機械的性質と耐久性評価：機械学習予測で支援された大理石粉末–繊維コンクリート

建築廃棄物を有用な資源に変える

コンクリートは現代都市の基盤ですが、その主要成分であるセメントを製造する際には大量の二酸化炭素が排出されます。一方で、産業活動は大量の大理石粉やプラスチック廃棄物を生み出しており、安全に処理するのが困難です。本研究は、これら二つの問題が互いに解決策になり得るかを探ります：廃大理石粉とリサイクルプラスチック繊維をコンクリートに混ぜることで、より環境に優しいだけでなく、機械的性質や寿命が向上するか、そしてその設計に機械学習を活用できるかを検討しました。

石粉とプラスチック繊維をコンクリートに混ぜる

研究者たちは二種類の廃棄物に注目しました。大理石粉は炭酸カルシウムに富んだ細粒で、石材の切断や研磨から生じます。ポリプロピレン繊維は廃プラスチック製品から切り出した短い繊維です。本研究では、標準的な構造用コンクリートのセメントを0〜20％の範囲で大理石粉に部分的に置換し、繊維は体積比で0〜1％の少量を添加しました。こうして25通りの配合を作成し、すべて同じ骨材と水量で調整することで、挙動の変化が粉末と繊維に起因することを明確にしました。

強度、ひび割れ、耐水性の試験

各配合は建物に求められる実際の負荷を模擬する一連の試験にかけられました。新鮮なコンクリートの流動性を測り、次に重量と締固め具合を確認しました。養生後には、圧縮破壊に耐える能力、引張りや曲げに対する性能、そして水がどれだけ吸収されやすいか／通しやすいかを試験しました。さらに、試験体を酸性溶液にさらして劣化の進行速度も評価しました。この広範な評価により、単に強い配合だけでなく、強度と耐久性、作業性のバランスが良い配合を特定できました。

性能の「適正点」を見つける

結果は、大理石粉とプラスチック繊維が相互に補完し合うことを示しましたが、限度があります。セメントの約10％という中程度の粉末含有は、微細な粒子が隙間を埋めて密に packing され、強度を高めるのに寄与しました。同時に、体積比で約0.6〜0.8％の繊維は荷重下で微細なひび割れをつなぎ止める“小さな縫い糸”のように働き、劈開（分離）強度や曲げ強度を通常のコンクリートと比べて約25〜33％向上させました。こうした組合せは水の吸収量が少なく、透水速度も低下しており、内部構造がより緻密で耐久性が高いことを示しています。ただし、いずれの成分も過剰にすると作業性が悪化し、空気を巻き込みやすくなって強度が低下しました。

アルゴリズムが導くより環境配慮した配合設計

試行錯誤だけに頼るのではなく、研究チームは実験データを用いて複数の機械学習モデルを訓練しました。これらのアルゴリズムは、大理石粉や繊維含有量、その他の配合変数が強度、吸水性、透水性といった主要特性にどう影響するかを学習しました。人工ニューラルネットワークやランダムフォレストを用いた最良モデルは試験結果を高い精度で再現しました。これらを最適化ルーチンに組み込んで設計空間を探索したところ、モデルが示した最適値（大理石粉約10％、繊維約0.6％）は実験で観察された“適正点”と一致し、データ駆動の手法が膨大な実験を行わなくとも信頼してエココンクリート設計を導けることを確認しました。

今後の建築にとっての意義

専門外の読者にとっての結論は明瞭です：コンクリートは単なる石・砂・セメントの混合物にとどまる必要はありません。大理石粉やリサイクルプラスチック繊維といった産業由来の余剰資源を賢く取り入れることで、セメント使用量を削減し、廃棄物を有効活用しつつ、ひび割れを抑え水の浸入を防ぐ性能を持つコンクリートを作れます。本研究は、最良の効果がバランスの取れた配合割合から生じること、そして人工知能がその最適点を見つける手助けになることを示しています。広く採用されれば、こうした最適化された配合は建設の環境負荷を段階的に低減し、私たちが日常的に依存する構造物の耐久性を高める可能性があります。

引用: Sai, A.N., Sakthivel, M., Arunvivek, G.K. et al. Mechanical and durability assessment of marble dust–fiber concrete supported by ML prediction. Sci Rep 16, 10106 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40874-z

キーワード: 持続可能なコンクリート, 大理石粉末, リサイクルプラスチック繊維, 耐久性, 機械学習