未処理の池灰を細骨材として、粉砕池灰を結合材として利用したジオポリマーコンクリートの製造

発電所廃棄物を建築資源へ転換する

石炭火力発電所は多量の灰を生み出し、それが大規模な池に流され長年放置されることがよくあります。これらの灰のラグーンは土地を占有し、汚染物質を浸出させる一方で、未活用の大規模な資源でもあります。本研究は、その池灰をより気候負荷の低いコンクリートの主要材料として転用できるかを検討し、炭素排出の削減と根強い工業廃棄物の浄化を同時に達成する可能性を探ります。

灰の池から新しいコンクリートへ

池に貯留された石炭灰は、長期間水にさらされた細粒と粗粒の混合物です。著者らは、これらの池からそのまま掘り出した材料を「未処理池灰」と呼び、ジオポリマーコンクリートでの利用法を二通り検討します。ジオポリマーは従来のセメントの代わりに産業副産物を活用するコンクリートの一種です。まず、通常コンクリートで使われる天然砂を未処理池灰で段階的に（ごく一部から100％まで）置き換えます。次に、池灰の一部を機械的に粉砕してより細かい粉末（粉砕池灰）とし、ジオポリマー混合物で通常結合材として用いられるフライアッシュの一部または全部をこれで代替します。

より環境負荷の小さい配合の設計

すべての配合において、結合材はアルミノシリケート粉末を水酸化ナトリウムと水ガラス（シリケート溶液）でアルカリ活性化することで形成され、一定割合の高炉スラグが追加のカルシウムを供給して硬化を促進します。研究者らは、天然砂を未処理池灰に替える割合や、フライアッシュを粉砕池灰でどれだけ置き換えるかを変えて多数のコンクリートバッチを打設しました。通常はエネルギーを多く要する高温養生を避け、室温で養生した後、新鮮コンクリートの取扱い易さ、経時的な強度の発達、攻撃的な化学物質に対する耐性を測定しました。

天然砂を減らしても得られる強度

天然砂を未処理池灰に置き換えると、新鮮なコンクリートはより硬く、扱いにくくなりました。これは主に池灰の粒子が非常に多孔で、従来の砂より細かく水分を多く吸収するためです。しかし、強度への影響は意外と小さく、天然砂を完全に置換しても28日圧縮強度は約7％程度しか低下せず、より長期間養生すると約40メガパスカルに達しました。これは多くの構造用途に十分な水準です。顕微鏡や赤外線分析からは、池灰が完全に不活性ではなく、反応性のある成分が時間とともにジオポリマーのネットワークに参加して空隙を埋め、28日から56日の間に強度がさらに増すのに寄与することが示されました。

池灰を粉砕し、過酷な条件に対峙する

池灰をより細かく粉砕すると反応性シリカの含有量は増しますが、それでも結合材としての従来のフライアッシュには及びませんでした。フライアッシュを徐々に粉砕池灰で置換しても、初期強度は高炉スラグの寄与が大きいためほぼ同等でした。しかし長期では、粉砕池灰の割合が高い混合物はやや低い強度とやや粗い内部組織を示しました。耐久性試験の結果はニュアンスのあるものでした。すべてのジオポリマーコンクリートは硫酸に対する抵抗性が高く、膨張性生成物（硫酸カルシウムなど）が形成され大きな質量・強度損失を起こした普通ポルトランドセメントコンクリートより優れました。一方、塩化物イオンの透過性試験では、ポルトランドセメントコンクリートの方が最良の成績を示し、ジオポリマー混合物、特に粉砕池灰を多く含むものは中程度の透水性を示しました。

将来の建築への含意

非専門家向けの要点は、多くの発電所の池に停滞している灰の多くが、より環境配慮したコンクリートの有用な材料に転換できるということです。未処理池灰を全量の砂として、粉砕池灰を結合材の一部として使用することで、研究者らは室温で養生可能な中程度の構造強度を持つジオポリマーコンクリートを作製し、固形成分の最大約37％をこの廃棄物由来としました。作業性は低下し、塩分の浸透にやや弱くなる一方で、酸性環境にははるかに耐えるため、工場床や下水管などに有望です。より反応性の高い添加剤や扱いやすい乾燥型の活性化剤などを改良すれば、この手法は大きな汚染問題を価値ある建設資源へと変える助けとなる可能性があります。

引用: Vidyadhara, V., Gowda, T.S. & Ranganath, R.V. Geopolymer concrete production by utilizing unprocessed pond ash as fine aggregate and ground pond ash as binder. Sci Rep 16, 9041 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38814-y

キーワード: ジオポリマーコンクリート, 池灰, 石炭灰の再利用, 持続可能な建設, 耐酸性コンクリート