前処理したクラムラバーを用いたゴム混入コンクリートの曲げ疲労挙動の改善と補強メカニズム

廃タイヤをより強い道路へ生まれ変わらせる

毎年10億本以上の車両用タイヤが寿命を迎え、大量の廃棄物問題を生み出しています。本研究はそのタイヤを再利用する巧妙な方法を探ります：タイヤを微細なゴム粒子に粉砕し、それをコンクリートに混ぜ込む。目的は、埋立地への廃棄を減らしながら、繰り返しの交通荷重によりよく耐える道路や橋床版をつくること、そして建設分野の低炭素化に寄与することです。

なぜコンクリートにゴムを加えるのか？

従来のコンクリートは強度は高いものの脆い性質を持ちます：一回の大きな荷重には耐えますが、繰り返しの交通は徐々に劣化を引き起こし、ひび割れや破壊につながります。細砂の一部を廃タイヤ由来の「クラムラバー」で置き換えることで、微視的スケールでショックアブソーバーのような柔軟性を材料に付与できます。先行研究では、こうしたゴム混入コンクリートは繰り返し荷重に対してより良い抵抗性を示す一方で、全体強度が低下する場合が多いことが示されています。本稿の主要な問いは、ゴムを混合する前に表面処理を施すことで、疲労耐久性と基本的な機械的強度の両方を保持あるいは改善できるかどうかです。

実験の設定方法

研究チームは、クラムラバー含有量とその前処理の有無だけが異なる複数のコンクリート配合を作製しました。すべての配合で、直径1–2ミリの小さなゴム粒子が体積比で細骨材の一部を置換し、その割合は2.5％から20％までです。ある配合は未処理のゴムを用い、別の配合はシランカップリング剤で化学的に表面改質したゴムを用いました。この処理によりゴムの撥水性が低下し、周囲のセメントとの結合が強化されます。チームは圧縮強度、割裂引張強度、曲げ強度といった標準的特性を測定し、その後曲げ疲労試験──コンクリート梁を繰り返し上下に曲げて破壊するまで継続する実験──を行いました。

強度と疲労寿命に起きること

予想どおり、ゴムを加えると柔らかい粒子や余分な気泡が硬い鉱物骨格を阻害するため、圧縮強度や引張強度は一般に低下しました。しかし、ゴムの前処理はこの低下を部分的に取り戻しました。例えば、7.5％の前処理ゴムを使用した場合、同量の未処理ゴムと比べて圧縮強度が15％高くなりました。曲げ試験では、ゴム含有量が増えると破壊時の最大荷重は低下するものの、梁は破壊に至るまでより大きくたわむことができました。5％、10％、15％のゴム含有では、ピークたわみが通常のコンクリートと比べてそれぞれ約1.6倍、2.1倍、2.5倍となり、明確な変形能の向上が見られました。実際の道路や橋床版にとって最も重要なのは疲労寿命で、これは荷重サイクル数として表されますが、ゴム含有量の増加に伴って大幅に延びました。10％の前処理ゴムを含むコンクリートは、参照コンクリートより約21％多くの荷重サイクルに耐えました。前処理した配合は同じゴム量の未処理配合より一貫して優れており、特に高含有量でその差が顕著でした。

微視的変化の内部観察

これらの改善の理由を解明するため、著者らは電子顕微鏡でコンクリート内部構造を観察し、疲労データをワイブル分布という統計手法で解析しました。画像は、ゴム混入コンクリートが多くの小さな気泡、弾性を持つゴム粒子、そしてそれらの周囲に「弱い」領域を含むことを示しました。これらの特徴は一回性の強度には有害ですが、繰り返し荷重下では小さなクッションや滑り面として機能し、エネルギーを吸収・散逸して微小亀裂の成長を遅らせます。未処理ゴムを用いたコンクリートではゴム–セメント間の結合が弱く、その界面に沿って亀裂が形成・拡大しやすいことが観察されました。前処理後は接触領域がより緻密で連続的になり、初期欠陥が減少して弾性ゴムが応力を均一に分散させやすくなります。統計解析は、多数の試料と応力レベルにわたり、ゴム含有量が多いほど、特に前処理された場合に、期待される疲労寿命が長く、曲げ疲労強度が高くなることを裏付けました。

今後の道路と橋にとっての意味

専門外の方にとっての要点は単純です：適切に処理したタイヤゴムをコンクリートに混ぜることで、たとえ一回性の圧壊強度がやや低下しても、交通荷重下でより長持ちする舗装や橋床版をつくることができる、ということです。ゴム粒子は剛性の高いコンクリートの一部を制御されたエネルギー吸収ネットワークに変え、ひび割れの進展を遅らせて使用寿命を延ばします。ゴムの表面処理と統計的設計手法を組み合わせることで、強度・耐久性・持続可能性のバランスを取れる配合をエンジニアが設計できます。実用的には、このアプローチは増え続けるタイヤ廃棄問題をより耐疲労性の高いインフラへ変える有望な道筋を提供します。

引用: Han, X., Cheng, Z., Yang, L. et al. Improved flexural fatigue behavior and strengthening mechanisms of rubberized concrete using pretreated crumb rubber. Sci Rep 16, 5576 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36416-2

キーワード: ゴム混入コンクリート, 廃タイヤリサイクル, 疲労耐性, 持続可能な舗装, クラムラバー処理