著者: M.J. Sánchez-Herrero, Ana Fernández-Jiménez, A. Palomo
論文タイトル: Studies About the Hydration of Hybrid 「」Alkaline-Belite「」 Cement
掲載誌: Frontiers in Materials
出版年: 2019
巻: 6
ページ: 66
Motivation: 研究の出発点
ポルトランドセメントの生産は、世界の二酸化炭素排出量の7-8%を占めており、環境に大きな負荷をかけています。この問題に対処するため、研究者たちは代替的な結合材の開発に取り組んでいます。本研究では、フライアッシュとベライトクリンカーを主成分とする新しいタイプのハイブリッドセメントの開発に焦点を当てています。
従来の研究では、ポルトランドセメントの一部をフライアッシュなどの補完的セメント材料(SCMs)で置き換える方法が主流でした。しかし、SCMsの水和活性が低いため、初期強度の発現が遅れるという課題がありました。この研究は、アルカリ活性化技術を用いてこの問題を解決しようとしています。
専門家向け深掘り
従来のブレンドセメントでは、クリンカー置換率を高めると初期強度が低下するトレードオフの関係がありました。本研究のアプローチは、アルカリ活性化によってSCMsの反応性を高め、高いクリンカー置換率でも十分な初期強度を得ることを目指しています。これは、セメント産業のCO2排出量削減に大きく貢献する可能性があります。
Method: 研究手法
研究チームは、以下の組成のハイブリッド「アルカリ-ベライト」セメントを開発しました：
- フライアッシュ 48%
- 鉱物化ベライトクリンカー 48%
- 石膏 1.5%
- 硫酸ナトリウム 2.5%
このセメントの水和反応と生成物を分析するため、以下の実験と分析を行いました：
- 圧縮強度試験
- X線回折(XRD)分析
- 29Si MAS NMR分光分析
- 27Al MAS NMR分光分析
- 走査型電子顕微鏡(SEM)観察
- エネルギー分散型X線分析(EDX)
専門家向け深掘り
NMR分光法は、セメント水和物の構造を原子レベルで分析できる強力なツールです。29Si MAS NMRは主にC-S-HゲルやN-A-S-Hゲルの構造を、27Al MAS NMRはアルミニウムの配位状態を分析するのに用いられました。これらの分析により、異なる種類のセメント水和物の形成と経時変化を詳細に追跡することができました。
Insight: 結果と知見
研究の主な発見は以下の通りです：
- 開発されたハイブリッドセメントは、欧州規格EN 197-1のIVB型セメントの要件を満たす機械的強度と凝結時間を示しました。
- 水和反応により、異なる性質を持つセメント水和物ゲルの混合物が同時に生成されました：C-(A)-S-HゲルとN-(C)-A-S-Hゲル。
- これらのゲルは時間とともに相互作用し、C-(N)-A-S-Hゲルに似た特性を持つ単一のゲルへと進化しました。
- この進化過程は、セメントの機械的強度発現を妨げることなく進行しました。
特に興味深いのは、異なる種類のセメント水和物ゲルが共存し、相互作用しながら進化していく過程が明らかになったことです。これは、従来のポルトランドセメントとは異なる水和メカニズムを示唆しています。
専門家向け深掘り
29Si MAS NMR分析により、Q1、Q2、Q3、Q4ユニットの経時変化が観察されました。180日後のサンプルでは、Q1+Q2ユニット（C-(A)-S-Hゲルに関連）の総面積が増加し、Q4ユニット（N-A-S-Hゲルに関連）の面積が減少しました。これは、初期に生成された異なるタイプのゲルが、時間とともにC-(N)-A-S-Hゲルに類似した構造へと変化していくことを示しています。
Contribution Summary: 貢献を1行でまとめる
Sánchez-Herreroらは、CO2排出量削減という課題に対し、フライアッシュとベライトクリンカーを主成分とするハイブリッド「アルカリ-ベライト」セメントを開発し、その水和過程で異なるタイプのセメント水和物ゲルが共存・進化することを明らかにした。
Unknown: 残った課題
本研究では、ハイブリッド「アルカリ-ベライト」セメントの基本的な水和メカニズムと性能が明らかになりましたが、以下のような課題が残されています：
- 長期的な耐久性の評価
- 異なる環境条件（温度、湿度など）下での性能評価
- スケールアップした際の製造プロセスの最適化
- 従来のポルトランドセメントと比較した場合のライフサイクルアセスメント
専門家向け深掘り
セメント水和物ゲルの進化過程について、より詳細なメカニズムの解明が必要です。特に、C-(A)-S-HゲルとN-(C)-A-S-Hゲルの相互作用や、アルカリ活性化がベライトの水和にどのように影響するかについて、さらなる研究が求められます。また、異なる組成や活性化剤がゲルの形成と進化にどのような影響を与えるかも興味深い研究テーマとなるでしょう。
今後の展望と課題
本研究は、環境に優しい次世代セメントの開発に向けた重要な一歩となりました。今後の展望と課題には以下のようなものがあります：
- 異なる種類のSCMsや活性化剤を用いた場合の性能評価
- ハイブリッドセメントを用いたコンクリートの性能評価と最適化
- 産業規模での製造プロセスの確立と最適化
- 建築基準や規制への適合性の検証
- 従来のセメントからの移行に伴う技術的・経済的課題の解決
これらの課題を克服することで、ハイブリッド「アルカリ-ベライト」セメントが実用化され、建設産業のCO2排出量削減に大きく貢献することが期待されます。
読者へのインパクト
この研究は、私たちの日常生活や社会に大きな影響を与える可能性があります：
- 環境への影響：ハイブリッドセメントの使用により、建設産業のCO2排出量が大幅に削減される可能性があります。これは、地球温暖化対策に大きく貢献します。
- 建築物の性能：新しいタイプのセメントは、従来のものと同等以上の強度と耐久性を持つ可能性があります。これにより、より安全で長寿命な建築物の建設が可能になるかもしれません。
- 資源の有効利用：産業副産物であるフライアッシュを大量に利用することで、資源の有効活用と廃棄物削減にも貢献します。
- 経済的影響：新しいセメント技術は、建設コストの削減や新たな産業の創出につながる可能性があります。
この研究成果は、私たちの住む都市や建物のあり方を変える可能性を秘めています。環境に優しく、高性能な建材の開発は、持続可能な社会の実現に向けた重要な一歩となるでしょう。