Concrete is a composite heterogeneous artificial stone made of mineral aggregates and water-base cementitious paste. It lacks or is deficient of some crucial strength properties such as compactness and homogeneity; toughness and ductility; and impermeability and hindrance to ingress of deleterious substances like chloride ions. Yet concrete is in abundance use for construction of normal and mega structures. Its durable service life is most sought after these days. The development of reasonable methods for predicting the chloride penetration into concrete is very important to determine the durable service life of reinforced concrete structures.

In this research, material and environmental modeling has been carried out simultaneously for non-saturated cracked and un-cracked concrete exposed to marine environment. Since the main concern is the non-saturated concrete, therefore, specific experimentation and modeling has also been done on moisture migration. Primarily semi submerged structures, which represent exposure to tidal, and splash zones are the main concern.

Detailed modeling of moisture transport in a typical marine environment, for alternate wetting and drying as well as single long wetting exposures is done in a laboratory controlled environment. Both humid and liquid wetting environment modeling is carried out by DuCOM- Concrete Durability Simulator Program developed at Concrete Laboratory, Department of Civil Engineering, The University of Tokyo. The vapor transport model is verified and liquid conductivity model is enhanced for sorption absorption of water by concrete. To model the continuous alternate wetting and drying marine environments, hydraulic pressure method is used. The hydraulic pressure method is very effective to determine strong sorption flux, which is triggered after prolonged drying and for environments with short wetting and long drying.

This enhanced moisture migration model proposed and verified for sorption is then implemented to predict the chloride penetration profiles under cyclic wetting and drying environments. For this, various alternate wetting and drying hygral cycles were designed in the laboratory controlled environment comprising of 1hr wetting in 3days, 9hr wetting in 3days and 33hr wetting in 3days and completely submerged case for bench marking. The chloride prediction analysis has been carried out by modeling the sorption behavior and coupling it with the chloride transport model of DuCOM. This kind of analytical approach is highly advantageous for very short wetting exposures such as splash zone.

The experimental results verify the DuCOM chloride transport model coupled with enhanced moisture migration model (applied with hydraulic pressure at the surface element) under varying wetting and drying environments. The enhanced moisture migration model is then applied on blended cements. Analysis and experimentation has been carried out for fly ash and blast furnace slag with varying replacement of cement, for different alternate wetting and drying hygral cycles. The modification made in liquid conductivity model has been verified successfully for BFS and FA cements.

At the end the chloride transport in cracked concrete is modeled by introducing void elements in the cracked zone, and enhancing the chloride transport model for chloride diffusivity through voids. From 2D chloride penetration profiles along crack, it is clear that chloride transport is very rapid along and across the crack boundaries. To treat this phenomenon, the crack boundary can be modeled as exposed to the environment, but then self-healing effects cannot be modeled. In void element crack methodology the self-healing effect can be nicely imbibed in the analysis along with the effect of discrete and smeared cracks. For this modeling, the chloride diffusivity along the crack length is enhanced by considering the effect of chloride transport through voids with a constrictivity parameter independent of bound chlorides. The constrictivity parameter for void is made a function of crack width in such a way as to distinguish the hair line micro-cracks from that of large cracks, which can be seen by the naked eye.

In this research a systematic approach has been adopted in dealing with the complicacies which are involved in chloride migration processes in marine environment. To start with the moisture migration in wetting and drying environment is modeled both for wetting as well as humid environment. The enhanced moisture migration model is then applied with the chloride transport model to predict the chloride profile under alternate wetting and drying. Both the experiment and analysis show the strong coupling between moisture migration and chloride transport. The same approach is then extended for blended cements with fly ash and slag as admixtures. To make this research more useful for application to real structures, where concrete is not always sound, and crack free, modeling is carried out for un-sound concrete (cracked concrete) on parallel lines as for sound concrete by modeling relevant parameters.

In short, this study is an attempt with scientific approach to hit upon and evolve much wanted research on chloride transport coupled with moisture migration in marine environment in sound and cracked concrete. In this research work, every effort is made to present the chloride transport phenomenon, in the marine environment in its totality, and well integrated form, which can be useful for scientists and engineers dealing with durability problems in off-shore and on-shore concrete structures.

コンクリート構造物の耐久性を大きく損なう現象に鋼材腐食現象がある。アルカリ性を有するコンクリートは、内部の鋼材表面に不動態皮膜を形成させ、通常環境では腐食進行から保護しているが、一旦内部に塩化物イオンなどが浸透すると、それまで安定して存在していた不動態皮膜は破壊され鋼材腐食が開始される。海水や融雪剤などの作用を受ける場合、塩化物イオンの浸透に伴う鋼材腐食により構造物の寿命が大きく左右されるのである。近年、コンクリート構造物の耐久性能照査の枠組みが、国内外の設計コードにおいて整いつつある。ここで線形拡散方程式などに基づく塩化物イオン浸透予測手法や、水分と塩化物イオンとの連成を考慮した非定常移流拡散方程式に基づく数値解析手法など、種々の研究が進められているものの、未だ任意の初期、環境条件に対して適用可能な一般化解析手法は確立されるに至っていない。質の高いコンクリート構造物を整備するためにも、適用範囲が広く精度の高い塩化物イオン浸透予測技術が、照査技術として設計段階で求められる現状にある。本博士論文は、任意の配合、使用材料、環境条件のもとで、ひび割れを含むコンクリートの塩化物イオン移動現象を予測する数値解析手法の提案に成功したものである。

本研究の成果として、様々な乾湿繰り返しを制御された実験室環境で再現し、水分移動と塩化物イオン移動の連成に着目して、実験ならびに解析の両面から詳細に検討している点がある。具体的には、常時塩水に浸漬させるケースと、1週間のサイクルの中で1時間、9時間、33時間塩分に浸漬させ残りの期間は乾燥に曝した3ケースについて、各々1年間にわたって乾湿のパターンを繰り返し、最終的に内部の塩化物イオン分布を精緻に測定している。その後、熱力学モデルにより算出される解析値と詳細に比較検討することで、水分と塩化物イオンの強連成問題に着目し材料モデルの検証を行った。ここでは、水蒸気移動が卓越する境界流と(RH=99.5%)、液状水が接触しサクションに支配される境界流(浸漬)の両者を厳密にモデル化し、境界条件の違いによりもたらされる水分移動現象の相違についても議論している。現在のモデルでは、RH=99.5%といった水蒸気移動に支配される境界条件のもとでは、吸湿、乾燥挙動が良好に再現される一方、浸漬条件では過大に水分移動を予測してしまうことが明らかになった。この理由として、既存の液状水移動モデルで考慮されている液状水粘性項(微細空隙と内部水分の相互作用を、仮想的に粘性増大によって表現する項)に改良の余地があることを見出した。その結果、簡便な修正を既存モデルに施すことによって、任意の水セメント比に対して、サクションによる吸水現象が精度良く追跡することができるようになったと同時に、任意の乾湿繰り返しのパターンに対して、塩化物イオンの浸透現象を高精度に予測することが可能となった。さらに、高炉スラグ微粉末やフライアッシュを使用した系についても検討し、提案するモデルにより普通セメントのみならず種々の混和材料を使用する場合においても適用可能であることを明示した。

外力や環境作用を受けることで、コンクリート構造物にはひび割れが生じる。発生したひび割れは外部からの塩化物イオン侵入を加速させることから、この影響を解析モデルによって表現することは重要な課題である。本研究では、ひび割れを表現するにあたり、ミリメートルオーダーの場を表現する空隙構造モデルを既存のモデル(ナノ~マイクロメートルオーダーを包含)に組み込み、塩化物イオン移動解析を試みた。提案する手法はひび割れを離散的に取り扱う手法であるものの、ひび割れ幅の関数をモデルに含んでいることから、ひび割れの大小によって相違する塩化物イオン浸透現象を考慮することが可能である。検証の対象としては、常時浸漬のみの環境条件であるものの、任意のひび割れ幅、本数に対して、モデルは塩化物イオン分布を妥当に再現することに成功した。

以上のように、本研究では既存の水分移動モデル、および塩化物イオン移動モデルの高度化・検証を図ると共に、ひび割れを含むコンクリートの物質移動モデルの提案に成功した。工学的な貢献は大きいと認識され、本論文は博士(工学)の学位請求論文として合格と認められる。