セルロースナノファイバーと石灰岩フィラーが実現する高性能で持続可能、コスト効率の高いプリント可能コンクリート

より強く、より環境に優しいコンクリートをつくる

コンクリートは現代都市の基盤ですが、その製造は大量の二酸化炭素を大気中に放出します。一方で、廃棄を減らし建設を高速化する3Dプリント技術の波が来ており、プリント可能なコンクリート自体が強く、安定で、安価かつ気候に配慮したものであれば実用化が進みます。本論文は、木材由来のセルロースナノファイバーと単純な粉状石灰岩を組み合わせることで、印刷中に形状を保持し、従来の配合と同等の強度を示しつつ、コストと炭素排出を削減する新しいタイプのプリント可能コンクリートを作れることを示します。

3Dプリントコンクリートが抱える課題

3Dプリントコンクリートは従来の木製型枠を不要にし、層ごとに複雑な曲面や張り出しを造形できます。しかし現行のプリント用配合は、ポンプで流せる流動性と積み重ねに耐える速やかな硬化を両立させるために大量のセメントと高価な化学添加剤を必要とします。セメント製造だけで人為的CO₂排出の約8%を占めるため、これは高コストで高炭素な解決策です。課題は、ノズルを出るときに滑らかに流れ、その後すばやく剛性を増して自重を支える材料を、より少ないセメントと負荷の大きい成分で設計することです。

賢い成分としての木質繊維と石灰岩

研究者らは、セメント系配合に入手しやすい二つの材料を混ぜることでこの問題に取り組みました。セメントの一部を置き換える粉状石灰岩と、木材から作った極細のセルロースナノファイバーです。石灰岩はセメントよりも生産コストが低く、環境負荷も小さい上、その微粒子が混合物の充填性を高め、新鮮なコンクリートを硬化させる初期の化学反応を促進します。ナノファイバーは幅はナノメートル、長さはマイクロメートルという極めて細い繊維で、微視的な網目のように働きます。表面電荷を通じてセメント粒子と相互作用し、それらをつなぎ合わせることで、流動が始まる前に材料が耐えうるせん断応力を劇的に高めますが、プリンターを詰まらせるほどの過度な粘度にはなりません。

印刷中の新配合の挙動

詳細な実験室試験により、この組み合わせの威力が明らかになりました。セメントの29%を石灰岩に置き換え、バインダー重量比でわずか0.3%のセルロースナノファイバーを加えるだけで、新鮮ペーストの初期「降伏応力」は12倍以上に増加しました。これは各印刷層が上層からの荷重をはるかに多く支えられることを意味します。形状保持性（剛性）と、永久変形を伴わないわずかな伸び能力も向上し、張り出しを持つ形状を印刷する際に重要です。一方で、押し出し時の流れに対する抵抗である粘度は穏やかにしか増加しませんでした。顕微鏡観察と熱流動測定は、石灰岩が主に硬化して剛性を生む水和生成物の形成を促進するのに対し、ナノファイバーは基礎化学を大きく変えるのではなく、物理的および静電的相互作用を通じて強度を高めることを示しました。

実験室ペーストから実際の印刷構造へ

これらの利点がレオロジー室外で役立つかを確かめるため、研究チームは二つのスケールで張り出しを伴う中空柱を印刷しました。小型プリンター試験では、新成分を加えない基本配合は数層で崩壊し、石灰岩のみの配合はやや改善しました。しかし石灰岩とナノファイバーを組み合わせた完全配合は、崩壊することなく46層に達しました。産業用ロボットアームを用いた大規模試験では、同じ配合が幅0.5メートル、張り出し角25度の柱を印刷し、78層で座屈するまで耐え、同条件下で試験した2製品の市販高性能プリント用コンクリートを大きく上回りました。硬化後の試験体の機械試験では、セメント量を40%削減しているにもかかわらず、新配合は従来の基準材料と同等の圧縮強度と曲げ強度を示しました。これは、ナノファイバーが硬化マトリックス内の微小亀裂を橋渡しする効果によるものです。

低炭素、低コスト、同等の強度

性能に加えて、著者らは最終製品の完全な生産連鎖におけるコストと気候影響を評価しました。セメントがコストと排出量の両面で支配的であるため、その大部分を石灰岩に置き換えることは大きな節約につながります。技術経済解析では、強度を考慮に入れた場合、最適化された混合物の最低販売価格は標準的なプリントモルタルと比べて約12%低下し、ライフサイクルアセスメントでは単位強度当たりの地球温暖化影響が約3分の1減少することが示されました。ナノファイバーはわずかな添加量でコストや炭素負荷にほとんど寄与しない一方、印刷性と強度に大きな改善をもたらし、これまでに研究された添加剤の中でも非常に効率的であることがわかりました。簡潔に言えば、木質由来の繊維と粉砕岩石を賢く組み合わせることで、3Dプリントコンクリートを信頼性を損なうことなく、より頑丈で安価かつ大幅に環境負荷の低いものにできることを示しています。

引用: Wang, Y., Douba, A.E., Rajendiran, N. et al. Cellulose nanofibers and limestone filler enable high-performance, sustainable, and cost-efficient printable concrete. Nat Commun 17, 3481 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69373-5

キーワード: 3Dプリントコンクリート, セルロースナノファイバー, 石灰岩フィラー, 低炭素建設, レオロジー