寒冷地の路床・路盤への軽量材の高度利用に関する研究

Abstract

室蘭工業大学Muroran Institute of Technology博士（工学）本研究は，寒冷地におけるアスファルト舗装道路の補修性や耐久性の向上を目指し，地盤条件や気象条件に適した路床と路盤の改良を提案するものである．本研究では，リサイクル材を原料とした軽量盛土材として、下水汚泥と膨張性頁岩を原料にした人工軽量盛土材（軽量材KG）と，廃ガラスを原料としたガラス発泡軽量材（軽量材SS）の2種類を選定した．軽量材KGは路盤への適用性，軽量材SSは路床への適用性を主目的としている．これらの材料を用いて土質試験や凍上試験，繰返し載荷試験，熱的特性試験を実施した．また，寒冷地における切込砕石の上層路盤への適用性を検討するため，粒度調整した砕石を用いてCBR試験と凍上試験を行った．論文の構成は以下の通りである． 第1章では，本論文の背景と研究目的を述べるとともに，論文全体の構成を示した． 第2章では，本研究で使用するリサイクル軽量盛土材の諸元に加え，先行研究で得た知見や問題点を整理するとともに，路盤材の寒冷地利用における既往研究として，粒度調整砕石の上層路盤への適用性や下層路盤における凍結融解履歴に関する研究事例を整理した． 第3章では，軽量材KGの性状確認のための土質試験や凍上試験に加え，珪砂を混合して簡易的に粒度調整を行った3試料においてCBR試験，2種類の拘束圧及び繰返し載荷の有無の条件で三軸試験を実施し強度・変形特性を検討し，剛性と軽量性を併せもつ適正な粒度を提案した． 第4章では，軽量材SSの性状確認のための土質試験やCBR試験および凍上試験に加え，熱的定数を調べて粒子内に多くの間隙が存在することの効果により一般的な砕石と比較して優位な熱的性質であることを示した．さらに凍結深さの抑制効果を熱伝導解析によって明らかにした． 第5章では，寒冷地における粒度調整砕石の最適粒度を検討するため、耐凍上性と支持力を両立する粒度の検討を目的とし品質規格の範囲内で粒度調整した砕石を用いてCBRと凍上試験を実施した．その凍上試験結果，供試体の上部に未凍結部からの水蒸気移動が原因と疑われるアイスレンズが発生する特異な状態を示した．そこで，砕石に対する凍上性判定の課題整理を目的に種々の条件で凍上試験を実施し，供試体上部の密閉度や下部の防湿性が凍上量に与える影響を明らかにすることで水蒸気移動による凍上を裏付けた． 第6章は結論として，本研究の成果の主体をなす第3～4章の内容を総括し，本研究で目指したリサイクル軽量盛土材の路盤または路床への高度利用の適用性を示すとともに第5章で検討した粒度調整した砕石における水蒸気に起因した疑似凍上発生のメカニズムを示し，最後に今後の課題について述べた． 本研究は，寒冷地におけるアスファルト舗装道路の維持管理や耐久性の向上を目指した取り組みに位置づけられ，一連の三軸試験，CBR試験，凍上試験を系統的に実施し，提案する新たな路盤材には，粒子内に多くの間隙が存在することの効果により一般的な砕石と比較して優位な熱的性質であることを明らかにするとともに，凍結深さの抑制効果を熱伝導解析によって明らかにしており，本研究による成果は，寒冷地の既設道路における路床・路盤材の改良に関する研究に対して，社会的に大いに寄与するものであると考えられる．This study focuses on improving the repairability and durability of asphalt pavements in cold regions by adapting the subgrade and subbase course to the soil and weather conditions. Two types of recycled lightweight embankment materials were selected: KG lightweight material (made from sewage sludge and expansive shale) for the subgrade and SS lightweight material (made from waste glass) for the subgrade. Various tests, including soil tests, frost heave tests, cyclic loading tests, and thermal property tests, were performed on these materials. In addition, CBR and frost heave tests were performed on graded crushed stone to evaluate its suitability for upper base course in cold regions. The thesis is structured as follows: 1） Introduction: Background, objectives and structure of the thesis; 2）Literature Review: Previous studies on base course materials in cold regions, focusing on lightweight material and graded crushed stone; 3） Lightweight material KG: Soil tests, frost heave tests, CBR tests with silica sand, and triaxial tests to propose optimal grading; 4） Lightweight material SS: Soil tests, CBR tests, frost heave tests, and thermal property measurements to highlight superior thermal properties. Graded crushed stone: Optimal grading to balance frost heave resistance and bearing capacity, with tests showing ice lenses due to water vapor movement; 5） CBR and freeze-up tests were conducted to determine the optimal grain size of graded crushed stone in cold regions. The tests aimed to find a grain size that balances freeze-up resistance and bearing capacity. Results showed ice lenses forming in the upper part of the specimen, due to water vapor migration from the unfrozen part. Various conditions were tested to understand the effects of sealing the upper part and damp-proofing the lower part on freezing, confirming that water vapor movement causes freezing; 6) This chapter summarizes the main findings from Chapters 3 and 4, demonstrating the applicability of recycled lightweight embankment materials for advanced use in base and subgrades. It also explains the mechanism of pseudo-freezing caused by water vapor in graded crushed stone, as investigated in Chapter 6, and discusses future challenges. This study is positioned as an effort to improve the maintenance and durability of asphalt paved roads in cold climates region. In this study, a series of triaxial tests, CBR tests, and frost heaving test were conducted systematically. The proposed new roadbed and subgrade materials were shown to have a large number of voids within the particles, and the effect of this on the thermal properties was found to be superior to that of ordinary crushed stone. The effect of the freezing depth suppression is also clarified by heat conduction analysis. The results of this study are expected to make a significant contribution to research on the improvement of roadbed and subgrade materials on existing roads in cold regions.doctoral thesi