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。
The influencing rules of (NS@KH570)@PCE modified nano-silica on the properties of cement-based materials
ナノシリカ（NS）はコンクリートの硫酸抵抗性向上に有効な材料と期待される一方で、その高い比表面積が粒子凝集や吸湿性を引き起こし、セメント系材料中で性能を十分に発揮できない課題を抱えていました。この凝集問題は、ナノシリカの均一な分散を妨げ、結果として材料の性能向上効果を弱める要因となっており、ナノシリカをいかに効率的に分散させ、その機能を最大限に引き出すかが、高性能なセメント系材料開発における重要な研究焦点となっています。
こうした背景の中、建設材料科学分野で発表された最新の研究は、この課題解決に向けた革新的なアプローチを提示しています。本研究では、化学ブレンド法を用いて、コアシェル構造を持つ二種類の新規ナノシリカ改質材料の開発に成功しました。一つは、ポリカルボン酸系高性能AE減水剤（PCE）とナノシリカ表面のヒドロキシ基を直接縮合させた「NS@PCE」構造です。もう一つは、シランカップリング剤であるKH570を介してナノシリカ表面をまず改質し、その活性基とPCEを結合させることで、二層グラフト構造を実現した「(NS@KH570)@PCE」です。これらの改質ナノシリカは、いずれもナノシリカの分散性を大幅に改善しましたが、特に(NS@KH570)@PCEはセメントのアルカリ環境下において、より優れた安定性と分散持続性を示すことが明らかになりました。機能的に改質されたナノシリカを添加することで、セメント系材料の流動性などのレオロジー特性が最適化されるだけでなく、強度や靭性などの機械的特性も飛躍的に向上し、吸水率も効果的に低減できることが実証されました。
様々なマクロ・ミクロ分析手法を用いた詳細なメカニズム解析の結果、改質ナノシリカがセメントの水和プロセスを促進し、主要な硬化生成物であるカルシウムシリケート水和物（C-S-Hゲル）の生成量を増やすことが判明しました。これにより、セメントペースト内部の細孔構造が微細化され、全体としてより緻密な構造が形成されることが、マクロな材料特性の包括的な改善につながっていることが解明されました。本研究で提示されたナノシリカの機能的改質手法は、高機能な建設材料を設計するための新たな道を開くものであり、高性能かつ持続可能なコンクリートやセメント系材料の開発に大きく貢献する可能性を秘めています。これは、建設分野の材料科学を進展させ、持続可能な社会基盤の構築に貢献すると期待されます。
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Preparation of calcium sulfoaluminate clinker with raw granular steel slag and phosphogypsum: Phase analysis, strength, and microstructure
近年、インフラ整備に不可欠なセメントは、その製造過程で大量の石灰石を消費し、CO2排出量の大きな要因となっていることが世界的な課題として認識されています。こうした状況を受け、環境負荷の低い次世代セメントの開発が喫緊の課題となっており、中でも速硬性と低炭素性を特徴とするカルシウムスルホアルミネート（CSA）セメントが注目を集めています。本研究は、このCSAセメントの製造において、産業廃棄物を有効活用することで、持続可能性と高性能を両立させる画期的な手法を提案するものです。
今回の研究では、リン酸製造時の副産物であるリン石膏（PG）、石炭火力発電所のフライアッシュ、そして製鉄所の転炉スラグ（BOFS）といった多様な産業副産物を原料として用い、低炭素なCSAクリンカーの合成に成功しました。特に、粗粒の転炉スラグを原料と鉱物混和材の二重の役割で活用した点です。最適な原料配合（石灰石33.5%、ボーキサイト11.9%、フライアッシュ9.7%、リン石膏17.0%、転炉スラグ37.6%）を1330℃で30分間焼結することで、50%以上の高い結晶性を持つイェーリマイト（C₄A₃S̅）を主成分とするクリンカーが得られました。得られたセメントは、1日で29～44 MPa、28日で104.8 MPaという優れた圧縮強度を示しました。転炉スラグの含有量を増やす（22.7～46.2%）ことで、遊離石灰が15.6%減少し、クリンカー硬度が20.7%向上することも確認されました。微細構造分析により、ケイ酸塩/メソ相に富む界面、鉄が支配的な再結晶領域、緻密なクリンカーマトリックスという3つの領域が特定され、相変化メカニズムの理解に貢献しています。
本CSAクリンカーは、従来のポルトランドセメントと比較し、石灰石使用量の大幅な削減により製造過程でのCO2排出量を51.5%も低減しました。これは、セメント産業の環境課題に対する具体的解決策を提示し、地球温暖化対策への大きな貢献が期待されます。産業廃棄物を高機能なセメント原料へ転換する本技術は、資源有効活用と環境負荷低減を両立させ、循環型社会実現への重要な一歩となります。今後、この低炭素CSAクリンカーの実用化により、建設業界における持続可能な材料選択肢が広がり、環境に優しい社会インフラ構築に大きく寄与することが見込まれます。
出典: DOIリンク（Cement and Concrete Research,Cement and Concrete Composites,Construction and Building Materials）
Explaining the discrepancy between design expectations and experiments on a tensile bolted joint for laminated glass
現代建築においてガラス構造の採用が拡大する中、その設計における安全性と材料利用の効率化は課題です。従来の構造設計手法、特に積層強化ガラスのような複合材料を用いる場合、理論的な強度予測と実際の実験結果との間に大きな乖離が生じることが指摘されていました。この不一致は、限られた実験データから信頼性の高い安全マージンを検証することを困難にし、結果として過度な安全率の設定や材料の非効率的な利用につながっていました。本研究が着目したのは、大型で非標準的な4層積層強化ガラスプレートのボルト接合部で顕在化した、設計上の期待強度が実際の試験結果を著しく下回るという問題であり、その原因究明と解決が求められていました。
このような背景のもと、本研究は、理論的な強度予測と実験結果の不一致を解消し、両者を整合させるための革新的な確率論的手法を提案しました。この手法は、構造物の故障確率と印加される試験荷重との間に定量的な関係を確立することで、たとえ全スケール試作品の実験データが限られていても、信頼できる安全マージンの検証を可能にします。本研究は、実験試験と確率論的力学を組み合わせ、従来の半確率論的設計で見過ごされた複数の変数の統計的相互作用を分析しました。具体的には、積層による冗長性、ガラス固有強度と熱強化による表面予応力の統計的干渉が耐力に与える影響を解明。この精密な分析により、従来の半確率論的アプローチを最大125%上回る強度予測が可能となり、実験結果との不一致を解消しました。このアプローチは、特定のガラス構造に限らず、他の構造システムにも広く適用可能です。
本研究で開発された予測手法は、構造ガラス設計における検証プロセスを抜本的に強化するでしょう。設計者は、この新しい手法を用いることで、少ない実験データでも信頼性の高い安全マージンを確立可能となり、過度な安全率設定による不必要な材料使用を削減し、材料利用の最適化を促進することで、建設コスト削減や環境負荷低減に貢献します。これにより、構造設計の過度な保守主義を緩和し、経済的で持続可能な、革新的な構造物実現への強固な基盤を築くものと期待されます。今後、この普遍的なアプローチが様々な構造システムに応用されることで、設計の精度と効率がさらに向上し、工学分野全体の進展に寄与します。
出典: DOIリンク（Cement and Concrete Research,Cement and Concrete Composites,Construction and Building Materials）