Moisture transport mechanism in cement-based materials under the first desorption process

• Project/Area Number: 18H03804
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (A)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Medium-sized Section 23:Architecture, building engineering, and related fields
• Research Institution: Nagoya University
• Principal Investigator: 丸山 一平 名古屋大学, 環境学研究科, 教授 (40363030)
• Co-Investigator(Kenkyū-buntansha): 大竹 淑恵 国立研究開発法人理化学研究所, 光量子工学研究センター, チームリーダー (50216777) ; 大窪 貴洋 千葉大学, 大学院工学研究院, 准教授 (50534541)
• Project Period (FY): 2018-04-01 – 2023-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2022)
• Budget Amount: ¥36,400,000 (Direct Cost: ¥28,000,000、Indirect Cost: ¥8,400,000); Fiscal Year 2022: ¥1,040,000 (Direct Cost: ¥800,000、Indirect Cost: ¥240,000); Fiscal Year 2021: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2020: ¥6,890,000 (Direct Cost: ¥5,300,000、Indirect Cost: ¥1,590,000); Fiscal Year 2019: ¥15,470,000 (Direct Cost: ¥11,900,000、Indirect Cost: ¥3,570,000); Fiscal Year 2018: ¥6,110,000 (Direct Cost: ¥4,700,000、Indirect Cost: ¥1,410,000)
• Keywords: 珪酸カルシウム水和物 / 乾燥 / 動的な空隙構造 / 水分移動 / 空隙構造変化 / コロイド的性質 / 動的空隙構造変化 / セメント / セメント系材料 / C-S-H / 時間依存性 / 1H-NMR Relaxometry / コンクリート / コロイド

Outline of Annual Research Achievements

2021年度については、水分移動ならびに乾燥時のセメントペーストの空隙構造の変化、ならびにその変化速度に関する研究を実施するとともに成果をまとめ、対外的に発表を行った。1) 低熱ポルトランドセメントの乾燥時の空隙構造変化を水蒸気吸着等温線と窒素吸着等温線により評価し、水酸化カルシウムが少ない分、空隙が大きくなるとともに収縮が大きくなる傾向にあることを示した。2) 窒素吸着におる等温線を分子動力学計算によって評価した表面ポテンシャルとスリット型構造を仮定した空隙構造により、3つないし4つの卓越した空隙構造が乾燥・吸湿において異なる変化速度で変化していることを示した。3）長期的な空隙構造変化と水分移動を組み合わせた、時間依存性吸着等温線モデルを世界で初めて提案し、国際ジャーナルにおいて掲載された。4）カルシウムシリケート水和物の乾燥時の挙動評価を念頭に、分子動力学計算の知見を集約し、現在までに明らかになったこと、また、今後の課題についてレビュー論文としてとりまとまた。5）乾燥時のC-S-Hの動的な変化は主として、80％RH前後から40％RH前後に卓越して変化し、特に長さ変化として大きな影響をうけることを明らかにした。6）異なる５つの湿度で調湿したエーライトペーストの空隙構造変化を1H-NMR Relaxometryによって評価し、C-S-H層間ならびに外部表面での吸着水の緩和時間が異なること、C-S-HのOH基の一部はMobile成分の水と熱交換しない状態にあることなどが明らかになった。

Current Status of Research Progress

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

Reason

C-S-Hの空隙構造が変化することを1H-NMR、水蒸気吸着、SAXS、窒素空着などさまざな手法で定量的に示したこと、また、水分移動については、X線ラジオグラフィ、中性子ラジオグラフィ、内部の湿度分布、破壊試験による含水率測定によって明らかにしたことなどから、当初の目標について一定の成果がでている。これらの実験結果については時間依存性吸着等温線モデルを用いた水分移動評価手法という形で提案を行った。

Strategy for Future Research Activity

次年度は、
・過去に実施してきた内容について補足的な実験の遂行、特にNMRによる水分分布評価法について取得したデータについて論文化を行うとともに、本とりまとめに際し明らかになる今後の課題を整理する。
・その他、セメント、およびモルタルを用いた各種の実験については、順次論文化を行い、とりまとめと今後の課題を明らかにする予定である。

Research Products

• [Int'l Joint Research] University of California Irvine(米国)
• [Int'l Joint Research] Univ Gustave Eiffel(フランス)
• [Journal Article] Surface area changes in C3S paste during the first drying analyzed by 1H NMR relaxometry (2022)
  • Author(s): Maruyama Ippei、Fujimaki Tetsuya、Kurihara Ryo、Igarashi Go、Ohkubo Takahiro
  • Journal Title: Cement and Concrete Research Volume: 156 Pages: 106762-106762
  • DOI: 10.1016/j.cemconres.2022.106762
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] EVALUATION OF ALTERNATION PORE STRUCTURE DISTRIBUTION IN ORDINARY/LOW HEAT PORTLAND PASTE CEMENT DURING FIRST DRYING AND RE-HUMIDIFYING PROCESSES BY NYTROGEN SORPTION (2022)
  • Author(s): GOTO So、UMEKI Shota、KURIHARA Ryo、MARUYAMA Ippei
  • Journal Title: Cement Science and Concrete Technology Volume: 75 Issue: 1 Pages: 144-151
  • DOI: 10.14250/cement.75.144
  • ISSN: 0916-3182, 2187-3313
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] STUDY OF MICROSTRUCTURAL CHANGES IN HARDENED CEMENT PASTE USING LOW HEAT PORTLAND CEMENT DUE TO LONG TERM RH CONDITIONING (2022)
  • Author(s): SEGAWA Miki、GOTO So、KURIHARA Ryo、MARUYAMA Ippei
  • Journal Title: Cement Science and Concrete Technology Volume: 75 Issue: 1 Pages: 152-159
  • DOI: 10.14250/cement.75.152
  • ISSN: 0916-3182, 2187-3313
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Time-dependent water vapor desorption isotherm model of hardened cement paste (2021)
  • Author(s): Ryme Jiri、Maruyama Ippei、Aili Abudushalamu
  • Journal Title: Cement and Concrete Research Volume: 150 Pages: 106612-106612
  • DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106612
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Advances in atomistic modeling and understanding of drying shrinkage in cementitious materials (2021)
  • Author(s): Abdolhosseini Qomi Mohammad Javad、Brochard Laurent、Honorio Tulio、Maruyama Ippei、Vandamme Matthieu
  • Journal Title: Cement and Concrete Research Volume: 148 Pages: 106536-106536
  • DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106536
  • Peer Reviewed / Open Access / Int'l Joint Research
• [Journal Article] The Relative Humidity Range for the Development of Irreversible Shrinkage in Hardened Cement Paste (2021)
  • Author(s): Maruyama Ippei、Kishi Naoyai、Aili Abudushalamu
  • Journal Title: ACT Volume: 19 Issue: 6 Pages: 585-592
  • DOI: 10.3151/jact.19.585
  • NAID: 130008047967
  • ISSN: 1346-8014, 1347-3913
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Water Uptake in OPC and FAC Mortars under Different Temperature Conditions (2021)
  • Author(s): Kiran Rohith、Samouh Hamza、Matsuda Akira、Igarashi Go、Tomita Sayuri、Yamada Kazuo、Maruyama Ippei
  • Journal Title: ACT Volume: 19 Issue: 3 Pages: 168-180
  • DOI: 10.3151/jact.19.168
  • NAID: 130007995212
  • ISSN: 1346-8014, 1347-3913
• [Journal Article] Hinderance of C-S-H sheet piling during first drying using a shrinkage reducing agent: A SAXS study (2021)
  • Author(s): Maruyama Ippei、Igarashi Go、Matsui Kunio、Sakamoto Naoki
  • Journal Title: Cement and Concrete Research Volume: 144 Pages: 106429-106429
  • DOI: 10.1016/j.cemconres.2021.106429
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] STUDY ON DISTRIBUTION OF DRYING AND HYDRATION IN MORTAR BY EARLY-AGE DEMOLDING─RELATIONSHIP BETWEEN RELATIVE HUMIDITY, WATER CONTENT, AND HYDRATION REACTION─ (2021)
  • Author(s): UMEKI Shota、FUJIMAKI Tetsuya、YOKOUCHI Yuki、MARUYAMA Ippei
  • Journal Title: Cement Science and Concrete Technology Volume: 74 Issue: 1 Pages: 90-97
  • DOI: 10.14250/cement.74.90
  • NAID: 130008009228
  • ISSN: 0916-3182, 2187-3313
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] STUDY ON DISTRIBUTION OF DRYING AND HYDRATION REACTION IN MORTAR BY EARLY-AGE DEMOLDING─VISUALIZATION OF WATER LOSS AND EVALUATION OF WATER CONTENT USING X-RAY CR─ (2021)
  • Author(s): UMEKI Shota、FUJIMAKI Tetsuya、YOKOUCHI Yuki、MARUYAMA Ippei
  • Journal Title: Cement Science and Concrete Technology Volume: 74 Issue: 1 Pages: 82-89
  • DOI: 10.14250/cement.74.82
  • NAID: 130008009210
  • ISSN: 0916-3182, 2187-3313
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Reply to Zhou et al.'s “A discussion of the paper “Dynamic microstructural evaluation of hardened cement paste during first drying monitored by 1H NMR relaxometry”” (2020)
  • Author(s): Maruyama Ippei、Ohkubo Takahiro、Haji Tatsuto、Kurihara Ryo
  • Journal Title: Cement and Concrete Research Volume: 137 Pages: 106219-106219
  • DOI: 10.1016/j.cemconres.2020.106219
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Creep behavior of C-S-H under different drying relative humidities: Interpretation of microindentation tests and sorption measurements by multi-scale analysis (2020)
  • Author(s): Suwanmaneechot Piyapong、Aili Abudushalamu、Maruyama Ippei
  • Journal Title: Cement and Concrete Research Volume: 132 Pages: 106036-106036
  • DOI: 10.1016/j.cemconres.2020.106036
  • NAID: 120006884948
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] 中性子画像とX線画像によるモルタル吸水試験の比較評価 (2020)
  • Author(s): 藤牧哲也, 丸山一平, 大竹淑江, 水田真紀
  • Journal Title: 日本コンクリート工学会年次論文集 Volume: 42(1) Pages: 1648-1653
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Effects of heating and drying on the strength and stiffness of high-early-strength Portland cement pastes (2020)
  • Author(s): R. Kurihara, I. Maruyama
  • Journal Title: Cement and Concrete Composites Volume: 106 Pages: 103455-103455
  • DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2019.103455
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Cavitation of water in hardened cement paste under short-term desorption measurements (2019)
  • Author(s): I. Maruyama, J. Rymes, M. Vandamme, B. Coasne
  • Journal Title: Materials and Structures Volume: 51 Pages: 128-128
  • DOI: 10.1617/s11527-018-1285-x
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Dynamic microstructural evolution of hardened cement paste during first drying monitored by 1H NMR relaxometry (2019)
  • Author(s): I. Maruyama, T. Ohkubo, T. Haji, R. Kurihara
  • Journal Title: Cement and Concrete Research Volume: 122 Pages: 107-117
  • DOI: 10.1016/j.cemconres.2019.04.017
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Temperature Dependency of Short-Term Length-Change and Desorption Isotherms of Matured Hardened Cement (2019)
  • Author(s): I. Maruyama, J. Rymes
  • Journal Title: ACT Volume: 17 Issue: 5 Pages: 188-194
  • DOI: 10.3151/jact.17.188
  • NAID: 130007643276
  • ISSN: 1346-8014, 1347-3913
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] TWO TYPES OF C(A)SH IN THE HARDENED CEMENT PASTES USING LOW HEAT / ORDINARY PORTLAND CEMENT EVALUATED BY NITROGEN SORPTION (2019)
  • Author(s): 栗原諒, 杉本裕紀, 丸山一平
  • Journal Title: コンクリート工学年次論文集 Volume: 41(1) Pages: 47-52
  • Peer Reviewed
• [Presentation] 長期間の調湿による低熱ポルトランドセメントを用いた硬化セメントペーストの空隙構造変化 (2021)
  • Author(s): 瀬川実暉，後藤壮，栗原諒，丸山一平
  • Organizer: コンクリート工学年次大会
• [Presentation] Evaluation of pore structure distribution in opc-hpc during first drying and re-humidifying processes by nytrogen sorption (2021)
  • Author(s): So GOTO，Shota UMEKI，Ryo KURIHARA，Ippei MARUYAMA
  • Organizer: コンクリート工学年次大会
• [Presentation] Shrinkage of C3S paste associated with a dynamic microstructure change under the first drying (2021)
  • Author(s): Ippei Maruyama
  • Organizer: ERICA-CASH II Final Conference
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Impact of drying on performance of concrete and concrete structures (2020)
  • Author(s): Ippei Maruyama
  • Organizer: The 2nd International Conference on Concrete And Steel Technology, Engineering and Design (CASTED 2020)
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Relationship between nitrogen specific surface area and drying shrinkage of ordinary Portland cement paste (2019)
  • Author(s): 栗原諒, 杉本裕紀, 丸山一平
  • Organizer: 2019年度日本建築学会大会(北陸)
• [Presentation] 普通ポルトランドセメントを用いたセメントペーストの乾燥条件による物性変化 その2 処女乾燥および再吸湿時の収縮ひずみ，曲げ強度 (2019)
  • Author(s): 梅木翔太, 神林大輔, 杉本裕紀, 栗原諒, 丸山一平
  • Organizer: 2019年度日本建築学会大会(北陸)
• [Presentation] 普通ポルトランドセメントを用いたセメントペーストの乾燥条件による物性変化 その1 処女乾燥および再吸湿時の空隙構造変化 (2019)
  • Author(s): 神林大輔, 梅木翔太, 杉本裕紀, 栗原諒, 丸山一平
  • Organizer: 2019年度日本建築学会大会(北陸)
• [Presentation] Rate of water redistribution in cement paste after water adsorption by using 1H-NMR relaxometry (2019)
  • Author(s): ROHITH KIRAN RAGATHARA GURRAPPAGARI, Ryo Kurihara, Ippei Maruyama
  • Organizer: 2019年度日本建築学会大会(北陸)
• [Presentation] Quantification of two types of C-S-H in the Portland cement paste affected by cement Blaine value (2019)
  • Author(s): Kurihara Ryo, Sugimoto Hiroki, Maruyama Ippei
  • Organizer: 第73回セメント技術大会
• [Remarks] 名古屋大学大学院環境学研究科コンクリート工学研究室
  • URL: https://hp.nuac.nagoya-u.ac.jp/bmeste/
• [Remarks] 名古屋大学 大学院環境学研究科 コンクリート工学研究室
  • URL: https://hp.nuac.nagoya-u.ac.jp/bmeste/