2020 Fiscal Year Research-status Report

Dynamic mechanism of frost damage on building materials considering supercooling and energy transfer

Research Project

Project/Area Number	20K04789
Research Institution	Kyoto University
Principal Investigator	伊庭千恵美京都大学, 工学研究科, 准教授 (10462342)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	谷口円地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 建築研究本部北方建築総合研究所, 研究主幹 (20462351) 高橋光一地方独立行政法人北海道立総合研究機構, 建築研究本部北方建築総合研究所, 研究職員 (00826787)
Project Period (FY)	2020-04-01 – 2023-03-31
Keywords	過冷却 / 凍害 / DSC / TMA / ひずみ / 材料変形 / 異方性
Outline of Annual Research Achievements	多孔質建築材料内の水分が凍結・融解を繰り返すことで割れや剥離を生じる「凍害」については、メカニズムが明確ではなく、いまなお解決に至っていない。本研究は過冷却という現象に着目し、凍結・融解過程の材料変形および破壊に至るプロセスを含む、凍結破壊の動的なメカニズムを検討する。 2020年度は示差走査熱流計（DSC）を用いて、試料の含水率や温度変化の速さを変えて、材料の凍結融解過程で放出・吸収するエネルギーを測定した。特に過冷却状態にある試料が急激に凍結する（過冷却が解消する）過程に着目し、その際の放出熱量から含氷率の増加速度を算出した。この含氷率増加速度を用いて、既存の三相系熱水分同時移動解析モデルを修正し、別途行った凍結融解実験における過冷却解消過程の温度変化を再現した。また、PoromechanicsとPoroelasticityに基づく材料内の水圧変化による変形モデルを用いて、凍結融解実験で同時に測定したひずみ変化の再現も試みた。材料の透水係数やヤング率等の物性値の異方性を考慮することで、部分的にはひずみ変化の傾向を再現できた。
Current Status of Research Progress	Current Status of Research Progress 2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned. Reason 出張が制限されたためDSC・TMAの測定数は計画よりも少なくなったが、その代わりに材料変形の理論構築とシミュレーションを先行して行ったため、全体としての進捗に遅れは生じていない。
Strategy for Future Research Activity	DSC測定と凍結融解実験を行う試料の種類を増やし、密度や細孔径分布など物性値の違いが過冷却の度合いや過冷却解消温度に与える影響を把握する。また、各材料について過冷却解消過程の放熱速度から含氷率の増加速度を求め、2020年度に構築した解析モデルによる温度変化予測の再現性を検証する。研究分担者の機関に、これまでより精度の高いDSC装置が導入されたため、材料の凍結融解過程で放出されるエネルギーの測定を行い、破壊エネルギーの算出を試みる。材料の破壊状態の定量的評価も研究の目的の一つであるが、物性値の異なる試料を用いた熱機械分析（TMA）を行い、凍結融解に伴う膨張収縮挙動および残留ひずみの有無を把握する。また、X線CT等の撮影により材料の損傷の程度を確認する。出張の制限の有無によりこれらの測定の実施可能数が影響を受けるため、優先順位を定めて検討に必要なデータを蓄積する。定期的にオンラインミーティングを行い、凍結融解による変形から破壊に至るプロセスについて検討を進める。
Causes of Carryover	新型コロナウィルス感染拡大のため出張が制限され、研究分担者の所属機関に滞在して行う実験を縮小し、理論解析を先行したため、旅費と実験に係る消耗品費（主に液体窒素）の分で未使用額が生じた。そのため、実験を次年度に行うこととし、そのための旅費と消耗品費に充てたい。ただし、出張の制限が継続する場合は、外部機関に試験を委託するなど、別途研究計画を遂行する手段を取り、その経費に充てることとしたい。