Strength Enhanced White Portland Cement Through the Reactive Release of Ions from Potash Alum Solution for Hydration Performance

技術要約：カリウムアルミ溶液からのイオンの反応的放出によるホワイト・ポルトランドセメントの強度向上

問題提起
ホワイト・ポルトランドセメント（WPC）は、その審美的な特性と低鉄分により価値が高い特殊な材料であるが、普通ポルトランドセメント（OPC）と比較して、特有の水和の課題に直面している。フェライト相（$C_4AF$）の減少により、WPCは硫酸塩バランスおよびアルミネート反応のキネティクスが変化しており、これが初期強度の発達や微細構造の緻密化を妨げる要因となる。さらに、業界では、色調や耐久性を損なうことなく、WPCの独特な鉱物組成を乱さずに水和を最適化できる、持続可能でコスト効率の高い水和活性化剤が求められている。従来の活性化剤は、色を付着させるイオンや腐食のリスクを伴うことが多いため、色彩中立かつ化学的に効果的な代替案が必要とされている。

方法論
本研究では、混合水の部分的な代替として、飽和カリウムアルミ（SPA）溶液を用いた検討を行った。カリウムアルミ（$K_2SO_4 \cdot Al_2(SO_4)_3 \cdot 24H_2O$）は、水性環境下で$K^+$、$Al^{3+}$、および$SO_4^{2-}$イオンへと解離する能力を持つことから選定された。

• 材料： ベースバインダーとしてBirla White Cement（IS-8042:2015）を使用した。カリウムアルミを蒸留水に溶解させ、飽和溶液を作成した。
• 試料調製： セメント質量を250gと一定とし、5組の試料セットを調製した。SPA溶液は、添加剤の重量パーセントが10mlの試料で約0.25%となるように、混合水の量を変化させて置換した（0, 10, 12, 15, 17 ml）。水結合材比は0.3から0.4の間で変化させた。
• 試験プロトコル：
  • 凝結時間： ヴィカット装置（EN 196-3）を用いて測定し、初結および終結時間を決定した。
  • 液相分析： $Ca^{2+}$および$OH^-$イオンの濃度を、EDTAおよび酸塩基滴定法を用いて各間隔で定量化した。
  • 遊離石灰： 未結合の酸化カルシウムの消費量を評価するため、フランケ抽出法を用いて決定した。
  • 圧縮強度： 5x5x5 cmの立方体を用い、1, 3, 7, 15, 28日において試験を行った（IS 4031）。
  • 微細構造解析： 28日硬化試料に対してX線回折（XRD）を行い、結晶相を特定した。走査電子顕微鏡（SEM）を用いて、表面形態および細孔構造を分析した。
  • 膨張： 寸法安定性を評価するため、モルタルロッドの長さ比較器を用いて測定した。

主な結果

• 凝結時間： SPAの添加に伴い、濃度の上昇とともに一般に凝結時間は遅延する傾向が見られ、これは高温環境下では有益な挙動であると指摘された。しかし、10 mlのSPA試料においては、$Al^{3+}$および$SO_4^{2-}$イオンが三カルシウムアルミネート（$C_3A$）と反応してエトリンガイトネットワークを急速に形成したことにより、凝結が促進される特性を示した。
• 水和キネティクス： 液相分析の結果、SPAを混合したWPC試料は、コントロールと比較して$Ca^{2+}$および$OH^-$イオンの濃度が低い状態を維持していることが判明した。これは、これらのイオンが二次的な水和反応、具体的にはケイ酸カルシウム水和物（C-S-H）ゲルの形成および水酸化カルシウム（$Ca(OH)_2$）の消費に積極的に関与していることを示している。
• 圧縮強度： 10 mlのSPAを混合した試料は、28日時点で41.1 N/mm²という最高の圧縮強度を示し、コントロール試料の37.2 N/mm²を上回った。この強度増進は、C-S-Hゲルの形成増加と微細構造の緻密化に関連している。
• 遊離石灰およびXRD： 混合試料の遊離石灰含有率は、コントロールよりも一貫して低く、これは$Al^{3+}$によって促進されたポゾラン反応を通じて水酸化カルシウムが効果的に消費されたことを裏付けている。28日間のXRD分析では、混合試料におけるシリカおよび水酸化カルシウムのピークの著しい減少が確認され、これはエトリンガイト、モノスルフェート、およびC-S-Hの形成と相関している。
• 微細構造（SEM）： 10 mlのSPA試料のSEM画像は、C-S-Hゲル内に密接に絡み合った針状（acicular）のエトリンガイト結晶を特徴とする、高度に緻密化された微細構造を示した。この「マイクロ補強」効果により、コントロール試料よりも毛細管空隙率が減少した。
• 膨張： SPAを混合したセメントは、コントロール（7日で11.4%）と比較して、低い膨張率（5日で9.7%）を示し、寸法安定性の向上を示唆した。

主要な貢献と意義
本研究は、飽和カリウムアルミ溶液がホワイト・ポルトランドセメントに対する効果的な水和活性化剤として機能することを確立した。主な貢献は、$K^+$、$Al^{3+}$、および$SO_4^{2+}$イオンの反応的放出が、セメントの審美的な白さを損なうことなく、初期強度の向上と長期的な耐久性を相乗的に高められることを実証した点にある。

本研究のSPA改質は、以下の事項をもたらすと主張している：

1. 微細構造の緻密化： 絡み合ったエトリンガイトの針状結晶の形成とC-S-Hゲルの増加により、精緻化された細孔構造が形成される。
2. 化学的効率： 遊離石灰および水酸化カルシウムの消費の加速は、より完全な水和プロセスを示している。
3. 持続可能性とコスト効率： この手法は、高品質なセメント系複合材料を製造するための、低コストで環境負荷の低いアプローチを提供する。これは、入手容易な材料を利用し、腐食性または色調変化を伴う添加剤の使用を回避するものである。

著者らは、このアプローチがWPCに関する液相活性化剤の研究上の空白を埋めるものであり、プレキャスト建築部材や装飾用コンクリートに適した、高性能で環境に優しいセメント材料を実現するための実行可能な経路を提供すると結論付けている。