季節凍結地帯におけるLBM‑GGBS固化塩害土の力学特性と微視的特徴

凍結する塩分を含む地盤が重要な理由

世界の乾燥地域では広範な面積に塩分を含む土壌が存在し、冬に凍結し春に融解するときに膨張・割裂・沈下を引き起こします。中国北西部のような場所では、道路や鉄道がこうした不安定な地盤を横断するため、でこぼこや泥の噴出、そして高額な補修が発生します。通常、土壌改良には普通ポルトランドセメントが使われますが、生産に多くのエネルギーを要し、塩分濃度の高い条件では性能が落ちることがあります。本研究は、工業副産物から作ったより環境負荷の小さいバインダーが、多数の凍結融解サイクルを経ても塩害土を強く安全に保てるかを検討しています。

塩害土を強化する新しい手法

研究者らは、2種類の粉体の混合物に着目しました。ひとつは製鋼の副産物である高炉製造スラグの微粉（GGBS）、もうひとつは反応性の酸化マグネシウムである軽焼マグネシアです。これらを水と土壌と混ぜると、低炭素のセメントに似た形で粒子間に固化体を形成します。研究チームは、中国陝西省の季節性凍結地域から塩化物を多く含む塩害土を採取し、スラグ‑マグネシアバインダーを異なる量および比率で添加しました。混合物を小さな円柱形に成形し、4週間養生した後、約マイナス20度での凍結と室温での融解を繰り返して数冬分を模擬しました。

土の強さと締まりはどう保たれたか

0、2、4、6、8、10サイクル後に、試料が破壊するまでに耐えられる圧縮強度、水が通りやすさ（透水性）、および洗い流された塩化物量を測定しました。予想どおり、最初の2サイクルでは氷の成長や塩の移動によって内部構造が損なわれ、全サンプルで強度が低下しました。しかし、バインダー含有量が多い試料、特にスラグ対マグネシア比が7対1でバインダー12％を含む試料は依然として高い強度を維持しました。この最適配合は10サイクル後でも約3メガパスカルの強度を保ち、高速道路の上層路盤に求められる基準のおよそ4倍に相当します。処理土の透水率は低く、サイクルを通じてほとんど変化せず、特にバインダーが多い混合物では硬化したネットワークが比較的緻密でひび割れに強いことを示しました。

微視的には内部で何が起きているか

なぜ処理土が凍結に強いのかを調べるため、研究者らは電子顕微鏡と細孔サイズ測定で内部構造を観察しました。スラグとマグネシアは土壌中の水や溶存イオンと反応して、粒子を結び付けるいくつかの新しい鉱物ゲルや結晶を生成していました。これには土粒子を覆って細かな割れを埋める密な網状層や、隙間を橋渡しする針状・板状の結晶が含まれます。凍結融解の繰り返しで小さな孔隙がやや大きな孔隙に統合されることはありましたが、全体の孔体積の変化は限定的でした。硬化した骨格は概ね維持され、損傷を招く氷レンズの成長を抑え、土壌の崩壊を防ぎました。

塩を放置せずに閉じ込める

対象の塩害土は当初、容易に溶解して水とともに移動しやすい高濃度の塩化物を含んでおり、霜害を悪化させたり周辺構造物や地下水を脅かしたりしました。スラグ‑マグネシアバインダーで処理・養生した後、溶脱した塩化物の量は約43％減少しました。微視的および化学的分析により、多くの塩化物がカルシウム、アルミニウム、硫酸塩を含む新たに生成された結晶に取り込まれて固定されたことが示されました。これらの鉱物は多数の凍結融解サイクル後も安定しており、さらにサイクルを重ねても追加の塩化物放出は起きませんでした。実質的に、このバインダーは土を強化すると同時に、厄介な塩分の大部分を捕捉したのです。

寒冷地域の建設にとっての意義

専門外の読者に向けた要点は明快です。製鋼スラグを再利用し、反応性のマグネシア粉末を用いることで、問題の多い塩害地盤を、寒暖の変化が激しい場所でもより強く、漏水しにくく、環境負荷の低い基盤材料に変えられる可能性があります。適切な配合—およそバインダー12％でスラグ多めの組成—は、道路工事基準を大幅に上回る強度を保持し、水の移動を制限し、塩化物の約4分の3を固定しました。この手法は、従来のセメントへの依存を減らしつつ、工業廃棄物を有効活用して寒冷で乾燥した地域の安全な建設の拡大に寄与する可能性があります。

引用: Chen, S., Ren, P., Wang, J. et al. Mechanical properties and microscopic features of LBM-GGBS solidified saline soil in seasonally frozen areas. Sci Rep 16, 10928 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46145-1

キーワード: 塩害土, 凍結融解耐久性, 地盤改良, 工業副産物バインダー, 塩化物固定化