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論文

Determination of atomistic deformation of tricalcium silicate paste with high-volume fly ash

Jee, H.*; Im, S.*; 兼松 学*; 鈴木 裕士; 諸岡 聡; 小山 拓*; 町田 晃彦*; Bae, S.*

Journal of the American Ceramic Society, 103(12), p.7188 - 7201, 2020/12

 被引用回数:2 パーセンタイル:40.39(Materials Science, Ceramics)

We examined the influence of incorporating high-volume fly ash (FA) on the atomic structure and deformation behavior of calcium silicate hydrates (C-S-H) in tricalcium silicate (C$$_{3}$$H) paste upon exposure to external forces. Atomic structural changes and strains under compressive load were assessed using synchrotron in situ high-energy X-ray scattering-based atomic pair distribution function (PDF) analysis. Three different strain types, namely macroscopic strains, measured by a gauge attached to the specimen, strain in reciprocal space, (Bragg peak shifts), and strain in real space (PDF peak shift), were compared. All monitored and calculated strains for C$$_{3}$$H-FA (50 wt.% FA) paste were compared with those of pure C$$_{3}$$H paste. In the range of $$r$$ $$<$$ 10 ${AA}$, PDF analysis showed that C$$_{3}$$H-FA had a similar atomic structure to synthetic C-S-H followed by pure C$$_{3}$$H paste. The atomic strain of C$$_{3}$$H-FA in real space ($$r$$ $$<$$ 20 ${AA}$) was smaller than that of C$$_{3}$$H under compression, which suggests that the incompressibility of C-S-H on an atomistic scale is enhanced by fly ash incorporation. This may be caused by increased silicate polymerization of C-S-H due to the additional silicate provided by the fly ash.

論文

Analysis of atomistic structural deformation characteristics of calcium silicate hydrate in 53-year-old tricalcium silicate paste using atomic pair distribution function

Bae, S.*; Jee, H.*; Suh, H.*; 兼松 学*; 城 鮎美*; 町田 晃彦*; 綿貫 徹*; 菖蒲 敬久; 諸岡 聡; Geng, G.*; et al.

Construction and Building Materials, 237, p.117714_1 - 117714_10, 2020/03

 被引用回数:4 パーセンタイル:69.91(Construction & Building Technology)

Although the atomistic structure and the deformation characteristics of calcium silicate hydrates (C-S-H) are of primary interest in cement chemistry, they have not been fully investigated. In this study, pair distribution function (PDF) analysis was conducted on a 53-year-old fully hydrated tricalcium silicate (C$$_{3}$$S) paste using in situ synchrotron high-energy X-ray scattering to probe the atomic structural deformation of C-S-H under external loading. The results were compared with those from our previous PDF study of a 131-day-old C$$_{3}$$S paste in order to elucidate the effect of aging on the mechanical characteristics of C-S-H. Three different strains measured by the strain gauge, by the lattice shifts (d-spacing) in the reciprocal space, and by the shift of the interatomic distance (r) in the real space were compared. In the range of r $$<$$ 20 ${AA}$, where most of the information was derived from C-S-H, the 53-year-old C$$_{3}$$S paste had a higher overall elastic modulus (18.3 GPa) and better resistance to compressive stress than the 131-day-old C$$_{3}$$S paste (elastic modulus: 8.3 GPa). Moreover, it was found that the macroscopic strains of the 53-year-old C$$_{3}$$S paste were presumably induced by mechanical deformation such as microcracks at the macroscale. The results provide experimental evidence for the atomistic and mesoscale mechanical behavior of C-S-H in the early and late ages.

論文

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

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

Journal of the American Ceramic Society, 101(1), p.408 - 418, 2018/01

 被引用回数:9 パーセンタイル:60.59(Materials Science, Ceramics)

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(C$$_{3}$$S)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C$$_{3}$$S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${AA}$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${AA}$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${AA}$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${AA}$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。

論文

Nanostructural deformation analysis of calcium silicate hydrate in Portland cement paste by atomic pair distribution function

鈴木 裕士; Bae, S.*; 兼松 学*

Advances in Materials Science and Engineering, 2016, p.8936084_1 - 8936084_6, 2016/00

 被引用回数:0 パーセンタイル:0(Materials Science, Multidisciplinary)

圧縮負荷におけるポートランドセメント硬化体(PC硬化体)のカルシウムシリケート化合物(CSH)のナノ構造の変形挙動を、シンクロトロン放射光により測定した原子対相関関数(PDF)により評価することに成功した。PC硬化体のPDFは、CSH粒子のサイズに一致する2.0nm以下の短距離構造に特異な変形挙動を示した。一方で、それ以上の長距離構造では、ブラッグ回折のピークシフトから得られた水酸化カルシウム相(CH)の変形挙動にほぼ一致した。CSHの圧縮変形挙動は粒状材料の変形挙動に類似しており、CSH粒子間のすべりと密度の変化に起因した3つの変形段階に分けることができた。このように、PDFを応用することにより、PC硬化体のCSHナノ構造の変形機構を理解できる可能性のあることを示した。

報告書

Models of Cement-Water Interaction of Associated Thermodynamic Datand North America

D.Savag*; K.Lemke*; 笹本 広; 柴田 雅博; Randolp*; 油井 三和

JNC TN8400 2000-004, 30 Pages, 2000/01

JNC-TN8400-2000-004.pdf:1.26MB

本報告書では、セメント-水反応に係わるモデルのレビューおよび収集したセメント系鉱物の熱力学データについて報告する。本報告書でまとめた熱力学データには、鉱物およびセメントを構成する化合物の標準モル熱力学特性、関連する水和反応の平衡定数を含む。また、高アルカリ性環境下で安定な鉱物(例えば、沸石など)についても同様にデータ整備を行った。これらの鉱物は、放射性廃棄物処分場におけるセメント系材料から流出する高アルカリ性溶液と処分場周辺の岩盤との反応の結果生成すると考えられる。標準モル特性(すなわち、生成標準モルギブス自由エネルギー、生成標準モルエンタルピー、標準モルエントロピー)、関連する水和反応の平衡定数については、以下の文献による。・セメント鉱物および関係する混合物(Reardon,1992;Glasserほか、1999)・カルシウム-珪酸水和鉱物(Sarkarほか、1982)・沸石(熱量測定の値、様々なデータからの推定値)これらの全データは、個々の値としてとらえるべきものであり、データ全体としての内部整合性はとれていないかもしれない点に注意すべきである。また、本報告の中では、これら個々のデータの精度については評価していない点も留意する必要がある。近年、セメント-水系における幾つかの適切なモデルが提案されている。これらのモデルの多くは、CSHゲル-水系の室内実験データへの経験的な適合を示すものであり、熱力学的に正当化されているものではない。一方、近年、CSHゲルに適した固溶体挙動の熱力学的理論に基づいたモデル化手法が提案されている。この手法については、本報告書の中でレビューすると共に、JNCが行ったセメント-水反応に係わる実験結果と比較することにより検証した。固溶体モデルは、CSHゲルをポルトランダイトとカルシウム-珪酸塩を端成分組成とした非理想固溶体として表現する熱力学的・構造的に妥当なモデルである。2つの端成分の混和性の違いや溶解度は、固溶体の溶解挙動を調べるためのコンピュータコードである「MBSSAS」を求めた。MBSSASを用いて作られたLippmann相図は、ゲルの固溶体と平衡にある溶液組成を計算するPHREEQCへのデータを入力するために用いられた。ゲルの固溶体モデルで計算された溶液組成とCSHゲル-水系に係わる文献の実験データはよく一致している。

口頭

Nanostructural deformation analysis of Portland cement paste

鈴木 裕士; 兼松 学*; Bae, S.*; 城 鮎美; 菖蒲 敬久

no journal, , 

圧縮負荷におけるポートランドセメント硬化体(PC硬化体)のカルシウムシリケート化合物(CSH)のナノ構造の変形挙動を、シンクロトロン放射光により測定した原子対相関関数(PDF)により評価することに成功した。PC硬化体のPDFは、CSH粒子のサイズに一致する2.0nm以下の短距離構造に特異な変形挙動を示した。一方で、それ以上の長距離構造では、ブラッグ回折のピークシフトから得られた水酸化カルシウム相(CH)の変形挙動にほぼ一致した。CSHの圧縮変形挙動は粒状材料の変形挙動に類似しており、CSH粒子間のすべりと密度の変化に起因した3つの変形段階に分けることができた。このように、PDFを応用することにより、PC硬化体のCSHナノ構造の変形機構を理解できる可能性のあることを示した。

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