ジオポリマー構造体
【課題】ジオポリマー組成物からなるジオポリマー構造体全体の耐久性を向上させる。
【解決手段】ジオポリマー構造体は、ケイ素を含有するフィラーとアルカリ活性剤とを原料とするジオポリマー組成物と、ジオポリマー組成物に接触して設けられ、鉄を含有する補強材と、を備え、ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合することにより、補強材が前記ジオポリマー組成物に固着されている。
【解決手段】ジオポリマー構造体は、ケイ素を含有するフィラーとアルカリ活性剤とを原料とするジオポリマー組成物と、ジオポリマー組成物に接触して設けられ、鉄を含有する補強材と、を備え、ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合することにより、補強材が前記ジオポリマー組成物に固着されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジオポリマー組成物に補強材を組み込んだジオポリマー構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジオポリマー組成物を形成する方法であるジオポリマー法は、二酸化炭素の排出量が少なく、原料として産業廃棄物を有効利用できることから、従来のセメント硬化体の製造に代わる技術として研究が進められている。かかるジオポリマー組成物は、フライアッシュ等のアルカリ溶液に可溶なフィラー（活性フィラー）と、これを活性化させるアルカリ源を混合し、ケイ素成分を重合硬化させることによって得られる。ケイ素成分を重合させるためにはフィラーに含まれる金属成分が必要となる。
【０００３】
例えば特許文献１には、フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料とするジオポリマー組成物について記載されており、その原料の配合比率を適宜変更することにより圧縮強度を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３９４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながらジオポリマー組成物は圧縮強度については高い値を示すものの、引張強度に関しては従来のセメント硬化体と同程度の値である。したがってジオポリマー組成物の施工態様によっては構造物全体の耐久性が不足する場合がある。
【０００６】
そこで本発明は、ジオポリマー組成物からなるジオポリマー構造体全体の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
ケイ素を含有するフィラーとアルカリ活性剤とを原料とするジオポリマー組成物と、
前記ジオポリマー組成物に接触して設けられ、鉄を含有する補強材と、を備え、
前記ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と前記補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合することにより、前記補強材が前記ジオポリマー組成物に固着されていることを特徴とするジオポリマー構造体が提供される。
【０００８】
好ましくは、上記ジオポリマー構造体において、前記補強材は短繊維状の鋼繊維材料であり、前記ジオポリマー組成物中に混入して設けられている。
【０００９】
好ましくは、上記ジオポリマー構造体において、前記補強材は鉄筋であり、前記ジオポリマー組成物内に配されている。
【００１０】
好ましくは、上記ジオポリマー構造体において、前記補強材は鉄を含有する合金からなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、鉄を含有する補強材がジオポリマー組成物に接触して設けられ、その接触箇所においてジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合していることにより、ジオポリマー構造体の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態に限定するものではない。
【００１３】
本発明によるジオポリマー構造体は、ジオポリマー組成物と、該ジオポリマー組成物に組み込まれる補強材と、を備えている。ジオポリマー組成物はフィラー、アルカリ活性剤、骨材及び混和材等を原料とし、従来のジオポリマー法と同様の方法で形成される。
【００１４】
フィラーとしては、フライアッシュ、高炉スラグ又は下水焼却汚泥等が用いられ、特に好ましくはフライアッシュが用いられる。フライアッシュは火力発電所で石炭の燃焼時に発生し、電気集塵機によって回収されるものであり、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等を主成分とする。アルカリ活性剤としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムの水溶液が用いられ、特に好ましくはケイ酸ナトリウム水溶液が用いられる。骨材としては、一般にセメント硬化体の製造に使用される骨材が用いられる。これらの原料を混合して所定温度で所定時間処理することによりジオポリマー組成物が得られる。これは、アルカリ活性剤によってフィラーが活性化され、フィラー中に含まれるケイ素成分及び金属成分が重合することによる。
【００１５】
ジオポリマー組成物の原料の配合例としては、フィラーとしてフライアッシュ３６６ｇ、アルカリ活性剤としてケイ酸ナトリウム水溶液２５６ｇ、骨材として標準砂１５５７ｇが例示される。また他の配合例としては、フライアッシュ２６１ｇ、高炉スラグ微粉末１５７ｇ、ケイ酸ナトリウム水溶液２５６ｇ、標準砂１５５７ｇが例示される。
【００１６】
なお、ジオポリマー組成物の添加剤として、上記フィラーから溶出する金属イオン以外の金属イオン（例えば、Ａｌ３＋、Ｓｉ４＋等）を含む溶液又は金属塩、錯体等の固体、金属イオン含有量の異なるフィラーを任意の配合比で加えることができる。また、この添加剤をジオポリマー組成物の硬化開始前から硬化中の間の任意のタイミングで添加することによって、ジオポリマー組成物の強度を制御することが可能である。
更に、溶解度の異なる金属塩、錯体や金属イオン含有量の異なるフィラーを用いることにより、金属イオンの溶出量を制御して、ジオポリマー組成物の硬化時間を制御することも可能である。
【００１７】
補強材は、鉄を含有する材料からなる。この補強材は何れの形状であってもよく、例えば短繊維状、球状、棒状又は立体形状等に形成されている。補強材は予めジオポリマー組成物が硬化する前にジオポリマー組成物に接触して設けられる。これによりジオポリマー組成物の硬化過程において、補強材に含有される鉄成分がジオポリマー組成物の重合反応に金属成分として組み込まれ、この鉄成分とジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分とが化学的に結合した状態で硬化する。したがってジオポリマー組成物と補強材とが強固に固着した状態となり、ジオポリマー構造体全体の耐久性が向上する。
【００１８】
なお、補強材は、純鉄製のものであってもよいし、鉄を含有する合金製のものであってもよい。
ここで、鉄を含有する合金として、例えば、フェロアルミニウム（ＦｅＡｌ）、フェロボロン（ＦｅＢ）、フェロセリウム（ＦｅＣｅ）、フェロクロム（ＦｅＣｒ）、フェロマグネシウム（ＦｅＭｇ）、フェロマンガン（ＦｅＭｎ）、フェロモリブデン（ＦｅＭｏ）、フェロニオブ（ＦｅＮｂ）、フェロニッケル（ＦｅＮｉ）、フェロシリコン（ＦｅＳｉ）、フェロシリコマンガン（ＦｅＳｉＭｎ）、フェロチタン（ＦｅＴｉ）、フェロバナジウム（ＦｅＶ）、フェロタングステン（ＦｅＷ）等が挙げられる。
また、フェロアルミニウムとして、例えば、鉄とアルミニウムとの含有比率が、鉄：アルミニウム＝１：１（重量比）の市販品を用いることができるが、鉄とアルミニウムとの含有比率は、用途及び品質に応じて適宜任意に変更可能である。
【００１９】
以上、本発明によれば、構成成分として鉄を含有する補強材をジオポリマー組成物に接触して設けているので、ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合し、補強材がジオポリマー組成物に対して強固に固着される。したがってこのようにして構成されたジオポリマー構造体は十分に高い耐久性を有する。
なお、ジオポリマー組成物の原料として用いる骨材は、鉄を含有するものであってもよい。この場合、ジオポリマー組成物の圧縮強度を向上させることができる。
【００２０】
＜実施例１＞
本発明の実施例１においては、補強材として短繊維状に形成された複数の鋼繊維材料を用いる。複数の鋼繊維材料はジオポリマー組成物に混入され分散した状態で設けられている。鋼繊維材料は表面積が大きくなるように形成されているものであればよく、例えば一般にセメント硬化体の補強に用いられる鋼繊維材料等が用いられる。鋼繊維材料のジオポリマー組成物に対する混入率は、０．５〜２ｖｏｌ％、好ましくは０．５〜１ｖｏｌ％である。
【００２１】
本実施例によれば、鋼繊維材料の鉄成分がジオポリマー組成物のケイ素成分と化学的に結合するので、ジオポリマー組成物と鋼繊維材料との付着強度を高めることができる。これによりジオポリマー構造体の曲げ強度及び曲げ靭性が向上する。また硬化前のジオポリマー組成物は粘性が高いため、セメント硬化体に鋼繊維材料を混入する場合と比較して分散性及び作業性の面において優れている。
なお、ジオポリマー組成物は鋼繊維材料との付着性が良好なので、鋼繊維材料の大きさを小さくしても十分に構造体を補強することができる。
【００２２】
＜実施例２＞
本発明の実施例２においては、補強材として鉄筋が用いられている。この鉄筋は一般にセメント硬化体に用いられる鉄筋と同じものである。
ここで、ジオポリマーモルタルに鉄筋を配した場合とセメントモルタルに鉄筋を配した場合のそれぞれについて引き抜き試験の結果を以下の表１に示す。この引き抜き試験は土木学会基準「引抜き試験による鉄筋とコンクリートとの付着強度試験方法（ＪＳＣＥ−Ｇ５０３）」に準じて行ったものである。この試験においては丸鋼（φ２５ｍｍ）の鉄筋を使用した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１より、セメントモルタルよりもジオポリマーモルタルの方が最大引張力、付着強度において優れていることが分かる。これは上記の通り鉄筋表面の鉄成分がジオポリマーのケイ素成分と化学的に結合したことによるものである。
【００２５】
本実施例によれば、ジオポリマー組成物と鉄筋との付着強度が高いため、ジオポリマー構造体に発生するひび割れが分散して耐久性が向上する。付着強度が高いので、ジオポリマー組成物に対する鉄筋の定着長を短くすることができ、また、異径鉄筋を使用しない場合にも引っ張り強度を向上させることができる。更に鉄筋がジオポリマー組成物に対して化学的に固着されているから、鉄筋表面の保護性能が高い。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ジオポリマー組成物に補強材を組み込んだジオポリマー構造体に関する。
【背景技術】
【０００２】
ジオポリマー組成物を形成する方法であるジオポリマー法は、二酸化炭素の排出量が少なく、原料として産業廃棄物を有効利用できることから、従来のセメント硬化体の製造に代わる技術として研究が進められている。かかるジオポリマー組成物は、フライアッシュ等のアルカリ溶液に可溶なフィラー（活性フィラー）と、これを活性化させるアルカリ源を混合し、ケイ素成分を重合硬化させることによって得られる。ケイ素成分を重合させるためにはフィラーに含まれる金属成分が必要となる。
【０００３】
例えば特許文献１には、フィラーと、アルカリ活性剤と、骨材とを原料とするジオポリマー組成物について記載されており、その原料の配合比率を適宜変更することにより圧縮強度を向上させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２３９４４６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながらジオポリマー組成物は圧縮強度については高い値を示すものの、引張強度に関しては従来のセメント硬化体と同程度の値である。したがってジオポリマー組成物の施工態様によっては構造物全体の耐久性が不足する場合がある。
【０００６】
そこで本発明は、ジオポリマー組成物からなるジオポリマー構造体全体の耐久性を向上させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するため、本発明の一態様によれば、
ケイ素を含有するフィラーとアルカリ活性剤とを原料とするジオポリマー組成物と、
前記ジオポリマー組成物に接触して設けられ、鉄を含有する補強材と、を備え、
前記ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と前記補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合することにより、前記補強材が前記ジオポリマー組成物に固着されていることを特徴とするジオポリマー構造体が提供される。
【０００８】
好ましくは、上記ジオポリマー構造体において、前記補強材は短繊維状の鋼繊維材料であり、前記ジオポリマー組成物中に混入して設けられている。
【０００９】
好ましくは、上記ジオポリマー構造体において、前記補強材は鉄筋であり、前記ジオポリマー組成物内に配されている。
【００１０】
好ましくは、上記ジオポリマー構造体において、前記補強材は鉄を含有する合金からなる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、鉄を含有する補強材がジオポリマー組成物に接触して設けられ、その接触箇所においてジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合していることにより、ジオポリマー構造体の耐久性を向上させることができる。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下に、本発明を実施するための形態について説明する。ただし、以下に述べる実施形態には、本発明を実施するために技術的に好ましい種々の限定が付されているが、発明の範囲を以下の実施形態に限定するものではない。
【００１３】
本発明によるジオポリマー構造体は、ジオポリマー組成物と、該ジオポリマー組成物に組み込まれる補強材と、を備えている。ジオポリマー組成物はフィラー、アルカリ活性剤、骨材及び混和材等を原料とし、従来のジオポリマー法と同様の方法で形成される。
【００１４】
フィラーとしては、フライアッシュ、高炉スラグ又は下水焼却汚泥等が用いられ、特に好ましくはフライアッシュが用いられる。フライアッシュは火力発電所で石炭の燃焼時に発生し、電気集塵機によって回収されるものであり、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３等を主成分とする。アルカリ活性剤としては、水酸化カリウム、水酸化ナトリウム、ケイ酸ナトリウム又はケイ酸カリウムの水溶液が用いられ、特に好ましくはケイ酸ナトリウム水溶液が用いられる。骨材としては、一般にセメント硬化体の製造に使用される骨材が用いられる。これらの原料を混合して所定温度で所定時間処理することによりジオポリマー組成物が得られる。これは、アルカリ活性剤によってフィラーが活性化され、フィラー中に含まれるケイ素成分及び金属成分が重合することによる。
【００１５】
ジオポリマー組成物の原料の配合例としては、フィラーとしてフライアッシュ３６６ｇ、アルカリ活性剤としてケイ酸ナトリウム水溶液２５６ｇ、骨材として標準砂１５５７ｇが例示される。また他の配合例としては、フライアッシュ２６１ｇ、高炉スラグ微粉末１５７ｇ、ケイ酸ナトリウム水溶液２５６ｇ、標準砂１５５７ｇが例示される。
【００１６】
なお、ジオポリマー組成物の添加剤として、上記フィラーから溶出する金属イオン以外の金属イオン（例えば、Ａｌ３＋、Ｓｉ４＋等）を含む溶液又は金属塩、錯体等の固体、金属イオン含有量の異なるフィラーを任意の配合比で加えることができる。また、この添加剤をジオポリマー組成物の硬化開始前から硬化中の間の任意のタイミングで添加することによって、ジオポリマー組成物の強度を制御することが可能である。
更に、溶解度の異なる金属塩、錯体や金属イオン含有量の異なるフィラーを用いることにより、金属イオンの溶出量を制御して、ジオポリマー組成物の硬化時間を制御することも可能である。
【００１７】
補強材は、鉄を含有する材料からなる。この補強材は何れの形状であってもよく、例えば短繊維状、球状、棒状又は立体形状等に形成されている。補強材は予めジオポリマー組成物が硬化する前にジオポリマー組成物に接触して設けられる。これによりジオポリマー組成物の硬化過程において、補強材に含有される鉄成分がジオポリマー組成物の重合反応に金属成分として組み込まれ、この鉄成分とジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分とが化学的に結合した状態で硬化する。したがってジオポリマー組成物と補強材とが強固に固着した状態となり、ジオポリマー構造体全体の耐久性が向上する。
【００１８】
なお、補強材は、純鉄製のものであってもよいし、鉄を含有する合金製のものであってもよい。
ここで、鉄を含有する合金として、例えば、フェロアルミニウム（ＦｅＡｌ）、フェロボロン（ＦｅＢ）、フェロセリウム（ＦｅＣｅ）、フェロクロム（ＦｅＣｒ）、フェロマグネシウム（ＦｅＭｇ）、フェロマンガン（ＦｅＭｎ）、フェロモリブデン（ＦｅＭｏ）、フェロニオブ（ＦｅＮｂ）、フェロニッケル（ＦｅＮｉ）、フェロシリコン（ＦｅＳｉ）、フェロシリコマンガン（ＦｅＳｉＭｎ）、フェロチタン（ＦｅＴｉ）、フェロバナジウム（ＦｅＶ）、フェロタングステン（ＦｅＷ）等が挙げられる。
また、フェロアルミニウムとして、例えば、鉄とアルミニウムとの含有比率が、鉄：アルミニウム＝１：１（重量比）の市販品を用いることができるが、鉄とアルミニウムとの含有比率は、用途及び品質に応じて適宜任意に変更可能である。
【００１９】
以上、本発明によれば、構成成分として鉄を含有する補強材をジオポリマー組成物に接触して設けているので、ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合し、補強材がジオポリマー組成物に対して強固に固着される。したがってこのようにして構成されたジオポリマー構造体は十分に高い耐久性を有する。
なお、ジオポリマー組成物の原料として用いる骨材は、鉄を含有するものであってもよい。この場合、ジオポリマー組成物の圧縮強度を向上させることができる。
【００２０】
＜実施例１＞
本発明の実施例１においては、補強材として短繊維状に形成された複数の鋼繊維材料を用いる。複数の鋼繊維材料はジオポリマー組成物に混入され分散した状態で設けられている。鋼繊維材料は表面積が大きくなるように形成されているものであればよく、例えば一般にセメント硬化体の補強に用いられる鋼繊維材料等が用いられる。鋼繊維材料のジオポリマー組成物に対する混入率は、０．５〜２ｖｏｌ％、好ましくは０．５〜１ｖｏｌ％である。
【００２１】
本実施例によれば、鋼繊維材料の鉄成分がジオポリマー組成物のケイ素成分と化学的に結合するので、ジオポリマー組成物と鋼繊維材料との付着強度を高めることができる。これによりジオポリマー構造体の曲げ強度及び曲げ靭性が向上する。また硬化前のジオポリマー組成物は粘性が高いため、セメント硬化体に鋼繊維材料を混入する場合と比較して分散性及び作業性の面において優れている。
なお、ジオポリマー組成物は鋼繊維材料との付着性が良好なので、鋼繊維材料の大きさを小さくしても十分に構造体を補強することができる。
【００２２】
＜実施例２＞
本発明の実施例２においては、補強材として鉄筋が用いられている。この鉄筋は一般にセメント硬化体に用いられる鉄筋と同じものである。
ここで、ジオポリマーモルタルに鉄筋を配した場合とセメントモルタルに鉄筋を配した場合のそれぞれについて引き抜き試験の結果を以下の表１に示す。この引き抜き試験は土木学会基準「引抜き試験による鉄筋とコンクリートとの付着強度試験方法（ＪＳＣＥ−Ｇ５０３）」に準じて行ったものである。この試験においては丸鋼（φ２５ｍｍ）の鉄筋を使用した。
【００２３】
【表１】
【００２４】
表１より、セメントモルタルよりもジオポリマーモルタルの方が最大引張力、付着強度において優れていることが分かる。これは上記の通り鉄筋表面の鉄成分がジオポリマーのケイ素成分と化学的に結合したことによるものである。
【００２５】
本実施例によれば、ジオポリマー組成物と鉄筋との付着強度が高いため、ジオポリマー構造体に発生するひび割れが分散して耐久性が向上する。付着強度が高いので、ジオポリマー組成物に対する鉄筋の定着長を短くすることができ、また、異径鉄筋を使用しない場合にも引っ張り強度を向上させることができる。更に鉄筋がジオポリマー組成物に対して化学的に固着されているから、鉄筋表面の保護性能が高い。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ケイ素を含有するフィラーとアルカリ活性剤とを原料とするジオポリマー組成物と、
前記ジオポリマー組成物に接触して設けられ、鉄を含有する補強材と、を備え、
前記ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と前記補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合することにより、前記補強材が前記ジオポリマー組成物に固着されていることを特徴とするジオポリマー構造体。
【請求項２】
前記補強材は短繊維状の鋼繊維材料であり、前記ジオポリマー組成物中に混入して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のジオポリマー構造体。
【請求項３】
前記補強材は鉄筋であり、前記ジオポリマー組成物内に配されていることを特徴とする請求項１に記載のジオポリマー構造体。
【請求項４】
前記補強材は鉄を含有する合金からなることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のジオポリマー構造体。
【請求項１】
ケイ素を含有するフィラーとアルカリ活性剤とを原料とするジオポリマー組成物と、
前記ジオポリマー組成物に接触して設けられ、鉄を含有する補強材と、を備え、
前記ジオポリマー組成物に含有されるケイ素成分と前記補強材に含有される鉄成分とが化学的に結合することにより、前記補強材が前記ジオポリマー組成物に固着されていることを特徴とするジオポリマー構造体。
【請求項２】
前記補強材は短繊維状の鋼繊維材料であり、前記ジオポリマー組成物中に混入して設けられていることを特徴とする請求項１に記載のジオポリマー構造体。
【請求項３】
前記補強材は鉄筋であり、前記ジオポリマー組成物内に配されていることを特徴とする請求項１に記載のジオポリマー構造体。
【請求項４】
前記補強材は鉄を含有する合金からなることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載のジオポリマー構造体。
【公開番号】特開２０１２−１１６６７７（Ｐ２０１２−１１６６７７Ａ）
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２６５８６０（Ｐ２０１０−２６５８６０）
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００１９５９７１）西松建設株式会社 (329)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（０００２３０８３６）日本興業株式会社 (37)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１１月３０日（２０１０．１１．３０）
【出願人】（０００１９５９７１）西松建設株式会社 (329)
【出願人】（５０４２３７０５０）独立行政法人国立高等専門学校機構 (656)
【出願人】（０００２３０８３６）日本興業株式会社 (37)
【Ｆターム（参考）】
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