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Long-term stability and environmental protection of structures in rock mass by mineral precipitation using carbonated water and fine-grained materials

Research Project

Project/Area Number 22K04308
Research Category

Grant-in-Aid for Scientific Research (C)

Allocation TypeMulti-year Fund
Section一般
Review Section Basic Section 22030:Geotechnical engineering-related
Research InstitutionKyoto University

Principal Investigator

奈良 禎太  京都大学, 工学研究科, 准教授 (00466442)

Project Period (FY) 2022-04-01 – 2025-03-31
Project Status Granted (Fiscal Year 2023)
Budget Amount *help
¥4,160,000 (Direct Cost: ¥3,200,000、Indirect Cost: ¥960,000)
Fiscal Year 2024: ¥520,000 (Direct Cost: ¥400,000、Indirect Cost: ¥120,000)
Fiscal Year 2023: ¥1,560,000 (Direct Cost: ¥1,200,000、Indirect Cost: ¥360,000)
Fiscal Year 2022: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Keywords岩石 / 透水性 / カルシウム / 二酸化炭素 / 空隙閉塞 / 鉱物析出 / カルシウム化合物 / 透水係数 / 岩盤 / き裂 / 炭酸水 / セメント系材料
Outline of Research at the Start

本研究の目的は,地球温暖化ガスである二酸化炭素(CO2)から炭酸水を用意し,セメント系材料から作成する粉末と共に地下に注入することで,CO2を炭酸塩鉱物の形で地下岩盤に固定して地球温暖化抑制の形で環境保全に役立て,岩盤の長期安定性確保や安全なエネルギー資源開発にも繋げる技術を構築することである。
初年度に炭酸水とセメント系材料粉末を生成し岩盤に注入する作業を行う。さらに、初年度から2年目にかけて力学試験を行い、力学特性の変化の有無を調べる。2年目から3年目にかけて、岩盤内の鉱物析出の調査を行い、最終年度である3年目に鉱物析出と力学特性変化の関係を明確にする。

Outline of Annual Research Achievements

岩盤の利用は、人類が生活していく上で必要不可欠である。一般に岩盤にはき裂や空隙が普遍的に存在し,その存在により強度や遮蔽性能の低下が生じる。一方で,き裂や空隙を充填させることができれば,岩盤の強度や遮蔽性能は高まる。また,地球温暖化対策として,地球温暖化ガスであるCO2を岩盤に注入する地中貯留技術が近年考えられている。CO2は地下の温度・圧力下では,密度が高く粘性が低い超臨界状態となり,岩盤中の微細な空隙やき裂に浸透できる。ただし,それにより岩盤の破壊を促進することが懸念される。一方,CO2から炭酸水を作り,炭酸イオンの状態で地下に注入すれば,超臨界CO2の生成量は大きく低減できる。さらに,カルシウムイオンが豊富に存在する条件を作り出せば,炭酸イオンとカルシウムイオンの化学反応による鉱物析出が生じ,き裂や空隙の充填が実現できる。これは岩盤の強度・遮蔽性能向上に繋がる。これらを考慮して,炭酸水とカルシウムを多く含む岩石から作る粉末を同時に注入して,岩盤内のき裂・空隙を充填し岩盤の遮蔽性能を向上させる技術を開発することを目的とした。
多孔質な岩石を、カルサイトが主成分である大理石の粉末を懸濁した水中で保存して飽和させた後に透水試験を行うことを繰り返した結果,岩石の透水係数が低下する傾向が認められた。ただし、低下の傾向は小さかったため、水中に懸濁させる粉末の量を多くし、カルシウムイオンの供給と粉末が空隙を充填する効果を増大させることが、岩石の透水係数を低下させることに繋がる可能性があると考えられる。

Current Status of Research Progress
Current Status of Research Progress

2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.

Reason

本研究では,二酸化炭素を鉱物固定することによって岩盤の透水特性を低下させることを目的としている。本年度は、カルシウムを多く含む岩石の粉末を用いてカルシウムイオンが供給されやすい水中環境下を作り、そこに岩石を保存することによって、岩石の透水特性がどのように変わるかを調査した。その結果、岩石の透水特性の変化(透水係数の低下傾向)を見出すことができ、研究の狙いはおおむね順調に見いだせていると考えている。

Strategy for Future Research Activity

本研究では,セメント系材料やカルシウムを多く含む炭酸塩岩石の粉末のように,カルシウムイオンを多く供給できるような水中環境において,岩石の遮蔽性能を向上させる(透水係数を低下させる)ような技術を見出すことを考えている。今後は、炭酸塩岩石の粉末を水中により多く縣濁させるような方策により、この傾向がより大きく認められる条件を見出すことが重要であると考えている。

Report

(2 results)
  • 2023 Research-status Report
  • 2022 Research-status Report
  • Research Products

    (19 results)

All 2024 2023 2022 Other

All Int'l Joint Research (4 results) Journal Article (4 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 4 results,  Open Access: 1 results) Presentation (11 results) (of which Int'l Joint Research: 7 results)

  • [Int'l Joint Research] 中国東北大学(中国)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] 全北国立大学(韓国)

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      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] University of North Carolina, Charlotte(米国)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Int'l Joint Research] University College London(英国)

    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Journal Article] Influence of Clay-Doped Water on Permeability in Granite Rock Mass2024

    • Author(s)
      奈良 禎太, 柏谷 公希, 桶谷 和生, 藤井 宏和, 趙 越, 加藤 昌治, 青柳 和平, 尾崎 裕介, 松井 裕哉, 河野 勝宣
    • Journal Title

      Journal of the Society of Materials Science, Japan

      Volume: 73 Issue: 3 Pages: 220-225

    • DOI

      10.2472/jsms.73.220

    • ISSN
      0514-5163, 1880-7488
    • Year and Date
      2024-03-15
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Progressive fracturing in alluvial clasts2024

    • Author(s)
      Uri Shaanan, Amit Mushkin, Monica Rasmussen, Amir Sagy, Philip Meredith, Yoshitaka Nara, Russell Keanini, Martha-Cary Eppes
    • Journal Title

      Geological Society of America Bulletin

      Volume: 136 Pages: 1097-1110

    • DOI

      10.1130/b36670.1

    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
  • [Journal Article] Effect of Reinforcing Steel Fiber on Permeability of High Strength and Ultra-Low Permeability Concrete2022

    • Author(s)
      K. Sakemoto, M. Kato, Y. Ishii, K. Kurumisawa and Y. Nara
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 63 Issue: 12 Pages: 1639-1644

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-Z2022017

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • Year and Date
      2022-12-01
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed
  • [Journal Article] Calculation of P-Wave Velocity in Sandstones with Different Pore Size Distributions Using Digital Rock Model without Segmentation2022

    • Author(s)
      K. Ishitsuka, W. Lin, N. Kamiya and Y. Nara
    • Journal Title

      MATERIALS TRANSACTIONS

      Volume: 63 Issue: 11 Pages: 1515-1522

    • DOI

      10.2320/matertrans.MT-Z2022014

    • ISSN
      1345-9678, 1347-5320
    • Year and Date
      2022-11-01
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Peer Reviewed / Open Access
  • [Presentation] Investigation of Anisotropic Characteristics of Mode I Rock Fractures under Various Loading-rate Conditions using 3-D GPGPU-accelerated Hybrid FEM/DEM2024

    • Author(s)
      Gyeongjo MIN, Daisuke FUKUDA, Yoshitaka NARA, Sewook OH, Sangho CHO
    • Organizer
      Japan-Korea Joint Symposium on Rock Engineering 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] コロナ禍における岩石のき裂進展測定に関する国際共同研究2023

    • Author(s)
      奈良禎太,吉光奈奈
    • Organizer
      日本材料学会第72期学術講演会
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] 露頭で採取された花崗岩のき裂進展に及ぼす湿度の影響2023

    • Author(s)
      福田達也, 奈良禎太
    • Organizer
      資源・素材学会関西支部2023年度第20回「若手研究者・学生のための研究発表会」
    • Related Report
      2023 Research-status Report
  • [Presentation] Evidence for increase in crack damage in rocks with duration of exposure at Earth’s surface2023

    • Author(s)
      Philip Meredith, Yang Yuan, Monica Rasmussen, Karin Hofer Apostolidis, Yoshitaka Nara, Patrick Webb, Thomas Mitchell, Tao Xu, Russell Keanini, Amit Mushkin, Uri Shaanan, Maxwell Dahlquist, Alex Rinehart, Martha Eppes
    • Organizer
      EGU General Assembly 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Seismic velocity estimation using a digital rock without segmentation - tips for accurate calibration and estimation2023

    • Author(s)
      Kazuya Ishitsuka, Hitoshi Matsui, Weiren Lin, Nana Kamiya, Yoshitaka Nara
    • Organizer
      15th ISRM Congress 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] QUANTIFYING THE LAST STEPS IN THE CHRONOLOGY OF ROCK DEFORMATION2023

    • Author(s)
      Martha Cary Eppes, Monica Rasmussen, Philip Meredith, Thomas Mitchell, Yang Yuan, Karin Hofer Apostolidis, Yoshitaka Nara, Alex Rinehart, Patrick Webb, Tao Xu, Russel Keanini, Amit Mushkin, Uri Shaanan, Maxwell P. Dahlquist
    • Organizer
      GSA Connects 2023
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] The influence of rock and environmental parameters on natural rock fracturing rates and characteristics2023

    • Author(s)
      Monica Rasmussen, Martha Cary C Eppes, Philip G Meredith, Russell Keanini, Amit Mushkin, Yoshitaka Nara, Alex J Rinehart, Uri Shaanan, Maxwell Dahlquist
    • Organizer
      AGU Fall Meeting
    • Related Report
      2023 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Evidence for increase in crack damage in rocks with duration of exposure at Earth’s surface2023

    • Author(s)
      Philip MEREDITH, Yang YUAN, Monica RASMUSSEN, Karin Hofer APOSTOLIDIS, Yoshitaka NARA, Patrick WEBB, Thomas MITCHELL, Tao XU, Russell KEANINI, Amit MUSHKIN, Uri SHAANAN, Maxwell DAHLQUIST, Alex RINEHART and Martha EPPES
    • Organizer
      EGU General Assembly 2023
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] 凝灰岩を用いた室内透水試験2022

    • Author(s)
      桑原彰吾, 鎌田健人, 柏谷公希, 奈良禎太
    • Organizer
      日本材料学会第71期学術講演会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] 原位置岩盤における炭酸水および粉末試料を用いた透水試験2022

    • Author(s)
      桑原彰吾,北川絢音,奈良禎太,柏谷公希, 藤井宏和,趙越, 松井裕哉,尾崎裕介, 広吉直樹
    • Organizer
      資源・素材学会関西支部第19回若手研究者・学生のための研究発表会
    • Related Report
      2022 Research-status Report
  • [Presentation] Documenting how rock physical properties change as a function of exposure age2022

    • Author(s)
      Yang YUAN, Philip MEREDITH, Yoshitaka NARA, Martha Carry EPPES, Russell KEANINI, Amit MUSHKIN, Monica RASMUSSEN and Uri SHAANAN
    • Organizer
      The Geological Society of America Penrose Conference PRF2022
    • Related Report
      2022 Research-status Report
    • Int'l Joint Research

URL: 

Published: 2022-04-19   Modified: 2024-12-25  

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