【シリカフュームとは】主任技士試験に役立つ知識

主任技士

シリカ(Silica)=ケイ素化合物、フューム(fume)=煙

シリカフュームとは?

電気炉で金属シリコン(金属ケイ素)を製造する際に発生する蒸気を集塵すると、シリカフュームと呼ばれる高純度のSiO2(二酸化ケイ素)の微細球状粒子が得られます。

シリカフュームは従来、産業廃棄物として廃棄されていましたが、環境改善の要望が高まり、コンクリートの混和剤等としての再利用が進みました。

金属シリコンは、半導体デバイスの基板として使われているシリコンウエハーや光ファイバーの原料として使われます。

シリカフュームの特徴

シリカフュームは、pHが中性域で、熱に強いSiO2を主成分としているため、耐火性の求められるコンクリートにうってつけの材料です。その特徴を以下にまとめます。

1.ポゾラン反応性が高い

”ポゾラン”とは「火山灰やシリカを含んだ砂や粉」のことを差します。シリカフュームは主成分がシリカである微細な粉なので、ポゾランの一種といえます。
また、コンクリート中のセメントが水和する際に生成される”水酸化カルシウム”とポゾランが反応してカルシウムシリケート化合物(C-SーH)が生成される反応のことをポゾラン反応と言います。
カルシウムシリケート化合物は、ケイ酸カルシウム水和物とも呼ばれます。

フライアッシュもポゾラン反応性を有する材料としてコンクリートに用いられますが、大きな違いとしては、粒子の大きさが挙げられます。

シリカフューム:球形(平均粒形1pm)、粒の大きさが揃っている
フライアッシュ:球形(平均粒形20pm)、粒の大きさは不揃い

フューム=煙、フライ=飛ぶということから、シリカフュームの方が小さいと覚えましょう。

コンクリートが固まる過程での反応

セメント中のケイ酸三カルシウムC3Sが水和により水酸化カルシウムが生成されます。生成された水酸化カルシウムとシリカなどのポゾランと反応し、硬化性を持つカルシウムシリケート化合物(C-S-H)が生成されます。下図でいうと、第2ピークの部分(コンクリート製造後10~12H)での反応になります。

コンクリートが固まる際の主成分は4つ挙げられますが、その中でもコンクリート打設後の硬化反応に大きく寄与するのがカルシウムシリケート化合物です。

2.高い流動性を得られる=高強度化が可能

シリカフュームは、微細球状粒子であり、セメント中でベアリングのように働くことで、コンクリートの流動性を高めます。その結果、水セメント比を20%以下まで抑えることができるため、コンクリートの高強度化が可能となります。

3.マイクロフィラー効果

シリカフュームの粒径はとても小さく、コンクリートの組織の間隙を埋める効果があります。コンクリートの組織を緻密化することで、コンクリートの耐久性を向上させることができます。

4.自己収縮量が多い

シリカフュームや高性能AE減水剤を用いて水セメント比を小さくしたコンクリートは、水和反応による”自己収縮”が大きくなることが実験により確認されています。そのため、シリカフュームを用いたコンクリートには、膨張剤を入れる等して、自己収縮に対する対策を取ることが求められます。

以上、シリカフュームについて最低限の情報をまとめました。
元々シリコンを製造する際に発生する蒸気に含まれていた”産業廃棄物”だったシリカフュームですが、様々な研究により環境負荷を低減させるための材料としてコンクリートに用いられています。

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