著者名：Jan Dietel, Laurence N. Warr, Marko Bertmer, Annett Steudel, Georg H. Grathoff, Katja Emmerich
論文タイトル：The importance of specific surface area in the geopolymerization of heated illitic clay
掲載誌名：Applied Clay Science
出版年：2017
研究の背景と動機
ジオポリマー（GP）は、アルカリ（水酸化物）溶液を、高炉スラグ、フライアッシュ、または焼成粘土などのケイ酸塩に添加して、SiとAlを溶解し、硬化時に重合して沈殿させることによって形成される無機質バインダーです。GPの原料として最も一般的に使用される粘土はカオリンです。カオリンは主にカオリナイト（1:1層状ケイ酸塩）を含んでいます。しかし、カオリンは比較的コストが高いことから、より安価な代替品を見つけることが求められています。
本研究の目的は、フライランド粘土を例として、カオリンの安価な代替品として、2:1二八面体層状ケイ酸塩を主体とする粘土の適性を調査し、効果的なジオポリマーバインダー材料を製造するために必要な調製手順を決定することでした。
従来の研究では、カオリンなどの1:1層状ケイ酸塩がGPの原料として広く用いられてきましたが、2:1層状ケイ酸塩（マイカ、スメクタイト、またはイライト-スメクタイト（I-Sm）の層状構造を持つ粘土）は、GPの原料としての適性が十分に研究されていませんでした。本研究では、フライランド粘土を原料とするGPの製造において、加熱温度がGPの反応性に及ぼす影響を調査しました。
解決しようとした課題や問題点
カオリンはGPの原料として広く用いられていますが、そのコストは比較的高く、より安価な代替品を見つけることが求められています。2:1層状ケイ酸塩はカオリンよりも安価で、世界中で豊富に存在するため、GPの原料としての適性を調査する必要があると考えられました。
既存研究の限界と本研究の位置づけ
従来の研究では、カオリンなどの1:1層状ケイ酸塩がGPの原料として広く用いられてきましたが、2:1層状ケイ酸塩のGPへの適用性に関する研究は限られていました。本研究は、フライランド粘土を例として、2:1層状ケイ酸塩を主体とする粘土のGP原料としての適性を詳細に調査し、その反応機構を明らかにすることを目的としています。
解決できたこと
本研究では、フライランド粘土を875℃に加熱したときに、最も高い圧縮強度を示すGPが生成されることを明らかにしました。また、GPの合成成功を左右する主要なパラメータは、Si:Al比や5配位Alの量ではなく、比表面積とSiとAlの溶解量であることがわかりました。
得られた結果の詳細な分析
フライランド粘土を様々な温度で加熱処理し、その熱的性質、結晶構造の変化、SiとAlの溶解量、比表面積などを測定しました。その結果、875℃に加熱した粘土が最も高い圧縮強度を示すGPを生成することがわかりました。また、GPの合成成功を左右する主要なパラメータは、Si:Al比や5配位Alの量ではなく、比表面積とSiとAlの溶解量であることがわかりました。
成功条件と失敗条件の考察
GPの合成成功には、適切な温度で加熱処理された粘土が必要となります。加熱温度が低すぎると、SiとAlの溶解量が不足し、GPの生成が不十分になります。一方、加熱温度が高すぎると、粘土の焼結が進み、比表面積が低下して、SiとAlの溶解量が減少します。そのため、GPの合成には、適切な加熱温度を見つけることが重要です。
新たに得られた知見と他分野への応用可能性
本研究では、2:1層状ケイ酸塩を主体とする粘土のGP原料としての適性を評価するために、比表面積が重要なパラメータであることを明らかにしました。この知見は、GPの開発だけでなく、その他のアルカリ活性化材料の開発にも応用できる可能性があります。
研究の貢献
Dietelらは、フライランド粘土を原料とするGPの合成において、比表面積がGPの反応性に大きな影響を与えることを明らかにしました。従来の研究では、Si:Al比や5配位Alの量などのパラメータが注目されていましたが、本研究では、比表面積がGPの反応性を決定する主要な因子であることを示しました。
実世界への応用と影響
本研究の結果は、GPの原料として、カオリン以外の安価な粘土の使用を促進する可能性があります。また、GPは、セメントに比べてCO2排出量が少なく、環境負荷の低い建築材料として注目されています。本研究は、より安価で環境負荷の低いGPの開発に貢献すると期待されます。
研究結果の実践的な応用可能性
本研究で開発されたGPは、建築材料、土木材料、その他の産業分野で幅広く応用される可能性があります。特に、環境負荷の低い材料の需要が高まっていることから、GPは将来、重要な建築材料の一つとなる可能性があります。
産業界や社会への潜在的影響
GPの開発は、セメント産業の革新につながる可能性があります。また、GPは、環境負荷の低い建築材料として、持続可能な社会の実現にも貢献すると期待されます。
今後の展望と未解決の課題（Unknown）
本研究では、比表面積がGPの反応性に及ぼす影響を明らかにしましたが、GPの合成メカニズムに関するさらなる研究が必要です。例えば、アルカリ活性化溶液の種類や濃度、硬化条件などがGPの反応性にどのように影響するのかを明らかにする必要があります。また、本研究では、フライランド粘土を原料としてGPの合成を行いました。今後は、他の粘土を用いて、GPの合成条件を最適化することが重要です。
残された研究課題
・GPの合成メカニズムに関するさらなる研究
・アルカリ活性化溶液の種類や濃度、硬化条件などがGPの反応性にどのように影響するのかの解明
・様々な粘土を用いたGPの合成条件の最適化
将来の研究方向性
本研究で得られた知見を基に、より安価で環境負荷の低いGPの開発を進める必要があります。また、GPの用途を拡大するため、様々な分野への応用可能性を検討する必要があります。
学術的位置づけと読者へのインパクト
本研究は、GPの原料として2:1層状ケイ酸塩を主体とする粘土の使用を促進する重要な研究成果です。本研究で得られた知見は、GPの開発だけでなく、その他のアルカリ活性化材料の開発にも役立つと考えられます。また、本研究は、GPの合成メカニズムに関する理解を深めるのに役立ち、今後のGP研究の発展に大きく貢献すると期待されます。
当該分野における本研究の意義
本研究は、GPの開発において、比表面積が重要な役割を果たすことを明らかにしました。この知見は、GPの原料選定や合成条件の最適化に役立ちます。また、GPの環境負荷の低減にも貢献すると期待されます。
読者の専門知識向上への貢献
本研究は、GPの合成メカニズムに関する理解を深めるのに役立ちます。また、2:1層状ケイ酸塩を主体とする粘土のGP原料としての適性評価方法についても紹介します。読者は、本研究を通して、GPに関する専門知識を深めることができます。
本記事は学術論文の要約であり、原著作者および出版社の権利を尊重しています。詳細な情報や正確な引用については、原論文を参照してください。