フライアッシュ、スラグ、シリカフューム系ジオポリマーコンクリートにおけるコイヤーおよびフラックス繊維長さが破壊靭性に与える影響

衝撃に強い、より環境に優しいコンクリート

コンクリートは橋や建物、歩道に至るまであらゆる場所で使われていますが、現在の製造法は大量の二酸化炭素を放出します。エンジニアは、大荷重や衝撃、ひび割れに耐えられるより環境負荷の小さい代替材料を模索しています。本研究は、ポルトランドセメントの代わりに産業副産物を用いる有望な代替材料であるジオポリマーコンクリートに注目し、実用的な問いを投げかけます：ココナッツの殻から取れる短い植物繊維（コイヤー）やフラックスを加えることで、この低炭素コンクリートの靭性やひび割れ抵抗は向上するか？

産業廃棄物から建材へ

従来のセメントは世界のCO₂排出量の約8％を占めています。ジオポリマーコンクリートは、発電所のフライアッシュ、製鋼時のスラグ、金属生産に伴うシリカフュームなどの廃粉をセメント量の多くと置き換えることでこの問題に対処します。これらの粉体をアルカリ溶液で反応させると、砂や骨材を結びつける密な石材のような結合材ができ、従来のコンクリートと同等かそれ以上の耐久性を示すことがあります。しかしガラスのように脆性に偏りやすく、ひびが始まると構造全体に急速に広がり、安全性を損ない使用寿命を短くしてしまいます。ジオポリマーコンクリートを実際の構造物に広く用いるには、ひび割れの進展に対抗する“破壊靭性”の向上が重要です。

天然繊維を配合に織り込む

研究者たちは豊富で安価な二種類の植物繊維、すなわちココナッツの繊維であるコイヤーと、繊維製品に使われるフラックスに着目しました。どちらも再生可能で軽量であり、以前の研究はひびが入った際のエネルギー吸収性向上に寄与する可能性を示唆していました。本研究では繊維含有量を低く（コンクリート体積のわずか0.5％）抑えつつ、繊維長を20、40、60ミリメートルに変えて評価しました。円盤形のジオポリマー試験体に切り欠きを入れて成形し、実際のひび開き（モードI）、ねじれによるすべり（モードIII）、あるいはその組み合わせに相当する荷重条件下で破壊させました。各試験片がひび割れ進展前にどれだけの力に耐えられるかを比較することで、各配合の靭性を定量化しました。

ひび割れ抵抗の“適正長”を見つける

結果は明確な“適正長”を示しました。40ミリメートルの繊維があらゆる荷重条件で最も大きな靭性向上をもたらしました。単純なひび開き条件では、同長さのコイヤーが破壊靭性をほぼ19％向上させ、フラックスは約15％の改善を示しました。引張とねじりが組み合わさるより複雑な応力状態では、40ミリのコイヤー配合が20％を超える靭性向上を示し、フラックスはわずかに劣後しました。20ミリの短い繊維も効果はありましたが、ひびを効果的にまたいで橋渡しするには長さが不足するため改善幅は小さくなりました。意外にも、繊維をさらに長くして60ミリにすると、いくつかの試験で無繊維の対照より性能が低下しました。長い繊維は寄り集まって塊を作り、空隙を生み、荷重伝達を妨げるため、補強というより弱点として作用することがありました。

コンクリート内部で何が起きているか

顕微鏡や化学分析は、なぜ40ミリ繊維が最適なのかを説明しました。ジオポリマー結合材自体は砂や骨材の間を埋める密な連続ゲルを形成し、残留する石英やムライトなどの結晶が剛性のある充填材として存在します。粗い表面を持ち伸びる性質のあるコイヤー繊維はこのマトリクスと良好に付着し、応力下で徐々にデボンドしてゆっくりと引き抜かれながらひびを橋渡しします。この制御されたプルアウト過程がエネルギーを吸収し破壊の進展を遅らせます。フラックス繊維は引張強度は高いものの剛性があり表面が滑らかで、つかみが急激に失われがちで、反応生成物に囲まれることが多く界面が不安定になりやすいことが分かりました。熱的・赤外線測定は、マトリクスが比較的密で安定し、透過性が限定され一部の好都合な炭酸化が微細構造を引き締めることを示しましたが、せん断支配の破壊は依然として制御が難しいままでした。

今後の構造物への示唆

一般向けの要点は明快です：中程度の長さの植物繊維を少量添加するだけで、基本配合を大きく変えずにジオポリマーコンクリートの靭性を実感できるほど向上させられる可能性があります。特にコイヤーは、ひびが発生した後にそれをつなぎ留める小さな天然のステッチのように働き、材料が崩壊するまでにより多くの衝撃を吸収させます。ただし繊維を長すぎると寄り集まりや弱点の発生を招き逆効果になります。本研究は、低炭素で気候に優しいだけでなく、実際の橋梁、舗装、建物でのひび割れに強い次世代コンクリート設計のための実用的な指針を示唆します。

引用: Bazarkhankyzy, A., Aibuldinovńska, Y., Iskakova, Z. et al. ​​Influence of coir and flax fiber lengths on fracture toughness of fly ash, slag, and silica fume-based geopolymer concrete. Sci Rep 16, 5596 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35731-y

キーワード: ジオポリマーコンクリート, 天然繊維補強, コイヤーおよびフラックス繊維, 破壊靭性, 持続可能な建築材料