フライアッシュとスラグが再生コンクリートの微視的界面と破壊進展に与える影響

建築廃材を新たな構造へ転換する

都市が拡大し古い建物が取り壊されると、粉砕されたコンクリートやフライアッシュ、スラグといった産業副産物が大量に積み上がります。一方で、新しいコンクリートを生産することは建設分野における大きな炭素排出源の一つです。本研究は簡潔かつ重要な問いを立てます：こうした廃棄物を安全に強靭で耐久性のあるコンクリートへと再利用できるか、そしてその内部で何が起きるのか？既存のコンクリートと新しいコンクリートの間にできる微小な接触領域を詳細に観察し、亀裂の成長をシミュレートすることで、性能を損なうことなく再生材料を混合する方法を示しています。

目に見えない境界が重要な理由

コンクリートは一枚岩ではなく、石や砂が硬化したペーストで結び付けられた“ごろごろした果実ケーキ”のような構造です。最も弱い箇所はしばしば骨材とペーストが接する薄い層、すなわち界面帯です。再生コンクリートでは、既存のコンクリート片が既に経年した薄いペースト層を持っているため、この界面がさらに複雑になります。新しいペーストがそれらを包み込むと、複数の境界が現れます。本研究は、天然骨材の一部を再生コンクリート片で置き換えたとき、そして石炭燃焼や製鋼の副産物であるフライアッシュやスラグをペーストに混ぜたときに、これらの境界層がどのようにふるまうかに着目しています。

強度のための異なる配合を試す

研究チームは、再生コンクリート片の割合、フライアッシュの量、スラグの量という3つの要因を変えて、合計24種類のコンクリート配合を作成しました。すべての混合で水と砂の量は同じにしておき、性能の変化がこれらの置換に起因するようにしています。立方体試料の圧壊強度や円柱試料の引張分割強度を測定した結果、再生骨材の割合が増すほど一般的に強度は低下しました。フライアッシュやスラグの添加も多くの場合で強度を低下させ、とくに高用量ではペーストの硬化が遅れるためその傾向が顕著でした。しかし最適点も見いだされました：骨材の40％を再生材にし、スラグを10％使用した配合では強度の低下はわずか約5％にとどまり、標準的なコンクリートに非常に近い性能を示しました。

コンクリート内部を観察する

なぜ一部の配合が良好な結果を示すのかを解明するため、研究者たちはコンクリートの薄片を研磨して顕微鏡で観察しました。画像からは、再生コンクリートは孔隙が多く、骨材とペーストの界面が普通のコンクリートより粗いことが明らかになりました。再生材の周囲では界面帯が緩く多孔性であり、未反応のセメント粒子やフライアッシュ、スラグの残存が見られました。この開いた構造は結合材を弱めます。新しい天然骨材を用いた通常のコンクリートでは、界面がより緻密で連続的、かつ小さな孔が優勢であり、それが優れた強度を説明します。研究はフライアッシュとスラグの双方がこれらの界面帯の孔隙率を高めることを示しましたが、フライアッシュの方がより強く影響することが分かりました。

亀裂の発生と成長を観察する

静止画像に留まらず、著者らは再生コンクリートが実際にどのように破壊するかを見たかったため、薄い界面帯を荷重下で開裂・分離する脆弱な層として扱うコンピュータモデルを構築しました。ブロックを押し付けるシミュレーションでは、最初に最も孔隙の大きい外側の界面帯で微小亀裂が発生しました。荷重が増すにつれてこれらの亀裂は内部へ広がり、連結してやがて試料を横切る形で破壊に至ります。実際に圧壊した試料の写真はモデルと一致しました：再生材とフライアッシュの割合が高い混合物では幅広く曲がりくねった亀裂が発達し、中程度の再生材比率とスラグを用いた混合物ではより狭く直線的な亀裂が見られ、内部構造がより締まっていることを示唆しました。

より環境配慮した建築への示唆

専門外の方への要点は安心できるものです：適切な材料選定によって、解体廃材と産業副産物から作ったコンクリートは従来の材料の強度に非常に近づけることができます。本研究は、最も弱い部分が再生材周囲の微小な界面層であり、とくにフライアッシュやスラグを過剰に添加すると問題が大きくなることを示しています。再生骨材を適度なレベルに抑え、スラグを控えめに使うことで、これらの界面の損傷と亀裂進展を抑制できます。これは廃棄物を安全に“消費”しつつ脆化を避ける、低炭素コンクリートの実用的な配合への指針となり、より堅牢で持続可能な建物や道路への道を示します。

引用: Chen, C., Wei, Z., Zhang, J. et al. The impact of fly ash and slag on the microscopic interface of recycled concrete and its destruction evolution. Sci Rep 16, 9565 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-17035-9

キーワード: 再生コンクリート, フライアッシュ, スラグ, 界面遷移帯, 持続可能な建設