セメントおよび混和材の反応に関する研究

セメントと水が反応し,コンクリートは強度が出て構造材料として利用されます。 コンクリートのさまざまな利点のもとは,この水とセメントが反応するという現象 にすべてが支配されているといっても過言ではありません。当研究室では,これら のメカニズムを明らかにするとともに数値モデルによって,コンクリート中のセメ ントがどのように反応し,どのような物性を生じさせ,どんな場合に劣化するのか ということを評価・予測する技術の確立を目指しています。 従来の研究は,材料を持ってきて,実際に利用するときの調合で練り混ぜ,試験を し,カーブを引いて実際の設計に用いるというやり方を行ってきました。しかし, 今後,低環境負荷型社会に建築が適応するためには,従来とは異なる材料や施工方 法によって,建設時,あるいは建築物の生涯にわたる環境負荷を低減する必要があ ります。こういった基礎的な研究は,たとえば,低CO2排出量になるといわれる高炉 スラグ微粉末を用いたコンクリートの物性やその物性を確保するための施工方法の 提案などに役に立ちます。 また,たとえば,中古住宅が今後市場に出てくると考えられますが,コア抜き試験 などを行った場合に分析を追加し,より詳細にその建物の品質を評価する,といっ たことなどに応用が可能です。

水和反応メカニズムについて

当研究室では,太平洋セメント株式会社の中央研究所の方々と共同で,様々な条件のセメン トの水和反応をX線粉末回折/リートベルト解析やTG-DTAなどの分析技術を用いて追跡し,セメ ント鉱物中のビーライトの反応が,強くエーライトの反応に依存していることを明らかにしま した。これらの知見は高強度コンクリートなど,セメントの反応が最後まで至らないような調 合条件で,コンクリートがどのような物性になるか,ということの予測に役立ちます。

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図1は実験で得られた普通ポルトランドセメントの異なる養生温度,異なる水セメント比の 反応率の時間変化です。ここにみられるように,セメントの反応は化学反応なので温度依存性 を有していること,また,セメントペースト中の溶解・析出というプロセスを経ることから相 互依存性が生じていそうなことがわかります。

図2は,図1のような実験データに対して,エーライト(C3S)の反応率とビーライト(C2S)の反応 率を同一材齢でプロットしたものです。異なる温度・水セメント比にも関わらず,一つのセメン トについては,一つの曲線でその関係が明らかになることがわかります。

このメカニズムを考えるには,液相中のSiO2の濃度とCaO濃度,およびエーライト,ビーライト, C-S-H,水酸化カルシウムの溶解平衡を考えるとわかりやすいです(図3)。C3Sが水と反応する とまず,多くが溶解していきますが,その時,SiO2とCaOは1:3になっています(図3の(1))。 その後,溶液が過飽和状態に到達すると析出プロセスが生じます。最初はC-S-Hが析出するもの と考えられます。このC-S-Hが析出していくときにおいてもCaOの濃度は,水酸化カルシウムの 平衡曲線に至るまで増加しつつけ(図3(2)),そうして水酸化カルシウムの析出も生じるよう になります。その後,C3Sが溶解し続けますが,C2Sからみると溶液中の濃度が高いので溶け出し にくい状態が続きます。これが,図2において,C3Sの反応が0.9程度になるまで,C2Sの反応が 大きくならない理由だと考えられます。

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水和反応モデル

このような複雑な反応を持つセメントですが,溶解反応・析出反応・水和生成物中の拡散挙動など をモデル化することによって,セメントの水和を数値的に表現することが可能になります。世界 には,NISTチームのモデル(CEMHYD3D),オランダ・デルフト工科大学のモデル(HYMOSTRUC), 東京大学コンクリート研究室のモデル(複合水和発熱モデル)などがありますが,当研究室では, 恩師の東京大学名誉教授・友澤史紀先生の開発した未反応核モデルをもとにしたTOMOSAWAモデルに 対して,各鉱物の反応や,セメント硬化体中の細孔構造モデル,内部の熱力学的平衡モデルを導入 したモデルCCBM(Computational Cement Based Material model)を開発しました。

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現在,これらの成果は,原子力構造物中のコンクリートがどのような状態になっているかというこ との推定に用いたり,あるいは実際の建築物を作るときに,かぶりコンクリートの品質がどのよう になるか,について検討を行っています。

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