Long-term stability and environmental protection of structures in rock mass by mineral precipitation using carbonated water and fine-grained materials

使用碳酸水和细粒材料进行矿物沉淀的岩体结构的长期稳定性和环境保护

• 批准号: 22K04308
• 负责人: 奈良 禎太
• 金额: $ 2.66万
• 依托单位: Kyoto University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
• 财政年份: 2022
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2022-04-01 至 2025-03-31
• 项目状态: 未结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22K04308/
• 关键词: 岩石; 透水性; 鉱物析出; 二酸化炭素; カルシウム化合物; 透水係数; 岩盤; き裂; 炭酸水; セメント系材料

岩盤の利用は、人類が生活していく上で必要不可欠である。一般に岩盤にはき裂や空隙が普遍的に存在し，その存在により強度や遮蔽性能の低下が生じる。一方で，き裂や空隙を充填させることができれば，岩盤の強度や遮蔽性能は高まる。また，地球温暖化対策として，地球温暖化ガスであるCO2を岩盤に注入する地中貯留技術が近年考えられている。CO2は地下の温度・圧力下では，密度が高く粘性が低い超臨界状態となり，岩盤中の微細な空隙やき裂に浸透できる。ただし，それにより岩盤の破壊を促進することが懸念される。一方，CO2から炭酸水を作り，炭酸イオンの状態で地下に注入すれば，超臨界CO2の生成量は大きく低減できる。さらに，カルシウムイオンが豊富に存在する条件を作り出せば，炭酸イオンとカルシウムイオンの化学反応による鉱物析出が生じ，き裂や空隙の充填が実現できる。これは岩盤の強度・遮蔽性能向上に繋がる。これらを考慮して，炭酸水とセメント系材料から作る粉末を同時に注入して，岩盤内のき裂・空隙を充填し岩盤の遮蔽性能を向上させる技術を開発することを目的とした。カルシウムイオン濃度が高い水で多孔質な岩石（凝灰岩）を飽和させた後に透水試験を行うことを繰り返した結果，岩石の透水係数が時間の経過とともに低下する傾向が認められた。さらに，カルシウムイオン濃度の高い水で飽和させた後に炭酸水で飽和させて透水試験を行うことを繰り返した場合，より明確な透水係数の低下の傾向が認められた。試験の結果より，カルシウム化合物が岩石内で析出して透水係数を低下させることが可能であることが考えられる。

基岩的使用对于人类的生活至关重要。通常，裂缝和空隙普遍存在基岩中，这会导致强度和屏蔽性能恶化。另一方面，如果可以填充裂缝和空隙，则岩石的强度和屏蔽性能将得到改善。此外，作为反对全球变暖的对策，近年来已经构思了陆地存储技术，其中二氧化碳是一种全球变暖的气体，被注入岩石中。在地下温度和压力下，二氧化碳成为具有高密度和低粘度的超临界状态，并且可以穿透基岩中的细小空隙和裂缝。但是，人们担心这将促进基岩的破坏。另一方面，如果用二氧化碳产生碳酸水并在碳酸盐离子状态下注入地下，则可以大大减少超临界二氧化碳的生产量。此外，如果产生钙离子丰富的条件，则由于碳酸盐离子和钙离子之间的化学反应而发生矿物沉淀，从而导致裂纹和空隙填充。这导致了基岩的强度和屏蔽性能。考虑到这些因素，目的是开发一项技术，该技术同时注入了由水泥基材料制成的碳酸水和粉末，以填充岩石中的裂缝和空隙，并改善岩石的屏蔽性能。在用高钙离子浓度的水饱和的多孔岩石（凝灰岩）后，重复的水渗透试验表明，岩石的渗透系数随着时间的推移趋于降低。此外，当用高钙离子浓度饱和后重复水渗透，进行碳酸水和渗透测试时，观察到渗透系数的趋势更为明显。从测试的结果中，可以认为钙化合物可以沉积在岩石中，并且可以降低渗透系数。

项目成果

Evidence for increase in crack damage in rocks with duration of exposure at Earth’s surface

有证据表明岩石的裂纹损伤随着暴露在地球表面的时间的延长而增加

• 发表时间: 2023
• 作者: Philip MEREDITH;Yang YUAN;Monica RASMUSSEN;Karin Hofer APOSTOLIDIS;Yoshitaka NARA;Patrick WEBB;Thomas MITCHELL;Tao XU;Russell KEANINI;Amit MUSHKIN;Uri SHAANAN;Maxwell DAHLQUIST;Alex RINEHART and Martha EPPES
• 通讯作者: Alex RINEHART and Martha EPPES

Calculation of P-Wave Velocity in Sandstones with Different Pore Size Distributions Using Digital Rock Model without Segmentation

利用无分割数字岩石模型计算不同孔径分布砂岩中的纵波速度

• DOI: 10.2472/jsms.71.235
• 发表时间: 2022
• 期刊: Journal of the Society of Materials Science, Japan
• 作者: 石塚師也;林為人;神谷奈々;奈良禎太
• 通讯作者: 奈良禎太

原位置岩盤における炭酸水および粉末試料を用いた透水試験

原位岩体中使用碳酸水和粉末样品进行渗透性测试

• 发表时间: 2022
• 作者: 桑原彰吾，北川絢音，奈良禎太，柏谷公希;藤井宏和，趙越;松井裕哉，尾崎裕介;広吉直樹
• 通讯作者: 広吉直樹

Effect of Reinforcing Steel Fiber on Permeability of High Strength and Ultra-Low Permeability Concrete

增强钢纤维对高强超低渗透混凝土渗透性的影响

• DOI: 10.2320/matertrans.mt-z2022017
• 发表时间: 2022
• 期刊: MATERIALS TRANSACTIONS
• 影响因子: 1.2
• 作者: K. Sakemoto;M. Kato;Y. Ishii;K. Kurumisawa and Y. Nara
• 通讯作者: K. Kurumisawa and Y. Nara

Documenting how rock physical properties change as a function of exposure age

记录岩石物理特性如何随着暴露年龄的变化而变化

• 发表时间: 2022
• 作者: Yang YUAN;Philip MEREDITH;Yoshitaka NARA;Martha Carry EPPES;Russell KEANINI;Amit MUSHKIN;Monica RASMUSSEN and Uri SHAANAN
• 通讯作者: Monica RASMUSSEN and Uri SHAANAN