| 研究課題/領域番号 |
21K04211
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| 研究機関 | 金沢大学 |
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研究代表者 |
五十嵐 心一 金沢大学, 地球社会基盤学系, 教授 (50168100)
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| 研究期間 (年度) |
2021-04-01 – 2024-03-31
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| キーワード | 気泡 / 高吸水性ポリマー / 点過程 / 耐凍害性 / モデリング / シミュレーション / 3次元粒度分布 / 保護範囲 |
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| 研究実績の概要 |
評価フェーズからモデルリングフェーズへと移行し，気泡分布構造に関しては，1)気泡の大きさを点間の排他的距離で表現した点過程として空間分布をシミュレーションすることの妥当性，2)排他的点過程における保護領域分布の変化を明らかにした．また，3)気泡の2次元断面情報から3次元粒度分布を推定し保護領域のモデリングを行った．特に，多分散系粒子として気泡の曲率を考慮したモデルを考え，保護領域の評価を行った．高吸水性ポリマー(SAP)に関しては，実際にスケーリング試験を実施してSAPの効果を確認し，同様に2次元断面の粒度分布のモデル化から3次元粒度を求め，気泡の分布と比較した．これらの実験および解析により得られた主な成果は以下のとおりである．
(1)点過程シミュレーションにて，排他距離をポアソン分布に従うとして与えることにより，実際に観測されたランダム点過程を，信頼区間95%の信頼性で再現できた．
(2)排他的距離を有する点過程の保護範囲をディリクレ分割で表したとき，セメントペーストのほぼ全域を保護するための大きい側のタイルの面積ほとんど変化しない．よって，保護範囲の推定は完全ランダム過程でモデル化すれば十分である．
(3)気泡の3次元粒度分布から保護領域を計算すると，解析上では比較的小さな空気量でも十分な保護領域が得られる．しかし，実際の耐凍害性の傾向とは一致しない．気泡が互いに十分に離れて保護領域に重なりはないとする仮定は適切ではなく，骨材が気泡の分布を制限し，これにより生ずる気泡の凝集が保護領域の範囲を大きく制限する．
(4)SAP粒子の空隙は，気泡よりも大きくて個数は少なくかつ粒子間隔も大きい．それにも関わらず耐凍害性が改善され，これは気泡とは異なるメカニズムによると考えられる．SAP空隙が周囲の毛細管空隙と多数の連結経路を有し，未凍結水が容易にアクセスできることが関係すると考えられる．
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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
気泡分析から，保護領域をディリクレ分割タイル面積としてモデル化することの妥当性が示され，さらにそのシミュレーション手法を提案することができた．このとき，凍結融解作用に対して弱点となりうる領域，すなわち気泡分布が疎になる領域の面積が単純なランダム過程で再現できたことは，実務にも対応しうる簡便な気泡分布評価法としての有用性を裏付ける．また，3次元の気泡粒度分布を得る簡便な手順を確立して，気泡表面を起点とした保護範囲をシミュレーションにより推定した．その結果，細骨材粒子の凝集部分で気泡にも凝集を生じ，これが保護体積評価に大きな影響を及ぼすことが明らかにされた．既往の数理モデルでは気泡間隔が十分に大きく保護領域の重複はないと仮定するが，これが必ずしも適切ではないことを示す重要な結果も得られている．
SAP空隙の観察に関しては，昨年の反省から断面の黒色染色，白色粉体を充填という古典的な方法に回帰したが，この方法でも適切にSAP空隙が同定できることが確認された．また，SAP粒子断面の粒度分布に対して，粉体工学にて用いられる方法と点過程としての取り扱いを組み合わせたモデル化を行うことにより，3次元空間での体積基準の粒度分布を得ることができた．その結果から，本研究のスケーリング試験でも確認できたSAPによる耐凍害性改善は，粒子間隔では説明できないことが示され，気泡と同様の役割を果たすと単純に仮定されたてきた既往の考え方に再考を促す結果を得た．
以上のような研究の進捗により，4編の論文を投稿済みであり，現在も2編の論文の投稿準備中である．また，従来受け入れられてきた通説に対して，根拠をもって疑問を投げかけるような興味深い結果が得られている．当初計画に基づき，このことに関する成果発表のための国際会議にも参加予定である．以上を総合的に考慮して，(2)おおむね順調と判断した．
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| 今後の研究の推進方策 |
研究計画の最終年度にあたり，これまでの成果の総括を行うことが基本である．また，これまで各観察スケールと解析項目に対して個々に適用してきた解析プログラムを整理して，実用的なツールとしての汎用性の改善を図る．
気泡に関しては既に多くのデータが蓄積され，耐凍害性および気泡間隔の設計方針も明確になった．この実績を基に，空間統計量を用いた配合設計として，複数のAE剤を入手してその点密度－空気量関係を既知として耐凍害性コンクリートの配合設計を行う．導入された気泡組織と配合設計で意図した気泡組織の比較から，空間統計学・確率過程を根拠とする耐凍害性に関するコンクリートの材料設計法を提案できればと考えている．
一方，昨年計画に掲げながら具体化の進んでいなかったセメント量削減系のコンクリートの微視的構造については，LC3を念頭に置いた材料入手を進めている．候補となる材料を入手しだい，水和進行にともなう微視的構造の変化にこれまでの手法を適用して，長期材齢での組織緻密化の定量評価を行う．そのようなセメントを使用したコンクリートが耐久性にも優れることが示されているが，これを微視的構造のtortuosity(屈曲度）を理由に挙げて説明する場合が多い．本研究代表者のこれまでの主張である「ランダムな組織形成」と，多くの研究者が主張する「屈曲度増大」が相反する概念であるのか，両立する無矛盾の概念であるかのについて解明を進めることを考えている．これにより，現在国際的に活発に研究が進められているセメント量削減（CO2排出削減）コンクリートに対して，確率過程に基づく材料評価と材料設計法の適用事例として，その方向性を示すことを企図している．
以上の一連の研究手法が，マルチスケールのコンクリート組織の特徴に対応可能な材料設計法の確立や材料開発に資する簡便で実用的な手段であることをアピールして，本研究の結論とする．
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| 次年度使用額が生じた理由 |
研究計画初年度の成果発表のための国際会議旅費を計上していたが，当該年度は国内開催でかつオンライン開催に規模を縮小して開催された．その国際会議のテーマが本研究テーマとは異なっていたのと，この会議参加が長年交流のある同様の研究を行っている研究者と情報交換しながら資料収集することも重要な目的でもあったが，それらの研究者も来日しないことがわかり，結果として参加を見送った．そのための旅費相当額が未使用となった．しかし，次年度（最終年度）は諸外国でもコロナ禍も落ち着いて，国際会議も対面開催となることが決定している．現時点で2つの会議に出席する予定で，すでに参加登録を行っている．その旅費として使用することにしている．
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