JP7841898B2 - ジオポリマー組成物の製造方法、ジオポリマー硬化体の製造方法、並びにジオポリマー組成物調製用キット - Google Patents

Description

本開示は、ジオポリマー組成物及びその製造方法、ジオポリマー硬化体及びその製造方法、並びにジオポリマー組成物調製用キットに関する。

石炭灰等の非晶質材料をアルカリ溶液で処理することによってコンクリートのように硬化するジオポリマー組成物が知られている。ジオポリマー組成物は、通常のセメントと比べて、生産時に発生するＣＯ_２を低減することができる。ジオポリマー組成物に用いられるシリカ源としては、水ガラス等の液体、及びシリカフューム等のフィラーが挙げられる。例えば、特許文献１では、水酸化ナトリウムと石炭灰及び高炉スラグの粉体とを攪拌した後、シリカフュームを徐々に溶かす処理を行うことによって、ジオポリマー組成物の凝結時間を稼ぎ、可使時間を確保する技術が提案されている。特許文献２では、アルカリ源に対するシリカフュームに含まれるケイ素のモル比を所定の範囲にして、硬化後の耐熱性を高くしつつ、コテ塗り等の現場施工に用いやすくする技術が提案されている。

特開２０１４－２３７５６１号公報 特開２０２１－６６６１３号公報

しかしながら、アルカリ源とシリカ源の比率を調節したり、配合プロセスを変更したりする技術のみでは、ジオポリマー組成物のフレッシュ性状と初期強度の両特性を高い水準で両立することは困難である。そこで、本開示は、良好なフレッシュ性状を有しつつも、初期強度に優れるジオポリマー組成物及びその製造方法を提供する。また、ジオポリマー組成物を、簡便に調製することが可能なジオポリマー組成物調製用キットを提供する。また、十分に高い初期強度を有するジオポリマー硬化体及びその製造方法を提供する。

本開示は、一つの側面において、無機フィラー、ナトリウム及びカリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むケイ酸アルカリ水溶液、遅延剤、減水剤、並びに消泡剤を含み、無機フィラーは、フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末を含み、無機フィラー全体に対する高炉スラグ微粉末の配合比率は４５～９０質量％であり、無機フィラー全体に対する遅延剤の配合比率は０．１～１．９質量％であり、無機フィラー全体に対する減水剤の配合比率は０．２質量％より大きく１．０質量％以下である、ジオポリマー組成物を提供する。

上記ジオポリマー組成物は、遅延剤及び減水剤を適量含みつつ、無機フィラー全体に対する高炉スラグ微粉末の配合比率が所定の範囲にある。このようなジオポリマー組成物は、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れる。

上記遅延剤は、グルコン酸ナトリウム、Ｌ－酒石酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム二水和物、リン酸二水素ナトリウム、スクロース、及びグルコースからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むことが好ましい。これによって、ジオポリマー組成物の可使時間（打込み、締固め、成型などの施工が可能な時間）を延長することができる。

上記減水剤はリグニンスルホン酸塩を含むことが好ましい。これによって、ジオポリマー組成物の粘性が低減され、流動性を一層高くすることができる。ケイ酸アルカリ水溶液には少なくともシリカフュームが溶解していることが好ましい。このようなケイ酸アルカリ水溶液は円滑に調製することができる。

本開示は、一つの側面において、上述のいずれかのジオポリマー組成物を硬化して得られるジオポリマー硬化体を提供する。このようなジオポリマー硬化体は、十分に高い初期強度を有する。

本開示は、一つの側面において、無機フィラー、シリカフューム、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むアルカリ源、水、遅延剤、減水剤、並びに消泡剤を含む原料を混合してジオポリマー組成物を得る混合工程を有し、無機フィラーは、フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末を含み、無機フィラー全体に対する高炉スラグ微粉末の配合比率は４５～９０質量％であり、無機フィラー全体に対する遅延剤の配合比率は０．１～１．９質量％であり、無機フィラー全体に対する減水剤の配合比率は０．２質量％より大きく１．０質量％以下である、ジオポリマー組成物の製造方法を提供する。

上記製造方法で得られるジオポリマー組成物は、遅延剤及び減水剤を適量含みつつ、無機フィラー全体に対する高炉スラグ微粉末の配合比率が所定の範囲にある。このため、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れる。

上記製造方法は、無機フィラー、シリカフューム、及び遅延剤を含む固体組成物を調製する第１調製工程と、アルカリ源、水、減水剤、及び消泡剤を含む液体組成物を調製する第２調製工程と、固体組成物と液体組成物とを配合してジオポリマー組成物を得る上記混合工程と、を有することが好ましい。このような製造方法であれば、例えば固体組成物と液体組成物とを別々に調製しておき、ジオポリマー組成物を使用する直前に固体組成物と液体組成物を配合して混合し、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れるジオポリマー組成物を得ることができる。したがって、上記製造方法は、現場で実施し易く、作業性及び施工性に優れる。

本開示は、一つの側面において、上述のいずれかの製造方法で得られたジオポリマー組成物を硬化する硬化工程を有する、ジオポリマー硬化体の製造方法を提供する。この製造方法で得られるジオポリマー硬化体は、十分に高い初期強度を有する。

本開示は、一つの側面において、固体組成物を含む第１包装体と液体組成物を含む第２包装体とを有する、ジオポリマー組成物調製用キットであって、固体組成物は、無機フィラー、シリカフューム、及び遅延剤を含み、液体組成物は、アルカリ源、水、減水剤、及び消泡剤を含み、アルカリ源は、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含み、無機フィラーは、フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末を含み、無機フィラー全体に対する高炉スラグ微粉末の比率は４５～９０質量％であり、無機フィラー全体に対する遅延剤の比率は０．１～１．９質量％である、ジオポリマー組成物調製用キットを提供する。

上記ジオポリマー組成物調製用キットは、固体組成物と液体組成物が別個の包装体に含まれている。このため、ジオポリマー組成物を使用する直前に固体組成物と液体組成物を混合して、ジオポリマー組成物を簡便に調製することができる。このようなジオポリマー組成物調製用キットは、取り扱いやすく、現場での作業性及び施工性に優れる。

上記ジオポリマー組成物調製用キットは、無機フィラー全体に対する減水剤の比率が０．２質量％より大きく１．０質量％以下となる比率で、固体組成物と液体組成物とを有してよい。これによって、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れるジオポリマー組成物を簡便に調製することができる。

良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れるジオポリマー組成物及びその製造方法を提供することができる。ジオポリマー組成物を、簡便に調製することが可能なジオポリマー組成物調製用キットを提供することができる。十分に高い初期強度を有するジオポリマー硬化体及びその製造方法を提供することができる。

以下、場合により図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。ただし、以下の実施形態は、本開示を説明するための例示であり、本開示を以下の内容に限定する趣旨ではない。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一符号を用い、場合により重複する説明は省略する。また、上下左右等の位置関係は、特に断らない限り、図面に示す位置関係に基づくものとする。更に、各要素の寸法比率は図示の比率に限られるものではない。また、数値範囲で用いている「～」の記号は、上限及び下限の数値を含む数値範囲を示す。例えば、「Ｘ～Ｙ」は「Ｘ以下且つＹ以下」の数値範囲を示す。

一実施形態に係るジオポリマー組成物は、無機フィラー（Ｆ）、ナトリウム及びカリウムから群より選ばれる少なくとも一つを含むケイ酸アルカリ水溶液、遅延剤（Ａｄ１）、減水剤（Ａｄ２）、及び消泡剤（Ａｄ３）を含む。無機フィラー（Ｆ）としては、フライアッシュ（ＦＡ）、高炉スラグ微粉末（ＢＳ）、メタカオリン、下水汚泥、及び火山灰等、Ｓｉ、Ａｌ、及びＣａを含有する非晶質のフィラーが挙げられる。無機フィラーは、フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末の両方を含むことが好ましい。ジオポリマー組成物を調製する際の無機フィラー（Ｆ）全体に対する高炉スラグ微粉末（ＢＳ）の配合比率は、４５～９０質量％である。この配合比率は、ジオポリマー組成物及びジオポリマー硬化体の初期強度を十分に高くする観点から、好ましくは５０質量％以上であり、より好ましくは６０質量％以上であり、さらに好ましくは７０質量％以上である。一方、高炉スラグ微粉末の配合比率が高過ぎると可使時間が短くなる傾向にあることから、この配合比率は、好ましくは８５質量％以下である。

フライアッシュ（ＦＡ）は、ＪＩＳ Ａ６２０１：２００８に規定されるＩ種～ＩＶ種のうち、ＩＩ種が好ましい。フライアッシュＩＩ種は、ＩＩＩ種やＩＶ種に比べて反応性が高いことから強度発現性に優れる。フライアッシュＩ種は、ＩＩ種より比表面積が大きいことから反応性は高いものの、粘性が増加することに加えて、価格が高く流通量が少ないため入手し難い傾向にある。高炉スラグ微粉末（ＢＳ）のブレーン比表面積は、好ましくは３５００～６０００ｃｍ^２／ｇであり、より好ましくは４０００～５０００ｃｍ^２／ｇである。高炉スラグ微粉末のブレーン比表面積が高いほど反応性が高く強度発現性に優れるものの、粘性が高く可使時間が短くなる傾向にある。

無機フィラー（Ｆ）の配合量は、ジオポリマー組成物１ｍ^３に対して、例えば３５０～７５０ｋｇ／ｍ^３であってよく、４００～７００ｋｇ／ｍ^３であってよく、４５０～６５０ｋｇ／ｍ^３であってもよい。フライアッシュ（ＦＡ）の配合量は、ジオポリマー組成物１ｍ^３に対して、例えば８０～３００ｋｇ／ｍ^３であってよく、１００～２５０ｋｇ／ｍ^３であってよく、１００～２００ｋｇ／ｍ^３であってもよい。高炉スラグ微粉末（ＢＳ）の配合量は、ジオポリマー組成物１ｍ^３に対して、例えば２５０～６５０ｋｇ／ｍ^３であってよく、３００～６００ｋｇ／ｍ^３であってよく、３５０～５５０ｋｇ／ｍ^３であってもよい。

ケイ酸アルカリ水溶液は、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）及び水酸化カリウム（ＫＯＨ）からなる群より選ばれる少なくとも一つを含むアルカリ源の水溶液に、シリカフューム（ＳＦ）等を溶解させて得ることができる。ケイ酸アルカリ水溶液には、シリカフューム（ＳＦ）以外の原料の成分が溶解されていてもよい。ケイ酸アルカリ水溶液は、ケイ酸ナトリウム（Ｎａ_２ＳｉＯ_３、Ｎａ_４ＳｉＯ_４、Ｎａ_２Ｓｉ_２Ｏ_５、Ｎａ_２Ｓｉ_４Ｏ_９等）、ケイ酸カリウム（Ｋ_２ＳｉＯ_３など）、又はこれらの両方を溶解して得られる水溶液であってよく、水ガラスであってもよい。

シリカフューム（ＳＦ）は、セメント組成物に用いられる通常のものを用いることができる。シリカフューム（ＳＦ）のＢＥＴ比表面積は１０ｍ^２／ｇ以上であってよく、１４ｍ^２／ｇ以上であってよく、１６ｍ^２／ｇ以上であってもよい。ＢＥＴ比表面積の大きいシリカフュームは高い反応性を有するため、アルカリ水溶液中に早期に溶解し円滑にＳｉＯ_２を供給することができる。シリカフューム（ＳＦ）のＢＥＴ比表面積の上限は、入手の容易性の観点から２０ｍ^２／ｇ以下であってもよい。シリカフューム（ＳＦ）の配合量は、ジオポリマー組成物１ｍ^３に対して、例えば１０～１００ｋｇ／ｍ^３であってよく、２０～８０ｋｇ／ｍ^３であってよく、３０～７０ｋｇ／ｍ^３であってもよい。水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの合計の配合量（固形分換算）は、ジオポリマー組成物１ｍ^３に対して、例えば４０～２００ｋｇ／ｍ^３であってよく、６０～１５０ｋｇ／ｍ^３であってよく、７０～１３０ｋｇ／ｍ^３であってもよい。このような量を含む水溶液を用いてもよい。

ジオポリマー組成物における単位水量は、好ましくは１７０～２３８ｋｇ／ｍ^３であり、より好ましくは１８０～２２０ｋｇ／ｍ^３であり、さらに好ましくは１９０～２１５である。単位水量をこのような範囲にすることによって、優れた流動性と高い初期強度を十分に高い水準で両立することができる。ジオポリマー組成物中の水は、ケイ酸アルカリ水溶液として含まれてよい。

無機フィラー（Ｆ）全体に対して、配合されるシリカフューム（ＳＦ）、アルカリ源、及び水の合計の体積比（Ｌ／Ｆ）は、好ましくは０．９～１．３である。このような範囲であることによって、優れた流動性と高い初期強度を十分に高い水準で両立することができる。

ジオポリマー組成物は、細骨材（Ｓ）を含んでよい。細骨材（Ｓ）としては、川砂、山砂、陸砂及び海砂等の天然骨材、砕砂、珪砂、高炉スラグ細骨材、フェロニッケルスラグ細骨材及び電気炉酸化スラグ細骨材等の人工細骨材、並びに再生細骨材等が挙げられる。細骨材として、これらは単独で又は複数組み合わせて用いることができる。細骨材（Ｓ）の表乾密度は、いずれも、２．２～２．９ｇ／ｃｍ^３であってよく、２．４～２．８ｇ／ｃｍ^３であってもよい。

遅延剤（Ａｄ１）としては、グルコン酸ナトリウム、Ｌ－酒石酸ナトリウム、クエン酸ナトリウム二水和物、リン酸二水素ナトリウム、スクロース、及びグルコースからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むものが挙げられる。これらのうち、グルコン酸ナトリウムを用いることが好ましい。これによって、可使時間をより延長することができる。

無機フィラー（Ｆ）全体に対する遅延剤（Ａｄ１）の配合比率（Ａｄ１／Ｆ×１００）は、０．１～１．９質量％である。このようなジオポリマー組成物は、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れる。フレッシュ性状と初期強度を一層高い水準で両立させる観点から、配合比率（Ａｄ１／Ｆ×１００）は、好ましくは０．４～１．５質量％であり、より好ましくは０．７～１．３質量％である。

減水剤（Ａｄ２）は、主成分としてリグニンスルホン酸塩及びその誘導体を含むものであってよく、ナフタリンスルホン酸系、アミノスルホン酸系、又は、ポリカルボン酸系のものが挙げられる。減水剤（Ａｄ２）は、減水剤、ＡＥ減水剤、高性能減水剤、及び高性能ＡＥ減水剤からなる群より選ばれる少なくとも一つを含んでよい。

無機フィラー（Ｆ）全体に対する減水剤（Ａｄ２）の配合比率（Ａｄ２／Ｆ×１００）は、０．２質量％より大きく１．０質量％以下である。このようなジオポリマー組成物は、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れる。フレッシュ性状と初期強度を一層高い水準で両立させる観点から、配合比率（Ａｄ２／Ｆ×１００）は、好ましくは０．２５～０．８質量％であり、より好ましくは０．３～０．６質量％である。

消泡剤（Ａｄ３）としては、セメント組成物に配合されるものを用いることが可能であり、例えば、非イオン界面活性剤タイプのもの、オイルタイプ、及びエマルションタイプ等が挙げられる。

無機フィラー（Ｆ）全体に対する消泡剤（Ａｄ３）の比率（Ａｄ３／Ｆ×１００）は、好ましくは０．００６～０．０２質量％であり、より好ましくは０．００８～０．０１８質量％であり、さらに好ましくは０．０１～０．０１５質量％である。ジオポリマー組成物は、減水剤（Ａｄ２）を含むと気泡が発生して圧縮強度が低下する傾向にある。そこで、上述の比率で消泡剤（Ａｄ３）を含有することによって、ジオポリマー組成物の製造コストを維持しつつ強度発現性を十分に高くすることができる。

ジオポリマー組成物は、上述の成分以外の成分を含んでもよい。そのような成分としては、例えば、炭酸カルシウム粉末、膨張材、収縮低減剤、防錆剤、及び防水材等が挙げられる。

ジオポリマー組成物の１５打モルタルフローは、好ましくは１６０～２２０ｍｍであり、より好ましくは１７０～２００ｍｍである。このようなジオポリマー組成物は流動性に優れ、施工性にも優れる。１５打モルタルフローは実施例に記載の方法で測定される。ジオポリマー組成物の可使時間は、好ましくは１２０分以上である。このようなジオポリマー組成物はフレッシュ性状に優れており、施工性に優れる。可使時間は実施例に記載の方法で測定される。

ジオポリマー組成物の流下速度は、好ましくは０．５ｃｍ／ｓ以上であり、より好ましくは１．０ｃｍ／ｓ以上であり、さらに好ましくは１．３ｃｍ／ｓ以上である。このようなジオポリマー組成物は高い流動性を有することから施工性に優れる。流下速度は実施例に記載の方法で測定される。

ジオポリマー組成物は、強度発現性に優れており、養生条件が２０℃での封緘養生であっても、十分に高い初期強度を有する。２０℃での封緘養生において、材齢１日におけるジオポリマー組成物の圧縮強度は、好ましくは４Ｎ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは５Ｎ／ｍｍ^２以上である。２０℃での封緘養生において、材齢７日におけるジオポリマー組成物の圧縮強度は、好ましくは３５Ｎ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは４０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、さらに好ましくは４５Ｎ／ｍｍ^２以上である。最高温度６０℃で３時間保持する蒸気養生において、材齢１日におけるジオポリマー組成物の圧縮強度は、好ましくは５０Ｎ／ｍｍ^２以上であり、より好ましくは６０Ｎ／ｍｍ^２以上である。各圧縮強度は実施例に記載の条件で測定される。

一実施形態に係るジオポリマー硬化体は、上述のジオポリマー組成物を硬化することによって得ることができる。このジオポリマー硬化体は、十分に高い圧縮強度を有する。

一実施形態に係るジオポリマー組成物の製造方法は、無機フィラー（Ｆ）、シリカフューム（ＳＦ）、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むアルカリ源、水（Ｗ）、遅延剤（Ａｄ１）、減水剤（Ａｄ２）、並びに消泡剤（Ａｄ３）を含む原料を混合してジオポリマー組成物を得る混合工程を有する。水の少なくとも一部とアルカリ源は、ＮａＯＨ水溶液及びＫＯＨ水溶液等のアルカリ水溶液として配合してもよい。

水（Ｗ）に対する、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの合計のモル比（Ａ／Ｗ）は、好ましくは０．１～０．７であり、より好ましくは０．１～０．５であり、さらに好ましくは０．１５～０．３である。このような範囲であれば、フレッシュ性状と強度発現性のみならず、安全性も一層高くすることができる。水は、ジオポリマー組成物を調製する際に単独で配合してもよいし、ＮａＯＨ及びＫＯＨの水溶液として配合してもよい。上述の水（Ｗ）の量は、これらの合計値として求められる。

アルカリ源とシリカフューム（ＳＦ）は、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムの合計に対する、シリカフューム（ＳＦ）に含まれるＳｉＯ_２のモル比（Ｓｉ／Ａ）が、好ましくは０．１～０．７、より好ましくは０．１５～０．６、さらに好ましくは０．２～０．５となるように配合する。このような範囲で配合することによって、シリカフューム（ＳＦ）に含まれるＳｉＯ_２が円滑に溶解してケイ酸アルカリ水溶液が安定的に生成する。したがって、初期強度とフレッシュ性状を一層向上することができる。

その他の成分の配合量及び配合比は、ジオポリマー組成物の実施形態で説明したとおりである。各成分を混合すると、シリカフューム（ＳＦ）等がアルカリ水溶液中に溶解する。無機フィラー（Ｆ）及びその他の原料に含まれるＳｉＯ_２もアルカリ水溶液中に溶解してよいし、ＳｉＯ_２以外の成分もアルカリ水溶液中に溶解してもよい。このようにして、ナトリウム及びカリウムから群より選ばれる少なくとも一つを含むケイ酸アルカリ水溶液が生成する。

上記製造方法は、混合工程の前に、無機フィラー（Ｆ）、シリカフューム（ＳＦ）、細骨材（Ｓ）、及び遅延剤（Ａｄ１）を含む固体組成物を調製する第１調製工程と、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むアルカリ源、水、減水剤（Ａｄ２）、並びに消泡剤（Ａｄ３）を含む液体組成物を調製する第２調製工程とを有していてもよい。この場合、混合工程では、固体組成物と液体組成物とを配合する。これによって、原料が混合されてジオポリマー組成物を得ることができる。

第１調製工程では、調製した固体組成物を包装して、固体組成物を含む第１包装体を得てもよい。第２調製工程では、調製した液体組成物を包装して、液体組成物を含む第２包装体を得てもよい。これによって、固体組成物を含む第１包装体と液体組成物を含む第２包装体とを有する、ジオポリマー組成物調製用キットを得ることができる。第１包装体及び第２包装体は、それぞれ、固体及び液体であることから、別々にすることによって運搬を円滑に行うことができる。混合工程を行うまで、シリカフューム等の溶解及び硬化反応が進行しないため、長期間にわたって安定的に保管することもできる。したがって、固体組成物を含む第１包装体と液体組成物を含む第２包装体とを有する、ジオポリマー組成物調製用キットは、取り扱い性に優れる。

第１調製工程で調製される固体組成物において、無機フィラー（Ｆ）全体に対する高炉スラグ微粉末（ＢＳ）の比率は、４５～９０質量％である。この比率は、混合工程で得られるジオポリマー組成物及びジオポリマー硬化体の初期強度を十分に高くする観点から、好ましくは５０質量％以上であり、より好ましくは６０質量％以上であり、さらに好ましくは７０質量％以上である。一方、可使時間が短くなるのを抑制する観点から、この配合比率は、好ましくは８５質量％以下である。

固体組成物において、無機フィラー（Ｆ）全体に対する遅延剤（Ａｄ１）の比率（Ａｄ１／Ｆ×１００）は、０．１～１．９質量％である。このような固体組成物を用いて得られるジオポリマー組成物は、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れる。フレッシュ性状と初期強度を一層高い水準で両立させる観点から、比率（Ａｄ１／Ｆ×１００）は、好ましくは０．４～１．５質量％であり、より好ましくは０．７～１．３質量％である。

混合工程では、固体組成物と液体組成物とを配合して混合する。このとき、固体組成物に含まれる無機フィラー（Ｆ）全体に対して、液体組成物に含まれる減水剤（Ａｄ２）の比率が０．２質量％より大きく１．０質量％以下となる比率で、固体組成物と液体組成物とを配合することが好ましい。また、固体組成物に含まれる各成分と、液体組成物に含まれる各成分とが、ジオポリマー組成物の説明において述べた配合量及び比率となるように、固体組成物と液体組成物とを混合することが好ましい。

第１調製工程、第２調製工程、及び混合工程で用いる攪拌装置に特に制限はない。第２調製工程では、液体組成物を調製することから、通常の容器を用いて調製してもよい。第１調製工程及び混合工程では、例えば、モルタルミキサ、二軸強制練りミキサ、パン型ミキサ、グラウトミキサ又はハンドミキサ等を使用することができる。このようにして、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れるジオポリマー組成物を製造することができる。ジオポリマー組成物の好ましい性状は上述したとおりである。

一実施形態に係るジオポリマー硬化体の製造方法は、上述のジオポリマー組成物を硬化する硬化工程を有する。このようにして得られるジオポリマー硬化体は、十分に高い初期強度を有する。

ジオポリマー硬化体の用途としては、現場での施工の他に、例えば、二次製品が挙げられる。ジオポリマー組成物を硬化させてジオポリマー硬化体を作製するときには、例えば、封緘養生してもよく、蒸気養生してもよい。これらのうち、蒸気養生する方が強度を向上できるため好ましい。

以上、本開示の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に何ら限定されるものではない。

実施例及び比較例を参照して本開示の内容をより詳細に説明するが、本開示は下記の実施例に限定されるものではない。

（比較例１～１２、実施例１～３）
［ジオポリマー組成物の調製］
ジオポリマー組成物の原料として、以下の表１に示す材料を使用した。また、シリカフューム（ＳＦ）、フライアッシュＩＩ種（ＦＡ）、及び高炉スラグ微粉末（ＢＳ）の化学成分は、表２に示すとおりであった。

表１に示す材料を用いてジオポリマー組成物を調製した。具体的には、液体組成物と固体組成物とをそれぞれ調製した後、これらを、モルタルミキサを用いて混合してジオポリマー組成物を調製した。液体組成物は、苛性ソーダ水溶液（ＳＨ）、水（Ｗ）、減水剤（Ａｄ２）及び消泡剤（Ａｄ３）を配合して調製した。固体組成物は、シリカフューム（ＳＦ）、フライアッシュＩＩ種（ＦＡ）、高炉スラグ微粉末（ＢＳ）、海砂（Ｓ１）、砕砂（Ｓ２）及び遅延剤（Ａｄ１）を、モルタルミキサ内に入れて、３０秒間空練りして調製した。その後、このモルタルミキサ内に、上述の液体組成物を加えて９０秒間練り混ぜた。練り混ぜてかき落としを行った後、再度９０秒間練り混ぜた。このようにして、各実施例及び各比較例のジオポリマー組成物を調製した。

各実施例及び各比較例で調製したジオポリマー組成物１ｍ^３当たりの各材料の単位量は表３に示すとおりとした。表３に示すとおり、各比較例及び各実施例では、一部の材料を配合しなかった。また、比較例１～３では、液体組成物に珪酸ソーダ水溶液（ＳＳ）を加えた。減水剤（Ａｄ２）のうち、比較例７～９及び実施例１～３では表１の「ＡＥ減水剤」を、比較例１０では表１の「高性能減水剤（１）」を、比較例１１では表１の「高性能減水剤（２）」を、比較例１２では表１の「高性能ＡＥ減水剤」を、それぞれ用いた。

表３中の記号「Ｌ」は、珪酸ソーダ水溶液（ＳＳ）、苛性ソーダ水溶液（ＳＨ）、水（Ｗ）、及びシリカフューム（ＳＦ）の合計を示し、記号「Ｆ」は、フライアッシュＩＩ種（ＦＡ）及び高炉スラグ微粉末（ＢＳ）の合計（無機フィラーの合計）を示し、記号「Ｓ」は、海砂（Ｓ１）及び砕砂（Ｓ２）の合計（細骨材）を示し、記号「Ａｄ」は、遅延剤（Ａｄ１）、減水剤（Ａｄ２）、及び消泡剤（Ａｄ３）の合計を示す。表４には、これらの記号を用いて、ジオポリマー組成物に含まれる各成分及び各材料の比又は割合を示す。

表４中、「Ａ／Ｗ」は、Ｌに含有される水に対する水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）のモル比を示し、「Ｓｉ／Ａ」は、Ｌに含有される水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）に対する二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）のモル比を示す。表４中、「単位水量」は、珪酸ソーダ水溶液（ＳＳ）及び苛性ソーダ水溶液（ＳＨ）に含まれる水と、水（Ｗ）の合計の単位量である。

［ジオポリマー組成物の評価］
各比較例及び各実施例で得られたジオポリマー組成物のフレッシュ性状（流動性、可使時間及び流下速度）、並びに、初期強度（圧縮強度）を以下の手順で評価した。

＜流動性の評価＞
流動性試験として、１５打モルタルフローを測定した。モルタルフロー試験は、ＪＩＳ Ｒ ５２０１：２０１５「セメントの物理試験方法」に準じて実施した。測定結果は表５の「１５打」の欄に示すとおりであった。

＜可使時間の評価＞
硬度計（全長：２３ｃｍ、貫入部位：円錐形）を用いて可使時間の評価を行った。直径１８．５ｃｍ、高さ１０ｃｍの円筒型の容器に、ジオポリマー組成物を入れて、５分ごとに硬度計を挿入して貫入抵抗値を測定した。打ち込み・成形可能な貫入抵抗値を１．０Ｎ／ｍｍ^２とし、この値を超えない時間を可使時間とした。測定結果は表５に示すとおりであった。

＜流下速度の評価＞
土木学会基準ＪＳＣＥ－Ｆ ５１１－２０１８「高流動コンクリートの漏斗を用いた流下試験方法（案）」に準じて流下速度を測定した。測定にはモルタル用Ｖロート装置（上面２７０ｍｍ×３０ｍｍ、吐出口３０ｍｍ×３０ｍｍ）を用いた。ジオポリマー組成物をロート内の天端まで入れた後、下部の吐出口を開放して試料が流出するのに要する時間（流下時間）を測定した。流下時間は、吐出口の開放時から、ロートの上部より観察して吐出口から下の空間が見えるまでの時間とした。流下させるジオポリマー組成物の容積を吐出口の断面積と流下時間で除すことによって流下速度の平均値を算定した。算定結果は表５に示すとおりであった。

＜初期強度（１）の評価＞
ジオポリマー組成物を所定の型枠に流し込んで、所定の材齢まで温度２０±２℃，相対湿度６０±５％の恒温恒湿室で封緘養生を行った。得られた円柱試験体（直径５ｃｍ×高さ１０ｃｍ）を用いて、材齢１日及び７日における圧縮強度を測定した。結果は、表５に示すとおりであった。

＜初期強度（２）の評価＞
ジオポリマー組成物を所定の型枠に流し込んで、最高温度６０℃での蒸気養生を行った。蒸気養生は、２０℃で３時間の前置きの後、昇温速度１３．３℃／ｈｒで６０℃に昇温して３時間保持し、降温速度１３．３℃／ｈｒで降温した。このようにして、円柱試験体（Φ５ｃｍ×高さ１０ｃｍ）を得た。このようにして得られた円柱試験体を用いて、材齢１日及び７日における圧縮強度を測定した。なお、材齢１日で脱型し、それ以降は温度２０±２℃，相対湿度６０±５％の恒温恒湿室で気中養生を行った。結果は、表５に示すとおりであった。

表５中、「総合評価」は、以下の基準に基づいてランク分けした結果である。
Ａ：材齢１日の初期強度（１）が５Ｎ／ｍｍ^２以上、可使時間が１２０分以上、流下速度が１．３ｃｍ／ｓ以上の場合
Ｂ：材齢１日の初期強度（１）が５Ｎ／ｍｍ^２以上、可使時間が１２０分以上、流下速度が１．３ｃｍ／ｓ未満の場合
Ｃ：材齢１日の初期強度（１）が５Ｎ／ｍｍ^２未満の場合

比較例１～３は、シリカ源として珪酸ソーダ水溶液を用いて調製したジオポリマー組成物である。比較例１は無機フィラー（Ｆ）にフライアッシュ（ＦＡ）のみを使用しているが、十分な初期強度が得られなかった。比較例２は、フライアッシュ（ＦＡ）の一部を高炉スラグ微粉末（ＢＳ）で置換することで比較例１よりも初期強度は高くなったが、可使時間がかなり短く良好なフレッシュ性状を得ることができなかった。比較例３では、比較例３に遅延剤（Ａｄ１）としてグルコン酸ナトリウムを加えたが、可使時間を十分に長くすることができず、良好なフレッシュ性状を得ることができなかった。

比較例４～１２及び実施例１～３は、シリカ源としてシリカフュームを用い、これを苛性ソーダ水溶液に溶解して製造されたジオポリマー組成物である。比較例４では十分に長い可使時間が得られたが、材齢１日時点で初期強度（１）が発現しなかった（未硬化）。比較例５では、比較例４よりも、Ｌ／Ｆを大きくすることで流動性は向上したが、比較例４と同様に材齢１日時点で初期強度（１）が発現しなかった。比較例６では、遅延剤（Ａｄ１、グルコン酸ナトリウム）の配合量を比較例５よりも減らしたが、比較例４，５と同様に材齢１日時点で初期強度（１）が発現しなかった。一方で、比較例７では、遅延剤（Ａｄ１）を無添加とし、ＡＥ減水剤（Ａｄ２）と消泡剤（Ａｄ３）を配合したところ、十分な可使時間が得られず、粘性が高くなって、流下速度を測定することができなかった。

比較例８，９では、遅延剤（Ａｄ１）をある程度少量にしつつ、ＡＥ減水剤（Ａｄ２）と消泡剤（Ａｄ３）を配合したところ、比較例７よりも粘性が低くなって可使時間が確保されるとともに流下速度も大きくなった。しかしながら、材齢１日時点で初期強度（１）が発現しなかった。

実施例１～３では、遅延剤（Ａｄ１、グルコン酸ナトリウム）、ＡＥ減水剤（Ａｄ２）、及び消泡剤（Ａｄ３）の配合量を比較例９と同等にしつつ、ＢＳ／Ｆを比較例９よりも大きくした。その結果、十分な可使時間と流下速度を確保しつつ、初期強度（１）及び（２）を十分に高くすることができた。実施例１～３の総合評価はＡ又はＢであった。

比較例８と比較例１０～１２の材料の配合比は、表３に示すとおり同一である。ただし、比較例８では、減水剤（Ａｄ２）として、リグニンスルホン酸塩を含むＡＥ減水剤を用いている。一方、比較例１０～１２では、比較例８とは異なる減水剤（Ａｄ２）を用いている。すなわち、比較例１０では表１の「高性能減水剤（１）」を、比較例１１では表１の「高性能減水剤（２）」を、比較例１２では表１の「高性能ＡＥ減水剤」を用いている。比較例１０～１２で用いた減水剤（Ａｄ２）は、リグニンスルホン酸塩を含有していない。このことから、リグニンスルホン酸塩を含有する減水剤（Ａｄ２）は、流動性向上効果及び粘性低減効果が高いことが分かった。

本開示によれば、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れるジオポリマー組成物及びその製造方法が提供される。また、良好なフレッシュ性状を有しつつ初期強度にも優れるジオポリマー組成物を、簡便に調製することが可能なジオポリマー組成物調製用キットが提供される。また、十分に高い初期強度を有するジオポリマー硬化体及びその製造方法が提供される。

Claims (9)

1. 固体組成物を含む第１包装体と液体組成物を含む第２包装体とを有する、ジオポリマー組成物調製用キットであって、
   前記固体組成物は、無機フィラー、シリカフューム、及び遅延剤を含み、
   前記遅延剤はグルコン酸ナトリウムであり、
   前記液体組成物は、アルカリ源、水、リグニンスルホン酸塩を含む減水剤、及び消泡剤を含み、
   前記アルカリ源は、水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含み、
   前記無機フィラーは、フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末を含み、前記無機フィラー全体に対する前記高炉スラグ微粉末の比率は６０～９０質量％であり、
   前記無機フィラー全体に対する前記遅延剤の比率は０．４～１．５質量％であり、
   前記無機フィラー全体に対する前記減水剤の比率が０．２質量％より大きく１．０質量％以下となる比率で、前記固体組成物と前記液体組成物とを有する、ジオポリマー組成物調製用キット。
2. 前記ジオポリマー組成物調製用キットにおける前記固体組成物と前記液体組成物との混合物であるジオポリマー組成物１ｍ ^３ に対する前記シリカフュームの配合量が１０～１００ｋｇ／ｍ ^３ である、請求項１に記載のジオポリマー組成物調製用キット。
3. 前記水酸化ナトリウム及び前記水酸化カリウムの合計に対する、前記シリカフュームに含まれるＳｉＯ _２ のモル比が０．１～０．７となる比率で、前記固体組成物と前記液体組成物とを有する、請求項１又は２に記載のジオポリマー組成物調製用キット。
4. 前記無機フィラー全体に対する消泡剤の比率が０．００６～０．０２質量％となる比率で、前記固体組成物と前記液体組成物とを有する、請求項１～３のいずれか一項に記載のジオポリマー組成物調製用キット。
5. 無機フィラー、シリカフューム、及び遅延剤を含み、前記遅延剤がグルコン酸ナトリウムである固体組成物を調製する第１調製工程と、
   水酸化ナトリウム及び水酸化カリウムからなる群より選ばれる少なくとも一つを含むアルカリ源、水、リグニンスルホン酸塩を含む減水剤、及び消泡剤を含む液体組成物を調製する第２調製工程と、
   前記固体組成物と前記液体組成物とを配合して混合しジオポリマー組成物を得る混合工程と、を有し、
   前記無機フィラーは、フライアッシュ及び高炉スラグ微粉末を含み、前記無機フィラー全体に対する前記高炉スラグ微粉末の配合比率は６０～９０質量％であり、
   前記無機フィラー全体に対する前記遅延剤の配合比率は０．４～１．５質量％であり、
   前記無機フィラー全体に対する前記減水剤の配合比率は０．２質量％より大きく１．０質量％以下である、ジオポリマー組成物の製造方法。
6. 前記ジオポリマー組成物１ｍ ^３ に対する前記シリカフュームの配合量は１０～１００ｋｇ／ｍ ^３ である、請求項５に記載のジオポリマー組成物の製造方法。
7. 前記ジオポリマー組成物において、前記水酸化ナトリウム及び前記水酸化カリウムの合計に対する、前記シリカフュームに含まれるＳｉＯ _２ のモル比が、０．１～０．７である、請求項５又は６に記載のジオポリマー組成物の製造方法。
8. 前記無機フィラー全体に対する前記消泡剤の配合比率は０．００６～０．０２質量％である、請求項５～７のいずれか一項に記載のジオポリマー組成物の製造方法。
9. 請求項５～８のいずれか一項に記載の製造方法で得られた前記ジオポリマー組成物を硬化する硬化工程を有する、ジオポリマー硬化体の製造方法。