ゴム粉とナノシリカの協調効果がコンクリートの空隙構造と耐凍害性に与える影響

なぜ寒冷な山岳地でのコンクリートのひび割れが重要か

多くの高山地域では、ダムや越流堰、水力発電所のコンクリートが年間に何百回もの凍結融解を受けます。水はコンクリートの微小な空隙にしみ込み、凍ると膨張して徐々に材料を引きはがしてしまいます。技術者は通常、保護用の気泡を作る化学剤を混ぜてこれらの構造物を守りますが、気圧が低い高地ではこれらの化学剤の効果が低下します。本研究は別の発想を探ります：廃タイヤ由来の細かく粉砕したゴムと極微細なシリカ粉末を組み合わせ、コンクリート内部の“呼吸空間”を再設計して極寒条件に耐えられるようにすることです。

廃タイヤを小さな安全クッションに変える

研究者たちは、凍った水が膨張するための余地を与えつつコンクリートを破壊させない方法に注目しました。従来の気泡だけに頼るのではなく、廃棄タイヤから作った非常に細かいゴム粉を混ぜました。硬化したコンクリートの中でこれらのゴム粒子は、空洞のように振る舞う小さな柔軟なポケット—「固体の空隙」として機能します。これらは荷重をほとんど担わない一方で、氷が成長すると変形して余地をつくることができます。試験ではゴム粉を増やすほど内部の総空隙量が急増し、特殊な気泡形成化学剤を用いた場合と似た変化が見られました。重要なのは、これらの固体空隙が気泡をより密に配置させ、孔内で水が凍ったときに生じる応力を低減したことです。

ナノサイズのシリカで細かく調整

ゴムだけには欠点もあります：強度を低下させたり、大きく有害な空洞を生むことがある点です。これを補うために、研究チームはナノシリカ—極めて小さな二酸化ケイ素粒子—を添加しました。これらの粒子はセメントと反応して硬化ペーストの隙間を埋め、特にコンクリートを弱らせる大きな空隙を縮小します。ナノシリカとゴム粉を組み合わせると、大きな空隙が減少し、多数の小さく均一に分布した空間へと構造が変化しました。全体の空気量は通常コンクリートに近い値に戻りましたが、残った空隙の中では壊れにくい気泡よりもゴム粒を取り巻く有益な固体空隙の割合が増えました。

改良コンクリートを凍結融解試験にさらす

この改良コンクリートが過酷な条件でどう振る舞うかを調べるため、研究者らは立方体状試料を繰り返し凍結・融解させ、強度と内部空隙構造を測定しました。一般的なコンクリートは、数十回のサイクル後に孔が粗化しひび割れが進行して大部分の強度を失いました。これに対して、ゴム粉とナノシリカの両方を含むコンクリートは、100サイクル経過後でも元の強度の約4割を維持していました。顕微鏡画像は、ゴム由来の固体空隙とその周囲に密になったセメントペーストが、氷の形成による応力を吸収・分散し、ひび割れの進展を遅らせつつ全体の空隙ネットワークをより安定に保っていることを示しました。

時間経過による空隙の内部配置の変化

詳細な測定により、標準的なコンクリートでは多くの最小孔が凍結融解の進行につれて徐々に大きな孔へと変化し、水や氷が材料を損なうのを容易にしていることが明らかになりました。一方、ゴム–ナノシリカ混合材ではこの変化はかなり弱く、小さな孔の割合の低下は通常混合材の約半分にとどまり、大きな危険な孔の増加も対照試料のごく一部にとどまりました。空隙間の間隔変化もより少なく、水が連続的に移動して再凍結する経路が減少しました。本質的に、固体空隙とより緻密なペーストの賢い組み合わせが、長期劣化に抵抗するより強靭な内部構造を作りだしたのです。

寒冷地構造物への意味

非専門家向けの結論は明快です：一部の砂を廃ゴム粉に置き換し、少量のナノシリカを加えることで、強度の減少をわずかに抑えつつ、凍結気候下での耐久性を大幅に向上させたコンクリートをつくることができます。ゴムは膨張する氷の圧力を和らげる柔軟なクッションを提供し、ナノシリカは構造を引き締めて有害な大きな空隙を抑えます。ゴムは地域の廃タイヤから調達でき、ナノシリカは少量で済むため、この手法は遠隔で高所にあるプロジェクトにも実用的で環境にやさしい方法です。本研究は、冬が最も厳しい場所で重要なコンクリートインフラを長持ちさせ、安全性を高める有望な手段を示しています。

引用: Feng, LY., Cao, HL., Shi, XW. et al. Synergistic effect of rubber powder and nano-silica on pore structure and frost resistance of concrete. Sci Rep 16, 11857 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-36480-8

キーワード: 耐凍害コンクリート, ゴム混合コンクリート, ナノシリカ, 凍結融解耐久性, 廃タイヤのリサイクル