| 研究課題/領域番号 |
22K04309
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分22030:地盤工学関連
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| 研究機関 | 京都大学 |
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研究代表者 |
加藤 智大 京都大学, 地球環境学堂, 助教 (80943612)
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| 研究分担者 |
高井 敦史 京都大学, 地球環境学堂, 准教授 (30598347)
勝見 武 京都大学, 地球環境学堂, 教授 (60233764)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2023年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 1,170千円 (直接経費: 900千円、間接経費: 270千円)
2022年度: 2,080千円 (直接経費: 1,600千円、間接経費: 480千円)
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| キーワード | 透水係数 / 定水位透水試験 / 電解質 / 反応速度 / 自然由来重金属等 / 吸着層工法 / 低濃度汚染土 / カラム試験 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
近年、大規模建設事業に伴い自然的原因で重金属等を含む低濃度汚染土が大量に発生している。これらの土は、道路盛土等の一定の管理下での適用が期待される。低濃度汚染土の有効利用に向けて、低濃度汚染土層の下部に設ける吸着層等の有効性を明らかにする必要がある。現在、吸着層を含む盛土では、浸透した水は吸着層を透過する際に浄化されて地下水に排出されるべきだが、その「透水性」に着目した研究は限られている。特に、吸着反応に伴う沈殿によって間隙が閉塞し透水性が低下する可能性も考えられる。そこで本研究では、吸着材と母材を混合し吸着層を模した供試体を用いて透水・吸着試験を行うことで、吸着層の透水性変化を明らかにする。
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| 研究実績の概要 |
サブテーマ(1)では，既存の物質移行モデルの適用範囲に着目して研究を進めた。現状，地盤汚染対策工の一つである吸着層を設計する際は，カラム試験などの吸着試験から分配係数を取得して移流分散解析を行う手法が一般的だが，カラム試験の実験値と移流分散方程式の解析解が整合しない事例が明らかなり，適用範囲を解明する必要があった。そこで，移流分散方程式には考慮されていない沈殿形成などの化学反応の影響を考慮する減衰項を追加し，既存の物質移行モデルの改良を試みた。具体的には，バッチ吸着試験で吸着材とフッ素の反応速度を推定した後，推定結果に基づいて1次の減衰項を追加し，パラメトリックスタディを行って減衰項を考慮した数値計算手法の適用性を議論した。その結果，今回の検討で用いた吸着材とフッ素のバッチ試験では1次反応速度論モデルと整合した一方で，1次反応の減衰項を含む移流分散方程式で分配係数と反応速度定数を未知数とした数値計算を行うと，カラム試験結果とは整合しない結果となった。このことから，精度よくカラム吸着試験結果を予測するためには，吸着材の組成が時間経過とともに変化する様子をモデルすることが必要だと示唆された。
サブテーマ(2)では，吸着材を山砂に混合して吸着層を模擬した供試体について，蒸留水や塩化鉄溶液を通水する定水位透水試験を，1年目から継続して実施した。2種類の吸着材を山砂に混合し，電解質を含む溶液を通水して透水係数の時間変化を評価した。その結果，蒸留水を通水した場合には10-5 m/s程度の透水係数が得られた一方，塩化鉄溶液を通水した場合には透水係数が1～2オーダーほど小さくなる結果が得られた。黄鉄鉱を含有する掘削土など，鉄イオンを含む浸透水の流入が見込まれる場合には，透水性の低下を考慮して盛土内に水を溜めないような構造とする必要性が示唆された。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
2023年度は計画した2つのサブテーマについて，想定通りの進捗が得られた。サブテーマ(1)では既存の物質移行モデルの不確実性を解明した上で，最終年度で物理・化学的なクロッギングが地盤の重金属等捕捉機能に及ぼす影響を評価する計画としており，吸着材を混合した供試体中での化学反応メカニズムの解明とそのモデル化に向けた検討を2年目に計画通り進められた。今後は，初年度に検討した掘削土からの溶出反応と2年目に検討した吸着反応の知見を組み合わせて，最終年度に吸着層を含む盛土構造のあり方を吸着性と透水性の観点から議論する予定である。また，初年度から準備を進めてきた土壌抽出液を用いたより現場の条件に近い吸着試験も開始できており，順調に研究が進んでいると言える。
サブテーマ(2)では，吸着材を山砂に混合して吸着層を模擬した供試体について，蒸留水と塩化鉄溶液を通水する定水位透水試験を実施した。具体的には，カルシウム/マグネシウム系材料を山砂に混合して濃度の異なる溶液を通水し，透水係数の時間変化を評価した。1年目に水酸化第二鉄溶液を通水した際に流入液中に沈殿が生じたケースがみられたが，2年目は溶解度の大きな塩化鉄試薬を適用したことで試験系の確立に至った。3年目には確立した試験系を適用して，実験データの収集を進める。また当初の予定通り，透水性能低下のメカニズム同定に向けて，透水試験後の供試体を分割し，蛍光X線による化学組成の分析を試みた。顕著な差異がみられなかったため，最終年度ではXRD分析を用いて，生成した沈殿物の化学式を推定しクロッギング発生のメカニズム解明を目指す。
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| 今後の研究の推進方策 |
サブテーマ(1)では，1年目で明らかにしたヒ素の溶出試験結果と，2年目の研究で示した吸着材の水和に伴う吸着性能の変動の可能性をそれぞれ考慮し，吸着層の設計方法を検討する。具体的には，1年目の実験結果をもとに自然由来のヒ素を含む抽出液を作製し，吸着材を非汚染土に添加して吸着層を模擬した供試体に通水することで，重金属等の捕捉機能と透水係数の経時変化を評価する。粒度，混合比率，乾燥密度をパラメーターとして透水係数の経時変化を測定しつつ，吸着材の材質変化に伴う土構造の変動が吸着性能に及ぼす影響を評価する予定である。
サブテーマ(2)では，1・2年目に蓄積した定水位透水試験の結果を踏まえて，顕著に透水性能が低下したケースでの現象の解明を目指す。具体的には，X線CTによる透水試験前後の供試体の間隙構造の可視化，X線回折による沈殿生成物の評価を行う。特に，鉄イオンを含む酸性溶液が供試体を通過して中和される際に沈殿が形成されたことから，水酸化鉄と二酸化ケイ素の密度差に着目し，CTによって間隙の閉塞が発生した箇所の特定を試みる。
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