〈一般研究課題〉 凝集挙動を制御したケイ酸ゲルによる
実構造物コンクリートの延命化に関する研究
助 成 研 究 者

名古屋工業大学

吉田亮

凝集挙動を制御したケイ酸ゲルによる
実構造物コンクリートの延命化に関する研究吉田 亮（名古屋工業大学）

Improvement of water absorption resistance and mechanism on
the hardened cement paste by impregnation of colloidal silica
Ryo Yoshida(Nagoya Institute of Technology)

Abstract：
The purpose of this study is to examine that there is a gel produced by mixing colloidal silica,
which is silicate surface penetrants (CS) and calcium hydroxide (Ca(OH)2 ) in the pore of hardened
cement. In the case where the CS concentrations were 60-100％ since the absolute value of zeta
potential was small, the dispersion stability of silica particles was unstable, and the particles would
tend to be easily aggregated. Supplying Ca(OH) 2 into the CS, the gel was produced with a small
three-structure network, which could not easily swell with solvent. On the other hand, in the casewhere CS concentrations were 10-50％ since the absolute value of zeta potential was large, thedispersion stability of silica particles was good, and the particles would tend to be dispersed.
Supplying Ca(OH)2 into the CS, the gel was produced with a large three-structure network, which
could easily swell with solvent. The produced gels provided water absorption resistance because
they were all large enough to close the pore of hardened cement.
1．はじめに供用年数が50年を超えるコンクリート構造物の増加に伴い，効率的な維持管理が課題 1）となっており，様々な技術向上が探求されている。維持管理技術のなかでも経済性・作業性に優れている表面含浸工法はその課題の対応策として有効な手段の一つである 2）。表面含浸工法に使用される表面－ 81 －

を生成し，空隙を充填するものがある 3）。ただ含浸材のケイ酸塩系表面含浸材には，ケイ酸ナ
し，ケイ酸塩系表面含浸材は空隙を緻密化する
トリウムにより結晶質の水ガラスを生成するもが，完全に空隙を閉塞することはできないため，のと，コロイダルシリカを主成分とし水酸化カ
吸水抵抗性の向上は一般的にシラン系表面含ルシウムと反応することでセメント硬化体に近浸材の撥水効果に比べて期待されていない。
い物質を生成し，空隙を充填するものがある 3）。
一方で，著者らのこれまでの検討では，ケイ
ただし，ケイ酸塩系表面含浸材は空隙を緻密化
酸塩系表面含浸材を塗布したときの吸水抵抗するが，完全に空隙を閉塞することはできない
性が，シラン系表面含浸材を塗布したときよりため，吸水抵抗性の向上は一般的にシラン系表も向上する結果となる場合があることを確認
図 ケ
1.イ酸ゲルを生成させた劣化モルタル供試体にケイ酸ゲルを生成させた劣化モルタル
面含浸材の撥水効果に比べて期待されていな 図1.
4）4）
おける吸水抵抗性している 。この実験では水酸化カルシウムを供試体における吸水抵抗性 4）い。
塗布した後にコロイダルシリカを塗布してい一方で，著者らのこれまでの検討では，ケイる。このとき塗布の間に 30 分または 90 分の乾酸塩系表面含浸材を塗布したときの吸水抵抗性
燥時間が設けられており，乾燥時間 30 分の吸水が，シラン系表面含浸材を塗布したときよりも率 （ CH+CS30 ） と 乾 燥 時 間 90 分 の 吸 水 率向上する結果となる場合があることを確認して（CH+CS90）に大きな違いがみられた（図 1）。
いる 4）。この実験では水酸化カルシウムを塗布
塗布した材料は同じであることから，この吸水した後にコロイダルシリカを塗布している。こ4）率の大きな違いは乾燥時間によると考えられ
図2. Ca(OH)2 +CS（90分乾燥）のとき塗布の間に30分または90分の乾燥時間が図 2. Ca(OH)2+CS（90 分乾燥）4）る。乾燥時間が長い 90 分のとき，空隙内には
設 け ら れ て お り， 乾 燥 時 間 30 分 の 吸 水 率
乾燥した水酸化カルシウムが壁面に存在して（CH+CS30）と乾燥時間90分の吸水率（CH+CS90）
おり，そこにコロイダルシリカが塗布されると，に大きな違いがみられた（図1）。塗布した材料既往の研究の通り 3），吸水抵抗性には寄与しなは同じであることから，この吸水率の大きな違いセメント硬化体に近い物質が生成したと考
いは乾燥時間によると考えられる。乾燥時間がえられる（図 2）。一方で，乾燥時間が短い 30
長い90分のとき，空隙内には乾燥した水酸化カ分のとき，空隙内には最初に塗布した水酸化カ
ルシウムが壁面に存在しており，そこにコロイ
4）
図3. Ca(OH)2 +CS（30分乾燥）ルシウムが液体として残っており，液相中でコダルシリカが塗布されると，既往の研究の通り 3），
図 3. Ca(OH)2+CS（30 分乾燥）4）
ロイダルシリカと混合し，分子量の大きな凝
吸水抵抗性には寄与しないセメント硬化体に近集ゲルを生成することで，吸水抵抗性の向上
い物質が生成したと考えられる
（図2）
。一方で，
がもたらされたと仮説を立てた（図 3）。
乾燥時間が短い30分のとき，空隙内には最初に
図 4 に本研究で考えるコロイダルシリカと塗布した水酸化カルシウムが液体として残って水酸化カルシウムの混合によるゲル化のメカ
おり，液相中でコロイダルシリカと混合し，分ニズムを示す。コロイダルシリカは塩基性条
子量の大きな凝集ゲルを生成することで，吸水ゲル化メカニズムのイメージ
件下において，シラノール基の脱プロトンが進図 4. 図4.
ゲル化メカニズムのイメージ
抵抗性の向上がもたらされたと仮説を立てた
行するため，シリカ粒子の表面は負に帯電し，（図3）。
電気二重層を形成する 5）。この電気二重層を有したシリカ粒子同士のイオン的反発により，シリカ
図4に本研究で考えるコロイダルシリカと水酸化カルシウムの混合によるゲル化のメカニズムを粒子は水溶媒中に分散したシリカゾルの状態で存在する。ここに 2 価のカチオンである Ca2+が供給示す。コロイダルシリカは塩基性条件下において，シラノール基の脱プロトンが進行するため，シされると，シリカ粒子間のイオン的反発は緩和され，電気二重層は圧縮される 6)。その結果，Iler7）5）
リカ粒子の表面は負に帯電し，電気二重層を形成する。この電気二重層を有したシリカ粒子同士により提唱されているように Ca2+を介してシリカ粒子間の架橋が行われ，凝集することで，コロイのイオン的反発により，シリカ粒子は水溶媒中に分散したシリカゾルの状態で存在する。ここに2価のカチオンであるCa2+が供給されると，シリカ粒子間のイオン的反発は緩和され，電気二重層は

2－ 82 －

圧縮される 6)。その結果，Iler7）により提唱されているようにCa 2+を介してシリカ粒子間の架橋が行われ，凝集することで，コロイダルシリカはゲル化する。
ダルシリカはゲル化する。
5）
この液相中で生成された凝集ゲルは三次元網目構造を形成しており
5），この網目の中に溶媒を取
この液相中で生成された凝集ゲルは三次元網目構造を形成しており，この網目の中に溶媒を取り込むことで膨潤することができると述べられている。このように生成されたゲルが，空隙内におり込むことで膨潤することができると述べられている。このように生成されたゲルが，空隙内において水を取り込んだとき，膨潤し，空隙を閉塞することで，吸水抵抗性が向上したと推察する。
いて水を取り込んだとき，膨潤し，空隙を閉塞することで，吸水抵抗性が向上したと推察する。
本研究では，セメント硬化体の空隙内における液体の水酸化カルシウムとコロイダルシリカの混本研究では，セメント硬化体の空隙内における液体の水酸化カルシウムとコロイダルシリカの混合によってゲルが生成する仮説について，試験管内における混合実験により確認し，コロイダルシ合によってゲルが生成する仮説について，試験管内における混合実験により確認し，コロイダルシ
リカと生成したゲルのゼータ電位や粒子径を計測することで，ゲルの生成メカニズムを明らかにす
リカと生成したゲルのゼータ電位や粒子径を計測することで，ゲルの生成メカニズムを明らかにすることを目的とした。
ることを目的とした。
２．実験概要2. 実験概要

表 1.表1.
Ca(OH)と CS の混合比率
Ca(OH)2とCSの混合比率

2.1
2.1 使用材料および試料の作製
使用材料および試料の作製

2

コロイダルシリカ（pH11.5）を主成分とす
コロイダルシリカ（pH 11.5）を主成分とする水る水溶液（以下，CS）と飽和水酸化カルシウ
溶液（以下，CS）と飽和水酸化カルシウム水溶液
Ca(OH)2ム水溶液（以下，
Ca(OH)2）を使用した。
（以下，Ca(OH)を使用した。Ca(OH)2）
2 は，脱イは，脱イオン水
100 g の溶媒に対して，溶解度
オン水100gの溶媒に対して，溶解度を超える程
を超える程度の固体の水酸化カルシウムを溶度の固体の水酸化カルシウムを溶かし，3日以上
かし，3 日以上静置した後，その上澄み液を使静置した後，その上澄み液を使用した。
用した。
2.2
Ca(OH)2 とCSの混合方法
CS の混合方法
2.2
Ca(OH)22 と表 1にCa(OH)とCSの混合比率の組合せを示
4）
表 1 に Ca(OH)
2 と CS の混合比率の組合せをす。既往の研究より，セメント硬化体の空隙内4）より，セメント硬化体の示す。既往の研究にCa(OH)
2 が液体として存在していることを想定して，試験管内にCa(OH) 2 を5mLはかりとった。
空隙内に Ca(OH)
2 が液体として存在していることを想定して，試験管内に Ca(OH)2 を 5 mL はかり
CSとCa(OH)のゲル化の条件を検討するために，市販のCS（MS-90）を濃度100％として，10％刻
2とった。CS と Ca(OH)2 のゲル化の条件を検討するために，市販の CS（MS-90）を濃度 100％としみで濃度を下げた溶液を5mLを注いだ。なお，CSは試験管壁面を伝うように注いだ。
て，10％刻みで濃度を下げた溶液を 5 mL を注いだ。なお，CS は試験管壁面を伝うように注いだ。
2.3 Ca(OH)2 とCSの混合方法
Ca(OH)
2.3
2 と CS の混合方法
Ca(OH)
2 とCSの混合によるゲルの生成状況，ゲル化のメカニズムを考察するために，各種評価試
Ca(OH)2 と CS の混合によるゲルの生成状況，ゲル化のメカニズムを考察するために，各種評価験を行った。
試験を行った。
（1）電気泳動光散乱法によるゼータ電位試験(1) 電気泳動光散乱法によるゼータ電位試験
10％刻みに濃度を変えたCSの分散安定性を評価するためにそれぞれのゼータ電位を測定した。
10％刻みに濃度を変えた CS の分散安定性を評価するためにそれぞれのゼータ電位を測定した。
ゼータ電位は粒子の表面電荷がイオンに影響を及ぼす限界部分における電位であり，粒子の分散安ゼータ電位は粒子の表面電荷がイオンに影響を及ぼす限界部分における電位であり，粒子の分散安定性の指標とされる。一般に，ゼータ電位の絶対値が0に近づくときシリカ粒子は凝集し，絶対値定性の指標とされる。一般に，ゼータ電位の絶対値が 0 に近づくときシリカ粒子は凝集し，絶対値が大きいときシリカ粒子は分散安定性が良好であると評価され，分散安定性のしきい値は±30mVが大きいときシリカ粒子は分散安定性が良好であると評価され，分散安定性のしきい値は±30 mVであるとされている 8）。ゼータ電位の測定にはMalvern社製ゼータサイザーを使用した。
であるとされている 8）。ゼータ電位の測定には Malvern 社製ゼータサイザーを使用した。
（2）動的光散乱による粒子径試験(2) 動的光散乱による粒子径試験
動的光散乱法による粒子径の評価には，Malvern社製ゼータサイザーを用いて，CSと混合した
動的光散乱法による粒子径の評価には，Malvern 社製ゼータサイザーを用いて，CS と混合した
CHCSの各濃度における粒子径（体積基準）を測定した。粒子径分布には体積または個数を基準とす
CHCS の各濃度における粒子径（体積基準）を測定した。粒子径分布には体積または個数を基準とる場合があり，セメント硬化体の空隙の閉塞には粒子の数（個数基準）よりも，体積が重要であるとする場合があり，セメント硬化体の空隙の閉塞には粒子の数（個数基準）よりも，体積が重要であ
考え，体積基準により評価した。なお，粒子径測定範囲は0.3～10000nmである。
ると考え，体積基準により評価した。なお，粒子径測定範囲は 0.3～10000 nm である。
－ 83 －

3

(3) レーザー回折法による粒子径試験(3) レーザー回折法による粒子径試験
レーザー回折法による粒子径試験（3）
ゼータサイザーの測定範囲を超える粒子径が 10000 nm 以上の CHCS の場合，正確に粒子径を測ゼータサイザーの測定範囲を超える粒子径が 10000 nm 以上の CHCS の場合，正確に粒子径を測ゼータサイザーの測定範囲を超える粒子径が10000nm以上のCHCSの場合，正確に粒子径を測定定することができないため，レーザー回折法を用いた Malvern 社製マスターサイザーを使用した。
定することができないため，レーザー回折法を用いた Malvern 社製マスターサイザーを使用した。
することができないため，レーザー回折法を用いたMalvern社製マスターサイザーを使用した。ななお，粒子径測定範囲は，10 nm～3500μm である。
なお，粒子径測定範囲は，10 nm～3500μm である。
お，粒子径測定範囲は，10nm～3500µmである。
3. 実験結果
3. 実験結果
３．実験結果3.1 試験管内での混合
3.1 試験管内での混合3.1(1)試験管内での混合
Ca(OH)2 と CS の混合過程(1) Ca(OH)2 と CS の混合過程（1）図Ca(OH)
2 とCSの混合過程
5 にシリカ粒子の数を最も多く含む濃度
100％の CS と Ca(OH)2 の混合過程を示す。過程（a）
図 5 にシリカ粒子の数を最も多く含む濃度 100％の CS と Ca(OH)2 の混合過程を示す。過程（a）
図5にシリカ粒子の数を最も多く含む濃度100％のCSとCa(OH)（a）は，2 の混合過程を示す。過程
1 mL 注ぐと，ゲルが沈殿した。
は，はかりとった Ca(OH)2 5 mL である。過程（b）のとき，CS を約
は，はかりとった Ca(OH)2 5 mL である。過程（b）のとき，CS を約 1 mL 注ぐと，ゲルが沈殿した。
はかりとったCa(OH)（b）のとき，CSを約1mL注ぐと，ゲルが沈殿した。過程
2 5mLである。過程
過程（c）のとき，沈殿して試験管の底面に堆積したゲルが液面まで達する。過程（d）のとき，余過程（c）のとき，沈殿して試験管の底面に堆積したゲルが液面まで達する。過程（d）のとき，余（c）のとき，沈殿して試験管の底面に堆積したゲルが液面まで達する。過程（d）のとき，余剰のCSは，注がれたCS の対流によ剰のCS は試験管の底面へ向かい，生成された直後のミクロなゲル 9）9）は，注がれた CS の対流によ剰の CS は試験管の底面へ向かい，生成された直後のミクロなゲル
9）は試験管の底面へ向かい，生成された直後のミクロなゲルは，注がれたCSの対流により，液面へ
り，液面へと押し上げられた。過程（e）のとき，生成されたミクロなゲルが液面に集中し，ゲルり，液面へと押し上げられた。過程（e）のとき，生成されたミクロなゲルが液面に集中し，ゲル9）と押し上げられた。過程（e）のとき，生成されたミクロなゲルが液面に集中し，ゲル同士が近づき，，試験管にはりついたと考えられ同士が近づき，互いに架橋することで，大きなゲルへと成長し
9），試験管にはりついたと考えられ同士が近づき，互いに架橋することで，大きなゲルへと成長し
9）互いに架橋することで，大きなゲルへと成長し，試験管にはりついたと考えられる。
る。
る。

図5. Ca(OH)
図 5. Ca(OH)CS の混合過程
2 と2とCSの混合過程
図 5. Ca(OH)2 と CS の混合過程（2）各濃度における混合状況(2)
各濃度における混合状況
図6～9にCSとCa(OH)2を混合した直後，1日後，(2) 各濃度における混合状況
図 6～9 に CS と Ca(OH)2 を混合した直後，1 日
1週間後，1か月後の試験管内の様子をそれぞれ
図 6～9 に CS と Ca(OH)2 を混合した直後，1 日
後，1週間後，1 か月後の試験管内の様子をそれ示す。左端が濃度10％のCSとCa(OH) 2 の混合し後，1 週間後，1 か月後の試験管内の様子をそれぞれ示す。左端が濃度 10％の CS と Ca(OH)2 の混
たCHCS10，右端が濃度100％のCSとCa(OH)2のぞれ示す。左端が濃度 10％の CS と Ca(OH)2 の混
図6. ゲルの様子（混合直後）
合した CHCS10，右端が濃度 100％の CS と混合したCHCS100，その間はCSの濃度を10％刻
図 6. ゲルの様子（混合直後）合した CHCS10，右端が濃度 100％の CS と図 6. ゲルの様子（混合直後）
Ca(OH)2 の混合した CHCS100，その間は CS の濃みでCHCS90～20である。各濃度において白濁
Ca(OH)2 の混合した CHCS100，その間は CS の濃度を 10％刻みで CHCS90～20 である。各濃度にしたゲルの生成が確認された。
度を 10％刻みで CHCS90～20 である。各濃度において白濁したゲルの生成が確認された。
（3）
各濃度における混合
おいて白濁したゲルの生成が確認された。
(3) 各濃度における混合
上述の混合過程を踏まえると，CHCS100～50(3)
各濃度における混合
上述の混合過程を踏まえると，CHCS100～50
図7.
ゲルの様子
（1日後）
では，過程
（a）～(e)まで進行しており，CHCS40
上述の混合過程を踏まえると，CHCS100～50
図 7.
ゲルの様子（1日後）
では，過程（a）～(e)まで進行しており，CHCS40
図 7. ゲルの様子（1 日後）～10では，過程（c）まで進行している。このことからCHCS100～50における白色透明の液体は未では，過程（a）～(e)まで進行しており，CHCS40～10 では，過程（c）まで進行している。このことから CHCS100～50
における白色透明の液体は
2
反応のCSであり，CHCS40～10における透明な液体はCa(OH)であると考えられる。よって，飽～10 では，過程（c）まで進行している。このことから CHCS100～50
における白色透明の液体は
未反応の CS であり，CHCS40～10 における透明な液体は Ca(OH)2 であると考えられる。よって，
和水溶液であるCa(OH)
未反応の CS であり，CHCS40～10における透明な液体は Ca(OH)2 であると考えられる。よって，
2 と同量のCSを用いてゲルを生成するとき，CSの濃度50～40％の間に過不飽和水溶液である Ca(OH)2 と同量の CS を用いてゲルを生成するとき，CS の濃度 50～40％の間に飽和水溶液である Ca(OH)2 と同量の CS を用いてゲルを生成するとき，CS の濃度 50～40％の間に足なく凝集する濃度条件があるといえる。

44－ 84 －

過不足なく凝集する濃度条件があるといえる。
（4）ゲルの構造の違い(4)ゲルの構造の違い
試験管内に生成されたゲルは，CHCS100～10
過不足なく凝集する濃度条件があるといえる。
試験管内に生成されたゲルは，CHCS100～10
において，色と体積が異なることから，同一のゲ(4) ゲルの構造の違い

において，色と体積が異なることから，同一のルではないと考えられる。このような違いが生じ試験管内に生成されたゲルは，CHCS100～10
図8. ゲルの様子（1週間後）
10）
ゲルではないと考えられる。このような違いが
図 8. ゲルの様子（1 週間後）た要因として，既往の研究より，CSの濃度がにおいて，色と体積が異なることから，同一の生じた要因として，既往の研究より 10），CS の関係していると考えられる。
ゲルではないと考えられる。このような違いが
図 8. ゲルの様子（1 週間後）
濃度が関係していると考えられる。
10）
CSの濃度が濃いCHCS100～50では，ゲルの三，CS の生じた要因として，既往の研究より
CSの濃度が濃いCHCS100～50では，ゲルの次元網目構造同士の絡みが生じることで膨潤しに濃度が関係していると考えられる。
三次元網目構造同士の絡みが生じることで膨くいゲルとなり，白濁が濃くなったと考えられ
CS の濃度が濃い CHCS100～50 では，ゲルの
図9. ゲルの様子（1カ月後）
潤しにくいゲルとなり，白濁が濃くなったと考る。
図 9. ゲルの様子（1 カ月後）
三次元網目構造同士の絡みが生じることで膨えられる。
一方で，CSの濃度が薄いCHCS40～10において，CSの濃度が薄くなっているのに対して，生成潤しにくいゲルとなり，白濁が濃くなったと考図 9. ゲルの様子（1 カ月後）
一方で，CS の濃度が薄い CHCS40～10 において，CS の濃度が薄くなっているのに対して，生成えられる。
したゲルの体積が大きくなっている。これはゲルの三次元網目構造の形成が不完全であるため，網したゲルの体積が大きくなっている。これはゲルの三次元網目構造の形成が不完全であるため，網
一方で，CS の濃度が薄い CHCS40～10 において，CS の濃度が薄くなっているのに対して，生成目サイズが大きくなり，より多くの溶媒を取り込むことができたからであると考えられる。ただ目サイズが大きくなり，より多くの溶媒を取り込むことができたからであると考えられる。ただし，したゲルの体積が大きくなっている。これはゲルの三次元網目構造の形成が不完全であるため，網し，ゲル化が不完全であるため，白濁の色は薄い。CHCS10の混合直後から1か月後までを比較す
ゲル化が不完全であるため，白濁の色は薄い。CHCS10 の混合直後から 1 か月後までを比較すると，目サイズが大きくなり，より多くの溶媒を取り込むことができたからであると考えられる。ただし，ると，体積が収縮していることから，ゲルの自重による圧密により，取り込んだ溶媒を排出してい体積が収縮していることから，ゲルの自重による圧密により，取り込んだ溶媒を排出していると考ゲル化が不完全であるため，白濁の色は薄い。CHCS10 の混合直後から 1 か月後までを比較すると，ると考えられる。
えられる。
体積が収縮していることから，ゲルの自重による圧密により，取り込んだ溶媒を排出していると考
3.2
コロイダルシリカのゼータ電位
3.2 コロイダルシリカのゼータ電位えられる。
図10に各濃度におけるCSのゼータ電位を示す。CSの濃度100～60％の場合は，ゼータ電位の図 10 に各濃度における CS のゼータ電位を示す。CS の濃度 100～60％の場合は，ゼータ電位の3.2 コロイダルシリカのゼータ電位
ピークが-25mV付近に位置する。一方で，CSの濃50～10％の場合は，ゼータ電位のピークは-35
ピークが-25 mV 付近に位置する。一方で，CS の濃 50～10％の場合は，ゼータ電位のピークは-35 mV
図 10 に各濃度における CS のゼータ電位を示す。CS の濃度 100～60％の場合は，ゼータ電位のmV付近に位置する。一般にゼータ電位の絶対値が0に近づくと凝集しやすくなることから，CSの付近に位置する。一般にゼータ電位の絶対値が 0 に近づくと凝集しやすくなることから，CS の濃ピークが-25 mV 付近に位置する。一方で，CS の濃 50～10％の場合は，ゼータ電位のピークは-35 mV
濃度が100～60％のときには，CSの濃度が50～10％のときよりも凝集しやすい傾向にあるといえ度が 100～60％のときには，CS の濃度が 50～10％のときよりも凝集しやすい傾向にあるといえる。
付近に位置する。一般にゼータ電位の絶対値が 0 に近づくと凝集しやすくなることから，CS の濃る。
図 11 に CS の各濃度におけるゼータ電位の平均値（測定回数 3 回，ばらつは±4 mV 以内）を示
度が100～60％のときには，CS の濃度が 50～10％のときよりも凝集しやすい傾向にあるといえる。
図11にCSの各濃度におけるゼータ電位の平均値（測定回数3回，ばらつは±4 mV以内）を示す。
す。図の傾向をみると，CS の濃度とゼータ電位の絶対値の関係は以下の 4 つに区分することがで
図 11 に CS の各濃度におけるゼータ電位の平均値（測定回数 3 回，ばらつは±4 mV 以内）を示
図の傾向をみると，CSの濃度とゼータ電位の絶対値の関係は以下の4つに区分することができるとす。図の傾向をみると，CS の濃度とゼータ電位の絶対値の関係は以下の 4 つに区分することがで

図 10. 各濃度における CS のゼータ電位の分布
図 10.図10.
各濃度における
CS のゼータ電位の分布
各濃度におけるCSのゼータ電位の分布

図 11. 各濃度における CS のゼータ電位
図11.
各濃度におけるCSのゼータ電位
図 11.
各濃度における
CS のゼータ電位

5－ 85 －

5

考えられる。1つ目はCSの濃度100～90％において，CSの濃度100％のとき，ゼータ電位の絶対値きると考えられる。1 つ目は CS の濃度 100～90％において，CS の濃度 100％のとき，ゼータ電位は最も小さく，そこからゼータ電位の絶対値は20mVまで増加した。2つ目はCSの濃度80～60％にの絶対値は最も小さく，そこからゼータ電位の絶対値は 20 mV まで増加した。2 つ目は CS の濃度
おいて，ゼータ電位の大きさは濃度によらず30mV程度で一定となった。3つ目はCSの濃度が50～
80～60％において，ゼータ電位の大きさは濃度によらず 30 mV 程度で一定となった。3 つ目は CS
40％において，ゼータ電位の絶対値は45mVに達し，極大値となった。最後にCSの濃度が30～の濃度が 50～40％において，ゼータ電位の絶対値は 45 mV に達し，極大値となった。最後に CS
10％において，再びゼータ電位の絶対値は減少し，35mV程度になった。
の濃度が30～10％において，再びゼータ電位の絶対値は減少し，35 mV 程度になった。
上に示した濃度区分におけるシリカ粒子の分散安定性を検討する。一般に粒子の分散安定性に関8）上に示した濃度区分におけるシリカ粒子の分散安定性を検討する。
一般に粒子の分散安定性に関するゼータ電位のしきい値は±30mVである
ことを基準とすると，CSの濃度100～60％のとき，するゼータ電位のしきい値は±30mV である 8）ことを基準とすると，CS の濃度 100～60％のとき，ゼータ電位の絶対値が30mV以下であり，シリカ粒子の分散性は不安定，つまり，凝集しやすい状
ゼータ電位の絶対値が 30 mV 以下であり，シリカ粒子の分散性は不安定，つまり，凝集しやすい態となり，CSの濃度50～10％のとき，ゼータ電位の絶対値が30mVより大きく，シリカ粒子の分状態となり，CS の濃度 50～10％のとき，ゼータ電位の絶対値が 30 mV より大きく，シリカ粒子の散安定性は良好，つまり，分散しやすい状態である。
分散安定性は良好，つまり，分散しやすい状態である。
上に示した分散安定性をもとにゲルの生成条件について考える。分散安定性とゲルの生成には以上に示した分散安定性をもとにゲルの生成条件について考える。分散安定性とゲルの生成には以下のような関係があると考えられる。例えば，CSの濃度100～60％の分散性が不安定な場合，シ下のような関係があると考えられる。例えば，CS の濃度 100～60％の分散性が不安定な場合，シリカ粒子は近接するため，Ca2+が供給されると，溶媒を含みにくい網目の小さなゲルが生成する
リカ粒子は近接するため，Ca2+が供給されると，溶媒を含みにくい網目の小さなゲルが生成するとと考えられる。一方で，CSの濃度が50～10％の分散安定性が良好なシリカ粒子は離れているた考えられる。一方で，CS の濃度が 50～10％の分散安定性が良好なシリカ粒子は離れているため，
め，Ca2+が供給されると，網目の大きい不完全な三次元網目構造を形成し，水を多く含むゲルがCa2+が供給されると，網目の大きい不完全な三次元網目構造を形成し，水を多く含むゲルが生成さ生成されると考えられる。
れると考えられる。
以下に，ここで考察したゲルの生成条件について，粒子径を測定することによって検証を行う。
以下に，ここで考察したゲルの生成条件について，粒子径を測定することによって検証を行う。
3.3 粒子径分布
3.3 粒子径分布（1）CSの粒子径分布(1) CS の粒子径分布
図12にCSの各濃度における粒子径分布を示す。CSの粒子径は濃度による違いはみられず，10
図 12 に CS の各濃度における粒子径分布を示す。CS の粒子径は濃度による違いはみられず，10～20 nmの粒子が分布していることがわかった。
～20 nm の粒子が分布していることがわかった。

図12.
各濃度におけるCSの粒子径分布
図 12.
各濃度における
CS の粒子径分布（2）生成したゲルの粒子径分布(2)3.2においてゼータ電位により4つに区分したCSの濃度区分ごとに生成されるゲルの粒子径につ生成したゲルの粒子径分布
3.2 においてゼータ電位により 4 つに区分した CS の濃度区分ごとに生成されるゲルの粒子径にいて検証を行う。図13にCHCS100～60，図14にCHCS50，40，図15にCHCS30～10の粒子径分ついて検証を行う。図 13 に CHCS100～60，図 14 に CHCS50，40，図 15 に CHCS30～10 の粒子径
布をそれぞれ示す。
分布をそれぞれ示す。
図13において，CHCS100～90の粒子径は10～20nmであることから，CSのピークと類似してい図 13 において，CHCS100～90 の粒子径は 10～20 nm であることから，CS のピークと類似してる。この要因は，測定するとき未反応のCSを検出したからであると考えられる。CHCS80～60のいる。この要因は，測定するとき未反応の CS を検出したからであると考えられる。CHCS80～60
粒子径は15～25nmであり，CHCS100～90の粒子径よりわずかに大きくなった。この粒子径の増の粒子径は 15～25 nm であり，CHCS100～90 の粒子径よりわずかに大きくなった。この粒子径の加は，CS中のシリカ粒子が密に凝集したことで，溶媒を含みにくいゲルを生成したからであると増加は，CS 中のシリカ粒子が密に凝集したことで，溶媒を含みにくいゲルを生成したからである
考えられる。

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図13. ゲルの粒子径分布（CS濃度100～60%）

図14.
ゲルの粒子径分布（CS濃度50～40%）
図 14.
ゲルの粒子径分布（CS
濃度 50～40%）

図15. ゲルの粒子径分布（CS濃度30～10%）

図 15. ゲルの粒子径分布（CS 濃度 30～10%）

図16. レーザー回折法により計測されたCHCS20の粒子径分布
図 16. レーザー回折法により計測された
CHCS20 の粒子径分布

図14において，CHCS50の粒子径は30～7000nm，CHCS40の粒子径は1000～7000nm，のようと考えられる。
に検出された粒子径の範囲が大きくなり，複数のピークがみられるようになった。このことから，
図 14 において，CHCS50 の粒子径は 30～7000 nm，CHCS40 の粒子径は 1000～7000 nm，のようCSの濃度が50～40％付近に三次元網目構造に多くの溶媒が取り込まれ始めるしきい値があると考に検出された粒子径の範囲が大きくなり，複数のピークがみられるようになった。このことから，えられる。
CS の濃度が 50～40％付近に三次元網目構造に多くの溶媒が取り込まれ始めるしきい値があると考図15において，粒子径のピークは1000nm以上のピークを示していることから，CSの粒子径とえられる。
比べると100倍以上に増加していることがわかる。シリカ粒子の数が減少しているのに対して，
図 15 において，粒子径のピークは 1000 nm 以上のピークを示していることから，CS の粒子径とCHCS30～10の粒子径は大きくなっている。このことから，架橋されたシリカ粒子を網目として，比べると 100 倍以上に増加していることがわかる。シリカ粒子の数が減少しているのに対して，多くの溶媒を取り込んだゲルとなっている可能性がある。ただし，ゼータサイザーによる粒子径の7－ 87 －

計測範囲の最大値は10000nmであるため，正確に粒子径を計測できたのはCHCS30のみであり，
CHCS20，10は粒子径が1000nmを超えている可能性がある。
そのため，図16にレーザー回折法により計測したCHCS20の粒子径分布を示す。CHCS20の粒
子径は4000～10000nmの1つのピークで表されることがわかった。
CSの濃度と，CHCS70とCSCH30の粒子径の関係について考察する。分散性が不安定な凝集しやすい濃度70％のCSとCa(OH) 2 が混合するとき，粒子径がわずかに大きくなったことから，網目構造が絡み合った溶媒を含みにくい密に凝集したゲルが生成される。この密に凝集したゲルは膨潤性が低いと考えられる。一方で，分散安定性が良好な濃度30％のCSとCa(OH) 2 が混合するとき，粒子径が100倍以上大きくなることから，溶媒を含みやすい網目の大きい不完全なゲルが生成される。この不完全なゲルは膨潤性が高いと考えられる。
セメント硬化体の毛細管空隙は数nm～10µmであると報告されている 11）ことから，生成されたゲルはいずれも空隙を閉塞するには十分な大きさであり，このゲルが空隙内に生成されることで，吸水抵抗性が向上した 4）と考えられる。
まとめ
本研究では，セメント硬化体の空隙内において液体のCa(OH)2 とCSの混合によってゲルが生成する仮説を検証するために，試験管内においてCa(OH)2 とCSを混合させた。また，このとき生成したゲルの物性について，動的光散乱によりゼータ電位と粒子径を測定し，ゲルの生成メカニズムを明らかにすることを目的とした。以下に，本研究で得られた知見を示す。
1）Ca(OH)2 とCSを液相中で混合させることで，ゲルの生成を確認することができた。混合直後に生成されるゲルはミクロなゲルで，このミクロなゲルが互いに架橋されていくことで，ゲルはより大きなものへと成長していくと考えられる。
2）CSは濃度によって異なる分散安定性を示すことがわかった。CSの濃度が100～60％の場合，ゼータ電位の絶対値が小さいことから，分散性は不安定となり，凝集しやすい状態となる。一方，CSの濃度が50～10％の場合，ゼータ電位の絶対値が大きいことから，分散安定性は良好となり，凝集しにくい状態となる。
3）CSの濃度による分散安定性の違いが要因となり，Ca(OH)2 と混合したときに生成されるゲルには以下のような違いがみられた。CSの濃度が100～60％の場合，粒子径は10～25nmとなった。
このときゲルの三次元網目構造に絡み合い，網目の小さな膨潤しにくいゲルとなったと考えられる。一方，CSの濃度が30～10％の場合，粒子径は1000nm以上となった。このときシリカ粒
子同士が離れている不完全な三次元網目構造を形成し，網目が大きいため，より多くの溶媒を取り込むことができる膨潤しやすいゲルとなったと考えられる。
4）CSの濃度50～40％の間におけるCa(OH)2 との混合において，粒子径のピークが複数みられたことから，CSの濃度50～40％の間に網目の小さなゲルを生成する濃度と，網目の大きなゲルを生成する濃度のしきい値がある。
5）生成されたゲルの粒子径は10nm～100µmであり，セメント硬化体内の数nm～10µmの毛細管空隙を閉塞するのに十分な大きさであることから，既往の研究において，吸水抵抗性を向上させた裏付けとなる。

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参考文献
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11）後藤孝治：セメントコンクリートの反応モデル解析の研究について，日本コンクリート工学会，Vol.35，No.2，pp.3-8，1997－ 89 －