持続可能な高性能コンクリート：強度と環境配慮のためにリサイクルゴムとスラグを活用する

古タイヤと工業副産物をより強いコンクリートへ変える

コンクリートは現代の生活のあらゆるところにあり、橋や高層建築から歩道やトンネルまで利用されていますが、その主要原料であるセメントの製造は大量の二酸化炭素を大気中に排出します。本研究は興味深い問いを探ります：製鋼の副産物や廃車タイヤを高性能コンクリートの原料として活用し、強度と安全性を維持しつつコストを下げ、環境負荷を大幅に軽減できるか、という点です。

なぜコンクリートを見直す必要があるのか

セメント生産だけで世界の二酸化炭素排出量の約8％を占めており、気候配慮型イノベーションの主要な対象です。一方で、製鋼から生じる数百万トンの工業スラグや廃タイヤ由来のゴムが廃棄物として積み上がっています。研究者たちは、セメントのかなりの割合を粒状高炉スラグと微粉砕ゴム粉末で置き換える高性能コンクリートを設計することを目指しました。目標は、近代インフラが求める厳しい強度と耐久性を満たしながら、どれだけセメント含有量（ひいては排出量とコスト）を削減できるかを検証することでした。

新しい配合の試験方法

研究チームは一連のコンクリート配合を作成し、セメントを段階的に最大50％までスラグで置き換え、最も有望なスラグ配合ではゴム粉末を最大30％まで添加しました。標準試験片を鋳造・養生し、圧壊、曲げ、分割に対する耐性という構造性能の基本指標を測定しました。強度試験に加えて、生コンクリートの流動性、硬化後の密度、荷重下での破壊挙動（脆性か延性かを示す）も評価しました。材料内部で何が起きているかを理解するために、硬化したペーストの結晶構造や微細構造を調べる実験室技術も用いました。

強度、柔軟性、そして最適な配合

結果は、スラグがセメントの非常に有望な代替材であることを示しました。セメントの最大30％をスラグで置き換えても、圧縮強度・引張強度・曲げ強度はおおむね5〜10％程度しか低下せず、逆に生コンクリートの流動性が改善され、重量がわずかに減少しました。30％を超えるスラグ置換では強度が急速に低下し始めます。ゴム粉末は異なる挙動を示しました。低い添加量でも強度を低下させますが、破壊前の変形能力が大きくなり、破壊時のエネルギー吸収性が向上します。これは衝撃や地震にさらされる環境で有用です。30％スラグと組み合わせた10％のゴム置換では、圧縮強度は約89メガパスカルから73メガパスカルに低下しましたが、破壊時の変位はほぼ倍増し、破壊エネルギーが最大化され、より粘り強く脆性の少ない材料であることが示されました。

材料内部で何が起きているか

微視的な解析は、これらのトレードオフの理由を明らかにしました。スラグは従来のコンクリートに強度を与えるのと同様の化学反応に参加し、結合性のあるゲルを追加で形成して内部マトリックスを緻密化します。これに対してゴムは化学的に不活性で撥水性を持ちます。微小なゴム粒子が連続したセメントネットワークを遮断し、その周辺に弱い接触領域や小さな空隙を生み出します。詳細解析では、ゴムを含む配合は強度を担う主要相が少なく、より不均一で空洞の多いテクスチャを示しました。これが、より柔軟でエネルギーを吸収しやすいが、極端な荷重を支える能力が劣る理由を説明します。

気候面とコスト面の利点

実験室の範囲を越えて、研究者たちは配合のライフサイクルと経済性を評価しました。ライフサイクルアセスメントを用いると、セメントをスラグで置き換えることでコンクリートのカーボンフットプリントを最大約42％削減できることが分かりました。また、最大30％のゴム添加は、セメント使用量の削減と廃タイヤの再利用により排出量を約37％まで低減しました。材料価格を考慮すると、スラグ多めの配合は従来の高性能コンクリートよりも立方メートル当たりのコストが明らかに低く、30％スラグ配合が最良の強度対コスト比を示しました。ゴムは材料費をさらに下げますが、強度低下が大きいため、非常に高い支持力が必要なプロジェクトでは費用対効果が限定的になります。

今後の建築に対する含意

非専門家向けの主な結論は、コンクリートは強度と持続可能性の二者択一である必要はない、ということです。本研究は、約30％の製鋼スラグと10％のリサイクルゴム粉末を用いた慎重に調整されたブレンドが、依然として要求の厳しい用途に十分な強度を持ちながら、従来の高性能配合よりも軽く、粘り強く、安価で、はるかに低炭素であるコンクリートを生み出せることを示しています。長期的な耐久性に関するさらなる研究と建築基準の更新が進めば、こうした配合は産業廃棄物や廃タイヤをより環境負荷の小さい橋梁や建物、その他インフラに変える助けとなるでしょう。

引用: Bahmani, H., Mostafaei, H. Sustainable high-performance concrete: harnessing recycled rubber and slag for strength and eco-friendliness. Sci Rep 16, 7376 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35362-3

キーワード: 持続可能なコンクリート, リサイクルゴム, 高炉スラグ, 低炭素建設, 高性能コンクリート