岩石の亀裂自己修復機能とその強度・破壊制御への応用

2013 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 22246114
• 研究機関: 北海道大学
• 研究代表者: 金子 勝比古 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (20128268)
• 研究分担者: 川崎 了 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (00304022) ; 奈良 禎太 京都大学, 工学(系)研究科(研究院), 助教 (00466442) ; 伊藤 真由美 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (10339690) ; 椋木 俊文 熊本大学, 自然科学研究科, 准教授 (30423651) ; 廣吉 直樹 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 教授 (50250486) ; 坂口 清敏 東北大学, 環境科学研究科, 准教授 (50261590) ; 原田 周作 北海道大学, 工学(系)研究科(研究院), 准教授 (80315168)
• 研究期間 (年度): 2010-04-01 – 2014-03-31
• キーワード: 岩石 / 亀裂 / 自己修復 / X線CT / 亀裂充填 / ３次元画像解析 / EPMA / 破壊力学

研究概要

岩石の亀裂自己修復機能に関する基礎的検討を実施し，以下の成果を得た。
（１）低速亀裂伸長実験：砂岩のDT試験結果を分析し，サブクリティカル亀裂進展パラメータと構成鉱物，温度，湿度，水質等の関係を定量化した。特に，含水状態と乾燥状態の亀裂進展速度の相違には亀裂先端領域における毛管凝集が関係すること，粘土鉱物を含有する場合は含水により進展速度が著しく上昇するとともに電解質濃度の影響を受けること，その原因は粘土鉱物表面の電気二重層の厚さ変化による反発力の変化にあることなどを明らかにした。
（２）亀裂自己修復実験：人工亀裂を導入したコンクリート供試体の人工海水浸漬試験を実施し，水温と亀裂内の析出鉱物・析出速度との関係を定量化した。特に，マイクロフォーカスX線CTの画像分析により，水温20～80℃の範囲では，析出鉱物は主としてカルサイトであること，水温が低いほど析出速度が早いこと，閉鎖系の条件では析出速度は重炭酸イオンの初期濃度により規定されることなどを明らかにした。また，堆積岩化作用による修復法としてビーチロックに注目し，ビーチロックは微生物による尿素分解反応や海水蒸発によってマグネシウムに富むカルサイトが砂粒子間に析出することにより形成されたことを明らかにした。また，この生成メカニズムに基づいて室内実験を実施し，一軸圧縮強度約10MPaを有するビーチロックを人工的に作成することに成功した。
（３）岩石の亀裂進展プロセス解析と破壊制御法
爆燃性薬剤などを利用した準高速載荷条件における亀裂進展プロセスを解析し，複数装薬孔の応力干渉効果を定量的に明らかにした。そして，岩盤やコンクリート表面のはつり工を対象として，最適制御のための破砕設計法を提案した。

現在までの達成度 (区分)

理由

25年度が最終年度であるため、記入しない。

今後の研究の推進方策

25年度が最終年度であるため、記入しない。

研究成果

• [雑誌論文] Effect of Addition of Phosphate Powder on Unconfined Compressive Strength of Sand Cemented with Calcium Phosphate Compound (2013)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki, S. and Akiyama, M.
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: Vol.54, No.11 ページ: 2079-2084
  • 査読あり
• [雑誌論文] Numerical simulation of the fracture process in concrete resulting from deflagration phenomena (2013)
  • 著者名/発表者名: D.Fukuda, K.Moriya, K.Kaneko, K.Sasaki, R.Sakamoto and K.Hidani
  • 雑誌名: International Journal of Fracture 巻: Vo.180 ページ: 163-175
  • DOI: 10.1007/s10704-013-9809-4
  • 査読あり
• [雑誌論文] Influence of temperature and water on subcritical crack growth parameters and long-term strength for igneous rocks (2013)
  • 著者名/発表者名: Y.Nara, H.Yamanaka, Y.Oe and K.Kaneko
  • 雑誌名: Geophysical Journal International 巻: Vol.193 ページ: 47-60
  • DOI: 10.1093/gji/ggs116
  • 査読あり
• [雑誌論文] Electrical disintegration and micro-focus X-ray CT observations of cement paste samples with dispersed mineral particles (2013)
  • 著者名/発表者名: S. H. Cho, M. Yokota, M.Ito, S.Kawasaki, S.B.Jeong, B.K.Kim, K.Kaneko
  • 雑誌名: Minerals Engineering 巻: 57 ページ: 79-85
  • 査読あり
• [雑誌論文] Evaluation of porosity and its variation in porous materials using microfocus X-ray computed tomography considering the partial volume effect (2013)
  • 著者名/発表者名: M. Kato, M. Takahashi, S. Kawasaki, T. Mukunoki and K. Kaneko
  • 雑誌名: Materials Transactions 巻: 54 ページ: 1678-1685
  • 査読あり
• [雑誌論文] Enhancement of unconfined compressive strength of sand test pieces cemented with calcium phosphate compound by addition of various powders (2013)
  • 著者名/発表者名: Kawasaki, S. and Akiyama, M
  • 雑誌名: Soils and Foundations, 巻: 53 ページ: 966-976
  • 査読あり
• [雑誌論文] Unique grout material composed of calcium phosphate compounds (2013)
  • 著者名/発表者名: S. Kawasaki and M. Akiyama
  • 雑誌名: International Journal of GEOMATE 巻: 4 ページ: 429-435
  • 査読あり
• [雑誌論文] 多孔質材料の水理定数評価のための室内透水試験法の理論 (2013)
  • 著者名/発表者名: 奈良禎太，加藤春實，金子勝比古，松木浩二，佐藤隆司，塚本斉
  • 雑誌名: 花崗岩のP波速度分布とDSCA法から求めたクラックパラメータの関係 巻: 129 ページ: 447-454
  • 査読あり
• [雑誌論文] セメント物質に着目したビーチロックの形成メカニズムに関する考察 (2013)
  • 著者名/発表者名: 檀上尭，川﨑了
  • 雑誌名: Journal of MMIJ 巻: 129 ページ: 520-528
  • 査読あり
• [学会発表] A STUDY OF THE FORMATION MECHANISM OF BEACHROCK IN OKINAWA, JAPAN: TOWARD MAKING ARTIFICIAL ROCK (2013)
  • 著者名/発表者名: T. Danjo and S. Kawasaki
  • 学会等名: 3rd International Conference on Geotechnique,
  • 発表場所: Meitetsu New Grand Hotel, Nagoya, Japan
  • 年月日: 20131113-20131115
• [学会発表] Formation mechanisms of beachrocks in Okinawa and Ishikawa, Japan (2013)
  • 著者名/発表者名: T.Danjo, S. Kawasaki and T. Hata
  • 学会等名: 47th U. S. Roch Mechanics/ Geomechanics Symposium
  • 発表場所: Holiday Inn, San Francisco, USA
  • 年月日: 20130623-20130626
• [学会発表] Investigation of sealing behavior of fracture in cementitious material in ground water using micro-focus X-ray CT and 3D image analysis (2013)
  • 著者名/発表者名: D.Fukuda, Y.Nara, M.Maruyama and K.Kaneko
  • 学会等名: 1st International Conference on Tomography of materials and structures
  • 発表場所: Intercontinental Hotel, Ghent, Belgium
  • 年月日: 2013-07-03