セメント基材は応用*、使用量が最大の工事材料であり、その使用環境は複雑で多様である。実際の服役過程において、セメント基材は乾湿循環、温度変化、力学負荷などの要素の作用の下で劣化し、構造安全に影響を与える。モルタルは常用補修材料であり、補修モルタルと元の基体間の接着品質は補修システムの安定性と耐久性に重要であり、その影響要素はモルタルの成分、基体の前処理などを含む。

青島理工大学土木工学院の張鵬教授チームは、X線CTと圧水銀法（Mercury Intrusion Porosimetry、MIP）を結合することにより、旧モルタルの初期含水状態が新旧モルタルの接着組成の複合体微細構造に与える影響を研究した。三英精密X線CT装置（nanoVoxel-3000シリーズ）の三次元再構成画像に基づいて、新旧モルタル界面のミクロ構造及びモルタル硬化後の内部孔とマイクロクラックを補修する空間分布特徴を分析した。MIP結果を用いてモルタル中の細孔タイプとその形成機構を分析した。中性子透過イメージングに基づいて、複合体に対して可視化吸水試験を展開し、時間とともに変化する含水率分布曲線を得て、複合体の吸水特徴及び微細構造との関係を分析した。

三英精密nanoVoxel-3000顕微CT

旧モルタルの初期含水率を変えることにより、2種類の複合体を設計した。古いモルタル試験片と新しいモルタルとの接触前の初期含水条件を以下のように設定する：

a）基体−旧モルタル試料を乾燥し、105℃で24時間乾燥し、室温で冷却した。

b）満水基体―古いモルタルを水に5時間浸漬し、含水率を20.4%と測定した。

図1新旧モルタル複合体試験片概略図

X線CTとMIP試験を組み合わせて、研究した複合体の微細構造を特徴づける。まず、中国天津三英精密機器有限公司製nanoVoxel-3502 Eを用いて試料をX線CTスキャンした。画像二値化により生データを空隙分割し、図3に示すように、界面周囲分割後の空隙サイズ（高さ±2.2 mm）を分析した。

X線CT試験は画像のボクセルサイズより小さい孔を検出できなかったため、モルタルの微細構造を補修してMIP試験によって共同分析を行い、使用した試料D 06-RとS 06-RはそれぞれD 06とS 06から切り取り、MIP試験の前に乾燥法によって水分を除去した。最後に中性子イメージング試験プラットフォームを用いて、新旧モルタル複合体の吸水過程に対してイメージング研究を行った。

図2 X線CTデータに基づいて試料の3次元画像を再構築し、その中から関心のある領域を切り取って分析に用いる

図3関心領域の細孔及び亀裂分割抽出

2種類の試料の内部微細構造は図4に示すように、D 06に明らかな収縮開裂が現れ、S 06の微細構造はより緻密であり、関心領域（ROI）中の異なる切断面（長さ×幅）のサイズが44.2µmより大きい空隙（気孔と微細亀裂）の面積分率を算出した。図5では、各スライスの面積分数を高さに基づいて描画している。その結果、両試料の旧モルタル大空隙面積分率はいずれも0.03前後であった。S 06新モルタル中の大空隙の面積分率は0.03前後に集中しているが、D 06の新モルタル中の大空隙の面積分率は0.06であり、試料S 06新モルタルの約2倍である。

図4新旧モルタル複合体試験片内部の微細構造

図5大空隙面積分率の高さによる変化状況

図6空隙を等価直径で色分けする

ミクロトポグラフィー解析により、D 06とS 06の界面領域における大サイズ空隙の形成機構の違いを推定した。D 06サンプルに対して、含水率に勾配が存在するため、新しく混ぜた補修モルタルを予備乾燥した古いモルタルの上に置くと、補修モルタル中の水分が大量に抽出され、収縮亀裂が深刻で、大きな空隙が発生する;S 06試料の製造時、古いモルタルは水で予備飽和され、モルタルの水分流失を補修し、水を満たす古いモルタル中の水の可能性がある還流は界面での水分蓄積を招き、それによって界面周囲に面積の大きい不連続領域を発生し、大きな空隙を形成する。

循環水銀注入法を用いて「インクボトル状」の孔を有する補修モルタル微細構造を特性化した。累積圧水銀データから補修モルタルの有効連通空隙度と「インクボトル」空隙度を計算し、D 06-Rの有効連通空隙度（0.074）は小空隙の体積率（0.076）に非常に近い。このことから、収縮亀裂は直接相互に連通しているのではなく、毛細孔を介して連通していると推定される。S 06−Rの有効連通空隙率（0.095）は小空隙体積率（0.129）より低かった。S 06−Rでは、一部の小孔のみが良好に連通できると推測される。

図7新しいモルタルの1回目と2回目の水銀圧搾後に得られた孔径分布曲線

中性子イメージング技術により新旧モルタル複合体の吸水現象をリアルタイムで追跡し、図9に示すように動的含水率分布を得た。そのうち、含水率は中性子透過水の厚さと試料の厚さの比で計算し、界面の位置は点線で表し、底部は新しいモルタルである。画像上に幅5 mmのROI（黄色の矩形）を設置し、水流方向に沿った含水率断面変化を監視し、図10中の動的含水量断面に基づいて湿潤前線位置を決定し、線形回帰関数を用いて試験データをフィッティングして吸水性係数を得た。

D 06中の新しいモルタルの吸水性係数はS 06中の新しいモルタルの1.5倍である。D 06の新しいモルタルには多くの亀裂が存在し、吸水性係数が高い。S 06では新たにモルタルを混ぜて補修することが少なく、セメントの水化の正常な進行を保証し、より緻密な孔構造を形成することができる。そのため、S 06における新モルタルは吸水性が低い。

図9新旧モルタル複合体の吸水過程における動的含水率変化規則

【図10】新旧モルタル複合体の吸水過程における動的含水率曲線の測定（a）D 06、(b) S06

【図11】新旧モルタル複合体の吸水過程における濡れ前線位置の変化（a）D 06、(b) S06

X線CT画像観察により、予備乾燥した古いモルタルに新たにモルタルを混ぜると大量の水分が抽出され、明らかな収縮割れを引き起こす。新しいモルタルが満水の古いモルタルとくっついていると、新しいモルタルの分泌水と満水の古いモルタル中の水分の潜在的な還流が界面での水分の蓄積を招き、界面周辺に大きな不連続領域を生成する可能性がある。

旧モルタルと飽水旧モルタルを予備乾燥して接着した新モルタル中の侵入可能空隙度は似ているが、孔径分布特徴には顕著な差がある。2種類の新しいモルタルの毛細孔の大きさは近いが、満水の古いモルタルと結合した新しいモルタルには毛細孔が多い。そのため、古いモルタルの予湿に対してこれとの接着を緩めることができる新しい混合補修モルタルの水漏れは、セメントの水化の正常な進行に有利である。

旧モルタル基体の吸水性は新旧モルタル複合体の微細構造と吸水特性に顕著な影響を与えた。コンクリート構造補修案を設計する際、界面接着強度を考慮するほか、耐久性の観点からモルタル硬化後の輸送性能を考慮しなければならない。

X線顕微鏡CTスキャンは試料内部の空隙と亀裂構造の三次元可視化を実現し、セメント基材のミクロ構造を比較的によく特性化し、材料内部の真実を示した。