セメント系無機材料のデジタル微細構造場の構築とマルチスケール大規模物質輸送解析
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21H04572
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
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| Allocation Type | Single-year Grants |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Medium-sized Section 22:Civil engineering and related fields
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| Research Institution | The University of Tokyo |
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Principal Investigator |
石田 哲也 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (60312972)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高橋 佑弥 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 准教授 (10726805)
市村 強 東京大学, 地震研究所, 教授 (20333833)
高木 周 東京大学, 大学院工学系研究科(工学部), 教授 (30272371)
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| Project Period (FY) |
2021-04-05 – 2024-03-31
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| Project Status |
Completed (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥42,380,000 (Direct Cost: ¥32,600,000、Indirect Cost: ¥9,780,000)
Fiscal Year 2023: ¥11,180,000 (Direct Cost: ¥8,600,000、Indirect Cost: ¥2,580,000)
Fiscal Year 2022: ¥13,130,000 (Direct Cost: ¥10,100,000、Indirect Cost: ¥3,030,000)
Fiscal Year 2021: ¥18,070,000 (Direct Cost: ¥13,900,000、Indirect Cost: ¥4,170,000)
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| Keywords | マルチスケールモデル / セメント硬化体 / コンクリート / 拡散係数 / 微細構造 / 物質輸送解析 / セメント・コンクリート / ナノ構造 / セメント水和物 |
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| Outline of Research at the Start |
セメント硬化体の空隙を再現したデジタル微細構造を創り出し、分子レベルの挙動に立脚した数値解析モデルと大規模数値解析を組み合わせることによって、これまでのマルチスケールモデル研究においてミッシングリンクとなっている、ナノ～マイクロメートルオーダーの空間スケールで展開される現象を直結して評価することを目指す。セメント・コンクリート内部の物質移動の機構解明や既存モデルの精度向上を達成するとともに、物質浸透を一切許さない革新的な建設材料の開発に資する情報を得る。
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| Outline of Annual Research Achievements |
(1)ナノからマイクロメートルスケールを包含するデジタル微細構造場の構築
HYMOSTRUC（デルフト大で開発され多くの研究実績を有する微細構造解析法）及びCEMHYD3D（米国・NISTによる微細構造解析法）を用いて算定し、X線マイクロCTによる測定結果と突き合わせた結果、計算で得られる仮想微細構造は物質移動の重要な指標である連結性を十分に表現できていないことを明らかにした。そこで畳み込みニューラルネットワークと敵対的生成ネットワークを組合せたDCNN-GANによって、2次元画像から3次元微細構造を生成する新技術「SliceGAN」を用いて2次元SEM画像を3次元微細構造へと変換し、それに基づく物質輸送解析を実施した。相体積比、パーコレーション比、2点相関関数、有効拡散係数などの主要指標を用いて検証した結果、SliceGANによって生成された3次元擬似微細構造は画像技術から同定される実際の微細構造と比較して物質輸送解析の観点から十分な精度で再現することに成功した。
(2)マルチスケールボトムアップモデリングによる物質輸送解析と検証
クラス3（毛細管空隙スケール）からクラス4（セメント硬化体スケール）に基づくマルチスケールボトムアップモデリングを行い、実験データとの比較検証を行った。クラス3におけるOPC（普通ポルトランドセメント）のみを用いた場合の拡散係数は、10～300 nmの範囲にまたがる微細構造の連結性のみを考慮した場合、OPCにFA（フライアッシュ）を加えた場合の2倍であることを明らかにした。またクラス4では、OPCのみの場合について実効拡散係数のシミュレーションは様々な実験データと良好に一致した。しかしながらOPCにFAを加えた場合、計算結果は実験結果の約4倍高い値となった。これはクラス3で同定された微細構造の連結性の違いのみならず電気二重層（EDL）によるイオン拡散の遅延やナノ細孔の連結性（細孔径1～10nm）など、より微視的な現象に由来することを明らかにした。
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| Research Progress Status |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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| Strategy for Future Research Activity |
令和5年度が最終年度であるため、記入しない。
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Report
(4 results)
Research Products
(22 results)
