DG活性化ハイブリッドセメントにおけるLS/CS比と性能の関係

産業廃棄物をより強く、より環境に優しいセメントに変える

金属精錬所から出る山のような廃棄物—リチウムスラグや銅スラグのような材料—は世界中で蓄積し、陸地・水域・大気の質を脅かしています。本研究は、これらの扱いにくい副産物をセメントの有用な原料に転換する方法を探り、廃棄物削減と建設の環境負荷低減を図りつつ、強度を損なわないことを示します。異なるスラグの配合を精密に調整し、穏やかな添加剤で「目覚めさせる」ことで、コンクリートがよりグリーンでありながら実用に足る強度を持ちうることを研究者たちは示しています。

なぜこれらの廃棄物が増加しているのか

電池用リチウムや配線用銅を生産する過程では、得られる有価金属1トン当たり大量のスラグが残ります。リチウムスラグはケイ素やアルミナを多く含み、銅スラグは鉄とケイ素を多く含む一方で石灰分はほとんどありません。これらは単独ではセメント中での反応が遅く、効率的に利用するのが難しい材料です。同時に、現代建築の基盤である普通ポルトランドセメントは工業的なCO2排出の大きな割合を占めます。これらスラグをセメントに配合し、強い化学薬品を使わずに適切に硬化させる方法が見つかれば、金属産業とセメント産業の双方にかかる環境負荷を軽減できる可能性があります。

強い薬剤の代わりに穏やかな後押しを

研究チームは、セメント量の30％をリチウムスラグと銅スラグの混合物で置換し、脱硫石膏（発電所の排ガス洗浄からの副産物）を少量用いて穏やかな活性化剤としたハイブリッドバインダーを設計しました。腐食性やコストの問題がある強アルカリを使う代わりに、低アルカリで硫酸塩を多く含む環境により廃棄粉末の反応を促します。リチウムスラグは湿式ボールミルで極めて細かく粉砕され、結晶の成長を促す核となる微粒子を与えます。より粗く角のある粒子を持つ銅スラグは体積を埋め、後に硬化ネットワークに加わる鉄を含む成分を供給します。

配合の最適点を見つける

配合変更が性能にどう影響するかを調べるため、研究者たちは同じ置換率でリチウム対銅スラグ比を変えた複数のペーストとモルタルを作製しました。新鮮な混合物の流動性、3、7、28日での強度、内部に形成される結晶やゲルの種類を測定しました。また、X線回折、赤外分光、電子顕微鏡、及び水銀侵入試験などの手法で内部構造と孔隙系を詳しく調べました。特に注目された配合は、銅スラグ20％、リチウムスラグ10％を含むものでした。28日後にはその圧縮強度が普通セメントの95％以上に達し、曲げ強度は単一スラグのみを用いた混合物より明らかに高かったです。

スラグが互いに補い合う仕組み

データは、リチウムスラグと銅スラグが単独でできる以上の相乗効果を示すことを示しています。リチウムスラグはセメント水和の副生成物である水酸化カルシウムを消費し、それによってケイ素とアルミナに富む追加の結合ゲルを形成します。これらのゲルは銅スラグ内の鉱物のさらなる反応、特に徐々に分解して硬化ネットワークに加わる鉄含有相の反応も促進します。同時に、セメント、微細なリチウムスラグ、粗めの銅スラグという異なる粒径がより緊密な充填を可能にし、空隙を減らします。孔隙測定は、最適化された混合物がより小さく、より害の少ない孔へと物質をシフトさせ、密度が高く複雑な微細構造をもたらすことを示しており、これは強度と耐久性の改善と密接に結びついています。

将来の建築にとっての意義

簡潔に言えば、本研究はリチウムスラグと銅スラグを慎重にバランスさせ、脱硫石膏で穏やかに活性化することで、従来のセメントのかなりの割合を置換しつつも強く緻密な建築材料を得られることを示しています。最良の配合は標準セメントにほぼ匹敵する強度を示し、内部の密度を改善し、問題となる産業廃棄物を資源に変えます。非常に長期の挙動や厳しい環境下での抵抗性については依然として課題が残りますが、この成果は産業が現在廃棄しているものをより賢く利用する、より持続可能なコンクリートへの実践的な道筋を示しています。

引用: Xiang, B., Zhang, Z., Yang, G. et al. The LS/CS ratio-performance relationship in DG-activated hybrid cements. Sci Rep 16, 8865 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38577-6

キーワード: グリーンセメント, 産業廃棄物リサイクル, リチウムスラグ, 銅スラグ, 持続可能なコンクリート