2018 Fiscal Year Annual Research Report
地球化学モデリングによる環境循環型建設材料の二次生成相と強度の予測
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18J20929
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
戸田 賀奈子 北海道大学, 大学院工学院, 特別研究員(DC1)
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| Project Period (FY) |
2018-04-25 – 2021-03-31
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| Keywords | 浚渫土 / 製鋼スラグ / 建設材料 / 強度予測 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
様々な産業副産物や廃棄土壌を用いて作成する建設材料を"環境循環型建設材料"と名付けている。その適用促進には強度予測が有効であるため、今年度は土壌と産業副産物の相互作用において着目すべき強度発現の促進因子・阻害因子の解明に取り組んだ。本年度は、港湾や水路において発生する浚渫土と製鉄過程から発生する製鋼スラグの混和より作成される建設材料を研究対象とした。第一に、この混合土に対し、混合土を作成するためのサンプルを選定し、製鋼スラグに対しては構成鉱物を、浚渫土に対しては鉱物・粘土鉱物・非晶質無機物質に対するキャラクタリゼーションを実施した。混合土を作成し、一軸圧縮強度試験を実施した。強度発現の促進因子の一つとして明らかになった、浚渫土に含有される非晶質物質量の二次生成物生成量への影響を論文化した。また、有機物の強度発現の阻害因子の解明に取り組んだ。セメント改良土に対する先行研究においては、有機物によるpH緩衝や二次水和生成物に対するCa2+の供給阻害が強度発現の阻害機構とされていたが、本研究で使用した混合土間には強度に大きな違いが認められる系の間でもpHの差異は認められず、全混合土の組み合わせにおいてCa2+は製鋼スラグより溶解していると認められた。土壌中の有機物に対するさらなる分析を実施するために、土壌中の有機物を抽出・精製した。これは天然の土壌を対象とする建設材料を取り扱う研究の中で初めての試みである。その構造や元素分析から、強度発現に乏しい土壌に含まれる有機物の構造の特徴が解明されつつあり、有機物中の強度発現の阻害因子を紐解くための研究が大きく前進した１年となった。
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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
年次計画に記載するように、１年目においては:
1)分析に供するサンプルの選定を実施した。2)出発物質の構成鉱物、非晶質無機物質のキャラクタリゼーション及び定量を実施した。土壌が含有する鉱物と粘土鉱物、及び非晶質な無機物質の同定をし、非晶質無機物質、すなわち非晶質シリカに対する定量は溶出試験を用い実施した。3)に記載するSEMやEPMAによる混合土のマトリックス観察については、マトリックス中の微小粒子をピックアップしTEMから鉱物を同定する、という内容に変化したものの混合土中に存在する鉱物に対する分析は実施している。4)使用している産業副産物のキャラクタリゼーションをX線回折分析にて実施した。5)混合土を作成する際に使用した有機物のカルシウムシリケイト水和物生成への影響に関する分析は予定以上に進んでいる。有機物のpH緩衝能による非晶質シリカの溶解遅延としてのカルシウムシリケイト水和物生成阻害は見受けられなかったが、他にもセメント化学分野で議論される有機物の持つ官能基によるカルシウムシリケイト水和物生成阻害機構から学び、本供試体中で生じている地球化学反応においても有機物による類似する阻害機構があるのかどうかを確認している。土壌からInternational Humic Substance Society(IHSS)に記載される土壌有機物抽出法にのっとり有機物を抽出・精製し、その構造及び含有する元素量、官能基等を分析し、現在は合成試験による有機物の官能基別の二次生成物生成阻害を実験的に検証している段階である。
上述するように、１年目の進捗は概ね計画通りであった。
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| Strategy for Future Research Activity |
平成31年度において、有機物の二次生成物生成阻害機構を解明する。土壌に含まれるバルクの有機物に対する分析や、IHSSにより定義される有機物抽出法に則り、抽出できる全ての有機物分画に対してその組成分析を実施して浚渫土-製鋼スラグ混合土の強度発現傾向との相関を明らかにする。同時に、実土壌と製鋼スラグの相互作用を模擬する、有機物試薬を添加したカルシウムシリケイト水和物の合成試験により、有機物の二次生成物の生成阻害因子を定量的に明らかにする。合成物質に対し構成鉱物、非表面積、表面電荷、また可能であれば有機物官能基とCa,Siのマッピングによるそれぞれの相対位置の解明を実施する。溶液に対しては溶液分析から熱力学的考察を実施し、固相、液相の双方から有機物の混合土の強度発現の寄与を解明する。上述される点が全て実施された暁には、土壌有機物に対する分析と強度発現の相関性を示す”製鋼スラグ-浚渫土混合土中における有機物の強度発現の阻害メカニズム”と、有機物がカルシウムシリケイト水和物の生成をどのように阻害しているかを示す”土壌有機物によるカルシウムシリケイト水和物の生成阻害” の２本の論文を投稿したい。平成31年度後半においては、有機物によるカルシウムシリケイト水和物の生成阻害機構を地球化学モデルに取り組み、浚渫土と製鋼スラグの地球化学的な相互作用を統合的に評価する基盤の作成の実施に取り掛かることを目標とする。
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Research Products
(3 results)
