NaOHモル濃度と養生方法・温度の関係がジオポリマーコンクリートの挙動に与える影響

日常の構造物に向けた、より強くより環境に優しいコンクリート

コンクリートは住宅や橋、歩道などどこにでも使われています。しかし従来型のコンクリートの製造は大量の二酸化炭素を排出します。本研究は、石炭灰や高炉スラグなどの産業副産物から作れる代替材料、ジオポリマーコンクリートを検討します。研究者たちは、この環境負荷の低いコンクリートを現実の建物に使える強度にするため、熱炉での養生と常温での養生のどちらが適しているか、エネルギー使用と環境影響を低く抑えつつ最適化する方法を明らかにしようとしました。

新しいコンクリートを硬化させる二つの方法

研究チームは主原料にフライアッシュを用い、天然砂と砂利を骨材に、苛性ソーダ（水酸化ナトリウム）と水ガラスを基にした高アルカリ液を活性剤として多くのジオポリマーコンクリート試料を作製しました。一部の配合には、カルシウムを多く含む産業副産物である粒状高炉スラグも含めました。新鮮なコンクリートは二つの異なる方法で硬化させました。ひとつは試料を45 °C〜120 °Cのオーブンに入れる方法、もうひとつはスラグを含む混合物を約23 °Cの実験室で自然に養生する方法です。これにより、エネルギーを多く消費する加熱処理と低エネルギーの常温養生を直接比較できるようにしました。

熱と化学薬品の最適点を探る

オーブン養生試料について、研究者たちは養生後の圧縮・曲げ・間接引張における耐荷力を測定しました。明確な傾向が見られ、オーブン温度を45 °Cから90 °Cに上げると強度が大幅に向上しましたが、120 °Cまで上げると再び弱くなることが分かりました。微視的な画像はその理由を示しており、高温は材料を結合させる化学反応を促進しますが、過度の熱は水分を飛ばして微小なひび割れを生じさせます。アルカリ液の濃度も重要で、より強い水酸化ナトリウム溶液（8モルや10モルではなく12モル）を用いると最も高い強度が得られ、90 °Cでの圧縮強度は約60〜65 MPaに達し、高性能な構造用コンクリートに匹敵しました。

常温養生を機能させるために

常温養生は施工現場で遥かに現実的であるため、チームは追加の加熱なしで材料を硬化させるのにどれだけスラグを加えるべきかを調べました。室温下では、強度はスラグ含有量とアルカリ濃度の双方に強く依存しました。結合ゲル中にカルシウムが多く含まれることで孔隙を充填し、内部構造をより緻密にするため、一般にバインダー量の約10〜15％程度の適度なスラグ添加はコンクリートを著しく強化しました。スラグが少なすぎると硬化が遅くなり、多すぎると反応性のフライアッシュが希釈されて作業性が低下し、強度が再び低下しました。水酸化ナトリウム濃度を8モルから12モルに上げると、オーブン養生がなくてもすべてのスラグレベルで一貫して強度が向上しました。

コンクリート内部で何が起きているか

微視的スケールで何が起きているかを確認するため、研究者たちは高解像度の画像観察と化学分析を行いました。スラグを含む常温養生の混合物では、内部構造は比較的緻密で、粒子を結びつける複数のゲル相が混在し、孔隙が少ない様子が見られました。対照的にスラグを含まないオーブン養生試料は非常に緻密なアルミノケイ酸塩ゲルのネットワークを示しましたが、温度が高すぎる場合には微細な亀裂が多く見られました。元素分析はこれらの差を裏付け、スラグ含有混合物はより多くのカルシウムを含み、常温硬化に適したカルシウムリッチなゲルを形成する一方、スラグを含まないオーブン養生混合物は主に熱に強く反応するナトリウムベースのアルミノケイ酸塩ゲルに依存していることが確認されました。

強度、エネルギー使用量、持続可能性のバランス

統計解析を含むすべてのデータを総合すると、養生方法とアルカリ濃度がジオポリマーコンクリートの性能に強く影響することが示されました。単一で最も高強度を示した配合は水酸化ナトリウム12モル溶液を用い、90 °Cで養生したものでした。しかし、同じアルカリレベルでバインダー量の約10％のスラグを含む最適化された常温配合は、その強度の3/4以上に達し、多くの構造用途には十分な強度を外部加熱なしで与えることができました。一般の方に向けた簡潔なメッセージは次の通りです。温度、化学的強度、スラグ含有量を慎重に調整することで、エンジニアは燃料使用量と気候負荷を従来のセメント系コンクリートよりも低く抑えつつ、実用的な強度を持つジオポリマーコンクリートを設計できる、ということです。

引用: Özkılıç, Y.O., Mohamud, M.A., Yılmaz, F. et al. The relationship of curing methods and curing temperatures with NaOH molarity and their effects on the behavior of geopolymer concrete. Sci Rep 16, 8346 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39478-4

キーワード: ジオポリマーコンクリート, 低炭素建設, 養生温度, 高炉スラグ, 持続可能な材料