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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(平成 30年度)
Improvement of ultra-long term durability of concrete by computation science of the interaction between cement hydrates and alkalis

予算区分
CD 文科-科研費
研究課題コード
1719CD020
開始/終了年度
2017~2019年
キーワード(日本語)
セメント水和物,アルカリ相互作用,固体NMR,量子力学計算,分子力学計算
キーワード(英語)
cement hydrate, alkali interaction, solid state NMR, quantum mechanics calculation, molecular dynamics calculation

研究概要

本研究課題は,種々の組成のセメント系水和物(C-A-S-H)とアルカリイオンの相互作用について,量子力学計算と分子動力学計算の計算科学による水和アルカリイオンの吸着挙動基礎解析により原子・分子レベルでその相互作用解明する。さらに固体NMR などによるC-A-S-Hの構造推定とアルカリイオンの吸着状態評価から計算結果の妥当性を評価するとともに,多元素物質移動モデルの鍵となるセメント水和物と空隙水の熱力学的相平衡モデルを高度化する。最終的にこれらの結果を活用し,過酷環境におけるコンクリートの超長期耐久性の向上方策を提案するものである。

研究の性格

  • 主たるもの:基礎科学研究
  • 従たるもの:応用科学研究

全体計画

本研究課題は,種々の組成のセメント系水和物(C-A-S-H)とアルカリイオンの相互作用について,量子力学計算と分子動力学計算の計算科学による水和アルカリイオンの吸着挙動基礎解析により原子・分子レベルでその相互作用解明する。さらに固体NMRなどによるC-A-S-Hの構造推定とアルカリイオンの吸着状態評価から計算結果の妥当性を評価するとともに,多元素物質移動モデルの鍵となるセメント水和物と空隙水の熱力学的相平衡モデルを高度化する。最終的にこれらの結果を活用した,過酷環境におけるコンクリートの長期耐久性の向上方策を提案するものである。具体的には,上述した目的に合わせて3テーマに分類して検討を行う。
本研究課題では,上述した目的を達成するため,以下の3テーマに分類して,検討を進める。
テーマ1:セメント水和物とアルカリイオンの相互作用のモデル基盤の構築
テーマ2:セメント水和物とアルカリイオンの相互作用の実験的検討
テーマ3:過酷環境下におけるコンクリートの超長期耐久性向上方策の提案

今年度の研究概要

 論文化・学会発表は,以下を予定。1)モデルC-S-HとCsの相互作用のMD計算,2)C-S-HへのAl置換,異なるイオン種との相互作用に関するMD計算,3)異なる遷移金属塩のフェロシアン化物にCsを吸着させ,固体NMRによりケミカルシフトを測定し,別途,量子力学計算による結果を比較,4)単純な2個のシリケート四面体への吸着Naの水和分子数によるエネルギー変化,5)異なる組成のC-A-S-Hへの,アルカリ吸着特性と,アルカリ濃度依存性の発表(2件)。
 セメントによるアルカリ吸着は,セメントの変質(溶脱,炭酸化)の影響を強く受けることが分かったので,制御された条件でセメントペーストを変質させ,異なる種類のイオンを競争的に高濃度範囲で吸着させる実験を行う。試料は固体NMRで評価する。
 得られたデータから相平衡計算により,吸着状況を再現することを試みる。
 分子動力学計算では,得られた計算結果の解析を深め,C-A-S-H上でのイオンの存在状況より深く理解し,狭いゲル空隙の中での拘束された状態が,どの程度の範囲に及ぶのか計算可能性を探る。
 量子力学計算は,分子動力学計算により明らかになったアルカリイオンの吸着状況を参考に,より多くのシリケート四面体をモデルとし,アルカリとの相互作用計算を行う。
 最終年度には,相平衡物質移動モデルを高度化し,アルカリの挙動を考慮したコンクリートの耐久性予測方策を提案する。

外部との連携

北海道大学・大学院工学研究科・物質化学専攻・電子材料化学研究室 田地川浩人助教(量子力学計算)
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 渡邊禎之主任研究員(固体NMR測定)
University of the Basque Country UPV/EHU Department of Condensed Matter Physics Assistant Professor Hegoi Manzano (分子動力学計算)

課題代表者

山田 一夫

  • 福島支部
    汚染廃棄物管理研究室
  • 主任研究員
  • 博士(工学)
  • 材料工学,工学,地学
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