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2023 年度 実施状況報告書

炭酸水と粉末を用いた鉱物析出による岩盤・構造物長期安定性確保と環境保全技術の構築

研究課題

研究課題/領域番号 22K04308
研究機関京都大学

研究代表者

奈良 禎太  京都大学, 工学研究科, 准教授 (00466442)

研究期間 (年度) 2022-04-01 – 2025-03-31
キーワード岩石 / 透水性 / カルシウム / 二酸化炭素 / 空隙閉塞
研究実績の概要

岩盤の利用は、人類が生活していく上で必要不可欠である。一般に岩盤にはき裂や空隙が普遍的に存在し,その存在により強度や遮蔽性能の低下が生じる。一方で,き裂や空隙を充填させることができれば,岩盤の強度や遮蔽性能は高まる。また,地球温暖化対策として,地球温暖化ガスであるCO2を岩盤に注入する地中貯留技術が近年考えられている。CO2は地下の温度・圧力下では,密度が高く粘性が低い超臨界状態となり,岩盤中の微細な空隙やき裂に浸透できる。ただし,それにより岩盤の破壊を促進することが懸念される。一方,CO2から炭酸水を作り,炭酸イオンの状態で地下に注入すれば,超臨界CO2の生成量は大きく低減できる。さらに,カルシウムイオンが豊富に存在する条件を作り出せば,炭酸イオンとカルシウムイオンの化学反応による鉱物析出が生じ,き裂や空隙の充填が実現できる。これは岩盤の強度・遮蔽性能向上に繋がる。これらを考慮して,炭酸水とカルシウムを多く含む岩石から作る粉末を同時に注入して,岩盤内のき裂・空隙を充填し岩盤の遮蔽性能を向上させる技術を開発することを目的とした。
多孔質な岩石を、カルサイトが主成分である大理石の粉末を懸濁した水中で保存して飽和させた後に透水試験を行うことを繰り返した結果,岩石の透水係数が低下する傾向が認められた。ただし、低下の傾向は小さかったため、水中に懸濁させる粉末の量を多くし、カルシウムイオンの供給と粉末が空隙を充填する効果を増大させることが、岩石の透水係数を低下させることに繋がる可能性があると考えられる。

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

本研究では,二酸化炭素を鉱物固定することによって岩盤の透水特性を低下させることを目的としている。本年度は、カルシウムを多く含む岩石の粉末を用いてカルシウムイオンが供給されやすい水中環境下を作り、そこに岩石を保存することによって、岩石の透水特性がどのように変わるかを調査した。その結果、岩石の透水特性の変化(透水係数の低下傾向)を見出すことができ、研究の狙いはおおむね順調に見いだせていると考えている。

今後の研究の推進方策

本研究では,セメント系材料やカルシウムを多く含む炭酸塩岩石の粉末のように,カルシウムイオンを多く供給できるような水中環境において,岩石の遮蔽性能を向上させる(透水係数を低下させる)ような技術を見出すことを考えている。今後は、炭酸塩岩石の粉末を水中により多く縣濁させるような方策により、この傾向がより大きく認められる条件を見出すことが重要であると考えている。

次年度使用額が生じた理由

今年度は、透水試験で使用する岩石試料の作成に必要となる消耗品(ブレードや砥石等)や、水質検査のために必要となるセンサー、温度計や湿度計等のセンサー類を購入する必要がなくなった。これは、別の研究グループから譲り受けることができたためである。
次年度は、さらに透水試験が必要となり、上述のセンサー類を交換する必要があるため、新たにセンサー類を購入する予定である。また、透水試験で使用する工業用精製水を多く購入する予定である。

  • 研究成果

    (13件)

すべて 2024 2023 その他

すべて 国際共同研究 (4件) 雑誌論文 (2件) (うち国際共著 1件、 査読あり 2件) 学会発表 (7件) (うち国際学会 5件)

  • [国際共同研究] 中国東北大学(中国)

    • 国名
      中国
    • 外国機関名
      中国東北大学
  • [国際共同研究] 全北国立大学(韓国)

    • 国名
      韓国
    • 外国機関名
      全北国立大学
  • [国際共同研究] University of North Carolina, Charlotte(米国)

    • 国名
      米国
    • 外国機関名
      University of North Carolina, Charlotte
  • [国際共同研究] University College London(英国)

    • 国名
      英国
    • 外国機関名
      University College London
  • [雑誌論文] Progressive fracturing in alluvial clasts2024

    • 著者名/発表者名
      Uri Shaanan, Amit Mushkin, Monica Rasmussen, Amir Sagy, Philip Meredith, Yoshitaka Nara, Russell Keanini, Martha-Cary Eppes
    • 雑誌名

      Geological Society of America Bulletin

      巻: 136 ページ: 1097-1110

    • DOI

      10.1130/B36670.1

    • 査読あり / 国際共著
  • [雑誌論文] 粘土を含む水が花崗岩質岩盤の透水特性に及ぼす影響2024

    • 著者名/発表者名
      奈良 禎太, 柏谷 公希, 桶谷 和生, 藤井 宏和, 趙 越, 加藤 昌治, 青柳 和平, 尾崎 裕介, 松井 裕哉, 河野 勝宣
    • 雑誌名

      材料

      巻: 73 ページ: 220-225

    • DOI

      10.2472/jsms.73.220

    • 査読あり
  • [学会発表] Investigation of Anisotropic Characteristics of Mode I Rock Fractures under Various Loading-rate Conditions using 3-D GPGPU-accelerated Hybrid FEM/DEM2024

    • 著者名/発表者名
      Gyeongjo MIN, Daisuke FUKUDA, Yoshitaka NARA, Sewook OH, Sangho CHO
    • 学会等名
      Japan-Korea Joint Symposium on Rock Engineering 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] コロナ禍における岩石のき裂進展測定に関する国際共同研究2023

    • 著者名/発表者名
      奈良禎太,吉光奈奈
    • 学会等名
      日本材料学会第72期学術講演会
  • [学会発表] 露頭で採取された花崗岩のき裂進展に及ぼす湿度の影響2023

    • 著者名/発表者名
      福田達也, 奈良禎太
    • 学会等名
      資源・素材学会関西支部2023年度第20回「若手研究者・学生のための研究発表会」
  • [学会発表] Evidence for increase in crack damage in rocks with duration of exposure at Earth’s surface2023

    • 著者名/発表者名
      Philip Meredith, Yang Yuan, Monica Rasmussen, Karin Hofer Apostolidis, Yoshitaka Nara, Patrick Webb, Thomas Mitchell, Tao Xu, Russell Keanini, Amit Mushkin, Uri Shaanan, Maxwell Dahlquist, Alex Rinehart, Martha Eppes
    • 学会等名
      EGU General Assembly 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] Seismic velocity estimation using a digital rock without segmentation - tips for accurate calibration and estimation2023

    • 著者名/発表者名
      Kazuya Ishitsuka, Hitoshi Matsui, Weiren Lin, Nana Kamiya, Yoshitaka Nara
    • 学会等名
      15th ISRM Congress 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] QUANTIFYING THE LAST STEPS IN THE CHRONOLOGY OF ROCK DEFORMATION2023

    • 著者名/発表者名
      Martha Cary Eppes, Monica Rasmussen, Philip Meredith, Thomas Mitchell, Yang Yuan, Karin Hofer Apostolidis, Yoshitaka Nara, Alex Rinehart, Patrick Webb, Tao Xu, Russel Keanini, Amit Mushkin, Uri Shaanan, Maxwell P. Dahlquist
    • 学会等名
      GSA Connects 2023
    • 国際学会
  • [学会発表] The influence of rock and environmental parameters on natural rock fracturing rates and characteristics2023

    • 著者名/発表者名
      Monica Rasmussen, Martha Cary C Eppes, Philip G Meredith, Russell Keanini, Amit Mushkin, Yoshitaka Nara, Alex J Rinehart, Uri Shaanan, Maxwell Dahlquist
    • 学会等名
      AGU Fall Meeting
    • 国際学会

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公開日: 2024-12-25  

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