【研究領域課題番号】21H01404 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

コンクリート / 空隙構造 / 耐久性 / 劣化 / 検査 / 物質移動 / 逆解析

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2021-04-01 - 2024-03-31

【配分額】17,680千円 (直接経費: 13,600千円、間接経費: 4,080千円)

【研究分野】デバイス関連化学

【研究領域課題番号】17K17721 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

電解質 / 燃料電池 / 物質移動 / イオノマー / イオン伝導 / 耐久性 / アイオノマー / 多孔性高分子 / 化学耐久性 / アニオン伝導性高分子 / 電解質膜 / アニオン伝導膜

【研究成果の概要】

本研究では、固体アルカリ燃料電池の化学反応場である膜電極複合体にイオン、燃料ガスを効率よく移動させるイオノマーとして、多孔性アニオン伝導高分子を開発した。全芳香族骨格を持つ高分子を設計することで化学耐久性に優れた材料が得られること、分子内細孔を用いて、少ない水で効率的にイオンを伝導できる事を明らかにし、ギ酸塩を用いた燃料電池に実際に用いることで高い発電性能と耐久性を実証した。

【研究の社会的意義】

固体アルカリ燃料電池では、化学耐久性に優れ、化学反応サイトにイオン、燃料ガスを効率良く移動させるアニオン伝導材料の開発が重要である。本研究では、高分子骨格中に分解の起点を持たない全芳香族高分子を用いることで高い化学耐久性が得られる事、多孔性高分子の分子細孔を用いることで、効率良くイオンや燃料ガスを透過させる事が可能であるという事を明らかにし、固体アルカリ燃料電池に使用するイオノマーの、重要な材料開発指針を提供できた。

【研究種目】若手研究(B)

【研究期間】2017-04-01 - 2020-03-31

【配分額】4,420千円 (直接経費: 3,400千円、間接経費: 1,020千円)

【研究分野】土木材料・力学一般

【研究領域課題番号】14655160 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

物質移動 / 多孔体 / イオン泳動 / 電磁気場 / 溶脱 / セメント / 耐久性 / 連成解析

【研究成果の概要】

本年度に得られた成果は下記のとおりである。
(1)申請者らが開発してきた,物質・エネルギーの生成移動場に関する材料構造解析システムDuCOMに電磁気場の連成を新たに追加したとともに,大規模構造計算のための並列演算が可能な区分構造化を行った。これによって,電気的に乖離したイオン泳動を分子拡散とともに扱うことが可能となった。さらに鋼材の腐食モデルと連動させることによって,ミクロ・マクロ腐食の両者を統一的に解析する構造化を行った。
(2)カルシウムイオンの平衡と溶脱に関するモデル化をDuCOMに組み込むとともに,地盤環境への溶出も扱えるように,不飽和な空隙構造を扱えるように細孔構造モデルの拡張を行った。本研究では,中期耐久性に関わる固相Ca(OH)2を対象としたが,CSH硬化体のの溶出も同様に扱うことができる構造化とした。
(3)拡張されたDuCOMを用いて,廃棄物の地層処分のための超長期にわたる遮蔽性能評価に関連する水蒸気および凝縮水の移動とセメント硬化体の再形成をシュミレーションした。促進実験結果との比較を行ったところ,従来の短期透水係数による簡単な評価では考慮できない再水和と組織構造の再構成が適切に評価できることを示した。
(4)塩化物イオン,水分,二酸化炭素の三者連成移動解析を実施し,炭酸化に伴う固定塩分の開放,炭酸化に伴う組織の再緻密化の両者を,乾湿繰り返しを受ける環境条件のもとで考慮した非線形解析を実施して,現場計測データとの比較検討を行った。その結果,コンクリート構造中でフリーデル氏塩が自由塩化物として放出され,多方向に拡散移動する現象を解明することができた。

【研究種目】萌芽研究

【研究期間】2002

【配分額】3,700千円 (直接経費: 3,700千円)

【研究分野】土木材料・力学一般

【研究領域課題番号】12450174 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

塩化物イオン / 固定塩化物 / 吸着塩化物 / テンションスティフネス / 物質移動 / 相平衡 / 熱力学 / 非平衡熱力学 / 炭酸化 / ゲル構造 / 腐食 / 酸性雨 / 細孔組織 / 耐久性

【研究成果の概要】

(1)超長期の耐久性に関連のある,イオン溶出・浸透とCSHゲル組織の変成に関する機構の数値解析システムを,DuCOMシステム(熱水分-塩化物-炭酸化-酸化反応に関する高次連成解析システム)に組み込んだ。
あわせて既往の原位置データおよび促進イオン溶出試験データの収集を行った。
(2)セメント硬化体を形成する微細空隙構造内の水分に関する熱力学平衡を再構築し,低水セメント配合特有の持続的な水和反応プロセスを数値解析で予測することに成功した。
(3)普通セメントおよび高炉セメントに関する固定塩化物量と自由塩化物量に関する一般化熱力学平衡モデルを,系統的な実験(数百)を通じて構築することに成功した。従来の定説であった高炉セメントのフリーデル氏塩による固定成分は支配的ではなく,高い吸着力によって塩化物イオンの浸透を遅らせることが明確になった。
(4)通電によって強制腐食させたRC梁のせん断破壊実験ならびに腐食を内在するRC部材のtension-stiffness挙動を実験によって明らかにした。腐食位置が異なることによって,せん断耐力は上昇する場合もあることを実証するとともに,支点鋼材位置での鉄筋腐食は逆にせん断耐力の低下を支配することを見出した。
また,これらはRCゾーニング法と多方向ひび割れモデルによって解析予測が可能であることを検証した。
(5)膨張コンクリートの曲げ部材,一軸引張部材に対して除荷過程を含む繰り返し載荷を行い,引張応力下の膨張コンクリートに特有な非線形挙動を合理的に説明するコンセプトを提案した。ケミカルプレストレスト部材の高いひび割れ抵抗性は,プレストレスによる引張強度の増加のみならず,ひび割れ発生前の変形能力が大きいことにより著しく高くなることを示した。
(6)コンクリート標準示方書に準拠して,コンクリートの配合から基本物性を予測することに特化したシステムをDuCOMを基盤にして開発し,一般に公開を開始した。

【研究種目】基盤研究(B)

【研究期間】2000 - 2001

【配分額】15,000千円 (直接経費: 15,000千円)

【研究分野】土木材料・力学一般

【研究領域課題番号】09650515 (KAKENデータベースで見る）

【研究キーワード】

水和反応速度 / セメント粒子の凝集構造 / 浸透論 / 物質移動 / コンクリートの劣化 / 長寿命化 / シュミレーション / 一括練混ぜ法 / 分割練混ぜ法 / セメント粒子 / 凝集構造 / 気体移動 / 酸素拡散係数 / 混合セメント / 混和材 / 水和反応 / 細孔構造 / 耐久性 / 遷移帯 / 導電率

【研究成果の概要】

本研究では,環境保全を考慮に入れたコンクリートの配合及び練混ぜ方法から建設後の劣化の予測によるコンクリート構造物の長寿命化システムを確立することを目的とした。そのため,練混ぜた後にコンクリート中のセメント粒子の分散によるセメント粒子の凝集構造及びブリーディングの機構,セメント粒子の凝集構造によるセメントの水和反応速度の機構,水和生成物や細孔構造の生成する機構,浸透理論を用いる物質移動の機構及びコンクリート劣化の機構を検討した。
本文の結果より次のことが明らかになったと思われる。
(1)小さな凝集体を構成させると、比表面積が増し、吸着する非移動水分が増加し、ブリージング率が減少する。
(2)小さな凝集体を構成させると、セメント粒子と水の接水面積が増し、より反応性が増加する。
(3)小さな凝集体を構成させると、細孔構造のより均一な組織を形成し,圧縮濃度が増大する。しかし,骨材の存在があると,高い水セメント比の場合は逆な傾向になっている。
(4)セメント粒子の凝集構造によるセメントの水和反応速度をモデル化にすることが可能である。
(5)浸透論を用いることによってコンクリート中の物質移動をモデル化にすることが可能である。
今後の課題としては,環境保全に有効で経済的・適切的なコンクリートの配合を定めるために,上記の結果にコンクリートの劣化の機構及びコンクリート構造物のライフサイクルコストの機構を加えてコンクリート構造物の長寿命化システムのシュミレーションプログラムを作成する。

【研究種目】基盤研究(C)

【研究期間】1997 - 1999

【配分額】2,900千円 (直接経費: 2,900千円)