トウモロコシ茎灰とシリカフュームを補助セメント材として取り入れた高強度コンクリートの配合最適化と水和挙動の研究

農業廃棄物を都市の強さに変える

毎年、大量の作物残渣が焼却されたり廃棄されたりする一方で、建物をつなぎ止めるセメントの製造は大量の二酸化炭素を排出します。本研究は両方の問題に同時に対処する方法を探ります：廃棄されたトウモロコシ茎を粉砕して得た灰を、シリカフュームという極めて細かい工業副産物と混合し、高耐久で製造時の環境負荷が大幅に低い高強度コンクリートをつくるというものです。

従来のコンクリートが変革を必要とする理由

コンクリートは橋や超高層ビルから歩道やダムに至るまで現代建設の基盤です。しかしその主要成分であるセメントは、石灰石を高温で加熱して製造するため、世界の主要な産業起源の炭素排出源の一つです。同時に、農業はトウモロコシの茎のような膨大な廃棄物を生み出し、それが露天で焼却されるとさらなる汚染を引き起こし、有用な資源を無駄にしています。研究者たちは以前から、特定の作物灰がセメントの一部を置き換え得ると考えてきましたが、要求の厳しい構造物に適した非常に高強度のコンクリートを得られる範囲までどれだけ置き換えられるかは明らかではありませんでした。

トウモロコシ茎からコンクリートをつくる

本研究では、チームがトウモロコシ茎を慎重に制御した温度で焼成して、シリカに富む細粒の灰を作り、これを同じく細粒の工業副産物であるシリカフュームと組み合わせました。これらの粉末は、通常のセメントの20％を置換しました。研究者らは次の三つを系統的に変化させました：その20％のうちトウモロコシ茎灰が占める割合、バインダーに対する水の比率、そして使用する砂の量です。構造化された試験計画を用いて16種類の異なるコンクリート配合を作成し、小さな立方体を流し込み、養生7日と28日後の各立方体の耐圧強度を測定しました。

強度の最適点を見つける

実験はすべての組み合わせが同等ではないことを示しました。最も強力な配合は28日圧縮強度で約110メガパスカルという顕著な値に達し、これは一般的な構造用コンクリートより数倍強い値です。この最上位の配合では、置換20％のうち15％がトウモロコシ茎灰で、比較的低い水分量とやや高めの砂含有量が用いられていました。トウモロコシ茎灰をシリカフュームなしで20％まで高めると、コンクリートは著しく弱くなり、灰は単独よりもシリカフュームと組み合わせたときに最も効果的であることが示されました。詳しい分析により、初期の養生期間では水の量が強度に最も大きな影響を与え、後期には砂の含有量と灰の置換レベルがより重要になることが明らかになりました。

コンクリートの内部を覗く

なぜ一部の配合がより強いのかを理解するため、チームは電子顕微鏡やX線解析を用いてコンクリートの内部構造を観察しました。初期段階では、多くの空隙と比較的少ない結合生成物が見られました。養生が進むと、トウモロコシ茎灰とシリカフューム中の反応性シリカが、セメントから放出されるカルシウム化合物と「二次的」反応を引き起こしました。これらの反応は、空隙に詰まるゲル状の鉱物を追加生成し、砂や骨材、セメント粒子をより緊密に結びつけました。28日間で空隙率は劇的に減少し、内部構造はより高密度で滑らかになり、それに伴って測定された強度も増加しました。コンクリートに混入した鋼繊維は、破壊を突然致命的に起こすのではなく、より漸進的で延性のある破壊挙動に寄与しました。

より低炭素な未来のためのクリーンなコンクリート

セメントの5分の1をトウモロコシ茎灰とシリカフュームで置き換えることで、最適化されたコンクリート配合はバインダー由来の炭素排出を通常のセメントと比べてほぼ5分の1削減しつつ、非常に高い強度を維持しました。平たく言えば、本研究はかつて廃棄物と見なされていた農業残渣が、堅牢で長持ちするコンクリートの貴重な原料になり得ることを示し、農業と建設の両方の環境負荷を軽減する可能性を提示します。広く採用されれば、このような配合は都市が高さと広がりを両立させつつ、地球への負荷をより小さくして成長する助けとなるでしょう。

引用: Wang, R., Chen, Y., Wei, G. et al. Optimization of mix proportions and hydration study of high-strength concrete incorporating corn stalk ash and silica fume as supplementary cementitious materials. Sci Rep 16, 8318 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-39419-1

キーワード: 持続可能なコンクリート, トウモロコシ茎灰, 高強度コンクリート, 補助セメント材, 低炭素建設