高砂セメント比条件下におけるセメント固結ペースト充填材の損傷サイズ効果に関する研究

地下支保のサイズが重要な理由

現代の鉱山では、空洞の崩落を防ぐために「セメント固結ペースト充填材」と呼ばれる人工岩を注入することが一般的です。この材料は、鉱石処理の残さである鉱滓（テーリング）、水、少量のセメントから成ります。安全設計のためには、この充填材の強度を正確に把握する必要がありますが、強度は材料組成だけでなく、実験室で試験する試料の大きさや形状にも依存することが分かっています。本研究は単純だが重要な問いを立てます：砂とセメントの比率や試料形状を変えたとき、実際に地下深部に存在する材料の真の強度から、どの程度測定値がずれてしまうか、ということです。

鉱山が廃石を使って安全を確保する仕組み

充填鉱業では、鉱石処理で出る廃石を水とセメントと混合して地下の空洞に送り込み、硬化後に屋根や壁を支えます。これにより、危険な崩落を起こさずにさらに採掘を進められます。硬化したペーストの強度、すなわち押しつぶしに抵抗する能力は、地下室の幅や高さを決める重大な要素です。多くの鉱山がコスト節約のため砂が多くセメントが少ない（高砂–セメント比）の混合物を用いるため、得られる材料は比較的弱くなることがあります。こうした低強度を標準試験機で正確に測るのは難しく、研究者はしばしば試料の大きさや形状を変えて測定します。しかしその便宜が、結果に気づかれない歪みをもたらすことがあります。

異なる形状と配合の試験

著者らは、現場条件を反映して砂対セメント比を3段階（8:1から24:1）に、固形分含有率を71～73％の範囲で設定して多数の試料を作成しました。注目したのは高さ対幅比の異なる三つの単純な形状で、低く幅広い塊、立方体、細長い円柱です。28日間の養生後、各試料を圧縮して破壊するまで押しつぶしました。研究チームは統計手法を用いて、配合比、固形分、試料形状の各因子が測定された強度にどれほど影響するかを解析しました。さらに有限要素解析ソフトで数値モデルを作成し、破壊前に試料内部でどのように応力が蓄積されるかを可視化しました。

形状が示す内部応力の違い

試験は明確な傾向を示しました。セメント量が減る（砂–セメント比が高くなる）と強度は急激に低下し、試験範囲内で最大で約4分の1になることもあり、これは粒子を結束するバインダーが減るためです。固形分を増やすと内部の空隙が減り若干強度が上がりますが、その効果は限定的でした。もっとも影響が大きかったのは試料の形状で、同じ配合と固形分でも低い短い塊が最も強く、立方体がやや弱く、細長い円柱が最も弱く見えました。割れ方を観察すると、短い試料は垂直方向に割れやすく、細長いものはX字状の斜め破壊を示し、内部の応力状態が形状によって異なることを示唆していました。

短い塊が実際より強く見える理由

これらの違いを解明するために、著者らは試料の上下に接する荷重板が材料をどのように拘束しているかを検討しました。短い塊では、荷重板と試料表面の摩擦が端部近くの側面の膨らみを抑制します。その結果、両端に圧縮された円錐状の領域が形成され、中央で重なり合って試料全体が三次元的に強く圧縮されるため、実際よりも強く見えてしまいます。一方、細長い円柱では荷重板近傍に限られた薄い拘束域しかなく、長い中央部分は主に一方向の圧縮状態になりやすく、これは地下での実際の応力により近い状態です。数値シミュレーションはこの構図を裏付け、短い試料の端部近くに強い応力集中が現れ、細長い試料は中央でより均一な応力分布を示しました。

実験結果を現場強度に変換する方法

最も背の高い試料は端部効果による歪みが最小であるため、その測定強度が鉱山内の実際の充填材強度に最も近いと考えられます。研究者らは全試験データを用いて、短い試料や立方体の測定強度を背の高い試料の同等値に変換する数学的関係式を構築しました。これらの換算式は、試験した配合と固形分の範囲で有効であり、実務者にとっては便利なツールを提供します：実験室では扱いやすい試料サイズを使用し、その結果を補正して現場挙動により近づけられます。こうして本研究は、地盤支保が過小設計で安全を損なうことを防ぎ、過大設計でセメントやコストを浪費することを避けるのに役立ちます。

引用: Jiang, D., Li, H. & Sun, G. Research on damage size effect of cemented paste backfill under high sand-cement ratio conditions. Sci Rep 16, 11215 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40983-9

キーワード: セメント固結ペースト充填材, 鉱山地盤支保, サイズ効果, 砂–セメント比, 圧縮強度