産業廃棄物複合硬化剤で改質した浚渫スラリーの水理機械的挙動

泥を新しい陸地に変える

多くの混雑した沿岸部では、都市が文字どおり建設用の土地を使い尽くしつつあります。新しい陸地を造る一つの方法は、海底から柔らかい泥（浚渫スラリー）を浅い場所へ汲み上げ、締固めて利用可能な地盤にすることです。しかしこのスラリーは固い土というより水っぽいスープに近く、多量の水を含み、非常に細かい粘土分を多く含み、排水が極めて遅いのが特徴です。真空システムで水を絞ろうとすると、泥が排水管を詰まらせて乾燥しにくくなることがよくあります。本研究は、大量の従来型セメントの代わりに産業副産物を用い、より賢く環境負荷の小さい方法でその泥を硬く排水しやすくする手法を探ります。

軟弱な海底泥が手に負えない理由

上海周辺の港から採取された浚渫スラリーは、自重の二倍以上の水分を含み、粒子の過半が粘土粒径範囲にあります。この状態ではほとんど強度がなく、水もほとんど通しません。技術者は一般に真空事前加圧法を用います：垂直のプラスチック排水体を泥中に挿入し、表面で真空をかけて水を上方へ引き上げ、土が沈降して強化されるのを促します。しかし、非常に細かく粘着性の高い泥では、粒子が排水体の周りに集まり、ほとんど透水しない締まった円柱状の土柱を形成してしまいます。これらの「土柱」が流路を塞ぐため、地盤の一部は乾燥する一方で他は軟らかいまま残り、工事の進行を遅らせコストを押し上げます。

廃棄粉を混ぜて有益な添加剤にする

詰まりと気候負荷の両方に対処するため、研究者らは普通ポルトランドセメント、石灰、および二つの鉄鋼産業廃棄物（製鋼スラグと高炉スラグ）を混合した硬化剤を試験しました。目的はスラリーをコンクリートのように完全に硬化させることではなく、乾燥土質質量の約1〜5％という非常に低い用量で、荷重を支えつつ水が通る開放チャネルを残す半固体の骨格を作ることでした。室内実験ではまず水っぽいスラリーを再現し、四種類の粉末を異なる比率で混ぜました。高い円筒容器で時間経過による出水量（ブリーディング）を追跡し、続いて一軸圧縮の標準試験で荷重時の圧密速度と圧縮量を測定しました。

強度と排水性の最適点を見つける

試験から、総添加量が約2％付近に明確な閾値があることが分かりました。このレベル未満では泥は依然として軟らかく大きく圧縮されやすかったが、排水性は改善しました。約3％を超えると、混合物は剛体のように振る舞い始め、さらなる圧縮に抵抗する一方で出水がほとんど止まってしまい、流れを頼る真空システムには不利です。しかしおおよそ2％では半固体の骨格が形成され、荷重を支えつつ水の移動を許しました。未処理スラリーと比べ、セメントを1％添加すると透水係数は概ね2〜3倍になり、2％では約4〜5倍に増加しました。つまり水がより容易に逃げられるようになり、地盤改良が速まります。

セメントを鋼スラグと高炉スラグで有効にする

次に、産業副産物でセメントの大部分を置き換えても性能を損なわないかを検討しました。総添加量を2％に固定し、セメントを段階的に製鋼スラグ、高炉スラグ、少量の石灰に置換しました。およそ40％の製鋼スラグを含む配合は、出水試験で既に安定化が速いことを示しました。さらに40％のスラグと7〜9％の石灰を配合すると、特に有望な結果が得られました：改質スラリーは未処理泥の約2〜3倍の高い透水性を保持しながら、より高い荷重下でも効果的に圧密しました。注目すべきは、この最良配合がセメント単独参照よりも約80％少ないセメント使用量で、排水特性を維持または改善した点です。

微粒子が土の骨格を再構築する仕組み

微視的には、これらの粉末は泥を主に二つの方法で変化させます。第一に、セメントや石灰に含まれるカルシウム成分が帯電した粘土表面と速やかに反応してフロック化を引き起こします：細かい粒子が大きな凝集体となって間隙が拡大し、水がより自由に移動できるようになります。第二に、時間がたつと土中のカルシウム、シリカ、アルミニウムと産業スラグとの反応で、新たな鉱物ゲルや結晶（カルシウムシリケート水和物や針状のエトリンガイトなど）が形成されます。これらの生成物がフロック化した凝集体を結びつけ、排水路を完全に封じることなく長期的なクリープに抵抗する安定した骨格を作ります。調整された複合配合は、この骨格構築と十分な開放流路の保存とのバランスを取ります。

新しい沿岸地盤でよりクリーンに建設する

日常の言い方をすれば、本研究は、鋼鉄生産から出る再利用可能な粉末を主成分とする少量の混合粉で「味付け」することにより、水分の多い港湾泥をより効率的かつ低炭素で建設可能な地盤に変えられることを示しています。総添加量約2％で半固体状の良好に排水する土が得られ、真空排水の詰まりが起きにくく、圧密が早まり強度が維持されます。大部分のセメントを製鋼スラグ、高炉スラグ、石灰で代替することにより、性能を保ちつつエネルギー集約的なセメント使用量を大きく削減できます。用地不足と排出削減の両方に直面する沿岸都市にとって、この手法は埋立地へ安全に、より低炭素で拡張するための実用的な選択肢を提供します。

引用: Liu, Y., Zhang, H., Liu, X. et al. Hydromechanical behavior of dredged slurry modified with industrial waste composite curing agents. Sci Rep 16, 11217 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41409-2

キーワード: 浚渫スラリー, 真空事前加圧, 産業廃棄物の再利用, 土質改良, 沿岸埋立