| 研究課題/領域番号 |
15K04631
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| 研究機関 | 秋田工業高等専門学校 |
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研究代表者 |
桜田 良治 秋田工業高等専門学校, その他部局等, 教授 (60290699)
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| 研究分担者 |
川添 良幸 東北大学, 学内共同利用施設等, 教授 (30091672)
鵜澤 正美 日本大学, 生産工学部, 教授 (80571299)
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| 研究期間 (年度) |
2015-04-01 – 2018-03-31
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| キーワード | ナノマイクロ構造解析 / セメントクリンカー / ビーライト / 第一原理計算 |
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| 研究実績の概要 |
省エネ型のセメントクリンカー焼成技術開発の鍵となる，ビーライト(β-C2S)の鉱物組成変更による水和活性向上について，一切の経験値を用いずに量子力学のみに立脚した第一原理計算により解析を行った。計算は，東北大学のスーパーコンピューターを使用して，ビーライト中のCa原子を微量成分（Sr, Ba）と置換した結晶構造について，その構造の安定性や，ビーライト結晶表面での水分子吸着に及ぼす微量成分の種類と置換位置，水分子吸着位置について解析を行った。
Ca原子2個をSr原子と置換した構造(2Sr)では, 平均Ca-Ca原子間距離は3.5583 Aであるのに対して，Ca原子2個をBa原子で置換した構造(2Ba)では3.5578 A，Ca原子2個をSr原子とBa原子で置換した構造(1Sr1Ba)では，3.5577 Aとなる。平均Ca-Ca原子間距離)が短いほど，水和活性の向上には有利となる。ビーライト表面近傍の7配位のCa(1)原子を微量成分Srで置換した構造のH2O分子の平均吸着エネルギーは， 置換しない構造よりも小さくなり，微量成分のSrでCaを置換することでビーライト表面での水分子の吸着力は増す。
セメントクリンカーで対称性の高い結晶配列で安定しているγ-C2Sについて，第一原理計算を行った。その結果，β-C2Sにおける平均Ca-Ca原子間距離は3.54 A，γ-C2Sは3.75 Aで，β-C2SのCa-Caの距離はγ-C2Sより短く，水和活性との相関が高いことが判明した。
セメントクリンカーに対して，第一原理計算による数値シミュレーション技法の枠組みを構築することができれば，原子スケールでのセメントクリンカーとしてのビーライトへの水分子の吸着機構や，新たな機能をもつセメントクリンカーの原子レベルでの材料設計手法の道を開くことができる。
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
日本のセメント製造での省エネ技術は，世界最高水準にあるが，既存の技術の延長だけでは更なる省エネや低炭素化は難しい。そこで，セメント製造プロセスで最もエネルギーを消費するクリンカー焼成工程において，焼成温度の低下や省エネを可能とする「革新的セメント製造プロセス基盤技術開発」が行われている。その一つには，鉱化剤の添加による燃焼温度の低下を図ること，二つ目としては微量成分の添加で鉱物組成を変更させることによるビーライト単相の水和反応の活性化を図ること，三つ目としてはアウインとの共存による活性化を図ることが実験的に検討されている。
本研究では，二つ目の方策としての微量成分の添加で鉱物組成を変更させることによるビーライト単相の水和反応の活性化に着目したもので，Ca原子と同族で2価のSr及びBaの効果について検討を試みた。ここでは，2個のCaOx多面体中のCa原子を2個のSr原子と置換した3構造(2Sr77edge, 2Sr78edge, 2Sr78face)について，Sr原子の置換位置と2個のCaOx多面体の結合形態が結晶構造の変化に及ぼす影響を解析した。同じ3構造について，微量成分として2個のBa原子の場合，及び1個のSr原子と1個のBaで置換した構造について，物理的特性より水和活性を比較した。さらに，微量成分としてのSr原子を添加して鉱物組成変更させた，ビーライト表面への水分子の吸着に及ぼす水分子の吸着位置の影響について，化学的特性より解析を試みた。物理的及び化学的特性の両方法からのアプローチは，概ね予定通り研究が進展している。
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| 今後の研究の推進方策 |
1.ビーライトの水和反応性の向上に寄与する微量成分の探索
第一原理量子論に基づいた数値計算により，微量成分を添加したビーライト界面での水分子吸着機構の原子スケールでの理論解析を行う。計算は，東北大学金属材料研究所の計算材料学センターに設置されているスーパーコンピューターを使用して行う。計算の手順としては，計算機シミュレーションでのビーライトの結晶構造は，ビーライトのスラブ層の上に真空層を設けて，そこに水分子を配置するような単位格子でモデリングを行う。解析では，Sr原子以外の微量成分が，ビーライトの水和活性向上に寄与する効果について解析を行う。
2. 複数の微量成分が関与する場合のビーライトの構造安定性の解析
セメント製造の代替原料としての産業廃棄物中に介在する，複数の微量成分が有意な量で同時に関与する場合のビーライトの結晶構造の安定化について理論的に解析する。特に，微量成分同士の拮抗作用や相乗作用についても理論的に解析を行う。大規模数値計算と結晶構造解析は，海外研究協力者と連携して実施する。
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