環境材料学
当研究室では建築内外装材や，鉄筋コンクリート部材を中心とした構造部材を研究対象とし，構成材料，空隙構造，材料中の水の挙動などの諸情報から，材料の持つ性能や状態を評価・予測し，建築物の耐久性評価，維持管理に応用する取り組みを行っています。
その一端としてナノテクや微生物生態学などの異分野の研究者の方々と共同研究を推進し，これまで建築分野では取得されていなかった，あるいは取得することが容易でなかった情報のセンシング技術の向上にも意欲的に取り組んでいます。
教員
寺本 篤史 ( Atsushi TERAMOTO )
准教授（工学研究科）
研究テーマ
- 鉄筋コンクリート造建築物の耐久設計，維持管理
- 微生物群集や半導体化学センサを活用した非破壊診断技術の開発
- コンクリート構造物のCO2固定量の評価
- 内外装材の美観性評価
連絡先
桂キャンパス C1-4-486室
TEL: 075-383-3286
E-mail: teramoto
archi.kyoto-u.ac.jp
成 璐哿 ( Luge CHENG )
助教（工学研究科）
研究テーマ
- セメント系材料における炭酸化過程のメカニズム解明（特に水分分布および微細構造変化の役割に着目して）
- セメント系材料における炭酸化深さの予測モデルの構築
- セメント系材料におけるCO₂固定量の定量化および炭酸化ポテンシャルの評価
- 鉄筋コンクリートにおける炭酸化による鉄筋腐食メカニズムの解明および腐食速度予測
連絡先
桂キャンパス C1-4-484室
TEL: 080-3576-0608
E-mail: cheng.luge.3tkyoto-u.ac.jp
研究テーマ・開発紹介
コンクリート中の水分と体積変化，各種劣化機構の関係
代表的な多孔質建築材料であるコンクリートやモルタルを対象として，建築物の性能を低下させる各種劣化機構の解明，およびその診断方法，抑制方法の開発に取り組んでいる。
コンクリート構造物の乾燥やセメントの水和によって生じる体積変化機構の解明に関しては，測定装置の開発，調合設計方法の提案などの活動を通してコンクリートの収縮ひび割れ，温度ひび割れの予測・制御手法の実用化に貢献している。
自己収縮によって生じた鉄筋周辺のひび割れ
微生物群集の多様性指数を活用した建築材料の状態評価
本研究では，世界的に高経年化が進行している既設コンクリート構造物を対象に，コンクリートの劣化を微生物群集の多様性指数によって評価・予測する手法を提案する。
コンクリートのほぼすべての劣化は含水率，空隙構造，細孔溶液のイオン組成の変化を伴う。本研究ではこれらの劣化関連の特性に依存して変化する微生物群集の種類，量，構成比を取得し，その特徴を多様性指数で評価する。本研究の実施にはコンクリート工学分野と微生物生態学分野の高レベルの共同が要求されるため，微生物環境を専門とする研究者と共同研究を実施している。
異なる空隙を持つモルタルの微生物多様性の差異
半導体化学センサを用いた埋め込み型pHセンサの開発
現状，コンクリート構造物のCO2固定量は，中性化深さと中性化領域の炭酸化度を用いて簡易的に推定されている。しかし中性化深さの測定は微破壊を伴うこと，炭酸化度は周辺環境や炭酸化の進行率の影響を受け変化することなどの課題が指摘されている。
本研究では，炭酸化により生じるコンクリート中のpHの低下を，半導体化学センサLAPSを用いて直接的に計測し，測定pHからCO2固定量を推定する手法を提案する。上記目的を達成するため，①コンクリート中でLAPSが安定的に作動する条件の提示，②この条件を満たすためのセンサの新仕様の提案，ならびに③pH分布からCO2固定量を推定するモデルの作成に取り組む。
LAPS上でのセメント水和物の生成
コンクリート構造物の炭酸化に及ぼす仕上げ材および表層ひび割れの影響のモデル化
地球温暖化問題への取り組みとしてコンクリート分野では，CO₂排出量の少ない材料の使用に併せて，大気中のCO₂とコンクリート内のCa(OH)2やC-S-Hとの炭酸化反応を活用したCO₂固定があり，その固定量を炭酸化度や中性化深さから予測する手法が提案されている。しかし炭酸化が進行するコンクリート表層部には，仕上げ材が施されていたり微細なひび割れを有する，RC建築物が多い。本研究では，これらRC建築物の特徴を加味したCO2固定量の予測方法の開発に取り組んでいる。
塗装を有するコンクリート部材のモニタリング
建材上の生物汚れの定量方法，および制御手法の開発
建物の利用者にとって美観性は建築物を評価する１つの基準である。一方，美観性の低下と力学性能など，その他の性能との直接的な関係性に関する調査研究は数が多くない。本研究では，天井ボードの汚れに着目し，美観性を低下させる原因ならびにそれが強度特性に及ぼす影響について検討を行った。
セッコウボード天井に生じた環状汚れ
建材選定による室内空間の微生物環境の制御手法の開発
カビや細菌，ウイルスなどの微生物由来成分は，呼吸器の深部まで到達しやすく，アレルギー反応を誘発し，体内で微生物が増殖した場合は重篤化を招く事例も知られている。
一方，現代の住環境に関する研究は，室内の温熱環境の快適性や断熱効率を重視した省エネ性に重きを置いたものが多く、衛生微生物学的な観点から病原微生物の繁殖を抑える環境を作るための方法はほとんど検討されていない。
本研究では，建築物を構成する材料種類に着目し，木造建築及び鉄筋コンクリート造建築（特に，打ち放し）の室内および室外環境において，①微生物環境に影響を与える材料学的条件（主として空隙構造と表層の含水率，およびpH）を明らかにすること，②病原微生物が繁殖しにくい材料および環境条件を明らかにすることを目的として，住環境に良い影響を与える微生物利用の基盤を確立する。
レンガ造建物における微生物サンプリング
セメント系材料における炭酸化過程のメカニズム解明（特に水分分布および微細構造変化の役割に着目して）
セメント系材料における炭酸化は，コンクリート構造物の耐久性低下の主要因の一つであるとともに，CO₂固定を通じてカーボンニュートラルに寄与し得る重要な現象である。しかしながら，材料内部で生じる水分移動，微細構造変化，および化学反応が相互に影響し合う複雑な現象であるため，その支配メカニズムは未だ十分に解明されていない。
そこで，本研究では，セメント系材料の細孔内における水分分布に着目し，炭酸化過程の水分状態と微細構造変化の関係を明らかにすることを目的とする。特に，乾燥および炭酸化の進行に伴う細孔内の水分量の変化挙動を把握し，炭酸化反応との関連性を検討する。
そのために，非破壊手法である片側NMRを用いて炭酸化深さ進展方向の水分分布を評価し，実験結果とメカニズム的考察を統合することで，炭酸化挙動の理解を深化させる。これにより，セメント系材料における炭酸化メカニズムの体系的理解を図るとともに，多様な材料および環境条件への適用を通じて，高耐久性および高CO₂固定性能を有する材料設計に資することを目指す。
Luge Cheng et al., 2025. “Mechanisms of change in accelerated carbonation progress in cement paste under different relative humidity conditions,” Cem. Concr. Res., vol. 195, no. November 2024, p. 107898, Sep. 2025, doi: 10.1016/j.cemconres.2025.107898.
Luge Cheng et al., 2024. “Plugging effect of fine pore water in OPC and LC3 paste during accelerated carbonation monitored via single-sided nuclear magnetic resonance spectroscopy,” Cem. Concr. Res. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2024.107688)
セメント系材料における炭酸化深さの予測モデルの構築
コンクリート構造物の耐久性評価および供用期間設計において，炭酸化深さの高精度な予測は重要な課題である。これまでに，水分移動挙動に基づく簡易モデルが炭酸化進行の記述に有効であることが示されているが，材料系や環境条件の違いに対する適用性には依然として課題が残されている。
そこで，本研究では，水分拡散挙動を考慮した炭酸化深さ予測モデルの構築を目的とする。これまでに行った研究では、限られたパラメータにおいて炭酸化フロントの進展挙動を再現可能なモデルにすでに落とし込んでおり，実験結果との良好な一致を確認している。
今後は，本手法を多様なセメント系材料および環境条件へと展開し，一般性および実用性の向上を図るとともに，耐久性評価および材料設計に適用可能な炭酸化深さ予測手法の確立を目指す。
L. Cheng, R. Kurihara, Z. Yang, T. Ohkubo, R. Kitagaki, A. Teramoto, Y. Suda, I. Maruyama, Accelerated carbonation fronts in cement pastes: Mechanistic insights and simplified modeling, Cem. Concr. Res. 199 (2026) 108050. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2025.108050)
セメント系材料におけるCO₂固定量の定量化および炭酸化ポテンシャルの評価
セメント系材料におけるCO₂固定は，カーボンニュートラルの実現に寄与し得る重要な特性として近年注目されている。一方で，炭酸化に伴うCO₂固定は実現可能であるものの，その支配メカニズムや影響因子については未だ十分に解明されておらず，異なる材料間で炭酸化ポテンシャルを統一的に評価することが今後の課題となっている。さらに，CO₂固定量の定量化に関する実験的・解析的手法は提案されているものの，環境条件，前処理方法，および微細構造変化の影響が複雑に絡み合うため，実用的なCO₂固定量の評価は容易ではない。
そこで，本研究では，炭酸化過程におけるCO₂固定量の定量化と炭酸化ポテンシャルを支配するメカニズムの解明を目的とする。実験的検討およびメカニズム的解釈を通じて，炭酸化挙動とCO₂固定特性の関係を明らかにする。
今後は，多様なセメント系材料を対象として炭酸化ポテンシャルを統一的かつ定量的に評価可能な枠組みの構築を目指すとともに，CO₂固定性能の向上を通じて，低炭素・カーボンニュートラル型建設材料の開発への貢献を図る。
Luge Cheng, Haruka Takahashi, and Ippei Maruyama, 2024. “Application of total carbon analysis for carbon dioxide fixation in cementitious materials,”
鉄筋コンクリートにおける炭酸化による鉄筋腐食メカニズムの解明および腐食速度予測
鉄筋コンクリートにおける炭酸化による鉄筋腐食は，構造物の耐久性および供用期間を支配する重要な要因である。これまでに腐食速度を評価するための経験的モデルが提案されているが，その支配メカニズムや環境条件および材料特性への依存性については未だ十分に解明されていない。特に，相対湿度および温度の変化に伴い，水分状態，細孔構造，および電気化学反応が相互に影響し合うことにより，腐食挙動の記述は一層複雑となる。
そこで，本研究では，電気抵抗率，腐食電位，および腐食速度といった電気化学的指標を統合的に評価することにより，鋼材腐食を支配するメカニズムの解明を目的とする。これらの知見に基づき，環境条件と材料特性の相互作用を考慮した機構ベースの腐食速度予測モデルの構築を現在進めている。
今後は，相対湿度および温度を制御した条件下で本手法の検証を行うとともに，電気化学特性と微細構造変化を結び付けたマルチスケールモデルへと発展させることを目指す。これにより，多様なセメント系材料および環境条件における鉄筋腐食速度の定量的予測を可能とし，鉄筋コンクリート構造物の健全性評価の高度化に資することを目指す。
Luge Cheng, and Ippei Maruyama. 2023. “A Prediction Method for the Corrosion Rate of Steel Rebar in Carbonated Mortar under Variable Environmental Conditions.” Journal of Advanced Concrete Technology. https://doi.org/10.3151/jact.21.611
Luge Cheng, and Ippei Maruyama. 2022. “Effect of Relative Humidity and Temperature on Steel Corrosion Rate in Chloride Contaminated Mortar.” Cement Science and Concrete Technology. https://doi.org/10.14250/cement.75.225
Luge Cheng, Ippei Maruyama, and Yuqi Ren. 2021. “Novel Accelerated Test Method for RH Dependency of Steel Corrosion in Carbonated Mortar.” Journal of Advanced Concrete Technology.)