JP2014028727A

JP2014028727A - ジオポリマー組成物の作製方法及び当該ジオポリマー組成物を用いた構造体の構築方法

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Publication number: JP2014028727A
Application number: JP2012170415A
Authority: JP
Inventors: Kosuke Minami; 浩輔南; Taku Matsubayashi; 卓松林; Masashi Funahashi; 政司舟橋; Motoki Uehara; 元樹上原; Takatsune Sato; 隆恒佐藤
Original assignee: Railway Technical Research Institute; Maeda Corp
Current assignee: Railway Technical Research Institute; Maeda Corp
Priority date: 2012-07-31
Filing date: 2012-07-31
Publication date: 2014-02-13

Abstract

【課題】凍結溶融抵抗性及び塩化物イオン浸透抵抗性を高めると共に、鉄筋腐食の抑制及び防止を図ることが可能な構造体利用のためのジオポリマー組成物の作製方法を提供する。
【解決手段】ジオポリマー組成物を作製する際に、フライアッシュ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液を加え、活性フィラーの一部を高炉スラグに置換することにより、凍結融解抵抗性又は塩化物イオン浸透抵抗性の少なくとも一方を改善する。また、ジオポリマー組成物に防錆剤を加え、さらにエポキシ樹脂皮膜鉄筋を用いることにより、ジオポリマー組成物の内部に配置された鉄筋の腐食を防止した構造体を構築する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ジオポリマー組成物の作製方法及び当該ジオポリマー組成物を用いた構造体の構築方法に関するものであり、詳しくは、ジオポリマー組成物を作製する際に、活性フィラーの種類や混和材の種類等を適宜選択することにより、構造体利用に適したジオポリマー組成物を作製するための方法に関するものである。

近年、一般的に使用されているコンクリート（炭酸カルシウムを主成分とする石灰石を原料としたコンクリート）に替えて、ＣＯ₂排出量を抑制すると共に、産業副産物を再利用して環境負荷を低減することが可能なジオポリマー組成物を用いた硬化体が注目されている。ジオポリマーとは、活性フィラーと称される鉱物質粉体を、珪酸アルカリ又はアルカリ溶液で処理して得られる無機ポリマーである。活性フィラーには、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリン等があり、これらを原料としたジオポリマー組成物の作製方法が種々提案されている（特許文献１〜３参照）。

特許文献１（特開２００８−２３９４４６号公報）に記載された技術は、フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料としたジオポリマー組成物に関するものである。このジオポリマー組成物のフィラーは、少なくともフライアッシュを含んでおり、アルカリ活性剤は、少なくとも水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、珪酸ナトリウム、珪酸カリウムのいずれかを含んでいる。

特許文献２（特開平８−３０１６３８号公報）に記載された技術は、珪酸ナトリウム水溶液と生のカオリン質粉体を混合して型枠に流し込み、常温でそのまま固化させたジオポリマー組成物に関するものである。そして、固化反応を促進させる薬剤として、珪弗化カリウム又は高炉水砕スラグを混和する。

特許文献３（特開平８−３０１６３９号公報）に記載された技術は、珪酸ナトリウム水溶液とフライアッシュを混合して型枠に流し込み、常温でそのまま固化させるか蒸気養生により固化させたジオポリマー組成物に関するものである。

特開２００８−２３９４４６号公報特開平８−３０１６３８号公報特開平８−３０１６３９号公報

上述したように、ジオポリマー法を用いた硬化体の作製方法については、従来より種々の手法が提案されているが、いずれも硬化体（固化体）を得る作製方法に関する技術であり、構造的な利用に関しては何ら示されていない。このため、構造体利用に適したジオポリマー組成物を作製するための方法の確立が望まれている。

ジオポリマー組成物は、一般的なセメント系材料に比べ組織構造が粗く、透水係数及び透気係数が比較的大きなものとなる。したがって、外部から供給される水、二酸化炭素、塩化物は、ジオポリマー組成物の内部に浸透しやすく、特に鉄筋構造物への適用に際しては、内部鉄筋の腐食が懸念される。一方、ジオポリマー組成物自体は、酸劣化抵抗性、薬品抵抗性に富む材料であり、セメント系材料と異なり水酸化カルシウムを含まないことから、中性化などの問題もない。

しかし、上述したように、構造利用（鉄筋構造物への利用）においては、透水係数及び透気係数が比較的大きいため、内部に配置される鉄筋の腐食が懸念される。また、地上構造物においては、寒冷地利用を考慮して、凍結融解抵抗性を向上させることが必要となる。

本発明は、上述した事情に鑑み提案されたもので、構造体利用に適したジオポリマー組成物を作製するための方法であって、特に、凍結溶融抵抗性及び塩化物イオン浸透抵抗性を向上させ、鉄筋腐食の抑制及び防止を図ることが可能なジオポリマー組成物の作製方法を提供することを目的とする。

また、本発明は、当該ジオポリマー組成物を用いることにより、構造体内部に配置した鉄筋の腐食抑制及び腐食防止を図ることが可能な構造体の構築方法を提供することを目的とする。

上述した目的を達成するため、本発明に係るジオポリマー組成物の作製方法及び当該ジオポリマー組成物を用いた構造体の構築方法は、以下の特徴点を有している。すなわち、本発明に係るジオポリマー組成物の作製方法は、ジオポリマー組成物を作製する際に、フライアッシュ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液を加え、活性フィラーの一部を高炉スラグに置換することにより、凍結融解抵抗性又は塩化物イオン浸透抵抗性の少なくとも一方を改善することを特徴とするものである。

また、ジオポリマー組成物を作製する際に、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液に含まれるシリカ量とアルカリ量との比を調整することにより、凍結融解抵抗性を高めることが可能である。このとき、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液として、Ｎａ系とＫ系を混合して用いる場合は、ナトリウム量を調整することが好ましい。

また、上述したジオポリマー組成物の作製方法において、防錆剤を加えることにより、鉄腐食を抑制することが可能である。

また、上述した方法により作製したジオポリマー組成物を用いて構造体を構築することにより、当該ジオポリマー組成物の内部に配置された鉄筋の腐食を防止することが可能である。

また、上述した方法により作製したジオポリマー組成物を用いて構造体を構築すると共に、当該ジオポリマー組成物の内部にエポキシ樹脂皮膜鉄筋を配置することにより、鉄筋の腐食を防止することが可能である。

本発明に係るジオポリマー組成物の作製方法によれば、ジオポリマー組成物を作製する際に、活性フィラーの種類や混和材の種類等を適宜選択することにより、凍結溶融抵抗性及び塩化物イオン浸透抵抗性を向上させたジオポリマー組成物を作製することが可能となる。

また、本発明に係るジオポリマー組成物を用いた構造体の構築方法によれば、構造体内部に配置した鉄筋の腐食抑制及び腐食防止を図ることが可能となる。

本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物の凍結融解性能試験における相対動弾性係数の変化を示すグラフ。本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物の凍結融解性能試験における質量減少率の変化を示すグラフ。

＜ジオポリマー組成物＞
以下、本発明に係るジオポリマー組成物の作製方法及び当該ジオポリマー組成物を用いた構造体の構築方法の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係るジオポリマー組成物は、活性フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料として得られる組成物であり、活性フィラーをアルカリ活性剤溶液で活性化し、重合固化させることにより硬化体を作製する。すなわち、活性フィラーから溶出したアルミニウム等の金属が水ガラス成分を含む水と接触すると、珪酸錯体（ＳｉＯ₄）が架橋されてポリマー化することにより、硬化体を得ることができる。

＜活性フィラー＞
本発明の実施形態で使用する活性フィラーは、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類である。これらの活性フィラーのうち、フライアッシュ、高炉スラグ、下水焼却汚泥は、ガラス成分を含む産業副産物であり、これらを再利用することにより環境負荷を低減することができる。

フライアッシュは、石炭火力発電所において燃焼副産物として排出される石炭灰であり、シリカ（ＳｉＯ₂）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分としている。高炉スラグは、銑鉄製造工程で発生する産業副産物であり、石灰（ＣａＯ）及びシリカ（ＳｉＯ₂）を主成分とし、アルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）やマグネシア（ＭｇＯ）を含んでいる。下水焼却汚泥は、下水処理において発生する汚泥を焼却したもので、シリカ（ＳｉＯ₂）及びアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）を主成分とし、リン酸（Ｐ₂Ｏ₅）を含んでいる。カオリン（Ａｌ₂Ｓｉ₂Ｏ₅（ＯＨ）₄）は、天然に産出する珪酸塩鉱物の１種である。

＜アルカリ活性剤＞
アルカリ活性剤としては、例えば、水ガラス（珪酸ナトリウム溶液又は珪酸カリウム溶液）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）溶液、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）溶液、メタ珪酸ナトリウム粉体等を用いることができる。

＜骨材＞
骨材としては、一般的なコンクリートやモルタルに使用されているものを用いることができる。

＜実施例１＞
実施例１に係るジオポリマー組成物の作製方法は、フライアッシュ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液を加え、活性フィラーの一部を高炉スラグに置換することにより、凍結融解抵抗性を改善したジオポリマー組成物を作製する。被置換対象である活性フィラーと置換する高炉スラグは、約１０〜３０ｖｏｌ％である。

実施例１に係るジオポリマー組成物の作製方法では、特に、活性フィラーとしてフライアッシュを用いた場合に、このフライアッシュの約１０〜３０ｖｏｌ％を高炉スラグに置換することにより、凍結融解抵抗性を改善することができた。

＜実施例２＞
実施例２に係るジオポリマー組成物の作製方法は、フライアッシュ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液を加え、活性フィラーの一部を高炉スラグに置換することにより、塩化物イオン浸透抵抗性を改善したジオポリマー組成物を作製する。被置換対象である活性フィラーと置換する高炉スラグは、約１０〜３０ｖｏｌ％である。

実施例２に係るジオポリマー組成物の作製方法では、特に、活性フィラーとしてフライアッシュを用いた場合に、このフライアッシュの約１０〜３０ｖｏｌ％を高炉スラグに置換することにより、塩化物イオン浸透抵抗性を改善することができた。すなわち、実施例２の作製方法により作製したジオポリマー組成物を用いた構造体において、構造体表面から構造体内部への塩化物イオンの浸透を抑制することができ、構造体内部に配設された鉄筋等の腐食を防止することが可能となる。

＜実施例３＞
実施例３に係るジオポリマー組成物の作製方法は、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液に含まれるシリカ量とアルカリ量との比を調整することにより、凍結融解抵抗性を高めたジオポリマー組成物を作製する。珪酸アルカリ及びアルカリ溶液に含まれるシリカ量とアルカリ量との比は、使用する活性フィラー、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液の種類等により、適宜変更して実施することができる。

以下、シリカ量とアルカリ量との比を調整することにより、凍結融解抵抗性が高まることについて説明する。珪酸ソーダ（水ガラス）の主成分であるＮａ₂Ｓｉ₄Ｏ₃やＮａ₂ＳｉＯ₃は吸水して膨張する性質がある。そして、ジオポリマーの縮重合反応によるポリマー化に供されなかった当該成分の残存量が多いほど、吸水量は多くなると考えられる。この結果、凍結融解作用によるジオポリマー組成物への水の移動量がより多くなり、水分の凍結による膨張圧が高まり凍結融解抵抗性が低下すると考えられる。

また、凍結融解抵抗性に対する直接的な影響度は低いが、アルカリ骨材反応（ＡＳＲ）に対する抑制効果も高まると考えられる。ジオポリマー硬化体はセメント系材料と比較してアルカリ骨材反応性が高いと考えられている。そして、ジオポリマー硬化体同士の比較を行った場合、非晶質のシリカガラス等の反応性シリカが多いものは、アルカリシリケート反応（活性度の高いシリカ質とナトリウム分との反応による膨張）による反応生成物の生成や吸水に伴う膨張がより大きくなると考えられる。

したがって、シリカ量とアルカリ量の比を調整することにより、ジオポリマーの縮重合反応によるポリマー化に供されなかったＮａ₂Ｓｉ₄Ｏ₃やＮａ₂ＳｉＯ₃の残存量を減少させて、凍結融解抵抗性を高める（耐久性を向上させる）ことができる。

実験によると、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液中に含まれる総アルカリ量（Ｎａ＋Ｋの和）は一定のまま、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液中に含まれるシリカ量を減じることで、凍結融解抵抗性が高まった。この実験では、珪酸アルカリ溶液としてＮａ系の水ガラスを用い、アルカリ溶液としてＫＯＨを用いている。

そこで、Ｓｉ／アルカリ比を下げる場合には、珪酸アルカリ溶液（水ガラス）中に含まれる成分（ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ、Ｈ₂Ｏ）を減らし、アルカリ溶液中に含まれる成分（ＫＯＨ、Ｈ₂Ｏ）を増やし、水（Ｈ₂Ｏ）で濃度を調整した。

一方、Ｓｉ／アルカリ比を上げる場合には、珪酸アルカリ溶液（水ガラス）中に含まれる成分（ＳｉＯ₂、Ｎａ₂Ｏ、Ｈ₂Ｏ）を増やし、アルカリ溶液中に含まれる成分（ＫＯＨ、Ｈ₂Ｏ）を減らし、水（Ｈ₂Ｏ）で濃度を調整した。

この実験では、上述した調整を行ったことから、シリカ量とアルカリ量の比を調整すると同時に、アルカリ溶液中に含まれるＮａ量（Ｎａ／Ｎａ＋Ｋの比）が少なくなっている。したがって、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液として、Ｎａ系とＫ系を混合して用いる場合は、シリカ量とアルカリ量の比の調整に加えて、Ｎａ量を調整することが好ましい。

＜実施例４＞
実施例４に係るジオポリマー組成物の作製方法は、防錆剤を加えることにより、鉄腐食を抑制したジオポリマー組成物を作製する。防錆剤としては、例えば、アミン類のカルボン酸塩類、クロム酸塩類、亜硝酸塩類、カルボン酸のエステル類、安息香酸物エタノールアミン塩を用いることができる。具体的には、ジシクロヘキシルアンモニウムナイトライト、ジイソプロピルアンモニウムナイトライト、モノエタノールアミンベンゾエート、ジイソプロピルアンモニウムベンゾエート、ジシクロヘキシルアンモニウムシクロヘキサンカルボキシレート、シクロヘキシルアミンシクロヘキサンカルボキシレート、ジシクロヘキシルアンモニウムアクリレート、シクロヘキシルアミンアクリレート等を挙げることができる。

防錆剤の添加量は、使用する活性フィラー、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液の種類等により、適宜変更して実施することができる。

＜実施例５＞
実施例５に係る構造体の構築方法は、上述した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４の作製方法により作製したジオポリマー組成物を用いて、当該ジオポリマー組成物の内部に配置された鉄筋の腐食を防止した構造体を構築する。すなわち、実施例５に係る構造体の構築方法では、本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物が鉄筋の腐食防止作用を有することを利用して、耐腐食性の高い鉄筋構造物を構築する。

＜実施例６＞
実施例６に係る構造体の構築方法は、上述した実施例１、実施例２、実施例３、実施例４の作製方法により作製したジオポリマー組成物を用いると共に、当該ジオポリマー組成物の内部にエポキシ樹脂皮膜鉄筋を配置することにより、鉄筋の腐食を防止した構造体を構築する。すなわち、実施例６に係る構造体の構築方法では、本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物が鉄筋の腐食防止作用を有することを利用すると共に、エポキシ樹脂皮膜鉄筋を用いることにより、耐腐食性の高い鉄筋構造物を構築する。実施例６に係る構造体の構築方法により構築した構造体（鉄筋構造物）は、高い耐久性と構造性能を長期間保持することができる。

＜実験結果＞
図１に、本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物の凍結融解性能試験における相対動弾性係数の変化を示し、図２に、本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物の凍結融解性能試験における質量減少率の変化を示す。図１及び図２から明らかなように、本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物は、凍結融解を繰り返した場合に、相対動弾性係数の低下が少なく、また、質量減少率が少ないことが解る。すなわち、本発明の作製方法により作製したジオポリマー組成物は、優れた凍結溶融抵抗性を有している。

Claims

ジオポリマー組成物を作製する際に、フライアッシュ、下水焼却汚泥、カオリンのうちの少なくとも１種類を含む活性フィラーに、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液を加え、前記活性フィラーの一部を高炉スラグに置換することにより、凍結融解抵抗性又は塩化物イオン浸透抵抗性の少なくとも一方を改善することを特徴とするジオポリマー組成物の作製方法。
ジオポリマー組成物を作製する際に、前記珪酸アルカリ及びアルカリ溶液に含まれるシリカ量とアルカリ量との比を調整することにより、凍結融解抵抗性を高めることを特徴とする請求項１に記載のジオポリマー組成物の作製方法。
ジオポリマー組成物を作製する際に、珪酸アルカリ及びアルカリ溶液に含まれるナトリウム量を調整することにより、凍結融解抵抗性を高めることを特徴とする請求項２に記載のジオポリマー組成物の作製方法。
ジオポリマー組成物を作製する際に、防錆剤を加えることにより、鉄腐食を抑制することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のジオポリマー組成物の作製方法。
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のジオポリマー組成物を用いて、当該ジオポリマー組成物の内部に配置された鉄筋の腐食を防止することを特徴とする構造体の構築方法。
前記請求項１〜４のいずれか１項に記載のジオポリマー組成物を用いると共に、当該ジオポリマー組成物の内部にエポキシ樹脂皮膜鉄筋を配置することにより、前記鉄筋の腐食を防止することを特徴とする構造体の構築方法。