耐久性予測システム

種々の材料・配合のコンクリート、様々な劣化現象にも適応可能なコンクリート構造物の寿命を予測するコンピュータシミュレーションです。

はじめに

RC構造物の長寿命化や合理的維持管理技術の進展に伴い、種々の材料・配合のコンクリートに対し、様々な劣化現象に対応可能な耐久性予測技術が求められています。種々の劣化を、実際に生じている現象に基づいて予測するには、コンクリート中に存在する液相中の各種イオンの移動や水和物によるイオンの固定、それら水和物の生成・溶解など、劣化現象に関与する多様な化学的因子の挙動を総合的に解析することが必要となります。当社は、複数化学種を対象とした物質移動モデルに、C-S-Hの溶解平衡や表面吸着の計算が可能なセメント硬化体の熱力学的相平衡モデルを連成させることで、物質移動に伴い経時的に変化する気相・液相・固相組成を予測するモデルの開発を行ってきました。

概要と特長

従来の耐久性予測では、単一の劣化因子の挙動しか解析できませんでした。例えば塩害のシミュレーションでは、計算されるのは塩化物イオンの移動のみです。
しかし、実際のコンクリート構造物中には、塩化物イオンのみならず種々のイオンが共存し、相互に影響を及ぼしあいながら、各種水和物との物質のやり取りが行われています。こうしたイオンと水和物との間の相互作用は、熱力学的相平衡を用いて計算することが可能です。したがって、耐久性のシミュレーションにおいて物質の移動を精度良く予測するためには，熱力学的相平衡を組み合わせた物質移動のモデル化が不可欠です。
当社の耐久性予測システムは、複数種のイオンの解析が可能な物質移動モデルに、セメント硬化体の相平衡モデルを組み合せ、相互のモデルを連成させたシステムを構築することで、実現象に則した耐久性シミュレーションを可能にしました。

従来の耐久性シミュレーションに比べ、様々な環境条件や劣化現象に対応し、コンクリート構造物の配合や材料の種類にとらわれない、高い汎用性を有しています。

任意の材料・配合に対応

本シミュレーションは、熱力学的相平衡モデルを用いることで、初期条件として必要な相組成が、セメントの化学組成やセメント鉱物の反応率、コンクリートの配(調)合から算定されます。
すなわち、本シミュレーションでは、これまでのシミュレーションと異なり、適用可能な材料・配合の種類が限定されることなく、各種のポルトランドセメントやスラグ、フライアッシュを混合したセメントなどについて、様々な配合条件で使用するといった多様なケースについても、耐久性予測が可能となります。

任意の環境条件に対応

これまでの塩害環境の耐久性予測では、環境条件として塩化物イオンのみを対象としていましたが、本シミュレーションでは、海水の組成をそのまま環境条件として入力することが可能です。これにより、塩化物イオンのみならず、海水中に含まれるナトリウムイオン、マグネシウムイオン、硫酸イオンなどの影響も考慮した耐久性予測が可能となります。
さらに、本シミュレーションでは気相も計算の対象となっているため、大気中の二酸化炭素や湿度も含めた、任意の環境条件への対応が可能となります。

様々な劣化現象の予測が可能（複合劣化にも対応）

相平衡と物質移動モデルを組合せたことの効果として、本シミュレーションは多様な劣化現象に対応可能となりました。
本シミュレーションでは、相平衡モデルに、種々の化学種の移動を対象とした物質移動モデルを連成させた構成によりセメント硬化体中の気液固相の組成変化を計算していることから、耐久性予測の対象となる劣化現象は、塩害だけにとどまらず、中性化や硫酸塩劣化など様々な劣化に対応可能です。加えて、塩害と中性化が同時に作用する複合劣化の場合にも対応することができます。

複合劣化とは？

複数の劣化がコンクリートに同時に作用する現象が複合劣化です。一般に、個々の劣化が単独で作用する場合よりも深刻化するため、耐久性を予測する上で複合劣化に着目することはとても重要です。

中性化と塩害の複合劣化

中性化と塩害がコンクリートに同時に作用すると、コンクリート内部のpHが低下し、それにより塩分の濃集が生じます。すなわち、塩害が単独で作用する場合よりも高濃度の塩分がコンクリート内部に生成され、pHの低下もあいまって、コンクリート内部に設置された鉄筋の腐食の危険性がより高まることになります。

中性化と塩害を受けたコンクリート内部の塩分の濃度分布（電子線プローブアナライザで分析）

中性化と塩害の複合劣化による塩分濃集のメカニズム

中性化と塩害の複合劣化によって生じる塩分濃集は、セメントの成分が塩分と反応して生成したフリーデル氏塩という水和物が、中性化によるpHの低下によって分解されることに起因しています。フリーデル氏塩の分解でコンクリート内部に放出された塩分は、コンクリート深部へと移動することで、塩分の濃集を生じさせます。

熱力学的相平衡モデル

このモデルは、ある系に存在する成分が、与えられた条件（温度、pH、酸化還元状態など）において、どのような化学種や固相として存在し、それらの量がどの位なのかを、平衡論に基づいて計算します。

物質移動モデル

本シミュレーションにおける各種イオンの液相中での移動は、Nernst-Planck方程式およびPoisson方程式を支配方程式として、数値計算により求められます。 Nernst-Planck方程式は質量保存則、Poisson方程式はイオンの移動に伴い生じる静電ポテンシャルに関するものです。
Nernst-Planck方程式およびPoisson方程式の連成解析は、有限要素法を用いて解くことができます。ここで、空間に関する離散化はガラーキン法、時間に関する離散化はΘ法（ Θ = 0.878）が用いられています。
Nernst-Planck方程式の生成・消失項には熱力学的相平衡モデルの結果が代入されます。これにより、物質移動モデルと熱力学的相平衡モデルが連成され、気相・液相・固相組成の経時変化が予測可能となります。