スラグ系ジオポリマーセメントの耐久性と機械的性能に対するグリーン混合活性剤の効果の比較解析

より強く、より環境に優しいコンクリートをつくる

セメントは私たちの住まい、橋、歩道などあらゆる場所に使われています。しかし、従来の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、気候変動に寄与します。本研究は、有望な代替バインダーであるスラグ系ジオポリマーセメントを検討し、産業廃棄物の再利用と排出削減の可能性を探ります。研究者たちは実用的な疑問を提示します：これらのバインダーを作る際に通常使われる強い苛性化学薬品の一部を、より穏やかで安価な「グリーン」粉末に置き換えても、強度や耐久性を損なわないか？

鉄鋼廃棄物から次世代のバインダーへ

本研究で扱ったセメントは、製鋼過程で生じる微粉末である高炉焼結スラグ（GGBFS）から作られます。このスラグに特別なアルカリ性粉末と水を混ぜると、コンクリートに似た固化体が得られますが、気候への影響は大幅に小さくなります。研究チームは三種類の活性剤を比較しました：標準的な量のケイ酸ナトリウム（強力だが腐食性のある化学薬品）、ケイ酸ナトリウムと炭酸カルシウム（石灰石の主成分）の混合物、ケイ酸ナトリウムと炭酸ナトリウム（一般的なソーダ灰）の混合物です。すべての成分は乾燥形態で使用され、現場では従来のセメントと同様に水を加えるだけで使えることを想定しています。

適切な化学レシピを見つける

研究者たちは、各混合物の硬化速度、時間経過による強度の発達、そして水の浸透性を測定しました。ケイ酸ナトリウムの一部を炭酸カルシウムで置き換えると硬化が遅れ、強度は大きく低下しました——炭酸カルシウムを多く含む混合物では90日後に最大70％もの強度低下が見られました。材料はより多孔になり、水の吸収量が増え、実体密度が低下して内部構造の弱さを示しました。一方で、ケイ酸ナトリウムの一部を少量の炭酸ナトリウムで置き換えると性能が向上しました。ケイ酸ナトリウム7％、炭酸ナトリウム3％の混合物は、3日から90日にかけて対照の全ケイ酸ナトリウム系よりも圧縮強度が10〜12％高く、かつ多孔率が低く密度が高いという結果を示しました。

塩類・火熱に対する耐性

この種のバインダーが従来のセメントに替わるには、過酷な環境下での耐久性が重要です。チームは試料を硫酸マグネシウム溶液に最長6か月間曝露させました——土壌や地下水中でコンクリートを損なうことの多い過酷な環境です。炭酸カルシウムを多く含む混合物は著しく劣化し、強度は3.1 MPaまで低下し、内部のひび割れや結合ゲルの喪失が示されました。対照的に、炭酸ナトリウムを含む混合物は耐力を多く保ち、同じ曝露後でも34〜40 MPaの範囲を維持しました。研究者たちはまた、試料を300、600、800 °Cで焼成して高温や火災を模擬しました。ここでも、ケイ酸ナトリウム7％・炭酸ナトリウム3％のブレンドは優れており、これらの温度でそれぞれ28日強度の約70％、51％、39％を保持しました——炭酸カルシウム系ブレンドは32〜84％の強度損失を被り、はるかに劣っていました。

材料内部を覗く

なぜ一部の混合物の性能が良いのかを理解するため、チームはX線回折、赤外分光、電子顕微鏡観察を用いて内部構造を調べました。これらの手法により、炭酸ナトリウムを含む混合物では、スラグ粒子を結びつけるより緻密で連続した結合ゲルが形成され、ひび割れや孔が少ない緊密なネットワークを作ることが示されました。化学組成は、耐熱性や硫酸塩に富む水に抵抗するアルミノケイ酸塩系およびカルシウム–アルミノケイ酸塩系の強いゲル形成を促しました。対照的に、炭酸カルシウム含有量が高い混合物は未反応の粉末や硫酸塩に攻撃されやすいカルシウム豊富な相を多く含み、高温で不安定化してより脆く亀裂の多い微細構造を呈しました。

将来の建築にとっての意味

総じて、本研究は炭酸ナトリウムがスラグ系ジオポリマーセメントにおけるケイ酸ナトリウムの技術的に妥当で安全かつ経済的な部分代替剤であることを示しています。特にケイ酸ナトリウム7％・炭酸ナトリウム3％の慎重に配合されたブレンドは、強く緻密で耐久性の高いバインダーを提供し、硫酸塩攻撃や高温にも従来のケイ酸ナトリウム単独系より優れ、炭酸カルシウム頼みの系よりはるかに優れています。一般向けの要点はシンプルです：比較的穏やかな一般的化学物質（ソーダ灰）で粉末の配合を調整することで、製鋼廃棄物をより環境に優しいセメントに変えられ、作業者や環境にやさしいだけでなく、長期にわたる建築物やインフラにも十分に耐えうる強さを持たせることができる、ということです。

引用: Hashem, F.S., Fadel, O., Hassan, H.S. et al. A comparative analysis of the effects of green blended activators on the durability and mechanical performance of slag-based geopolymer cement. Sci Rep 16, 12752 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-44669-0

キーワード: グリーンセメント, ジオポリマー, スラグバインダー, 炭酸ナトリウム活性剤, 耐久性の高いコンクリート