著者名：Behzad Majidi
論文タイトル：Geopolymer technology, from fundamentals to advanced applications: a review
掲載誌名：Materials Technology
出版年：2009
巻数：24
ページ範囲：79-87
研究の背景と動機
ジオポリマーは、ゼオライトの地球化学的生成過程を模倣しようとした試みから生まれた新しいタイプの無機ポリマーです。ゼオライトは、明確な構造を持つ微細な多孔質結晶性固体です。一般的に、その構造にはケイ素、アルミニウム、酸素が含まれ、細孔内には陽イオン、水、または他の分子が存在します。ゼオライトは、その独自の多孔質特性により、石油化学におけるクラッキング、水の軟化と浄化、ガスや溶媒の分離と除去など、さまざまな用途で使用されています。多くのゼオライトは、自然界で鉱物として存在し、世界中の多くの地域で広く採掘されています。その他は、特定の用途のために商業的に製造されたものや、化学をより深く理解しようとする科学者によって製造された合成ゼオライトです。1950年代に、Victor Glukhovskyは、ゼオライトの地球化学的生成過程をモデル化しようと試みた最初の研究者と考えられています。ゼオライトは、工業材料や廃棄物に存在するアルミノケイ酸塩をアルカリ活性化することによって合成されました。これらの新しい結合剤は、当初「土壌ケイ酸塩」と呼ばれていました。1一部の著者3は、ゼオライト化合物が、一次相からゼオライトへの長期的な転換の最終的な安定相であると考えています。これは、古代ローマのセメントに関する調査で、非晶質ゼオライト化合物の存在が示されたことと一致しています。4,5 古代ローマのセメントの優れた耐久性とGlukhovskyの研究により、新しい高強度で耐久性のあるセメント系材料を製造する可能性に対する関心が生まれました。この分野で最も包括的な研究は、J Davidovits6によって行われ、彼はこれらのアルカリ活性化されたアルミノケイ酸塩に初めて「ジオポリマー」という用語を適用しました。ジオポリマーまたは「無機ポリマー」は、3次元架橋ポリシリケート鎖の構造を持つミネラルポリマー材料です。7ジオポリマーは、ケイ素、アルミニウム、酸素種を重合させて、非晶質の3次元フレームワーク構造を形成することによって製造されます。8,9ジオポリマーは、カオリナイトなどのアルミノケイ酸塩材料を高アルカリ環境（NaOHまたはKOH溶液など）に溶解させることで製造できます。ジオポリマー化は、ケイ素、アルミニウム、酸素原子が、共有された酸素原子によって交互に結合されたSiO4とAlO4四面体の鎖を作成するプロセスです。10,11このプロセスにおける水と固体の比は、骨材を使用しない場合、0?3から0?4の範囲です。12生成物は、優れた機械的挙動を示す非晶質から半結晶質の材料です。13–23従来のジオポリマーを形成するために使用される反応物は、通常、Al–Si源としてのメタカオリンと、反応性ケイ酸アニオンとアルカリカチオンを含む活性化溶液です。24この分野の研究の焦点は、次のように要約できます。（i）Al–Si源：ジオポリマー化に参加するのに適した、安価で容易に入手できる材料を特定すること。カオリン、フライアッシュ、高炉スラグ、アルカリ長石12、タングステン鉱山廃棄物13など、さまざまな天然材料や産業廃棄物がジオポリマーの製造に使用できることが示されています。（ii）アルカリ活性化：pHとアルカリイオンがプロセス完了と生成物の最終的な特性（例：K-長石はKOH溶液よりもNaOH溶液で溶解度が高いため、より高い圧縮強度を示すことが示されています）12への影響を分析すること。（iii）ジオポリマー化：反応のメカニズムはまだ完全には解明されていません。プロセスに影響を与えるパラメータ、源材料の微細構造の再編成、および反応ステップは、分析手法によって広く研究されてきました。ジオポリマーのユニークな特性（初期強度が高く、耐久性に優れ、化学的攻撃に耐性があり、有毒原子を固定化でき、エネルギー消費量と製造時の二酸化炭素排出量が少ないなど、環境に優しいメリット）により、ジオポリマーは持続可能な開発のための戦略的な材料であり、ポルトランドセメントに代わる真面目な選択肢となっています。
ジオポリマーの化学的特性
ジオポリマーを記述するために、次の経験的式がDavidovits25によって提案されました。
Mn{(Si{O2)z{Al{O ½ �n:wH2O
ここで、Mはアルカリ金属、zは1、2、または3、nは重合度です。Si/Al比に基づいて、3つのモノマーユニットを定義できます。ポリシリケート：SiO2=Al2O3~2、(Si{O{Al{O{)ポリシリケートシロキソ、SiO2=Al2O3~4、(Si{O{Al{O{Si{O{)ポリシリケートジシロキソ、SiO2=Al2O3~6、(Si{O{Al{O{Si{O{Si{O{):これらの構造は、AlO 2 4とSiO 2 4四面体で構成されています。アルカリまたはアルカリ土類金属（Naz、Kz、Ca2z）のカチオンは、負電荷を中和するために構造内で必要です。NaOHなどのアルカリ溶液にアルミノケイ酸塩粉末を溶解することにより、最初にAlO 2 4とSiO 2 4四面体が生成され、溶液中のケイ素の濃度に応じて、上記のモノマーのいずれかが形成されます。いくつかのジオポリマーフレームワークにおける分子配置を図1に示します。Davidovits26によって提案されたジオポリマー化の反応メカニズムには、アルミノケイ酸塩酸化物（IV配位数のAl3z）などの前駆体とアルカリポリケイ酸塩の化学反応が含まれ、ポリマーSi–O–Al結合が生成されます。これらのAl–Si鉱物におけるAlのIV配位を強調するために、これらの配置は通常、(2SiO2.Al2O3)ではなく(Si2O5.Al2O3)として記述されます。ジオポリマーの構造は、凝縮温度に応じて、非晶質または半結晶質になる可能性があります。非晶質ポリマーは20–90uCで得られ、半結晶質ポリマーは150–1200uCで得られます。27ジオポリマー化では、最初にアルミノケイ酸塩酸化物がアルカリ溶液に溶解し、次に溶解したAlとSi錯体が粒子表面から粒子間空間へと拡散します。最後に、添加されたケイ酸塩溶液とAlおよびSi錯体の重合によってゲル相が形成されます。
ジオポリマーの製造
カオリンやその他の粘土材料からジオポリマーを製造するには、次の3つの主要なステップが必要です。（i）熱活性化：目的は、高い化学活性を持つ粘土材料を得ることです。このプロセスでは、粘土鉱物の脱水酸化により、不安定な非晶質固体が生成されます。（ii）アルカリ活性化：活性化されたアルミノケイ酸塩材料を高アルカリ溶液に溶解して、ケイ酸塩とアルミン酸塩のモノマーを生成します。28（iii）反応性硬化または重縮合：ケイ酸塩とアルミン酸塩のモノマーが、安定なポリマーネットワークに凝縮します。29許容される機械的特性を持つ構造化されたジオポリマーを得るには、アルカリ溶液中のAl–Si源材料の活性と溶解度を高める必要があります。源材料の熱活性化は、この条件を満たす1つの方法であり、いくつかの調査で熱活性化プロセスとその最終的な特性への影響が調べられています。KapsとBuchwald30は、フーリエ変換赤外分光法を使用して、焼成中のカオリンの微細構造の変化を分析しました。カオリンを500uCで焼成すると、2つの異なる微細構造の変化が観察されました。最初に、O–H結合振動(,3600 cm21)に対応するピークが拡がり始め、180分後に完全に消失します。同時に、酸素とのアルミニウム配位が変化し、[Al–O]VI振動に対応するピークが消失します。X線回折分析も焼成の結果を決定するために使用されました。カオリナイトベースの粘土のXRDパターンでは、通常、2つの異なるピークを識別できます。カオリナイトと石英です。材料を500–800uCで焼成すると、カオリナイト結晶は完全に分解して非晶質相のメタカオリンになります。石英結晶も通常、焼成粘土に存在し、石英ピークは焼成温度が1400uCに上昇するまで、焼成粘土のXRDパターンから消失しません。ただし、この場合、カオリナイトはSiO2を失うことによって、メタカオリンを形成するのではなく、ムライトに変換され、アルカリ溶液における材料の溶解度が低下します。ジオポリマー化における結晶性SiO2の挙動と、最終生成物の機械的挙動に対する遊離石英粒子の微細構造の影響は、完全には理解されておらず、さらなる調査が必要です。熱活性化の持続時間と温度は、アルカリ溶液における粘土の溶解度に直接影響します。31,32焼成温度を上げると、アルカリ溶液中のケイ酸塩とアルミン酸塩のモノマーの放出量が増加することが示されています。図2に示すように、750uCで脱水酸化されたカオリンの場合、NaOH溶液中のAlとSiモノマーの放出量は、500uCで焼成されたカオリンの場合よりも大きくなっています。500uCで180分後に観察される同じ溶解度が、750uCで60分後に観察されます。
ジオポリマー化の速度論
ジオポリマー化の速度論における重要なパラメータを決定することは、ジオポリマーゲルの硬化時間と微細構造の発達をより適切に制御するために不可欠です。ジオポリマー化は、アルカリケイ酸塩とアルミノケイ酸塩系において、溶解と加水分解、それに続く凝縮のステップで構成されます。カロリメトリーなどの実験技術は、研究者33–37によって、ジオポリマー化速度論を調査するために頻繁に使用されてきました。この技術は、アルカリ環境における焼成材料の反応性を決定するのに役立ち、焼成を最適化できます。Rahierらは38–40、準等温変調示差走査カロリメトリーを使用して、ジオポリマーゲルの硬化中の熱流と熱容量の変化を観察しました。彼らは、反応が少なくとも2つのステップ（溶解と重合）で構成され、2番目のステップは自己触媒的であることを示しました。ケイ酸種間の凝縮速度は、アルミン酸塩とケイ酸種間の凝縮速度よりも低いことが示されています。41–43ジオポリマー化におけるAl2O3とSiO2の役割とその速度論は、De Silvaら44によって研究されました。彼らは、ジオポリマー化速度論とジオポリマーゲルの硬化速度は主にAl2O3によって制御され、Si含有量は生成物の後の強度発達に関与しているという結論に至りました。Provisらは45、同様の結果を報告しており、高シリカ系はよりゆっくりと反応し、さらなる反応が発生する前に反応の後半で「一時停止」が発生することを示しました。アルミン酸塩とケイ酸塩種の偏荷電を計算することによって、ジオポリマー形成の凝縮ステップを促進するAl種のメカニズムが、Wengら46によって調査されました。彼らは、メタカオリンの粒径を変えることは、硬化したジオポリマーの特性に大きな影響を与えるという結論に至りました。彼らは、高比表面積を持つ粉砕されたメタカオリン粉末は、部分荷電モデルによって予測されるように、Alの利用可能性が向上するため、硬化時間が短く、強度が高く、より均質な微細構造を持つことを報告しました。最近、Provisらは47、Faimon48の研究に基づいたモデルを開発して、ジオポリマー化の化学反応シーケンスと速度論を研究しました。彼らは、図3に示されるジオポリマー化の反応シーケンスを提案しています。各ステップに対する反応と各反応に対する対応する速度式を仮定し、反応の化学量論が速度を予測すると仮定して、彼らはジオポリマー化のための包括的な速度論モデルを開発しました。このモデルを文献からの実験データに適用して、彼らは、モデルが原料中のSi/Al比の広い範囲に対して、ジオポリマー化反応の速度と硬化時間を決定するために使用できることを示しました。
ジオポリマーの機械的特性
機械的挙動は、特定の用途におけるエンジニアリング材料を評価する際の基本的な特性です。新しいセメント系材料としてのジオポリマーの場合、圧縮強度は重要な要素です。1950年代に発明されて以来、ジオポリマーは、従来のセメントよりも圧縮強度、硬化時間、耐久性に優れていることが利点として認識されてきました。しかし、ジオポリマーの圧縮挙動は、使用される原料や加工方法によって異なります。高圧縮強度を持つジオポリマーを得るには、高強度のゲル相とゲルと非ポリマー相の比が高いことが必要です。これらの要素は、Al–Si源中の酸化物の種類とモル比、アルカリ溶液の種類とpH、活性化溶液中での原料の溶解度に直接関係しています。49,50Davidovits51は、高強度ジオポリマーを製造するための3つの「重要なパラメータ」を紹介しました。カオリナイトベースのジオポリマーに関する研究に基づいて、彼は次の比率を定義しました。0:2vNa2O=SiO2v0:28 3:5vSiO2=Al2O3v4:5 15vH2O=Na2Ov17:5 Zuhuaらは52、カオリナイトジオポリマーの圧縮強度における構造水の役割を調査しました。彼らは、カオリナイトの焼成温度を上げると、生成物の最終的な強度が上昇することを示しました。この結果は、高温で焼成された粘土の活性がより高く、構造水含有量も低い（これは生成物の強度に悪影響を与えます）ためと考えられます。アルカリ溶液中でのAl–Si種の溶解と重合反応の重要性を考えると、アルカリ溶液の特性が、焼成粘土の微細構造の再編成に直接影響し、生成物の最終的な機械的特性に影響を与えることは驚くことではありません。曲げ強度、圧縮強度、見かけ密度は、NaOH溶液の濃度が4から12 mol L21に増加するにつれて増加し、NaOHの濃度が高いほど、生成物の非晶質含有量が高くなることが示されています。53同様の結果が以前に報告されています。54アルカリ溶液の濃度を上げると、Al–Si種の溶解度が増加しますが、水相中のNaOHまたはKOHが過剰になると、SiO2/Na2O比が低下するため、重縮合が阻害されます。したがって、高強度ゲル相を得るための活性化溶液中のアルカリ水酸化物の濃度には制限があります（図4）。55図4に示されたジオポリマーの特性は、7日間熟成させた試料で得られたものです。簡単な比較のために、一般的なタイプIポルトランドセメントコンクリートの7日間圧縮強度は19?0 MPaです。KOHは、より大きなKzカチオンがより長いケイ酸オリゴマーの形成を促進するため、NaOHよりも多くの無機ポリマー前駆体を提供することが示されています。これにより、Al(OH) 2 4が結合することを好みます。そのため、硬化が改善され、圧縮強度が高くなります（図4）。アルカリ水酸化物と溶解したケイ酸塩で構成されるアルカリ溶液を使用すると、アルカリ水酸化物のみを使用する場合と比較して、圧縮強度に有利であることがわかっています。溶解したシリカは、混合物中のSiO2/Al2O3とNa2O/SiO2比のバランスをとるだけでなく、SiO 2 4モノマーを提供し、AlO 2 4とSiO 2 4四面体ユニット間の重合を開始することによって、重縮合を触媒します。したがって、溶解性ケイ酸塩とアルカリ水酸化物で構成される活性化剤を使用すると、より高い圧縮強度を得られます。カオリナイトベースのジオポリマーに関する調査30では、25 wt-%（追加のSiO2/固体材料）のケイ酸ナトリウム溶液を添加すると、14日間の圧縮強度が13から38 MPaに増加することが示されています。同様の結果が最近、フェロニッケルスラグベースのジオポリマーで報告されています。55繰り返しになりますが、混合物へのケイ酸塩の添加量には制限があり（Si/Al51?90）、Si/Alの比率が非常に高いと、機械的特性に悪影響を与えるため、推奨されません。56Si/Al比が高いと、構造の多孔質性と未反応種の含有量が増加し、これらの要素はジオポリマーの圧縮強度を直接低下させます。
ジオポリマーの微細構造
上記の機械的特性は、ジオポリマーの微細構造の変化から生じます。XRD、XRF、マジック角回転核磁気共鳴（MAS-NMR）、SEM/EDS、TEM/EDS、フーリエ変換赤外分光法（FTIR）、熱重量分析（TG）などの分析手法を使用して、ジオポリマーの微細構造の特徴を明らかにしてきました。X線回折とTG試験は、原料の焼成中の構造変化を検出するのに非常に役立ちます。カオリナイトベースの粘土のXRDパターンにおける特徴的なピークは、カオリナイト、石英、ムライト、イライトに対応しています。500–800uCで焼成すると、XRDピークが拡がります。石英結晶は通常、焼成粘土に残りますが、カオリン結晶は完全に分解して非晶質のアルミノケイ酸塩相になる場合があります。XRD分析とTGを組み合わせることで、プロセスを最適化できます。Zuhuaらは52、焼成カオリンのTG試験から、700、800、900uCでの質量損失は、それぞれ600uCでの質量に対して0?9、1?9、2?3%であったと報告しました。この質量損失は、構造水の蒸発によるものと考えられています。加熱されたカオリンに存在するヒドロキシルユニットは、アルカリ性媒体におけるその活性に悪影響を与えるため、XRDパターンが非晶質になり、TG試験で検出された最大の質量減少から、最適な焼成を決定できるという結論に至りました。XRDは、アルカリ活性化ステップにおける微細構造の変化に関する有用な情報を提供できません。通常、反応した粘土と反応していない粘土のXRDパターンに大きな違いはありません。59,60なぜなら、ほとんどの変化が材料の非晶質相で起こり、反応生成物には結晶相がないからです。しかし、FTIRとMAS-NMR分析は、ジオポリマー化中の分子変化に関する非常に有用なデータを提供できます。アルミノケイ酸塩のアルカリ活性化中の重要な分子変化の1つは、Si–O–SiとAl–O–Siの非対称伸縮（950–1200 cm21）の赤外バンドがより低い波数にシフトすることです。アルミノケイ酸塩をアルカリ溶液に溶解すると、構造内の非架橋酸素原子（NBO）の数が増加することが示されています。61,62これにより、SiO4 2とAlO4 2ユニットが孤立し、Si–OとAl–Oバンドの分子振動が低下することが観察されます。ここで、Naカチオンは、Al–O–Siバンドの形成またはNBOの除去によって生成された負電荷を中和します。29Siと27Al MAS-NMRを用いることで、ジオポリマー化メカニズムと、分子配置の進行と変化を追跡できます。63（図5）反応が進むにつれて、メタカオリン中のAl（IV、V、VI）の配位は、最終生成物ではほとんど完全にIVに変化します。63反応を促進する温度の影響も図5に示されています。
ジオポリマー複合材料
近年、ジオポリマーマトリックスを使用した高度な複合材料が注目されています。1996年に、Lyonらは64、ジオポリマー炭素繊維強化複合材料について、耐火性を含めて情報を報告しました。ASTM E-162試験に基づいて、ガラスまたは炭素繊維で強化されたジオポリマーマトリックス複合材料の炎の拡がり指数は、熱硬化性樹脂、フェノール樹脂、またはエンジニアリングプラスチックマトリックスの複合材料よりも優れていました。インフラストラクチャアプリケーションにおけるエンジニアリング材料として、火災暴露後の複合材料の残留強度は非常に重要です。図6は、火災暴露後のクロスプライ積層複合材料の残留曲げ強度を示しています。有機複合材料よりも過酷な熱環境（800uC、75 kW m22）に暴露されても、ジオポリマーマトリックス複合材料はより高い残留強度を持つことがわかります。Linらは65、異なる長さ（2、7、12 mm）の短い炭素繊維を使用してジオポリマーマトリックスを強化しました。繊維の長さに関係なく、炭素強化ジオポリマーは、純粋なマトリックスの急激な破断モードとは対照的に、擬塑性破断を示すことがわかりました。ジオポリマーマトリックスサンプルは、3点曲げ試験で脆性破壊モードを示しましたが、複合材料は完全な破断なしに変形しました。最大曲げ強度と破断仕事は、7 mm繊維を使用することで得られました。7 mm繊維の添加により、マトリックスの曲げ強度が16?8から91?3 MPaに、破断仕事が54?2から6435?3 J m22に増加しました。3点曲げで変形した複合材料の引張側と破断面の走査型電子顕微鏡写真を図7に示します。繊維の引き抜きは、これらの複合材料における主な強化メカニズムと考えられます。引き抜かれた繊維のきれいな表面は、マトリックス/繊維結合が弱かったことも示しています。最近、LiとXu66も同様の結果を報告しており、玄武岩繊維強化ジオポリマーの衝撃荷重応答を調査しました。玄武岩繊維の添加は、ジオポリマーマトリックスの変形とエネルギー吸収能力を大幅に高めることが示されました。鉄筋コンクリート梁の修復と補強へのジオポリマーマトリックスの適用に関する研究67では、ジオポリマーは、鉄筋コンクリート梁への炭素繊維の接着力という点で、有機ポリマーよりも優れた性能を示すことが明らかになりました。メタカオリナイトベースのジオポリマー複合材料の摩擦摩耗挙動も調査されています。ジオポリマーマトリックスにPTFE粉末を添加すると、摩擦中に形成される複合軟質層により、摩耗モードが深刻なものから軽度なものに変化することがわかりました。68
ジオポリマーとポルトランドセメント
原料の入手可能性とその製造と用途の容易さにより、ポルトランドセメントコンクリートは、最も人気があり、広く使用されている建築材料となっています。インフラストラクチャと輸送におけるコンクリートの適用は、間違いなく文明の発展、経済の進歩、生活の質を向上させてきました。69しかし、ポルトランドセメントのいくつかの本質的な欠点は、克服するのが難しいままであります。おそらく最も重要なのは、「炭素含有量」の高さです。1トンの普通ポルトランドセメント（OPC）あたり1トンのCO2が大気中に放出され、原料1トンあたりy1?5トンが放出されます。これは、OPCの製造が、資源とエネルギーを非常に大量に消費することを意味します。70の計算によると、ポルトランドセメントを製造するのに必要な総エネルギー量はy3630 MJ/tであり、ジオポリマーセメントの製造に必要なエネルギー消費量は990 MJ/tです。この違いは、主にジオポリマーの焼成温度が低いこと（800対1450uC）によるものです。ジオポリマーセメントの製造における総CO2排出量は、セメント1トンあたりわずか0?184トンと推定されており、ポルトランドセメントの約6分の1です。71地球温暖化と温室効果ガスの排出削減に向けた国際的な取り組み、および京都議定書に基づく政府のコミットメントを考えると、ポルトランドセメントに代わるジオポリマーは、CO2排出削減戦略に大きな影響を与える可能性があります。さらに、OPCコンクリートの腐食と化学的攻撃に対する耐性が低いことは、設計者にとって懸念事項です。なぜなら、OPCは厳しい環境にさらされると劣化するためです。対照的に、ジオポリマーは化学的攻撃に対して優れた耐性を示すことが明らかになっています。Songらは72、硫酸攻撃に対するジオポリマーとポルトランドセメントコンクリートの耐久性を比較し、ジオポリマーコンクリートは、質量損失が非常に小さく（,3%、図8）、硫酸に非常に耐性があると結論付けました。したがって、ジオポリマーは、優れた機械的挙動と環境に優しい製造により、建設用途において一般的なセメントを代替する可能性があり、少なくともポルトランドセメントの需要を減らすことができます。以下で説明するように、コストに関する考慮事項も適用されます。それにもかかわらず、ジオポリマーは、次のような特徴を持つ持続可能な開発のための理想的な材料です。73（i）豊富な原料資源（ii）省エネルギーと環境保護（iii）簡単な製造技術（iv）良好な体積安定性（v）短い硬化時間（vi）超高耐久性（vii）耐火性が高く、熱伝導率が低い（viii）有毒原子を固定化できる（ix）化学的攻撃に対する耐性が高い。これらの特性により、ジオポリマーは、土木工学、自動車、航空宇宙、非鉄鋳造、廃棄物管理、芸術と装飾など、さまざまな産業分野において、一般的な材料に代わる優れた材料となっています。
ジオポリマー産業
ポルトランドセメントは世界中で広く使用されており、年間消費量は1000 Mtをはるかに超えており、水は人類が最も多く使用する材料です。ポルトランドセメントが広く使用されてから180年ほどの間、その処理と長期的な挙動に関する知識が蓄積され、ポルトランドセメントの原料である石灰岩は、地球上で最も豊富な材料の1つです。これらの要素を考えると、ポルトランドセメントの市場地位は強力です。特に建設用途の場合、新しい材料は、製造業者にとって非常に高価で時間のかかる、非常に厳格な基準と検証手順を満たす必要があります。ジオポリマー、特に長期的な挙動に関する知識の不足は無視できませんが、ジオポリマーの市場がゆっくりと発展している重要な理由は、この新しい材料に対する保守的な見方です。その結果、ジオポリマーが近い将来、セメントの世界的な需要の大きな部分を供給することは予想されません。しかし、ジオポリマー産業は形成されており、大学や研究機関における研究活動に基づいて、ますます多くのジオポリマーサプライヤー企業が設立されています。市場規模に関する確かなデータはありませんが、ジオポリマーコンクリートは現在、米国では輸送部門、オーストラリアでは最近使用されています。ジオポリマーセメントの硬化時間の短さは、高速道路や空港の滑走路の修理に最適なソリューションとなっています。プレキャストコンクリートとしてのジオポリマー製品は、OPCコンクリートよりも10〜15%高価であると推定されており、特性と耐用年数が同じではないものの、ジオポリマーコンクリートの需要を制限しています。しかし、油井など、厳しい環境条件におけるコンクリートに関しては、ジオポリマーは非常に費用対効果の高い選択肢です。ただし、ジオポリマーコンクリートのコストは、原料によって異なることに注意してください。許容されるレベルの機械的特性を、アルカリ原子とケイ酸塩ユニットの低濃度を使用して得ることができるAl–Si材料を選択することが、より安価なジオポリマーコンクリートを製造するための鍵です。炭素税がセメントおよびコンクリート産業に与える影響は、ジオポリマー産業がポルトランドセメントに対する競争力を高めるのに役立ちます。たとえば、ヨーロッパ排出量取引制度（ETS）74は、J23–38/t CO2の範囲で二酸化炭素排出量に対する税金を決定し、75,76一般的なセメントの経済的優位性が現在のレベルで継続されないようにします。ジオポリマーマトリックスは、有毒物質を固定化し、放射性物質を隔離するコーティングを形成する能力が広くテストされており、受け入れられているようです。1998年には、ドイツのシュレーマ・アルベロダにあるヴィスムート鉱山排水処理施設で、パイロットスケールの実験が成功裏に行われました。77この研究では、ジオポリマーマトリックスは、危険な残留物を処理し、厳しい環境要件の下で保管する必要がある多くの問題に対する、成熟した費用対効果の高いソリューションであることが示されました。別の成功した用途として、失敗したチェルノブイリ原子炉4号機のからの高レベル廃棄物を封じ込めるために、ジオポリマーシェルターが適用されています。ジオポリマーのもう1つの有望な用途は、高度な耐火性ジオポリマー複合材料です。炭素繊維またはガラス繊維で強化されたジオポリマーは、高温（図6）で並外れた機械的特性を示し、航空宇宙用途に理想的な材料です。1994年には、ジオポリマーマトリックス複合材料が、排気システムのチタン部品を置き換える、フォーミュラ1レーシングカーに初めて使用され、その後、その熱特性が効果的なレーシングカーに広く採用されています。78炭素繊維強化ジオポリマー複合材料は、強い熱流にさらされても、発火、燃焼、煙の発生がなく、一般的なポリマーマトリックス複合材料に代わる、航空機の客室火災保護に適した材料となっています。米国空軍は現在、耐火性材料としてジオポリマー複合材料を装備した爆撃機を使用しています。
今後の研究
ジオポリマー技術は、ジオポリマーが現在使用されている材料と比較して優れた特性を持っているため、さまざまな分野で製品が成功裏に適用されていることから、関心を集めています。さらに、ポルトランドセメントの製造プロセスが環境に与える影響は、ジオポリマーを含む代替案を積極的に検討する必要があるでしょう。しかし、研究コミュニティは、まずジオポリマー化とジオポリマーの特性に関する既存の知識のギャップに対処する必要があります。今後の研究のためのいくつかの重要な分野を概説することができます。まず、ジオポリマー化に適した原料をより適切に特徴付ける必要があります。Davidovitsが示唆した「重要なパラメータ」を満たすように混合物の組成を調整すると、通常、矛盾する結果が得られます。材料のXRF分析と、さまざまな酸化物の含有量に関する知識だけでは、アルカリ活性化における材料の応答を正確に予測することはできないようです。粘土や廃棄物に存在するアルミノケイ酸塩相のXRDパターンと、ジオポリマー化中の挙動の関係を検討し、研究する必要があります。第二に、Al–Si源の物理的特性が、アルカリ溶液中での材料の溶解度とジオポリマー化の速度論に与える影響をさらに調査する必要があります。たとえば、粒径、形態、ゼータ電位が、ジオポリマーの硬化時間、微細構造、機械的特性に与える影響を明確にする必要があります。第三に、ジオポリマーの機械的挙動に対する硬化条件の影響に関する出版物はほとんどありません。最適な硬化条件と、ペーストの雰囲気湿度と加熱が最終ジオポリマーの特性に与える影響を明らかにする必要があります。第四に、さまざまな補強材を含むジオポリマーコンクリートの挙動は、完全には理解されていません。たとえば、ジオポリマーマトリックスに埋め込まれた鋼の腐食メカニズムは、さらなる研究の恩恵を受けるでしょう。最後に、ジオポリマーの長期的な挙動に関する知識の不足は、さらなる普及に対する重要な障壁となっているようです。ジオポリマー製品が厳しい環境やクリープ、疲労荷重の下でどのように応答するかに関するデータは、役立つでしょう。
結論
ジオポリマーの歴史と、この分野の研究活動のハイライトを紹介しました。ジオポリマー技術は、半世紀以上前に誕生しました。ジオポリマーの望ましい特性、豊富な原料、ジオポリマーの成功事例は、近い将来、ジオポリマーの大規模生産が大幅に進展することを約束しています。過去20年間、世界中で相当量の研究が行われ、ジオポリマー化とジオポリマーの特性に関する有用なデータと重要な発見が大量に得られました。さまざまな種類の天然のアルミノケイ酸塩と産業副産物がジオポリマーの原料として調べられており、適切な活性化プロセスが提案されています。しかし、ジオポリマー化のいくつかの側面に関する情報の不足が明らかになり、研究コミュニティはこれらのギャップに焦点を当てるべきです。ポルトランドセメントの現状と広く受け入れられているにもかかわらず、ジオポリマーの望ましい特性、環境へのメリット、強い学術的および商業的R&D活動は、ジオポリマー技術が近い将来、大幅な進展を遂げようとしていることを示唆しています。
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