山本 七輝

ミクロな情報に基づいた多孔質体流れの屈曲度の実験的評価

福元 豊

浸透流などの多孔質体中の流れは幅広い研究分野で扱われ，土木工学の分野では土，岩石，コンクリート，アスファルトなどが構造物を構築している多孔質材料である．このような建設材料の経年劣化はその内部の流体移動と密接な関係があるため，多孔質体中の流体挙動を詳細に理解することが工学的に重要である．しかし，浸透流による内部侵食現象は地盤内部で発生するため，被害の状況を直接的に確認することができない．また，土粒子の侵食や流亡といった地盤工学と，多孔質体中の流れといった流体工学の相互作用を扱うため，基礎的な知見が乏しく，未だに解明されてない点が多い． 
多孔質体中の流れの特性を評価する指標の1つとして，屈曲度がよく用いられる．屈曲度は透水係数の値に直接結びつく重要な指標であり，μX線CTによる微視構造把握や3次元CFDシミュレーションの手法が発展してきたことで屈曲度に関する数値的，理論的な研究例が増えているが，実験的に直接評価した例はほとんどない．また，屈曲度に関するほとんどの経験式は，間隙率と表面積の関数となっており，局所的な幾何学構造に関する情報が反映されていない．建設材料は，盛土と基礎の境界や道路舗装のように層構造を持つことがあり，異なる間隙特性を持つ層の境界付近では，透水特性が急激に変化し，内部浸食等の現象につながることがある．実際，土壌の場合，侵食現象の一種であるcontact erosionは，粒径の異なる土の層間で発生する．つまり，局所的な浸透特性をより理解することで，建設材料で発生する様々な経年劣化問題の解決に貢献する可能性がある．
そこで本研究では，本来直接観察することができない多孔質体流れを，屈折率マッチング技術（RIMS）を用いた透明砂を使用することで内部を可視化させ，簡易的な模型実験を通して，多孔質体流れの特性を把握するための実験を行った．特に，多孔質体流れの屈曲度を表す水理屈曲度Thと，多孔質体構造の屈曲度を表す幾何屈曲度Tgに着目し，実験的に粒子の分布条件やReが多孔質体流れへ及ぼす影響を検討した．その結果，二層構造の境界部分において，数値解析を中心とした既往研究と異なる傾向が得られ，Thは充填率以外に粒子配置やReなどのパラメータの影響を受ける可能性があることがわかった．また，レーザー移動装置の導入により，最小0.5mm間隔で任意の断面における多孔質体流れの撮影と解析を行い，従来よりも細かい間隔で断面を撮影することが可能となった．