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自然科学研究所総合研究報告

1-1 常圧から高圧条件下での固体材料の破壊・変形に関する分野横断型研究の創成●代表者 竹村貴人（地球システム科学科・准教授）●分担者 鵜川元雄（地球システム科学科・教授）
村瀬雅之（地球システム科学科・助教）
藁谷哲也（地理学科・教授）
羽田麻美（地理学科・助教）
高橋博樹（物理学科・教授）【研究の目的および概要】
本研究は，理工医学分野の幅広分野で取り扱われている固体材料の破壊・変形（ここで変形には狭義での物性の変化も含まれる）の変化という問題を，分野横断型で再構築するための基礎的な研究と位置づけられる。破壊・変形という問題は材料を扱う上では極めて基本的な問題であるが故，破壊力学を基軸として広範な分野で基礎・応用の研究が行われている。例えば，本学部での分野でみると岩石の破壊は地震や建造物の安定性の問題に，砂や粘土の変形・破壊は地滑りや地震による揺れを引き起こす問題に，鉄などの材料の変形は物性の変化の問題にそれぞれ関連している。さらに，これらの固体材料の破壊・変形は圧力や温度の依存しており，例えば，常圧 (0kPa) の条件
では地理学が扱うような遺跡などの建造物の風化作用が，地下 40m（1MPa）程度まで圧力の条件では地球科学や防災科学の分野が扱う砂や粘土での液状化が，地下 400m（10MPa）程度までの圧力の条件では地質工学の分野で放射性廃棄物の処分場の安定性や石油・天然ガスの採掘技術が，地下 4km（100MPa）程度もしくはそれ以深の圧力条件
では，地球物理の分野で地震の発生メカニズムが対象となり，さらに 40km 以深の圧力に相当する GPa オーダーの圧力では，温度の条件と併せて物性の変化などが認められ，超伝導を始めとした物性物理が対象となる。
本研究では地理，物理，地球科学（地球物理），地質工学の異なる分野でそれぞれ異なる圧力レンジと材料で研究を進めている研究者により，材料の破壊・変形をより一般的な形で論じるための理論の整備と実験手法の共通点を抽出することを行う。圧力下での破壊・変形に伴う物性の変化をとらえるための弾性波速度，電気抵抗や磁性の変化（例えば，破壊に伴い発生する弾性波（地震動）の周波数や超電導の発現など）に関しても未だ不明な点が多く残されている。また，このような破壊の様式の転移は温度―圧力の他に時間も関与しており，常圧下においても長い時間非等方応力下に曝されると破壊様式が転移することより，地上にある遺跡群の石材の変形も同様に未解明な点が多い。本研究では，主としてこれらの共通したテーマについて新たな実験および解析手法と技術の開発を行うものである。本研究を行うことで，破壊・変形に関する内在したメカニズムをより広い圧力レンジで議論することができ，各分野での実験技術の技術革新の手がかりを掴むことができるようになると期待される。
【研究の結果】
圧力下での破壊・変形に伴う物性の変化をとらえるための実験として弾性波速度と磁性の変化についての実験手法の開発を行った。弾性波速度は固体中を伝播する疎密波であることから固体の弾性定数と密度の関数となっている。したがって，バルクの密度が分かっていれば弾性定数を決定することができる。ここで，弾性定数は 4 階のテンソルであり，対称性を考慮すると独立定数は 21 個となる。当然ながら対称性の条件をさらに加える事でその個数は下がっていき，完全な等方であれば定数は 1 個となる。ここでは，弾性波速度から 21 個の独立定数を決定する方法を新たに開発した (Panaghi et al., 2016)。また，磁性については，鉄系材料に含まれる結晶内の磁区構造の観察手法を確率した（Yagyu et al., 2014）. 磁区構造の観察には 2 つの方法があり一つはナノ磁性流体を鏡面研磨した試料に 塗布することで顕微鏡下での観察する方法，もう一つは原子間力顕微鏡により探針（カンチレバー先端）に磁性を持たせることで斥力と引力を測定しつつ走査させることで面的な分布をイメージングする方法である。鉄系材料

1の磁区構造は高圧下での剪断変形を受ける事で大きく乱れ，再配置が進む事が明らかにされた。
高圧下における材料，特に脆性材料の変形・破壊過程では，これまで多くの実験で二軸応力条件の下実験が行われてきた。本研究では三軸応力条件での実験を行い，より普遍的な条件での破壊条件の議論を行った。
常圧下における材料，特に脆性材料の時間依存変形の実験手法の開発を行った。 特に常圧下の場合，水の破壊に与える影響が大きいことから，材料内の水の挙動を測定する新たな装置の開発を行った。材料中，すなわち材料内の空隙に存在する水は液相もしくは気相（ここでは固相は扱わない）として存在するため，その存在形態は温度によることが大きい。そこで，本研究では，新たに 5mm×8mm の寸法を持つ半導体センサーを用いることにより，試料内に埋め込み可能でデータ収集の可能な温・湿度同時測定小型センサーの開発を行った。本センサーはArduino により制御され最大 6 点を同時に測定することができるものである。本センサーを砂岩中に埋め込み，暴露試験を行った結果，砂岩表面から侵入する水蒸気は表面から 8mm 程度であることが明らかにされた。
【研究の考察・反省】
固体材料の破壊・変形に関与する応力条件には，1）圧縮・引張，2）等圧・非等圧の 2 種類がある。また，破壊・変形に寄与する要因として温度があり，温度―圧力条件で固体材料の破壊・変形の様式は変化することが知られている。また，温度―圧力の条件により破壊の様式には脆性と延性が存在し変形の様式も弾性と非弾性（塑性）変形に分類される。このうち脆性破壊は破壊音を伴い爆裂的に破壊するものであり，延性破壊は流動するように破壊が進行する。これらの条件は多くの固体材料で認識されているが，その境界の脆性―延性と破壊様式が転移する条件の破壊はいまだに不明な点が多く残されている。そのような中で，Takemura ＆ Oda（2005）により脆性と延性の中間の破壊様式が存在しえることが指摘されており，その転移の理論も構築されつつある。本研究から得られた結果
より，高圧下では剪断帯形成の過程においてこれまで議論されてこなかった 3 つの軸である中間主応力が強い影響を与えていることが明らかになった。その一方で，弾性波速度の測定結果から破壊がおこる瞬間のクラック密度に関する物性値は，一定であることから中間主応力の影響を受けない破壊に関与する普遍的なパラメータであることが示唆された。また，剪断帯近傍では破壊の進行とともに磁区構造も同時に変化し帯磁率も変化するのであろう。
また，常圧下においては，水蒸気の与える範囲が明らかにされ，石材構造物の表面風化が限定的な深さで進行していることが明らかにされた。さらに，予察的に行ったシミュレーションから表面風化には水蒸気の出入りによるものの他に応力集中が強く関与していることがわかった。砂岩試料に応力が負荷された状態での水蒸気の出入りの破壊への関与に関する詳細は分かっておらず，今後の課題としたい。
【研究発表】
Wada,E., Takemura, T. (2015) Experimental study of Frictional property of siliceous shale from the viewpoint of clay
mineral fabric, American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, MR41C-2654.
Panaghi, K., Takemura, T., Golshani,A., Takahashi, M., Sato, M.(2015) Assessment of rock mechanical behavior
considering stress dependent stiffness of the cracked domain within crack tensor-based approach, American
Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, MR41B-2630.
Panaghi, K., Takemura, T., Golshani,A., Sato, M., Takahashi, M.(2015) Investigation of stress-strain behavior of granitic
rock by true triaxial tests and crack tensor-based theory，第 12 回地盤工学会関東支部発表会 , 東京 .
和田絵里香・竹村貴人・木村克己 (2015) 京都丹波帯泥質岩の変成度から見た天然砥石の摩擦特性 , 平成 27 年度 日
本応用地質学会 研究発表会，京都．
竹村貴人（2015）空隙・クラックの作る構造から見る地質材料の変形−破壊−透水挙動：地質材料科学への展開 ,2

平成 27 年度 日本応用地質学会 研究発表会，京都．
佐藤稔，竹村貴人，高橋学，安間了（2015) 微視的内部構造からみた砂岩試料における剪断面近傍の透水性評価，日本地球惑星科学連合大会 2014 大会，千葉，HRE31-03.
Yagyu, E., Kanamaru, T., Takemura, T.(2014) Relationship between Magnetic Domain Structures and Shear Stress in
Magnetic Minerals of Geological Materials, American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco, T31A-4573.
Takemura, T., Takahashi, M.(2014) Hydro-mechanical behavior of fractured sedimentary rock under stress axis rotation bycrack tensor and permeability tensor, American Geophysical Union Fall meeting, San Francisco,, MR23A-4314.
竹村貴人・神戸音々・濱本昌一郎・佐藤稔・鈴木健一郎・奥澤康一（2016）3D プリンタによる模擬試料からみた透水・透気挙動へのクラック配置の影響，地盤工学会研究発表会，岡山 .（投稿中）【研究成果物】
Panaghi, K., Takemura, T., Golshani, A.(2015)Rock failure assessment based on crack density and anisotropy index
variations during triaxial loading tests, Geomechanics and Engineering, 9, 793-813.
Takahashi, H. Sugimoto, A., Nambu, Y., Yamauchi, T.,Hirata, Y, Kawakami, T., Avdeev, M., Matsubayashi, K., D u ,F. ,Kawashima, C., Soeda, H., Nakano, S., Uwatoko, Y., Ueda, Y., Sato, JT., & Ohgushi, K. (2015) Pressure-induced
superconductivity in the iron-based ladder material BaFe2S3, Nature Materials, 14, 1008–1012
Panaghi, K., Golshani, A., Takemura, T, Sato, M., Takahashi, M.(2016) Study on crack density variations during truetriaxial tests on Inada granite, Proceedings of 4th International Conference on New Developments in Soil Mechanics
and Geotechnical Engineering, 2-4 June 2016, Nicosia, North Cyprus (Accepted)
竹村貴人（2016）空隙・クラックの作る構造から見る地質材料の変形−破壊−透水挙動 , 応用地質（投稿中）

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