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。
Experimental validation of a phase-field damage model for quasi-brittle fracture and damage evolution in geopolymer concrete under varying curing conditions
近年、持続可能な社会の実現に向け、建築・建設分野における環境負荷低減が喫緊の課題となっています。その中で、普通ポルトランドセメント（OPC）コンクリートに代わる環境配慮型材料として、製造過程での二酸化炭素排出量を大幅に削減できるジオポリマーコンクリート（GPC）が世界的に注目を集めています。GPCの普及が期待される一方で、その機械的特性や耐久性は製造後の養生条件に大きく左右されることが知られています。しかし、GPCの破壊挙動に対する養生条件の影響についてはこれまで十分に解明されておらず、構造物の安全性や長期的な健全性を確保するためには、こうした材料の破壊特性を詳細に理解し、正確に予測する技術の確立が不可欠でした。
この課題に対し、本研究では、異なる養生条件および配合がGPCの準脆性破壊応答に与える影響を包括的に調査しました。詳細な実験的検証と、先進的な数値モデリング手法である位相場-凝集帯モデル（PF-CZM）を組み合わせたアプローチを採用。実験では、複数の配合のGPCに対し、相対湿度45%、65%、95%といった異なる湿度条件下で養生を行い、一定温度下でノッチ付き梁の3点曲げ試験を実施。GPCの破壊靭性、破壊エネルギー、特性長を評価しました。その結果、GPCの破壊抵抗は養生湿度が低下するにつれて顕著に減少し、相対湿度45%での破壊エネルギーは95%でのそれに比べ15.35%も減少するという定量的な知見が得られました。並行して、構築されたPF-CZMモデルは、単調載荷下のGPCの荷重-開口変位（CMOD）応答を8%未満の誤差で正確に再現し、実際の亀裂進展パターンも高精度に捉えることに成功しました。
本研究で確立された実験と数値モデリングの統合フレームワークは、GPCのような準脆性材料の破壊挙動を予測するための強力なツールとなり得ることを示しています。PF-CZMモデルの有効性が実験結果によって裏付けられたことは、学術的に大きな意義を持ちます。このモデルは、様々な環境条件下におけるGPCの構造性能を仮想的に評価することを可能にし、材料設計や構造設計の最適化に貢献します。得られた知見は、持続可能なセメントフリー材料の構造的な信頼性と耐久性を向上させるための実践的な指針を提供し、将来的な建築・建設分野におけるGPCの更なる普及と安全な利用を促進する上で極めて重要な意味を持ちます。本研究は、地球環境に配慮した次世代コンクリートの発展に大きく寄与するものです。
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Hydration kinetics and mechanism of cement pastes with PEGylated cellulose nanocrystals
現代建設において、高層建築や長寿命インフラの構築には、高性能・超高性能コンクリートに代表される低水セメント比のセメント系材料が不可欠となっています。これらの材料は優れた機械的特性と耐久性を誇る一方で、いくつかの課題を抱えています。特に、使用する水が少ないため材料の流動性が低く、施工が困難であるという問題に加え、セメントの水和反応が不十分かつ不均一になりやすいという根深い課題があります。セメントの強度は水和反応によって発現するため、この不完全性は材料本来の性能を損ない、コンクリート全体の品質低下やばらつきを引き起こしていました。この根本的な課題が、高性能セメント系材料のさらなる普及と発展を阻む障壁となっていました。
こうした低水セメント比セメント系材料の課題解決に向け、本研究では革新的なアプローチが提案されました。研究チームは、生体適合性と分散性に優れるポリエチレングリコール（PEG）を、高強度・高表面積を持つセルロースナノクリスタル（CNC）にグラフト化することで、新たな複合材料「ポリエチレングリコールグラフトセルロースナノクリスタル（PCNC）」を開発。このPCNCをセメントペーストに添加し、流動性と水和性能の向上を目指しました。研究チームはPCNC配合セメントペーストの流動性、圧縮強度、水和挙動について詳細な分析を行い、PCNCがセメント水和に与える影響とそのメカニズムを解明しました。
一連の実験結果は、PCNCがセメントの水和反応を劇的に改善し、より完全かつ均一な水和を促進することを明確に示しました。そのメカニズムとしては、PCNCがセメント粒子間に水やイオンの移動を促進する「ショートサーキット拡散」経路を提供すること、水和生成物の効率的な「核形成」を促すこと、そしてPCNCの立体構造による「立体障害」効果が水和生成物の緻密な成長を制御すること、が特定されました。これらの複合作用により、PCNCを添加したセメントペーストは、純粋なセメントやCNC改質セメントと比較して、流動性と圧縮強度の両面で顕著な改善を達成。特に、PCNCの最適な添加量は0.1%であり、この条件で流動性は10.73%向上し、28日圧縮強度は30.63%もの劇的な増加が確認されました。
本研究は、PCNCを用いたセメント水和促進の新たなメカニズムモデルを提示し、建設材料科学における重要なブレイクスルーをもたらしました。この技術は、低水セメント比セメント系材料の性能を飛躍的に向上させるとともに、施工性を改善することで、高性能コンクリートの普及と応用範囲の拡大に貢献する可能性を秘めています。より高い強度と耐久性を持つ構造物の実現、資源消費の効率化、ひいては建設分野全体の持続可能性向上に寄与する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）
Dutch-grown and secondary timber in cross-laminated timber (CLT): An experimental and analytical study
オランダは2030年までに、新規建設の30%でバイオベース材料を30%利用するという目標を掲げていますが、現状、構造用木材の多くを輸入に依存しており、これに伴うコストと輸送時の二酸化炭素排出が課題です。このため、オランダ産木材や解体木材などの二次木材といった地元資源の構造材としての可能性を探ることが不可欠とされています。二次木材の再利用には課題があるものの、オランダ産木材と同様にその供給量は増加が見込まれ、持続可能な建築材料としての期待が高まっています。積層材は、バージン材と二次材の最適な活用を通じ、バイオベース建築を促進する鍵です。このような背景から、本研究ではオランダ産および二次木材による循環型直交集成板（c-CLT）の構造性能と予測技術確立を目指しました。
本研究では、オランダ産のアッシュ材、ダグラス材、および二次利用のスプルース材をクロス層に用いた5層構造のc-CLTパネルを製造しました。各ラミネート材は応力波分析で評価され、そのデータがc-CLTパネルの性能予測モデルに活用されました。製造c-CLTパネルは、曲げ・面内せん断試験、そしてデジタル画像相関法（DIC）で詳細な構造性能と変形挙動が解析されました。これらの実験データは構築された分析モデルの検証にも用いられ、その精度が実証されました。分析モデルはDICデータと高い一致を示し、その予測性能が確認されたことで、曲げ剛性、せん断剛性、破壊荷重といったc-CLTの主要特性値の予測が実験値と高精度で合致しました。
この研究の結果、製造されたc-CLTパネルは、市販のCLTと比較して曲げ剛性で3%、曲げ強度で36%高い性能を示し、面内せん断強度においても同等の優れた特性を持つことが明らかになりました。これは、オランダの地元資源から生産されるc-CLTが、従来の輸入木材に匹敵、あるいはそれ以上の構造性能を発揮し得ることを明確に示しています。地元資源活用は、輸入コストやCO2排出量削減、持続可能な建築材料供給システムの確立に寄与します。また、確立された分析モデルは、地元産木材や二次木材を用いた積層材の性能を正確に予測する強力なツールとなり、今後のバイオベース建築推進の技術基盤を提供します。本成果は、循環型経済と環境負荷低減に貢献し、持続可能な社会構築への重要な一歩となるでしょう。
出典: DOIリンク（Cement and Concrete Research,Cement and Concrete Composites,Construction and Building Materials）