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4.土壌の凍結現象とその利用技術


圧縮機回転ローター

写真1 凍結鋳型鋳造法による鋳造製品(圧縮機回転ローター)


写真1は凍結鋳型鋳造技術により鋳造した圧縮機回転ローターの外観で、品質の良い鋳造品を短時間に生産することが可能です。従来の鋳造法は、鋳物砂に粘結剤など混合して鋳型を製作するために、鋳物材料である溶融金属の注湯時に粘結剤等が熱分解して有害ガスを発生するなど、作業環境の悪化を始め、いくつかの問題が生じていました。凍結鋳型鋳造は、水を混錬した鋳物砂で製品形状をかたどり、低温空気で凍結させて鋳型とする技術で、作業環境の改善、省エネルギー性の向上やコストダウンに寄与します。凍結鋳型鋳造技術の詳細は、以下の本文で紹介します。

今回の連載講座では、土壌の凍結メカニズムについて概説すると共に、凍結土壌の様々な利用に関して紹介します。

(1)土壌中の水分状態

土壌は、図1の土壌構成物質に示しますように、主に土粒子、吸着水、重力水、毛管水そして空気などから構成されています。吸着水は、電場などの影響を受けて土粒子表面に強く吸着し、毛管力や重力では移動せず、植物などにも利用されない特異な水です。また、重力水は、雨水などの土壌の隙間を重力によって浸透して流動する水です。さらに、毛管水は、吸着水の外側に表面張力によって保持される水で、土粒子の間隙を毛管力で移動して植物などに利用されます。なお、毛管作用は土壌中の水の特性を左右する大きな要因となります。すなわち、大きい土粒子の土壌では粒子間の隙間が広いので、毛管力は弱くなり、土壌中に水分移動は少なくなります。逆に、小さい粒子の土壌では、隙間が狭いので、毛管力が強くなり、水の移動拡散は大きくなります。毛管力による水の移動距離h [m]は、理論的に次式で表わされます。

h = 2T cosθ/(ρgr)


ここで、T:水の土粒子に対する表面張力[N/m]、θ:土粒子表面に対する水の接触角[°]、ρ:水の密度[kg/m3]、
g:重力加速度[m/s2]、r:土粒子隙間の等価半径[m]

上式は毛管移動距離を表す基本的な関係式ですが、実際の土壌においては、様々な土粒子径、土粒子の配置に伴う間隙の多様性や水に含まれる不純物などで複雑な関係となります。この毛管力による水の移動が、後述の水の凍結により起こる凍上現象に重要な役割を果たすことになります。

土壌の構成物質

図1 土壌の構成物質


(2)土壌の凍結と融解現象

寒冷地の地盤を構成する土壌層は地表面から冷気の侵入により、土壌中の水分が凍結し、図2に示すように凍結深さxの位置に凍結線が現れます。この凍結深さxは、日平均外気温度(氷点下温度の絶対値)にその積算日数を掛けた凍結指数F(℃・日)に関連して以下のように表されます1)

x = C x ( F )1/2


この係数Cは、寒冷地域や積雪の状態で異なり、例えば北海道では平均値2.7とされ、温かい地域では2.7より小さく、寒い地域では2.7以上となります。
また、積雪深さが15 cmとなると土壌凍結は停止することになります。この積雪層は熱伝導率の小さな空気を多く含みますので、断熱作用があります。

また、土壌の種類により凍結深さも変化します。粒径の小さなシルト質土壌では係数C= 2 ~3、粗砂土壌ではC=4 ~6とされています。


地盤土壌の凍結・融解状況

図2 地盤土壌の凍結・融解状況


図3は、北海道における平均的な凍結深さxと凍結指数Fの関係をグラフで示したもので、凍結指数F = 500 ℃・日で、凍結深さがx=1mに達します。北海道においては、凍結防止の立場から、水道本管の埋設深さを1m以上としている地域が多いようです。

年間を通じて地盤が凍結している永久凍土は、地球上の全陸地面積の14%にも達します。この永久凍土の一部は、夏期に地表に近い地盤は融解して、その下層に凍結層が存在することになります。

しかしながら、永久凍土の土粒子表面に吸着した薄膜状の吸着水や毛管水は、0℃以下に冷やされても凍らない不凍水として存在することがあります。不凍水の量やその氷点降下は、土粒子の大きさ、その表面の性状、化学組成および結合イオンと水の化学的性状に関係する界面エネルギーなどに関係します。この不凍水の量は、温度の低下とともに減少する傾向になります。また、不凍水の氷点降下は、不凍結水に溶けている溶質の濃度に依存しており、1モルの溶質の水への溶解で1.86 ℃となります。この氷点降下は、ギブス-トムソン効果と呼ばれており、微細な粒径で構成されるシルト質土壌では、- 20℃においても水の凍結となりませんが、粒径の大きな砂では、その凍結温度は- 1℃程度に高くなります。

この氷点降下現象を利用したものが、道路などに散布して路面水凍結を防止する凍結防止剤です。凍結防止剤としては塩化カルシウム(CaCl2)や塩化ナトリウム(NaCl)などが用いられ、水に溶解して凍結温度が低下します。塩化カルシウムの20%水溶液で、凍結温度が約 -18℃となり、環境温度が-18℃以下にならないと路面水の凍結が起こらないことになります。

凍結深さと凍結指数

図3 凍結深さと凍結指数1)



(3)土壌凍結の状態

土壌中水分の凍結状態を模式的に示したものが図4(土壌水の凍結状態)です。上部にある大気の寒冷下のもとで、地表面土壌水の凍結が起こり、凍結指数の増加とともにその凍結が土壌下層へと進行します。なお、土粒子表面の吸着水は未凍結状態で、周囲に発生した氷層と土粒子の直接接触を妨げています。凍結線下の毛管水や重力水などは過冷却状水として存在し、さらにその下部は地下滞留水層となります。この過冷却水の水に対する凍結温度は、土壌圧や溶質の水への溶解などで氷点(0℃、大気圧)よりかなり低いことが知られています。

寒さの程度や継続期間、土壌質や地下水位の程度などによっては、図5(凍上の様子)の実測例に示しますように、地面が徐々に隆起する凍上(frost heave)と呼ばれる現象が起こります。図5においては、3月中旬にはその凍上高さは約27㎝に達しています。

水が凍結してもその体積膨張は約9%で、該当凍結土壌の全ての水が凍結してもその凍上高さは数cm程度で、図5に示すような凍上高さは得られません。この凍上高さは、図4に示すような地下滞水などが毛細管現象で土粒子間隙に吸い上げられ、凍結界面で連続的に凍結することで凍上量が増加することになります。さらに、凍結土壌内に発生した氷結晶が成長したアイスレンズと呼ばれる氷塊層が断続的に凍結土壌内に成長することで土壌が持ち上げられて、凍上量の増加をもたらします。このアイスレンズは、地下水が土粒子間隙を通じて毛管力などにより補給されることで継続的に成長します。

凍上現象は土粒子間隙の毛管力に大きく影響することから、凍上力は土壌粒子の大きさに関係します。砂などの粒直径が0.1mm以上では凍上が起こらず、粒子直径が2μm~5μmのシルト質土壌の凍上量が一番大きく、さらに2μm以下の粘土質土壌では水補給量が少なく脈状やちりめん状の氷層が形成されて凍上量は小さくなります。

この凍上現象は、寒冷地における道路や駐車場・滑走路、トンネルさらに建築物の基礎などに大きな被害をもたらします。図5の写真は東北地方での凍上被害にあった道路の状態を示したもので、路面のアスファルト舗装に無数の亀裂の発生がみられます。また、春先の凍上氷層の融解により地盤の軟弱化に伴う支持力低下での建物の傾斜や倒壊などの被害などをもたらします。このような凍上による被害を回避するために、土壌層に断熱材を設置して冷気の遮断や粒径の大きな砂や微砕石などでの土質の改善などが行われています。

土壌水の凍結状態

図4 土壌水の凍結状態2)



凍上の様子と凍上による被害状況

図5 凍上の様子と凍上による被害状況3)


(4)凍結土壌の強度特性

寒冷地における永久凍土は、夏期の日射や気温上昇で地表層近くの凍結土壌水は融解して含水率の大きな土壌を形成し、その下部にある凍結土壌層は水を透過させない不透水層として機能します。この融解水を伴う土壌層は活動層として草木などの育成に寄与しています。冬期に土壌中の水分が凍結した凍土の場合には、その強度はどのようになるか興味あるところです。図6は、凍土の圧縮強度と温度の関係を示しています。砂質土壌の場合には、未凍結状態では一軸圧縮強度は非常に小さい状態から凍結温度の低下に伴って、大幅に圧縮強度が増加します。約-35℃以下の凍結温度では、コンクリートの圧縮強度に近づくことになります。土粒子径の小さい粘土質土壌の圧縮強度は、砂質土壌よりも圧縮強度は小さいことになります。これら凍土の圧縮強度は、通常の氷の圧縮強度である1MPaよりも大きくなります。北海道では、強固な凍土の発生する冬期間には土木工事を極力行わないことになっています。

凍土の圧縮強度と温度

図6 凍土の圧縮強度と温度4)

(5)土壌凍結現象の利用例

このような凍土の圧縮強度の大きさや水を透過させない性質などは、様々な産業分野で利活用されています。以下の凍結土壌の利用例を説明します。

(a)地盤凍結工法
軟弱地盤や地下水流域などでの土木工事においては、凍土の性質を生かした地盤凍結工法が採用されており、東京湾の海底下を通るアクアライントンネルなど400件以上の実施例があります。地盤凍結工法は、冷却管と呼ばれる円管に冷却液(ブライン:塩化カルシウム水溶液など)を循環させて周囲土壌に凍結層を形成します。複数の凍結管を配置し、図7に示すように連結した厚い凍結層を発達することができます。 凍土の凍結半径は、土壌温度14℃の状態で直径10cmの冷却管に-30℃の冷却液を循環させると約1ケ月後には、70cm程度に達します。凍結管群の配置を地盤の深さ方向に配置することで、図7に見られるように凍土層が地下水の流れを遮水する工法として活用さています。また、凍結管群の配置を工夫することで、軟弱地盤域の土壌を凍結することで適当な強度の確保や止水が可能となり、通常の凝固薬液の注入を行う土木工法よりも環境面での安全性が高まります。地盤凍結工事後は凍結土壌中の氷は自然融解により水となります。

図8の写真は凍結工法によるトンネルの掘削状態を示しています。地下の約30m位置における軟弱地盤の土壌層に水平凍結管をアーチ状に多数配置して凍土層を形成し、その内部土壌を掘削機で掘削した凍土トンネルを示しており、トンネル長さは約20mに達します。凍土層の形成は、図8の冷却管の構造に示しますように2重管構造で冷却管内に冷却液(塩化カルシウム水溶液:凝固点 –30℃)を流して、冷却管周囲の土壌を凍結させます。

冷却管による凍土層の形成

図7 冷却管による凍土層の形成5)

地盤凍結工法による掘削トンネルと冷却管の構造

図8 地盤凍結工法による掘削トンネル6)と冷却管の構造

(b)汚染土壌の凍結融解による浄化修復
近年、重金属イオンやVOC(揮発性有機化合物)*1等による土壌汚染が社会問題となっております。従来の技術で土壌の洗浄が困難である細粒分を含む土壌に閉じ込められた汚染物資を前述の土壌凍結を利用することで除去が可能です。図9は、土壌凍結現象を利用した土壌洗浄の概念を示したものです。図9に示しますように、温度調節管と給排水管を汚染土壌に挟むように2組設置します。右側に示す温度調節管に冷却液を流して温度を低下させて凍土領域を成長させると未凍結土壌部分より凍結面に向かって凍上現象により水分が移動します。この際にイオン等の汚染物質を含む水溶液の移動に伴い、凍土内に発生したアイスレンズ前面まで移動して、そこで水分が凍結することで水溶液濃縮により氷点降下を起こして液体状態で停留します。その後、凍結領域の成長により、凍土内に汚染物質を含む水溶液は取り残されます。未凍土部分では高温部分から水の連続補給が可能で、汚染土壌全体が凍結した後、右側に温調パイプに温水を循環させることで、冷却を開始した方向から凍土の融解を進めると、融解水とともに汚染物質が流れ出して、排水管から外部へ排水します。この一連の操作を繰り返すことで、汚染土壌の浄化が可能となります。


汚染土壌の凍結融解による浄化修復の概要

図9 汚染土壌の凍結融解による浄化修復の概要

また、揮発性のVOC汚染物質含有土壌の除去は、凍結・融解管に冷ブライン水溶液を流して汚染土壌を凍結管周囲へアイスレンズなど汚染物質を集積させます。次に、温ブライン水溶液を融解管に流して、凍結で体積が膨張した土壌中の氷を融解することで、凍上内に間隙が形成されて多孔質状態となり、通気性が向上します。この多孔質状態の土粒子間隙から凍結融解管に付属したガス吸引管でVOCガスを外部へ排出処理することで、汚染土壌の修復がなされます。

*1:VOCは揮発性有機化合物(Volatile Organic Compounds)の略称で、塗料や接着剤などに含まれるトルエン、キシレン、酢酸エチルなどが代表的物質で、光化学スモックなど引き起こす原因物質で、人体などに有害な物質である。


(c)凍結鋳型鋳造
通常の鋳造は、鋳物砂の改質に粘結剤・硬化剤などを利用するために、その分解ガスの発生や注湯後の鋳物砂の再生などの多くの工程があり、作業環境改善や環境負荷の低減などの課題を有しています。凍結鋳型鋳造は、鋳物砂と水そして低温空気の凍結システムを用いることで、従来の鋳造法の課題を解決する技術として注目されています。

図10は、凍結鋳型鋳造の工程の概略を示したものです。まず、鋳物砂と水を混錬して、均一な水分分布を持った鋳物砂を生成します。次に、この含水鋳物砂を鋳型に型入します。鋳物砂内の水分の凍結は、冷凍機で冷却された – 40℃低温空気を鋳型枠に設け空気口の減圧による圧力差により、鋳物砂中に浸透させて水分の凍結を行います。凍結鋳物砂の鋳型内部へ溶融鋳物金属を注湯後、鋳型は自然に崩壊して鋳物製品と鋳物砂の分離が行われます。この凍結鋳型鋳造では、従来の粘結剤などの使用による環境課題などの解決以外に、注湯時時に発生する水蒸気の効果により、湯流れが向上して鋳物製品の薄肉化が可能となります。

凍結鋳型鋳造の概要

図10 凍結鋳型鋳造の概要

(d)凍土を利用した低温貯蔵庫
凍土を利用した低温貯蔵庫は、冬期の冷気をヒートパイプにより土壌中に人工凍土層を形成し、その冷熱を食料などの保存に利用するもので、概念図を図11に示します。冬期に外気が0℃以下になると、ヒートパイプ下部受熱部に土壌熱が伝わり、ヒートパイプ内の冷媒が蒸発し、その蒸気がヒートパイプ上部の放熱部から大気中へ放熱することで凝縮液となり、ヒートパイプ下部へ下降して再び地熱による冷媒の蒸発を起こします。この冷媒の蒸発と凝縮をヒートパイプでの繰り返しで、ヒートパイプ下部周囲土壌に凍結層が発達します。低温貯蔵庫周囲に多数のヒートパイプを配置することで、低温貯蔵庫の温度は夏期でも凍結した土壌の冷熱で低温が維持されます。北海道などでは、このタイプの低温貯蔵庫が農作物などの保存に利用されています。

凍土を利用した低温貯蔵庫の概要

図11 凍土を利用した低温貯蔵庫の概要

(e)永久凍土層破壊防止
米国アラスカ州の原油は、永久凍土上に配置されたパイプラインを通じて長距離輸送されていますが、原油をポンプ輸送するうえで原油を数十℃に加熱して粘度低下することでポンプによる輸送を可能にしています。この暖かい原油からパイプラインの支持杭を伝わって永久凍土の融解が起こり、支持杭の倒壊などのパイプラインの破損事故や永久凍土の破壊など環境問題を起こすことになります。このような永久凍土の融解を防止すために、図12の原油輸送パイプラインの写真にある支持杭の近くに、ヒートパイプが大気と永久凍土層間に設置されています。図12のヒートパイプ概要に示しますようにヒートパイプ内の熱媒体として空気が封入してあり、冬期の外気冷熱はヒートパイプ上部フィンを介して内部の空気が冷えて重くなり、ヒートパイプ内を下部へ降下し下部端で凍土から受熱して暖かくなった空気は上昇して、ヒートパイプフィンから冷たい大気中へ放熱します。このように凍土層の融解を、ヒートパイプを介して外気の冷熱で防止しています。

なお、大気温度が凍土層の温度より高い夏期の場合は、ヒートパイプ上部の空気は暖かくて軽く、そしてヒートパイプ下部の空気は冷たく重いために移動しないことにより、下部にある凍土層の融解は起きないことになります。カナダなどの寒冷地域では、永久凍土の上に駐車場などが設けてある場合には、この種のヒートパイプで永久凍土の融解による破壊を防止しています。

パイプラインの概要とヒートパイプの原理

図12 パイプラインの概要7)とヒートパイプの原理

(f)クライオアースアンカー・海底堆積物の凍結保存
クライオアースアンカーは、土壌中に打ち込んだ杭や錨などの支持力向上のために、杭や錨周辺に人工凍土を形成させて利用するものです。クライオアンカーの内部に冷媒(液体炭酸ガスや液体窒素)の循環流路を設けています。クライオアンカーを地盤や海底土壌層に注入固定し、冷媒の蒸発熱でアンカー周囲土壌の凍結層を形成・拡張することで、アンカーの引き抜き抵抗の増加を図り、軟弱地盤に対するアンカー機能の向上を図ります。アンカー使用後は、冷媒の循環と停止して凍結土壌の融解を行うことでクライオアンカーの撤去は容易に行えます。

一方、海底堆積物の凍結保存技術は、海底土壌に埋もれている遺跡品などの脆い物質の回収に利用されます。遺跡品埋蔵土壌層に液体炭酸ガスや液体窒素をノズルなどで注入して、その蒸発潜熱で遺跡品埋蔵土壌層全体を凍結させた状態で、埋蔵遺跡品を破損することなく地上に回収します。地上での自然解凍で埋蔵遺跡品を傷つけることなく保存が可能となります。


参考文献
1) 福迫 尚一郎, 稲葉 英男: 低温環境下の伝熱現象とその応用, 養賢堂(1996), 頁 359.
2) 同上 頁 364.
3) 同上 頁 360.
4) 同上 頁 368.
5) 同上 頁 368.
6) 生頼孝博:雪氷, 62巻7号(2000), 頁 1.
7) 勝田正文:伝熱, 51巻217号(2012), 頁 18.

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