宇部興産など 世界初 深海でセメントの力学特性を計測

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2021年3月30日

水深約3500m の海域にセメント硬化体と計測機器を設置

 宇部興産、港湾空港技術研究所、海洋研究開発機構、東京工業大学および東京海洋大学の研究グループはこのほど、深海インフラ構築に向けたセメント硬化体の力学特性の評価手法を確立し、実海域でのデータ計測を世界で初めて開始したと発表した。

 深海でセメント硬化体の内部に生じる圧力やひずみを実際の深海底で連続計測することで、将来的に深海で使用するインフラ材料の開発や構造物の設計手法の構築に役立つことが期待される。なお同研究は、科学雑誌「ジャーナル・オブ・アドバンスド・コンクリート・テクノロジー」に掲載された。

セメント硬化体の力学特性の評価手法

 同研究は、短期間および長期間の高水圧によって、セメント硬化体がどう変形するかを明らかにすることが目的。従来は、深海から回収した後の硬化体の変化を測定していたが、回収時の圧力変化により硬化体に変化が生じる可能性もあり、深海で起こった現象を正確に把握できなかった。また、深海と同等の高水圧の水槽を利用した実験でも、実際の構造物のスケールで起こりうる現象や潮流・生物付着などの影響が再現できない。

 こうした中、研究チームは硬化体内部に生じる圧力やひずみを深海底で連続計測する方法を確立。これにより、深海で起こっている現象だけを抽出してデータを分析、考察することが可能となった。研究グループは、昨年7月に駿河湾沖70Kmに位置する南海トラフ北縁部、水深約3500mの海域に硬化体と計測装置を設置。今年度中に回収し、計測結果を解析する予定だ。

 海洋国家の日本にとって、積極的な海洋利用は重要な課題の1つ。深海での海洋インフラの建設には、設計の自由度や汎用性が高いセメントの利用が検討されている。またセメントは、日本でほぼ100%自給できる石灰岩から製造され、安定的に供給できるというメリットもある。

 これまで、深海の極限環境がセメント構造物にどのような影響を及ぼすか評価されていないが、最新の研究では、深海で著しく劣化したことが報告され、既存の知見や設計手法だけでは深海インフラを構築できないことが明らかになってきた。深海インフラの構築に向けて、まずは基礎データの収集が重要となっている。

宇部興産 深海でのセメント系材料の劣化機構、世界初発表

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2021年1月21日

 宇部興産は20日、深海でのセメント系材料の劣化機構について、調査・分析した研究結果の論文が世界で初めて国際学術誌に掲載されたと発表した。今回の研究は、港湾空港技術研究所と共同で行い、深海でセメントモルタル試験体の暴露試験を実施している。この研究結果は深海でのセメント系材料の活用方策や、海洋インフラの建設技術確立に貢献することが期待される。

セメント系材料 深海底から回収した試験体
セメント系材料 深海底から回収した試験体

 深海は人類最後のフロンティアと呼ばれ、近年、海洋資源の開発や海洋エネルギー(洋上風力・潮力など)の利用開始など、世界的に海洋開発の気運が高まっている。将来的に深海域では海洋構造物の建設が予想され、汎用性が高く耐久性に優れるセメント系材料の利用が見込まれる。

 今回の研究では、深海域でのセメント硬化体の力学特性や水和物の変化を把握することを目的に、沖縄県多良間島沖約60㎞の海底約1680mで、同試験体の暴露試験を実施。水圧約17M㎩、水温約4℃と、浅海域と比べて非常に過酷な設置環境であり、608日後に回収した試験体の表層は、手で触ると一部がはがれ落ちるほどに柔らかい組織に変化していた。

 また、圧縮強さ試験の結果、暴露前と比較して著しい強度の低下を確認。分析した結果、試験体を構成する主要な成分であるカルシウムが浅海域では予想できないほど著しく溶脱していることが明らかとなった。さらに、海水中の炭酸イオンや硫酸イオン、マグネシウムイオンが浸入し、新たに脆弱な水和物を生成したことで表層の形状が変化し、強度の低下など物理的特性の変化をもたらしたと結論づけた。

 今回の研究では、主に化学的な劣化に着目したが、深海域で高水圧が試験体に与える影響とそれに伴う化学的な劣化との関係については、さらに詳しく検証していく予定だ。

 今後、深海でセメント系材料を利用するために、材料設計や施工方法、構造物の設計手法など、多岐にわたる研究開発および技術の確立が必要になると想定される。両者は、国内外の大学や研究機関との連携を拡充しつつ、さらなる研究開発と技術の確立を進めていく考えだ。