建築物の凍結融解による劣化の予測モデルの構築と抑制方法の提案

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建築材料の凍害は、材料内の水分が凍結と融解を繰り返すことで材料表面の剥離や亀裂、壁体の剥落などを引き起こす現象であり、建築部材の凍害のリスクを定量的に評価し、その抑制方法を提案することが求められている。2020年度は(1)過冷却を考慮した凍結融解条件下の建築材料内の応力・ひずみ分布の予測モデルの構築と、研究の最終目的である(2)実環境下にある建築物の凍害リスクの定量的な評価とその抑制方法の提案の2点を当初の目標とした。まず、(1)については前年度、熱分析により実験に用いたすべての建築材料で内部の水分が過冷却を起こし、その凍結時に急速な潜熱の放出と材料の膨張が起こることを示した。そのため、過冷却水の急速な凍結が材料の損傷に大きな影響を与えている可能性があると考え、前年度に構築した過冷却を考慮した建築材料内の熱・水分移動の解析モデルを発展させ、多孔質弾性論やPoromechanics理論にもとづいて過冷却を考慮した材料内の熱・水分移動と応力・ひずみ分布を予測できる連成解析モデルの構築を行った。一方、(2)については過冷却に関する既往研究が少なかったことから、より単純な境界条件下での基礎的な検討が必要となった。そこで、実験室実験により得られた凍結融解過程の材料の温度とひずみ変化の測定結果をもとに、(1)で構築した解析モデルを用いて過冷却を含めた凍結融解過程の材料内の熱・水分移動や水分の相変化、圧力変化のプロセスを明らかにし、建築材料の変形や破壊への過冷却を含めた凍結融解作用の影響とそれらのメカニズムについての考察を行った。