コンクリートにおけるメタカオリンの役割

（１）セメントスラリーやモルタルの強度を向上させる。高強度は高性能コンクリートの指標の一つである。メタカオリンを添加する主な目的の一つは、セメントモルタルやコンクリートの強度を向上させることである。

Poon ら (2001) は、ポルトランドセメントを 0 ～ 20% (質量分率) カオリンとシリカ粉末で置き換えて調製した、水セメント比 0.3 のセメントスラリーの圧縮強度試験を実施した。その結果、5% ～ 20% カオリンを含むセメントスラリーの圧縮強度は、すべての材齢において基準セメントよりも高く、10% カオリンを含むセメントは、基準セメントと比較して 28 日と 90 日で強度が 20% 増加した。5% ～ 10% シリカ粉末を含むセメントも、基準セメントと比較して 28 日と 90 日で強度が 20% 増加した。28 日と 90 日の強度はカオリンセメントと同等であるが、初期強度は基準セメントよりも低い。分析によると、これは使用したシリカ粉末の凝集が激しく、セメントスラリー中での分散が不十分であることに関係している可能性がある。

（２）李克良ら（２００５）は、カオリンの焼成温度、焼成時間、およびSiO２とAl２O３含有量が、セメントコンクリートの強度を向上させるメタカオリンの活性に及ぼす影響を研究した。メタカオリンを用いて高強度コンクリートと土壌ポリマーを調製した。その結果、カオリンの含有量が１５％で水セメント比が０．４の場合、２８日圧縮強度は７１．９ MPaであった。カオリンの含有量が１０％で水セメント比が０．３７５の場合、２８日圧縮強度は７３．９ MPaであった。さらに、メタカオリンの含有量が１０％の場合、その活性指数は１１４に達し、同量のケイ素粉末よりも１１．８％高かった。したがって、メタカオリンは高強度コンクリートの製造に使用できると考えられる。

Qian Xiaoqianら（2001）は、カオリン含有量が0、0.5%、10%、15%のコンクリートの軸方向引張応力-ひずみ関係を研究した。彼らは、カオリン含有量の増加に伴い、コンクリートの軸方向引張強度のピークひずみが著しく増加し、引張弾性係数はほぼ変化しないことを発見した。しかし、コンクリートの圧縮強度は著しく増加し、圧縮強度比はそれに応じて減少した。カオリン含有量が15%の場合、コンクリートの引張強度と圧縮強度は、それぞれ基準コンクリートの128%と184%であった。

Cao Zhengliang ら (2004) は、メタカオリンの超微粉末がコンクリートを強化する効果に関する研究で、同じ流動性の場合、メタカオリンを 10% 含むモルタルは 28 日後に圧縮強度と曲げ強度が 6% ～ 8% 増加することを発見しました。メタカオリンを混合したコンクリートの初期強度発現は、標準コンクリートよりも著しく速いことがわかりました。基準コンクリートと比較すると、メタカオリンを 15% 含むコンクリートは、3D 軸方向圧縮強度が 84% 増加し、28 日軸方向圧縮強度が 80% 増加し、静的弾性係数は 3D で 9% 増加し、28 日で 8% 増加しました。

Huang Zhan ら (2008) は、メタカオリンとスラグの混合比率の違いがコンクリートの強度と耐久性に及ぼす影響を研究した。その結果、スラグコンクリートにメタカオリンを添加すると、コンクリートの強度と耐久性の両方が向上することがわかった。スラグとセメントの最適な比率は約 3:7 であり、これにより理想的なコンクリート強度が得られる。複合コンクリートのアーチ差は、メタカオリンの火山灰効果により、単独スラグコンクリートよりもわずかに大きい。その割裂引張強度は、基準コンクリートよりも高い。

Yang Fengling ら (2011) は、セメントの代替としてメタカオリン、フライアッシュ、スラグを等量使用し、メタカオリンをフライアッシュとスラグに別々に混合してコンクリートを製造した。コンクリートの作業性、圧縮強度、耐久性を調べた。その結果、セメントの 5% ～ 25% を等量でカオリンに置き換えた場合、すべての材齢でコンクリートの圧縮強度が向上し、セメントの 20% を等量でカオリンに置き換えた場合、各材齢での圧縮強度が理想的であることがわかった。3 日、7 日、28 日の強度は、カオリンを添加していないコンクリートと比較して、それぞれ 26.0%、14.3%、8.9% 高い。これは、タイプ II ポルトランドセメントの場合、メタカオリンの添加により製造されたコンクリートの強度が向上することを示している。

張成波ら（2012）は、製鋼スラグ、メタカオリン、その他の材料を主原料として、従来のポルトランドセメントに代わるジオポリマーセメントを製造し、省エネルギー、消費削減、廃棄物の有効活用という目標を達成した。その結果、鋼材含有量とフライアッシュ含有量がともに20%の場合、28日後の試験体の強度が非常に高いレベル（95.5MPa）に達したことが示された。また、添加する製鋼スラグの量が増えるにつれて、ジオポリマーセメントの収縮を抑制する効果も期待できる。

陳国燦（2010）は、「ポルトランドセメント＋活性鉱物混和剤＋高効率減水剤」の技術ルート、磁化水コンクリート技術、および従来の製造プロセスを採用し、地元産の石やスラグなどの原料を用いて低炭素超高強度石スラグコンクリートの製造実験を行った。その結果、メタカオリンの適切な添加量は10％であることが示された。超高強度石スラグコンクリートの単位質量あたりのセメント寄与の質量対強度比は、普通コンクリートの約4.17倍、高強度コンクリート（HSC）の2.49倍、反応性粉末コンクリート（RPC）の2.02倍であった。したがって、低添加セメントで製造された超高強度石スラグコンクリートは、低炭素経済時代のコンクリート開発の方向性である。

（３）耐凍害性カオリンをコンクリートに添加すると、コンクリートの細孔サイズが大幅に減少し、コンクリートの凍結融解サイクルが改善されます。馮乃謙（2002）は、一定回数の凍結融解サイクルにおいて、カオリン含有量15％のコンクリート試料の28日齢時の弾性係数が、28日齢時の参照コンクリートの弾性係数よりも有意に高いことを発見しました。メタカオリンと他の鉱物超微粉末をコンクリートに複合的に使用することで、コンクリートの耐久性を大幅に向上させることができます。