地質工学、地球化学、岩石学的分析を通じて、工学構造物に利用できるペルム紀後期の骨材資源の可能性を探る

Scientific Reports volume 13、記事番号: 5088 (2023) この記事を引用

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中国・パキスタン経済回廊（CPEC）はパキスタンで進行中の大規模建設プロジェクトであり、大規模な建設を促進するには骨材の新たな天然資源のさらなる探査が必要である。したがって、詳細な地質工学的、地球化学的、および岩石学的分析を通じて、建設利用の最適な方法を評価するために、骨材資源としてチドルおよびワルガル石灰岩の後期ペルム紀の地層が想定されました。地質工学解析は、さまざまな実験室試験を利用して、BS および ASTM 規格に基づいて実行されました。単純な回帰分析を使用して、物理パラメータ間の相互相関を確認しました。岩石学的分析に基づいて、ワーガル石灰岩は泥岩とワッケ岩に分類され、チドル層はワッケストーンとフロートストーンの微細相に分類され、どちらも方解石とバイオクラストの主成分を含んでいます。地球化学分析により、ワルガル石灰岩とチドル層には主な鉱物含有量として酸化カルシウム (CaO) が含まれていることが明らかになりました。これらの分析では、ワルガル石灰岩骨材はアルカリ骨材反応 (AAR) に対して脆弱ではないが、チドル層は AAR の影響を受けやすく、有害である傾向があることも示しました。さらに、決定係数と強度特性、たとえば一軸圧縮強度や点荷重試験は、バイオクラスト濃度と逆相関し、方解石含有量と直接関係していることが判明した。地質工学的、岩石学的、地球化学的分析に基づいて、ワーガル石灰岩はCPECなどの小規模および大規模建設プロジェクトの両方にとって重要な潜在的な供給源であることが証明されましたが、Chidru層骨材はシリカを多く含むため、特に注意して使用する必要があります。コンテンツ。

コンクリートの需要が高いため、大量の天然資源が必要とされ1、現代の建設には、細骨材から粗骨材、水、セメントを混合した基本的な要素としてコンクリートが必要とされており、これをしっかりと固める前に成形することができます。および固体の塊2。多くの土木プロジェクトでは、収縮を軽減して経済的利益をもたらすだけでなく、補強材として骨材を使用しています3。 Kim4 氏によると、コンクリートでは、骨材が混合物の 75 ～ 85% を構成し、アスファルト混合物が 93 ～ 95% を構成し、鉄道バラストと道路基盤が混合物のほぼ 100% を構成します。したがって、建設での広範な使用以外にも、骨材がコンクリートの強度と耐久性に影響を与えるため、骨材の化学的、物理的、機械的、鉱物学的特性を検査することが不可欠です5,6。石灰石は、地盤工学材料および砕石の集合体として、その物理的および機械的特性に基づいて建設業界で重要な役割を果たしています7。破砕された岩石骨材の物理機械的および耐久性の品質は、断層、風化、褶曲、熱水活動など、その後のプロセスや原岩の岩石学的特徴に大きく影響されます8。これらの物理機械的および岩石学的特性は、鉱物含有量、硬度、化学的安定性、気孔率、および組成によって影響を受ける可能性があります。骨材の組織、鉱物学的特徴、バイオクラスト、マトリックスの種類、微小破壊、および組織のタイプを特定するには、骨材の岩石学を分析することが重要です9。一部の学者は、骨材の岩石学的および物理的特性に基づいて、骨材の工学的品質について調査し、予測を行っています6,10。

地盤工学および岩石工学の分野では、主に一軸圧縮強度、ヤング率、引張強度、ポアソン比、点荷重試験などの機械的パラメーターに基づいたさまざまな岩石分類システムが使用されています。それにもかかわらず、岩石が建築材料としての使用に適しているかどうかを決定するのは、岩石の鉱物組成です1。骨材の品質に対する物理機械的品質の影響は最も重要であり、アルカリ骨材反応 (AAR)、耐久性、強度などのコンクリート関連の特徴以外にも考慮する必要があります11。 AAR12 を防ぐために適切な措置を講じないと、コンクリートの強度、性能、耐久性が損なわれる可能性があります。ひずみ SiO2 や CaMg(CO3)2 などの特定の反応性鉱物の存在下では、アルカリが反応して、それぞれアラクライシリカ反応 (ASR) とアラカリ炭酸塩反応 (ACR) を生成します 8,13。その後、長年の研究の結果、特定の凝集体は反応性があるだけでなく、凝集体と混合物の両方の周囲レベルで強力な結合を生成することが示されました。したがって、構造コンクリートの岩石学的分析および化学分析を使用すると、反応性および非反応性鉱物を検出し、反応リム、ケイ酸塩ゲル、ミクロ/マクロ/マクロ構造特性、および炭酸化を評価できます13。

パキスタンにおける骨材の主な供給源には、マルガラ丘陵から得られる石灰石、キラナ丘陵、カイバル地区丘陵からの骨材、ワルガル、サカサール、コハットの炭酸塩が含まれます12,14。パキスタンの主に暁新世と始新世の堆積遷移は、地質工学的利用と炭化水素探査の観点から極めて重要です。国道管理局 (NHA) は、大規模な中国・パキスタン経済回廊 (CPEC) プロジェクトの一環として、これらの骨材を利用して道路を建設しました。 CPEC プロジェクトは、パキスタンのグワダル港を経由して 70 か国以上を結びました17。 CPECには、道路、鉄道、光ファイバーの建設など、短期および長期のいくつかのプロジェクトが含まれていますが、国の急速な人口増加と小規模および大規模プロジェクトの開発によってもたらされる建設資材の需要が急増しています。、現在の総リソースが不足しています。したがって、建設活動の将来の需要を大幅に満たすためには、建設資源開発のための骨材などの見通しに関する多くの探索研究が必要である11。パキスタンの研究者は、骨材と石灰石に関するいくつかの研究を実施して、その機械的特性を研究し、工学的評価と骨材評価を行い、建設におけるそれらの使用を提案しました。 (例: Naeem et al.5; Naseem et al.18; Majeed および Abu Bakar19; Mustafa et al.20; Akram et al.20; Rehman et al.21; Ullah et al.22, Kamran et al.23; Zada et al.16. 物理化学的分析、地球化学的分析、および岩石学的分析は、建設用骨材の適合性を決定する上で重要な役割を果たします. この地域の重要性を念頭に置き、本研究ではこれらの分析を利用して、西塩山脈のザルーク・グループ（図1）を詳細かつ包括的な方法で調査し、CPECとパキスタンの現在の大規模な工学開発プロジェクトに対するこれらの集合リソースの実現可能性を評価する。さらに、この研究の結果は推奨事項を提供するだろう。岩石ユニットの機械的挙動とその後の掘削、地元の地盤工学および建設部門での使用を理解するための指示。

パキスタン、ソルト山脈の調査地域の位置図。

ポトワール盆地と塩山脈は、インドプレートの北方向への移動と、その後のユーラシアプレートとの衝突によって形成されました16。インドプレートの北中央部にある塩山脈は、インドプレートとユーラシアプレートの衝突によって形成された活発な褶曲帯と推力帯である24,25。ソルト山脈は、圧縮、変形、および伸長タイプの変形を継続的に経験します15、24、26。範囲フロントは、先カンブリア時代の蒸発岩と、新造山運動の沖積層と扇状物質の上に重なっている層によって特徴付けられます27。塩山脈西部の最古の岩石はニラワハン層群の石炭紀とペルム紀に起源を持ちますが、図 2 に示すように、先カンブリア時代の塩山脈の地層は塩山脈東部のより若い地層の上に堆積しました 28,29。範囲は先カンブリア紀から第三紀までのさまざまな時代に遡ります29,30。ゴンドワナ地域の中期から上部ペルム紀テチアン・ザルーク層群と下部ペルム系ニラワハン層群は、パキスタン塩山脈の石炭紀・ペルム紀系列によって分離されている5,31,32。

パキスタン、ソルト山脈の調査地域の地質学的および層序的環境。

ポトワール盆地では、ペルム紀の岩石は主にニラワハン層群の珪砕岩とザルーク層群の炭酸塩を多く含む岩石で構成されています。西部塩類帯では、海洋珪砕物と炭酸塩の混合岩相が上部ペルム紀ザルーク層群を構成しており33、図に示すようにAmb層の珪砕物性炭酸塩混合岩相、ワーガル石灰岩の炭酸塩、およびチドル層34の砕屑性炭酸塩混合岩相で構成されている。２．

ワルガル石灰岩は、新鮮な表面と風化した表面のそれぞれ灰色と黄色がかった灰色を示します。ワルガル石灰岩は細粒から中粒で、割れ目のある粒状のモザイク組織を特徴とし、中層から厚い層を持っています。西塩山脈のザルークナラとナンマル渓谷に沿って露出し、厚さ 130 の複雑な岩相を包含しています。 m35,36; 図2）。ワルガル石灰岩では、下にある Amb 地層との接触が明確に定義されており、最上部の頁岩層の上の地層の基礎的な砂質石灰岩で発生します 36。この地層には腹足類、二枚貝、三葉虫などの化石が報告されており、化石に基づくと、この地層はペルム紀中期全体に広がっていると考えられます36。

チドル層の石灰岩の風化色と新鮮な色はそれぞれ灰色とクリーム色の灰色で、石灰岩は細粒から中粒で、亀裂のある粒状のモザイク組織があり、中程度から厚い層状です。チドル層は、形状に適合し、段階的に変化する形でワーガル石灰岩と結合しています。西塩山脈に位置するチドル・ナラが基準産地として指定されています。この地域に存在する岩石の中で、山脈のふもとでは濃い灰色の砂質頁岩が優勢で、その上に石灰質砂岩と砂質石灰岩が続きます。チドル層の上部には白い砂岩層があり、この層を特徴づけています。塩山脈内では、岩石ユニットの最も厚い部分は 85 m です。腕足類、腹足類、鱗足類、アンモノイド類、コケムシ類、フスリ科などの数種類の化石がチドル層で報告されており、動物相と層序に基づくと、チドル層の年代はペルム紀後期である 36。

地質工学的および岩石学的分析を含む、ソルト山脈西部地域のワルガル石灰岩とチドル層の露頭部分について、詳細な地質現場および実験室調査が実施されました。これらの研究は、ペルム紀後期の岩石ユニットを調査し、それらの建築用途に対する総合的な可能性を評価することを目的としています。採用された地質工学的および地球化学的試験は、中国、武漢の中国地質大学で骨材（粗い）に対して実施されました。 20 個のブロックサンプル (体積約 0.10 立方フィート) から直径 35 mm、長さ 80 mm の多数のコアが、地層の物理機械的特性を確認するために露頭から収集された石灰岩のサンプルから掘削されました。石灰石の物理的および機械的特性を分析するために、粉砕された石灰石のサンプルが体系的な切断によって立方体の形状に作られました。実験室での作業は、米国州道路交通職員協会が設定した基準に基づいて実施されるいくつかの試験で構成されており、点荷重試験 (PLT)、ユニバーサル圧縮試験、吸水試験、骨材気孔率、比重試験 37、ロサンゼルス摩耗などが含まれます。値 (LAA) テスト 38、標準規格 (ASTM39) および岩石学に従った剥離性および伸びテスト。 PLT 試験は国際岩石力学協会 (ISRM39) の推奨に従って実施され、一軸圧縮強度試験用のコアボール盤を使用してバルクサンプルからコアサンプルが抽出されました。岩石学では、収集した岩石サンプルを薄片化し、厚さ約 0.03 mm の薄片を約 20 枚作成し、偏光顕微鏡で観察しました。従来の岩石学は、Scholle と Ulmer-Scholle 40 および Hussain et al.15 の方法とチャートを使用して実行され、鉱物含有量の推定には粒子計数技術が使用されました。

建設プロジェクトに推奨されているワルガル石灰岩とチドル層の骨材の適用を実証するには、規格 (ASTM C-3339) に基づいて多くの粗骨材および細骨材の試験を実行する必要があります。したがって、研究の主な目的を達成するために、粗骨材に関するいくつかの重要な試験が実施されました。

この試験は、鋼球が骨材との摩擦にどれだけ耐えられるかを確認することを目的としています41。ロサンゼルス摩耗値が低い骨材は、値が高い骨材よりも強いと考えられ、その逆も同様です3。ロサンゼルス摩耗値は、式 3 を使用して、the38 テストによって計算されました。 (1)。

骨材の品質に影響を与える重要な特徴の 1 つは風化です。浸漬、凍結、乾燥、解凍後の細孔容積の変化が少ない骨材が施工に推奨されます。サンプルの健全性試験を実行すると、不安定な骨材はマップの亀裂、D ライン、ポップアウトなどの有害な特性を示します 5,42。試験中に凝集体を Na2SO4 または MgSO4 溶液に浸漬した後、数回乾燥させました。骨材の健全性は、(ASTM C88-13)43 試験プロトコルに従って、式 1 を使用して評価されました。 (2)。

同体積の水と骨材の重さを比重で表します。石が吸収できる水の量は、石が水を保持する能力によって決まります。コンクリートは膨張により吸水量が増加することで劣化していきます。同様に、吸収される水の量が少ないと、岩石は分解されず、風化しません。 (ASTM C-127)44 に従って、骨材比重と吸水率は式 1、2、3 を使用して計算されました。 (3)と(4)。

岩石の耐久性は、その骨材の空隙率によって影響されます。岩石骨材の空隙率に影響を与える主な要因は次のとおりです。鉱物の形、大きさ、配置44．さらに、地球化学的および機械的プロセスは骨材の空隙率に影響を与えます。式 (5) を使用して、骨材の空隙率を計算しました。

単位重量が大きい骨材はより緻密になるため、空隙率が減少し、強度が向上します45。目付と嵩密度は主に形状、濃淡、表面粗さ、比重、角度により影響を受けます。この試験は、(ASTM C-29)43 に従い、式 (1) および 2) を使用して評価されました。 (6-8) 骨材のかさ密度を求めます。

突然の衝撃に対する骨材の相対的な耐性は、骨材衝撃値44で表されます。骨材は、崩れることなく衝撃に耐えられる十分な耐久性を備えている必要があります。造粒や崩壊に強い岩石は、骨材衝撃値が低くなります45。集計影響値は、規格 (BS-812)45 に従い、式 (1) を使用して評価されました。 (10)。

骨材破砕値は、徐々に加えられる圧縮荷重に対する骨材破砕の耐性を示します。より良い舗装品質を生み出すためには、より低い骨材破砕値を達成する必要があり、骨材は荷重下での破砕に耐えることができる必要があります。衝撃値は規格(BS-812)46に従い、式(1)を用いて計算した。 (10)

瀝青コンクリートおよびセメントコンクリートおよび路盤の建設では、薄片状で細長い粒子が大きな荷重下で固有の脆弱性を引き起こします。薄片性と伸びの観点から粒子の形状を評価するために、(BS 812)47、48 および式 47、48 に従って形状試験を実施しました。 (11) と (12) を定量化に使用しました。

岩石によって加えられる応力に耐える強度または能力は、所望の強度を持つ岩石を選択するために研究室で頻繁に測定されます49。 UCS は (ASTM D-7012)50 に従って計算されました。テスト値は式(1)を使用して決定されました。 (13)

ここで、P は荷重、A はコアの断面積です。

点荷重強度試験は、岩石の組成と特性に基づいて岩石の強度を決定するための指標として使用することを目的としています51。この試験では、試料を準備することなく、コア、ブロック、不規則な塊など、さまざまな種類の岩石サンプルを使用できます。 PLT は、国際岩石力学協会 (ISRM52) の推奨事項に従って実行されました。

バルクの岩石サンプルは、地球化学的評価のために実験室で破砕および粉末化するために使用されました。炭化タングステンボールミルを使用して、20 個のサンプル (各バルクサンプルから 3 個) を 0.075 mm (No. 200 ふるい) より細かく粉砕し、得られた粉末をポリエチレンの袋に密封して相互汚染を防ぎました。材料内の主な酸化物の濃度は、原子吸光分光計 (AAS) 3300、グラファイト炉および水素化水銀システム (MHS) を備えた Analyst 700、Perkin Elmer の UV/VIS 分光光度計 (SP-400 UV/VIS) を使用して測定されました。、Candra50によって説明されています。

反応性元素を含む骨材を含むコンクリートは、水酸化アルカリにさらされると反応する可能性があります。この反応性が非常に危険となるのは、それが大規模な膨張を引き起こす場合のみです53。骨材中には反応性のシリカ鉱物が多く含まれているため、ASR は ACR よりも考慮すべき重要な理由となっています。アルカリ反応性炭酸塩の骨材は、あまり見られない独特の組成を持っています。

コンクリート中のアルカリシリカの反応性は、コンクリートの損傷の潜在的な原因として 1930 年代後半から認識されてきました 51。炭酸塩骨材は、苦石（方解石）だけでなく石灰石（特にドロマイト）などの ACR に対して脆弱です。過剰な骨材の成長、亀裂、および脱ドロミット化が ACR 反応を定義します 54。 ACR 反応 54 の場合、基礎となるプロセス式は次のようになります。 (14)を使用します。

この手順では、アルカリ反応性を測定することにより、特定の炭酸塩岩（石灰岩、苦灰岩、方解石質粘土質苦石）がコンクリート骨材として使用するのに適しているかどうかを迅速に判断できます。サンプルの膨張率が 0.10% を超える場合、ACR の可能性がコンクリートの耐久性に悪影響を与える可能性があります55。

岩石学的分析は、偏光顕微鏡 (モデルオリンパス BX51) による薄切片の研究を通じて実行され、岩石/骨材の堆積および化学組成とその鉱物学を決定します。骨材中の反応性成分を特定するには、岩石学的調査がよく使用されます39。微細相分析は岩石単位の石灰岩を分類するために使用され、微細相の分類は石灰岩について確立された (Dunham-1962)55 のスキームに従いました。

ミネラル含有量は、モデル分析戦略を使用して計算されました。サンプルの鉱物組成は骨材材料の品質に大きく影響するため、考慮されました56。方程式 (15) を使用して、鉱物組成のパーセンテージを決定しました。

この式で、\({C}_{m}\) はパーセント (%) で表した鉱物組成であり、\({T}_{tm}\) は鉱物全体の合計カウント数です。

ASTM が推奨するアプローチと次の計算を使用して、式 1 を使用して骨材気孔率を計算しました。 (16)。

ここで、P は骨材気孔率です。 Wssd は飽和表面乾燥重量です。 Wod はオーブン乾燥重量、W は水中での重量です。

地質工学的資源としての利用、特に工学構造物における岩石ユニットの役割を解明するために、西部塩山脈に露出したワルガル層とチドル層のサンプルに対していくつかの統合分析が実行されました。モード鉱物の組成、セメント、粒子サイズ、粒子間の接触など、岩石の物理的特性に影響を与える要因がいくつかあります52。同様に、堆積岩の物理的および岩石学的属性は、その機械的特性に重大な影響を与えます9,52,57。実行される地質工学分析の一部は、岩石ユニットの物理機械的特性を理解するために相互に関連付けられます。ワーガル石灰岩とチドル層のロサンゼルス摩耗の値は、それぞれ 18.28 および 17.49% です (図 3、4)。これらの値は 40% 未満であり、許容範囲内であることを意味します。ワルガル石灰岩とチドル層の記録された健全性値は、それぞれ 2.44 および 2.35% のままです (図 3、4)。これらの結果は、両方の地層の岩石が凍結および融解の影響に対して十分に耐性があり、実現可能限界は 16% であることを示しています。

西ペルム紀後期ワルガル石灰岩、西塩山脈の地質工学的分析。

西ペルム紀後期チドル層、西部塩類山脈の地質工学的分析。

比重と骨材の強度の間には直接的な関係があり 58、吸水率は浸透性の直接的な指標となります 59。比重 2.55 以上の値を含む岩石は、大規模な建築工事に許容されるとみなされます 22,58。さらに、セメントコンクリートの最小要件は 2.60 です (Naeem et al.5)。ワルガル石灰岩とチドル層の比重と吸水率の値は、それぞれ 0.43 と 0.45%、2.63 と 2.59 に留まっています (図 3、4)。 ASTM 規格によると、これらの岩石の吸収能力は許容レベル (つまり 2%) 内です。この研究では、ワルガル石灰岩とチドル層の骨材間隙率の値は、それぞれ 1.74% と 1.91% でした (図 3、4)。 Zada et al.16 によると、両方の地層からの石灰岩サンプルは空隙率が低いにもかかわらず、岩石の機械的特性 (UCS) に悪影響を与えます。コンクリートに適用される骨材の単位重量は 1.20 ～ 1.75 g cm3 の間で変動する傾向があり、Wargal 石灰岩と Chhidru 層の分析サンプルの単位重量は、実質的にそれぞれ 1.74 および 1.79 g/cm3 の許容限界内にあります。エンジニアリングコンポーネントとして活用できます（図3、4）。

ワルガル石灰岩とチドル層の分析された衝撃値と骨材破砕度は、それぞれ 13.26 と 12.26%、13.84 と 10.78% のままです (図 3、4)。さらに、骨材効果値、特に 30% は許容範囲内と考えられ、骨材破砕値、正確に 30% はエンジニアリング材料としての利用の許容限度を大幅に下回っています。

粒子の形状は、材料の配置と圧密に影響を与えることにより、建設中の骨材の工学的特性に影響を与えます58,59。 Wargal 石灰岩と Chhidru 層のサンプルは、それぞれ指標値 16.09% と 12.53% (剥離性)、および 11.86% と 10.30% (伸び) で構成されており、両方の層の値は許容限度の 40% 内にあります (図 3、図 3)。 4)。

摩耗値は、自然条件および応力条件下での骨材の靭性を反映します60。ワルガル石灰岩のサンプルは、より高い UCS 値、つまり 95 MPa を超えるため、この地層のサンプルは固体岩石として分類できます。ワルガル石灰岩のコアサンプルで得られた最高硬度値は 99.2 MPa のままで、最低硬度は 87.7 MPa で、平均値は 95.56 MPa でした (図 3、4)。同様に、チドル層のサンプルも高い UCS 値、つまり 95 MPa を超えており、強い/硬い岩石として分類することもできます。 Chhidru 層のコアサンプルで得られた硬度の最高値と最低値はそれぞれ 97.2 MPa と 89.2 MPa で、平均は 93.42 MPa でした（図 3、4）。点荷重試験はワルガル石灰岩とチドル地層の両方で実施され、結果はワルガル石灰岩では 8.7 MPa、チドル地層では 7.08 MPa と記録されました。両方の地層の UCS および Point Laod 値は、ASTM および AASHTO の規定基準内にあります。この研究では、ワルガル石灰岩とチドル層からの石灰岩サンプルの物理機械的特性について回帰分析が実行されました。分析により、ロサンゼルス摩耗値、吸水率、および骨材衝撃値の間に直接的かつ有意な関係があることが明らかになりました。さらに、空隙率と骨材衝撃値との間にも同様の相関関係が観察された。これらの関係は確立された基準および先行研究と一致しており、現在の調査結果に信頼性を与えています。さらに、この研究では、剥離指数、伸び指数、および骨材衝撃値の間に反比例の関係があることがわかりました。これは、細長い破片の耐摩耗性が低いことを示唆しており、結果は以前の研究結果と一致しています。全体として、この研究の結果は石灰石の物理機械的特性に関する貴重な洞察を提供し、建設やその他の用途での石灰石の使用に関する決定に情報を提供する可能性があります。

Wargal 石灰岩骨材の物理機械的特性間の回帰分析。

Chhidru 層集合体の物理機械的特性間の回帰分析。

表 1 によると、調査地域の石灰石サンプルは、パキスタンのさまざまなよく知られた石灰岩鉱床からの石灰石サンプルと比較できます。ワルガル石灰岩とチドル層からの骨材の物理的および強度試験では、他の調査で見つかったものと同等または類似の結果が得られました5、21、23、42、61。強度が高い骨材は健全性、摩耗値、衝撃値、破砕値、気孔率が低い傾向にありますが、強度が低い骨材は健全性、ロサンゼルス磨耗値、骨材破砕値、骨材気孔率が高くなります5,62,63,64。研究された石灰岩の中で、ムザファラバード層 (MF) とマルガラヒル石灰岩 (ML) は 0.77% という最も低い健全性値を示し、劣化や細孔内の体積変化に対する高い回復力を示しました。しかし、カワガー地層 (KW)、シェカイ地層 (SH)、サマナスク地層 (SSF) などの他の地層の石灰岩は、最も望ましい骨材特性 13 を示し、これには 14.08 ～ 16.92 という最低のロサンゼルス摩耗値が含まれます。 %、骨材衝撃、吸水率、骨材空隙率、高比重の値はそれぞれ11.38〜14.90%、0.25〜1.04%、1.04〜2.12%、2.60〜2.77でした（表1）。この調査研究では、Wargal 層と Chhidru 層の最大骨材破砕値はそれぞれ 13.84 % と 10.78% でした。対照的に、Wargal および Chhidru 層の単位重量/かさ密度の記録された最小値は、それぞれ 1.74 および 1.73 g/cm3 のままです。 Wargal 石灰岩と Chhidru 層はどちらも、それぞれ 95.58% と 93.90% の中範囲の一軸圧縮強度値を持っています (表 1)。 Wargal 石灰岩と Chhidru 層の剥離性と伸びの値は、SSF と KW とほぼ同じ範囲でしたが (それぞれ 14.91 ～ 9.94%、16.09 ～ 11.80%)、他の石灰岩よりも低かったです。ロックハート石灰石 (LL) は、かさ密度 2.70 ～ 2.78 g/cm3 の最大値を持ち、比重はそれぞれ 2.63 と 2.59 で、他の石灰石とほぼ同等です。対照的に、Wargal および Chhidru 層の吸水率はそれぞれ 0.39 および 0.46 であり、KW、SH、SSF、WL、LL WL、MF5、16、23、42、61、62 に匹敵します。同様に、どちらの地層も KW、SH、SSF より大きく、ML および LL より若干低い総間隙率値を持ち、Wargal および Chhidru 地層の気孔率はそれぞれ 2.02 および 2.0% のままです。ワルガル石灰岩とチドル層の特徴的な属性には、健全性の値が低いこと、ロサンゼルス磨耗、骨材の衝撃、骨材の粉砕、およびバイオクラストの量が少ないことによる吸水、微小破壊（亀裂のような不連続性の存在、および岩石の層状化）が含まれます。体力を低下させます）。さらに、どちらの地層も比重が高く、骨材気孔率が低くなります。

地球化学分析の結果 (表 2 および 3) は、ワルガル石灰岩のサンプルには、1.99 ～ 2.65、0.01 ～ 0.1、0.65 の範囲の SiO2、TiO2、Al2O3、Fe2O3、MnO、MgO、CaO、Na2O の濃度が含まれていることを示しています。それぞれ –1.01、0.32 ～ 0.66、0.001 ～ 0.008、2.21 ～ 3.01、62.34 ～ 70.12、0.59 ～ 0.74。同様に、チドル層のサンプルにおけるこれらの濃度範囲は、それぞれ 4.5 ～ 13.64、0.033 ～ 0.077、0.63 ～ 0.99、0.55 ～ 0.76、0.002 ～ 0.007、2.01 ～ 2.89、61.32 ～ 64.33、0.21 ～ 0.55 で構成されています。 Wargal 石灰岩と Chhidru 層から採取されたサンプルは、平均 CaO (酸化カルシウム) 値がそれぞれ 57.12 % と 50.53% でした (表 2)。

この研究では、ワルガル石灰岩のサンプル中のシリカの割合は平均値 2.52% (表 2) と非常に低いままですが、チドル層のサンプル中のシリカの割合はワルガル石灰岩よりもはるかに高いままです。比較的、平均値は 10.60% でした (表 3)。コンクリート中のアルミナの含有量が増加すると、水を吸収する速度が増加し、その結果、コンクリートの硬化中に蒸発が起こる速度が増加し、ひび割れの増加につながり、最終的にはコンクリートの劣化が起こります65。したがって、アルミナは炭酸塩岩中の不純元素であると考えられます。ワルガル石灰岩とチドル層のサンプル中のアルミナの平均濃度は、それぞれ 0.8% と 0.77% ですが、この濃度はコンクリートの耐久性に影響を与えません。鉱物のドロマイトの形でマグネシウムが多く含まれている場合、ACR はより深刻になる可能性があります66。ワルガル石灰岩とチドル層のサンプルでは、酸化マグネシウムの平均値がそれぞれ 2.69% と 2.42% と低い値です。サンプルのカルシウム含有量も、平均値がそれぞれ Wargal 層と Chhidru 層で 25.29% と 20.80% であり、やや高い強熱減量 (LOI) 値に寄与しました。ワルガル石灰岩とチドル層の地球化学的発見は、骨材に関する以前の研究の地球化学的分析と一致しており、よく一致していることがわかりました。

Elçi ら 67 は、石灰石の化学的均一性を決定するための方程式 (式 17) を提案し、均一な石灰石は 95 以上の化学的均一性を有すると述べています。

式によると、 (17) より、Wargal 石灰岩は CaCO3 含有量が 95% を超える均質な石灰岩であるのに対し、Chidru 層は CaCO3 含有量が 95% 未満の不均質な石灰岩です。

溶解シリカ (Sc) およびアルカリ度の減少 (Rc) の平均結果 (3 回の測定から) は、さまざまな骨材について化学的方法によって得られました (表 1、2)。チドル層の骨材の Sc は溶解シリカの値が高く、これはチドル層の骨材の非晶質構造におけるシリカ鉱物の含有量が高いことを表しています。非晶質シリカ鉱物は非常に不規則な構造をしているため、高 pH 条件では不安定になります。一方、ワーガル石灰岩の骨材は、非晶質シリカ鉱物の含有量が低いことを反映して、溶解シリカの値が低くなります。 (ASTM C 289) 化学試験 (ASTM C 28968 から適応) に従って、平均 Sc 値と Rc 値で構成されるグラフがプロットされ、無害な骨材と有害な骨材の間の区分が示されています (青の実線の曲線)。 Sc と Rc の相関関係に基づいて、図 7 に示すように、Wargal 石灰岩の骨材では無害な挙動が見出されましたが、Chidru 層の骨材は有害な領域にとどまっています。

ワルガル石灰岩とチドル層の無害な性質。

Chhidru 層の骨材は最も高い Rc 値 (197.40 mmol/L) を示し、Wargal 石灰岩の骨材はより低い値 (191.20 mmol/L) を示します。 Chhidru 層で測定された Sc 値は 73.5 ～ 370.5 mmol/L の範囲で最高値を示しますが、Waragal 石灰岩で記録された 8.5 ～ 165.66 mmol/L の値は最低値です。これは、チドル層のサンプルのみがアルカリに対する反応性に関して有害であることが判明し、残りのサンプル（ワルガル石灰岩）は無害であると分類されたことを示す試験結果によっても確認されています。さらに、ASR に関しては、図 7 に示すように、ワルガル石灰岩のサンプルは、この岩石単位からの骨材が無害であり、したがって有害な影響がないことを示しています。ただし、ACR の重大なリスクは明白ではありません。チドル層の集合体も同様です。図 8 に示すように、試験サンプルの膨張値が (ASTM C-586)69 規格で定められた 0.10% 制限未満の場合、ACR が含まれていない可能性があります。炭酸アルカリの反応性を示す図 8 によれば、試験サンプルの膨張値は (ASTM C-586) 規格で確立された 0.10% 基準よりも低いため、試験サンプルには ACR が含まれていない可能性があります69。記録された強熱減量 (LOI) 値は、ワルガル層とチドル層のサンプルでそれぞれ 20.1 ～ 29.65% と 19.9 ～ 25.73% に留まっています。

ワルガル石灰岩とチドル層の ACR 反応性による長さの変化。

物理機械的特性に関する関係以外に、表 4、5 に示すように、主要な酸化物について相関関係が作られています。相関係数分析では、ワーガル石灰岩中の LOI と CaO の間に強い正の相関があることが示されており、これは次のことを示しています。純粋な石灰岩であるにもかかわらず、チドル層の LOI と CaO の間には弱い負の相関があり、チドル層の石灰岩は純粋ではなく、不均質石灰岩に分類されることを示しています。さらに、LOI と CaO は SiO2 と逆の関係を示します。方解石と CaO の含有量が増えると、骨材の強度と耐久性が向上し、セメント業界が要求する世界基準に適合します65。

CaO (方解石由来) と SiO2 (石英由来) が負の相関関係にあるという事実は、これら 2 つの鉱物相が無関係であり、別の鉱物相に由来することを示しています。方解石の炭酸塩成分は LOI の大部分を占めるため、LOI と CaO 濃度の間には大きな正の相関関係があります。さらに、SiO2 テーブルと負の関係を示します (表 5)。

岩石学と微細相分析に基づいて、ワルガル石灰岩とチドル層の岩相は、それぞれ泥岩、ワッケ岩、ワッケ岩と浮遊岩に分類されます。岩石学により、ワルガル石灰岩のサンプルは主に方解石によって特徴付けられ、その後に少量の粘土、石英、玉髄、およびドロマイトを含む微化石が続くことが明らかになりました。ワルガル石灰岩では、方解石濃度は 90 ～ 95% で変化し、ミクライトは 4 ～ 8%、粘土は 2 ～ 3% 残り、黄鉄鉱、褐鉄鉱、赤鉄鉱などの他の鉱物の濃度が微量に見つかりました。微小な亀裂に沿った変色は、鉄を含む稀なスタイロライトと鉱脈を含むワルガル石灰岩の一部のサンプルで広く見られた鉄の浸出の明らかな兆候でした。スタイロライトは、おそらく表土の圧力や地殻変動の結果として、岩石が化学的に圧縮されたことを反映しています。 Chhidru 層はワッケストーンとフロートストーンの微細相に分類され、主成分は方解石、ミクライトと微量の石英と合金成分で代表されます（図 9）。長石と石英鉱物の濃度は 2 ～ 15% の範囲に留まり、アロケムの存在量は 6 ～ 20% の範囲であり、方解石が 71 ～ 81% を占めます。 Ramsay70 氏によると、Chidru 層の石英含有量は 2 ～ 15% であり、コンクリートに使用するには反応性が高い可能性があります。骨材中の微結晶石英の量が 5% を超えると、コンクリートでの使用には危険になります。したがって、チドル層骨材はコンクリート材料として慎重に使用する必要があります。

三元プロット図は、ワルガル石灰岩とチドル層の分類を示しています。

岩石学では、両方の岩石ユニットの空隙率が低いことが明らかになりました（図10、11）。空隙率の値は、Wargal 石灰岩では 0.8 ～ 0.99%、Chidru 層では 0.40 ～ 0.77% の範囲です。ただし、微小破壊、バイオクラスト、スタイロライトなどの微小相のファブリックの特徴は、サンプルの多孔性の増加を引き起こす上で重要な役割を果たします。これは、Chidru 層よりも比較的高い気孔率を持つ Wagal 石灰岩に当てはまります。

西塩山脈のナンマル渓谷セクションで露出したワルガル石灰岩の顕微鏡写真。 (A) 太字の矢印が生物擾乱、およびウミユリ化石 (Cri) および石灰泥またはミクライト (mi) を示す泥岩岩微相を表します。 (B) 泥岩岩の微細相も示していますが、太線の矢印は未分化化石 (Fos) と、ミクライト (Mi) やバイオクラスト (Bic) を含むその他の特徴を表します。 (C) ワッケストーン微細相を表しており、石英 (Qtz) が太字の矢印で示され、方解石双晶 (Cal) がバイオクラスト (Bic) および新成孔 (Neo) の続成特徴とともに中央に見られます。 (D) は、ミクライト化石 (Mf)、新形質 (Neo)、マイクロスプライト (Ms)、およびミクライト (Mi) によって表されるワッケストーン微細相の概要も示しています。

ワッケストーンとフロートストーンの微細相におけるアロケミカルおよびオルトケミカルの存在量を表す、チドル層の代表的な顕微鏡写真。ここで、(A) アロケムはミクライト化化石 (Mf)、ミクライト化バイオクラスト (Mib) およびバイオクラスト (Bic) で示され、オルソケムはブロック状セメント (Blc)、ミクライトまたは泥 (Mi)、およびスパライトセメント (Sp) で示されます。 (B) は、二枚貝の化石 (Biv)、同種化学物質としての生物砕石 (Bic)、等不透明セメント (Isoc)、ミクリティックセメント (Mic)、および一部の石英粒子 (Qtz) を含むセメント、およびミクリティックマトリックス中の石英流入 (Qinf) を表します。泥。 (C) 化石棘皮動物 (Ech)、バイオクラスト (Bic)、ミクライト基質 (Mi)、スパライトセメント (Sp)、埋め込まれた石英 (Qtz、長石 (Fel)、および石英流入 (Qinf) を含む新形続成特徴 (Neo) を示します) (D) 微粒子化石 (Mf)、腕足動物の生物砕石 (Bic)、マイクロスペアライトセメントおよび石英 (Qtz)、方解石 (Cal)、長石 (Fel) および石英流入 (Qinf) の鉱物を表します。

物理機械的側面と岩石学に関するデータは、岩石学的特徴と工学的特徴の間の相互関係を調べるために回帰分析にプロットされました (図 12、13)。 Ramsay70、Hartley75、および Lees と Kennedy76 によれば、岩石学的特徴と微細構造は骨材の特徴に影響を与え、岩石の岩石学的特徴と組織的特徴はその機械的特性を制御します。集約ソース。回帰分析の目的は、点を介して計算された適合線からの測定点の二乗偏差を最小限に抑えることです。近似直線の方程式と決定係数 (R2) を決定するための計算も行われました。回帰モデルは、(R2) が 1 に近い場合の y の変動のほとんどを説明します。p 値が 0.05 未満である限り、モデルは有意であるとみなされます 71。図 12、13 は、岩石学的特性 (方解石、バイオクラスト、気孔率) と強度特性 (UCS) および点荷重試験 (PLT) との相関関係を示しています。

ワルガル石灰岩とチドル層の岩石学的内容と工学的特性 (UCS) の間の相関関係。

ワルガル石灰岩とチドル層の岩石学的内容と工学的特性 (PLT) の間の相関関係。

Wargal 石灰岩 (R2 = 0.96)、(R2 = 0.18) および Chhidru 層 (R2 = 0.90)、(R2 = 0.69) の方解石濃度と強度特性 (UCS) と点荷重試験 (PLT) の間には、有意な直線関係が見られます。 (図12、13)。しかし、Wargal 石灰岩 (R2 = 0.79)、(R2 = 0.14) および Chhidru 層 (R2 = 0.94)、( R2 = 0.87)、それぞれ。同様に、Wargal 石灰岩 (R2 = 0.80)、(R2 = 0.33) と Chhidru 層 (R2 = 0.94)、(R2 = 0.58)、それぞれ。パキスタン、イスラマバードのラムリ地域にあるマルガラヒル石灰岩 (ML) とロックハート石灰岩 (LL) を研究した Naeem ら 5、および始新世の炭酸塩を利用するための研究をした Asif ら 61 によっても、同じ特性が比較されました。エンジニアリング構造において。さらに、Zada et al.16 と Kamran et al.23 は、凝集体に関して同じ相関関係を作成し、同じ重要な結果を達成しました。現在の調査とは対照的に、UCS と方解石、および PLT と方解石含有量の間には同等の正の関係が存在し、UCS とバイオクラストおよび空隙率の間には逆相関が観察されます。同様に、SYA Shah et al.10 は、建設目的で骨材の物理機械的特性を調査した際に、UCS と気孔率の間に逆相関があることを発見しました。私たちの分析によると、UCS と岩石学的内容、および PLT と岩石学的内容の間の相関関係について得られたモデルは統計的に有意であり、p 値は 0.05 未満です。

岩石学的成分と機械的パラメータの間の相関は、すべての場合において低から中程度でした。 Wargal 石灰岩と Chhidru 層の骨材からの各サンプルの機械的応答を決定するために、UCS と PLT の値をミクロライトと方解石、同合金、および空隙率の累積パーセンテージに対してプロットしました。これらの結果は、ミクロライト/カルサイトの累積パーセント比率に直接対応する機械的パラメーターの同様の変動を示しています。対照的に、機械的特性は、累積気孔率および合金化率と反比例の関係にあります。

WA と LAV には有意な正の関係があり (図 5、6)、WA は AIV と直接的な関係があります (図 6、7)。これは、実質的に多孔質の骨材がより崩れやすく、その結果、骨材の耐力が低下することを示しています。材料。このような石灰岩では、AIV と IF の両方の間に有意な負の相関関係があり (図 5、6)、これは Zarif et al.72 の結果と一致しています。

空隙率は本質的に AIV に関連しており (図 5、6)、これは空隙率が増加すると機械的衝撃に対する耐性も強化されることを示しています。同様に、骨材の気孔率は材料の強度 (UCS) に悪影響を及ぼします。空隙の存在は、空隙周囲の応力集中により骨材の強度に影響を与えます62。すべての炭酸塩骨材の気孔率と LAV の間に有意な直接相関関係が観察され (図 5、6)、気孔率の増加が耐摩耗性の低下 (LAV の増加) をもたらすことを示しています。以前の研究によると、LAV と AIV の間にはかなりの正の関係が存在し (図 5、6)、これらの強度特性は両方ともすぐに変動します 72。 LAV と IE の逆関係 (図 5、6) は、細長い断片の耐摩耗性が低いことを示しています。

ペルム紀後期の炭酸塩 (ワーガル石灰岩とチドル層) から選択されたサンプルの物理的特性は、ロサンゼルス摩耗、健全性、比重、吸水率、空隙率、単位重量、骨材破砕値と骨材衝撃値、剥離性、および骨材の衝撃値の試験を通じて決定されました。伸び値とUCSとPLTの試験。ロサンゼルスの摩耗試験と健全性試験の結果は、両方の地層の岩石が凍結と融解の影響に対して十分な耐性を備えており、巨大建設プロジェクトの許容限度の範囲内で実行可能であることを明らかにしています。かさ密度、比重、吸水率、および空隙率を含む計算によると、水が石灰岩に浸透する可能性はなく、したがってモデル構造に損傷を与える可能性はありません73。この発見は、吸水能力と気孔率が低い建材の表面は、風や雨などの風化因子の影響をほとんど受けないか、まったく受けないことを説明しています。さらに、累積的な伸びおよび薄片状の指数値は、道路建設用に定義された安全範囲内にあります。

ワルガル石灰岩とチドル層の石灰岩の物理機械的特性間の回帰分析により、ロスアングルと吸水量と骨材衝撃値、間隙率と骨材衝撃値、間隙率とロスアングル摩耗値の関係が直接的で相関関係があることが示されました。そしてそのような関係は、定義された基準および以前の研究と一致しています73。同様に、骨材衝撃値と薄片性指数、および伸び指数との間には逆相関が観察され、これは細長い破片の耐摩耗性が低いことを示しており、結果は以前の調査研究とも一致しています74。

鉱物学的および地球化学的分析に基づくと、両方の地層の石灰岩サンプルは、シャーの以前の研究 (Yasir et al.10) で示されているように、セメント製造に必要な国際基準を満たす鉱物方解石と石灰泥、すなわちミクライトで大部分が構成されています。 (Naeem et al.5)、(Asif et al.61)、(Kamran et al.23)、(Zada et al.16)。ピアソンの相関分析により、CaCO3、CaO、LOI の間に正の関係があることが明らかになりました。さらに、ASR テストでは、ワーガル石灰岩が小規模および大規模な建設プロジェクトの骨材材料として使用するのに適切であることが実証されましたが、チドル層からのサンプルはアルカリシリカの濃度が高いためコンクリートでの使用には適しておらず、コンクリートに使用する必要があります。 Malahat et al.73 による以前の研究では、シリカ含有量の高い骨材は膨張率が高いためコンクリートに適さないと付け加えられているため、使用には注意が必要です。さらに、高い CaCO3 濃度、低いドロマイトおよびシリカ濃度の結果として、ACR と ASR WA および LAV には有意な正の関係があり (図 5、6)、WA はアルカリ骨材反応に悪影響を及ぼします。 AIV との直接の関係 (図 6、7)。これは、実質的に多孔質の骨材がより崩れやすく、その結果、材料の耐力性が低下することを示しています。ワルガル石灰岩とチドル層の石灰岩サンプルでは、AIV と IF の両方の間に有意な負の関係があり (図 5、6)、これは Zarif et al.72 の結果と一致しています。

この研究で実施された岩石学的分析によると、方解石の割合は石灰石の全体的な強度を増加させますが、空隙率とバイオクラストの割合はUCSとPLTの値を減少させることにより石灰石の機械的特性を低下させます。最大の気孔率を持つサンプルは最も低い UCS および PLT 値を持ち、最も低い気孔率を持つサンプルは最も高い UCS および PLT 値を持ちます。結果は、空隙率とバイオクラスト含有量が高くなるほど、石灰石サンプルの強度 (UCS および PLT) が低下するのに対し、方解石またはミクライトの量が多ければ石灰石サンプルの強度と安定性が向上することを明確に示しています。 Zada et al.16 によれば、カルサイトまたはミクライトが豊富に存在すると、岩石の安定性と強度が向上し、バイオクラスト含有量が高くなると、機械的特性 (UCS) が比較的弱くなります。同様に、彼らは、気孔率が高くなると相対的に強度（UCS）が低下することも付け加えた。 ASTM (C 295-12)75 ガイドラインに従った岩石学に基づくと、ワルガル石灰岩には潜在的に有害な鉱物が含まれていないため、研究された岩石ユニットは建設に適しており、道路や橋の骨材源としても適しています。一方、チドル層の石灰岩は骨材源として利用されており、コンクリート材料として利用するには細心の注意が必要です。 Zada ら 16、Asif ら 61、Kaybasi ら 76 の最近の研究でも、同じ結果が明らかになりました。

全体として、ワルガル石灰岩とチドル層の特徴的な特性には、生物砕片と微小破壊の量が少ないため、健全性、ロサンゼルス摩耗、骨材の衝撃、骨材の破砕、および吸水性の値が低いことが含まれます。さらに、どちらの地層も比重が高く、骨材気孔率が低くなります。したがって、岩石学的、地球化学的、および地質工学的分析に基づいて、ワルガル石灰岩は、道路、コンクリート、およびその他の地質工学的および工学的用途のための広範な天然資源として適切であると考えられます。それどころか、チドル層の骨材は、追加の添加物を加えて使用されるべきです。コンクリート建設プロジェクトでは、特定の有害な内容が存在するため、比較的注意が必要です。

この研究では、二畳紀後期のワルガル石灰岩と西塩山脈のチドル層の地球化学的、岩石学的、地質工学的特性が調査され、建設用骨材の潜在的な供給源としての適合性が評価されました。ワルガル石灰岩の地球化学的および岩石学的分析では、アルカリ骨材反応を引き起こす可能性のある有害物質は検出されませんでした。しかし、チドル層の地球化学的および岩石学的調査により、アルカリ骨材反応を引き起こす可能性のあるいくつかの有害物質が明らかになりました。そのため、地層の骨材をコンクリートに使用する場合には、より注意して使用する必要があります。ワルガル石灰岩とチドル層の物理機械試験の結果は、さまざまな国際基準を十分に満たしているため、工学/地質工学的構造物の建設に強く推奨できます。研究対象の岩石ユニットの物理的および機械的特性を評価するための室内実験から得られた結果は、単純な統計回帰を使用して分析されました。建設業界の骨材原料としての基準に適合するかどうかを判断するため、各種物理的特性の値をBSおよびASTMの規格と比較しました。 CaCO3、CaO、および LOI 間の関係は、ピアソンの相関法に基づいて、これら 3 つの変数間の強力な正の関係を明らかにしました。岩石学的特性と物理機械的特性の間の関係は、UCS と PLT が方解石含有量に直接関係し、空隙率とバイオクラストに逆相関していることを示しました。したがって、岩石学的、地球化学的、および地盤工学的分析に基づいて、ワルガル石灰岩は道路、コンクリート、およびその他の工学用途のための広範な天然資源として適切であると考えられます。一方、チドル層骨材はコンクリート建設では特に注意して使用する必要があります。特定の有害なコンテンツの存在によるプロジェクト。

実験室の分析では、ペルム紀後期のワルガル石灰岩とチドル層がさまざまな建設プロジェクトに使用できることが推奨されました。しかし、チドル層中に反応性石英や粘土などの有害成分が含まれていることを、XRD分析やアルカリシリカ反応試験のモルタルバー法などにより定量的に確認する必要がある。さらに、三軸圧縮強度、せん断強度、ヤング率、曲げ弾性率、せん断弾性率、電気抵抗、S 波、毒比、弾性率などの他の物理機械的特性を評価することで、実用的な性質をより明確に説明できる可能性があります。破断、およびさまざまなアスファルトテスト。

研究で提示されたデータは、筆頭著者および対応する著者からのリクエストに応じて入手可能です。

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著者らは、この記事の改訂と貴重な提案をいただいた Yi Luo 博士、Wajid Ali 博士、および Paba Herath 博士に非常に感謝しています。

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張嘉明への通信。

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転載と許可

Hussain、J.、Zhang、J.、Iqbal、SM 他。地質工学、地球化学、岩石学的分析を通じて、ペルム紀後期の骨材資源を工学構造物に利用できる可能性を探ります。 Sci Rep 13、5088 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-32294-0

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受信日: 2022 年 9 月 26 日

受理日: 2023 年 3 月 25 日

公開日: 2023 年 3 月 29 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32294-0

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