化学混和剤によるリサイクル粉末コンクリートの耐凍害性向上

建設廃材を冬に強いコンクリートへ

毎年、都市部では解体や改修で大量の破砕コンクリートやレンガが発生します。こうしたがれきの多くは依然として埋め立て処分されがちですが、中にはまだ有用なセメント由来の成分が含まれています。一方、寒冷地では道路や建物が繰り返される凍結融解サイクルで劣化し、修繕に巨額の費用がかかります。本研究は、細かく粉砕した建設廃材（リサイクル粉末）を新しいコンクリートに安全に再利用し、厳しい冬の環境にも耐えうるかを検討し、より耐久性と持続可能性を備えたインフラへの道を示します。

がれきからリサイクル粉末へ

古いコンクリートや石造物を埋め立てる代わりに、これらを破砕・粉砕して細かなリサイクル粉末とし、新しいコンクリートの一部のセメントを置き換えることができます。この手法は天然資源を節約し、セメント製造に伴う炭素排出を削減し、特に中国のように建設廃棄物が年間20億トンを超える国々で大きな廃棄物問題の緩和に寄与します。ただし問題点もあり、リサイクル粉末は一般に混和後のコンクリートで水分要求量を増やしがちで、それが凍結融解に対する耐性低下につながることがあります。本研究の重要な問いは、適切な化学混和剤がこの弱点を克服し、寒冷地でリサイクル粉末コンクリートの可能性を開けるかどうかでした。

化学的ツールの微調整

研究者らはまず、リサイクル粉末と特に相性の良い高性能な減水剤、ポリカルボキシレート系超塑性化剤を特定しました。この添加剤はセメント粒子の分散を助け、リサイクル粉末使用時に通常必要となる余分な水を抑えます。これを基準として、耐凍害性を直接高める3種類の追加混和剤を試験しました：減水と防凍を兼ねた混合添加剤（AR）、意図的に微細気泡を生成する空気連行剤（AE）、および無機塩系の防凍剤（AF）です。リサイクル粉末30％のコンクリート試料を異なる水セメント比で調合・養生し、最大200回の厳しい凍結融解サイクルに供して強度、表面損傷、内部剛性の変化を追跡しました。

低温下でのコンクリートの挙動

3つの改良戦略はいずれも、混和剤を加えない対照混合物よりリサイクル粉末コンクリートの凍害抵抗性を高めましたが、その作用機構や効果の度合いは異なりました。空気連行剤は多くの小さく間隔のある気泡を形成し、凍結時に膨張する水に逃げ場を与える緩衝室として働き、表面の剥離や内部亀裂の進行を遅らせました。防凍機能を持つ減水添加剤は水需要を低下させ、細孔系を改善して質量損失を抑え、サイクル中の剛性を保持しました。しかし最も成果を示したのは1%の防凍剤（AF）でした。AFは内部での結合ゲルの生成を促進して早期強度を高めただけでなく、特に低い水セメント比において、200サイクル後も最も相対剛性が高く、表面損傷が最も小さい結果を示しました。

コンクリート内部の詳細観察

なぜ防凍剤が効果的だったのかを解明するため、研究チームは顕微鏡と細孔測定手法でコンクリート内部を精査しました。添加剤がないコンクリートでは、大きく不均一な空隙や骨材とモルタルの境界に広い亀裂が多数確認され、水や氷が損傷を広げる理想的な経路となっていました。AR、AE、AFを加えると、この脆弱な遷移層はより緻密になり、大きな空隙が減少し、構造を結びつける結晶がより密に詰まるようになりました。細孔の詳細測定では、特に防凍剤が内部の孔径分布をより小さく、害の少ないサイズへと移動させ、大きく損傷を招きやすい200ナノメートル超の孔の割合を8.73%削減したことが確認されました。総体的な有効空隙率はわずかに増加したものの、孔の形状とサイズが凍結に対してはるかに耐性のあるものとなっていました。

より環境に優しい都市のために重要な点

専門外の方にとって要点は明快です。本研究は、かなりの割合のリサイクル粉末を含むコンクリートでも、適切な化学混和剤を組み合わせれば寒冷地で十分耐久性を発揮できることを示しています。バインダー量の約1%という控えめな防凍剤の投与で、従来は脆弱であった廃材由来のコンクリートが繰り返される冬の凍結に対してひび割れや表面損失を大幅に抑えられる耐久材料へと変わりました。つまり都市は解体廃材を新しい道路、橋梁、建築物に自信を持って再利用でき、性能を損なうことなく持続可能性と耐久性を同時に進められるということです。

引用: Yang, C., Zhou, W., Zhao, H. et al. Frost resistance improvement of recycled powder concrete by chemical admixtures. Sci Rep 16, 6087 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-35840-8

キーワード: リサイクルコンクリート, 建設廃棄物, 凍結融解耐久性, 化学混和剤, 持続可能なインフラ