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。
Inducing the formation of organic-inorganic carbonated composites via extracellular polymeric substances (EPS)-modified carbonation in low-calcium CO2 sequestration materials
地球温暖化対策が喫緊の課題となる中、大気中の二酸化炭素（CO2）を回収・貯留、あるいは有効活用する技術開発は世界中で活発に進められています。特に、製鉄スラグや火力発電所の石炭灰といった廃棄物などから得られる低カルシウム材料を利用したCO2の炭酸化固定化は、資源循環の観点から有望視されている一方、その効率性や固定化された材料の機械的強度の向上には課題が残されていました。また、CO2の固定化を促す従来の微生物を用いた炭酸化技術では、微生物が分泌する酵素の活性が環境条件によって不安定になることがあり、これが安定した性能達成の障壁となるという根本的な問題も存在していました。
このような背景のもと、本研究は、細菌の代謝過程で分泌される多糖類やタンパク質を主成分とする高分子化合物である細胞外高分子物質（Extracellular Polymeric Substances, EPS）に着目し、低カルシウムCO2固定化材料における炭酸化プロセスへの影響とその改質効果を詳細に検討しました。その結果、EPSの導入が炭酸化された材料の性能を劇的に向上させることが明らかになりました。具体的には、EPSを添加することで、炭酸化サンプルの圧縮強度は従来の2.21 MPaから32.90 MPaへと飛躍的に向上し、約15倍もの改善が見られました。同時に、CO2炭酸化度も4.44 wt%から11.51 wt%へと大幅に増加し、より多くのCO2が材料中に固定化されることが示されました。
この驚異的な強化メカニズムは、EPSに含まれる酸性アミノ酸が鍵を握っていることが本研究で解明されています。酸性アミノ酸は、材料中のカルシウムイオン（Ca2+）の溶出を効果的に促進するだけでなく、システム内の遊離水を吸着する特性も持っています。これにより、EPSはアモルファス炭酸カルシウム（ACC）の核生成サイトを多数提供し、その場で有機-無機複合炭酸化材料の形成を誘発します。この有機-無機複合体の形成が、材料の細孔構造を最適化し、結果として圧縮強度と炭酸化度の両方を向上させる要因となったと考察されています。本技術は、従来の微生物炭酸化が抱えていた酵素活性の不安定性という根本的な問題を克服し、より安定かつ高性能なCO2炭酸化効果を実現する新たな道を開くものです。この革新的な研究成果は、低カルシウム材料の有効利用を促進し、CO2排出量削減に大きく貢献するだけでなく、CO2を固定化しつつ高強度な新規複合材料を創出するという、環境と産業双方に資する画期的なアプローチを示しています。将来的には、持続可能な建設材料の開発や、様々な環境技術への応用が期待され、地球規模の課題解決に向けた重要な一歩となるでしょう。
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Chloride transport in concrete on the side of anchorage zone under drying-wetting cycles
プレストレストコンクリート構造物は、その高い性能からインフラの重要な構成要素として広く利用されています。しかし、これらの構造物の耐久性確保には塩害対策が不可欠であり、特にPC鋼材の定着部であるアンカーゾーンは、応力集中が著しく、その複雑な多次元応力状態が塩化物イオンの侵入挙動に大きな影響を与えることが知られています。従来の耐久性評価手法では、このような複雑な応力状態と環境変動が複合的に作用する領域における塩化物挙動を正確に捉えることが困難であり、構造物の長期的な信頼性確保における課題となっていました。特に、乾湿繰り返し環境下での塩化物輸送は、コンクリート内部の水分移動を伴うため、そのメカニズムは一層複雑さを増します。
本研究は、この課題に対し、実験と数値解析を組み合わせた多角的なアプローチを展開しました。まず、プレストレストコンクリートT梁のアンカーゾーンを模擬した供試体を用い、乾湿繰り返し条件下での一次元促進塩化物拡散実験を実施。乾湿サイクルの期間とアンカーゾーン内の応力状態が塩化物分布に与える影響を詳細に調査しました。この実験的知見に基づき、不飽和コンクリート中の塩化物イオンの対流-拡散現象を多次元応力状態下で解析できる新しい数値モデルを有限体積法（FVM）を用いて構築。提案されたモデルは、実際の実験データと照合することでその高い精度が検証されました。さらに、このモデルを用いて、スポーリング応力ゾーンにおけるコンクリート中の塩化物イオン分布や対流ゾーンの深さに影響を及ぼす様々なパラメータの影響を体系的に分析しています。
具体的な成果として、長期にわたる乾湿繰り返しサイクルが、局部支圧応力ゾーンと割裂応力ゾーンの両方で塩化物侵入を増幅させることが明らかになりました。また、コンクリートに作用する応力状態が塩化物濃度に大きく影響し、縦方向および垂直方向の圧縮応力が低い特定の条件下では塩化物濃度が平均17.6%減少する一方、縦方向圧縮、垂直方向引張、および縦・垂直面内せん断応力が特定の条件下では平均31.6%の増加が見られることが定量的に示されました。さらに、本提案モデルは、既存の数値モデルと比較して予測精度が約11.7%向上しており、乾湿サイクル比が垂直引張応力や表面塩化物濃度、初期含水飽和度といった他のパラメータに比べて塩化物濃度分布への影響が小さいという新たな知見も得られています。これらの成果は、プレストレストコンクリート構造物のアンカーゾーンにおける塩害劣化メカニズムの理解を深め、より精度の高い耐久性設計や適切な補修・補強計画の策定に資するものです。これにより、構造物全体の長寿命化と安全性の向上に大きく貢献することが期待されます。
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Experimental and theoretical investigation of low-shrinkage alkali-activated materials permanent formwork reinforced concrete prisms under axial load
**次世代低炭素材料AAMの実用化に道筋：低収縮永久型枠がコンクリート柱の強度と延性を革新**
地球環境負荷の低減が喫緊の課題となる中、建設分野ではセメント使用量を大幅に削減できる「アルカリ活性材料（AAM）」が、低炭素型の次世代建築材料として大きな注目を集めています。AAMは、優れた圧縮強度と高い耐食性を備える一方、急速硬化や低い施工性、とりわけ高い乾燥収縮率が実用化の障壁となっていました。プレキャスト永久型枠への応用はこれらの課題の一部を緩和し、構造耐久性向上に寄与しますが、乾燥収縮の問題が依然として広範な普及を阻んでいます。来たる2025年11月に発行予定の学術論文では、この課題を克服し、低乾燥収縮性と優れた施工性を両立させた「アルカリ活性材料永久型枠（AAMPF）」を開発、その構造応用と理論基盤の確立を目指した画期的な研究成果が報告されています。
本研究は、実用的な特性を持つAAMPFを実現するため、水結合材比、前駆体組成、各種添加剤の綿密な最適化実験から始めました。開発したAAMPFを用いた補強コンクリート柱（PFNC）と、炭素繊維織メッシュ（CFWM）で補強した複合柱の単軸圧縮性能を定量的に評価。その結果、AAMPFが補強コンクリート柱の耐荷重能力を飛躍的に向上させ、さらにCFWMによる拘束が柱の軸方向強度と延性を一段と高めることが確認されました。加えて、PFNCの界面せん断摩擦特性を詳細に解析し、AAMの軸応力下における弾性変形のサイズ非依存性と、塑性変形のサイズ依存性という独自の変形メカニズムを解明しました。これらの知見に基づき、研究チームはサイズ効果を組み込んだ拘束複合柱の軸応力-ひずみモデルを提案しています。
この新たな理論モデルは、低炭素で高性能なAAMPFを実際の建築構造物へ適用する上で不可欠な理論的基盤と設計ガイドラインを提供します。本研究は、AAMの潜在能力を最大限に引き出し、その実用化を大きく加速させるものであり、持続可能な建設産業の発展と地球環境負荷のさらなる低減に貢献する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）