特開 2024-119386 ジオポリマー組成物及びこれを用いたコンクリート構造物

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024119386

(43)【公開日】2024-09-03

(54)【発明の名称】ジオポリマー組成物及びこれを用いたコンクリート構造物

(51)【国際特許分類】

   C04B 28/26 20060101AFI20240827BHJP

   C04B 14/10 20060101ALI20240827BHJP

   C04B 22/06 20060101ALI20240827BHJP

   C04B 18/08 20060101ALI20240827BHJP

【ＦＩ】

C04B28/26

C04B14/10 A

C04B22/06 A

C04B18/08 Z

【審査請求】未請求

【請求項の数】7

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023026251

(22)【出願日】2023-02-22

(71)【出願人】

【識別番号】000000099

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ

(71)【出願人】

【識別番号】000198307

【氏名又は名称】株式会社ＩＨＩ建材工業

(71)【出願人】

【識別番号】504085750

【氏名又は名称】アドバンエンジ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001863

【氏名又は名称】弁理士法人アテンダ国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】木作 友亮

(72)【発明者】

【氏名】伊藤 祐二

(72)【発明者】

【氏名】小森 照夫

(72)【発明者】

【氏名】山村 有希

(72)【発明者】

【氏名】塩入 志緒里

(72)【発明者】

【氏名】丸山 隼人

(72)【発明者】

【氏名】聶 菁

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 広也

(72)【発明者】

【氏名】齋藤 由貴子

(72)【発明者】

【氏名】磯部 美希

(72)【発明者】

【氏名】笠原 健二

【テーマコード（参考）】

4G112

【Ｆターム（参考）】

4G112MA01

(57)【要約】

【課題】コンクリートの厚さを大きくすることなく十分な中性子線遮蔽効果を得ることのできるジオポリマー組成物及びこれを用いたコンクリート構造物を提供する。
【解決手段】原料に活性フィラーとアルカリ活性剤と骨材とを含むジオポリマー組成物において、骨材の少なくとも一部を硼素含有物質に置換するようにしたので、ジオポリマーは、アルカリ溶液（ＧＰ溶液）と活性フィラーとの縮重合反応により硬化し、強度が得られる固化体であるため、硼素含有物質を混ぜることによる強度、固化に対する阻害は生じないことがなく、構造物として十分な耐荷力性能を有するとともに中性子遮蔽にも優れたジオポリマーコンクリートが製造可能となる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

原料に活性フィラーとアルカリ活性剤と骨材とを含むジオポリマー組成物において、
前記骨材の少なくとも一部を硼素含有物質に置換した
ことを特徴とするジオポリマー組成物。

【請求項2】

前記硼素含有物質として硼酸塩鉱物を用いた
ことを特徴とする請求項１記載のジオポリマー組成物。

【請求項3】

前記活性フィラーとして、カルシウム成分を有しない活性フィラーを用いた
ことを特徴とする請求項１記載のジオポリマー組成物。

【請求項4】

前記活性フィラーは、メタカオリン及びシリカヒュームを含む
ことを特徴とする請求項１記載のジオポリマー組成物。

【請求項5】

前記活性フィラーは、メタカオリン、フライアッシュ及びシリカヒュームを含む
ことを特徴とする請求項１記載のジオポリマー組成物。

【請求項6】

ジオポリマー組成物全体におけるナトリウム及びカリウムの合計とアルミニウムとのモル比（（Ｎａ＋Ｋ）／Ａｌ）が０．６以上であり、
ジオポリマー組成物全体におけるケイ素とアルミニウムとのモル比（Ｓｉ／Ａｌ）が１．８以上である
ことを特徴とする請求項５記載のジオポリマー組成物。

【請求項7】

請求項１乃至６の何れか一項に記載のジオポリマー組成物を用いた
ことを特徴とするコンクリート構造物。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、例えば土木、建築等における構造物の形成に用いられるジオポリマー組成物及びこれを用いたコンクリート構造物に関するものである。

【背景技術】

【0002】

従来、土木、建築等における構造物はコンクリートやモルタルによって形成されるのが一般的であるが、近年、コンクリートやモルタルに代わる材料としてジオポリマー組成物が注目されており、ジオポリマーコンクリートとして鉄道用まくら木、建築物の壁材等への適用が検討されている（例えば、特許文献１参照。）。

【0003】

ジオポリマー組成物は、フライアッシュ（石炭灰）、メタカオリン、高炉スラグ等、アルカリに活性な非晶質粉体（活性フィラー）とそれを活性化させるアルカリ溶液を混合させ、反応させることにより得られる硬化体である。ジオポリマーコンクリートは、例えばアルカリに活性な非晶質粉体とアルカリ溶液に、更に細骨材、粗骨材等を加えることにより、セメントコンクリートと同等の強度を発現する組成体を実現している。

【0004】

ところで、２０１１年３月の福島第一原子力発電所の事故以来、放射線の遮蔽に対する技術開発が進み、放射線を遮蔽する構造物等がいくつか提案されている。放射線の中でも中性子線は透過性が高いため、構造物（主にコンクリート）の壁厚さを大きくすることで現状は対応している。

【0005】

一方、中性子線は硼素により吸収されることが知られており、コンクリート中にこの元素が含まれていれば、壁厚さの薄い中性子遮蔽構造物の実現が可能となる。中性子線を吸収する硼素を含む物質としては、コレマナイト、サッソライト、硼砂等の硼酸塩鉱物があり、これらをコンクリートに混ぜて固めることで中性子遮蔽構造物を製造する試みがなされていた。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】特許第５０９１５１９号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

コンクリートが硬化して所定の強度を有するためには水とセメントによる水和反応が起こることで、結晶構造を形成して骨材と強固に結合されることが重要であるが、硼素含有物質の成分が水和反応を阻害してしまうため、十分な硼素含有物質を混ぜることが困難になり、結果として十分な遮蔽率を確保するためにはコンクリートの厚さを大きくしなければならないということが現状の課題となっている。

【0008】

また、硼素含有物質の成分が水和反応を阻害しないように、樹脂等で硼酸塩鉱物を覆うことも考えられるが、これらの労力は多大であり、コスト面から考えると構造物への適用は困難な状況となっている。

【0009】

本発明は前記問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、コンクリートの厚さを大きくすることなく十分な中性子線遮蔽効果を得ることのできるジオポリマー組成物及びこれを用いたコンクリート構造物を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明は前記目的を達成するために、原料に活性フィラーとアルカリ活性剤と骨材とを含むジオポリマー組成物において、前記骨材の少なくとも一部を硼素含有物質に置換している。

【0011】

これにより、ジオポリマーは、アルカリ溶液（ＧＰ溶液）と活性フィラーとの縮重合反応により硬化し、強度が得られる固化体であるため、コレマナイト等の硼素含有物質を混ぜることによる強度、固化に対する阻害は生じないことから、ジオポリマーコンクリートにおいて、細骨材または粗骨材の一部または全部を硼素含有物質に置き換えることにより、構造物として十分な耐荷力性能を有するとともに中性子遮蔽にも優れたジオポリマーコンクリートが製造可能となる。

【発明の効果】

【0012】

本発明によれば、セメントコンクリートに硼素含有物質を混ぜた場合のように硼素含有物質の成分が水和反応を阻害して十分な強度の発現が得られないという問題が生じないため、コンクリートの厚さを小さくしても十分な中性子遮蔽効果を得ることができる。これにより、例えば放射線治療室等の壁材の厚さを従来のコンクリートに比べて大幅に薄肉化することができるので、同一敷地面積に対する治療室の合理的な配置が可能となる。また、放射線廃棄物輸送容器等に適用する場合においても、薄肉化により容器重量を小さくすることができるので、クレーン及びフォークリフト等の性能を小さくすることが可能となり、構内輸送効率を大幅に改善することができる。更に、例えばシールドトンネルのセグメント形状の中性子遮蔽ジオポリマーコンクリートを製造することにより、大規模なトンネル兼シェルター等の建設も可能となる。また、セメントを用いないことで二酸化炭素の削減に寄与する構造物を製造することも可能となり、環境問題の改善に貢献することもできる。

【図面の簡単な説明】

【0013】

【図1】本発明の一実施形態に係る圧縮強度とコレマナイト含有率との関係を示すグラフ

【図2】圧縮強度と硼素含有率との関係を示すグラフ

【図3】圧縮強度と加温養時間との関係を示すグラフ

【図4】圧縮強度と加温養時間との関係を示すグラフ

【発明を実施するための形態】

【0014】

本実施形態のジオポリマー組成物は、例えば土木、建築等における構造体に用いられるもので、原料に活性フィラーとアルカリ活性剤と骨材とを含み、骨材の一部を硼素含有物質に置換したものからなる。

【0015】

活性フィラーは、アルカリ活性剤と混合することにより活性化されて固化するアルミナシリカ粉体からなり、例えばフライアッシュ（石炭灰）、メタカオリン、シリカヒューム等、カルシウム成分を有しない非晶質粉体が用いられる場合や、カルシウム成分が含まれる高炉スラグ微粉末を用いる場合などもある。

【0016】

アルカリ活性剤は、例えばケイ酸ナトリウム水溶液、ケイ酸カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる。

【0017】

骨材は、砂、砂利または人工骨材等からなり、粒子の大きさに応じて細骨材と粗骨材に分類される。

【0018】

自然由来の硼素含有物質としては、例えばコレマナイト、サッソライト、硼砂等、硼素を含有する硼酸塩鉱物があり、細骨材または粗骨材と同等の粒径に砕いて用いられる。また、人工物としては炭化硼素や窒化硼素があり、適度な粒径で使用される。

【0019】

活性フィラーは、アルカリ活性剤と混合することにより活性化されて固化するアルミナシリカ粉体からなり、例えばフライアッシュ（石炭灰）、メタカオリン、シリカヒューム等、カルシウム成分を有しない非晶質粉体が用いられる。

【0020】

アルカリ活性剤は、例えばケイ酸ナトリウム水溶液、ケイ酸カリウム水溶液等のアルカリ溶液からなる。

【0021】

骨材は、砂、砂利または人工骨材等からなり、粒子の大きさに応じて細骨材と粗骨材に分類される。

【0022】

硼酸塩鉱物は、例えばコレマナイト、サッソライト、硼砂等、硼素を含有する鉱物からなり、細骨材または粗骨材と同等の粒径に砕いて用いられる。

【0023】

ジオポリマーコンクリートは、活性フィラーとアルカリ溶液に骨材を加えることにより、セメントコンクリートと同等の強度を発現する組成体となる。また、ジオポリマーは、アルカリ溶液（ＧＰ溶液）と活性フィラーとの縮重合反応により硬化し、強度が得られる固化体であるため、硼素含有物質を混ぜることによる強度、固化に対する阻害は生じない。

【0024】

従って、ジオポリマーコンクリートにおいて、骨材の一部または全部を硼酸塩鉱物を砕いた材料に置き換えることにより、構造物として十分な耐荷力性能を有するとともに中性子遮蔽にも優れたジオポリマーコンクリートが製造可能となる。

【0025】

即ち、本実施形態によれば、セメントコンクリートに硼素含有物質を混ぜた場合のように硼素含有物質の成分が水和反応を阻害して十分な強度の発現が得られないという問題が生じないため、コンクリートの厚さを小さくしても十分な中性子遮蔽効果を得ることができる。

【0026】

この場合、硼素含有物質として硼酸塩鉱物を用いることにより、所定の粒径に砕いた鉱石を骨材として機能させることができ、所望の強度を有するコンクリート構造物の構築に極めて有利である。

【0027】

更に、例えば放射線治療室等の壁材の厚さを従来のコンクリートに比べて大幅に薄肉化することができるので、同一敷地面積に対する治療室の合理的な配置が可能となる。

【0028】

また、放射線廃棄物輸送容器等に適用する場合においても、薄肉化により容器重量を小さくすることができるので、クレーン及びフォークリフト等の性能を小さくすることが可能となり、構内輸送効率を大幅に改善することができる。

【0029】

更に、例えばシールドトンネルのセグメント形状の中性子遮蔽ジオポリマーコンクリートを製造することにより、大規模なトンネル兼シェルター等の建設も可能となる。

【0030】

また、セメントを用いないことで二酸化炭素の削減に寄与する構造物を製造することも可能となり、環境問題の改善に貢献することもできる。

【0031】

更に、活性フィラーとしてカルシウム成分を有しない活性フィラーを用いることにより、例えば温泉地帯に構築するシェルター等、耐酸性が必要となるコンクリート構造物に用いる場合に有利である。

【0032】

また、活性フィラーとして、メタカオリン及びフライアッシュを用いることにより、フライアッシュはメタカオリンよりも流動性が高いため、水結合材を小さくして密度を高めることができる。これにより、フライアッシュを含まないものと同等の強度を有しつつ体積当たりの硼素の含有率を高めることができるので、壁厚さが小さく中性子遮蔽効果の高いコンクリート構造物を構築する場合に極めて有利である。

【0033】

尚、前記実施形態は本発明の一実施形態であり、本発明は前記実施形態に記載されたものに限定されない。

【実施例0034】

以下、本発明の実施例１～４を示す。尚、本発明はこれら実施例に限定されない。
［実施例１］
本発明の実施例１として、ジオポリマーモルタルの骨材の一部を硼素含有物質である無水硼砂に置換したものについて強度試験を実施した。

【0035】

実施例１には、Ｗ＝１７０ｋｇ／ｍ³、Ｗ／Ｂ＝７５．０％の活性フィラーとしてメタカオリンを主体としたジオポリマーモルタルであって、細骨材（体積５０７．５リットル／ｍ³）の５０％を無水硼砂（分子式：Ｂ₄Ｎａ₂Ｏ₇）に置換した中性子遮蔽ジオポリマーモルタル（ＧＰＭ）を用いた。

【0036】

本試験では、ジオポリマーモルタルを練上り直後に内径５０ｍｍ×１００ｍｍの型枠に充填し、型枠ごと蒸気養生槽で加温養生を実施した。養生は６０℃、９０％ＲＨの蒸気養生を昇温２時間、維持６８時間、降温２時間で行った。その後、脱型、表面研磨して２０℃、６０％ＲＨの恒温恒湿室で材齢７日まで静置し、圧縮強度試験を行った。

【0037】

試験の結果、表１に示すように、圧縮強度２５．４Ｎ／ｍｍ²の強度が発現し、壁状のコンクリート構造体を形成するために必要な強度を得ることが確認できた。

【0038】

【表1】

【0039】

［実施例２～４］
本発明の実施例２～４として、活性フィラー、Ｋ系水ガラス（５０質量％は水）及び水酸化ナトリウムからなるアルカリ剤、水、細骨材を練り混ぜるとともに、骨材の１００％を硼素含有物質であるコレマナイト（硼酸塩鉱物）に置換しジオポリマーモルタル（ＧＰＭ）の強度試験を実施した。コレマナイトには、粒径３ｍｍ以下、酸化硼素含有率３６％、含水率１．９ｗｔ％のものを用いた。

【0040】

実施例２では、活性フィラーとしてメタカオリン及びシリカヒュームを用いるとともに、表２に示すように、ナトリウム及びカリウムの合計とアルミニウムとのモル比（（Ｎａ＋Ｋ）／Ａｌ）を１．２、ケイ素とアルミニウムとのモル比（Ｓｉ／Ａｌ）を２．２、ジオポリマー組成物全体における水とアルミナとのモル比（Ｈ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃）を１０、ジオポリマー組成物全体における水結合材比を６０．６とした。

【0041】

実施例３では、活性フィラーとしてメタカオリン及びシリカヒュームを用いるとともに、実施例２よりもシリカヒュームの配合比率を高くし、表２に示すように、ナトリウム及びカリウムの合計とアルミニウムとのモル比（（Ｎａ＋Ｋ）／Ａｌ）を１．２、ケイ素とアルミニウムとのモル比（Ｓｉ／Ａｌ）を２．２、ジオポリマー組成物全体における水とアルミナとのモル比（Ｈ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃）を１０、ジオポリマー組成物全体における水結合材比Ｗ／Ｂを６３．８とした。

【0042】

実施例４では、活性フィラーとして、実施例３におけるメタカオリンの５０％をフライアッシュに置き換えるとともに、表２に示すように、ナトリウム及びカリウムの合計とアルミニウムとのモル比（（Ｎａ＋Ｋ）／Ａｌ）を０．９、ケイ素とアルミニウムとのモル比（Ｓｉ／Ａｌ）を２．２、ジオポリマー組成物全体における水とアルミナとのモル比（Ｈ₂Ｏ／Ａｌ₂Ｏ₃）を８．１、ジオポリマー組成物全体における水結合材比Ｗ／Ｂを４７．８とした。

【0043】

また、実施例２～４において、表３に示すように、コレマナイト含有率が７．５％及び５０．３％、硼素含有率が０．８３％及び５．６％のそれぞれについて試験を行った。

【0044】

本試験では、ジオポリマーモルタルを練上り直後に内径５０ｍｍ×１００ｍｍの型枠に充填し、型枠ごと蒸気養生槽で加温養生を実施した。養生は６０℃、９０％ＲＨの蒸気養生を昇温２時間、維持６８時間、降温２時間で行った。その後、脱型、表面研磨して２０℃、６０％ＲＨの恒温恒湿室で材齢７日まで静置し、圧縮強度試験を行った。尚、実施例３及び４については常温養生も行った。

【0045】

試験の結果、表３、図１及び図２に示すように、実施例２～４は何れもコレマナイト含有率及び硼素含有率が高いほど圧縮強度が低下する結果を示した。この場合、各実施例２～４のそれぞれにおけるコレマナイト含有率が最も高い試験体であっても、加温養生をした場合の圧縮強度は、実施例２（コレマナイト含有率５８ｗｔ％）が３１．７０Ｎ／ｍｍ²、実施例３（コレマナイト含有率５０．３ｗｔ％）が４９．３Ｎ／ｍｍ²、実施例４（コレマナイト含有率５０．３ｗｔ％）が４６．７Ｎ／ｍｍ²、であった。これにより、コレマナイト含有率が５０ｗｔ％以上であっても、実施例２～４の何れも壁状のコンクリート構造体を形成するために必要な強度（３０Ｎ／ｍｍ²）を得られることが確認された。尚、図３に示すグラフはコレマナイト含有率が０％及び７．５％の実施例３及び４を比較したものであり、図４に示すグラフはコレマナイト含有率が０％及び５０．３％の実施例３及び４を比較したものである。

【0046】

また、試験の結果によれば、実施例４では、ジオポリマー組成物全体におけるナトリウム及びカリウムの合計とアルミニウムとのモル比（（Ｎａ＋Ｋ）／Ａｌ）を、０．６以上（好ましくは０．８以上）とし、ジオポリマー組成物全体におけるケイ素とアルミニウムとのモル比（Ｓｉ／Ａｌ）が１．８以上とすることにより、硼素の含有率を高くしても十分な強度が得られることが確認された。

【0047】

更に、メタカオリン及びフライアッシュを含む実施例４は、フライアッシュを含まない実施例３に比べ、水結合材比を小さくすることができるので、ナトリウム及びカリウムの合計とアルミニウムとのモル比（（Ｎａ＋Ｋ）／Ａｌ）を小さくしてもほぼ同等の強度が得られることが確認された。

【0048】

【表2】

【0049】

【表3】

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】