高濃度TiO2で強化したメタカオリン系ジオポリマー複合材の摩耗特性と熱安定性の評価

より強く、より長持ちする建築資材

住宅から高速道路まで、コンクリートやレンガはあらゆる場所に使われていますが、その一方で環境負荷が大きく、過酷な条件下では劣化しやすいという問題があります。本研究はジオポリマーと呼ばれるより環境負荷の低いバインダーに着目し、一般的な白色顔料である二酸化チタンを混ぜることで、より頑丈で耐熱性が高く、工場床や高温機器、極端な気候条件下のインフラなど、要求の厳しい用途に適した材料になることを示しています。

新しい石のような材料

従来のセメントに頼る代わりに、研究者らはケイ素とアルミニウムを豊富に含む精製粘土であるメタカオリンを原料とします。この粉末を強アルカリ性の液体と混ぜると、硬化してジオポリマーと呼ばれる石のようなネットワークを形成します。ジオポリマーはすでにポルトランドセメントよりもエネルギー消費が少なく排出も抑えられますが、実用上は摩耗、ひび割れ、高温への耐性も必要です。研究チームはメタカオリンの大部分を二酸化チタン粉末で置き換えた場合、つまり固体成分の重量で最大半分近くまで置換したときに何が起きるかを調べました。

隙間を埋める

見かけ密度、開口孔隙率、ブロックが吸収する水の量を注意深く測定した結果、微細な二酸化チタン粒子はスポンジに注ぎ込んだ細かい砂のように振る舞うことが示されました。粉末を増やすほど、硬化したブロックは同じ体積で重くなり、連結した孔が減少して小さくなりました。水の吸収率は無添加ジオポリマーと二酸化チタンを添加した版の間で3分の1以上低下し、水が到達できる内部空隙も縮小しました。顕微鏡画像はこれを裏付け、低〜中程度の充填量では内部構造が均される一方で、非常に高い含有量では粒子が密に詰まった領域が生じ、全体としてはかなり高密度の材料になることを示しました。

荷重と熱に対する挙動

ブロックを押し潰す試験と加熱試験も行われました。応力–ひずみ曲線は、二酸化チタンの添加により圧縮強度が着実に向上し、最も強いサンプルは改質していないジオポリマーのほぼ2倍の荷重に耐えて破壊したことを示しました。中間的な添加量では粒子の塊が弱点となり、徐々に破壊されることでより緩やかで脆性の小さい破壊挙動を示しました。室温から約1000°Cまで加熱した際、二酸化チタン含有試料は低〜中温域での質量損失が小さく、ゆるい水分や不安定な成分が少ないことを示しました。高温では、二酸化チタン粒子の耐熱性と硬化ネットワークのより緻密な詰まりにより、より多くの固形残留物が残りました。

滑り摩擦が滑らかに、摩耗が減少

機械部品が支持体にこすれる場合や車両が床面を走る場合などの条件を模擬するため、研究者らは各ブロック表面に硬いボールを荷重下で滑らせました。無添加のジオポリマーは最も高い摩擦と最大の摩耗を示し、深い溝が切られて多数の破片が発生しました。二酸化チタン含有量が増えるにつれて、摩擦と摩耗の両方が低下し、摩耗溝の深さと幅も縮小しました。約40〜50％の充填量では摩耗率は約3分の1に低下し、定常摩擦係数もおおよそ荷重の0.3程度からそれ未満に下がりました。摩耗面の顕微鏡観察では、改質された表面は鋭い破片に割れるのではなく、硬い粒子が荷重を分担して軟らかいバインダーを保護するため、溝の少ないより滑らかなトラックが形成されることが示されました。

今後の構造物への意義

非専門家向けの要点は、単純な白い粉末を大量に加えるだけで、すでに環境負荷の低いバインダーをさらに頑丈で耐久性の高い材料に変えられるということです。隙間に詰まり、熱や摩耗に耐えることで、二酸化チタンはジオポリマーのひび割れ、浸水、表面損傷を抑制します。環境負荷の低減と性能向上を兼ね備えたこの組み合わせは、特に高温や強い摩耗が通常のコンクリートを速やかに損なうような高性能構造物において、二酸化チタンで強化したメタカオリン系ジオポリマー複合材が従来のセメントに代わる魅力的な選択肢になり得ることを示唆しています。

引用: Hassan, M.A., Awys, S. & Ali Ali EL-Remaily, M.A.EA. Assessment of tribological performance and thermal stability of metakaolin-based geopolymer composites reinforced with high TiO₂ concentration. Sci Rep 16, 16441 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-54064-4

キーワード: ジオポリマー, 二酸化チタン, 耐摩耗性, 耐熱性, 持続可能なコンクリート