現地入手可能な材料と炭素添加剤を取り入れた高強度コンクリートの耐久性と遮蔽特性の評価

建物を支えるだけではないコンクリート

電子機器であふれる超高層ビルから多数のセンサーを備えた橋梁まで、現代の構造物には強度だけでなく「賢さ」も求められます。本研究は、大きな荷重を支えると同時に、Wi‑Fiやレーダー、携帯電話で用いられるのと同種の不要な電磁波から敏感な機器を遮蔽する機能を持つ新しいコンクリートを探るものです。地域で入手可能な砂を調整し、微量の鋼と炭素を加えることで、高強度で耐久性があり、望ましくない信号を弱められるコンクリートを、輸入の高価な原料に頼らずに作ることを目指しました。

強くて“賢い”コンクリートが重要な理由

従来の高強度コンクリートは、より小さな断面に高い耐荷力を詰めることで、より高く細い塔や長い橋を可能にします。一方で、金属や炭素添加剤により電流を通す「導電性」コンクリートは、路面の自動加熱、ひずみの内蔵センシング、電磁遮蔽などに関心が高まっています。しかし、これら二つの性質を一つの配合で両立させるのは難しい。導電性を高める成分は材料を弱くしたり、長期的なひび割れを助長したりする場合があるからです。本研究の目的は、そのギャップを埋め、構造的要求を満たしつつ有用な電気的挙動を備えた導電性高強度コンクリートを開発することでした。

地元砂を使って最適な配合をつくる

研究チームは、粗骨材を使わず、セメント、工業副産物、そして二種類の砂だけを用いた複数の高強度コンクリートを設計することから始めました。非常に細かい「砂丘砂」の割合を変えて強度への影響を調べ、各配合の粒度分布を数理的なパッキングモデルと比較しました。その結果、砂丘砂の比率が比較的低い配合が内部構造を最も緻密にすることが分かりました。本研究でLDUNEと呼ばれるこの配合は、圧縮強度が約100メガパスカル（一般的な構造コンクリートの約3倍）に達し、曲げ強度も最も高い値を示しました。平たく言えば、適度な砂丘砂は空隙を埋めるのに役立ちますが、過剰になると余計な隙間を生じてコンクリートを弱める、ということです。

鋼繊維は有効、炭素粉末は構造を損なう

最良の基礎配合を特定した後、研究者たちはそれを三つのバリアントに分けました：元のLDUNE、鋼繊維を加えた版、そして鋼繊維に微細な炭素粉末を組み合わせた第三の版です。細い鋼繊維は材料内部に散らばった小さな補強棒のように働きます。これにより、既に高い圧縮強度がわずかに増し、曲げ強度は約2割向上し、コンクリートの剛性も高まりました。同時に、長期的な乾燥収縮やクリープ（時間をかけて生じる締め付けやたわみ）をそれぞれ概ね4分の1と10分の1ほど低減させました。一方で、炭素粉末を繊維とともに加えると、全体の強度は低下し、乾燥収縮とクリープはいずれも増加しました。非常に細かい炭素粒子は混和水量を増やす必要があり、周囲のペーストと十分に結合せず、繊維の機械的利点を損なう弱点を生じさせました。

新しいコンクリートの電磁波への対処

電気的試験は、配合の導電性と無線周波数信号の遮断性能に注目しました。鋼繊維を含むコンクリートは、素地の高強度コンクリートに比べて電気抵抗が大幅に低く、内部に信号と相互作用する経路を形成しました。ギガヘルツ帯の無線信号を薄いパネルに通したところ、鋼繊維入りスラブは通常のコンクリートよりも送出電力を大きく低減し、既存の遮蔽材の性能に近づきました。驚くべきことに、鋼繊維に炭素粉末を追加しても顕著な追加効果は得られませんでした：炭素入りパネルは鋼繊維のみのパネルとほぼ同程度に信号を減衰させました。2年間の経過観察では、全ての配合で硬化と内部水分変化に伴い遮蔽性能は多少低下しましたが、波形（段付き）パネル形状は平板よりも長期的に良好な性能を維持しました。

今後の建築・インフラにとっての意義

平たく言えば、本研究は、地域の砂を最適化し適切量の鋼繊維を加えるだけで、非常に強く、かつ外来の電磁波をある程度和らげるコンクリートが作れることを示しています。この「二重目的」のコンクリートは荷重に耐え、長期的なひび割れに強く、金属の裏打ちや特殊な壁構成に頼らずに機器や空間を電子ノイズから守るのに役立ちます。一方で、追加の炭素粉末による遮蔽性能の向上を狙った試みはトレードオフがあり、材料を弱くし長期的変形を促進する一方で、信号遮断能力にはほとんど寄与しませんでした。高層ビル、スマートインフラ、電子機器が集まる施設の設計者にとって、地域材料を用いた鋼繊維入り高強度コンクリートは実用的で多機能な選択肢として本研究から示唆されます。

引用: Othman, O., Yehia, S., Qaddoumi, N. et al. Evaluation of the durability and shielding properties of high-strength concrete incorporating locally available materials and carbon additives. Sci Rep 16, 10167 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37449-3

キーワード: 高強度コンクリート, 導電性コンクリート, 鋼繊維補強, 電磁波遮蔽, 乾燥収縮とクリープ