1

ウォームプレスを用いた高密度

ジオポリマーの短時間作製

名古屋工業大学 工学部 環境材料工学科

准教授 橋本 忍

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ジオポリマーって？

・欧州やオーストラリアで研究が盛んで、アルカリ

活性セメント、アルカリ刺激セメントともよばれる。

・フランスのDavidovits博士が命名し、エジプトの

ピラミッドの巨石が、ジオポリマーによってできて

いる可能性を示唆。

・石炭火力発電所から排出されるフライアッシュを

原料とすることができ、CO2の排出量を８０%以上

も削減できる。

http://www.wallpaperlink.com/bin/0707/03586.html

3

アルミノシリケート （メタカオリン、フライアッシュ）

アルカリ溶液 (NaOH, KOH)

水ガラス(Na2O・nSiO2)

ジオポリマー

②養生

①スラリー

③固化体

Si

OH

OH

OH ＋ Al(OH)3 ＋

－H2O

Na+

OH Si

OH

OH

OH OH

ジオポリマーの作り方

J.Davidovits, J. Thermal. Analysis, 37,1633-1656(1991)

アルミナとシリカをベースとし、 アルカリの共存下で固まった Caを含まないセメント

4

ジオポリマーの特徴

• 寿命は、普通ポルトランド（一般のセメント）の場合、50~100年といわれるが、ジオポリマーは1万年ともいわれる（堆積岩の風化現象を根拠）。

• 一般のセメントより耐熱性に優れる。

• 産業廃棄物であるフライアッシュや粘土鉱物など安価な天然資源を利用できる。

• 耐酸・アルカリ性に優れ、機械的強度は、 一般のセメントと同等かそれ以上。

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0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 200 400 600 800 1000 1200 1400

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

/ M

Pa

Heating temperature / ℃

potassium geopolymer

sodium geopolymer

cement

ジオポリマーの耐火材料としての魅力

橋本 忍, 鎌田隼人, 山崎裕司, 武田はやみ, “ジオポリマーの耐火材料への適用,” 耐火物, 64 [9], 446-451(2012).

6

従来技術とその問題点

• 一般のセメントと同じ、原料スラリーの型枠流し込み養生法で作製。

• 室温では１週間以上の硬化時間を要する。

• 反応初期は高湿度に保つ必要あり（割れ防止）。

• 硬化後の体積収縮の割合が、一般のセメントのそれよりも大きい。

7

従来技術とその問題点（その２）

ジオポリマーは日本では実用化されていない。

オーストラリアでは

公共の建物が初め

てジオポリマーコン

クリートで建設中。

http://www.geopolymer.org/news/worlds-first-public-building-with-structural-geopolymer-concrete

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Compressive strength XRD

FT-IR

SEM

新技術 ウォームプレス法による緻密ジオポリマーの

短時間合成

Geopolymer

Fly ash Na-silicate solution 10N NaOH solution

Uniaxial

pressing

during heating

(Warm press)

Hardening

geopolymer

Compressive strength XRD

FT-IR

SEM

Crush

Mixing

Curing

従来技術

新技術

長時間

短時間・緻密体

9

Si

OH

OH

OH ＋ Al(OH)3 ＋

－H2O

Na+

OH Si

OH

OH

OH OH

何が起こっている？

H

H

H H

H H

通常養生中のジオポリマーの生成

10

Al3+

Al3+

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H

H2O

H2O

H2O Al3+

H H H

Al3+

H H H

n

Si

Si Na+

Na+

Na+

Na+

Formation of new bond

Unit of geopolymer

ジオポリマー間の強制再結合

何が起こっている？（その2） ウォームプレス中

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0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

/ M

Pa

Temperature / ℃

≈

0

20

40

60

80

100

120

140

0 20 40 60 80 100 120 140 160

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

/ M

Pa

Temperature / ℃

Conventional

curing

ウォームプレス法により作製した試料の圧縮強度

12

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5

Co

mp

ress

ive

stre

ngt

h /

MP

a

Porosity:p

≈

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

mp

ress

ive

stre

ngt

h /

MP

a

Porosity:P

Warm pressing

Conventional curing

0

20

40

60

80

100

120

140

160

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5

Co

mp

ress

ive

stre

ngt

h /

MP

a

Porosity:p

Warm pressing

Conventional curing

y = 1562.9x8.0084

R² = 0.8113

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

/ M

Pa

1-P

Balshin

warm pressing

conventional curing

指数 (warm pressing)

累乗 (warm pressing)

y = 1562.9x8.0084

R² = 0.8113

0.00

20.00

40.00

60.00

80.00

100.00

120.00

140.00

160.00

0.00 0.10 0.20 0.30 0.40 0.50 0.60 0.70 0.80

Co

mp

ress

ive

str

en

gth

/ M

Pa

1-p

Balshin

warm pressing

conventional curing

指数 (warm pressing)

累乗 (warm pressing)

≈

σc=1560(1-P)8

(R=0.90)

Balshin

Porosity: P

1560(1-P)R

ウォームプレスによる理想圧縮強度値は1560MPa

試料の気孔率と圧縮強度の関係

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出典：茨城県環境放射線監視センター

ジオポリマーの中性子線遮蔽能についての検討

ジオポリマーの放射線遮蔽能

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0

10

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30

40

50

60

70

80

90

100

0 2 4 6 8 10 12

全中性子透過率

試験片厚さ（ｍｍ）

古コンクリート

一般のセメントに匹敵する中性子線遮蔽能を有する

セメントペースト

通常養生ジオポリマー

WPジオポリマー低圧

WPジオポリマー高圧

種々の試料の厚さに対する全中性子線透過率

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新技術の特徴・従来技術との比較

• 従来技術の問題点であった、施工までの時間を大幅に改良することに成功した。

• 従来は、硬化時間が、室温では一般のセメントよりも長く掛かる点で使用されてこなかったが、原料から数時間以内で硬化を達成できるため、工業製品化がみえてきた。

• 本技術の適用により、製造エネルギーおよび製造時間が短縮できるため、製造コストが1/3

～1/5程度まで削減されることが期待される。

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想定される用途

• 本技術の特徴を、これまでの窯業製品に適用することで、無焼成タイルなどの建築材料の作製が可能であると考えられる。

• 上記以外に、フェライトやゼオライトを本焼成固化体に担持させることで、電磁波遮蔽材や臭気ガスの吸着効果が期待される。

• また、達成された緻密化に着目すると、放射線遮蔽能が注目され、放射性廃棄物の封址材に展開することも可能と思われる。

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実用化に向けた課題

• 現在、５cm角の試料作製が可能なところまでは開発済み。しかし、大型化が未解決である。

• 今後、大型化についての実験データを蓄積したい。大型化する場合に、特殊離型剤などの要素開発も必要になると思われる。

• 実用化（大型化）に向けて、硬化時間、加圧力、加熱温度において、最少エネルギーで達成する条件の確立の必要もあり。

• 放射性廃棄物の封し材として検討する場合、ガンマ線に対する評価が必要。

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企業への期待

• 未解決の離型剤については、油脂化学工業系の技術により克服できると考えている。

• 木材プレス加工機など、加熱加圧を同時に行うことのできる装置を持つ、企業との共同研究を希望。

• また、電磁波（放射能）遮蔽材（封し材）を開発中の企業、無機物の不焼成固化体の作製への展開を考えている企業には、本技術の導入が有効と思われる。

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本技術に関する知的財産権

• 発明の名称 ：放射能遮蔽材料およびそれ

を用いた放射能遮蔽版の

製造方法

• 出願番号 ：特願2013-220691

• 出願人 ：名古屋工業大学

• 発明者 ：橋本 忍、武田はやみ、松井浩夢

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産学連携の経歴

• 2008年 ＪＳＴ 「シーズ発掘試験」 A(発掘型)

に採択（アスベスト建築廃棄物低温

無害化処理装置の開発）

• 2011年 ＪＳＴ 「知財活用促進ハイウェイ」

試験研究費に採択（高性能アルミナ

断熱多孔体の製造）

• 20012年-2013年 ＪＳＴ A-step 検索タイプに採択

(中性子線遮蔽能に優れる高密度

ジオポリマー材料の開発研究)

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お問い合わせ先

名古屋工業大学

産学官連携コーディネーター 沖原 理沙

ＴＥＬ ０５２－７３５－５６２７

ＦＡＸ ０５２－７３５－５５４２

e-mail c-socc＠adm.nitech.ac.jp