攻撃的環境下での炭酸ナトリウム活性スラグモルタルの耐久性向上のためのアルカリ触媒ナノシリカゾルの導入

より強く、より環境に優しいコンクリートが重要な理由

現代の都市、橋、港湾はコンクリートに依存していますが、従来のセメントは大きな気候負荷を伴い、沿岸部や寒冷地のような過酷な環境では早期に劣化することがあります。本研究は、二酸化炭素の排出が少なく、それでいて海水や凍結、腐食性化学物質に耐えうる有望な代替バインダーを探ります。スラグベースの新しいモルタルに特殊なナノサイズのシリカ成分を加えることで、海洋構造物やインフラがより長持ちし、地球への負担を軽減できる可能性を示しています。

新しいタイプの低炭素建材

一般的なコンクリートはポルトランドセメントに依存しており、その生産は世界の炭素排出の大きな割合を占めます。より環境に優しい手段の一つは、粒状高炉スラグのような工業副産物をアルカリ化学薬品で「活性化」して硬い石状のバインダーを形成する方法です。本研究では、炭酸ナトリウムで活性化したスラグモルタルに着目しました。炭酸ナトリウムは比較的環境負荷が小さく低コストで、収縮やひび割れを抑える利点があります。代償として、この炭酸ナトリウム活性スラグモルタルは内部が多孔になりやすく、塩分や水、凍結融解のサイクルといった海岸や道路環境で一般的な条件に対して脆弱になります。

微小なシリカ粒子がもたらす効果

この弱点に対処するため、研究チームは分散性に優れた超微粒子シリカを含む流体、アルカリ触媒ナノシリカゾルを異なる含有量で添加しました。乾燥したナノシリカ粉末とは異なり、このゾルは生のモルタル中に均一に広がります。硬化過程でナノシリカはスラグから放出されたカルシウムと反応して追加の結合ゲルを生成し、残留粒子は隙間を埋めます。研究では異なるナノシリカ含有量のモルタルを調製し、表面のアルカリ性、水の吸収、凍結耐性、および硫酸塩や塩化物イオンの侵入のしやすさを測定しました。内部で何が起きているかを観察するために、顕微鏡観察、X線回折、細孔サイズ測定が用いられました。

水、塩、氷への耐性

すべての試験において、ナノシリカゾルを含むモルタルは対照材を明確に上回りました。添加されたナノシリカは表面のアルカリ度を低下させ、全体の空隙率を減らし、毛管水吸収を抑制して水の浸入を減らしました。繰り返しの凍結–融解サイクルでは、ナノシリカ含有量が多い混合物ほど質量損失が小さく強度を多く保持し、表面のはく離やひび割れも格段に少なかったです。土壌や海水でコンクリートを攻撃することの多い硫酸ナトリウムおよび硫酸マグネシウム溶液に長期間曝露した場合、約8％のナノシリカを含むモルタルは強度低下が著しく小さく、特により攻撃性の高い硫酸マグネシウムによる損傷が大幅に低減しました。塩水における乾湿サイクルや直接的な塩化物の浸透を模した試験でも、ナノシリカを多く含むモルタルはイオン侵入に強く、未処理のものと比べて浸透深さや移動速度が半分以上低下しました。

材料内部で何が変わるか

観察と構造解析は、これらの性能向上の理由を明らかにしました。ナノシリカゾルは内部のネットワークをより緻密にし、多くの大・中孔がより細かいゲル孔へと変換され、連続した経路を形成する孔が減少しました。この細密化した微視構造により、水や攻撃性イオンがモルタルを通って移動することが物理的に困難になります。同時に、添加シリカはスラグ粒子を三次元的に結び付ける、より広範で安定した結合ゲルの形成を促しました。エトリンガイト、石膏、ブルサイト、塩化物含有塩類などの膨張性でひび割れを引き起こす結晶の量は、侵入イオンが少ないこととゲルやナノ粒子表面で無害化されるイオンが増えたため、ナノシリカ混合物で低くなりました。

今後の建設にとっての意味

専門外の方に向けて言えば、微小で均一に分散したシリカの液滴は、比較的脆弱で多孔な低炭素モルタルを、過酷な環境に対してより強靭で密な材料へと変えることができます。細孔ネットワークを精密化し内部のゲルを安定化することで、アルカリ触媒ナノシリカゾルは水、塩、凍結による損傷に対する抵抗性を大幅に改善します。本研究では約8％の添加が最も良好な総合結果を示しました。このアプローチは、海洋構造物、道路、その他の過酷な条件にさらされるインフラ向けに、耐久性が高く環境に優しいモルタルやコンクリートへの実用的で低コストな道を提供します。

引用: Zheng, X., Hu, Z., Liu, H. et al. Incorporating alkali-catalyzed nano-silica sol to enhance the durability of sodium carbonate-activated slag mortar in aggressive environments. npj Mater Degrad 10, 52 (2026). https://doi.org/10.1038/s41529-026-00763-2

キーワード: アルカリ活性化スラグ, ナノシリカゾル, コンクリートの耐久性, 硫酸塩および塩化物の攻撃, 低炭素建設