土壌安定化
工学的目的のための土壌改良方法

土壌安定化とは、工学的目的に合うように自然土壌を改良する物理的、化学的、機械的、生物学的、またはそれらの組み合わせによる方法の総称です。 [1]改良には、道路舗装を強化するために、不安定な 下層土、砂、廃棄物の耐荷重能力、引張強度、および全体的な性能を向上させることが含まれます。

再生可能技術には、酵素、界面活性剤、バイオポリマー、合成ポリマー、共重合体ベース製品、架橋スチレンアクリルポリマー、樹木樹脂、イオン安定剤、繊維強化材、塩化カルシウム、方解石、塩化ナトリウム、塩化マグネシウムなどがあります。これらの新しい安定化技術の中には、疎水性の表面と塊を作り出し、処理層への水の浸入を阻害することで、浸水や激しい凍結による道路の崩壊を防ぐものがあります。

しかし、近年の技術革新により、土壌安定目的で使用される従来の添加剤の種類が増加しています。こうした非伝統的な安定剤には、ポリマーベースの製品（例えば、処理土壌の耐荷重性と引張強度を大幅に向上させる架橋水性スチレンアクリルポリマー）、コポリマーベースの製品、繊維強化材、塩化カルシウム、塩化ナトリウムなどがあります。

土壌は、安定化ジオシンセティックス、例えばジオグリッドやジオセル（3次元の機械的土壌安定化技術）を用いて機械的に安定化させることもできます。安定化は、粒子の動きを閉じ込めることで層全体の強度を向上させることで達成されます。ジオグリッドでは、骨材とグリッド（および張力をかけられた膜）の連結によって粒子の動きを閉じ込め、ジオセルでは、骨材に作用する細胞壁の拘束（フープ）によって粒子の動きを閉じ込めます。[2]

伝統的かつ広く受け入れられている土壌安定技術では、道路基盤を製造するための結合剤として使用できるビチューメンエマルジョンなどの製品を使用します。しかし、ビチューメンは環境に優しい製品ではなく、乾燥すると脆くなります。ポルトランドセメントは土壌安定の代替として使用されてきました。しかし、これは高価な成分である場合が多く、環境に優しい代替品ではありません。セメントフライアッシュ、石灰フライアッシュ（単独、またはセメントや石灰と混合）、ビチューメン、タール、セメントキルンダスト（CKD）、樹脂、イオン安定剤はすべて、一般的に使用される安定剤です。その他の安定技術には、下層土、砂、鉱山廃棄物、天然石産業廃棄物、[3]、粉砕された建設廃棄物などの現場材料を使用して、安定したほこりのない地域道路を提供し、完全な粉塵制御と土壌安定化を行う方法があります。

多くの環境に優しい代替品は、石鹸粉と本質的に同じ処方で、土壌を潤滑し整列させるだけで、効果的な結合力はありません。新しいアプローチの多くは、粘土本来の結合力に頼って大量に使用されています。路盤材を製造するための結合剤としては、ビチューメン、タールエマルジョン、アスファルト、セメント、石灰などが挙げられます。

全米専門技術者協会（NSPE）は、効果的で無害な代替技術を求めて、新しいタイプの土壌安定化技術を研究してきました。その一つは、スチレン アクリルポリマーの架橋に基づく新しい土壌安定化技術です。もう一つの代替技術は、長尺結晶を用いて、水、霜、酸、塩分を透過しない密閉セル構造を形成するものです。

新しい土壌安定化技術を活用し、ポリマー配合物内での架橋プロセスにより、従来の道路/住宅建設方法を環境に優しく効果的な方法で置き換えることができます。

深層混合工法と呼ばれるもう一つの土壌安定処理方法は、非破壊的で、軟弱地層や緩い地層の耐荷重性を向上させるのに効果的です。この工法は、1セント硬貨ほどの小型注入プローブを使用し、土砂の混入を最小限に抑えるため、軟弱地層の再圧縮・圧密、構造物下の耐荷重性の向上、浅い陥没穴や深い陥没穴の修復に最適です。特に、公共インフラや民間インフラの老朽化に対応する必要がある場合に効果的です。

塩化マグネシウム

吸水性塩化マグネシウム（潮解性）の特性には以下が含まれます。

  1. 温度にほとんど依存せず、相対湿度32%の空気から水分を吸収する
  2. 処理された道路は、水分や密度の低下をあまり心配せずに再整地や再圧縮が可能です。

ただし、制限事項としては

  1. 最低湿度レベル
  2. 乾燥した気候に適している
  3. 濃縮溶液は非常に腐食性が強くなります。
  4. 水分を吸着し、腐食の活性期間を延長する
  5. 処理された材料に高濃度の微粒子が含まれていると、濡れると滑りやすくなる可能性がある。
  6. 20％未満の溶液では、水と同等の性能効果があります[4] [5]

道路での塩化マグネシウムの使用は依然として議論の的となっている。支持者は、(1) 空気がきれいになり健康状態が良くなるため、飛散する粉塵は若者、高齢者、呼吸器疾患のある人に健康被害をもたらす可能性がある[6]、(2) 道路状況の改善による安全性の向上[7] [8]、運転者の視界の向上、砂利道の緩い部分、路面の荒れ、飛石によるリスクの減少などが挙げられる[9] 、と主張している。塩化マグネシウムは、近くの表層水への異物堆積物[10]（小川や渓流に沈殿する粉塵）を減らし、植物の気孔が詰まることで起こる作物の成長阻害を防ぎ、車両や財産を清潔に保つ[11] 。他の研究によると、道路の凍結防止や粉塵抑制のために塩を使用すると、その化合物で処理された道路表面から大量の塩化物イオンが流出する可能性があることがわかっている。塩のMgCl 2（およびCaCl 2）は水に非常に溶けやすく、解離する。[12]路面に散布された塩は、雨天時に溶解し、浸透や表層水域への流出によって地下水に運ばれます。[8] 地下水への浸透は問題となる可能性があり、飲料水中の塩化物イオン濃度は250mg/Lを超えると問題とみなされます。そのため、米国環境保護庁（EPA）の飲料水基準によって規制されています。地下水または表層水中の塩化物濃度は、以下を含むいくつかの要因に依存します。

  1. 適用率
  2. 土壌の組成と種類
  3. 降水の種類、強度、量
  4. 道路排水システム[13]

さらに、表層水中の塩化物濃度は、水域の大きさや流量、そしてその結果生じる希釈度にも依存します。ウィスコンシン州で冬季の除氷期間中に実施された塩化物濃度調査では、道路脇の排水路からの流出水が分析されました。全ての調査において、除氷活動の結果として塩化物濃度が上昇したことが示されましたが、その濃度はEPAが定めるMCL（平均残留濃度）250mg/Lを下回っていました。[14] [15] [16] [17] [18]しかしながら、この曝露の長期的な影響は不明です。

米国環境保護庁は家庭用水中の塩化物濃度の上限を250mg/Lと定めているが、動物はより高い濃度にも耐えられる。濃度が高すぎると、塩化物は動物の健康に影響を及ぼすと言われている。[19] 内務長官国家技術諮問委員会（1968年）は、「塩分濃度は野生生物に二重の影響を及ぼす可能性がある。一つは、関係する種の体内機能に直接影響を及ぼすこと、もう一つは環境を変化させて種の存続を困難または不可能にする間接的な影響である」と述べている。野生生物に関する限り、凍結防止塩の使用に関連する大きな問題の一つは、野生生物は「塩への渇望」を持つことが知られており、そのため塩を撒いた高速道路に引き寄せられ、動物と運転手の両方にとって交通の危険となる可能性があることである。

道路沿いの土壌への塩化物塩の蓄積が道路沿いの植物や植生の生理や形態に悪影響を及ぼすことに関しては、第二次世界大戦の時代まで遡る文献[20]があり、現在まで一貫して続いています[21] 。植物や植生に関して言えば、土壌への塩の蓄積は、土壌溶液の浸透圧を上昇させ、植物のミネラル栄養を変え、特定のイオンを植物内に毒性濃度まで蓄積させることで、植物の生理や形態に悪影響を及ぼします。（意図的な過剰な塩の散布については、「Salting the Earth」を参照してください）。

道路管理局や民間企業は、未舗装道路（土道または砂利道）や採石場などの埃っぽい作業現場で、粉塵や浸食を抑制するために、液体または粉末の塩化マグネシウムを散布することがあります。これは、購入と散布が比較的安価であるためです。塩化マグネシウムは吸湿性があり、空気中の水分を吸収するため、空気中に浮遊する小さな粒子（シルトや粘土）の数を制限します。防塵製品散布の最大の利点は、砂利道の維持管理コストの削減です。[22]しかし、最近の研究と最新情報によると、植物における環境中の生物学的毒性は依然として問題となっています。[21] 2001年以降、トラック運転手は道路上の「キラーケミカル」について苦情を訴えており、現在では一部の州で塩製品の使用を控えています。[23] [24]

屋内競技場（例えば乗馬場）のオーナーの中には、砂やその他の「土台」となる素材に塩化マグネシウムを散布して粉塵を抑制するケースがごく少数存在します。乗馬（馬術）競技場で使用される塩化マグネシウムは一般的に粉塵抑制剤と呼ばれますが、その効果は空気中や接触するあらゆるものから水分を吸収することに基づいているため、技術的には水分増加作用と捉える方が正確です。

塩化物は、粉塵を抑制または軽減するために水分を必要とするため、乾燥気候よりも湿度の高い気候でより効果的に作用します。湿度が上昇すると、塩化物は空気中の水分を吸収して表面を湿潤状態に保ち、湿度が低下すると拡散して水分を放出します。これらの自然な平衡変化により、塩化物は脱水剤としても使用でき、皮革の乾燥、硬化、保存にも使用されます。[25]

塩化マグネシウムは道路安定剤として、砂利や粘土粒子を結合させ、それらが路面から流出するのを防ぎます。塩化マグネシウムの吸水性（吸湿性）は路面の乾燥を防ぎ、砂利を路面に留めます。まるで散水車が散水した直後のように、路面は常に「湿った」状態を保ちます。[26]

参照

参考文献

  1. ^ ウィンターコルン、ハンス・F.、シベル・パムクチュ著「土壌安定化とグラウト」、基礎工学ハンドブック、ファング・ハサイ編、第2版、ニューヨーク：ヴァンノストランド・ラインホールド、1991年、317ページ。印刷。
  2. ^ Vega, E.、van Gurp, C.、Kwast, E. (2018)。 Geokunststoffen als Funderingswapening in Ongebonden Funderingslagen (非結合基層および路盤舗装層の補強のためのジオシンセティクス)、SBRCURnet (CROW)、オランダ。
  3. ^ エリック・グティエレス;リケルメ、アドリアン。カノ、ミゲル。トマス、ロベルト。ホセ・ルイス牧師（2019年1月）。 「膨潤粘土質土壌の安定化における石灰石粉末廃棄物の改良効果の評価」持続可能性。11 (3): 679. Bibcode :2019Sust...11..679P。土井：10.3390/su11030679。hdl : 10045/87249。
  4. ^ 「防塵剤の選択と適用ガイド」Fs.fed.us . 2017年10月18日閲覧。
  5. ^ 防塵剤の選択と適用ガイド
  6. ^ Schwendeman, T., 「粉塵制御研究、粉塵緩和評価、ガラティン国有林」、米国農務省森林局、1981年
  7. ^ 「アーカイブコピー」（PDF） 。 2016年3月4日時点のオリジナル（PDF）からアーカイブ。2017年9月9日閲覧。{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
  8. ^ ab 「道路粉塵抑制：メンテナンスの安定性、安全性、環境への影響 フェーズ1～3（MPC-04-156）」（PDF） 。 2017年10月18日閲覧。
  9. ^ Lohnes, RAおよびCoree, BJ、「高速道路関連の粉塵の管理と制御のための代替方法の決定と評価」、アイオワ州立大学土木建設工学部、2002年
  10. ^ Hass, RA, 「ドイツ連邦共和国グラーフェンヴォーア訓練場における未舗装戦車道の防塵工事。1985年6月15～29日」。米国陸軍工兵隊、文書GL-86-40、1986年。この報告書の付録では、塩化マグネシウムの使用による環境への影響について次のようにまとめられている。「Toxline、Medline、Chemline、Hazard Line、Biological Abstracts、Toxic Data Bank、その他入手可能な情報源を網羅的に調査しました。MgCl 2を土壌に単回または反復して散布した場合、地下水、地下水位、または植生に何らかの影響を与えた、または与える可能性があるという証拠は報告されていないようです。」
  11. ^ ハン、C. 未舗装道路の粉塵制御、ミネソタ州地方道路研究委員会、1992年
  12. ^ Snoeyink, VL、D. Jenkins著『水の化学』John Wiley & Sons, Inc., New York, 1980
  13. ^ ポロック、SJ、LG トーラー「マサチューセッツ州における高速道路用凍結防止塩の地下水と水供給への影響」高速道路研究委員会、第425号、17-21頁、1973年
  14. ^ Schraufnagel, FH. 塩化物. 水質汚染委員会、ウィスコンシン州マディソン. 1965年.
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  16. ^ ポロック、SJ、LGトーラー「マサチューセッツ州における高速道路用凍結防止塩の地下水と水供給への影響」高速道路研究委員会、第425号、17-21頁、1973年。
  17. ^ ハッチンソン、FE「高速道路に散布された塩が水と土壌サンプル中のナトリウムと塩化物イオンのレベルに及ぼす影響 - 進捗報告書I」プロジェクト番号R1084-8。1966年。
  18. ^ Schraufnagel, FH. 塩化物. 水質汚染委員会, マディソン, ウィスコンシン州. 1965
  19. ^ ヘラー、VG「生理食塩水とアルカリ性飲料水」栄養学ジャーナル、5:421-429 1932
  20. ^ Strong, FC「塩化カルシウムによる街路樹への被害に関する研究」ミシガン州農業試験場季刊誌、27:209-224、1944年
  21. ^ ab "Publications - ExtensionExtension". Ext.colostate.edu . 2017年10月18日閲覧。
  22. ^ 「水資源局について | EPAについて | 米国EPA」(PDF) . Epa.gov. 2013年1月29日. 2003年7月18日時点のオリジナル(PDF)からアーカイブ。 2017年10月18日閲覧。
  23. ^ Lockridge, Deborah (2011-12-13). "Some states are backing away from 'killer chemical' de-icers - All That's Trucking". TruckingInfo.com. Retrieved 2017-10-18.
  24. ^ "September 2001 Issue - TruckingInfo.com Magazine". Truckinginfo.com. Retrieved 2017-10-18.
  25. ^ "Archived copy" (PDF). wyndmoor.arserrc.gov. Archived from the original (PDF) on 24 December 2010. Retrieved 22 May 2022.{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
  26. ^ "Archived copy" (PDF). Archived from the original (PDF) on 2012-06-19. Retrieved 2013-02-28.{{cite web}}: CS1 maint: アーカイブされたコピーをタイトルとして (リンク)
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