著者名： Kim Hung Mo, U. Johnson Alengaram, Mohd Zamin Jumaat
論文タイトル：Structural performance of reinforced geopolymer concrete members: A review
掲載誌名: Construction and Building Materials
出版年：2016年
ページ範囲: 251–264
環境負荷の低い建築材料、ジオポリマーコンクリートの可能性
従来のコンクリートベースの建築材料に伴う環境問題や経済問題の高まりから、鉄筋コンクリート構造などの代替材料の使用の可能性を探る研究が積極的に行われています。セメント製造に伴う二酸化炭素排出量の削減は、特に重要な課題です。ジオポリマーコンクリートは、セメントを使用しないコンクリート製造技術であり、この課題に対する有望な解決策として注目されています。
ジオポリマーコンクリートとは？
ジオポリマーコンクリートは、「ジオポリマー化」と呼ばれるプロセスで作られます。このプロセスでは、アルミノケイ酸塩材料とアルカリ溶液を反応させます。一般的に、ジオポリマーの製造には、産業副産物であるフライアッシュやスラグが使用されます。これらの材料は、セメントに比べて二酸化炭素排出量がはるかに少ないという利点があります。ジオポリマーの使用により、セメントの使用と比較して、二酸化炭素排出量を最大64％削減できることが報告されています。さらに、経済的な観点から、フライアッシュの価格がセメントよりも低いため、フライアッシュベースのジオポリマーコンクリートの価格は、アルカリ溶液の価格を考慮しても、従来のセメントベースのコンクリートよりも10〜30％安価になる可能性があります。
鉄筋ジオポリマーコンクリート部材の構造性能
ジオポリマーコンクリートに関する研究のほとんどは、ミクロスケールの調査に焦点を当てていますが、近年では、鉄筋コンクリート梁、柱、スラブなどの耐荷重部材におけるジオポリマーコンクリートの構造性能の研究にも力が注がれています。ジオポリマーコンクリート部材の構造性能は、実際の建物や用途にジオポリマーコンクリートを効果的に導入するためには、最も重要な要素の一つです。構造設計者の便宜を図り、ジオポリマーコンクリート部材に既存の設計基準を使用することの実現可能性を評価するためには、鉄筋ジオポリマーコンクリート部材の性能と既存の設計基準との適合性を確認する必要があります。さらに、実務に携わる技術者は、数値モデル、経験式、適切な仮定、安全率など、研究成果に基づいて、ジオポリマー構造のより現実的で安全かつ効果的な設計を行うことができます。鉄筋コンクリート構造におけるジオポリマーコンクリート利用の構造的側面の重要性を踏まえ、本レビューでは、梁、柱、スラブ、パネルなどのジオポリマーコンクリート構造に関する研究成果をまとめ、考察します。
鉄筋とジオポリマーコンクリートの付着強度
鉄筋コンクリート部材の構造性能は、コンクリートと鉄筋の付着強度に依存します。付着強さのメカニズムは、鉄筋の定着長さに影響を与え、その結果、構造要素の耐荷重性、ひび割れの発生と間隔に影響を与えます。ACI 408Rでは、付着強度を構造特性の一つと考えており、その挙動を理解することは、構造部材の解析・設計の基礎を構築する上で非常に重要です。ジオポリマーコンクリートは、従来のセメントコンクリートとは化学反応やマトリックス形成が異なるため、鉄筋コンクリート構造物に従来のセメントコンクリートに代わるものとして使用する前に、ジオポリマーコンクリートの付着特性を明確に理解しておく必要があります。通常のコンクリート用に設定された従来の付着強度式に頼ると、安全ではない設計になる可能性があり、そのため、ジオポリマーコンクリートの付着強度を明確にするための調査が数多く行われてきました。構造部材にとって付着強度は重要であることから、鉄筋とジオポリマーコンクリートの付着強度を評価する研究が行われてきました。先行研究で得られた付着強度の概要を表1に示します。
鉄筋ジオポリマーコンクリート梁の性能
フライアッシュ系ジオポリマーコンクリート梁の構造性能に関する研究は、Sumajouwらによって開始されました。Sumajouwらは、鉄筋比の異なる（0.64～2.69％）計6本の鉄筋コンクリート梁を製作し、曲げ破壊試験を行いました。その結果、予想通り、引張鉄筋比の増加に伴い曲げ耐荷重は増加し、AS 3600で与えられた設計規定値と比較すると、試験値と予測値の比は0.98～1.28であり、予測値のほとんどが安全側であった。Sumajouwらの研究では、引張鉄筋比（0.64～2.69％）とコンクリート圧縮強度（37～76MPa）の異なる16本の鉄筋ジオポリマーコンクリート梁（図1）を試験しました。端的に言えば、Sumajouwらは、曲げ耐力および靭性指標に対する引張鉄筋比の影響という点で、ジオポリマーコンクリート梁の一般的な挙動は、従来のセメント系コンクリート梁と同様であると報告しています。他の研究でも、鉄筋不足のフライアッシュ系ジオポリマーコンクリート梁は、曲げ荷重を受けた場合、従来の鉄筋コンクリート梁と同様に挙動する（最初のひび割れ荷重、ひび割れ幅、荷重-たわみ関係、曲げ剛性、極限荷重、破壊モード）と報告されています。一方、Dattatreyaらは、ジオポリマーコンクリート梁のピーク後靭性が低いことを観察しており、これは、従来のセメント系コンクリートと比較して、コンクリートの圧壊時により脆性的な破壊が見られたというYostらの報告と一致しています。対照的に、Jeyaseharらは、鉄筋ジオポリマーコンクリート梁の方が、従来のセメント系コンクリート梁と比較して、最初のひび割れ荷重、スパン中央部のたわみ、極限荷重が大きく、ひび割れ幅が小さいことを発見しました。Sumajouwらの以前の研究と同様に、Sumajouwらは、AS 3600に従って16本の鉄筋ジオポリマーコンクリート梁の曲げ耐荷力を評価し、試験値と予測値の平均比は1.11であることを発見しました。梁が鉄筋不足であったことを考慮すると、ジオポリマーコンクリートの圧縮強度の影響はわずかでした。さらに、AS 3600で規定されている使用荷重時のスパン中央部の最大たわみ量は安全側であることが判明し、試験値と予測値の平均比は1.15でした。また、Yostらは、鉄筋不足のジオポリマーコンクリート梁の極限耐荷重を予測する際に、ACI 318を使用しても問題ないことを発見しました。一方、IS 456に基づくと、鉄筋ジオポリマーコンクリート梁のひび割れ、使用時および極限時の耐力モーメント、たわみの予測値と実験値の間には、まずまずの一致が見られるものの、ジオポリマーコンクリート梁の構造性能を予測するためには、改善の余地があるとDattatreyaらは示唆しています。Prachasareeらは、この点に注目し、フライアッシュ系ジオポリマーコンクリート用の等価応力ブロックパラメータを導入し、ジオポリマーコンクリート梁の実験結果とよく一致することを確認しました。公称耐力モーメントに平均13％の差が見られ、予測値と試験結果の差が約1.4倍に縮まりました。Prachasareeらは、提案した設計パラメータをACI 318およびAS 3600の設計手順で使用できると報告しています。提案された方法では、まず、以下の修正Popovics式（式（7））を用いて、ジオポリマーコンクリートの簡略化された応力-ひずみモデルを提案しました。
結論：ジオポリマーコンクリートは持続可能な建設の鍵となるか？
ジオポリマーコンクリート部材の構造性能に関する研究成果をレビューした結果、梁や柱などのジオポリマーコンクリート部材は、従来の鉄筋コンクリート部材の設計基準を用いて設計できることが明らかになりました。これは、ほとんどの基準がジオポリマーコンクリート部材の極限耐荷重を安全に見積もっているためです。さらに、鉄筋ジオポリマーコンクリート部材の一般的な挙動や破壊モードは、従来の鉄筋セメント系コンクリート部材と同様であり、ジオポリマーコンクリートを用いた構造部材の設計に、既存の設計基準をさらに活用できるものと考えられます。過去には、ジオポリマーコンクリート構造物用の設計式もいくつか提案されていますが、まだかなり限定的であり、より経済的で効果的かつ現実的な鉄筋ジオポリマーコンクリート部材の標準設計方法を開発するためには、ジオポリマーコンクリートの構造性能に関するさらなる研究の余地があります。これは、将来的にジオポリマーコンクリートを大規模な構造物に本格的に導入するために不可欠であり、その結果、より環境に優しく持続可能な建設業界が実現すると考えられます。また、オーストラリアで実施されたジオポリマーコンクリートの実際のフィールド適用例からも、ジオポリマーコンクリートを大規模に適用できる可能性がさらに証明され、裏付けられています。
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