Eng., Vol. 28, No. 4, pp. 511 -528. doi:

Geotechnical and Geoenvironmental Engineering,

10.1007/s13344-014-0042-3, ISSN 0890-5487

Vol.133(12), pp.1483-1640.

Applied Clay Science, 95, 32-36.
14. Liu, H., Cui, Y., Shen, Y. and Ding, X. (2014) A New

15. Karunaratne, G.P. (2011) Prefabricated and electricalinvestigation on electroosmosis properties of Singapore

doi:10.1061/(ASCE)1090-0241(2007)133:12(1617)
27. Yang S., Jianting F., Wen S., Chenchen Q. (2019) Effects
of voltage gradients on electro-osmotic characteristics of
Taizhou soft clay. Int J Electrochem Sci 14:2136–2159.
https://doi.org/10.20964/2019.03.06
28. 杉山友理，高野大樹，森川嘉之 (2022) 電気浸透を

marine clay, Soils and foundations, Vol.41(5), pp.15-23.

用いた浚渫土砂減容化手法に関する研究－粘性土に

17. Chew, S.H., Karunaratne, G.P., Kuma, V.M., Lim, L.H.,

対する電気浸透の適用性に関する検討－，港湾空港

vertical drains for consolidation of soft clay, Geotextiles
and Geomembranes, Vol.29, pp.391-401.
16. Bo, M.W., Choa, V. & Zeng, X.Q. (2001) Laboratory- 121 -

杉山

友理・橋本 永手・Cyrille Couture・高野

技術研究所資料，No.1404, ISSN: 1346-7840.
29. ASTM, 2020. Standard Test Method for
One-Dimensional Consolidation Properties of Soils
Using Incremental Loading. D2435. American Society
for Testing and Materials, Philadelphia PA, USA.
30. JSCE-G574-2013：EPMA 法によるコンクリート中の元素の面分析方法（案），2013 年制定コンクリート
標準示方書［規準編］土木学会規準および関連規準，
土木学会，pp.387-400.
31. 詳解工場排水試験方法 : JIS K 0102:2019
32. 鉱泉分析法指針 (2014), 環境省自然環境局, pp.
79-85．
33. 杉山友理，高野大樹，森川嘉之，電気浸透脱水を用いた浚渫土の減容化に関する検討，第 57 回地盤工学会研究発表会講演集，新潟，No. 80-8-3-05, 2022.

- 122 -

大樹