水ガラス–シリカフューム処理再生細骨材を用いたセメントモルタルの化学耐久性および微細構造安定性の持続的向上

古いコンクリートを再利用する意義

世界中で解体された建物からは大量の破砕コンクリートが発生します。多くは埋立地に廃棄されますが、そこには新しい建設で再利用可能な砂や石が含まれています。ただし、既存コンクリートから取り出した細骨材は、水を多く吸収し微細な孔や亀裂を多く含むため、新しいモルタルの強度を低下させ、下水や工業地帯、塩分を含む土壌など厳しい環境に対して脆弱にすることが多いのが問題です。本研究は、こうした問題のある再生細骨材を信頼できる建材に変える、簡便な処理法を検証し、耐久性を損なわずに都市の持続可能性を高める可能性を探ります。

解体廃材から建設用細砂へ

古いコンクリートを破砕すると、セメントペーストの残留物で被覆された砂粒径の再生細骨材が得られます。これらの粒子は吸水性が高く、多数の微小孔や亀裂を含んでいます。その結果、自然河砂を用いたモルタルに比べて透水性が高く、酸や塩類による劣化に対する抵抗性が低くなりがちです。著者らは、市販性の高い二つの材料—水溶性のケイ酸ナトリウム（水ガラス）と超微粒子のシリカフューム—を用いた短時間の前処理（予備浸漬）が、付着した古いモルタル層を強化し、再生骨材の新しい混合物での性能を改善できるかを調べました。

孔を塞ぐシンプルな浸漬処理

研究者らは建設・解体廃材を収集して破砕し、細骨材分画を分離しました。これらの再生細骨材を24時間、水ガラスとシリカフュームを異なる用量で含む水性溶液に浸漬しました。乾燥後、処理した粒子を既定のセメントモルタルの全ての砂の代替として用いて小型の立方体試験体を作製しました。比較は5配合で行い、自然砂、無処理の再生細骨材、そして化学用量を増加させた処理済み再生細骨材の3種を含みます。硬化後、試験体は数か月にわたり強酸の硫酸および硫酸マグネシウム溶液に浸漬され、厳しい下水環境や硫酸塩に富む土壌を模擬しました。間隔を置いて、質量減少、強度、水吸収、超音波パルスによる内部健全性を測定し、さらに高度な画像解析や分光法で内部構造を観察しました。

酸と塩に対する抵抗

無処理の再生細骨材は酸・硫酸塩いずれの暴露条件でも最も成績が悪く、モルタルは最大の質量喪失を示し、強度の急激な低下、水吸収の増加、超音波パルス速度の大幅な低下—広範なひび割れと内部損傷の兆候—を示しました。自然砂を用いたモルタルはより良好でしたが、それでも表面の侵食や時間経過に伴う漸進的な劣化が見られました。一方、処理済み再生細骨材を用いたモルタルは一貫して損傷に対する耐性が高まりました。特に、中等度強度の浴（ケイ酸ナトリウム20％、シリカフューム2％）に浸漬した配合は優れており、酸中では無処理の再生混合物に比べ質量減少が約40％抑えられ、強度は約30％多く保持しました。硫酸塩溶液でも同様に質量減少と強度低下を抑え、超音波速度を高く維持しました。

材料内部で何が変わるか

微視的および化学的試験により、処理が有効であった理由が明らかになりました。無処理の再生モルタルでは、攻撃性の高い溶液が容易に浸透し、カルシウムを含む化合物を溶解させ、石膏やエトリンガイトの膨張性結晶を生成して微細構造を破壊しました。画像では再生骨材周辺の多孔質接触帯と広範なひび割れが確認されました。処理後は各粒子に付着した旧モルタルが明らかに密になり、新しいペーストへの密着性も向上していました。ケイ酸ナトリウム溶液は孔隙に浸透してカルシウムと反応し、付加的な結合ゲルを形成し、シリカフュームは遊離カルシウムをさらに取り込み、よりケイ素に富む安定したネットワークを構築しました。X線や赤外分光の解析は、有害な副生成物が大幅に抑制され、主要な結合相が長期暴露後もより良く保持されていることを裏付けました。

より環境負荷の小さい、より強靭なモルタルへの実用的ルート

非専門家にとっての主要な結論は、比較的単純で低エネルギーな浸漬処理が、問題のある再生コンクリート細骨材を高性能な新規モルタル材料に変えうるという点です。孔を封じ、古いセメント被覆の化学組成を再編することで、水ガラスとシリカフュームの併用浴は100％の再生細骨材を極めて厳しい化学条件下で自然砂と競合させ、場合によっては上回らせることができます。本手法は、河川砂資源への圧力を軽減しつつ、攻撃的環境でのコンクリート構造物の寿命を延ばし、解体廃材を耐久性の高い建材へより多くリサイクルする現実的な手段を提供します。

引用: Shaju, A.C., Nagarajan, P., Sudhakumar, J. et al. Sustainable enhancement of chemical durability and microstructural stability in cement mortar incorporating sodium silicate–silica fume treated recycled fine aggregate. Sci Rep 16, 9380 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40549-9

キーワード: 再生コンクリート, セメント耐久性, 持続可能な建設, 骨材処理, 酸および硫酸塩の侵食