近未来コンクリート研究会協議会

セメントを使⽤しない低炭素型コンクリート開発の現状（ジオポリマーを含むアルカリ活性材料を中⼼に）2024年1⽉16⽇
⼤分⼯業⾼等専⾨学校
⼀宮 ⼀夫
1

本⽇の講演内容

1. 研究開発のモチベーション
2. 基礎情報（硬化メカニズム，材料，配合，養⽣など）
3. 施⼯事例
4. 課題と達成度
5. GGBSベースのAAMの基本物性（2023 JCI九州での発表から）
6. 今後の展開

2

1

「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

AAMs
FA-BS併⽤系(アルカリ活性材料)
GP

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42

AAMsは多機能

炭素量区分

バインダー

材料

機能使⽤ 構造
耐⾼ 有害物
低炭素 耐酸性実績 安全性
温性 質固定⾼炭素

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

△
△

△

5AAMs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）•インフラ⻑寿命化（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

63

わが国初のGP研究委員会活動開始から 「まだ10年／もう10年」
2000
1940
AAM
（ｳｸﾗｲﾅ）

27年

AAM

1980
GP
（仏）

2020

2010

CAM

DTA

RILEM

MPA
34年

2014

JCI九州

1932-34
ホロド/モール
飢饉/抹殺

JCI

⼟⽊学会361
⼟⽊学会233

委員⻑ ⼀宮（重点研究課題）

⼟⽊学会CN
ﾀﾞﾋﾞﾄﾞﾋﾞｯﾂ
ｼｲ

2016，フランスのご⾃宅を訪問

ﾊﾟﾛﾓﾜﾝﾌﾟﾛﾋﾞｽ2017，ゴールドコーストの国際会議後の懇親会

三重⼤学名誉教授
畑中重光先⽣ʼ20 CN宣⾔（FA減産）

ʼ12 笹⼦トンネル事故（⾼耐久ｺﾝｸﾘｰﾄのニーズ増加）
ʼ11 原発事故（FA増産，放射性物質固定）

7

⼟⽊学会GP研究委員会のフィロソフィー

84⼟⽊学会GP研究委員会のフィロソフィー

9

アルカリ溶液︓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105

活性フィラー︓ガラスの量とガラスの質
硬化剤

主剤
アルカリ溶液⽔ガラス，苛性ソーダ，⽔活性フィラー
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）
FA

MK

AlSiAlBSＡｌ SiCaAlSi

Al

BSは⾮晶質が多く，FAよりも溶けやすい
FA

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

BSＡｌ
Al

結晶質

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。
AAMsへの適⽤性は︖︖︖

結晶質

結晶質

「溶けやすければよい」というわけではない
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

結晶質

GPを生成するためのフィラー材料は，Si, Alを主成分とした非晶質である必要があり，粉体中の結晶相は反応には寄与しないと考えられる。
その意味で，活性フィラー中の非晶質量(ガラス化率)を把握しておくことが重要である。近年では，粉末X線回折(XRD)/リートベルト法等により，試料中のガラス化率を測定することが比較的簡便に行うことができる。一般に，BSはほぼ全量が非晶質であるのに対し，国内のFAのガラス化率は60-80 %程度であり，FAのガラス化率は，原料である石炭の品質や燃焼条件で変動することが指摘されている。

ガラス化率
はXRDで評価

また，「ガラスの量」であるガラス化率のみならず，「ガラスの質」ともいうべき非晶質中のCaやSi，Alなどの量の相違による反応のしやすさの程度の差を把握することも重要である。これは，ガラス相の化学組成から塩基度を算定して評価したり，FAのポゾラン反応性を評価する手法として提案されているAPI法のGPの活性フィラーの評価への適用性についての検討など，今後の研究が期待されている。

強度で総合評価「サプリメント」による調整？
（フィラーの混合使用もその一例）。

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取組み︓⼀宮⼀夫, ⼭本武志, 佐川孝広,
藤⼭知加⼦, 佐川康貴，コンクリート⼯学/61 巻 (2023) 10号

11

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

⾼炉スラグ微粉末 → C-A-S-H

N-A-S-H

NaOH

Na2O･nSiO2Na

Na2O･nSiO2
SiO2

FA-BS併⽤系GP

NaOH
NaFA
BS

C-A-S-H

CaO

Al2O3

結晶質

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

Al2O3

SiO2

結晶質

⼭本武志⽒
新⼤軌先⽣

OPC(C3S)
C3S（ｾﾒﾝﾄ粒⼦）
空隙NaSi

CH
C-S-H

AlCaO
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

126

AAMsの反応⽣成物（「ナッシュ」と「キャッシュ」）

引用：https://www.youtube.com/watch?v=_BX8E0IEkVI

•
••
•
••

アルカリ加⽔分解（⽔を使う）により、固体のアルミノシリケート源を分解すると、アルミン酸塩とケイ酸塩が⽣成する。
シリケート、アルミン酸塩、アルミノシリケートの複雑な混合物が形成される。
⾮晶質アルミノケイ酸塩の分解は⾼pHで急速に進み、過飽和のアルミノケイ酸塩の魂が形成される。
濃厚な溶液では、⽔相のオリゴマーが縮合して⼤きなネットワークを形成するため、ゲルが形成される。
ゲル化後、ゲルネットワークの接続性が⾼まるにつれて、システムは再連続し、再編成され続ける。
その結果、ジオポリマーによく⾒られる3次元のアルミノシリケートネットワークが形成される。

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

147

AAMsの基礎知識は講演動画などで閲覧可能① コンクリートメンテナンス協会

2023

2021

② 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③ 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
15

施⼯事例１
https://www.obayashi.co.jp/news/detail/news20210330_1.html

••
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•
•

2021年
「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
168

施⼯事例２，３，４
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

まくらぎ

鉄道総研 上原元樹 ⽒ 17

電中研 菊地道⽣ ⽒

施⼯事例５︓別府温泉はGPにとっても「地獄」
温泉噴気による劣化

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
⻑さ変化，内部状態の確認「地獄めぐり」は別府観光の⽬⽟

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

①
３期
2018

塗布なし

塗布あり

②
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，⻑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
189

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）時間を⻑くしたい 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 ⻑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
192023 JCI九州

⾼炉スラグ微粉末ベースのアルカリ活性材料の基本物性
本研究では今後の⽯炭⽕⼒発電の縮⼩を⾒据え，BS(GGBS)とアルカリシリカ溶液との硬化体を対象とし，強度，⻑さ変化，⾼温抵抗性，⽩華，乾湿繰返しの影響，中性化，凍結融解抵抗性に関する基本的知⾒を収集し，その有効性を⽰した。
FA-BS併⽤系GP

AAM(BS100)

FA

BS
FA-BS併⽤系GP

AAM

BS置換率(％)

0％〜30％

100％

アルカリ溶液濃度(A/W)

0.095〜0.187（0.126）

0.055

⽣成物

N-A-S-H，C-A-S-H

C-A-S-H10

2023 JCI九州︓強度 〇，⻑さ変化 ✕ ︖（OPCとの⽐較）
10504030
AAM（封緘養生）AAM（気中養生）
OPC（標準養生）

2010007

収縮ひずみ (x10-6)142164028

AAM（封緘養生）AAM（気中養生）
OPC（標準養生）

214
材齢（日）

圧縮強度と材齢の関係（モルタル）

曲げ強度と材齢の関係（モルタル）

071500
1000

1.50
1.00

AAM（封緘養生）AAM（気中養生）

0.507142128
材齢（日）3542282.00

5000212.50

AAM（封緘養生）AAM（気中養生）
OPC（1週まで標準養生）

2000

08

材齢（日）

2500

ゲージプラグ

曲げ強度 (N/mm2)60

質量減少率(%)

圧縮強度 (N/mm2)

70

0.00
0495001000
1500
収縮ひずみ (x10-6)

2000

AAMモルタルの質量減少率と収縮ひずみの関係

収縮ひずみと材齢の関係（モルタル）

2023 JCI九州︓⾼温抵抗性 〇，中性化 ✕，凍結融解 〇AAM 7dAAM 28dGP(BS10)120min70
圧縮強度 (N/mm2)500200GP(BS30)
OPC

AAM 7dAAM 28dGP(BS10)15GP(BS30)
OPC

60
質量減少率 (%)(℃)
800

5040302010510500℃

800℃

AAMモルタルの加熱冷却後の供試体の外観

00

16週

10分後
40分後
80分後
中性化の状況（GPモルタル）

質量減少率と加熱温度の関係（モルタル）

AAM

50

内藤ら、OPC30BS70,W/C=50%6)30

300サイクル終了後の供試体表⾯（AAMコンクリート）

20120

40

1000分

100 200 300 400 500 600 700 800
加熱温度（℃）

冷却後の圧縮強度と加熱温度の関係（モルタル）

中性化深さ (mm)8週
12週
中性化の状況（AAMコンクリート）0

加熱温度（℃）

60

4週

0100 200 300 400 500 600 700 800

0246810
材齢（週）

1214

中性化深さと試験材齢の関係(コンクリート)16相対動弾性係数 (%)

200℃

100806040
200060120180
サイクル数240300112023 JCI九州︓⽩華 〇，鉄筋腐⾷性 〇 ?
0⽇

1週

2週

6週

10週

AAM
AAM

外観

割裂⾯

外観

割裂⾯割裂⾯GP(BS10)

GP(BS10)AAM

0.522kg/m3

GP(BS10)
http://www.ourstex.co.jp/jp/product/product‐
2/ourstex101fa/

3.64kg/m3 11.73kg/m3

https://www.taisei.co.jp/giken/report/2009_42/paper/A042_008.pdf

2023 JCI九州︓乾湿繰返しによる⻑さ変化 ✕︖

5-600-510 15 20 25 30 35 40
材齢(日)

0-400
05-510 15 20 25 30 35 40

ひずみ(μ)

ひずみ(μ)

0-4005-200200
ひずみ
質量変化率

05-2000-400-600

材齢(日)05-510 15 20 25 30 35 40
材齢(日)

AAM

OPC

10

質量変化率(%)

5-20015400100

質量変化率(%)

01015
ひずみ
質量変化率

200

質量変化率(%)

200-600
0

40015
ひずみ
質量変化率

ひずみ(μ)

400

GP(BS10)乾湿繰返しによるひずみならびに質量の変化（モルタル）
ゲージプラグ

CaO層
四面体層

浸漬 乾燥(3⽇) (1⽇)
1サイクル×10サイクル

中間層（Ca2+,Na+,H2O,H+,Alの置換）
四面体層
CaO層
C-A-S-Hの構造イメージ（中間層（ピンク）は吸⽔膨張ならびに乾燥収縮をする）

12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
 Dk  100.45  0.355cm 2 / year
Dd   c  Dk     w l   D0
 0.1cd  
3Cd   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i 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。
25

今後の展開︓性能規定型設計法で対応• 強みを強化• 弱みを克服• ⾼度化と尖鋭化
プラス
内部要因

強み（Strengths)

マイナス
弱み（Weaknesses）↓• 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
2613

今後の展開︓⽯炭⽕⼒発電縮⼩への対応
⾮溶結凝灰岩
TUFF

⽯炭ガス化スラグ微粉末
Coal Gasification Slag

⽊質バイオマス燃焼灰
Woody Biomass Ash⽯灰岩

パーム椰⼦殻蒸 気 発電機送電
ボイラー タービン

⾮溶結凝灰岩国産⽊質チップ100□その他■ K■ Na■ Fe■ Mg■ Ca■ Al■ Si806040200OPCFA GGBS CGSTUWBA27

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。
2914

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），
⻑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」

31

ご清聴ありがとうございました

15