| 研究課題/領域番号 |
16H02354
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| 研究機関 | 東京大学 |
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研究代表者 |
岸 利治 東京大学, 生産技術研究所, 教授 (90251339)
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| 研究期間 (年度) |
2016-04-01 – 2019-03-31
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| キーワード | セメント・コンクリート / ビンガム流体 / せん断速度 / レオロジー / 流動 |
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| 研究実績の概要 |
高性能AE減水剤の添加量を変えたモルタルやセメントペーストの流動曲線群は、見かけせん断速度―せん断応力座標系の負のせん断速度領域において一点に交わり、さらにその焦点位置を回転速度変化後からの経過時間ごとに整理すると、正の傾きを持った直線上にプロットされるという規則性を報告してきた。そこで、石灰石微粉末懸濁液を用いて焦点位置の時間変化現象が再現されることを確認した上で、粘度の時間依存変化を高性能AE減水剤添加量や見かけせん断速度に関して整理し、焦点の時間変化現象の規則性の発生要因について検討した。その結果、セメントペーストやモルタルで確認されていた流動曲線の焦点が時間変化とともに右上がりに変化していく現象が石灰石微粉末ペーストでも再現されることを明らかにした。
次に、二重円筒を有する回転粘度計における二重円筒間の流動速度分布を測定する手法について検討を行った。二重円筒を有する回転粘度計では、見かけせん断速度の算出のために二重円筒内の速度分布をニュートン流体の挙動に従うことを仮定している。この仮定が成り立つためには、外円筒と内円筒の直径比が1.2以下であることが望ましいが、比較的大きな砂を含むモルタルのような材料の場合、均質性を保つために直径比を大きくしなければならない。実験上の制約から直径比が大きくなると、二重円筒内の流動速度分布がニュートン流体のそれとは異なり、非線形性が強く表れてしまう可能性がある。そこで、回転粘度計によるレオロジー測定と同時に、流動場表面を上方よりカメラで撮影し、二重円筒間の流体表面での粒子をマーカーとして速度分布を測定する手法を構築して検討を行った。その結果、回転速度の変化に応じて流動速度分布の変化のみならず、流動域の拡大や縮小も生じていることが明らかとなり、機構の詳細な理解には流動速度場の変化も考慮に入れた考察が不可欠であることを明らかにした。
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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
二重円筒を有する回転粘度計における流動場表面を上方よりカメラで撮影し、二重円筒間の流体表面での粒子をマーカーとして流動速度分布を測定する手法を構築したことにより、回転粘度計によるせん断応力測定と同時に流動場における速度分布の情報を詳細に取得する手法を確立したことから、機構解明に向けた足掛かりは得られたと考えている。
一方、既往の文献のおけるサスペンジョンの流動速度分布約10個が二次関数形もしくは三次関数系で近似できる可能性を見出したこと、また、非ニュートン流体の内、ビンガム流動の流動速度分布は二次関数形で近似でき、流動速度分布が3次関数形で近似できるものは、代表的な非ニュートン流体である偽塑性流動と特異的な非ニュートン流体であるダイラタント流動の2種類であり、偽塑性流動の場合には流動速度の増加に伴って流動速度分布の非線形性が高まるのに対して、ダイラタント流動の場合には流動速度の増加に伴って流動速度分布の非線形性が低下するという特徴的な相違があることを確認したことは、2016年度から2017年度までの検討における大きな研究成果であったが、その機構は複雑かつ難解であり、本研究内で十分な理解を得るには至らなかった。
そこで、再度、既往の文献における約10個のMRIによる流動速度分布の測定結果に加えて、自前で測定可能な二重円筒を有する回転粘度計における流動場表面の流動速度分布の測定を実施して、引き続き非ニュートン流体の流動規則性の解明を進めていく。
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| 今後の研究の推進方策 |
一昨年度の検討で、既往の文献のおけるサスペンジョンの流動速度分布約10個が二次関数形もしくは三次関数形で近似できることを発見したが、その傾向は流動場先端の不動域に近い領域に限られていることを確認したものの、その後の詳細な検討は滞っていたことから、ローターに近い駆動側での流動の規則性について詳細な検討を行う。ローターに近い駆動側での流動速度分布は、二次関数形もしくは三次関数形というよりも線形に近い流動速度分布を呈していることを視覚的には認識していたが、その詳細な検討は実施していなかった。そこで、ローターに近い駆動側での流動速度分布は、規則的なせん断速度（せん断応力）の減衰が生じていると推察される二次関数形もしくは三次関数形の流動速度分布ではなくて、力のつり合いが成立し、流動場が二重円筒であるが故の幾何学的な影響による極僅かなせん断速度（せん断応力）の変化のみが生じるニュートン流動が生じているとの想定の下で検討を行うこととする。
上記の推論が正しいとすれば、回転粘度計の二重円筒内で全域流動していない非ニュートン流体の流動場は、ローターに近い駆動側から、1)力のつり合いが成立しナビエ・ストークスの方程式に従うニュートン流動域、2)流体固有のせん断速度の減衰が生じることにより流動速度分布が二次関数形もしくは三次関数形となる非ニュートン流動領域、そして、3)稼働側から伝達される駆動力が非ニュートン流体の流動に必要な最低限のせん断応力以下となることにより流動できない不動領域の少なくとも3領域に区分されるものと推定されるので、このような仮説の検証を通して非ニュートン流体の流動の規則性を明らかにする。
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