Cement and Concrete Research,Cement and Concrete Composites,Construction and Building Materials を中心に、キーワード「Alkali-activated materials」に関連する新着論文 3 本の要点をまとめました。
Carbon sequestration in cementitious composites containing two-step thermochemically activated biochar
セメント産業は、その製造過程で大量の二酸化炭素（CO2）を排出しており、地球温暖化対策の観点から排出量削減が喫緊の課題となっています。この問題に対し、バイオマスを炭化したバイオ炭をセメント系材料に添加することで、CO2排出量を抑制しつつ炭素を固定化する技術が注目されています。しかし、従来のバイオ炭利用技術では、セメント材料の性能向上とCO2固定効率のさらなる改善が求められていました。特に、バイオ炭の製造条件、中でもその活性化プロセスがセメント系材料の水和挙動、機械的強度、そして最も重要なCO2固定能にどのような影響を与えるかについては、詳細なメカニズムが十分に解明されていませんでした。本研究は、この課題に応えるため、異なる活性化処理を施したバイオ炭がセメント系複合材料のCO2固定能、水和挙動、機械的強度、および収縮挙動に与える影響を包括的に評価し、高機能なバイオ炭セメントの開発を目指しました。
研究チームは、バイオ炭の活性化方法として、単純な熱処理のみを施したバイオ炭（TTBC）と、水酸化カリウム（KOH）を用いた化学的活性化を伴う二段階熱化学処理を施したバイオ炭（KBC）の二つを比較検討しました。TTBCでは異なる温度で処理を行い、KBCではこれらの温度に加え、バイオ炭とKOHの比率を変えて処理を実施しました。その結果、KBC、特に高温度で活性化されたものは、TTBCが主にミクロ細孔を主体とするのとは対照的に、高いマクロ細孔容積と豊富な酸素含有官能基を持つことが明らかになりました。特に750°Cで活性化されたKBCは、高い表面積と構造的無秩序性、酸素リッチな官能基の存在により、セメントペーストの水和速度を加速させ、セメントの総水和量を従来の処理方法と比較して30～51%も大幅に向上させることに成功しました。KOH活性化は、炭素の燃焼を促進し、メソ・マクロ細孔を大幅に増加させることでCO2の拡散経路を拡大し、バイオ炭セメントのCO2固定能をTTBCと比較して17～45%も高める効果をもたらしました。さらに、バイオ炭とKOHの最適な比率のKBCは、セメント中の細孔容積を減少させ、初期強度を16～37%、長期強度を22～45%向上させることに貢献しました。加えて、KOH活性化によって残留するカリウムがポルトランド石結晶を大型化させ、セメントの総収縮を15～38%抑制し、材料の安定性向上にも寄与することが確認されました。
本研究で確立された二段階熱化学活性化処理を施したバイオ炭の活用は、セメント系材料におけるCO2固定技術の性能を飛躍的に向上させる画期的な成果です。バイオ炭の細孔構造と表面化学特性を緻密に制御することで、セメントの水和反応、CO2固定能力、機械的強度、寸法安定性といった複数の重要な性能指標を同時に改善できることを実証しました。これは、単にCO2を固定するだけでなく、より高性能で耐久性のあるグリーンコンクリートの開発に向けた新たな道筋を示すものです。本技術は、セメント産業が直面する環境負荷の問題に対し、再生可能な資源であるバイオ炭を活用した実用的な解決策を提供し、建設分野における炭素排出量削減に大きく貢献する可能性を秘めています。将来的には、この高性能バイオ炭セメント複合材料が、建築物やインフラへの広範な応用を通じて、持続可能な社会の実現と気候変動対策の推進において重要な役割を果たすことが期待されます。
出典: DOIリンク（Cement and Concrete Research,Cement and Concrete Composites,Construction and Building Materials）
Reaction kinetics and microstructure evolution of tuff-based geopolymers with feature properties
現代社会において、セメント製造に伴う大量の二酸化炭素排出は喫緊の環境課題であり、その代替となる持続可能な建築材料の開発が強く求められています。この点で、産業廃棄物や未利用資源を原料とするジオポリマーは、低炭素型材料として大きな注目を集めています。特に、世界中に豊富に存在する凝灰岩を主原料とするジオポリマーは、資源の有効活用とコスト削減の観点から非常に有望です。しかし、凝灰岩ベースのジオポリマーについては、その複雑な反応プロセスや生成する微細構造が材料特性にどう影響するか、また、組成が特性に与える影響の詳細なメカニズムは、これまで十分に解明されていませんでした。
本研究は、この課題に対し、凝灰岩ベースのジオポリマーの高カルシウム系と低カルシウム系における反応速度論、微細構造制御、性能最適化を探る「マルチスケール組成設計戦略」を提案しました。具体的には、アルカリ溶液中でのAl・Si溶出と相構造遷移をin-situラマンマッピング分光法でリアルタイム追跡、1H低磁場核磁気共鳴（NMR）や等温熱量測定（ICC）で反応プロセスを詳細に解析しました。さらに、SEM-EDS、XRD、MIP、TGAといった多角的な手法で微細構造をキャラクタライズし、in-situフーリエ変換赤外分光法（FTIR）により反応メカニズムと安定性に深い洞察を得ました。これらの先進的分析手法を組み合わせることで、これまでの研究では捉えきれなかった反応過程と微細構造形成のメカニズムを、かつてない精度で解明しました。
分析の結果、凝灰岩ベースのジオポリマーの特性がカルシウム含量によって大きく異なることが明確に示されました。高カルシウム系システムでは、優れた作業性（流動性、凝結時間）と高い圧縮強度を発揮。微細構造は、溶液中のゲル核と、高炉スラグ（GGBS）・凝灰岩を結晶核とするC(N)-A-S-Hゲルの表面成長が特徴でした。一方、低カルシウム系システムでは、優れた曲げ強度を示し、N-A-S-(H)ゲルの三次元アモルファスネットワーク構造が主体で、凝灰岩粒子が主要な構造骨材となることが判明。これにより、カルシウム含量の違いがゲル生成メカニズムと形成されるネットワーク構造、ひいては材料の物理的特性を決定づけていることが包括的に実証されました。
本研究で確立されたマルチスケール組成設計戦略と得られた知見は、凝灰岩ベースのジオポリマーの多様な設計に向けた極めて価値のある指針を提供します。高強度や靭性・ひび割れ抵抗性など、特定の用途要件に応じた最適な組成設計と特性予測・制御を可能にします。これにより、未利用資源である凝灰岩を活用した持続可能な建築材料の実用化と普及が大きく加速されると期待されます。本成果は、他のジオポリマーシステムにおける材料設計研究にも応用可能な汎用性の高いアプローチであり、今後の環境配慮型材料科学の発展に大きく貢献するものです。
（994字）
出典: DOIリンク（Cement and Concrete Research,Cement and Concrete Composites,Construction and Building Materials）
Apparatus for measuring concrete deformation under constant load at transient elevated temperature
火災時など急激な温度上昇に晒されるコンクリートの変形挙動を正確に理解することは、建築物の安全性確保や耐火設計の最適化において極めて重要である。過渡的高温下でのコンクリート試験に関する既存のガイドラインは具体的な推奨事項を示すものの、その実践には多くの技術的課題が残されていた。特に、長期間にわたる定荷重の安全な印加、試験体内部の熱勾配の効果的な最小化、そして信頼性の高い正確なひずみ測定が困難であり、従来の試験方法では十分な信頼性を確保することが課題となっていた。こうした信頼性の問題は、高温環境下でのコンクリート構造物の挙動予測を不確かなものとし、より安全で効率的な設計を妨げる要因となっていた。
こうした背景を受けて、本研究は過渡的高温と一定荷重下におけるコンクリートのひずみを高精度に測定するための革新的な試験装置を開発した。この新しい装置は、従来の課題に対する効果的な解決策を導入している。第一に、受動的に制御される荷重維持システムを採用することで、長時間の試験においても安全かつ安定した定荷重印加を可能にした。これは、自己反力型荷重フレームに油圧シリンダー、力増倍器、レバーアームシステムを組み合わせることで実現され、最大600℃の高温下で安定した圧縮荷重を維持できる。第二に、荷重プラテンの設計、試験体サイズ、および加熱速度を最適化することで、試験体内部の熱勾配を最小限に抑え、熱による材料損傷のリスクを低減している。具体的には、荷重プラテンには穴加工と熱遮断材が施され、炉の熱性能や試験体の軸方向の温度分布への影響を最小限に留めている。第三に、高温下でのコンクリートの縦方向および横方向のひずみを精密に測定するため、2D点追跡法を導入した。この非接触測定技術は、従来の接触型測定方法と比較検証され、その高い精度と信頼性が確認されている。
本研究によって開発された試験装置とそれに付随する試験手法は、過渡的な熱荷重を受けるコンクリート材料の特性評価において、より信頼性の高いデータ取得を可能にする画期的な進歩である。この新しいアプローチは、火災時などの極限状態におけるコンクリート構造物の挙動予測精度を大幅に向上させ、建築物の耐火設計基準の改善や安全性向上に大きく貢献することが期待される。将来的には、本装置によって得られる詳細なデータが、新たな高性能コンクリートの開発や、既存インフラの耐火性能評価に活用されることで、社会の安全と持続可能性に貢献する広範な波及効果を生み出すだろう。
出典: DOIリンク（Cement and Concrete Research,Cement and Concrete Composites,Construction and Building Materials）