アルカリ活性化石炭ガングエ-スラグモルタルの性能に対する鋼滓含有量の影響

廃棄物をより強く、より環境配慮した建築材料に変える

現代の都市はコンクリートやモルタルに依存していますが、従来のセメントの生産は大量の二酸化炭素を排出し、得られた材料は時間とともに亀裂や収縮を生じやすくなります。本研究はこの二つの問題に同時に取り組む方法を検討します。石炭や鉄の生産から出る産業副産物をリサイクルして新しいタイプのモルタルを作り、排出削減に寄与するだけでなく、強度が増し、収縮や亀裂が起きにくくなることを示しています。

ひび割れが潜む危険性

一般にアルカリ活性化材料と呼ばれる環境配慮型のセメント代替品は、優れた強度や耐久性を示すものが多い一方で深刻な欠点を抱えることがあります。それは、乾燥時の収縮が通常のポルトランドセメントより大きくなりがちな点です。収縮は微細なひび割れの網目を生み、時間の経過とともに水や腐食性化学物質が壁や基礎に浸入し、建物の安全性や耐用年数を損ないます。この問題の対処には通常、特殊な添加剤や厳格な養生条件が必要で、コスト増や普及の障壁になります。

鋼滓と石炭廃棄物に第二の命を与える

研究では製鋼過程で生じる鋼滓、石炭採掘由来のガングエ（煤炭鉱滓）、および高炉スラグ（グラニュレーテッドブラストフェルンスラグ）という三つの粉状副産物に着目しました。これらの材料はしばしば巨大な山として積まれ、土地を占有し環境リスクをもたらします。本研究では、結合材全量の半分を高炉スラグで占めて基礎的な強度を確保し、石炭ガングエを段階的に鋼滓で置換しました。アルカリ性の液体で硬化を誘発し、これらの粉末をモルタルとして混練して小さなブロックに鋳込み、流動性、強度、乾燥収縮を試験し、顕微鏡や化学分析で詳しく調べました。

鋼滓の適量を見つける

実験の結果、一定量の鋼滓を加えることで、新鮮なモルタルの流動性が改善され、型に流し込みやすくなるとともに、時間経過で強度が大幅に向上することが示されました。石炭ガングエの40%を鋼滓で置換した場合、28日圧縮強度は約42%向上し70メガパスカルを超え、一方で乾燥収縮は鋼滓を加えていない混合物と比べてほぼ29%低下しました。このレベルより少ない置換では改善は小さく、多すぎると性能が低下し始めました。鋼滓が50%になると強度が低下し、収縮低減効果も失われます。著者らはこの性能低下を、結合ゲルを形成するために必要な反応性の高いシリカやアルミナが不足することに起因するとしています。

硬化したモルタル内部で何が起きているか

なぜ40%の鋼滓が有効なのかを解明するため、研究チームは硬化モルタルの微視的構造を観察しました。鋼滓は内部構造の発展に時間的な変化をもたらします。初期には反応をやや遅らせるため保水性が高まり急速な乾燥を抑制しますが、後期にはより活発に反応してシステムにカルシウムを供給します。これによりゲル状の結合相や多量の針状結晶（エトリンガイト）が生成され、これらが材料内を縫うように広がって細孔を埋め、粒子を結び付け、変形に抵抗します。細孔径分布の測定でも、最適配合は収縮に最も関与する中間サイズの細孔が少なく、より緻密で安定したネットワークを形成していることが確認されました。

実験室のモルタルから現場利用へ

要するに、本研究は廃棄物由来のモルタルにおける鋼滓の比率を慎重に調整することで、亀裂が生じやすいグリーン材料をより頑丈で信頼性の高いものに変えられることを示しています。約40%の鋼滓置換は高い強度、亀裂リスクの低減、作業性の向上を両立しつつ大量の産業廃棄物を消費し、従来のセメントに比べて高い炭素フットプリントを避けられます。本研究は28日間の評価に焦点を当てていますが、産業廃棄物をより有効活用した、実用的なグリーン建築材料の処方につながる示唆を与えます。

引用: Huang, T., Xie, Q., Deng, J. et al. Effects of steel slag content on the performance of alkali-activated coal gangue-slag mortar. Sci Rep 16, 7993 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-38962-1

キーワード: 鋼滓, グリーンコンクリート, 産業廃棄物の再利用, 乾燥収縮, アルカリ活性化モルタル