軟弱地盤の安定化におけるナノ材料の影響：ナノシリカとナノクレイ

概要

エンジニアや設計者は、様々な安定剤を添加して土壌を改良する手順を頻繁に利用している。 弱った自然土壌にナノ粒子を添加し、ナノスケール または1nm～100nmの隙間を埋め 、あらゆる地盤工学的品質を向上させるような最新の 方法は、ナノテクノロジーとして知られている。この調査では、ナノ土粒子-ナノクレイとナノシリカ-によって安定化された軟弱地盤が、地盤工学的パラメータにおいてどの程度の性能を発揮するかを評価するために、実験室試験が行われた。この研究の主な目的は、適度な濃度のナノシリカとナノクレイ（0.05%、0.15%、0.25%、0.35%）が土壌の物理的性質をどのように改善できるかを調査することである。ナノ材料を用いた土壌の安定化は良好な結果を示し、指標や工学的特性を含むすべての地盤工学的パラメータを増加させ、安定化した軟弱地盤の土の強度と有効せん断強度を改善した。また、ナノクレイの効果を理想的な量で土壌に与えることができた。1%のナノシリカと0.15%のナノクレイで1.81kN/m2の乾燥密度を達成した。 28日間の養生後、多孔質空間がナノ粒子で満たされ、土の圧縮強度が向上したため、一軸圧縮強度特性は、1%ナノシリカと0.15%ナノクレイで0.201MPaから0.821MPaに増加した。安定化は、斜面の安定、輸送、地盤、土木の安定に関連するすべての堤防にとって有益である。

キーワード

ナノシリカ，ナノクレイ，一軸圧縮強度，標準プロクター試験

1.はじめに

天然の粘性土が現代の地盤工学プロジェクトの基礎的支持力仕様を満たすことは稀である。その高い圧縮性，高い膨潤収縮能，乏しい透水性，低いせん断強度，および低い透水係数のために，軟弱土は問題のある土とみなされている。2]によると、軟弱地盤は予測不可能な挙動を示し、望ましくない工学的性質を持つと言われている。強度、耐久性、変形に対する抵抗性などの工学的性質を向上させるために、土に材料を加えたり、土の自然な特徴を変えたりするプロセスは、土の安定化として知られている。土壌安定化技術の分類には、機械的技術、化学的技術、物理的技術の3つの一般的なカテゴリーを用いることができる。一般に、基礎地盤は、様々な補強材や処理材を加えることによって、その強度と変形の性質を変化させたり、改善したりすることができる[7]、[13]、[12]、[19]、[20]。これらの化合物は、複合硬化剤、イオン性土壌 安定化物質、および無機バインダーの3つのカテゴリー に分類される。化学的な土壌改良では、他の安定化材料の中でも無機バインダー（セメント、石灰、フライアッシュ、およびそれらの混合物など）が一般的に利用されている[3]。18]によると、初期平均有効応力が低いほど、あるいはセメント含有量が高いほど、セメント固化土はより脆い応力-ひずみ挙動を示し、弾性係数とピーク強度が大幅に上昇する。12]によると、セメント固化土にポリプロピレン繊維を添加すると、繊維含有率が高くなり、破壊時の主応力比が高くなり、ピーク強度と残留せん断強度が高くなる。一連の実験において、[15]は粘土質の土壌にナノシリカを添加し、その結果、粘土の膨潤指数が低下することを発見した。工学的応用、特に土木工学に関心のある研究者は、最近、ナノ材料やナノ粒子への関心を高めている。ナノ材料とは、1～100nmの粒径で巨大な比表面積を持つ超微細材料の一種である。表面積が全体的に大きくなり、効果的な触媒として機能する能力を持つため、ナノ粒子は最初のサイズよりも反応性が高くなり、新しい用途の材料を開発することができる。むしろ、ナノ粒子の巨大な表面積は、ナノ複合材料のように、相互に混合された成分間の接触量を高め、材料の強度を向上させる。その結果、反応性が高まり、さまざまな用途の土壌の特性を高めるのに役立つかもしれない。ナノシリカとして知られる特定の種類のナノ粒子は、極小の二酸化ケイ素粒子で構成されている。ナノシリカは、粘土質の土壌に適用すると多くの利点があり、その一部は土壌の質を向上させる。フライアッシュ、セメント、シリカフューム、石灰な どの添加剤を用いて粘土を安定化させた場合、粒子は微小な サイズであるため、締固め、せん断強度、比重、塑性指数、透水 性などの孔隙の特性にはほとんど影響を及ぼさない [4] [16]。これらの添加だけでは、土壌の性能は十分に向上せず、間隙は部分的にしか充填されない。土壌の間隙をナノスケールで充填し、土壌をより締め固めるために、ナノテクノロジーが採用されている[17] [9] [1]。これは、土壌の透水性、比重、締固め、せん断強度、および塑性指数により大きな全体的影響を及ぼす。サイズ効果、量子効果、表面効果、および界面効果は、ナノ材料の4つの主要な構造特性である[6]。ナノ材料は、科学、環境、経済、および製品の品質向上の面で数多くの利点を提供する。すべてのナノ材料の中で、ナノクレイは土壌指数と工学的特徴の点で優れた性能を示した。極めて少量のナノクレイを土壌に添加することで、液性限界が改善され、塑性指数に影響を与えることが実証されている[21]。ナノ粒子が広く使用されるようになってから、そのコストは大幅に低下し、地盤工学業界で広く使用されるようになった。

本研究の目的は、ナノ粒子が粘性土にどのような影響を与えるかを調べることである。研究は、ナノシリカとナノクレイを添加した粘土土で実施された。理想的な割合を決定するために、まず、ナノシリカを0.7％、1％、1.2％、1.5％と段階的に母体粘土サンプルに添加した。その後、0.05%、0.15%、0.25%、0.35%のナノクレイを加えた。生来の粘土質土壌サンプルと化学的に安定化させた粘土質土壌サンプルの特性の比較が行われた。この研究では、ナノ材料（ナノクレイ・ナノシリカ）を用いて強度特性とアッターバーグ限界パラメータを向上させる有効性を実験的に検討した。実験の結果、ナノソイルを少量添加するだけで、軟弱地盤の地盤工学的特性が大幅に向上することが実証された。

2.材料と方法

原生土のサンプルをBeel Dakatiaから採取した。この地域は、クルナ県ドゥムリア郡とフルタラ郡の行政境界内に位置し、その50%は常に0.5 mから2 mの水面下にある。東経89'20'と89'35'e、北緯22'45'と23'00'の間に位置する。採取された土は塊状であった。それらは未処理で、未使用の袋に25kg以上集められた。その後、土壌は自然乾燥させた。そもそも土は湿っていた。乾燥した土の塊は、自然乾燥が終わった後、手作業で砕かれた。その後、astm c136に従ってふるいにかけた。粒度分布を図1に示す。実験には不十分であったため、風乾した土壌を105℃のオーブンで24時間オーブン乾燥した。本研究の添加剤はナノシリカとナノクレイである。ナノクレイとナノシリカは、土壌に異なる割合で添加して試料を調製した。ナノクレイ600gはインドのコルカタから採取した。ナノシリカ1kgはkhulna scientific store, khulnaから収集した。試験に必要な量を土壌温度で24時間オーブン乾燥した。試験には2種類の試料を準備した。まず、0.7%、1%、1.2%、1.5%のナノシリカを母土と混合し、ナノシリカの最適量を調べた。次に、0.05％、0.15％、0.25％、0.35％のナノクレイを、最適なナノシリカ含有量とともに土壌に添加し、試験片を作製した。試験片はナノシリカとナノクレイで4つずつ作成した。使用したナノシリカの化学組成を表1に示す。

本研究では、それぞれの地域から母体となる粘土質土壌試料を採取し、試験用の試料を実験室で作製した。試験はすべて実験室で行った。本研究の方法論のフロー図を以下に示す：

表 1： 使用したナノシリカの化学組成

図1 試験土の粒度分布。

3.結果と考察

3.1 軟弱地盤の安定化に及ぼすナノシリカの効果

3.1.1土壌のアッターベルグ限界に対するナノシリカの効果

図2に安定化処理土の液性限界とナノシリカ含有量との関係を示す。母体試料と比較して、安定化処理した粘土質試料は、本試験で液性 限界値が低くなっている。液性限界は、ナノシリカの割合が増加するにつれて上昇する。採取した粘土質サンプルの液体限界は43.25であった。0.7%のナノシリカを添加した安定化粘土の液体限界値は44.33であった。1%のナノシリカで土壌を安定化させた場合の液体限界値は44.64であった。1.2%のナノシリカを使用した場合、液体限界値は45.43であった。液性限界は、1.5%のナノシリカで安定化したサンプルで最大となった。液性限界の最大値は45.86である。 塑性限界試験では、ナノシリカの割合が増加するにつれて、安定化処理土の塑性限界は増加した。母土試料の塑性限界は23.54であった。0.7%のナノシリカを添加した場合、塑性限界は上昇し、その値は25.98であった。ナノシリカの割合が増加するにつれて、塑性限界は増加した。可塑性指数は、異なる含有率で添加した試験で変化した。可塑性指数は、母試料で19.71であった。塑性指数は1%ナノシリカ安定化土で最も低く、最適量の値は18.09であった。つまり、1%のナノシリカが最良の結果を示した。塑性指数の変化を図 2に示す。 (foad changizi, 2017)によると、結果は実験と同様であった。 土が荷重下でどの程度沈下または圧密すると予想されるかを判断する場合、アッターバーグ限界は現場での基準として使用できる。圃場の水分が液性限界に近ければ、多くの沈下が予想される。圃場の水分が塑性限界に近いかそれ以下であれば、その逆となる。私たちの実験では、塑性指数は低下した後に上昇し、液性限界は上昇し、塑性限界は上昇する。 その例では、1％のナノシリカを使用して土壌を安定させると、沈下のペースが減少します。つまり、化学添加剤として1％のナノシリカは、粘性土試料の特性を向上させる最適な安定剤である 。

3.1.2土壌の締固め特性に及ぼすナノシリカの影響

標準プロクター試験を実施した。この試験では，安定化処理土の最適含水比が低下し，最大乾燥密度が上昇した。母土の最適含水率は18.6%であった。その後、ナノシリカの割合が増加するにつれて最適含水率は低下し、ナノシリカの割合が1.5%で最も低く、15.7%に達した。最大乾燥密度は、粘土土、0.7%ナノシリカ、1%ナノシリカ、1.2%ナノシリカ、1.5%ナノシリカ安定化土で、それぞれ1.75 KN/m2、1.766 KN/m2、1.78 KN/m2、1.77 KN/m2、1.76 KN/m2であった。この結果は[5] [1]と同様である。

図2： 塑性指数（未処理土＋ナノシリカ）

図3 ：ナノシリカ混合土試料の締固め特性

3.1.3一軸圧縮強度試験に及ぼすナノシリカの影響

一軸圧縮試験（UCT）は土壌サンプルの力学的特性を測定するために用いられた。これは、土の非排水強度と応力-ひずみ特性を決定する。ナノシリカの1日強度の関係を図4に示す。土の乾燥重量の0.7、1、1.2、1.5％のすべての割合の中で、ナノシリカの割合1では、最も低い塑性指数（21％から19.5％）、および有意な最大乾燥密度（1.75から1.78 KN / m2）。すべての割合の中で、1%のナノシリカが最良の結果を示し、UCT値は1%で最高に達した。そのため、1%のナノシリカが土壌に最適な添加量として選ばれた 。

図4： ナノシリカ混合土壌 サンプルの UCT試験

3.2 粘土土+1%ナノシリカに対するナノクレイの効果

3.2.1土壌+1%ナノシリカのアッターベルグ限界に対するナノ粘土の影響

本試験では、安定化された粘土質試料は母材試料よりも液性 限界が低い値を示した。液性限界は、ナノシリカとナノクレイの割合が増加するにつれて増加した。採取した粘土質サンプルの液体限界は43.25であった。1%のナノシリカと0.05%のナノクレイを添加した安定化粘土の液体限界値は41.57であった。1%ナノシリカ+0.15%ナノクレイサンプルの液性限界値は41.89であった。1%ナノシリカ+0.25%ナノクレイでは、液体限界値は45.43であった。液性限界は、1%ナノシリカ+0.35%ナノクレイサンプルで最大となった。液体限界の最小値は45.86である。本試験では、塑性限界は安定化処理土の方が高くなった。母土サンプルの塑性限界は23.54であった。1%ナノシリカ+0.05%を添加した場合、塑性限界は上昇し、その値は24.25であった。塑性限界は、ナノクレイの割合が増加するにつれて増加した。塑性指数は、異なる含有率で添加した場合にも変化した。この結果は、ナノクレイを使用した先行研究[21]に一致している。塑性指数は、母試料で19.71であった。可塑性指数が最も低いのは、1%ナノシリカ+0.15%ナノクレイ安定化土で、最適量の値は16.89であった[8]。つまり、0.15%のナノクレイが最良の結果を示している。塑性指数の変化を図5に示す。

3.2.2土壌＋1%ナノシリカの締固め特性に及ぼすナノクレーの影響

最大乾燥密度は、試験の最適水分レベルが上昇するにつれて低下する。1%ナノシリカ+0.05%ナノクレー、1%ナノシリカ+0.15%ナノクレー、1%ナノシリカ+0.25%ナノクレー、および1%ナノシリカ+0.35%ナノクレーを添加した安定化粘土の母体試料では、最適水分レベルはそれぞれ16.3%、15.2%、14.9%、および14.7%であった。図6に成形特性を示す。[11]の結果と検証できる。

3.2.3土壌+1%ナノシリカの一軸圧縮強度試験におけるナノ粘土の効果

ナノシリカとナノクレイの理想的な組み合わせを見つけるために、最適な割合のナノシリカを異なる割合のナノクレイと混合した。UCT試験は、1、3、7、14、28日に実施された。14日間の試験では、かなりの改善が見られた。これはポゾラン反応によるものである。最適なナノシリカを見出した後、最適なナノシリカ混合 粘土土にナノクレイを0.7％、1％、1.2％、1.5％と異なる 割合で添加したところ、0.15％のナノクレイで最大の強度 が得られ、強度向上率は67％であった。その結果、粘土土の安定化に適切なナノシリカとナノクレイの量を見出すことができた。結果を図 7 に示す。

図5 可塑性指数（粘性土＋1％ナノシリカ＋ナノクレー）

図6 ナノクレイ混合土試料の圧縮特性

24時間後に最も強度が向上したのは、（ナノシリカ1% + ナノクレイ0.15%）の組み合わせで62%であった。土の乾燥重量のすべてのパーセンテージの中で、ナノクレイのパーセンテージ0.15は、最大比重を処理し、塑性指数を低下させ、最大乾燥密度を有意にした。そのため、0.15%のナノクレイが最適であった。

3.3 軟弱土の透水試験における1%ナノシリカ+0.15%ナノクレーの効果

理想的な含水率、最大乾燥密度、最適量のナノシリカとナノクレイを軟質粘土土に配合し、透水特性用のサンプルを調製した。サンプルは、水分の蒸発を防ぐために最終梱包状態で保存された。生成されたサンプルは、asm d 2434で規定された透水特性を満たし、ガイドラインに従って評価された。具体的には、理想的な含水率、最大乾燥密度、およびナノシリカとナノクレイの添加量に軟質粘土土を組み合わせた。ナノシリカとナノクレイを混合した土の透水係数の結果を表2に示す。この試験により、透水性パラメータは以前に調査されたものとは全く異なることが明らかになった[14]。理想的な量のナノクレイを添加することで、真空空間がナノレベルのナノ材料で満たされ、完全に浸透しない土壌として機能した。

表2：透水特性

図 7： 強度向上 変動 for Different Test Days (Clay Soil+ 1% Nanosilica + Nanoclay )

4.結論

ナノシリカとナノクレイを用いた改良軟弱粘土に関する実験的研究、指標、および軟弱粘土の工学的特徴から、以下の結論が導かれた：

• 低圧縮性粘土（CL）土はアッターベルグ限界によって決定される。土のOMCとMDDはそれぞれ18.18%と1.62 g/ccである。
• 粘性土のUCSは0.201 Mpaであり、透水係数は約4.6 * 10-4 cm/sである。最終圧密沈下量は約4.4 mmで、圧密係数は0.043 cm2 /minであることがわかった。つまり、圧縮性の高い粘土が土壌を構成していることがわかる。
• 理想的な含水率、最大乾燥密度、およびナノシリカの配合率（土の乾燥重量の0.7、1、1.2、1.5%）を軟らかい粘土質の土と組み合わせた。
• ナノシリカを1%配合した場合、乾燥密度は最大1.78kN/m2まで上昇し、粒度分布にも影響を与えた。
• すべての割合の中で、1%のナノシリカの強度が最も良い結果をもたらした。
• ナノシリカ処理土の割合1は、土の乾燥重量の0.7、1、1.2、1.5%のすべての割合の中で、最も低い塑性指数（21%から19.5%）と有意な最大乾燥密度（1.75から1.78 kN/m2）を示した。土壌に添加するナノシリカの理想的な量を決定するために、各調整は1%の割合で行われる。
• ナノクレイの含有は粒度分布に影響を与え、液性限界と塑性限界を変化させた。塑性指数の最大低下は、土壌にナノクレイを0.15%混合した場合に発生した。
• 最大乾燥密度は粒度分布に影響し、土壌中のナノクレイの割合が0.15%で最大1.81kN/m2となった。
• 土壌に添加するナノクレイの理想的な量を決定するために、各調整は0.15％の割合で行われる。
• 土壌は完全に不透水性として作用し、ナノ材料で充填された全細孔、およびナノクレイの理想的な添加量はすべてゼロ透水特性を有していた。

参考文献

[1] A. Mohamadzadeh Sani, M. A. (2010).Nanoclay additive on the geotechnical properties of silty sands.Proc. of 4th International Conference on Geotechnical Engineering and Soil Mechanics, Tehran, 2-3 November 2010.

[2] A.M., A.W.-A.(2005).土壌改良のための効果的な方法としての動電法の実施。問題土壌に関する国際会議 GEOPROB 2005, Famagusta, N. Cyprus, 885-894.

[3] Cai, Y., & Shi, B. (2006).粘土質土の工学的性質に及ぼすポリプロピレン繊維と石灰混和の効果．Eng.Geol.2006, 230-240.

[4] Feynman, R. (1960). There is plenty of room at the bottom.Eng.Sci. (California Institute of Technology), 22-36.

[5] Foad Changizi, A. H. (2017).ナノシリカ粒子による軟弱粘土の地盤特性の改善．Proceedings of the Institution of Civil Engineers.

[6] Gao, L., & Ren, Z. (2015).ナノメートル酸化マグネシウム改質粘土の実験的研究．Soil Mech.Found.2015, 218-224.

[7] Hejazi, S., Sheikhzadeh, M., Abtahi, S., & Zadhoush.(2013-14).繊維引抜き試験に基づく繊維補強土複合材料のせん断モデリング.Fiber Polym.2013, 14, 277-284.

[8] Jamal M. A. Alsharef, 1. M. (2016).弱い土壌を安定させるためのナノカーボン利用の可能性。

[9] Jha, K. (2012).An energy based nano mechanical properties evaluation method for cementitious materials.Florida International University, Miami, FL, USA, 2012.

[10] M, H. A. (2013).10] M, H. A. (2013). セメント処理砂の三軸せん断挙動に及ぼす繊維補強の影響.Geotextiles and Geomembranes, 1-9.

[11] Meeravali Karumanchi, G. A. (2020).ナノ材料による軟弱地盤のコンシステンシー限界、比重、透水特性の改善：Nanoclay.www.elsevier.com.

[12] Mirzababaei, M., Miraftab, M., Mohamed, M., & Mcmahon.(2013).カーペット廃材繊維の添加が圧縮粘土の膨潤特性に及ぼす影響。Geotech.Geol.2013, 173-182.

[13] Mirzababaei, M., Yasrobi, S., & Al-Rawas.(2009).膨張性地盤の膨潤ポテンシャルに及ぼすポリマーの影響。Proc. Inst. Civil Eng.Ground Improv.2009, 111-119.

[14] Norazlan Khalid, M. F. (2015).軟弱地盤の安定化におけるナノ土粒子の影響．

[15] QP, P. H. (2014).Effect of silica nanoparticles on clay swelling and aqueous stability of nanoparticle dispersions.Journal of Nanoparticle Research, 2137.

[16] R. Booker, E. B. (2005).Nanotechnology for Dummies.Wiley Publishing, 2005, 384.

[17] R. Zhu, S. L. (2010).土壌中のナノ粒子の高分解能TEM調査。Environ.Soil Sci. Interfaces Earth Critical Zone, 282-284.

[18] Schnaid F, P. P. (2001).三軸圧縮におけるセメント砂の特性評価。Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering , 857-868.

[19] Soltani, A., Deng, A., Taheri, A., & Mirzababaei.(2017).A sulphonated oil for stabilisation of expansive soil.Int.J. Pavement Eng. 2017, 1285-1298.

[20] Soltani, A., Deng, A., Taheri, A., & Sridharan.(2019).ゴム補強膨張性土の膨潤-収縮-圧密挙動。Geotech.Test.J. 2019, 761-788.

[21] Z.H. Majeed, M. T. (2012).Effect of nanomaterial treatment on geotechnical properties of a Penang soft soil.Asian Sci. Res. 2 (11) (2012), 587-592.

これは、タウシフ・イスラム・チョードリー（Tausif Islam Chowdhury）がSAMの2024年度奨学金に応募したものである。

*責任著者

タウシフ・イスラム・チョードリー*¹、ジュマナ・アクター²、ムシャロフ・ホサイン・サニー³、 ファヒム・シャハリアー・アディット 4

¹ バングラデシュ、クルナ工科大学建築工学・建設管理学科大学院生

² バングラデシュ・クルナ工科大学建築工学・建設管理学科助教授

³ バングラデシュ、クルナ工科大学、建築工学・建設管理学科、大学院生

⁴ バングラデシュ・クルナ工科大学建築工学・建設管理学科大学院生