コンクリートの持続可能な細骨材代替としての亜鉛スラグの標準化に向けて

廃棄物が河川を救う手助けになる理由

砂は無尽蔵に見えるかもしれませんが、建設ブームは河床や海岸線を驚異的な速さで削り取っています。同時に、世界中の製錬所は再利用が難しい大量の産業廃棄物を生み出しています。本研究は、一見単純だが環境に大きな影響を及ぼす問いを投げかけます：亜鉛精錬の豊富な副産物である亜鉛スラグは、強度、耐久性、安全性を犠牲にすることなく、天然砂の代替としてコンクリートに安全かつ信頼して使えるだろうか？

河川の砂から工場の残留物へ

コンクリートはセメント、水、粗骨材、そして重要な細骨材である砂などの粒子で構成されます。都市が拡大するにつれて砂の需要は急増し、河川や三角州、沿岸生態系に被害を与え、コストも押し上げています。一方で、特に韓国のような国々の近代的な亜鉛製錬工場は大量の亜鉛スラグを排出します。このざらついた物質は、製錬過程でできる冷却された破片から成り、その粒径、比重、鉱物組成はコンクリート中で砂のように振る舞う可能性を示唆します。しかし、主要地域の規格、特に韓国の基準はこれまで亜鉛スラグを考慮してこなかったのは、重金属や品質のばらつきへの懸念が主な理由です。

スラグ自体を詳しく調べる

研究者たちは亜鉛スラグを、新規材料として配合に入れる前に徹底的に検査すべき食材と見なして評価を始めました。粒子の比重、含水率（吸水性）、粒度分布、電子顕微鏡での形態観察を行い、元素組成や結晶構造の解析、粘土や緩い微粉、塩分、石炭片などの不純物検査も実施しました。最後に、鉛やカドミウム、ヒ素などの有害元素の総量と溶出挙動を調べ、環境中に移行する可能性があるかを確認しました。

その結果、スラグは密で良好に級配が付いており、さまざまな粒径が効率的に充填されることが分かりました。吸水率は非常に低く、天然砂よりもはるかに低かったため、混合時にコンクリートの混和水を奪うことはありません。顕微鏡画像では主に角ばった粒子が見られ、一部に混合物の流動性を助ける滑らかで丸い粒子も確認されました。化学的には、スラグは既に規格で受け入れられている他の金属スラグに類似し、有害元素や溶出の試験結果はいずれも規制値の範囲内に収まりました。実務的には、この材料はクリーンで安定した人工砂として振る舞うことが示されました。

スラグを用いたコンクリートの性能

これらの知見をもとに、研究チームは実プロジェクトで一般的な普通強度配合と高強度配合の2種類のコンクリートを作成しました。各配合について、天然砂を体積で10％から100％まで亜鉛スラグに置換しました。新しいコンクリートの作業性（流動性）、標準的な作業性を得るための必要水量、混合中に閉じ込められる空気量を確認し、その後、硬化後の圧縮強度、乾燥収縮、二酸化炭素の浸透抵抗（長期的な鉄筋腐食の主因）を試験しました。

スラグの置換率が増えるにつれて、スラグの低い吸水性と丸い粒子の「ボールベアリング」効果により、同じ練度を得るために必要な水量はむしろ減少しました。混合物は安定性を保ち、重い粒子の目立った分離も見られませんでした。圧縮強度は設計目標を満たすだけでなく、しばしば向上しました：28日では、スラグを用いた普通強度コンクリートは砂のみの対照に比べ最大約8％向上し、高強度コンクリートでも最大約6％の向上が見られました。60日間の収縮は通常のコンクリートと同じ狭い範囲にとどまり、CO2による加速曝露後の炭酸化深さも、すべての置換率でほとんど変化がありませんでした。

安全性、耐久性、そして規格への意味

規格策定機関や規制当局にとって、環境安全性は決定的な障壁になり得ます。本試験において、亜鉛スラグは良好な成績を示しました。重金属は痕跡量にとどまり、標準化された条件での溶出試験でも周囲の液体にほとんど検出されず、規定限度を大幅に下回る少量のホウ素が検出された程度でした。スラグはセメントのアルカリと反応しにくく、反応性骨材で見られるような遅発性の有害な膨張を引き起こす可能性は低いことも示されました。これらの結果は、構造的・環境的観点の双方から、亜鉛スラグが既に建築基準に組み込まれている他の冶金スラグと同様に振る舞うことを示唆しています。

産業廃棄物を建築資源に変える

一般の読者にとっての要点は明快です：通常は廃棄物と扱われる亜鉛スラグは、日常的なコンクリートにも高性能コンクリートにも安全に河川砂の代替として使え、構造物を弱めたり寿命を短くしたりすることはないと本研究は結論付けています。多くの場合、スラグ配合はやや強度が高く、必要な水量が少なく、収縮、閉じ込め空気、CO2耐性はいずれも許容範囲内に収まります。スラグは重金属含有量と溶出に関する厳格な試験に合格しており、顕著な汚染リスクをもたらさないため、これらの知見は将来の建築基準改定に必要な実証データを提供し、問題となっている産業副産物を主流でより持続可能な建材成分へと転換する可能性を示しています。

引用: Yoon, J.C., Shivaprasad, K.N., Min, T.B. et al. Towards standardisation of zinc slag as a sustainable fine aggregate substitute in concrete. Sci Rep 16, 5961 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36155-4

キーワード: 亜鉛スラグ, 持続可能なコンクリート, 砂の代替, 産業副産物, 建設材料