著者名：Peter Duxson, John L. Provis, Grant C. Lukey, Seth W. Mallicoat, Waltraud M. Kriven, Jannie S.J. van Deventer
論文タイトル：Understanding the relationship between geopolymer composition, microstructure and mechanical properties
掲載誌名：Colloids and Surfaces A: Physicochem. Eng. Aspects
出版年：2005
巻数：269
ページ範囲：47–58
研究の背景と動機
ジオポリマーは、アルカリシリケート活性化によるアルミノシリケート材料から形成されるアルカリアルミノシリケート結合剤であり、その応用範囲は近年拡大しています。ジオポリマーは、従来のセメントと比較して、耐火性、熱安定性、機械的特性に優れることから、建築材料、土木材料、廃棄物処理など、様々な分野での利用が期待されています。
しかし、ジオポリマーの組成、製造プロセス、微細構造、および特性（例えば機械的強度）の関係については、まだ十分な研究が進んでいません。多くの研究では、ジオポリマーの圧縮強度に焦点を当てていますが、微細構造の詳細な分析は、高度に不均一なアルミノシリケート源からの材料の複雑さのために、それほど徹底的に行われていません。
本研究は、ジオポリマーの微細構造と機械的特性の関係を理解するために、メタカオリンを原料としたジオポリマーの組成と微細構造を詳細に分析することを目的としています。メタカオリンは、より純粋で、より容易に特性評価できる出発材料を提供するため、最終的な反応生成物の分析によって得られる微細構造の理解を大幅に向上させることができます。
解決できたこと
本研究では、メタカオリンのアルカリ活性化によって合成されたジオポリマーのSi/Al比と機械的特性の関係を調べ、その結果をSEM分析によるそれぞれの微細構造と相関させました。Si/Al比が1.15から2.15までの範囲で、機械的強度とヤング率は、それぞれの微細構造と相関関係がありました。
SEM分析の結果、Si/Al比が1.40以下の試料では、互いに接続された大きな孔、緩やかに構造化された沈殿物、および反応していない材料からなる微細構造が観察されました。一方、Si/Al比が1.65以上の試料では、反応していない粒子と数ミクロンの大きさの小さな孤立した孔を含む、主に均質なバインダーが観察されました。
また、本研究では、アルカリシリケート活性化溶液の化学種に基づいて、微細構造の変化を説明するメカニズムを提案しました。均質な微細構造を持つすべての試料は、ほぼ同一のヤング率を示し、ジオポリマーのヤング率は、組成効果ではなく、主に微細構造によって決定されることを示唆しています。
ジオポリマーの強度は、Si/Al比が1.90で最大化されました。Si/Al比が高い試料は、組成に基づく予測とは異なり、強度が低下しました。シリカ含有量が多いと強度が低下することは、試料中の未反応物質の量と関連付けられています。未反応物質は欠陥部位として機能します。
研究の貢献
Duxsonらは、ジオポリマーの組成、微細構造、機械的特性の関係を研究し、Si/Al比が1.90で強度が最大化されることを発見しました。また、Si/Al比が高いと、未反応物質が増加し、これが強度低下の原因となることを明らかにしました。
実世界への応用と影響
本研究の結果は、ジオポリマーの微細構造を特定の用途に合わせて調整できることを示唆しています。例えば、高強度が求められる用途には、Si/Al比が1.90のジオポリマーが適しており、高ヤング率が求められる用途には、Si/Al比が1.65以上のジオポリマーが適しています。
ジオポリマーは、環境負荷の低い材料として、従来のセメントに代わる次世代の建築材料として期待されています。本研究の結果は、ジオポリマーの特性をさらに向上させるための重要な指針となるでしょう。
今後の展望と未解決の課題
本研究では、ジオポリマーのSi/Al比と機械的特性の関係を明らかにしましたが、ジオポリマーの微細構造と特性の関係をさらに深く理解するために、さらなる研究が必要となります。特に、未反応物質の量と強度低下の関係を定量的に評価することが重要です。
また、ジオポリマーの長期的な耐久性や環境負荷についても研究を進める必要があります。ジオポリマーは、従来のセメントに比べて、環境負荷が低い材料として期待されていますが、長期間使用した場合の耐久性や環境への影響を評価する必要があります。
学術的位置付けと読者へのインパクト
本研究は、ジオポリマーの微細構造と機械的特性の関係を理解するための重要な一歩となります。本研究の結果は、ジオポリマーの設計・開発・製造における指針となるだけでなく、ジオポリマーの新たな応用分野を開拓するための重要な情報となります。
本研究は、ジオポリマーに関する専門知識を深めたいと考えている研究者、技術者、学生にとって非常に有益な情報となります。
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