Blast furnace slag (BFS) is now widely used as a supplementary cementitious material blended in Portland cement. As by-product from steel manufacturing, partial replacement of Portland cement by slag can reduce the energy consumption and CO2 emission during production of Portland cement therefore is beneficial to circular economy and sustainable development. Meanwhile it is broadly agreed that concrete made with BFS concrete has many advantages, including improved workability, low permeability and higher strength at later age if the concrete is properly designed and cured, which is beneficial to performance of structure. However some disadvantages may exist for BFS concrete, such as early deterioration due to inappropriate curing, or larger drying and autogenous shrinkage, which tend to induce cracks in concrete thus decrease long time durability of concrete structures. Since those properties are different from those of Portland cement concrete, for better understanding and application of BFS concrete, it is necessary to model and predict its properties.

For life-time simulation of concrete structures, a computational system called DuCOM-COM3, which couples thermo-hygro-physical information of cementitious composites with multi-scale constitutive model, has been developed in Concrete Lab, the University of Tokyo. With this analytical system, various properties during the whole life of concrete such as shrinkage, creep, carbonation, and chloride ion penetration can be predicted. The whole system can be applied to concrete made by Portland cement and give good agreement with experiment. However whether it is applicable to BFS concrete has not been investigated and verified deeply. Therefore, in order to promote the application of BFS concrete and sustainable development of society, in this dissertation the research objective is to enhance the current multi-scale models in DuCOM-COM3 to simulate properties of BFS concrete properly. It is expected that after the enhancement of current models, micro-physical information of slag blended cement paste, such as hydration degree, porosity and pore size distribution, can be predicted reasonably. Meanwhile, based on the proper simulation of micro-physical information, micro-properties of BFS concrete, including strength, water loss behaviors, drying and autogenous shrinkage can also be simulated.

The main studies in this dissertation consists of three enhanced models for slag blended cement paste, i.e. enhanced hydration heat model, enhanced porosity model and enhanced pore size distribution model. The basic methodology includes three steps: first, analysis based on the original model is carried out and discrepancies are found. Second, the reasons for those discrepancies are investigated combining with micro-physical properties of slag cement paste. Then enhanced model is proposed based on the reasonable description of micro-physical properties. Finally, verifications by macro-properties of BFS concrete are conducted.

The multi-component hydration heat model which simulates hydration process of cementitious materials is applied to slag blended cement. Through comparison with experimental data, it is found that based on the original model the hydration degree of slag in blended cement is largely overestimated, and besides the effect of slag replacement ratio on hydration process cannot be reflected properly neither. Therefore hydration mechanism of slag is investigated again, considering the influence of calcium hydroxide as activator and chemo-physical properties of C-S-H gel produced by slag hydration. Since the Ca/Si ratio of C-S-H gel decreases as the slag replacement ratio increases, resulting in both higher tortuosity and negative electric charge accumulation in the pore structure, it is assumed that C-S-H gel produced by slag hydration has a strong influence on calcium hydroxide ions diffusion due to ion absorption and much longer diffusion path, therefore the subsequent hydration of slag tends to be retarded. On the basis of the above assumption, an enhanced model for slag hydration is proposed, taking into account the resistance effect which mainly depends on the slag replacement ratio and thickness of C-S-H layer. The enhanced model is applied again to simulation on slag hydration in blended cement, and the results indicate good agreement with experiment. Besides, amount of calcium hydroxide in the paste and adiabatic temperature rise of slag blended cement can also be simulated agreeably.

Second, an enhanced porosity model which is based on micro-chemo-physical approach is applied to modeling compressive strength of BFS concrete. In previous microstructure model, constant porosity value of C-S-H gel particle is assumed for Portland cement concrete. However, through investigation on micro-pore structure of BFS concrete, a porosity evolution associated with C/S ratio is proposed for C-S-H gel grains, which is supported by several microscopic experiments. In the improved gel porosity model, C-S-H gel grains formed from slag hydration has low porosity at low hydration degree, while much higher when hydration of slag goes on. Therefore, much more capillary space will be filled at later age. Combined with strength model based on capillary porosity, it can be obtained in the analysis that compressive strength of BFS concrete is lower than OPC at early age but higher later, which agrees with experiments by previous researchers.

Furthermore, pore size distribution model for BFS concrete was also modified. Analyses based on previous model are conducted and the disagreement with experiments of moisture loss and shrinkage are pointed out. Pore size distribution of BFS blended cement matrix which is considered as the reason for the disagreement is discussed. Then enhanced specific surface area model for hydration product of BFS blended cement is proposed and thus finer pore structure at later age compared with OPC can be obtained with the enhanced model, which is verified by water desorption isotherm. Finally, verification on moisture loss and shrinkage properties of BFS concrete is carried on based on the enhanced model, indicating the validity of enhancement.

高炉で鉄鉱石を溶融・還元する際に発生する高炉スラグは、急冷・微粉砕することでコンクリートの混和材として古くから有効活用されてきた。最近では、セメントの製造過程で大量に排出するCO2を削減するため、またアルカリシリカ反応や塩化物イオンの浸透抑制に対して効果的であるためなどから、高炉セメントの利用が一層進みつつある。一方で、製造技術の進歩により普通セメントと遜色ない初期強度を発揮するに至った近年の高炉セメントは、自己収縮や乾燥収縮に起因する初期ひび割れの発生が多いことも報告されている。性能照査型設計の枠組みのもと、高炉セメントのポテンシャルを十分に生かしながら環境負荷低減と高耐久性・高機能性を実現するためにも、また構造物の収縮ひび割れ抑制を狙った材料設計やセメント製造プロセスにフィードバックするためにも、高炉セメントの若材齢固体形成に関わる材料モデルと一般化解析手法の構築が強く望まれる状況にある。本博士論文は、高炉スラグ微粉末の水和反応および生成される水和物のキャラクター(かさ密度ならびに固体比表面積)に着目し、普通セメントの系で展開される材料熱物理特性との相違を抽出しながら既存の熱力学連成モデルに修正を施すことで、高炉セメントの若材齢固体形成を追跡する一般化数値解析モデルの提案に成功したものである。主たる成果は以下に列挙される。

第一の成果として、複合水和発熱モデルを改良し、高炉セメントの水和進展に関する予測精度が格段に向上した点が挙げられる。近年、XRDリートベルト解析や選択溶解法、またSEM観察などの各種分析技術の向上がみられ、高炉スラグ微粉末の水和進行に関する精度の高い定量データが得られるようになってきた。本研究ではそれらの実験事実に基づき微視的機構に関する仮説を構築し、水和反応に支配的な要因を既存モデルに組み入れることで、高炉スラグ微粉末と母材セメントの水和進展を高精度に予測することに成功した。高炉セメントの反応により形成されるC-S-H水和物のカルシウムシリケート比の低下に着目し、内部水和生成物層のイオン拡散抵抗性の増大を考慮に入れることで、任意の高炉スラグ置換率に対する水和率、水酸化カルシウム残存量、および断熱温度上昇量を統一的に追跡することが可能となったものである。近年の詳細分析により得られつつある微視的メカニズムを直接モデルに取り込み、マクロに現れる材料物性を予測する一般性に本研究の価値が認められる。

第二の成果は、高炉セメントの系における空隙率算定モデルを改良し、その結果として強度発現予測モデルの高精度化を達成した点である。既往の研究では、ゲルスペース比に着目した強度モデルが提案され、普通ポルトランドセメントおよびシリカヒュームを用いたコンクリートの強度発現が精度良く予測されるに至っている。しかしながら本研究において、高炉セメントに対して既存強度モデルを適用したところ、実験事実としてよく知られる高炉セメントコンクリート特有の長期強度の増進が再現されないことが明らかとなった。そこで既往の研究報告に基づき、C-S-Hに内包される空隙率(C-S-Hのかさ密度)を高炉スラグ微粉末の水和に応じて変化させるモデルを組み込み、任意の置換率および水結合材比に対して強度発現プロセスを追随することが可能となった。

第三の成果は、高炉セメントの空隙構造分布に立脚して、細孔内の水分保持能力、乾燥環境下での水分逸散挙動、および乾燥収縮挙動について精度向上を達成した点である。高炉セメントの水和進展に応じて、カルシウムシリケート比の変化によるC-S-Hゲルの小寸法化およびゲル比表面積の増大を与えるモデルを組み入れた結果、特徴的な空隙構造分布の再現と、それに基づく水分保持・逸散挙動の予測精度向上に成功した。乾燥収縮については、解析モデルと実測値の間で一部乖離が見られるものの、今後、精度の高い長期試験を行いながらモデルの微修正を加えることで、初期ひび割れ照査を支援する予測技術が実現されるものと認識される。

以上のように、本研究では、高炉スラグ微粉末とポルトランドセメントを任意に混合した系における水和反応および空隙構造形成過程を精度よく追跡するモデルを提案するとともに、それにより求められる強度ならびに水分逸散・乾燥収縮に関する汎用性の高い解析手法を示した。本研究の成果は、高炉セメントに関する知見の体系化に寄与するとともに、材料・構造設計ならびに性能照査技術の高度化に貢献しうるものと判断される。以上から、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。