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。
Feasibility of fly ash-based geopolymer as a sustainable alternative to cement in concrete production
現代社会のインフラを支えるコンクリートは不可欠な材料である一方、その主成分であるセメントの製造過程で大量の二酸化炭素を排出するなど、環境負荷の高さが長年の課題となっている。持続可能な社会の実現に向け、環境負荷の低い代替材料の開発は喫緊の課題であり、特に石炭燃焼後に生じる産業廃棄物であるフライアッシュ（石炭燃焼灰）の有効活用は、廃棄物削減と資源循環の両面から注目されている。本研究は、このフライアッシュをベースとしたジオポリマーを、従来のセメントに代わる持続可能な代替材料として評価することを目的としている。
具体的には、本研究では超疎水性フライアッシュをベースとするジオポリマーのセメント代替材としての可能性を詳細に探った。フライアッシュをPFDS、CS、WFNSという3つの異なる方法で表面修飾し、その特性に与える影響を比較検討した。その結果、PFDS法およびWFNS法で修飾されたフライアッシュ（FA-PFDS、FA-WFNS）は、低エネルギー基による表面改質が成功したことで、顕著な超疎水性を示すことが確認された。これらの修飾フライアッシュは、未修飾フライアッシュと比較して吸水率が大幅に低下し、耐水性が向上したことが明らかになった。特筆すべきは、セメント試料にFA-PFDSを40%添加した場合、圧縮強度が16.3 MPaを達成し、FA-WFNSを40%添加した場合も15.1 MPaと、いずれも未修飾フライアッシュを40%添加した場合の12.6 MPaを大きく上回る優れた機械的性能を示した点である。一方、CS法で修飾されたフライアッシュ（FA-CS）は、吸水率の有意な低減には至らず、圧縮強度にも悪影響を及ぼす結果となった。これらの成果は、X線回折（XRD）およびフーリエ変換赤外分光法（FTIR）による微細構造解析によっても裏付けられている。
本研究の成果は、超疎水性フライアッシュベースのジオポリマーが、従来のセメントに代わる有望で耐久性があり、持続可能な代替材料となり得ることを強く示唆している。これにより、建設業界における環境負荷の低減に大きく貢献し、産業廃棄物であるフライアッシュの高度な再利用を促進する道を開く。将来的には、この革新的な技術がセメント生産に伴うCO2排出量削減に貢献し、より環境に優しい社会インフラの構築に寄与することが期待される。持続可能な建材ソリューションの選択肢を広げる上で、本研究は極めて重要な一歩となるだろう。
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Research on the evolution mechanism of freeze-thaw damage in hydraulic concrete under different curing humidity conditions based on NMR
地球規模での気候変動が進行する中、乾燥、半乾燥、そして高原といった特殊な環境下での治水・水力発電プロジェクトの規模が拡大しています。しかし、これらの地域は、慢性的な低湿度と極端な日中温度差という厳しい自然条件に直面しており、それに伴い水理コンクリート構造物の長期的な耐久性確保が喫緊の課題となっています。特に、凍結融解による損傷はコンクリートの性能劣化の主要因であり、そのメカニズムを深く理解し、対策を講じることは、これらの重要インフラの安全性と持続可能性を保証するために不可欠です。本研究は、異なる養生湿度が水理コンクリートの凍結融解耐久性に及ぼす影響を、その微細な細孔構造変化との関連において包括的に解明し、定量的モデルを構築することを目的としました。
研究では、20%RHから95%RHまでの幅広い養生湿度条件を設定した水理コンクリートサンプルに対し、凍結融解サイクルの影響を詳細に分析しました。核磁気共鳴（NMR）技術を駆使して、コンクリート内部の気孔率と細孔径分布の経時的変化を定量的に捕捉し、さらに走査型電子顕微鏡（SEM）を用いて微細構造の変化を視覚的に捉えました。その結果、養生湿度が低い環境下では、コンクリートの水和プロセスが阻害され、その結果としてマイクロポアやメソポアといった微細な細孔の体積が減少し、代わりにマクロポアや微細な亀裂の割合が増加することが明らかになりました。これらの構造変化は、コンクリートの脆弱性を高め、凍結融解に対する抵抗性を著しく低下させる「有害細孔」の増加に直結します。凍結融解サイクル数が増加するにつれて、気孔率は顕著に増大し、NMRのT2スペクトルに見られるピークの高さと面積が明確に上昇するとともに、コンクリート内部の亀裂が急増し、質量損失率が増加し、相対動弾性係数（RDME）が顕著に低下することが確認されました。さらに、本研究の重要な新規性として、グレー関連エントロピー分析（GREA）を用いてRDMEに影響を与える主要な細孔径範囲を特定し、特にメソポアがRDMEと最も強い相関を示すことを発見しました。この知見に基づき構築された細孔径-RDME回帰モデルは、決定係数R²が0.9327から0.9886という高い適合度を示し、相対誤差も常に5%未満であったことから、細孔構造がコンクリートの機械的特性に与える影響を極めて高精度に定量化することに成功しました。
本研究は、水理コンクリートの凍結融解損傷メカニズムを微視的構造変化と定量的な材料特性変化の両面から深く掘り下げた点で、その学術的意義は極めて大きいと言えます。特に、養生湿度と細孔構造、そして凍結融解耐久性の間の複雑な関係性を定量的にモデル化したことは、今後のコンクリート材料科学における新たな指針を示すものです。得られた高精度な予測モデルと知見は、乾燥・半乾燥・高原地域といった過酷な条件下で建設される水力発電施設やその他インフラにおける水理コンクリートの設計基準の最適化、凍結融解抵抗性を向上させるための配合設計、あるいは耐久性評価手法の高度化に直接的な参照情報を提供します。これにより、地球規模の課題に対応する持続可能で堅牢な社会インフラの構築に大きく貢献することが期待されます。
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Study on the influence of pore structure on the foam concrete towards sound absorption enhancement
現代社会において、建築物内外の騒音は生活の質の低下や健康問題に直結する重要な課題であり、その解決策として高機能な吸音材料の開発が強く求められています。特に、建設分野で広く利用されるセメント系材料における吸音性能の向上は長年の研究テーマでしたが、従来の多孔質セメント系材料では、その細孔構造の最適化に制約があり、高効率な吸音特性と材料としての実用性を両立させることが大きな課題となっていました。音波のエネルギーを効率的に熱エネルギーに変換し、散逸させるための最適な細孔構造の設計は、いまだ確立されていませんでした。
この課題に対し、最新の研究では、化学発泡法とその後の凍結乾燥プロセスという革新的なアプローチを用いて、細孔構造（密度、平均細孔径、開気孔率）を精密に制御した吸音発泡コンクリートの開発に成功しました。研究チームは、異なる構造を持つ複数のサンプルを作製し、その吸音性能、メカニズム、そして材料強度を包括的に評価しました。その結果、吸音能力が材料の密度と密接に関連していること、そして特に平均細孔径3ミリメートル、開気孔率73%という特定の細孔構造を持つ発泡コンクリートが、その吸音能力を最大限に発揮することを発見しました。最適化されたサンプルは、平均吸音係数0.49、騒音低減係数（NRC）0.43というこれまでにない優れた値を示し、これは同密度の従来の材料と比較して、それぞれ113%および169%もの飛躍的な性能向上に相当します。この顕著な吸音性能の向上は、材料内部で発生する音響共鳴効果と、入射音波のエネルギーを効率的に吸収する音響インピーダンス整合特性に起因します。さらに、緻密なネットワーク状の多孔質構造と適切な開気孔率が、音波の伝達経路を著しく複雑化させ、特に低周波音波の減衰確率を増加させるとともに、音波と空気間の熱交換を促進することで、音響エネルギーの散逸能力を著しく高めることが明らかになりました。
本研究の成果は、吸音発泡コンクリートの設計に新たな戦略と指針をもたらすものです。細孔構造の精密な制御によって、吸音性能を飛躍的に向上させることが可能であることが示され、これは従来のセメント系吸音材料の限界を打ち破る画期的な進展と言えます。この技術は、高機能な吸音性を持つ建材としての応用はもちろん、道路や鉄道沿いの防音壁、工場や体育館などの大空間における残響音対策、さらには自動車や家電製品の騒音低減材など、幅広い分野での騒音問題解決に貢献することが期待されます。建築環境の快適性を向上させ、現代社会が直面する騒音問題に対する効果的な解決策を提供する上で、極めて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）