セメント水和物のケイ酸構造を指標としたコンクリートの最適材料設計手法

2011 年度 実施状況報告書

• 研究課題/領域番号: 23560555
• 研究機関: 日本大学
• 研究代表者: 梅村 靖弘 日本大学, 理工学部, 教授 (70246825)
• 研究分担者: 小泉 公志郎 日本大学, 理工学部, 講師 (10312042) ; 佐藤 正己 日本大学, 理工学部, 助手 (50580164)
• 研究期間 (年度): 2011-04-28 – 2014-03-31
• キーワード: コンクリート / セメント / 混和材 / フライアッシュ / ポゾラン反応 / 蒸気養生 / ケイ酸カルシウム / 水酸化カルシウム

研究概要

産業廃棄物を利用したコンクリートの材料設計では，コンクリート中の微細組織構造の物理・化学的特性の時間変化から材料特性を把握する性能照査型設計法の構築が必要不可欠になる。この設計法の構築に寄与するため本研究は，セメント水和物の大半を占める非結晶質のケイ酸カルシウム水和物とセメント硬化体の強度発現特性等を関連付ける指標となるケイ酸鎖の構造との関係を解明することを目的している。本年度は，石炭火力発電所から発生するフライアッシュとセメントの水和反応から溶出する水酸化カルシウムCa(OH)2とのポゾラン反応を解明するため，フライアッシュと水酸化カルシウムの単純配合系における水和反応と生成されるケイ酸カルシウム水和物（C-S-H）の構造変化（シロキシサン鎖の鎖長分布）の分析を行った。また，セメント水和反応の促進のため蒸気養生を用いるケースが多いことから，シロキシサン鎖の鎖長分布に及ぼす加熱温度履歴の影響についても検討した。その結果，ポゾラン反応によりフライアシュからmonomerタイプのケイ酸イオンが供給され，シロキシサン鎖の鎖長分布は短鎖長側にシフトする傾向が確認され，常温20℃では材齢14日以降で確認された。一方，80℃，60℃，40℃ぞれぞれの温度で連続的に加熱すると，温度が高いほどフライアッシュのポゾラン反応は活性化され，C-S-Hの生成量が増加される。また，早期にmonomerが供給される結果，鎖長分布はより速く短鎖長にシフトする傾向にあった。内部標準物質を用いたXRD定量分析からフライアッシュに含有するquartzのような結晶性シリカ成分はポゾラン反応を受けずに未反応フライアッシュに残存することが推察された。加熱養生はAFm相の生成を促進させるが，80℃以上ではAFmおよびAFt相が消失することが確認された。

現在までの達成度 (区分)

2: おおむね順調に進展している

理由

今年度当初申請した研究内容は，フライアッシュのセメントとの水和反応過程において，水和初期におけるフライアッシュ粒子表面から溶出するケイ酸の構造を明らかにするとともに，セメントとの水和反応の解析と特にセメントから溶出する水酸化カルシウムCa(OH)2とのポゾラン反応の解析を実施し，生成されるケイ酸カルシウム水和物（C-S-H）の構造変化を明らかにすることであった。フライアッシュのポゾラン反応解析のためにフライアッシュと水酸化カルシウムCa(OH)2との単純配合ペーストの水和反応解析とC-S-Hのシロキシサン鎖の鎖長分布の分析は予定通り実施しデータを得ることができた。また，フライアッシュとセメントの水和反応解析のために混合配合ペーストを作製し加熱温度履歴を変えた試験体について水和反応解析を実施した。このフライアッシュならびセメントの主要鉱物であるC3SならびにC２Sの反応分析は実施できたが，生成したC-S-Hのシロキシサン鎖の鎖長分布の分析は継続中であり，すべての分析が完了するまで３カ月を要する予定である。しかし，次年度予定しているシリカフュームのセメントとの水和反応解析を前倒して一部実施し始めていることから，概ね順調に進展していると判断できる。

今後の研究の推進方策

シリカフュームのセメントとの水和反応過程において，水和初期におけるシリカフューム粒子表面から溶出するケイ酸の構造を明らかにする。さらに，セメントとの水和反応の解析と特にセメントから溶出する水酸化カルシウムCa(OH)2とのポゾラン反応の解析を実施し，生成されるC-S-Hの構造変化を明らかにする。　実験は以下の（I）～（III）であり，その統括は，研究代表者の梅村靖弘が担当する。（I）と(II)は研究分担者の佐藤正己が分担し，(III)については C-S-Hのケイ酸鎖の構造解析に関しては研究分担者の小泉公志郎が分担し，それ以外は研究代表者の梅村靖弘が担当する。(I)シリカフュームの分析：シリカフュームの化学成分の分析，粉末X線回折（XRD）により非晶質率を測定し，シリカフュームの品質の特徴を把握し、ポゾラン反応、水和物の生成量への指標とする。(II)シリカフュームセメント硬化体の作製：シリカフュームセメントの水和反応解析のために普通ポルトランドと混合ペーストの硬化体を作製する。さらに，シリカフュームのポゾラン反応解析のためにシリカフュームと水酸化カルシウムCa(OH)2との混合ペーストの硬化体を作製する。(III)シリカフュームセメント硬化体の水和反応解析:水和反応率と水和生成物については，熱重量示差熱分析（TG-DTA），選択溶解法，XRDリートベルト法、電子線マイクロアナライザ（EPMA），溶解法を用いて分析を行い，C-S-Hのケイ酸鎖の重合度についてはTMS化法により分析を行う。

次年度の研究費の使用計画

材料費はフライアッシュ，シリカフューム，セメント強さ試験用セメント、セメント強さ用標準砂，および分析に使用するガラス器具、薬品を計上する。具体的には，(1)材料費(シリカフューム：6種類×25）150,000円，(2)材料費(OPC)150,000円，(3)ガラス器具類200,000円，(4)薬品100,000円である。　研究成果の発表に伴う旅費は，(1)国内発表（コンクリート工学年次大会，広島）として100,000円，(2)国外発表 (University of Dundeeイギリス)として300,000円を計上する。 　分析依頼は電子プローブマイクロアナライザによる反射電子像からの シリカフュームの水和反応分析として100,000円を計上する。　 　以上，直接経費 合計 1,100,000円，関接経費　合計330,000円を計上する。

研究成果

• [雑誌論文] フライアッシュのポゾラン反応におけるケイ酸構造の影響 (2012)
  • 著者名/発表者名: 小泉公志郎，梅村靖弘，露木尚光
  • 雑誌名: セメント・コンクリート論文集 巻: 65巻 ページ: 40～45
  • 査読あり
• [雑誌論文] 蒸気養生履歴がフライアッシュモルタルの水和反応に及ぼす影響 (2012)
  • 著者名/発表者名: 鏡健太，佐藤正己，梅村靖弘
  • 雑誌名: セメント・コンクリート論文集 巻: 65巻 ページ: 118～125
  • 査読あり
• [雑誌論文] シリカフュームを添加した低熱ポルトランドセメントの水和およびケイ酸構造への水結合材比の影響 (2012)
  • 著者名/発表者名: 佐藤正己，梅村靖弘，小泉公志郎
  • 雑誌名: セメント・コンクリート論文集 巻: 65巻 ページ: 456～463
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Effects of Silica Fume and Superplasticizer on Cement Hydration under Low Water Cement (2011)
  • 著者名/発表者名: Y.UMEMURA, M.SATOU, K.KOIZUMI, N.TSUYUKI
  • 雑誌名: Congress Proceedings of 13th International Congress on the Chemistry of Cement 巻: CD-ROM,AREA-7 ページ: TH-7,446
  • 査読あり
• [雑誌論文] The Effects of Silicate Structures on Hydration of Pozzolanic Materials (2011)
  • 著者名/発表者名: K.KOIZUMI, M.SATOU, Y.UMEMURA, N.TSUYUKI
  • 雑誌名: Congress Proceedings of 13th International Congress on the Chemistry of Cement 巻: CD-ROM,AREA-4 ページ: TH-5, 388
  • 査読あり
• [雑誌論文] フライアッシュのポゾラン反応に及ぼす蒸気養生履歴の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 鏡健太，佐藤正己，梅村靖弘
  • 雑誌名: コンクリート工学年次論文集 巻: Vol.33 ページ: 173～178
  • 査読あり
• [雑誌論文] 高温蒸気養生履歴を受けるモルタルの脱型強度の推定 (2011)
  • 著者名/発表者名: 入江正明，鏡健太，梅村靖弘
  • 雑誌名: コンクリート工学年次論文集 巻: Vol.33 ページ: 353～358
  • 査読あり
• [雑誌論文] シリカフュームセメント硬化体の水和反応への水結合材比の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 佐藤正己，梅村靖弘，阿部忠，木田哲量
  • 雑誌名: コンクリート工学年次論文集 巻: Vol.33 ページ: 1271～1276
  • 査読あり
• [雑誌論文] フライアッシュを用いたコンクリート製品の蒸気養生に関する研究 (2011)
  • 著者名/発表者名: 鏡健太，佐藤正己，梅村靖弘
  • 雑誌名: 混和材料を積極的に利用するコンクリートに関するシンポジウム論文集 日本コンクリート学会 巻: - ページ: 47～54
  • 査読あり
• [学会発表] シリカフュームの品質が高強度セメント硬化体の圧縮強度発現性と水和反応に及ぼす影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 後藤健太，佐藤正己，梅村靖弘
  • 学会等名: 土木学会第66回年次学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2011年9月7日
• [学会発表] フライアッシュモルタルの圧縮強度発現性に及ぼす蒸気温度履歴の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 臼田康平，鏡健太，梅村靖弘
  • 学会等名: 土木学会第66回年次学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2011年9月7日
• [学会発表] フライアッシュセメントペーストの水和反応と圧縮強度に及ぼす蒸気養生履歴の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 鏡健太，佐藤正己，梅村靖弘
  • 学会等名: 土木学会第66回年次学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2011年9月7日
• [学会発表] 普通ポルトランドセメントの圧縮強度発現性に及ぼす蒸気温度履歴の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 尾畑展宏，鏡健太，梅村靖弘
  • 学会等名: 土木学会第66回年次学術講演会
  • 発表場所: 愛媛大学
  • 年月日: 2011年9月7日
• [学会発表] フライアッシュのポゾラン反応におけるケイ酸構造の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 小泉公志郎，鏡健太，露木尚光
  • 学会等名: 第65回セメント技術大会講演要旨
  • 発表場所: ホテルメトロポリタン（東京都豊島区西池袋）
  • 年月日: 2011年5月18日
• [学会発表] フライアッシュセメントのポゾラン反応に及ぼす養生温度履歴の影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 鏡健太，佐藤正己，梅村靖弘
  • 学会等名: 第65回セメント技術大会講演要旨
  • 発表場所: ホテルメトロポリタン（東京都豊島区西池袋）
  • 年月日: 2011年5月18日
• [学会発表] 品質が異なるシリカフュームの高強度セメント硬化体に及ぼす影響 (2011)
  • 著者名/発表者名: 佐藤正己，小泉公志郎，梅村靖弘
  • 学会等名: 第65回セメント技術大会講演要旨
  • 発表場所: ホテルメトロポリタン（東京都豊島区西池袋）
  • 年月日: 2011年5月18日