Experimental and Machine Learning-Based Performance Evaluation of Ambient-Cured Geopolymer Mortar Using Microstructural Characterisation and ABAQUS Numerical Analysis

緑のコンクリート革命：灰、錬金術、そしてAIの物語

建設業界を、地球の資源をむさぼり食う巨大で飢えた獣だと想像してみてください。1世紀以上にわたり、この獣はポルトランドセメントを食べてきました。これは非常に強力な材料ですが、製造のたびに大量の二酸化炭素の雲を吐き出す、極めて環境負荷の高い素材でもあります。科学者たちは長年「グリーン」な代替品を模索してきましたが、そこで魅力的な候補を見つけ出しました。それが「ジオポリマー・モルタル」です。これは単なる新しい発明ではなく、一種の魔法のような変容だと考えてください。粘土を焼き固めてセメントを作る代わりに、この新しい材料は、石炭燃焼の後に残る灰や製鉄過程で出るスラグといった産業廃棄物を利用し、「アルカリ活性剤」と呼ばれる特別な化学的なスープによって、それらを「目覚めさせる」のです。それは、工場の1日の終わりの「食べ残し」を、膨大な炭素排出を伴うことなく、超強力で耐久性のあるレンガへと変えるようなものです。

しかし、ここからが難しいところです。この「魔法の粉」を完璧に機能させることは、レシピなしで完璧なケーキを焼こうとするようなものです。「小麦粉」となる様々な種類の廃棄物を混ぜ合わせ、「酵母」となる適切な化学的スープを選び、「焼き時間」を決める必要があります。もし配合を間違えれば、結果は弱く脆いものになってしまいます。もし正解を見つければ、従来のコンクリートよりも強く、かつ地球に優しい材料が得られます。これこそが研究者たちが解こうとしているパズルです。いかにしてこれらの産業廃棄物を混ぜ合わせ、超高温のオーブンを使う代わりに常温で硬化させつつ、最も強く信頼できる建築材料を作り出すことができるのか？

実験：完璧な「グリーン」レシピの調合

この研究において、研究者のリシケシュ・ハルトデとスバス・パタンカルは、熟練の錬金術師の役割を演じることに決めました。彼らの目標は、高価な熱を加えることなく、普通の作業場ですぐに作って硬化させることができる、究젝트・ジオポリマー・モルタルの究極のレシピを見つけることでした。彼らは4種類の「小麦粉」（前駆体材料）を集めました。フライアッシュ（石炭火力発電所由来）、高炉スラグ微粉末（GGBFS、製鉄所由来）、メタカオリン（粘土の派生物）、そして製鉄スラグです。また、主にナトリウムベースおよびカリウムベースの化学溶液に焦点を当てた、異なる種類の「酵母」（アルカリ活性剤）もテストしました。

彼らは単に勘に頼ったわけではありません。膨大な一連の実験を行いました。材料の比率を変えながら、数十種類の異なる混合物を作成しました。100%フライアッシュのものもあれば、100%GGBFSのものもあり、さらに50対50のハイブリッドのようなものも作成しました。これらの混合物を型に流し込み、常温で放置し、7日、14日、28日後の強度を確認しました。また、湿ったモルタルの「流れやすさ（流動性）」も測定しました。なぜなら、もしドロドロしすぎていると、亀裂への補修材として流し込むのが難しくなるからです。

大きな発見:
結果は明白でした。100% GGBFSで作られた混合物が、文句なしのチャンピオンでした。28日後、常温硬化材としては驚異的な68.51 MPaという圧縮強度に達しました。次点は、**フライアッシュ50%とGGBFS50%**のハイブリッド混合物で、61.44 MPaを記録しました。このハイブリッドは、強度とワーカビリティ（作業性）の素晴らしいバランスを備えた「スイートスポット」でした。

一方で、メタカオリンや製鉄スラグに大きく依存した混合物は、今回の特定の常温条件下では思うような性能を発揮しませんでした。それらは強度が低く、適切な量のカルシウム（GGBHSに豊富に含まれる）と適切な化学的な「呼び起こし」がなければ、これらの材料は効果的に硬化しないことを示唆しています。また、研究者たちは、この特定の作業においては、ナトリウムベースの化学スープ（NaOH + Na2SiO3）が、カリウムやカルシウムベースのものよりもはるかに優れた働きをすることも発見しました。

クリスタルボール：AIによる未来予測

コンクリートを作ることはコストと時間がかかります。混ぜて、流して、数週間待ち、そしてそれがうまくいったかどうかを確認するために押しつぶす必要があるのです。これを加速させるために、研究者たちはデジタルな水晶玉、すなわち「機械学習」に目を向けました。彼らは実験データを4つの異なるコンピュータ・ブレイン・モデル、すなわち人工ニューラルネットワーク（ANN）、ガウス過程回帰（GPR）、ランダムフォレスト（RF）、サポートベクターマシン（SVM）に投入しました。

これらのモデルを、宿題をどれだけやったかに基づいて期末テストの点数を予想しようとしている4人の生徒だと考えてみてください。**人工ニューラルネットワーク（ANN）**は、最も優秀な生徒でした。それは他のモデルよりも、化学反応の複雑で非線形なルールをより深く学習しました。ANNは驚異的な精度でモルタルの強度を予測し、現実世界の実験結果とほぼ完璧に一致しました。他のモデルも優秀でしたが、ANNが最も信頼できるものでした。

コンピュータが単に推測しているのではないことを確認するために、研究者たちはSHAP解析というツールを使用しました。これは、コンピュータに対して「なぜこの混合物が強いと思ったのか？」と問いかけるようなものです。コンピュータは、最も重要な成分を指し示しました。それは、GGBFSの量、水酸化ナトリウムの濃度、そしてケイ酸ナトリウムの投与量でした。これは実験結果が示した通り、これらが「王国の鍵」であることを裏付けていました。

顕微鏡と熱テスト：レンガの内部を見る

なぜGGBFSの混合物がこれほど強かったのかを理解するために、研究者たちは顕微鏡で観察し、熱にさらしてみました。

• 顕微鏡（SEMおよびXRD）: 100% GGBFSの混合物を観察すると、ゲルが密集した、隙間のない「都市」が見えました。そこには、スラグに含まれる豊富なカルシウムによって迅速に形成される、C-(A)-S-Hゲルと呼ばれる特別な「糊」が充満していました。孔（ポア）はほとんどなく、粒子同士がしっかりと結合していました。対照的に、強度の低い混合物には、より多くの隙間と、この強い糊の少なさが確認されました。
• 熱テスト（TGA-DTG）: 彼らはサンプルを1000°Cまで加熱し、どのように耐えられるかをテストしました。GGBFSの混合物は非常にタフでした。加熱しても重量の減少が極めて少なく、その内部構造が安定しており、容易に崩壊しないことを証明しました。これは、これらのレンガが単に強いだけでなく、耐火性と耐久性を備えていることを示唆しています。

構造テスト：崩れゆく梁を救えるか

最後に、研究者たちは「この材料は実際に建物を救えるのか？」と問いかけました。彼らはABAQUSという強力なコンピュータ・シミュレーションを用い、すでに亀裂が入り弱体化したコンクリート梁をモデル化しました。そして、その梁を新しいジオポリマー・モルタルで作られた「ジャケット」で包み、六角形のワイヤーメッシュ（鶏の金網のようなもの）で補強しました。

彼らは、メッシュの層数を1層、2層、3層と変えてテストしました。

• 元の弱い梁は、破壊する前に48 kNの力しか持ちませんでした。
• 3層のジオポリマー・ジャケットを施した梁は、74 kNの力を支えることができました。
• これは、強度が54.2%向上したことを意味します！

シミュレーションによれば、ジオポリマー・ジャケットはスーパーヒーローの盾のように機能しました。それは亀裂の広がりを阻止し、梁を一体化させ、剛性を高めました。メッシュの層を増やすほど梁の性能は向上し、3層のバージョンが最も損傷が少なく、たわみも最小限でした。

結論

この研究は、建設の未来に向けた非常に有望な展望を描いています。これは、私たちが産業廃棄物を利用して、炉を使うことなく、従来のセメントよりも強力な高性能建築材料を作れることを証明しています。100% GGBFSの混合物が最強ですが、50-50のフライアッシュ/GGBFS混合物も、バランスの取れた素晴らしい選択肢となります。

また、本研究は、もはやレシピを推測する必要はないことも示しました。スマートなコンピュータ・モデル（特にANN）は、高い精度で結果を予測でき、時間とコストを節約できます。そしておそらく最も重要なことは、この新材料が単なるラボの好奇心の対象ではなく、古い建物や損傷した建物を補修し強化するための強力なツールとして機能することです。これにより、インフラはより安全で持続可能なものになります。研究者たちは、これらの材料が長年にわたる極端な天候にどのように対処するかについてはさらなるテストが必要であると指摘していますが、これまでの証拠は、ジオポリマー・モルタルがグリーン建設における巨大な飛躍であることを示唆しています。