2016 Fiscal Year Research-status Report
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16K01191
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| Research Institution | Nara National Research Institute for Cultural Properties |
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Principal Investigator |
脇谷 草一郎 独立行政法人国立文化財機構奈良文化財研究所, 埋蔵文化財センター, 主任研究員 (80416411)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
柳田 明進 独立行政法人国立文化財機構奈良文化財研究所, 埋蔵文化財センター, 研究員 (30733795)
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| Project Period (FY) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| Keywords | 埋蔵環境 / 熱・水分・物質移動 / 溶存酸素 / 金属製遺物 / 腐食 / 数値解析 / 酸化還元状態 / 現地保存 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究では、１）熱・水分・物質移動の数値解析から遺跡地盤内部の温度、含水率、酸化還元環境、すなわち遺物の埋蔵環境を推定するモデルを構築し、さらに、２）様々な含水率、酸化還元環境下での金属の腐食速度を室内実験から定量化することで、埋蔵環境下における金属製遺物の腐食速度のモデル化を試みる。
今年度は熱・水分移動とあわせて地盤の酸化還元状態を推定するモデルの構築を目標として、まず始めにこれまで外界気象条件、地盤内部の地下水位、および地下水中の溶存酸素濃度について実測調査を実施してきた平城宮跡を対象として、地下水位変化を求めるモデルを作成した。モデルの解析結果は地下水位の実測値に良く対応したことから、次に解析モデルの水分移動に加えて地盤の酸化還元状態を支配する溶存酸素の移動を計算して地盤の酸化還元状態を検討した。地盤の酸化還元状態について実測値を得ていないため、モデルの妥当性について十分な検証には至っていないものの、一定水準のモデルを構築した。
また、金属製遺物を模した金属電極を作成し、交流インピーダンス法による金属製遺物の腐食速度のモニタリングについて、基礎実験を実施した。実験では希薄塩水により含水率を調整した土壌カラムを作成し、その底部に金属電極を設置し、土壌中の含水率変化、すなわち土中の気相酸素濃度、溶存酸素濃度の変化が、金属の腐食速度に対しておよぼす影響について検討した。その結果、土壌含水率が高く、気相酸素濃度が低い実験開始直後では金属の腐食は緩慢に進行するものの、含水率が低下しガス状酸素が土壌内部に拡散すると、金属電極近傍まで溶存酸素が容易に供給されることから、金属の腐食速度が急激に増加する様子が観察された。本予備実験の結果を受け、土壌内部鉛直一次元方向での熱、水分、酸素移動とともに、金属電極の腐食速度をモニタリングするため、土壌カラムの作成に着手した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
地盤内部の実測調査を実施する現場について、当初予定していた現場からは変更が生じたものの、外界気象条件および地盤内部の水分環境、地下水位、地下水中の溶存酸素濃度など、必要となる測定項目を概ね実測できていることから、現場における実測調査の進捗については予定通りとした。また、本現場における熱水分移動のモデル化については、その計算結果が実測値と良く一致したことから、これらの移動に加えて酸素の移動を計算するプログラムを作成した。モデルの妥当性についての検証は不十分と言わざるを得ないが、計算プログラムの作成についても概ね予定通りの進捗状況にあると考えられる。
金属電極を作成し、交流インピーダンス法による金属腐食のモニタリングについて基礎実験をおこない一定の実験結果を得た。現在、その基礎実験結果に基づき、鉛直一次元の熱・水分・物質移動および各深度における金属腐食の進行状況を実測するカラムの作成に着手していることから、平成２８年度における研究の進捗状況は概ね当初の計画通りとした。
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| Strategy for Future Research Activity |
水分移動特性（水分化学ポテンシャルと含水率の関係、および不飽和透水係数）のモデル式を別途得た上で、細粒のガラスビーズおよび土壌試料を用いて、土壌カラムの作成を引き続き実施する。カラムに電極、水分ポテンシャルセンサ、および酸素濃度計を各深度に埋設した上で、インピーダンス測定をおこない、土壌中の水分ポテンシャル、すなわち含水状態の変化と、含水状態の変化によって引き起こされる気相酸素濃度変化と液相水中の溶存酸素濃度変化が金属の腐食速度にどのように影響をおよぼすのか検討する。また、カラム実験については雰囲気温度、土壌試料、土中水中の塩濃度などの諸条件を変えた上で同様の実験をおこない、それらの条件が金属腐食におよぼす影響についても検討する。
また、上記のカラム実験で得られた熱・水分・酸素移動の実測値と、解析モデルの計算結果の比較をおこない、熱・水分・物質（酸素）移動の計算モデルの精度の向上を目指す。そして、ある環境条件下における金属の腐食をモデル化し、熱・水分・物質移動、および金属腐食速度連成計算モデルを作成する。
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| Causes of Carryover |
当初、土壌カラムは複数作成し、カラム実験を複数同時進行で実施する予定であったことから、酸素濃度計や水分ポテンシャルセンサを相応の数で積算していた。交流インピーダンス法による金属電極の腐食モニタリングについても複数カラムで同時測定を実施する予定でいたが、予備実験の結果、１本のカラム内において測定点数を増やし、精緻な測定を実施すべきと判断された一方で、交流インピーダンス法の測定機材が最も高額で、これについては追加購入できないことから、カラム数を減らし、１本ずつ逐次実施することと実験計画を変更した。それにともない、酸素濃度計などの周辺の測定機器の購入数が減少したことが理由である。
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| Expenditure Plan for Carryover Budget |
カラム実験を実施するにあたりpHの調整を要する。通常pH電極には塩化カリウムの飽和塩溶液が充填されているが、pHの連続測定を実施した場合、これらの内部液が試料溶液中に微量ながら浸出することが知られており、予備実験の結果から本実験における交流インピーダンス測定において、その測定に影響しかねないことが懸念された。一方、近年電極内部液の浸出を抑制するpH電極が市販されており、本研究のカラム実験を遂行するにあたり、このpH電極の導入が必要と考えられた。そこで、このpH電極を今年度新規に購入することとし、その費用に次年度使用額の金額を充て、かつ円滑な研究の遂行を目指す。
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