Pair distribution function analysis of nanostructural deformation of calcium silicate hydrate under compressive stress

PDF解析による圧縮応力下のケイ酸カルシウム水和物のナノ構造変形解析

Bae, S.*; Jee, H.*; 兼松 学*; 城 鮎美*; 町田 晃彦*; 綿貫 徹*; 菖蒲 敬久  ; 鈴木 裕士  

Bae, S.*; Jee, H.*; Kanematsu, Manabu*; Shiro, Ayumi*; Machida, Akihiko*; Watanuki, Tetsu*; Shobu, Takahisa; Suzuki, Hiroshi

ケイ酸カルシウム水和物(CSH)に関する原子レベルの構造や変形機構には不明な点が多い。本研究では、X線散乱法に基づく原子対相関関数(PDF)により、ケイ酸三カルシウム(CS)ペースト中に存在するCSH相のナノ構造変形挙動を評価した。単軸圧縮負荷を受けるCSペーストの変形を、ひずみゲージ,ブラッグピークシフト, PDFから求められるマクロからミクロな変形より評価した。PDF解析により、0-20の範囲ではCSH相の影響が支配的であること、その一方で、20を超える範囲では、他の結晶相の影響が支配的であることが明らかとなった。CSHの変形に支配的である20以下の範囲では、塑性変形を示すステージI(0-10MPa)と、弾性変形を示すステージIIの2つの変形過程に分けられることが分かった。その一方で、20以上の範囲では、水酸化カルシウムに似た変形を示した。10MPa以下では、層間水やゲル水の移動に伴い、CSHの高密度化を生じたと考えられるが、除荷後には、その移動した水がCSH中に戻ることにより、変形が回復している可能性がある。

Despite enormous interest in calcium silicate hydrate (C-S-H), its detailed atomic structure and intrinsic deformation under an external load are lacking. This study demonstrates the nanostructural deformation process of C-S-H in tricalcium silicate (CS) paste as a function of applied stress by interpreting atomic pair distribution function (PDF) based on in situ X-ray scattering. Three different strains in CS paste under compression were compared using a strain gauge and the real and reciprocal space PDFs. PDF refinement revealed that the C-S-H phase mostly contributed to PDF from 0 to 20 whereas crystalline phases dominated that beyond 20. The short-range atomic strains exhibited two regions for C-S-H: I) plastic deformation (0-10 MPa) and II) linear elastic deformation (10 MPa), whereas the long-range deformation beyond 20 was similar to that of Ca(OH). Below 10 MPa, the short-range strain was caused by the densification of C-S-H induced by the removal of interlayer or gel-pore water. The strain is likely to be recovered when the removed water returns to C-S-H.