JP7126277B2 - 石炭ボトムアッシュを用いた速成高強度ジオポリマーの製造方法 - Google Patents

石炭ボトムアッシュを用いた速成高強度ジオポリマーの製造方法 Download PDF

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Description

本発明は、石炭ボトムアッシュ（ｃｏａｌ ｂｏｔｔｏｍ ａｓｈ）を用いたジオポリマー（ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ）の製造方法に関するものである。
ジオポリマー（ｇｅｏｐｏｌｙｍｅｒ）は、製造過程でポルトランドセメントに比べて二酸化炭素の排出量が少ないため、セメントや煉瓦などに代わる環境にやさしい素材として注目を浴びている。石炭フライアッシュ（ｆｌｙ ａｓｈ）やスラグ（ｓｌａｇ）のようなアルミノケイ酸塩鉱物を含有する物質にアルカリ活性剤としてＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｋ２ＳｉＯ３、Ｎａ２ＳｉＯ３などを添加すると、化学反応によって、焼成過程を経なくても、建設材料として使用可能な強い機械的強度を有するジオポリマーが作られる。また、ジオポリマーコンクリートは、セメントペーストの代わりに、前述したジオポリマーを結合材として使用し、ジオポリマーペーストが粗骨材、細骨材、そして非反応性物質を結合してジオポリマーコンクリートを形成する。ポルトランドセメントを使用したコンクリートと同様に、骨材が最も大きい体積を占め、質量に換算すると約７５～８０％になる。フライアッシュ内のＳｉとＡｌは、水酸化ナトリウムなどのアルカリ活性化剤により活性化されて結合材として作用する。一般的に、アルカリ性活性化剤としては、水酸化ナトリウム（又は水酸化カルシウム）及び/又はケイ酸化ナトリウム（又はケイ酸化カリウム）の化合物が使用され、熱が加わるとジオポリマーの生成のための化学反応が加速化されるため、一般的にジオポリマーコンクリートは高温で養生する。
一般的に、ジオポリマーは、相対的に発生量が多く、粒子の大きさが小さい石炭フライアッシュ（ｃｏａｌ ｆｌｙ ａｓｈ）を用いて合成する。一方、粒子の大きさが数ミリメートルから数センチメートルまで相対的に大きく、形が不規則なボトムアッシュは、フライアッシュのように活用されずに埋め立てにより処理されている。しかしながら、ボトムアッシュは、フライアッシュとその構成成分が非常に類似するので、粉砕して粒子の大きさを小さくすると、フライアッシュのようにジオポリマーの原料として用いることができる。このようにボトムアッシュをリサイクルしてジオポリマーを合成しセメントに代わることができれば、廃棄物のリサイクルが可能であると同時に、セメント産業で発生する二酸化炭素の量を大幅に低減することができるので、非常に経済的且つ環境に優しい方法となると考えられる。
ボトムアッシュを用いたジオポリマーに関する従来先行文献としては、次のような特許文献がある。
特許文献１では、火力発電所のボイラーのボトムアッシュ（ｃｏａｌ ｂｏｔｔｏｍ ａｓｈ）のジオポリマー反応による環境に優しいエコレンガを製造する方法において、ボトムアッシュにアルカリ性刺激剤である６～１２ｍｏｌｅ/Ｌの水酸化ナトリウム水溶液を前記ボトムアッシュに対して１０～４０重量％を添加して混合するステップと、前記混合物を型枠内に供給して加圧成形した後、養生するステップと、を含むボトムアッシュのジオポリマー反応による環境に優しいエコレンガの製造方法を開示している。
特許文献２では、アルカリ溶液で前処理された焼却フライアッシュ１０～３０重量％と焼却ボトムアッシュ７０～９０重量％で構成される都市ごみ焼却灰１０～７０重量％及び高炉スラグ３０～９０重量％のドライモルタル粉末１００重量部に対して、ケイ酸ソーダ５０～１００重量部が添加されるスラリー状の混合物を振動成形した後、２５～８０℃の温度範囲で養生することを特徴とする都市ごみ焼却灰を用いた成形体の製造方法を開示している。
特許文献３では、発電所のボトムアッシュ、フライアッシュ又はこれらの混合物を含む原料をポリッシュ(ｐｏｌｉｓｈ)するポリッシュステップ、前記原料に浮遊選鉱試薬を添加して炭素精炭を浮遊させて回収することにより、炭素精炭と灰分を分離する浮遊選別ステップ、浮遊選別ステップで分離された灰分である第１次灰分を再ポリッシュして灰分、強磁性体及び弱磁性体に団体分離する再ポリッシュステップ、再ポリッシュされた第１次灰分から磁力選別機で団体分離された強磁性体を選別して強磁性体と灰分を分離する第１次磁力選別ステップ及び前記第１次磁力選別ステップによって強磁性体が選別された第２次灰分を磁力選別機で団体分離された弱磁性体を選別して弱磁性体と灰分を分離する第２次磁力選別ステップを含む精製灰分の回収方法を開示している。
しかしながら、前記特許を含む従来のボトムアッシュを活用してジオポリマーを製作する方法は、以下のような問題点がある。第一、ゲル状態になるように原料物質を混合して試験片を製作すると、ボトムアッシュから分離された不純物が試験片の上方に分離された層を形成しながら、圧縮強度を低下させる。第二、このように製作された試験片が産業的に活用することができる水準の高い圧縮強度を達成するのに長い時間（例えば、２８日）がかかる。
韓国公開特許第１０-２００９-０１２２２７０号公報 韓国公開特許第１０-２０１０-００９０８４４号公報 韓国登録特許第１０-１２４３０９４号公報
本発明は、前記従来の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造における問題点を解決するために開発された技術である。
本発明は、石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの新規な製造方法を提供することを目的とする。
また、本発明は、石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造において、短い養生時間内に高い圧縮強度を有すると同時に、低い熱伝導率を有するジオポリマーを製造する方法を提供することを目的とする。
また、従来技術においてオーブン養生時に、モールド内にジオポリマーが入っている状態で養生することにより、多数の高価なモールドが必要であるという問題があったが、本発明は、上記の問題点を解決する方法を提供することを目的とする。
本発明は、石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物を準備し、前記混合物がゲルにならないようにアルカリ活性化剤の量を調節して混合するステップ（１）と、前記ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物をモールドに充填及び加圧してジオポリマー試験片を製造するステップ（２）と、前記モールドからジオポリマー試験片を分離した後、ジオポリマー試験片のみをオーブンで一定時間養生するステップ（３）と、前記養生後のジオポリマー試験片にマイクロウェーブを照射するステップ（４）と、を含む石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法を提供する。
特に、前記ステップ（１）で石炭ボトムアッシュ１重量部に対してアルカリ活性化剤は、例えば、０.３６～０.４０重量部である。
特に、ジオポリマーの圧縮強度を高めるために、ステップ（１）で混合物がゲル化されない範囲内で、最大限アルカリ活性化剤の含有量を増加させることができる。
特に、前記ステップ（１）でアルカリ活性化剤は、例えば、ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｋ２ＳｉＯ３、及びＮａ２ＳｉＯ３からなる群から選択されるいずれか１つである。
特に、前記ステップ（３）でオーブンの温度は、例えば、５０～８５℃である。
特に、前記ステップ（３）でジオポリマー試験片の急激な水分蒸発を防ぐためにジオポリマー試験片を密封した状態でオーブンで養生することができる。
特に、前記ステップ（１）でボトムアッシュとアルカリ活性化剤の相対的な割合の調節によってジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御することができる。
特に、前記ステップ（２）でモールド加圧成形時の圧力を調節することにより、ジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御することができる。
特に、前記ステップ（３）でオーブン養生時間を調節することにより、ジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御することができる。
特に、前記ステップ（４）でマイクロウェーブの出力又は照射時間を調節することにより、ジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御することができる。
本発明は、石炭ボトムアッシュに混合されるアルカリ活性化剤の量を減らして石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物（又は溶液）がゲル状態にならない状態でモールドに注入されるので、従来とは異なり、ジオポリマー試験片をモールドから脱型した後オーブン内にはジオポリマー試験片のみを入れて養生することができ、モールドの数を大幅に減らすことができる利点がある。
また、本発明では、オーブン内の養生過程でモールドを使用しないため、試験片の内部への熱及び物質伝達がモールドの妨害を受けないので、より均一な養生が可能である。
また、本発明では、マイクロウェーブ照射によって、オーブンで養生した試験片を非常に速い時間内に追加の養生及び硬化が行われるようにする効果がある。マイクロウェーブ照射をしない従来の方法に比べて、本発明のようにマイクロウェーブ照射によって速い時間内にジオポリマーの所望の目的圧縮強度を得ることができる。
また、本発明は、石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物がゲル化されないように少量のアルカリ活性化剤のみを使用するので、水の含有量が少なく高出力のマイクロウェーブを照射することができ、それに応じて、数分程度の短い時間のマイクロウェーブ照射によっても、本発明が目的とする物性を有するジオポリマーを製造することができる。
また、本発明では、ゲル状態に作らないので、モールド内に混合物（ボトムアッシュ＋アルカリ活性化剤）を入れるとき、圧力をかけて入れることになり、この過程で圧力を調節すれば、試験片の物性を制御することができる。例えば、石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物が充填されたモールドに高い圧力をかけると、熱伝導率はやや高いが、非常に高い機械的強度を達成することができ、相対的に低い圧力をかけると、強度は低くなるが、熱伝導率を低くすることにより、断熱効果を向上させることができる。すなわち、本発明では、石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物が、モールドでの成形過程の圧力調節によっても、最終的に製造されるジオポリマーの熱伝導率と機械的強度を制御することができる。
本発明の方法を図式化したフローチャートである。 実験例１で使用した石炭ボトムアッシュの粒子の大きさの分布図である。 実験例１-３の結果として、モールドから脱型されたジオポリマー試験片（体積密度=１.９８ｇ/ｃｍ３）から製造されたジオポリマーのマイクロウェーブ照射時間ｖｓ.圧縮強度の測定実験の結果のグラフである。 実験例１-３の結果として、モールドから脱型されたジオポリマー試験片（体積密度=１.８２ｇ/ｃｍ３）から製造されたジオポリマーのマイクロウェーブ照射時間ｖｓ. 圧縮強度の測定実験の結果のグラフである。 実験例１-４の結果として、モールドから脱型されたジオポリマー試験片（体積密度=１.９８ｇ/ｃｍ３）から製造されたジオポリマーのマイクロウェーブ照射時間ｖｓ.熱伝導率の測定実験の結果のグラフである。 実験例１-４の結果として、モールドから脱型されたジオポリマー試験片（体積密度=１.９８ｇ/ｃｍ３）から製造されたジオポリマーのマイクロウェーブ照射時間ｖｓ.空隙率の測定実験の結果のグラフである。 実験例１-４の結果として、モールドから脱型されたジオポリマー試験片（体積密度=１.８２ｇ/ｃｍ３）から製造されたジオポリマーのマイクロウェーブ照射時間ｖｓ.熱伝導率の測定実験の結果のグラフである。 実験例１-４の結果として、モールドから脱型されたジオポリマー試験片（体積密度=１.８２ｇ/ｃｍ３）から製造されたジオポリマーのマイクロウェーブ照射時間ｖｓ.空隙率の測定実験の結果のグラフである。 実験例２-１の結果として、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ ｖｓ.圧縮強度の測定結果のグラフである。 実験例２-１の結果として、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ=０.４１で混合された石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤で製作されたジオポリマーの写真である。 実験例２-１の結果として、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ=０.４３で混合された石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤で製作されたジオポリマーの写真である。 実験例２-２の結果として、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ ｖｓ.熱伝導率の測定実験の結果のグラフである。 実験例３-１の結果として、マイクロウェーブ照射時間ｖｓ.質量減少の測定結果のグラフである。 実験例３-２の結果として、質量減少ｖｓ.圧縮強度の測定結果のグラフである。 実験例３-３の結果として、質量減少ｖｓ.熱伝導率の測定結果のグラフである。
以下、本発明において、最終的に製造される前の中間過程のジオポリマーを便宜上「ジオポリマー試験片」と称する。また、本発明において、「ボトムアッシュ」は「石炭ボトムアッシュ」の略語として使用する。
図１は、本発明の方法を図式化したものであり、本発明は、ボトムアッシュがゲル状態にならないように、アルカリ活性化剤の量を調節して混合するステップ（１）と、前記ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物をモールドで充填及び加圧してジオポリマー試験片を製造するステップ（２）と、前記モールドからジオポリマー試験片を分離した後、ジオポリマー試験片のみをオーブンで一定時間養生するステップ（３）と、前記養生後にジオポリマー試験片をマイクロウェーブ内で一定時間照射するステップ（４）と、を含む石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法を提供する。
次に、ステップごとにさらに詳しく説明する。
《ステップ（１）》
ボトムアッシュがゲル状態になるまでアルカリ活性化剤（例えば、 ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｋ２ＳｉＯ３、Ｎａ２ＳｉＯ３など）と混合して養生する場合、不純物の層分離により製造されたジオポリマーの圧縮強度が低下する従来技術の問題点を解決するために、本発明では、アルカリ活性化剤の量を従来よりも少なく使用することを特徴とする。本発明では、ボトムアッシュとアルカリ活性化剤を混合し、前記混合物が「ゲル」状態前までアルカリ活性化剤の量を調節して混合する。本発明では、「ゲル」状態前まで最大限アルカリ活性化剤の量を多く混合するのではなく、「ゲル」状態にならない範囲内でアルカリ活性化剤は様々な含有量に調節可能であることを意味する。
本発明では、ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物がゲル状態にならないので、ジオポリマー試験片をモールドから脱型してオーブンにはモールドなしでジオポリマー試験片のみを養生させることができる。このような方法により、多い量のジオポリマーを製作する際に必要なモールドの個数を大幅に減らすことができるだけでなく、オーブン養生過程でジオポリマー試験片内部への熱及び物質伝達がモールドの妨害を受けないので、より均一な養生が可能であるという利点がある。ジオポリマー試験片をモールドに入れた状態でオーブンで養生する方式よりも、本発明の方法でより速くジオポリマーの強度発現が可能である。
《ステップ（２）》
前記ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物をモールドに充填及び圧縮して一定の形状、例えば、レンガ状のジオポリマー試験片を製造する。前記加圧の後、一定時間をさらに経過することもあるが、通常、加圧後モールドからジオポリマー試験片をすぐに取り出す。前記加圧圧力に応じて最終的に製造されるジオポリマーの物性を調節することができる。例えば、高い圧力をかけると、熱伝導率はやや高いが、非常に高い機械的強度を達成することができ、相対的に低い圧力をかけると、強度は低くなるが、熱伝導率を低くすることにより、断熱効果を向上させることができる。すなわち、本発明では、モールド成形過程の圧力調節によっても、最終的に製造されるジオポリマーの物性調節が可能である。
《ステップ（３）》
ステップ（３）は、前記モールドからジオポリマー試験片を分離した後、ジオポリマー試験片のみをオーブンで一定時間養生するものであり、後述する実験例１では、７５℃で１２時間、２４時間、３６時間実験を行った。オーブンでの養生時間は、石炭ボトムアッシュ原料、アルカリ活性化剤の種類及び濃度などの様々な因子によって様々に変化可能であり、通常、数時間以上から数日又は数十日以上も可能であるので、本発明では、オーブン養生時間に権利範囲を限定しない。オーブンの温度は、様々な変更が可能であり、例えば、５０～８５℃である。また、オーブンでの養生時間を調節することにより、最終的に製造されるジオポリマーの物性、例えば、熱伝導率及び圧縮強度を制御することができる。
《ステップ（４）》
本発明では、ジオポリマー試験片の養生過程でマイクロウェーブを追加に使用した。オーブンで一定期間の養生を経た試験片をマイクロウェーブで照射すると、非常に速い時間内に養生及び硬化が行われ、したがって、常温で長期間にわたって養生した試験片と比較してみると、早期に高い強度を達成することができる。マイクロウェーブによる加熱は、オーブンを使用するよりも、エネルギー消費の面で非常に効率的であり、ジオポリマー試験片内部への均一な加熱が可能であるため、より効果的である。本発明では、少量のアルカリ活性化剤を使用するので、ジオポリマー試験片内部に含まれた水が相対的に少なくて高出力のマイクロウェーブを使用することができる。このように高出力のマイクロウェーブを使用すると、数分程度の非常に速い時間内にジオポリマー試験片の乾燥及び硬化を行うことができる。
マイクロウェーブ照射時間は、マイクロウェーブの出力、石炭ボトムアッシュの原料、アルカリ活性化剤の種類及び濃度、ジオポリマー製品の物性などの様々な因子によって様々に変化可能であり、本発明の次の実験例では数分単位で実験を行った。
以下では、実験例によって本発明についてさらに詳しく説明する。以下で、初期体積密度は、モールドから脱型されたジオポリマー試験片の体積密度を意味し、最終体積密度は、最終的に製造されたジオポリマーの体積密度を意味する用語として使用した。
《実験例１：オーブン養生時間及びマイクロウェーブ照射時間に応じた物性実験》
実施例１では、７５℃のオーブンを用いた養生時間及びマイクロウェーブ照射時間がジオポリマーの物性に及ぼす影響を調べた。
実験例１では、韓国南東発電所で発生した石炭ボトムアッシュを原料として使用した。ハンマーミルを用いて石炭ボトムアッシュを３回粉砕し、このように粉砕したボトムアッシュをＮｏ.２００の標準篩（７５μｍ）でろ過し、これを通過した小さな粒子のみを使用してジオポリマーを合成した。ボトムアッシュを化学的に活性化するためのアルカリ活性化剤としては、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液を使用した。 ９３ｗｔ.％の純度を有する固体水酸化ナトリウムを水道水に溶かして水溶液を製造し、事前の実験で最も高い強度を示した結果を基に１４Ｍの濃度に合わせた。また、このように作られたアルカリ活性化剤は、ボトムアッシュの質量に対して０.３８の割合でボトムアッシュと混合されたが、これは、混合物がゲル状態にならない範囲内で最も高い圧縮強度を示した事前の実験結果による値である。ただし、前記割合は、石炭ボトムアッシュの種類、アルカリ水溶液の種類及び濃度などの変数によって変動するので、前記割合は、すべての材料に対して絶対的な最適の割合ではないことを明示する。
ジオポリマー試験片の合成及び物性の測定は、次のような過程を経て行われた。まず、ボトムアッシュとアルカリ溶液をホバートミキサーを用いて５分間混合した。この混合物を５×５×５ｃｍの大きさのプラスチックモールドに入れてハンドプレスを用いて圧縮した。
圧縮直後にモールドからジオポリマー試験片を分離してステンレス盆に置き、７５℃のオーブンで試験片を養生した。オーブン養生過程でビニール袋を用いて試験片と盆を密閉させるが、これは、オーブン投入直後に熱により反応が十分に進行する前に水分が急激に蒸発することを防止するためであった。
オーブンで一定期間を養生させたジオポリマー試験片を常温で十分に冷やした後、７００Ｗ出力の家庭用電子レンジを用いてマイクロウェーブを照射した。マイクロウェーブ照射を終えたジオポリマーを室温で十分に冷やした後、熱伝導率（ＴＰＳ５００Ｓ、Ｈｏｔ Ｄｉｓｋ（商標）、Ｓｗｅｄｅｎ）と圧縮強度（ＰＬ-９７００Ｈ、Ｗｏｏｊｉｎ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｃｏ.、Ｋｏｒｅａ）を測定した。圧縮強度の測定後、壊れた試験片の一部をよく粉砕して真密度測定装置（ｇａｓ ｐｙｃｏｍｅｔｅｒ、ＡｃｃｕＰｙｃ ＩＩ １３４０、Ｍｉｃｒｏｍｅｒｉｔｉｃｓ、Ｕ.Ｓ.Ａ.）を用いて真密度（ｐｏｗｄｅｒ ｄｅｎｓｉｔｙ）を測定した。このように測定した真密度と質量を体積で分けて求めた体積密度（ｂｕｌｋ ｄｅｎｓｉｔｙ）を利用して次の計算式によりジオポリマーの空隙率を計算した。
Figure 0007126277000001
圧縮強度と体積密度は、３つのジオポリマーのサンプルの結果値の平均を用い、熱伝導率と真密度は、それぞれ６回及び５回測定して平均値を用いた。
実験例１では、オーブン養生時間及びマイクロウェーブ照射時間を変更して実験した。オーブン養生時間は１２時間 、２４時間 、３６時間の３つを実験し、オーブンで１２時間養生したジオポリマー試験片に対してはマイクロウェーブを０～７分ずつ、その他のジオポリマー試験片に対しては０～５分ずつ、１分ずつ差を置いてそれぞれマイクロウェーブを照射した。また、モールドから脱型した後のジオポリマー試験片の初期体積密度を２つの場合（１．９８ｇ/ｃｍ３及び１.８２ｇ/ｃｍ３）に設定して（モールドにかかる圧力が大きい場合、前記初期体積密度が大きい。）、モールドにかかる圧力による最終的に製造されるジオポリマーの物性に対する影響を調べた。
《実験例１-１：原料物質の物性測定》
ジオポリマーの物性は、原料物質の物理的、化学的特性に非常に大きな影響を受ける。Ｘ線蛍光分析（Ｘ-ｒａｙ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ）により分析したボトムアッシュの化学成分比は、下記の表１のように、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、Ｆｅ２Ｏ３の合計が７０％を超えた。
Figure 0007126277000002
ボトムアッシュの粒度分布は、図２に示す。平均粒径は４４.５７μｍであり、９０％以上の粒子が８４.８３μｍ以下であった。
《実験例１-２：体積密度/真密度/空隙率の測定実験》
各ジオポリマー試験片のオーブン養生時間とマイクロウェーブ照射時間、初期体積密度の条件、最終体積密度と真密度の結果及び空隙率値は、以下の表２に示した。試験片名において、１２Ｈ、２４Ｈ、３６Ｈは、オーブン養生時間（Ｈｏｕｒ）を意味し、０～７Ｍは、マイクロウェーブ照射時間（Ｍｉｎｕｔｅ）を示す。また、Ｌは、ジオポリマーの製作時における初期密度が低い（１.８２ｇ/ｃｍ３）試験片（モールドから脱型されたジオポリマー）を意味する。同一のオーブン養生時間の条件を有するジオポリマー試験片において、マイクロウェーブ照射時間が長くなるほど、最終的に製造されるジオポリマーの体積密度は低くなり、真密度は増加した。これにより、ジオポリマーの空隙率が増加する結果を示した。また、オーブンでの養生時間が長くなると、マイクロウェーブを同一の時間照射しても、より低い最終体積密度を示し、これもやはり空隙率を増加させた。初期体積密度が低いジオポリマー試験片は、最終的に製造されたジオポリマーの体積密度もやはり低く、オーブンとマイクロウェーブ照射時間による密度及び空隙率の変化の様子は同じであった。
Figure 0007126277000003
《実験例１-３：圧縮強度》
それぞれの互いに異なる初期体積密度を有するジオポリマー試験片のオーブン養生時間とマイクロウェーブ照射時間による圧縮強度の結果は、図３及び図４の通りである。初期体積密度が異なる２つの場合に、オーブン養生時間とマイクロウェーブ照射時間による強度の変化の様子は同じであった。
同一のマイクロウェーブ照射時間に対して、オーブンでの養生時間が長いほど、ジオポリマーはより高い圧縮強度を示した。これは、オーブンでの養生時間が長くなるにつれて反応がより円滑に起き、したがって、ジオポリマーがより円滑に形成されるためである。同一のオーブン養生時間下でマイクロウェーブ照射時間が増えると、ジオポリマーの圧縮強度は増加した後減少する傾向を示した。マイクロウェーブを照射すると、ジオポリの乾燥が速く行われてジオポリマーが硬化することになり、これにより、圧縮強度が増加した。しかしながら、一定水準以上の長い時間を照射すると、ジオポリマーの温度が過度に上昇することになり、これにより、ジオポリマー内部の水分が過度に蒸発し、堅固なジオポリマー構造を変形させることになった。このような理由から、マイクロウェーブ照射時間が長い場合に、ジオポリマー間の圧縮強度の偏差も増加する結果が得られた。
また、オーブン養生時間が長くなるほど、ジオポリマーの最高圧縮強度を有するマイクロウェーブ照射時間が短くなる傾向を示した。初期体積密度が低い場合、強度の変化の様子は同じであったが、ジオポリマーの圧縮強度は概ね低い結果を得た。ただし、オーブンで２４時間又は３６時間養生した試験片に対してマイクロウェーブを短時間照射した場合には、初期体積密度が低いジオポリマー試験片で製造したジオポリマーの方が、高い体積密度を有するジオポリマー試験片で製造したジオポリマーよりもより高い圧縮強度を有するという点は注目に値する。初期体積密度が１.９８ｇ/ｃｍ３である場合、各オーブン養生時間ごとの最も高い圧縮強度は、オーブン１２、２４、３６時間に対してマイクロウェーブを５分、４分、３分間照射して３４.９ＭＰａ、３８.３ＭＰａ、４１.５ＭＰａであり、初期密度が１.８２ｇ/ｃｍ３である場合、同一のオーブン時間でマイクロウェーブをそれぞれ５、３、３分間照射して１９.８、２６.７、３１.６ＭＰａであった。
《実験例１-４：熱伝導率及び空隙率》
各養生条件によるジオポリマーの熱伝導率を図５及び図７に示す。ジオポリマー試験片の初期体積密度と関係なく、最終ジオポリマーの熱伝導率は、オーブン養生及びマイクロウェーブ照射時間が増加するにつれて減少する傾向を示した。前述したようにオーブン養生及びマイクロウェーブ照射時間が増加するとジオポリマーの最終体積密度は減少し、真密度は増加することになり、これにより、ジオポリマーの空隙率は増加することになる。
図６及び図８は、空隙率の実験結果として、ジオポリマーの熱伝導率は、空隙率と非常に密接な関係を有し、空隙率が高くなると熱伝導率は低くなる。したがって、オーブン養生及びマイクロウェーブ照射時間が増えると、ジオポリマーの空隙率は増加し、熱伝導率は減少した。初期体積密度が低い場合にも、最終ジオポリマーの熱伝導率の変化の様子は同じであったが、同一の条件で熱伝導率は、高い体積密度を有するジオポリマー試験片から製造されたジオポリマーよりも低かった。これは、初期体積密度が低いジオポリマーの空隙率が相対的により大きいためである。
実験例１の結果を要約すると次のようになる。オーブン養生及びマイクロウェーブ照射時間が増加するにつれてジオポリマーの体積密度は減少し、真密度は増加し、これにより、ジオポリマーの空隙率は増加することが確認できた。また、同一のマイクロウェーブ照射時間に対してオーブン養生時間が増加するほど、ジオポリマーは高い圧縮強度を示した。同一のオーブン養生時間に対してマイクロウェーブ照射時間が長くなると、ジオポリマーの強度は増加した後減少した。また、オーブン養生時間が増加するとジオポリマーが最も高い圧縮強度を有するマイクロウェーブ照射時間が短くなった。ジオポリマーの最も高い圧縮強度は、初期体積密度が１.９８ｇ/ｃｍ３である場合、オーブンで３６時間養生してマイクロウェーブを３分間照射した場合は４１.５ＭＰａであり、初期体積密度が１.８２ｇ/ｃｍ３である場合、同一の条件でジオポリマーの圧縮強度は３１.６ＭＰａであった。また、同一のオーブン養生時間に対してマイクロウェーブを長く照射するほど、ジオポリマーの熱伝導率は減少した。初期体積密度が低い試験片を用いたジオポリマーの熱伝導率がより低かった。養生条件による熱伝導率の変化の様子は、空隙率と非常に密接な関連があり、ジオポリマーの空隙率が高くなるほど低い熱伝導率を示した。最も高い強度を有した、オーブンで３６時間養生した後、マイクロウェーブを３分間照射したジオポリマーの熱伝導率は、初期体積密度が高い場合と低い場合にそれぞれ０.６０Ｗ/ｍＫ、０.５３Ｗ/ｍＫであった。
《実験例２：ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合比による実験》
実験例２では、ｌｉｑｕｉｄ（=アルカリ活性化剤）/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ（=石炭ボトムアッシュ）による物性の変化を実験した。実験例２では、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏを０.３６から０.４３まで０.０１間隔で増加させながらジオポリマーを合成した。養生条件は、７５℃のオーブンで２４時間、７００Ｗのマイクロウェーブ３分に固定した。他の実験条件は、実験例１と同様であった。
実験例２及び後述する実験例３で用いたボトムアッシュは、下記の表３のような成分比を示し、平均粒子径が３８.８２μｍであった。９０％以上の粒子が７８.０１μｍ以下であった。
Figure 0007126277000004
《実験例２-１：圧縮強度の実験》
図９は、圧縮強度の実験結果として、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ=０.４０で最も高い圧縮強度である６８.４ＭＰａを示した。Ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏが０.３６から０.４０まで増加するにつれて圧縮強度は、線形的に増加し、Ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏが０.４０以降に再び線形的に減少した。Ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ=０.４１になると、混合物がペレット状を作ってゲルになろうとし（図１０のジオポリマーの写真を参照）、０.４３で完全にゲルになった。ゲルになった後は、マイクロウェーブ照射過程でクラックが発生して低い圧縮強度を示した（図１１のジオポリマーの写真を参照）。
《実験例２-２：熱伝導率》
図１２は、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏ ｖｓ.熱伝導率の測定結果のグラフであり、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏが０.３８になるまではジオポリマーの熱伝導率が増加するが、その後はさほど増加しなかった。これは、ｌｉｑｕｉｄ/ｓｏｌｉｄ ｒａｔｉｏが増加するにつれて混合物が次第にペレット状になりながら、ジオポリマー内部に空隙を含むようになるためである。
《実験例３：マイクロウェーブの出力及び時間による実験》
実験例３では、ボトムアッシュ：アルカリ活性化剤の重量比を１：０.４に固定した後、マイクロウェーブ出力及び時間を変数として圧縮強度と熱伝導率を測定した。モールドから脱型されたジオポリマー試験片の初期体積密度は１.９８ｇ/ｃｍ３、養生条件は、７５℃のオーブンで２４時間、アルカリ活性化剤と混合方法、物性測定方法などは実験例１と同一であった。
《実験例３-１：マイクロウェーブ照射時間及び出力による質量減少》
マイクロウェーブの出力を２００～１０００Ｗから２００Ｗの区間に分けて実験し、マイクロウェーブ照射時間（分）による質量減少は、図１３の通りであった。
《実験例３-２：圧縮強度》
図１４は、マイクロウェーブの出力ごとの質量減少ｖｓ.圧縮強度の実験結果として、マイクロウェーブの出力が４０００Ｗ、６０００Ｗ、８００Ｗで類似したパターンを示した。マイクロウェーブの出力２００Ｗと１０００Ｗでは、他の出力と比較したときよりも少ない質量減少で高い圧縮強度を示したが、すべてのマイクロウェーブの出力で全般的に質量減少と圧縮強度が類似したパターンを有し、圧縮強度は、質量減少の程度と密接な相関関係を有するという結論を得ることができた。図１４は、５×５×５ｃｍの大きさのジオポリマーサンプルに対する実験結果として、マイクロウェーブの出力とは関係なく、約２５ｇ程度の質量減少が起こると、非常に高い圧縮強度を有するということが分かった。
《実験例３-３：熱伝導率》
図１５は、質量減少ｖｓ.熱伝導率の測定結果のグラフであって、熱伝導率の結果は、質量減少と密接な相関関係を有し、熱伝導率の場合、質量減少に応じて一定水準（約０.６Ｗ/ｍＫ）まで継続して減少した。

Claims (8)

  1. 以下を含む、石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法：
    混合物がゲルにならないようにアルカリ活性化剤の量を調節して、石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物を調製するステップ（１）であって、前記石炭ボトムアッシュ１重量部に対して、前記アルカリ活性化剤が０．３６～０．４０重量部であるステップ（１）；
    前記石炭ボトムアッシュとアルカリ活性化剤の混合物を、モールドに充填及び加圧してジオポリマー試験片を調製するステップ（２）；
    前記モールドからジオポリマー試験片を脱型した後、ジオポリマー試験片のみをオーブンで一定時間養生するステップ（３）；及び
    前記養生後のジオポリマー試験片にマイクロウェーブを照射するステップ（４）であって、マイクロウェーブの出力又は照射時間を調節することにより、ジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御するステップ（４）。
  2. 前記ジオポリマーの圧縮強度を高めるために、前記ステップ（１）で、前記混合物がゲル化されない範囲内で、前記アルカリ活性化剤の含有量を最大限増加させることを特徴とする、請求項１に記載の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法。
  3. 前記ステップ（１）で、前記アルカリ活性化剤は、 ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｋ２ＳｉＯ３、及びＮａ２ＳｉＯ３からなる群から選択されるいずれか１つである、請求項１に記載の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法。
  4. 前記ステップ（１）で、前記ボトムアッシュと前記アルカリ活性化剤との相対的な割合の調節によって、前記ジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御する、請求項１に記載の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法。
  5. 前記ステップ（２）で、モールド加圧成形時の圧力を調節することにより、前記ジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御する、請求項１に記載の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法。
  6. 前記ステップ（３）で、前記オーブンの温度が５０～８５℃である、請求項１に記載の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法。
  7. 前記ステップ（３）で、前記ジオポリマー試験片の急激な水分蒸発を防ぐために前記ジオポリマー試験片を密封した状態でオーブンで養生する、請求項１に記載の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法。
  8. 前記ステップ（３）で、オーブン養生時間を調節することにより、ジオポリマーの圧縮強度及び熱伝導率を制御する、請求項１に記載の石炭ボトムアッシュを用いたジオポリマーの製造方法。
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