2019 Fiscal Year Annual Research Report

セメント水和物とアルカリの相互作用の計算科学によるコンクリートの超長期耐久性向上

Research Project

Project/Area Number	17H03292
Research Institution	National Institute for Environmental Studies
Principal Investigator	山田一夫国立研究開発法人国立環境研究所, 福島支部, 主任研究員 (30590658)
Co-Investigator(Kenkyū-buntansha)	田地川浩人北海道大学, 工学研究院, 助教 (10207045) 渡邊禎之地方独立行政法人東京都立産業技術研究センター, 事業化支援本部技術開発支援部先端材料開発セクター, 主任研究員 (70463065)
Project Period (FY)	2017-04-01 – 2020-03-31
Keywords	アルカリ / C-A-S-H / 相互作用 / 固体NMR / 量子化学計算 / 分子動力学計算
Outline of Annual Research Achievements	マクロな挙動と原子レベルでの解析の比較を目指し、アルカリとC-(A-)S-Hの相互作用について、量子化学計算により、安定な立体構造を決定し、Naが吸着された場合のケミカルシフトを求めた。この結果と、固体NMRにより測定した値は近いものであり、C-S-Hとアルカリの相互作用の基本を明らかとした。また、分子動力学計算も行い、C-A-S-Hが形成する微細空隙中での、C/S比、Al/Si比が異なるC-A-S-H表面への、Na, Cs, Caの競争吸着、液相中のアニオンとして、OH-, SO42-, Cl-の共存効果を計算した。この結果からは、CsよりもNaのほうがイオン半径がより小さく、C-S-H表面へより安定的に吸着する結果となり、実験結果と矛盾した。これは、液相中での水和イオンの状態と、C-S-H表面でのイオン吸着のエネルギー差を考慮していないためであり、両者のエネルギー差を計算で求め、熱力学的考察からNaに対するCsのイオン選択係数を計算したところ、吸着実験結果と近い値を与え、実験と計算が整合的であることを示した。セメントペーストの主成分であるC-A-S-Hは、炭酸化やCaの溶脱により、C/S比が低下する。この際のアルカリ吸着能についても、固相の変化をNMR測定により評価したうえで、測定した。その結果、C-A-S-Hの構造が分解し、ジオポリマーと類似の構造をとるようになると、特異的にアルカリ吸着能力が増加することが分かった。この結果は、別の文科省事業（英知事業、コンクリートの汚染機構解明）へ応用し、アルカリのコンクリート中での移動計算に活用した。成果は、セメント技術大会、セメント化学国際会議において発表した。また、国際学術誌へも採択された。
Research Progress Status	令和元年度が最終年度であるため、記入しない。
Strategy for Future Research Activity	令和元年度が最終年度であるため、記入しない。