HYDRATION MODEL OF PORTLAND CEMENT

Abstract

A computer-based numerical model is presented in which hydration and microstructural development in Portland cement-based materials can be simulated. The proposed model enables the prediction of hydration curves as a function of particle size distribution and the chemical composition of the cement, the water to cement ratio, and the actual curing temperature. The mutual relationship between developing the microstructure and its effect on the hydration process is modeled explicitly. Finally, predictive accuracy of the proposed model is assessed with 50 different calorimeter tests who have different cement composition, water to cement ratio, particle size distribution, and curing temperature. As a results, averaged ratio of predicted value to experimental value of 0.994 and a predictive standard error of 5.9 % are obtained, and these values can be concluded as an indication of good accuracy of prediction. 水和反応モデル，ポルトランドセメント，粒度分布，粒子間接触 １. はじめに コンクリート材料は建築構造物の材料として世界的に利用されて いる材料であるが，一方で，どのようにセメントが反応し，組織を 構築し，強度・諸物性が発揮されるかに関して未だ十分に明かとな っていない。近年，既存建造物の耐久性が問題となっているが，こ のような基礎的なコンクリート材料の物性把握は各種物性の機構の 解明や把握に必要不可欠な課題であるといえる。 セメントの反応に始まり，反応硬化体の諸性質が一つのモデルに 統合され，そのモデルが最終的にコンクリート構造体の性能を表現 できるならば，新設建築物に対する設計行為ばかりでなく，既存構 造物の今後の寿命予測，あるいは，新規材料の開拓も可能となるは ずである。 本研究は，セメント系材料の基礎的物性の予測・把握を目的とし て，広範な鉱物組成・水セメント比・粒度分布・養生温度に対応す るセメントの水和反応モデル CCBM(Computational Cement Based Material Model)を提案するものである。 ２. 既往の水和反応モデル セメントの水和反応では多種の鉱物が水や種々のイオンと反応す ることにより水和生成物が生成されながら反応が進行する。この間， セメントの水和反応は，液相のイオン濃度による析出物の形態変化， 残存水分量の変化， 生成される空間構造の変化といった多岐に渡る複 雑な現象を有し 1) ，モデル化にあたっては，これらを適切に考慮する 必要がある。 反応速度論に関しては，単一セメント粒子に着目し，反応の律速過 程をモデル化した近藤 2) 3) や， 未反応核モデルを用いた友澤 4) 5) の先 駆的研究がある。これらは，水和反応が主として未水和セメント周囲 にある水和生成物中の物質移動・拡散による律速過程であることをモ デル化したものであり，後に，より実際の現象に立脚したモデルが， Pommersheim 6) 7) により，また，C 3 S および C 2 S の 2 成分に関するモ デルが杉山 8) により提案されている。 セメントペーストを一つの系と見なした場合には， セメントの粒度 分布 9) 10) やセメント粒子間の接触 11) によって水和反応速度は変化 する。これらのうち，セメントの総粒子表面積の大小によって水和反 応速度が変化するという点からモデル化を図ったのは，Taplin 12) が先 駆けであり，後に Bezjak 13) ，後藤ら 14) ，佐藤ら 15) によって進展が見 られた。また，粒子同士の接触による水和生成物の析出領域減少によ って， 特に材齢後半におけるセメント反応速度の低下が説明できると したのは，Jennings ら 11) が初めであり，他に Embedded Particle とい う統計的概念を用いて van Breugel がセメント粒子の相互依存性をモ デル化している 16) 。 これらの議論は，van Breugel のモデルを除いて，セメントの水和 反応の様々な現象の一部分をどのようにモデル化するかという議論 に終止しており， 広範なセメントに対応した水和反応予測モデルとは ポルトランドセメントの水和反応モデルに関する研究