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ジオポリマー

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出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』

'''ジオポリマー'''（英: ''geopolymer''）は、アルミノケイ酸を主成分とする粉体と、アルカリ性または酸性の水溶液との反応により、比較的低温（常温付近～数十℃）で硬化する無機高分子系の結合材、あるいはその硬化体の総称である。ジオポリマーは、SiO_4およびAlO_4四面体が酸素を介して三次元的に結合した非晶質〜半結晶質の骨格構造を持ち、その電荷はナトリウムイオンやカリウムイオンなどのアルカリ金属イオンで中和される。<ref name="Davidovits1991" />SpringerLink+1[1]

建設材料の分野では、フライアッシュや高炉スラグ微粉末、メタカオリンなどのアルミノケイ酸系粉体を原料とし、セメントクリンカーを用いずに、水ガラス（アルカリケイ酸塩溶液）や水酸化アルカリ溶液でアルカリ活性化して得られる結合材を指すことが多い。これを用いたコンクリートは「ジオポリマーコンクリート」あるいは「アルカリ活性化コンクリート」と呼ばれる。<ref name="Duxson2007" /><ref name="Ichimiya2018" />SpringerLink+2土木学会+2[2]

ポルトランドセメントと比較して、原料に産業副産物を用いることやセメントクリンカーを使わないことから、ライフサイクルCO_2排出量を大幅に低減できる可能性があり、低炭素型結合材として世界的に研究と実用化が進められている。一方で、アルカリ溶液の取り扱い安全性や、長期耐久性評価、標準規格の整備など、実装に向けた課題も指摘されている。<ref name="McLellan2011" /><ref name="Amran2021" /><ref name="JCI2016web" />J-STAGE+3UWA Research Repository+3サイエンスダイレクト+3[3]

== 語源と歴史 ==

「ジオポリマー」という語は、フランスの化学者ジョゼフ・ダヴィドヴィッツ（Joseph Davidovits）が1970年代後半に提唱したもので、地殻由来の無機材料から低温で合成される高分子状の骨格構造をもつ材料群を指す。<ref name="Davidovits1991">Joseph Davidovits, "Geopolymers: inorganic polymeric new materials", ''Journal of Thermal Analysis'', 37(8), 1633–1656, 1991.</ref><ref name="DavidovitsBook">Joseph Davidovits, ''Geopolymer Chemistry and Applications'', 5th ed., Institut Géopolymère, 2020.</ref>SpringerLink+2geopolymer.org+2[4]

それ以前の1950年代からソ連・ウクライナでは、グルホフスキー（V.D. Glukhovsky）らによる「土壌シリケートコンクリート」や「アルカリ活性化セメント」の研究が行われており、これらは現在のジオポリマー技術の先駆けと位置付けられている。<ref name="Provis2009" />herbycalvinpascal.files.wordpress.com+1[5]

1990年代以降、ダヴィドヴィッツらにより耐火材料、接着剤、高温用複合材料、廃棄物固化材などへの応用研究が進められ、2000年代にはフライアッシュや高炉スラグを用いたジオポリマーコンクリートが構造材料として本格的に検討されるようになった。<ref name="Duxson2007">P. Duxson et al., "Geopolymer technology: the current state of the art", ''Journal of Materials Science'', 42(9), 2917–2933, 2007.</ref>SpringerLink+1[6]

日本では2000年代後半から日本コンクリート工学会（JCI）の研究委員会や土木学会の研究小委員会が設置され、建設材料としてのジオポリマーの基礎物性や実用化に関する調査・研究が行われている。<ref name="JCI2016TC">日本コンクリート工学会「建設分野へのジオポリマー技術の適用に関する研究委員会」報告書, 2016.</ref><ref name="Ichimiya2018">一宮一夫「ジオポリマーの現状と今後の展望」『コンクリート工学』56巻5号, pp.409–416, 2018.</ref>土木学会+2J-STAGE+2[7]

== 定義と分類 ==

ダヴィドヴィッツは、ジオポリマーを主にSi–O–Al骨格から成る無機高分子として定義し、一般的な組成式を M_n[–(SiO_2)_z–AlO_2]_n·wH_2O（Mはアルカリ金属イオン）と表した。<ref name="Davidovits1991" /><ref name="DavidovitsBook" />SpringerLink+1[8]

一方、建設材料分野では「セメントクリンカーを用いず、非晶質のケイ酸アルミニウムを主成分とした原料を、アルカリあるいは酸性溶液で固化させた結合材」とする実務的な定義が用いられている。<ref name="JCI2016web">日本コンクリート工学会「ジオポリマー～セメントを使わないコンクリート」JCIコンクリートテクノプラザ, 2016.</ref><ref name="Suto2023">周藤将司「ジオポリマーコンクリートの可能性」中国地方建設技術開発交流会資料, 2023.</ref>jci-net.or.jp+2jci-net.or.jp+2[9]

国際的には、「ジオポリマー」はアルミノケイ酸系粉体をアルカリ溶液で活性化した系を中心とするやや狭い概念として用いられる場合と、カルシウムを多く含む高炉スラグ系のアルカリ活性化材料（alkali-activated materials, AAM）まで含める広い概念として用いられる場合があり、定義は必ずしも統一されていない。RILEM技術委員会などでは、原料や反応機構に応じて「アルカリ活性化スラグ」「フライアッシュ系ジオポリマー」などの名称を使い分けることが推奨されている。<ref name="Provis2009">J.L. Provis and J.S.J. van Deventer (eds.), ''Geopolymers: Structure, Processing, Properties and Industrial Applications'', Woodhead Publishing, 2009.</ref><ref name="Khan2022">K. Khan et al., "A scientometric-analysis-based review of the research on geopolymers", ''Polymers'', 14(17), 3676, 2022.</ref>herbycalvinpascal.files.wordpress.com+1[5]

== 生成原理 ==

ジオポリマーの生成（ジオポリメリゼーション）は、概ね以下の段階からなると整理されている。<ref name="Xu2000">H. Xu and J.S.J. van Deventer, "The geopolymerisation of alumino-silicate minerals", ''International Journal of Mineral Processing'', 59(3), 247–266, 2000.</ref><ref name="Duxson2007" />SpringerLink+2Dialnet+2[10]

原料粉体（メタカオリン、フライアッシュ、高炉スラグ微粉末、火山灰等）中のアルミノケイ酸成分が、アルカリ性水溶液中で溶解する[11]。

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溶出したシリカやアルミナ種が、オリゴマーを経て重縮合し、アルミノケイ酸ゲルが生成する。

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ゲルが成長・再配列して三次元ネットワークを形成し、硬化体としての強度と剛性を発現する。

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原料としては、フライアッシュや高炉スラグ微粉末などの産業副産物のほか、メタカオリン、天然ポゾラン、火山ガラス粉末などが用いられる。<ref name="JCI2009">廖高宇ほか「ジオポリマーの基礎物性と構造利用に関する基礎的研究」『コンクリート工学年次論文集』31巻, 2009.</ref><ref name="Liao2015" />JCIデータサイト+2JCIデータサイト+2[11]

アルカリ活性化剤としては、ナトリウムまたはカリウムの水酸化物水溶液と水ガラス（ケイ酸アルカリ溶液）が一般的であるが、近年は粉末状のアルカリ源を用いて「ワンパート型」と呼ばれるプレミックス材料を得る研究も行われている。<ref name="Provis2009" /><ref name="Luukkonen2018" />arXiv+3サイエンスダイレクト+3J-STAGE+3[11]

== 特性 ==

=== 力学特性 ===

ジオポリマーは、適切な配合と養生条件のもとで高い圧縮強度を発現し、一般に40～80 MPa程度、配合によっては100 MPaを超える強度も報告されている。<ref name="Duxson2007" /><ref name="Liao2015">廖高宇ほか「BFとFAの混合比が異なるジオポリマーの圧縮強度と空隙構造の関係」『コンクリート工学年次論文集』41巻, 2019.</ref>JCIデータサイト+1[12]

フライアッシュと高炉スラグ微粉末の混合比、アルカリ溶液の組成と濃度、Si/Al比やNa/Al比などの化学量論が、流動性・強度・収縮・空隙構造に大きく影響することが示されている。<ref name="Duxson2007" /><ref name="JCI2009" /><ref name="Kunieda2011" />JCIデータサイト+2JCIデータサイト+2[13]

=== 耐久性 ===

カルシウム含有量が相対的に少ないフライアッシュ系ジオポリマーは、ポルトランドセメントコンクリートに比べて酸や硫酸塩環境に対する抵抗性が高く、アルカリ骨材反応（ASR）を起こしにくいとされる。<ref name="JCI2016web" /><ref name="JCI2017review">一宮一夫「ジオポリマーの研究開発の現状」『コンクリート工学』55巻2号, pp.131–140, 2017.</ref>jci-net.or.jp+1[14]

一方で、縮重合反応に伴う脱水や自己収縮によって微細ひび割れや空隙が形成される場合があり、それが透水性や塩化物イオン浸透性に影響することも報告されている。<ref name="Kunieda2011">国枝稔ほか「ジオポリマーコンクリートおよびモルタルの曲げ破壊性状」『コンクリート工学年次論文集』35巻, 2013.</ref><ref name="Amran2021">M. Amran et al., "Long-term durability properties of geopolymer concrete", ''Case Studies in Construction Materials'', 15, e00638, 2021.</ref>サイエンスダイレクト+2JCIデータサイト+2[14]

長期耐久性については、凍結融解抵抗、塩害、炭酸化、高温暴露後の残存性能などに関する多数の研究が進められており、ポルトランドセメント系コンクリートと同等あるいはそれ以上の耐久性能を示す事例も報告されているが、原料のばらつきや配合依存性が大きく、標準的な評価手法の確立が課題となっている。<ref name="Amran2021" /><ref name="Khan2022" />サイエンスダイレクト+1[15]

=== 環境性能 ===

セメントクリンカーの焼成には大量の石灰石と高温加熱が必要であり、世界の二酸化炭素排出量の数％を占めるとされる。これに対し、フライアッシュや高炉スラグ微粉末を主原料とするジオポリマーでは、原料製造に伴うCO_2排出が比較的少なく、同等の圧縮強度を有する材料で比較した場合、セメントを用いた場合に比べて CO_2排出量を数十％～80％程度削減できるとする試算がある。<ref name="JCI2009" /><ref name="McLellan2011">B.C. McLellan et al., "Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary Portland cement", ''Journal of Cleaner Production'', 19(9–10), 1082–1090, 2011.</ref>JCIデータサイト+2UWA Research Repository+2[16]

ただし、アルカリ溶液（特に水ガラス）の製造に伴うエネルギー消費やCO_2排出も無視できず、原料の輸送条件やエネルギーミックスによっては環境負荷低減効果が小さくなる場合も指摘されている。そのため、ライフサイクルアセスメント（LCA）に基づく個別評価が重要であるとされる。<ref name="McLellan2011" /><ref name="Heath2014">A. Heath et al., "Minimising the global warming potential of clay based geopolymers", ''Journal of Cleaner Production'', 78, 75–83, 2014.</ref><ref name="Davidovits2015">J. Davidovits, "False Values on CO2 emission for geopolymer cement/concrete published in scientific papers", Geopolymer Institute Technical Paper #24, 2015.</ref>UWA Research Repository+2geopolymer.org+2[16]

== 応用 ==

=== 建設材料 ===

ジオポリマーは、プレキャスト製品（PCまくらぎ、舗装版、二次製品等）やモルタル、自己流動材料などとして実用化例が報告されている。特に高温蒸気養生との組み合わせにより、短時間で高強度を得られることから工場製品への適用が進められている。<ref name="JCI2009" /><ref name="JCI2016TC" /><ref name="Suto2023" />JCIデータサイト+2JSCEライブラリ+2

現場打ち用途では、蒸気養生を行わない常温硬化型ジオポリマーコンクリートの体積変化やひび割れ制御、施工性に関する研究が行われているが、温度依存性や初期ひび割れなどの課題があり、適用範囲は限定的である。<ref name="JSCE2016">宮本ら「蒸気養生を行わないジオポリマーコンクリートの体積変化および力学特性」『土木学会論文集E2』71巻6号, 2015.</ref>JSCEライブラリ

=== 耐火・耐熱材料、複合材料 ===

ジオポリマーは高温で軟化・溶融しにくく、1000℃以上の高温環境でも形状を維持しやすいことから、耐火被覆材、断熱パネル、高温用接着剤、繊維補強複合材料のマトリクスなどへの応用が検討されている。<ref name="DavidovitsBook" /><ref name="Provis2009" />geopolymer.org+1

=== 廃棄物固化・環境材料 ===

ジオポリマーのアルミノケイ酸骨格は、多価カチオンを容易に取り込みやすいことから、重金属や放射性核種を含む産業廃棄物の固化・封じ込め材としても研究されている。また、透水性やイオン交換特性を活かした吸着材や機能性多孔体としての応用も検討されている。<ref name="Duxson2007" /><ref name="Khan2022" />SpringerLink+1

== 評価と課題 ==

ジオポリマーは、CO_2排出削減や資源循環の観点から有望な材料である一方、以下のような課題が指摘されている。<ref name="Ichimiya2018" /><ref name="Khan2022" /><ref name="Amran2021" />J-STAGE+2MDPI+2

  • 標準化・規格化の不足：ポルトランドセメントに比べ、材料設計や耐久性評価、構造設計に関する国際的な規格・指針は整備途上であり、RILEMや各国学協会の委員会が評価手法の検討を進めている。
  • 原料・配合依存性の大きさ：フライアッシュやスラグなどの副産物は産地ごとに化学成分や反応性が異なり、配合の標準化が難しい。
  • アルカリ溶液の安全性と施工性：濃度の高い水酸化アルカリ溶液は腐食性が強く、現場での取り扱い安全性や労働衛生上の配慮が必要となる。粉末型活性化剤の研究が進められているが、実用的なコストと性能の両立が課題である。
  • 長期実構造物データの不足：実橋梁や建築物などに適用した長期モニタリング事例は増えつつあるが、まだ限られており、凍結融解・塩害・火災後性能などに関する長期実証データの蓄積が求められている。

== 関連項目 ==

  • ポルトランドセメント
  • アルカリ活性化材料
  • ポゾラン
  • コンクリート
  • セメント

== 脚注 ==

<references />

== 参考文献 ==

  • Davidovits, J., "Geopolymers: inorganic polymeric new materials", ''Journal of Thermal Analysis'', 37(8), 1633–1656, 1991.
  • Davidovits, J., ''Geopolymer Chemistry and Applications'', 5th ed., Institut Géopolymère, 2020.
  • Duxson, P., Fernández-Jiménez, A., Provis, J.L., Lukey, G.C., Palomo, A., van Deventer, J.S.J., "Geopolymer technology: the current state of the art", ''Journal of Materials Science'', 42(9), 2917–2933, 2007.SpringerLink
  • Provis, J.L., van Deventer, J.S.J. (eds.), ''Geopolymers: Structure, Processing, Properties and Industrial Applications'', Woodhead Publishing, 2009.herbycalvinpascal.files.wordpress.com
  • Xu, H., van Deventer, J.S.J., "The geopolymerisation of alumino-silicate minerals", ''International Journal of Mineral Processing'', 59(3), 247–266, 2000.Dialnet
  • McLellan, B.C., Williams, R.P., Lay, J., van Riessen, A., Corder, G.D., "Costs and carbon emissions for geopolymer pastes in comparison to ordinary Portland cement", ''Journal of Cleaner Production'', 19(9–10), 1082–1090, 2011.UWA Research Repository
  • Amran, M. et al., "Long-term durability properties of geopolymer concrete", ''Case Studies in Construction Materials'', 15, e00638, 2021.サイエンスダイレクト
  • Heath, A., Paine, K., McManus, M., "Minimising the global warming potential of clay based geopolymers", ''Journal of Cleaner Production'', 78, 75–83, 2014.geopolymer.org
  • 一宮一夫「ジオポリマーの現状と今後の展望」『コンクリート工学』56巻5号, pp.409–416, 2018.J-STAGE
  • 廖高宇ほか「BFとFAの混合比が異なるジオポリマーの圧縮強度と空隙構造の関係」『コンクリート工学年次論文集』41巻, 2019.JCIデータサイト
  • 国枝稔ほか「ジオポリマーコンクリートおよびモルタルの曲げ破壊性状」『コンクリート工学年次論文集』35巻, 2013.JCIデータサイト
  • 廖高宇ほか「ジオポリマーの基礎物性と構造利用に関する基礎的研究」『コンクリート工学年次論文集』31巻, 2009.JCIデータサイト
  • 日本コンクリート工学会九州支部『建設材料としてのジオポリマーに関する研究委員会報告書』, 2016.J-STAGE+2jci-net.or.jp+2
  • Khan, K. et al., "A scientometric-analysis-based review of the research on geopolymers", ''Polymers'', 14(17), 3676, 2022.MDPI
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  2. ^ Duxson, P.; Fernández-Jiménez, A.; Provis, J. L.; Lukey, G. C.; Palomo, A.; van Deventer, J. S. J. (2007-05-01). “Geopolymer technology: the current state of the art” (英語). Journal of Materials Science 42 (9): 2917–2933. doi:10.1007/s10853-006-0637-z. ISSN 1573-4803. https://doi.org/10.1007/s10853-006-0637-z. 
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  4. ^ Davidovits, J. (1991-08-01). “Geopolymers” (英語). Journal of thermal analysis 37 (8): 1633–1656. doi:10.1007/BF01912193. ISSN 1572-8943. https://doi.org/10.1007/BF01912193. 
  5. ^ a b “[chrome-extension://efaidnbmnnnibpcajpcglclefindmkaj/https://herbycalvinpascal.wordpress.com/wp-content/uploads/2019/04/5.-alkali-activated-material.pdf?utm_source=chatgpt.com Alkali Activated Materials]”. 2025年11月21日閲覧。
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