一般社団法人コンクリートメンテナンス協会(JCMA)「コンクリート構造物の補修・補強に関するフォーラム2023」

ジオポリマーを含むアルカリ活性材料(AAMs)の研究開発の現状

2023年8月31日
大分工業高等専門学校
一宮 一夫
1

本日の講演内容

導入

1. 「セメントはどうするつもりか」
2. ジオポリマーは，FAから溶出する金属元素と水ガラスが反応した硬化体
3. ジオポリマーの基礎知識は「2021講演動画」でご覧いただけます4. 「土木のイシュー31」に選ばれました（取り組むべき根本的な課題）
5. AAMsは多機能
6. わが国初のGP研究委員会は，2014年にJCI九州に設けられた
7. 土木学会のGP研究委員会報告書は「自由に閲覧」できる！

材料配合
養生

8. アルカリ溶液の基本は「水ガラス（ケイ酸ナトリウム）」
9. 反応生成物は「ナッシュ」と「キャッシュ」
10.「溶けやすければよい」というわけではない
11.GPの特徴・性質＝「活性フィラーの特性」×「養生温度」×「アルカリ溶液の配合」

実績
展開

12.施工事例
13.課題と達成度
14.今後の展開

2

「セメントはどうするつもりか」
第３章

気候について論じるときの五つの問い
１ 五二〇億トンのうちのどれだけなのか

２ セメントはどうするつもりか
３ どれだけの電力なのか４ どれだけの空間が必要か
５ 費用はいくらかかるのか

セメント製造にともない発生するCO2は総排出量の約８％（1トンのセメント製造で約800kgのCO2が排出）作戦１：原料の石灰石から分離したCO2をコンクリート製造時に再び固定（ CO2吸収コンクリート：カーボンニュートラル／ネガティブ）作戦２：セメントを使用しないコンクリート（ジオポリマー（GP），アルカリ活性材料（AAM））

3

ジオポリマーは，FAから溶出する金属元素と水ガラスが反応した硬化体
炭素量区分

バインダー

材料

硬化メカニズム

生成物

高炭素

セメント
コンクリート

セメント

C＋W

水和反応

C-S-H
水酸化カルシウム

CO2吸収型
コンクリート

セメント

C＋W

水和反応

C-S-H
CH

GP（ｼﾞｵﾎﾟﾘﾏｰ）

FA＋アルカリ溶液

縮重合反応

N-A-S-H

FA-BS併用系
AAMs
GP(アルカリ活性材料)FA＋BS＋アルカリ溶液

縮重合反応
水和反応

N-A-S-H
C-A-S-H

BS＋アルカリ溶液

水和反応

C-A-S-H

低炭素

AAM• FA : フライアッシュ• BS : 高炉スラグ微粉末• アルカリ溶液 ： 水ガラス＋苛性ソーダ＋水4

ジオポリマーの基礎知識は「2021講演動画」でご覧いただけます5

「土木のイシュー31」に選ばれました（取り組むべき根本的な課題）

6

「土木のイシュー31」に選ばれました（取り組むべき根本的な課題）

かざんさいせいぶつ

7

AAMsは多機能機能

炭素量区分

バインダー

材料

使用
実績

高炭素

セメント
コンクリート

セメント

C＋W

◎○

CO2吸収型
コンクリート

セメント

C＋W

△

○

○

GP

FA＋アルカリ溶液

○

○

○

○

○

FA-BS
併用系GP

FA＋BS＋アルカリ溶液

○

○

○

○

○

AAM

BS＋アルカリ溶液○○△

低炭素AAMs

構造
低炭素 耐酸性
安全性耐高温性

有害物質固定△△△8

AAMsは多機能：SWOT分析
プラス
強み（Strengths)

内部要因

•低炭素
•産業副産物の大量使用
•耐酸性
•耐高温性
•耐ASR性•調湿性•有害物質の固定•低温でのセラミックス製造•高い粘性（→3Dプリント）

機会（Opportunities）
外部要因•カーボンニュートラル（現在は「脅威」）•エネルギーミックスの必要性•電力自由化•福島原発事故（放射性物質固定）•インフラ長寿命化（耐酸性，耐ASR性）•省資源（石灰石採取制限？）•世界的な研究開発の機運の高まり•ＧP用化学混和剤の登場？

マイナス
弱み（Weaknesses）•施工実績の不足•材料コスト高•高アルカリ材料の使用•材料品質のばらつき•性能評価方法がない•材料・構造設計法がない•溶出の可能性•反応メカニズムの詳細が不明•高い粘性（低作業性）

脅威（Threats）•石炭火力発電の縮小（FAの減産）•高炉水素還元技術（BSの減産？）•既存技術からの脱却に対する社会の反応

高炉水素還元技術
https://www.enecho.meti.go.jp/about/special/johot
eikyo/course50.html※「強み」の一部はジオポリマーの特徴が発揮できる配合の場合に限る

9

わが国初のGP研究委員会は，2014年にJCI九州に設けられた

国内外のジオポリマー研究委員会
2000

1940
AAM
（ｳｸﾗｲﾅ）

1980
GP
（仏）

2020

2010

27年

AAM

CAM

DTA

RILEM

MPA
34年
JCI九州
JCI

土木学会361
土木学会233

委員長 一宮（重点研究課題）

土木学会CN
ダビドビッツ氏’20 CN宣言（FA減産）’12 笹子トンネル事故（高耐久ｺﾝｸﾘｰﾄのニーズ増加）

2016，フランスのご自宅を訪問’11 原発事故（FA増産，放射性物質固定）10土木学会のGP研究委員会報告書は「自由に閲覧」できる！

国内外のジオポリマー研究委員会

2021年度 重点研究課題
新しいアルカリ活性材料を用いた低炭素社会におけるインフラ構築に関する研究 報告書
🔎🔎 土木学会 重点研究課題

土木分野におけるジオポリマー技術の実用化推進のための研究小委員会（361委員会）成果報告書
🔎🔎 土木学会 コンクリート委員会 ジオポリマー

11アルカリ溶液の基本は「水ガラス（ケイ酸ナトリウム）」

＋分類
１２＋→

水ｶﾞﾗｽ

苛性ｿｰﾀﾞ

水アルカリ溶液

・主材料
・接着剤や耐火塗料
・高粘性・反応促進・強アルカリ（劇物指定）

・作業性付与・粘性の低下・危険度の低下

名称

材料

Na系

水ガラス（ケイ酸Na），苛性ソーダ（水酸化Na），水K系

ケイ酸カリウム，水酸化カリウム，水一般法

水ガラス，苛性ソーダ，水溶解法

シリカフューム（SF），苛性ソーダ，水苛性ソーダを使３用しない方法• 炭酸ナトリウムを用いる方法• オルトケイ酸ナトリウムを用いる方法
• その他

備考

SF と 苛 性 ソ ー ダ か ら
水ガラス成分を生成
今後の発展に期待
12

反応生成物は「ナッシュ」と「キャッシュ」
フライアッシュ → N-A-S-H
N-A-S-H

NaOH
Na2O･nSiO2高炉スラグ微粉末 → C-A-S-H
NaOH

Na

SiO2

Na2O･nSiO2Al2O

SiO23NaCaO

FA-BS併用系GPFA
BS

C-A-S-H
Al2O

N-A-S-H
C-A-S-H3結晶質結晶質

山本武志氏
新大軌先生

OPC(C3S)
C3S（ｾﾒﾝﾄ粒子）
空隙

Na
Si
Al

CH
C-S-H

Ca
O
H
Reactive molecular dynamics simulation of the mechanical behavior of sodium aluminosilicate geopolymer and calcium silicate hydrate composites,
Mohammad Rafat Sadata, Krishna Muralidharanb, Lianyang Zhanga, Computational Materials Science, Volume 150, July 2018, Pages 500-509

魚本健人先生https://www.pwri.go.jp/jpn/results/sapporo/pdf/s9.pdf

13

「溶けやすければよい」というわけではない
主剤

アルカリ溶液
水ガラス
苛性ソーダ
水＋硬化剤

活性フィラー
フライアッシュ(FA)
高炉ｽﾗｸﾞ微粉末(BS)（活性フィラーの）溶けやすさ＝ f (化学組成，ガラス化率，比表面積，その他)
FAはMKによく似た化学組成（GPに有利）
MKAl

FASi

AlBS
Si

Ａｌ Si
Ca
Al Al

ガラス化率は，原料品質や燃焼条件で変動する
FA の セ メ ン ト 溶 液 に 対する溶けやすさは，API法（山本ほか）が有効。
しかし，AAMsへの適用性は？？？

結晶質

結晶質

BSは非晶質が多く，FAよりも溶けやすい
BSの方がガラス化率が高い（非晶質量が大きい）※ 結晶質は溶け難い

FA
結晶質

BSＡｌAl「溶けやすければよい」というわけではない

結晶質

結晶質

溶出が速すぎると粒子表層にバリアを形成し，その後の反応（溶出）を阻害14

GPの特徴・性質＝「活性フィラーの特性」×「養生温度」×「アルカリ溶液の配合」

GPの特徴・性質＝活性フィラーの特性×養生温度×アルカリ溶液の配合→ 要求性能に応じて様々な材料設計が可能
活性フィラーの特性

養生温度

アルカリ溶液の配合

鉄道総研 上原 元樹 氏
副産物の積極利用によるカーボンニュートラルへの取組み ー低炭素材料としてのジオポリマーの普及・活用ー
一宮 一夫, 池田 攻, 上原 元樹，コンクリート工学/59 巻 (2021) 9 号

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施工事例
https://www.obayashi.co.jp/news/detail/news20210330_1.html• 「耐高温性」「2時間以上の可使時間」「現場でのポンプ圧送」を実現• 製鉄所構内の高温環境の擁壁（RC構造）補修工事に適用• 新開発の特殊混和剤を使用• 施工に適した流動性を保ちつつ，常温養生でも強度の確保が可能• 一般的なコンクリートと同様の施工方法で大断面かつ狭あいな擁壁補修での打ち込みに成功
16

施工事例
空港エプロン（オーストラリア）
ブリスベンに2013年に建設されたウエスト・ウェルキャンプ空港

https://www.wagner.com.au/main/our-projects/efc-geopolymer-pavements-in-wellcamp-airport/］

実プラントを使用したマンホール製造

電中研 菊地道生 氏

まくらぎ

鉄道総研 上原元樹 氏 17

施工事例：別府温泉はジオポリマーにとっても「地獄」

地盤の影響による劣化

別府明礬橋

１期工事
2015.3，約25m
４期工事
2022.7３期工事
2018.2
長さ変化，内部状態の確認

１期
2015

劣化発生 →応急処置として現場で刷毛でシラン系含浸剤を塗布

２期
2016

含浸剤を出荷前に全面にスプレーガンで塗布

切断

180mm

切断
切断

①３期
2018

塗布なし

塗布あり

②250mm200mm

温泉噴気による劣化

200mm

１期 2015• ２期と同じ方法で製作し，カッターで分割• 上面と側面に，長さ変化測定用チップを貼付
２期工事
2016.12，78m

４期2022

ショットブラストで表面のペースト層を除去
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課題と達成度 現場打ちに使うために常温固化させたい 硬化（可使）時間を長くしたい 専用の化学混和剤が欲しい 配合理論や構造設計法を完成させたい 材料コストを下げたい 長期強度や耐久性を担保したい FAやBSに代わる粉体材料を見つけたい19

今後の展開：現行の示方書を適用できない例
乾燥しやすく，通常環境下の九州地方で，海岸から距離1.0kmに位置する重要構造物の，設計耐用年数100年での塩化物イオンの侵入にともなう鉄筋腐食に対する照査① 鉄筋位置における塩化物イオン濃度の設計値(Cd)log10 Dk = 3.0(W / C ) − 1.8 = −0.45
10−0.45 = 0.355cm 2 / year
∴ Dk =
Dd = γ c ⋅ Dk + λ ⋅ ( w l ) ⋅ D0
 0.1cd  
3Cd =γ cl ⋅ C0 1 − erf   + Ci = 0.858kg / m
 2 D ⋅t d ② 鉄筋腐食発生限界濃度(Clim)
Clim =−3.0 (W / C ) + 3.4 = 2.05kg / m3

③ 塩化物イオンの浸入に伴う鉄筋腐食に関する照査
γi ⋅Cd0.858=1.0 ×=0.419 < 1.02.05Clim

よって，塩化物イオンの浸入による鉄筋腐食に対して安全である。

20

今後の展開：性能規定型設計法

内部要因

プラスマイナス

強み

弱み（Strengths)（Weaknesses）• 強みを強化• 弱みを克服• 高度化と尖鋭化↓• 使用目的や材料を限定したうえで規準類を作成し，実績を増やす• 「性能規定型設計法」の適用

外部要因

既存の設計基準類の適用が出来なかった状況下で「性能照査」の考え方で建設された構造物の例
機会（Opportunities）

脅威（Threats）

島地川ダム（しまじがわダム）
山口県、1978着工
世界初の本体施工にRCD工法を本格採用
羽田空港D滑走路
世界初の人工島と桟橋のハイブリッド
滑走路
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今後の展開：石炭火力発電縮小への対応

木質バイオマス燃焼灰
Woody Biomass Ash

非溶結凝灰岩TUFF石灰岩

石炭ガス化スラグ微粉末
Coal Gasification Slag

パーム椰子殻ボイラー

非溶結凝灰岩蒸 気 発電機タービン

送電

国産木質チップ
https://oita-bio.com/what/
産総研「みんなの地質図」（非溶結）凝灰岩と溶結凝灰岩
https://www.gsj.jp/Muse/story/src/story_028.pdf

https://www.meti.go.jp/press/2020/10/20201020001/2020102000
1-2.pdf

22

今後の展開：石炭火力発電縮小への対応
フライアッシュ：FA
Ca 1.8Ca 3

9.8

AlAl 23.5
64.98.969.8Si

石炭ガス化発電スラグ：CGS
25.944.3

Al

木質ﾊﾞｲｵﾏｽ焼却灰：WBA15.5

Si32.6

14.2

11.7

Si

高炉スラグ微粉末：BSCa

非溶結凝灰岩：TU

Ca

34.1

Si18.3

Ca 19.6

51.7

Si10.4

Al

18.2
21.8

Al23今後の展開•

セメントと比べてジオポリマーの優れているところはどこですか？
→ 「環境材料（省資源，副産物の有効利用，低炭素）」 環境対策は十分か？？

•〇〇さんの話では，ジオポリマーは世界中で研究されているが，実用化は難しいと聞きました → 古い知識で判断（流言），技術は急速に進歩，日本がけん引する！！
サイエンスＺＥＲＯ “ＣｈａｔＧＰＴ”徹底解剖！ＡＩと歩む未来を探る

配布資料では画像は非表示にしています

2023年6月11日放送

司会者： ChatGPTのような技術が日本からも出てきてほしいなと思うんですが
松尾豊教授：そうですね。日本からも出したいですね。一つのポイントはChatGPTには巨大資本が入っているんですね。
だから研究室に閉じこもって研究するだけではもはや太刀打ちできない時代に，もう何十年も前からはいっている。だからアカデミアと社会全体をいかにつないでいくかが大切と思っています。
24

今後の展開
150年
1796
セメント
英国で特許

1875

1908

東京駅
セメント
国内生産 建設開始
開始 （レンガ造）

1964

東京オリンピック

1914竣工，2012復原

2021

東京オリンピック

2025 大阪万博

下水汚泥

火山堆積物

当時（セメント国内生産開始からすでに33年経過），長期性能が不明であったコンクリートの導入は見送られた → 今のGPも同じような状況？？？
辰野金吾，NHK「独占公開！東京駅復活大作戦」

25

ご清聴ありがとうございました