JP5993080B1 - ジオポリマー組成物製造方法、ジオポリマー組成物の強度診断方法、及びジオポリマー組成物の強度改善方法 - Google Patents

Abstract

【課題】セメントと比較しても十分な強度を発揮できるジオポリマー組成物が得られるジオポリマー組成物製造方法を提供。【解決手段】粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化してジオポリマー組成物を製造する方法であって、前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するジオポリマー組成物製造方法。【選択図】図１

Description

本発明は、ジオポリマー組成物を製造するジオポリマー組成物製造方法に関し、特に、高い強度特性を有するジオポリマー組成物を簡易に製造できるジオポリマー組成物製造方法、さらにジオポリマー組成物の強度についての診断方法及び改善方法に関する。

近年、産業の発展と共に、二酸化炭素(ＣＯ_２)排出による地球温暖化が急速に進行しており、社会問題化している。特に、セメント産業では、セメント（普通ポルトランドセメント）の製造過程において原料の石灰石を焼成する際にＣＯ_２が大規模に排出されており、そのＣＯ_２排出量の削減が求められている。

しかしながら、セメントは現代社会の基盤インフラとして、その需要は極めて高いことから、セメント生産量を単純に減少させることは現実的ではない。このような状況から、ＣＯ_２排出量を低減することができると共に、現行のセメントコンクリートと同等の特性（例えば、強度や耐候性）を維持できるようなセメントコンクリート代替材料に対するニーズが高まっている。

そのようなセメントコンクリート代替材料として、製造過程においてセメントを全く使用しない（即ち製造過程におけるＣＯ_２排出工程が無い）という優れた性質を有する硬化体であるジオポリマー組成物（ジオポリマー硬化体）の実現が期待されている。ジオポリマー組成物とは、スラグやフライアッシュ等の石炭灰を原料として、水ガラス等のアルカリ剤を添加することにより固化（ジオポリマー化）させて得られる固形材料である。

ジオポリマーという用語は、溶岩（ジオ）が生成されるように固化する（ポリマー化）という特徴（即ち、カルシウム水和物が絡まり合うことによるセメントの固化とは全く異質の固化メカニズムであること）に由来して命名されたものであり、現在では一般名称として広く知られている。

ジオポリマー組成物の原料となる石炭灰は、火力発電所や産廃炉から排出される産業廃棄物であることから、ＣＯ_２排出抑制の利点のみならず、廃棄資源の再利用による有効活用も同時に実現できる材料であることから、さらに高い期待が寄せられている。

従来のジオポリマー組成物としては、例えば、フィラーとアルカリ活性剤と骨材を原料とするものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来のジオポリマー組成物としては、少なくとも一種のアルミノシリケート源（成分Ａ）と、少なくとも一種のアルカリ源（成分Ｂ）とを含む成分を混合して、成分Ａと成分Ｂとを含む混合物を３５℃以上に加温し、かつ当該加温状態を５分間以上保持し、得られたジオポリマー前駆体を型枠に充填し、養生・脱型することにより得られるものがある（例えば、特許文献２参照）。

特開２００８−２３９４４６号公報 特開２０１２−２４０８５２号公報

しかしながら、従来のジオポリマー組成物は、ジオポリマー化によって、固体状の硬化体が得られることまでにとどまっており、セメントコンクリートと比較して十分な強度が得られることまでは至っていないという課題があった。

本発明は前記課題を解決するためになされたものであり、セメントコンクリートと比較しても十分な強度を発揮できるジオポリマー組成物が得られるジオポリマー組成物製造方法の提供を目的とする。

本発明者らは、鋭意研究の結果、産業廃棄物として処理されていた大量のゴミ溶融炉スラグや高炉スラグに着目し、これに付加価値を与えることによって資源として有効利用するための方法を模索し続け、試行錯誤の末、セメントコンクリート代替材料として、従来のコンクリートよりも高い強度を奏するジオポリマー組成物の製造方法を見出し、上述目的を達成し得る新しいタイプのジオポリマー組成物の製造方法を見出すことに成功した。

さらに、その製造過程における知見を用いて、ジオポリマー組成物の強度を診断する方法も見出すと共に、さらにはジオポリマー組成物の強度を改善する方法も見出した。

かくして、本願によれば、粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化してジオポリマー組成物を製造する方法であって、前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することを特徴とするジオポリマー組成物製造方法が提供される。

また、別の側面では、粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化して製造されるジオポリマー組成物の強度を診断する方法であって、前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するか否かに基づいて、ジオポリマー組成物の強度を診断することを特徴とするジオポリマー組成物の強度診断方法も提供される。

また、別の側面では、粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化して製造されるジオポリマー組成物の強度を改善する方法であって、前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有しないジオポリマー組成物を、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比に基づいて、他の組成比率を有する前記粉体原料及び／又は前記アルカリ溶液とを混合することによって、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するようにすることを特徴とするジオポリマー組成物の強度改善方法も提供される。

本発明の第１の実施形態に係るジオポリマー組成物製造方法で用いられる前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとの相関関係を示すグラフを示す。 本発明の第１の実施形態に係るジオポリマー組成物製造方法で用いられる前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとのより好適な相関関係を示すグラフを示す。 本発明の第１の実施形態に係るジオポリマー組成物製造方法で用いられる粉体原料の組成比に関するＳｉＯ_２−（Ａｌ_２Ｏ_３その他）−ＣａＯ系三角座標（ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３その他、ＣａＯ）を示す。 本発明の第１の実施例に係るジオポリマー組成物の製造方法により得られたジオポリマー組成物のηと強度ｑ_ｕとの得られた相関関係を示す。 本発明の第１の実施例に係るジオポリマー組成物の製造方法により得られたジオポリマー組成物のηと強度ｑ_ｕとの得られた相関関係を示す。 本発明の第１の実施例に係るジオポリマー組成物の製造方法により得られたジオポリマー組成物のηと強度ｑ_ｕとの得られた相関関係を示す。 本発明の第１の実施例に係る各ジオポリマー供試体（ジオポリマー組成物）についてのコンクリート基準を超えたｑ_ｕ及びｑ_{ｕ，ｍａｘ}時のη及びα（＝Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）について得られた相関関係を示す。 本発明の第１の実施例に係る各ジオポリマー供試体（ジオポリマー組成物）の粉体原料の組成比を、ＳｉＯ_２−（Ａｌ_２Ｏ_３その他）−ＣａＯ系三角座標（ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３その他、ＣａＯ）上にプロットした結果を示す。 本発明の第１の実施例に係る各ジオポリマー供試体（ジオポリマー組成物）のα（＝Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）とηの相関関係をプロットした結果を示す。

（第１の実施形態）
本実施形態に係るジオポリマー組成物製造方法について、図１〜３に従い、以下説明する。

第１の実施形態に係るジオポリマー組成物製造方法は、粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化してジオポリマー組成物を製造する方法であって、前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するものである。

粉体化スラグとは、特に限定されないが、例えば、鉄鋼・製鋼スラグやゴミ熔融炉スラグを用いることができる。例えば、資源の有効利用の観点から、ゴミ溶融炉スラグを風乾後粉砕したものを用いることができる。その粒径は、特に限定されないが、より強固なジオポリマー組成物を得るという観点からは、最大粒径を２５０μｍとし、全重量の約７０％が粒径１０５μｍ以下に、さらに全体の約４０％が７４μｍ以下となるように調整することが好ましい。また、粉体化スラグは、特に限定されないが、より高品質のジオポリマー組成物が得られるという観点から、シャフト炉方式で生成されたスラグから形成されることが、より好ましい。

フライアッシュとは、シリカやアルミナを主成分とするものである。例えば、火力発電所（例えば、石炭火力発電所）のボイラから排出される石炭灰等を含めて、石炭を燃焼させることにより生成された燃焼灰である。より安定的な品質が得られるという観点からは、ＪＩＳ規格のフライアッシュを用いることもできるが、これに限定されない。

本実施形態で原料として用いられる粉体原料は、上記の粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される。勿論、スラグのみでもよいし、フライアッシュのみでもよいし、スラグ及びフライアッシュを共に含むものでもよい。

前記粉体原料は、その比表面積は、特に限定されないが、２０００ｃｍ^２／ｇ以上が好ましく、４０００〜５０００ｃｍ^２／ｇがより好ましい。また、その粒径は、特に限定されないが、最大粒径が、２５０μｍ以下であることがより好ましい。また、ジオポリマー組成物の密度ρｔは、特に限定されないが、ρｔ＝１８〜２３Ｎ／ｍ^３（＝１．８〜２．３ｔ／ｍ^３）であることが好ましく、コンクリートの密度ρｔ＝２３Ｎ／ｍ^３より若干小さい構造物を作成することが可能となる。

水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）及び、珪酸ナトリウム（珪酸ソーダともいう）を含有するアルカリ溶液は、特に限定されないが、例えば、入手の容易さから、市販の４８％ＮａＯＨ溶液及び珪酸ソーダ３号溶液（珪酸ソーダ溶液は、二酸化珪素（ＳｉＯ_２）と酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）の混合溶液としてＪＩＳ規格によって１号〜３号に区分されており、このうち酸化ナトリウム（Ｎａ_２Ｏ）の重量％が最も低いものが珪酸ソーダ溶液３号溶液である）を用いることができる。

本実施形態では、上述の原料を、混合して固化することによりジオポリマー組成物を製造することができる。混合とは、単に混ぜるだけでもよいが、攪拌機を使って、攪拌しながら混合することも可能である。この混合によって、スラグやフライアッシュ等の石炭灰が、アルカリ溶液と混ざり合い、固化（ジオポリマー化）して、強固なジオポリマー組成物が得られる。

特に、本実施形態では、粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するものである。

この範囲内の組成比を有することによって、従来のコンクリートよりも強いジオポリマーが形成されることが確認されている（後述の実施例参照）。

このように優れた効果を奏するメカニズムは、未だ詳細には解明されていないが、図１に示す座標（α，η）上の前記点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するという原料条件によって、分子レベルにおいて、アルミニウムイオンがバインダーとして最適に機能し、従来には無いような空間的に緻密な状態で全方位に向かう最適なジオポリマー化反応が促進され、粉体原料がアルカリ溶液中をあたかも溶岩のように隙間無く溶け出して強固な固化が形成されているものと推察される。

さらに、より強度の高い（ピーク値に近い）ジオポリマーを得るという観点からは、前記比率ηが、前記比率αに対して、図２に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｅ（３０，０．９）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｆ（１４，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することが好ましい。この点Ａ、点Ｅ、点Ｃ、及び点Ｆのを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することによって、特に、強度がピーク値近傍となるジオポリマー組成物が確実に得られる。

さらに、粉体原料の組成比は、特に限定されるものではないが、前記粉体原料が、図３に示すＳｉＯ₂−（Ａｌ₂Ｏ₃その他）−ＣａＯ系三角座標（ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃その他、ＣａＯ）上の点Ｇ（０．６０，０．４０，０）、点Ｈ（０．４０，０．６０，０）、点Ｉ（０．２０，０．６０，０．２０）、点Ｊ（０．２０，０．２０，０．６０）、及び点Ｋ（０．６０，０．２０，０．２０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することが好ましい。この点Ｇ、点Ｈ、点Ｉ、点Ｊ、及び点Ｋを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することによって、特に、強度の高いジオポリマー組成物を安定的に得ることができる。

（第２の実施形態）
本実施形態に係るジオポリマー組成物の強度診断方法について、図１に従い、以下説明する。

本実施形態に係るジオポリマー組成物の強度診断方法は、粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化して製造されるジオポリマー組成物の強度を診断する方法であって、前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するか否かに基づいて、ジオポリマー組成物の強度を診断するものである。

このように、原料の（α，η）が、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するか否かに基づいて、ジオポリマー組成物の強度を診断することから、当該範囲内のジオポリマー組成物は、高い強度が得られることを判断することができる。

さらに、原料の（α，η）が、上述した図２に示す点Ａ（４，０）、点Ｅ（３０，０．９）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｆ（１４，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するか否かに基づいて、ジオポリマー組成物の強度を診断することによって、当該範囲内のジオポリマー組成物は、さらにピーク値に近い高い強度が得られるか否かを簡易且つ正確に判断することができる。

（第３の実施形態）
本実施形態に係るジオポリマー組成物の強度改善方法について、図１に従い、以下説明する。

本実施形態に係るジオポリマー組成物の強度改善方法は、また、別の側面では、粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化して製造されるジオポリマー組成物の強度を改善する方法であって、前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有しないジオポリマー組成物を、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比に基づいて、他の組成比率を有する前記粉体原料及び／又は前記アルカリ溶液とを混合することによって、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するようにするものである。

このように、原料の（α，η）が、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有しない原料（例えば、上記の第２の実施形態によって診断し特定することが可能である）に対して、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比に基づいて、他の組成比率を有する前記粉体原料及び／又は前記アルカリ溶液とを混合することによって、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することから、例え、一旦は当該範囲内に含まれていない原料であっても、当該範囲から得られる相関関係を用いることによって、他の原料と混合する指針が得られると共に、適切な他の原料と混合することによって、高い強度を有するジオポリマー組成物が（どのような原料であっても）確実に得ることができる。

さらに、原料の（α，η）が、上述した図２に示す点Ａ（４，０）、点Ｅ（３０，０．９）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｆ（１４，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するように他の原料と混合することによって、さらに適切な他の原料と混合することができ、その混合によって、ピーク値に近い高い強度を有するジオポリマー組成物が（どのような原料であっても）確実に得ることができる。

以下に実施例を示すが、これらの実施例は本発明に係るジオポリマー組成物の製造方法を単に例示するためのものであり、本発明を限定するものではない。

（実施例１）
スラグを風乾後粉砕したものを、最大粒径を２５０μｍとし、全重量の約７０%が粒径１０５μｍ以下に、さらに全体の約４０％が７４μ以下となるように調整した。得られた新材料は、普通ポルトランドセメントに代わる材料であることからここでは「ネオメント」とも称する。原料に用いた石炭灰やスラグは以下の通りである。
（ａ）苓北灰（九電産業提供）
（ｂ）苅田灰（九電産業提供）
（ｃ）ステンレススラグ（日新製鋼・周南製鋼所提供）の106μｍフルイ通過分
（ｄ）かずさスラグ（木更津市・君津市・富津市・袖ヶ浦市 かずさクリーンシステム提供）を粉砕したもの
（ｅ）習志野スラグ（習志野市 芝園清掃工場提供）を粉砕したもの
（ｆ）高炉スラグ（日鉄住金高炉セメント提供、市販・粉体）
（ｘ）松浦灰（九電産業提供）
（ｙ）転炉スラグ（新日鐵住金君津製鐵所提供）

「ネオメント」に混合するアルカリ溶液として４８％ＮａＯＨ溶液と珪酸ソーダ３号溶液の２種類を用いて、４８％ＮａＯＨ溶液と珪酸ソーダ３号溶液の両溶液の「ネオメント」に対する重量比ｗを、以下の表に基づいて決定した。

ＮａＯＨと珪酸ソーダの重量混合比ηを、上記図１のη〜α（＝Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）関係図に基づいて、所定のα値に対して決定した。決定したｗとηを用いて作成したジオポリマーペーストをモールド内に充填した。モールドを２４時間室温（常温）で静置後に脱型した。脱型後室温（常温）にて４週間気中養生してセメントコンクリート状のジオポリマー（固化物）が出来上がった。（新たなコンクリート材であることからここでは「ネオクリート」とも称する）。

（１）圧縮試験結果
上記の４週間気中養生したジオポリマー供試体を圧縮試験に供した。圧縮試験により得られた各ジオポリマー供試体の圧縮強さ（ｑ_ｕ）とηの関係を図４〜図６に示す。図４〜図６には、対比のためコンクリートの基準強度ｑ_ｕ，ｓ＝３５Ｎ／ｍｍ^２を破線で示している。図４〜図６にはまた、ｑ_ｕ〜η曲線におけるピーク値ｑ_{ｕ，ｍａｘ}を矢印で示している。図より得られる各ジオポリマー供試体についてのｑ_{ｕ，ｍａｘ}、ｑ_{ｕ，ｍａｘ}時の単位体積重量ρｔ、ｗ、ηについても、上記の表１及び図７にまとめて示す。また、粉体原料の組成比を、ＳｉＯ_２−（Ａｌ_２Ｏ_３その他）−ＣａＯ系三角座標（ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３その他、ＣａＯ）上にプロットした結果を図８に示す。

図７から明らかなように、前記点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比であれば、破線で示されたコンクリートの基準強度ｑ_ｕ，ｓ＝３５Ｎ／ｍｍ^２を超えるという非常に強い強度が発揮されることが確認された。その一方で、前記点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲から外れた組成比の場合には、破線で示されたコンクリートの基準強度ｑ_ｕ，ｓ＝３５Ｎ／ｍｍ^２より低い強度となることも確認された。

また同時に、図７から明らかなように、前記点Ａ、点Ｅ、点Ｃ、及び点Ｆを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することによって、特に、強度がピーク値近傍となるジオポリマー組成物が得られることが確認された。その一方で、前記点Ａ、点Ｅ、点Ｃ、及び点Ｆを順次直線で結んで囲まれる範囲から外れた組成比の場合には、強度がピーク値近傍からは外れたジオポリマー組成物が得られることが確認された。

また、前記粉体原料の組成比を示す図８から明らかなように、前記粉体原料が、点Ｇ（０．６０，０．４０，０）、点Ｈ（０．４０，０．６０，０）、点Ｉ（０．２０，０．６０，０．２０）、点Ｊ（０．２０，０．２０，０．６０）、及び点Ｋ（０．６０，０．２０，０．２０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することによって、十分な強度のジオポリマー組成物が得られることが確認された。その一方で、当該範囲内の組成比を有しない前記粉体原料（即ち、（ｘ）松浦灰及び（ｙ）転炉スラグ）については、十分な強度のジオポリマー組成物が得られなかったことも確認された。

得られた結果から、ηとの相関がもっとも良いのはＡｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３であり、次いでＡｌ_２Ｏ_３であることがわかる。このことは、コンクリートがカルシウム系バインダー（結合材）を用い、水和反応によって結合された固化体であるのに対し、ジオポリマーはアルミニウム系バインダーとアルカリ溶液との反応（ジオポリマー反応）によって結合された固化体であるためであると推察される。

そこで、α（＝Ａｌ_２Ｏ_３＋Ｆｅ_２Ｏ_３）とηの関係を示したものが図９である。図には最小二乗法によりα〜ηの相関関係式としてη＝０．０３２７α−０．２０を決定し実線にて示している。これによれば非常に高い相関係数ｒ＝０．９６８が得られている。図にはこの相関関係式η＝０．０３２７α−０．２０の±２０％の誤差内の直線式も破線により示しており、本実施例により得られたηのピーク値は、両破線で囲まれる範囲内に含まれていることも確認された。

本実施例では、石炭灰、鉄鋼スラグおよびゴミ溶融炉を対象に、特に各スラグについては粉体化することによりセメント様の新材料を作成し、これらを用いたジオポリマーの圧縮強度特性を検討した。これによれば、圧縮強さがコンクリートの基準強度（３５Ｎ／ｍｍ^２）をはるかに上回る極めて強度の高い優れたジオポリマーを作成できることが明らかになった。

以上のことから、次のことが確認された。
（１）「ネオメント」はゴミ熔融スラグを粉砕し粒度を調整して作成された新材料であり、ゴミ熔融炉スラグの資源化に貢献する。
（２）「ネオメント」はセメントと異なり、作成時に二酸化炭素（ＣＯ_２）フリーである。
（３）「ネオクリート」は常温で作成することが出来る。
（４）「ネオクリート」の圧強さはコンクリートの基準強度（３５Ｎ／ｍｍ^２＝３５０ｋｇ／ｃｍ^２）と同等以上となることから、「ネオクリート」はコンクリートの代替物として利用可能である。
（５）「ネオクリート」の密度はρｔ＝１８〜２３Ｎ／ｍ^３（＝１．８〜２．３ｔ／ｍ^３）程度であり、コンクリートの密度ρｔ＝２３Ｎ／ｍ^３より若干小さい密度の構造物を作成することが出来る。
（６）「ネオクリート」はコンクリートと異なり、骨材（砂や礫）を必要としない。
（７）「ネオクリート」は骨材を使用しないことからコンクリートと異なりアルカリ骨材反応によるひび割れは発生しない。
（８）「ネオクリート」はコンクリートと異なり、作成時に反応熱を発生しないので温度ひび割れを起こさない。
（９）耐酸性を有する「ネオクリート」の開発が可能である。
（１０）本実施例から得られた結果から、他のゴミ熔融炉スラグのみならず鉄鋼スラグや石炭灰を用いた「ネオクリート」の開発にも資する。

Claims (6)

1. 粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び／又は珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化してジオポリマー組成物を製造する方法であって、
   前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有すると共に、
   前記粉体原料が、図３に示すＳｉＯ ₂ −（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ その他）−ＣａＯ系三角座標（ＳｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ その他、ＣａＯ）上の点Ｇ（０．６０，０．４０，０）、点Ｈ（０．４０，０．６０，０）、点Ｉ（０．２０，０．６０，０．２０）、点Ｊ（０．２０，０．２０，０．６０）、及び点Ｋ（０．６０，０．２０，０．２０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することを特徴とする
   ジオポリマー組成物製造方法。
2. 請求項１に記載のジオポリマー組成物製造方法において、
   前記比率ηが、前記比率αに対して、図２に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｅ（３０，０．９）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｆ（１４，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有することを特徴とする
   ジオポリマー組成物製造方法。
3. 請求項１又は請求項２に記載のジオポリマー組成物製造方法において、
   前記粉体原料の最大粒径が、２５０μｍ以下であることを特徴とする
   ジオポリマー組成物製造方法。
4. 請求項１〜請求項３のいずれかに記載のジオポリマー組成物製造方法において、
   前記粉体原料を構成する粉体化スラグが、シャフト炉方式で生成されたスラグから形成されることを特徴とする
   ジオポリマー組成物製造方法。
5. 粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び／又は珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化して製造されるジオポリマー組成物の強度を診断する方法であって、
   前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有すると共に、前記粉体原料が、図３に示すＳｉＯ ₂ −（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ その他）−ＣａＯ系三角座標（ＳｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ その他、ＣａＯ）上の点Ｇ（０．６０，０．４０，０）、点Ｈ（０．４０，０．６０，０）、点Ｉ（０．２０，０．６０，０．２０）、点Ｊ（０．２０，０．２０，０．６０）、及び点Ｋ（０．６０，０．２０，０．２０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するか否かに基づいて、ジオポリマー組成物の強度を診断することを特徴とする
   ジオポリマー組成物の強度診断方法。
6. 粉体化スラグ及び／又はフライアッシュから構成される粉体原料に、水酸化ナトリウム及び／又は珪酸ナトリウムを含有するアルカリ溶液を、混合して固化して製造されるジオポリマー組成物の強度を改善する方法であって、
   前記粉体原料中の酸化アルミニウム及び酸化鉄の合計重量が、前記粉体原料の全重量に占める比率αと、アルカリ溶液中における珪酸ナトリウムの重量に対する水酸化ナトリウムの重量の比率ηとが、図１に示す座標（α，η）上の点Ａ（４，０）、点Ｂ（２６，１）、点Ｃ（３５，０．８）、及び点Ｄ（１５，０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有しないか、又は、前記粉体原料が、図３に示すＳｉＯ ₂ −（Ａｌ ₂ Ｏ ₃ その他）−ＣａＯ系三角座標（ＳｉＯ ₂ 、Ａｌ ₂ Ｏ ₃ その他、ＣａＯ）上の点Ｇ（０．６０，０．４０，０）、点Ｈ（０．４０，０．６０，０）、点Ｉ（０．２０，０．６０，０．２０）、点Ｊ（０．２０，０．２０，０．６０）、及び点Ｋ（０．６０，０．２０，０．２０）を順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有しないジオポリマー組成物を、当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比且つ点Ｇ、点Ｈ、点Ｉ、点Ｊ、及び点Ｋを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比に基づいて、他の組成比率を有する前記粉体原料及び／又は前記アルカリ溶液とを混合することによって、
   当該点Ａ、点Ｂ、点Ｃ、及び点Ｄを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比且つ点Ｇ、点Ｈ、点Ｉ、点Ｊ、及び点Ｋを順次直線で結んで囲まれる範囲内の組成比を有するようにすることを特徴とする
   ジオポリマー組成物の強度改善方法。

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