異なる前駆体を用いたジオポリマー内部の水反応を評価するためのマイクロ波反射・透過測定

温度計にかけられたより環境に優しいコンクリート

コンクリートは至る所に使われていますが、その主要成分であるポルトランドセメントの製造は大量の二酸化炭素を排出します。ジオポリマーは、セメントの代わりに工業副産物を原料とする新しい「グリーン」結合材の一群で、これらの排出を大幅に削減する可能性があります。しかし、建築物や橋で安全に使うには、硬化中にこれらの材料内部で水がどのように振る舞うかを理解する必要があります。本研究は、目に見えないその水の挙動をマイクロ波で非破壊的に観察する巧妙な手法を探り、環境配慮型コンクリートをリアルタイムで監視するための新たなツールを提供する可能性を示しています。

セメント塊からよりクリーンな建材へ

従来のコンクリートは高温キルンで作られるセメントに依存しており、その工程は世界のCO₂排出量のおよそ7%を占めます。ジオポリマーは、石炭火力発電所のフライアッシュ、製鋼からの高炉スラグ粉末（GGBFS）、メタカオリンと呼ばれる焼成粘土などのアルミノシリケート粉末でセメントの多くを置き換えます。これらの粉末をアルカリ液と混合すると、エネルギー集約的な焼成工程を経ることなく硬い岩石状の材料が形成され、理論的には排出を最大80%削減できる可能性があります。しかし、結合過程での水の移動や状態変化は普通のセメントより複雑であり、強度、耐久性、ひび割れに大きく影響します。

やさしいX線としてのマイクロ波の活用

水分子はマイクロ波と強く相互作用するため、材料内部での水の保持状態にわずかな変化があれば、透過するマイクロ波信号の変化として検出できます。研究者らは、ベクトルネットワークアナライザという精密なマイクロ波計測器に接続した標準的な長方形金属管（波導）を用いました。フライアッシュ（FA）、スラグ（GGBFS）、メタカオリン（MK）から作った新鮮なジオポリマーペーストを波導に注ぎ、約30時間そのままにしてマイクロ波を送り込み、反射および透過信号を記録しました。ナトリウムシリケートと水酸化ナトリウムの比が1と2.5の2種類のアルカリ溶液を使うことで、水分量と化学組成を変えつつ、基本的な測定セットアップは変えずに実験を行いました。

水の隠れた変容を聴く

重要な発見は、試料を通過するマイクロ波エネルギー（透過）の量が、表面で跳ね返る量（反射）よりも内部の変化に遥かに敏感だということでした。試料厚さが倍増しても反射は0.5デシベル未満の変化しか示さなかったのに対し、透過は最大で35デシベルも変化し、内部で何が起きているかを明確に示しました。透過を時間経過で追跡し、誘電率と呼ばれる電気的特性を抽出することで、水が移動しやすい「自由水」とより強く保持された「結合水」のどちらであるかを推定できました。重量測定により全試料の質量減少は2.5%未満であることが分かり、マイクロ波信号の変化は単なる蒸発ではなく、構造内での水の結合様式の変化を主に反映していると結論づけられました。

粉体ごとに異なる水の物語

カルシウムを多く含むフライアッシュとスラグは、従来のセメントに似た挙動を示しました：混合物が硬化するにつれて自由水が徐々に成長する固体ネットワークに結合され、マイクロ波透過がそれに応じて増加しました。フライアッシュは特にマイクロ波損失が大きく、信号を多く吸収して顕著な変化を生じさせました。一方で、カルシウム含有量が非常に少ないメタカオリンは異なる傾向を示しました。ある溶液では、時間の経過とともに微細で反応性の高い構造に追加の水を取り込むように見え、透過が低下して「マイクロ波スポンジ」のように振る舞いました。別の溶液では、メタカオリンも自由水から結合水へのよりセメント様のシフトを示しました。走査型電子顕微鏡（SEM）画像と化学分析（EDS）は、メタカオリンが最も緻密でひび割れの少ない微細構造を形成し、フライアッシュはより多孔で部分的に反応した状態であることを確認しました。

将来の建築への示唆

平たく言えば、本研究はマイクロ波透過がグリーンコンクリートの聴診器のように働き、材料が強度を獲得する過程で水が緩い状態から固定された状態へと移る様子を捉えられることを示しています。産業副産物の粉体はすべて同じように硬化するわけではないこと、すなわちカルシウムを多く含むフライアッシュやスラグは水和に似た経路をたどる一方、低カルシウムのメタカオリンは活性化溶液によっては逆の傾向を示すことを明らかにしました。この非破壊的な監視法は、ジオポリマーコンクリートの配合設計、養生条件、品質管理の最適化に役立ち、低炭素建材の安全な実構造への導入を加速する可能性があります。

引用: Hasar, U.C., Korkmaz, H. Microwave reflection and transmission measurements for evaluating water reaction within geopolymers with different precursors. Sci Rep 16, 7759 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36602-2

キーワード: ジオポリマーコンクリート, マイクロ波センシング, 水の結合, フライアッシュ スラグ メタカオリン, 持続可能な建設