2018 Fiscal Year Annual Research Report
配合の最適化による高耐久性フライアッシュ系ジオポリマーの開発
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17H03291
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| Research Institution | Oita National College of Technology |
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Principal Investigator |
一宮 一夫 大分工業高等専門学校, 都市・環境工学科, 教授 (00176306)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
畑中 重光 三重大学, 工学研究科, 教授 (00183088)
新 大軌 島根大学, 学術研究院環境システム科学系, 准教授 (70431393)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ジオポリマー / フライアッシュ / 高炉スラグ微粉末 / 表層劣化 / 高温抵抗性 / 補修材料 / 反応メカニズム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
ジオポリマーは，石灰石を主原料としない新しいバインダーであり，CO2排出量をポルトランドセメントの最大80%削減，全CO2排出量では最大で10%削減可能となるとの報告もある。また，ポルトランドセメントの弱点である酸や500℃以上の高温での抵抗性にも優れることから，社会インフラの長寿命化や構造物の長寿命化による解体時の産業廃棄物や新設時のエネルギー消費の抑制が期待できる。
本研究では，コンクリート代替となりうる可能性が最も高いと考えられる配合であるフライアッシュの一部を高炉スラグ微粉末で置換したジオポリマーを対象とした。そして，フライアッシュに対する高炉スラグ微粉末の置換率を0%から30%まで変化させ，(1)表層劣化，(2) 高温抵抗性，(3) コンクリート構造物の補修材料への適用，(4) 反応メカニズムなどを検討した。
(1)表層劣化に関しては，環境条件ならびに配合と白華やスケーリングの関係を実験で明らかにするとともに，表面含浸材の有効性についても検討した。また，強酸性温泉地の設置後およそ３年を経過した歩車道境界ブロックの劣化メカニズムについても考察した。(2) 高温抵抗性に関しては，フライアッシュに対する高炉スラグ微粉末の置換率とアルカリ溶液濃度を変化させたモルタル供試体の加熱冷却後の圧縮強度の違いから，ジオポリマーの高温下での物性変化を調べた。加えて，加熱冷却後と高温時の強度の関係を調べた。(3) コンクリート構造物の補修材料への適用では，ジオポリマーを補修材料として使用したRC 部材の曲げ変形挙動およびその破壊特性を実験的に明らかにした。また，微細ひび割れの補修材として，シリカフュームを混和する方法の有効性を検討した。(4) 反応メカニズムでは，ジオポリマーの反応メカニズムを明確にすることを目的に、フライアッシュのガラス相の反応性および反応生成物について検討を加えた。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29，30年度に実施した研究で得られた主な知見を以下に示す。
1.ジオポリマーの表層劣化：(1)ジオポリマーの表層劣化は温度や湿度が低いほど進行する。(2) 高炉スラグ微粉末置換率を高めることで表層劣化を抑制できる。(3) アルカリ溶液の濃度を調整することで表層劣化を抑制できる。(4) OPCコンクリート用のシラン系表面含浸材はGPの表層劣化の速度を逓減させる効果がある。(5)強酸性の温泉地に設置した歩車道境界ブロックの早期劣化は表層に限定される現象である。(6)高炉スラグ微粉末置換率が高いほど部分吸水による膨張量が大きい。
2.ジオポリマーの高温抵抗性：(1)高温冷却後のジオポリマーの色調や形態はアルカリ水比（A/W）により異なる。1150℃では配合によっては膨張または溶融する。(2)A/W=0.095，高炉スラグ微粉末置換率10%，20%の配合は1150℃でも形状変化が生じない。(3)カリウム系アルカリ溶液で高温抵抗性が向上する。(4)加熱冷後ごと高温時の強度を比較すると，後者の方が高い場合がある。
3.コンクリート構造物の補修材料への適用：(1)ヤング係数が母体コクリートに近い高強度のジオポリマーを用いたRC梁の場合は，耐力の回復が良い傾向があった。(2)いずれの補修材料を使用した場合においても付着界面処理の違いによる影響が確認できた。(3)付着界面を良好とした試験体においても付着破壊が生じ，急激な耐力の低下の原因となったと考えられた。(4)シリカフュームの割合が増えると体積膨張が生じることがある。
4.ジオポリマーの反応メカニズム：(1)NaOH 水溶液中でフライアッシュ中の非晶質相の溶解反応が進行する。ジオポリマー反応が進行することで非晶質の反応生成物が生成，増加する。(2)ジオポリマーに膨張材を添加した場合はセメントに膨張材を添加した場合は同等以上の膨張量である。
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| Strategy for Future Research Activity |
３年間の研究期間の最終年であることからこれまでの実験結果のとりまとめを行う。一方，本研究課題の中心となる「表層劣化」と「高温抵抗性」に関しては以下の検討をする。
1. ジオポリマーの表層劣化 ： 大分県別府明礬温泉の試験施工で使用したブロック断面の化学成分の分布をSEM-EDSで定量評価し，表層劣化メカニズムの解明をする。また蒸気養生前の前置き時間を１～２日間確保することで蒸気養生温度を80℃（従来は60℃）にすることができる。その結果，固化体の密度が向上して表層劣化抑制が期待できることから実験で確認する。
2. ジオポリマーの高温抵抗性 ： 一般のコンクリートでは，高温時と加熱冷却後の強度はほぼ同じであることが分かっている。一方，ジオポリマーに関する高温時と加熱冷却後の強度の関係についての知見はないことから実験で明らかにする。また，上記に関連し，前置き時間が高温抵抗性に与える影響についても検討する。
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