メーカオリン系ジオクリートの力学的・微細構造および耐久性特性に対する製紙スラッジ灰の影響

廃紙を強いコンクリートに変える

現代の都市はコンクリートの上に築かれていますが、従来のセメントは製造時に大量の二酸化炭素を排出し、環境負荷が大きいという問題があります。いっぽう製紙工場は大量の廃棄物を生み出し、多くは埋め立てられています。本研究はこの二つの問題を同時に解決する手法を探ります。つまり、製紙スラッジの焼却灰を利用して、“ジオクリート”と呼ばれる新しい低炭素コンクリートを作り、将来的に建築やインフラで従来のセメントを置き換え得るかを検討しています。

新しい建築材料のかたち

ジオクリートはセメントに頼らず、ケイ素とアルミニウムに富む鉱物を強アルカリ溶液で活性化して石のように硬化させる材料です。本研究では主成分に精製した粘土であるメーカオリンを用い、これを部分的に製紙スラッジ灰で置換しました。スラッジ灰は製紙過程のスラッジを高温で焼却したもので、ケイ素・アルミニウムに加えカルシウムを多く含みます。メーカオリンの5％から20％を灰で置換し、アルカリ液の濃度を2段階に変えた計8種類の配合を準備し、室温養生下での強度と耐久性への影響を調べました。

試験コンクリートの性能

研究チームは圧縮、引張、曲げという3種類の主要な力学特性を評価し、養生7日、28日、90日後に測定しました。全体として、含有率10％のスラッジ灰を含む配合が最も優れていました。アルカリ液の両レベルにおいて、この10％配合は灰を含まない混合物や灰含有量の多い配合よりも高い圧縮・引張・曲げ強度を示しました。灰含有量を15％や20％に増やすと強度は急速に低下し、単純に「多ければ良い」という関係ではなく明確な最適点が存在することが示されました。

材料内部の観察

なぜ10％の灰が最適だったのかを解明するため、研究者たちは走査型電子顕微鏡で硬化したジオクリートの内部を観察しました。最も良好な配合では、画像に密で緻密な内部構造が示され、目立つ空隙はほとんど見られませんでした。鉱物は反応して粒子同士を結び付け、空隙を埋める相互に連結したゲル相を形成していました。灰が多すぎる配合では内部構造がより多孔質に見え、これらの結合ゲルが少なくなっていました。これは化学バランスが崩れ、過剰な灰が主要元素の比率を変えて反応できない部分を残し、弱点を生んだことを示唆しています。

水や塩に対する耐性

強度だけでは耐久性のある建材とは言えません。構造物は水や塩化物イオンに対しても抵抗する必要があり、これらはコンクリートに浸透して鉄筋を腐食させます。チームはジオクリートに対する塩化物イオンの透過性、吸水量、総合的な多孔性を標準試験で評価しました。ここでも10％灰配合が優れた結果を示しました。塩化物試験で通電量が少なく、吸水量が低く、総合的な多孔率も他の配合より低かったのです。灰含有量が高い配合はより透過性と吸水性が高く、厳しい環境での長期使用には適さないことが示唆されました。

将来の建設への示唆

要するに、本研究はメーカオリンの10％を製紙スラッジ灰で置換することで、灰を含まない配合よりも強く耐久性の高いコンクリート様のブロックを得られると結論づけています。適切な成分バランスにより、ひび割れや水、塩害に強い緻密な内部ネットワークが形成されます。室温での養生が可能で工業廃棄物を利用するため、生産・取り扱いを安全かつ経済的に拡大できれば、低炭素で資源効率の高い建設への有望な道筋を提供します。

引用: Yuvaraj, K., Arunvivek, G.K., Kumar, P. et al. Influence of paper mill sludge ash on mechanical, microstructural and durability properties of metakaolin based geocrete. Sci Rep 16, 6109 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37581-0

キーワード: ジオポリマーコンクリート, 製紙スラッジ灰, 低炭素建設, メーカオリン, コンクリート耐久性