再生廃ガラスと脱アルミ化メタカオリン粉末を用いたアルカリ活性スラグコンクリートの力学挙動に関する実験および数値評価

成長する世界のためのより環境配慮型コンクリート

現代の都市はコンクリートの上に築かれていますが、従来のセメント系コンクリートは大きな炭素フットプリントを伴い、多量の原材料を消費します。本研究は、鉄鋼製造のスラグや微粉砕した廃ガラスなどの産業副産物や廃棄物を使って、従来のセメントや骨材の多くを置き換える新しい「グリーン」コンクリートを検討します。こうした配合が従来コンクリートと同等かそれ以上の性能を示しうることを示すことで、強靭で環境負荷の小さい橋梁や建築物への道筋を示しています。

産業廃棄物を建材に変える

本研究で検討したコンクリートは、ポルトランドセメントの代わりに高炉スラグを化学的に活性化して作るバインダーであるアルカリ活性スラグを基礎としています。研究者たちは天然砂とスラグの一部を、再生廃ガラス粉末と脱アルミ化メタカオリンという二つの産業副産物で部分的に置換しました。脱アルミ化メタカオリンはアルミニウム抽出の残渣で、二酸化ケイ素・酸化アルミニウムが豊富です。さらに、粗骨材として白亜（ドロマイト）と玄武岩の二種類を試し、いくつかの配合には短い鋼繊維を添加しました。合計で、各成分が強度、剛性、ひび割れ、荷重下での挙動にどのように影響するかを評価するために、いくつかの厳密に管理された配合を作成しました。

試験体から得られる強度の実測

性能評価のために、研究チームは室温で立方体、円柱、梁の試験体を鋳込み養生し、エネルギー集約的な加熱養生は行いませんでした。圧縮強度（どれだけ押しつぶしに耐えるか）、分割引張強度（間接的に引き裂かれたときの挙動）、曲げ強度、剛性を測定しました。全体として、硬い玄武岩骨材を用いた配合はドロマイトを用いた配合より優れた性能を示しました。廃ガラス粉末や脱アルミ化メタカオリンを添加すると、コンクリートはより緻密で強靭になりました。特に際立っていたのは、玄武岩、スラグの一部を置換する10％の脱アルミ化メタカオリン、および1％の鋼繊維を組み合わせた配合で、最も高い圧縮強度、引張強度、曲げ強度と最大の剛性を示しました。

コンクリート内部の骨格を覗く

なぜ一部の配合がより良好な性能を示すのかを明らかにするために、研究者たちは走査型電子顕微鏡で微小スライスを観察し、主要元素の分布を化学プローブでマッピングしました。性能の劣る配合では、多孔で斑状の内部構造や骨材とモルタル間の弱い接触域が見られました。対照的に、最も良好な配合では、特に玄武岩骨材と鋼繊維の周辺に反応生成物が緻密で均一に充填されたネットワークが形成されていました。脱アルミ化メタカオリンは微小空隙を埋める緻密で噛み合うゲルの形成に寄与し、鋼繊維は発生する亀裂を橋渡しして突然の開口を防ぎました。このような微細構造の改善が、強度、靭性、およびひび割れ抵抗の向上を説明します。

建設前に梁をシミュレーションする

小さな試験体に加えて、本研究は高度な有限要素解析を用いて、各配合で作られた実寸の鉄筋コンクリート梁が曲げに対してどのように挙動するかを予測しました。研究者らはABAQUSソフトウェア内で損傷モデルを較正し、その応力―ひずみ曲線が実験で得られた曲線に一致するように調整しました。調整後、モデルは立方体、円柱、プリズムの破壊荷重やひび割れパターンを正確に再現しました。続いて、鉄筋梁の仮想的なパラメトリック解析を行いました。玄武岩と最適化された廃棄物由来の配合で作られた梁は、より高い荷重を負担し、最大荷重時のたわみが小さく、より漸進的で延性のある亀裂挙動を示しました。スラグの一部を10％の脱アルミ化メタカオリンで置換し、1％の鋼繊維を含む配合は、基準配合と比べて荷重支持能力を約46％向上させ、支点間中央のたわみを約5分の1削減しました（鉄筋量は変更せず）。

将来の構造物にとっての意義

非専門家向けの要点は明瞭です。スラグ、廃ガラス、脱アルミ化粘土といった産業の「余剰物」を高性能な材料として再利用し、特に鋼繊維と堅牢な骨材と組み合わせることで、より強く持続可能なコンクリートを設計することが可能です。本研究は、こうしたグリーンコンクリートが信頼して試験でき、微視的レベルで理解され、コンピュータ上で確実にモデル化できることを示しており、技術者がより安全で効率的な梁やその他の構造部材を設計するための実践的な手段を提供します。長期的には、このアプローチが建設の環境負荷を低減しつつ、耐久性のある道路、橋梁、建物を提供するのに寄与する可能性があります。

引用: Nader, M.A., El-Hariri, M.O.R., Kamar, A. et al. Experimental and numerical evaluation of the mechanical behavior of alkali-activated slag concrete with recycled waste glass and dealuminated metakaolin powders. Sci Rep 16, 6343 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36359-8

キーワード: 持続可能なコンクリート, 廃ガラス, ジオポリマー, 鋼繊維補強, 数値モデリング