【公開日：2023.07.28】【最終更新日：2023.05.19】
課題データ / Project Data
課題番号 / Project Issue Number
22NM0053
利用課題名 / Title
大幅な発生CO2削減が可能な高活性β-C2Sを主原料とした高循環型セメントの材料設計
利用した実施機関 / Support Institute
物質・材料研究機構 / NIMS
機関外・機関内の利用 / External or Internal Use
外部利用/External Use
技術領域 / Technology Area
【横断技術領域 / Cross-Technology Area】（主 / Main）物質・材料合成プロセス/Molecule & Material Synthesis（副 / Sub）-
【重要技術領域 / Important Technology Area】（主 / Main）マテリアルの高度循環のための技術/Advanced materials recycling technologies（副 / Sub）-
キーワード / Keywords
核磁気共鳴/Nuclear magnetic resonance,資源代替技術,未利用資源の有効利用技術
利用者と利用形態 / User and Support Type
利用者名（課題申請者）/ User Name (Project Applicant)
斎藤 豪
所属名 / Affiliation
新潟大学大学院自然科学研究科環境科学専攻
共同利用者氏名 / Names of Collaborators in Other Institutes Than Hub and Spoke Institutes
ARIM実施機関支援担当者 / Names of Collaborators in The Hub and Spoke Institutes
大木忍,出口健三,染谷昭子
利用形態 / Support Type
（主 / Main）機器利用/Equipment Utilization（副 / Sub）-
利用した主な設備 / Equipment Used in This Project
NM-102：500MHz固体高分解能NMRシステム
NM-103：800MHzナローボア固体高分解能NMRシステム
報告書データ / Report
概要（目的・用途・実施内容）/ Abstract (Aim, Use Applications and Contents)
本研究では、高活性ビーライトを水和させることで得たCa/Si比2.0のC-S-Hに対するAl置換性状と再焼成によるビーライトの再生に関する検討を行った。その結果、Alは4配位、6配位AlとしてCa/Si比2.0のC-S-Hにおける架橋部分に取り込まれ、置換量の増加伴い底面間隔が広がることが示された。一方で、高Ca/Si比のC-A-S-Hからは800 ℃焼成によりビーライトが再生することが明らかとなった。この時、Al置換量の増加に伴い、β-C2Sからα’-C2Sの生成が優位となる傾向が見られ、結晶子径ならびに比表面積は水和前のビーライトと同等であることを確認した。以上より、再生可能セメントでは、その要であるCa/Si比2.0のC-S-HがAlにより変質しても、再生サイクルを維持できる可能性が示された。
実験 / Experimental
Al: 800MHz固体高分解能ＮＭＲシステム （NMR800)MAS条件(回転速度20kHz)においてシングルパルス法によって測定した．また化学シフト基準は，AlCl3
飽和水溶液のピークを－0.1ppmとし，18°パルスを用い，積算回数256回とした．
Si: 500MHz固体高分解能NMRシステムにてCPMASおよびDDMAS法にて測定を行った。
結果と考察 / Results and Discussion
本研究では、Ca/Si比2.0のC-S-Hおよび再生可能セメントのサイクルに及ぼすAlの影響について検討した。得られた知見を下記に示す。 (1) Alは4配位および6配位として、Ca/Si比2.0のC-S-H中のBridging siteに置換しており、Al置換量が増加するとC-A-S-Hの底面間隔が広がり、(002)面の規則性が低下することを示した。 (2) 上記のC-A-S-Hを800 ℃で3時間焼成することでCa2SiO4が再び生成することが示された。また、Al置換率が増加すると焼成後のCa2SiO4は、β-C2Sよりもα’-C2Sが優位となる傾向を示した。 (3) 再焼成により生成したCa2SiO4の結晶子径は水和前のCa2SiO4試料と同等であり、比表面積値は同等以上であることから、水和前よりも高い水和活性を有すること考えられる。以上より、本論では再生可能セメントにおけるCa/Si比2.0の低結晶質C-S-Hは、Alが置換しC-A-S-Hを形成するものの、焼成することにより再び高活性のCa2SiO4として再生可能であることを示した。
図・表・数式 / Figures, Tables and Equations
その他・特記事項（参考文献・謝辞等） / Remarks(References and Acknowledgements)
謝辞：
固体NMR測定は、物質･材料研究機構NMRステーションの支援を受けて実施されました。ここに感謝の意を表します。
参考文献：
1)
CEMBUREAU：ACTIVITY REPORT 2019，https://cembureau.eu/media/clkdda45/activity-report-2019.pdf，[Access on：08.05.2022]
2)
OECD/IEA,
CSI：Low-carbon Transition in the Cement
Industry: Technology Roadmap，International
Energy Agency，IEA，Paris (2018)
3)
United Nations' Intergovernmental Panel on
Climate Change (IPCC)：Climate Change 2014，(IPCC)
5th Assessment Report，United Nations，New
York (2014)
4)
斎藤豪ほか：共沈法による高Ca/Si比C-S-Hの合成、セメント・コンクリート論文集、Vol.
72、pp.
373–380（2018）
5)
鈴木一帆ほか：塩化カルシウムを用いた共沈法によるC-S-Hの合成とセメントの再生サイクルに関する検討、セメント・コンクリート論文集、Vol.
73、pp.
421–428（2019）
6)
井川義貴ほか：錯体重合法による高比表面積β-C2Sの作製及びその水和性状に関する検討、セメント・コンクリート論文集、Vol.
73、pp.
363–370（2019）
7)
M. C. G. Juenger, F. Winnefeld, J. L. Provis,
J. H. Ideker：Advances
in alternative cementitious binders，Cement and Concrete Research，Vol.
41，Issue
12，pp.
1232–1243（2011）
8)
K. Scrivener，F. Martirena，S.
Bishnoi，S.
Maity：Calcined
clay limestone cement (LC3)，Cement and
Concrete Research，Vol. 114， pp. 49–56（2017）
9)
P. Faucon et al.：Triple-Quantum
Two-Dimensional 27Al Magic Angle Nuclear Magnetic Resonance Study of
the Aluminum Incorporation in Calcium Silicate Hydrates，Journal
of the American Chemical Society，Vol. 120，pp.
12075–12082 (1998)
10) D.
Jansen et al.：A
remastered external standard method applied to the quantification of early OPC
hydration，Cement and Concrete Research，Vol. 41，Issue.
6，pp.
602–608 (2011)
11)
I. G. Richardson：Model
structure for C-(A)-S-H (Ⅰ)，Acta Crystallographica Section B，Vol.
70，pp.
903–923 (2014)
12) Jiawei Wang et al.：Effect of Ca/Si and Al/Si on
micromechanical properties of C(-A)-S-H，Cement
and Concrete Research，Vol. 157，Article.
106811 (2022)
13)
S. Xu et al：High-Field
One-Dimensional and Two-Dimensional 27Al Magic-Angle Spinning
Nuclear Magnetic Resonance Study of θ-, δ-, and γ-Al2O3
Dominated Aluminum Oxides: Toward Understanding the Al Sites in γ-Al2O3，American
Chemical Society OMEGA，Vol. 6，Issue. 5，pp.
4090–4099 (2021)
14)
A.
K. Mohamed et al.：The Atomic-Level
Structure of Cementitious Calcium Aluminate Silicate Hydrate，Journal of the American chemical
Society，Vol. 142, pp.
11060–11071（2020）
15)
梶尾知広ほか：27Al MAS
NMR及びXRD・Rietveld
法を用いたC3A-Gypsum-Portlandite系の水和反応解析、セメント・コンクリート論文集、Vol.
70、pp.
111–118（2016）
16)
J. Skibsted, E. Henderson and H. Jakobsed：Characterization
of calcium aluminate phases in cements by 27Al MAS NMR spectroscopy，Inorganic
Chemistry，Vol.
32，Issue.
6，pp.
1013–1027 (1993)
17)
S. Joseph, J. Skibsted and Ö. Cizera：A
quantitative study of the C3A hydration，Cement
and Concrete Research，Vol. 115，Issue. 6，pp.
145–159 (2019)
18)
S. N. Ghosh et al.：The
chemistry of dicalcium silicate mineral，Journal
of Materials Science，Vol. 14，Issue. 7，pp.
1521–1553 (1979)
19)
A. Cuesta et al.：Mechanism
of stabilization of dicalcium silicate solid solution with aluminium, Dalton
Transaction，Vol.
43，pp.
2176–2182 (2014)
成果発表・成果利用 / Publication and Patents
論文・プロシーディング（DOIのあるもの） / DOI (Publication and Proceedings)
口頭発表、ポスター発表および、その他の論文 / Oral Presentations etc.
特許 / Patents
特許出願件数 / Number of Patent Applications：0件
特許登録件数 / Number of Registered Patents：0件