一成分型ジオポリマーモルタルにおける高性能減水剤の性能評価

温暖化する惑星に向けたよりクリーンな建築

コンクリートは現代都市の基盤ですが、それを結びつけるセメントは大きな気候負荷を伴います。本研究は、従来のセメントを多くの用途で置き換えうる低炭素の「水を加えるだけ」の粉末型材料を探ります。流動性を高める特殊な粉末を配合レシピに加えることで、現場で扱いやすく、構造用途に耐えうる強度が得られ、かつ現在の標準セメントよりコストが低い、より環境負荷の少ないバインダーを作れることを示しています。

工場廃棄物から建築素材へ

新たに焼成した石灰石に頼る代わりに、チームは製鋼過程の高炉スラグ粉砕物（GGBS）や天然の珪藻土、長石といった産業副産物を原料としてバインダーを組み立てます。これらの粉末は固体のナトリウム塩で活性化され、水を加えるとジオポリマーと呼ばれる硬い石状のネットワークを形成します。重要なのは、すべての成分が工場で乾式混合される点です。現場では従来の乾燥モルタル袋と同様に水を加えるだけで済みます。この「一成分」アプローチは、強い液体化学物質の取り扱いを避け、物流を簡素化し、大規模または遠隔地のプロジェクトに適しています。

硬い配合を新鮮な生地のように流動化する

ジオポリマーが直面する主な障害の一つは、しばしば粘性が高く取り扱いにくいことです。これに対処するため、研究者たちは粉末状の高性能減水剤を2種類試しました。これらは、余分な水を加えることなくコンクリートをより流動化するために広く使われる化学助剤です。一つはスルホ化ナフタレンホルムアルデヒド（SNF）を基にしたもの、もう一つはより現代的なポリカルボキシレートエーテル（PCE）です。これらを粉末バインダー中に粉体量の0.5％〜2.5％の範囲で混合しました。新鮮なモルタルがフローテーブル上でどれだけ広がるか、硬化までにどれくらい時間がかかるかを測定したところ、SNFをたった1％加えただけで、添加剤なしの試料より約3倍広がり、従来のポルトランドセメントモルタルに近い流動性を示し、かつ硬化の遅延はわずかでした。

一般的なセメントに匹敵する強度と靭性

チームは小さなブロックやビームを鋳造して、7日および28日での圧縮強度、曲げ強度、引張り分裂強度を試験し、超音波パルスやリバウンドハンマーなどの非破壊検査で内部品質を調べました。最も優れた結果を示したのはやはり1％SNF配合の混合物で、28日圧縮強度は約54メガパスカルに達し、添加剤のない同ジオポリマーより約15％高く、一般的な構造用セメント等級の基準である43メガパスカルを明確に上回りました。曲げおよび引張強度もやや向上し、超音波測定はより密で均一な内部を示しました。SNF含有量がさらに増えると強度は低下し始め、最適量を超えると過度な分散により余分な空隙や微細な亀裂が生じることを示唆しています。対照的に、PCEを含む全ての配合は強度が低下し、最高投与量ではほぼ半分にまで落ち、超音波速度やリバウンド数も低下して脆弱で多孔質なマトリックスを示しました。

なぜ一方は有効で他方は失敗するのかを詳細に探る

これらの性能差の化学的原因を明らかにするため、研究者たちは添加剤が高アルカリ性のジオポリマー環境下でどのように振る舞うかを調べました。表面電荷（ゼータ電位）や溶液中の炭素含有量の測定から、SNFは反応性粒子に強く付着して良好な分散を促進することが示されました。赤外分光法は、SNFの主要な官能基が苛性条件下でもほぼ保たれていることを確認しました。これに対してPCEはより強い負電荷を持ち、すでに負の表面電荷を帯びた粒子に付着しにくく、その分子構造がアルカリ性溶液で部分的に分解していました。X線回折や電子顕微鏡観察もこれを裏付け、SNFで改質したモルタルは比較的少ない空隙で連続したゲル豊富なネットワークを形成していたのに対し、PCE配合は断片化したゲル、未反応の粒子、多数の孔隙を示しました。

コスト低減とより環境配慮した建設への道筋

工業副産物を多く利用し、化学活性化剤とSNFを控えめに用いることで、最適化された一成分ジオポリマーバインダーは重量当たりのコストが標準的なポルトランドセメントより16〜25％低いと見積もられ、強度面でも匹敵または上回ることが示されました。同時に、セメントの炭素排出の大きな要因であるクリンカ焼成炉に依存しません。本研究は、適切な粉末添加剤と慎重な調合で、乾式混合のジオポリマーが強く、作業性が良く、実際の建設現場で実用的になり得ることを示しており、私たちのインフラに必要なコンクリートをよりクリーンで手頃な方法で作る道を示しています。

引用: Poojalakshmi, E.S., Nagarajan, P., Sudhakumar, J. et al. Performance evaluation of superplasticizers in one part geopolymer mortar. Sci Rep 16, 10892 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45408-1

キーワード: ジオポリマーセメント, 低炭素コンクリート, 高性能減水剤, 建設材料, 産業副産物