セメントモルタルにおける持続可能な部分的砂代替材としての石英採石粉末の利用

石の粉を建築資源に変える

現代の都市は砂によって支えられています。建物や橋、道路をつなぎとめるコンクリートやモルタルの主要成分だからです。しかし世界的に砂の不足が進み、河川からの砂採取は生態系に損害を与えています。本研究は魅力的な着想を検討します：通常は産業廃棄物として扱われる微粉状の石英採石粉を、一般的なセメントモルタル中の砂の一部を置き換える有用な材料にできるだろうか、という問いです。

廃棄堆積場から有用な材料へ

石英採石粉は、石英を多く含む岩石を破砕・切断する際に生じます。廃棄する代わりに、この粉末を原料にできる可能性があります。研究者らはタンザニアの採石場から採取した石英粉と天然の川砂を収集し、粒度や形状、化学組成を精密に測定しました。試験の結果、粉末はほぼ純粋な石英（約99.6％のシリカ）で、不純物がほとんどなく、後にモルタルがひび割れや膨張を起こす原因となる反応性鉱物も含まれていないことが確認されました。電子顕微鏡で観察すると、粉末粒子は鋭く角張り粗い表面であり、より滑らかな川砂の粒とは明確に異なっていました。こうした粗いエッジは混練時により多くの水を必要としますが、セメントペーストにしっかり噛み合うのに寄与します。

より強く、より環境配慮型のモルタル設計

どれだけ採石粉を使えるか、性能を損なわずに確認するために、研究チームは一連のモルタル配合を作成しました。セメントと水の量は同じに保ち、砂を重量で0％、5％、10％、15％、20％の割合で石英粉に置き換えました。混合物は小さい立方体型に成形され、水中で最大28日間養生した後、新鮮時の扱いやすさ、硬化後の密度、水の吸収量、圧壊するまでの耐圧強度を測定しました。また、硬化後の微視的な画像を用いて、微小スケールで起きていることと材料の外観的挙動とを結び付けました。

適正量の発見

粉末が増えるにつれて、フレッシュモルタルは明らかに硬くなりました。流動性の標準指標であるスランプは、粉なしで約74ミリメートルだったのが、20％粉末では約56ミリメートルに低下しました。それでも15％までは作業者にとって使用可能な範囲でした。真の驚きは強度と耐久性の面にありました。砂を10％採石粉に置き換えたところ、28日圧縮強度は対照配合の10.8メガパスカルから18.5メガパスカルへと飛躍的に増加し、約70％の向上を示し、一般的な構造用モルタルの範囲内に収まりました。水の吸収率（多孔性や劣化の脆弱性を示す）は同じ10％のレベルで6.4％から5.7％に低下しました。10％を超えると効果は弱まり、粉末含有量が増すにつれて余分な空隙が生じ、セメントと砂の接触が乱れて強度がやや低下し、水の吸収が再び増加しました。

混合物内部で何が起きているか

硬化したモルタルの顕微鏡画像は、なぜ10％の採石粉が有効であるかを示していました。川砂のみの通常配合では、構造により多くの空隙と緩い硬化セメントのネットワークが見られました。適度な量の石英粉を加えると、その細かく角ばった粒子が砂粒の間に入り込み、隙間を埋めてセメント生成物のより連続的で岩盤のようなネットワーク形成を助けました。およそ10％の置換で、内部構造は最も緻密で均一に見え、目に見える孔が少なく粒子間の接触が向上していました。さらに多くの粉末を使うと、鋭い粒子が凝集し始め、ペーストで十分に被覆されないため弱点や散在する空隙が生じ、得られる利点を損なってしまいました。

日常の建築にとっての意味

非専門家にとっての結論は単純です：採石粉を少量、標準的なモルタル配合の砂の約十分の一程度加えることで、材料はより強くやや吸水性が低くなり、廃棄物を再利用して河川砂への依存を軽減できます。それを大幅に超えると、作業性が悪化し効果も減少します。さらに長期の現場試験や耐久性調査は必要ですが、本研究は粉塵状の副産物をより環境に配慮した効率的な建材の信頼できる成分へと変える実用的な道筋を示しています。

引用: Ngayakamo, B.H., Ikotun, B.D. Utilization of quartz quarry dust as a sustainable partial sand replacement in cement mortar. Sci Rep 16, 7031 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-37993-y

キーワード: 持続可能な建設, セメントモルタル, 採石粉, 砂の代替, 石英