抗真菌性、強度、含水硬化、微細構造、放射線遮蔽性に関するコンクリート中の補助セメント質材料としての黒鉛片岩の評価

温暖化する世界のためのよりクリーンなコンクリート

コンクリートは私たちの構築環境に遍在していますが、その主要成分であるポルトランド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、黒鉛片岩と呼ばれる天然の岩石がコンクリート中のセメントを部分的に置換できるかどうかを検討します。うまくいけば、建設由来の排出を削減できるだけでなく、有害な真菌に対する耐性を得たり、病院や原子力施設での放射線遮蔽性を微調整したりすることが可能になります。

ありふれた岩石を有用な材料に変える

黒鉛片岩はエジプト東部砂漠で見られる層状の変成岩です。研究者らはこの岩石を破砕・粉砕して微粉末にし、重量でセメントの10％または15％を置換する形でコンクリートに混ぜ込みました。これらの配合を通常のコンクリートと比較し、強度や耐久性だけでなく、熱、真菌攻撃、各種放射線への挙動も調べました。片岩の主要鉱物は密度が低く、平板状で滑らかな形状を持つため、高反応性のセメント代替というよりは空隙を埋める充填材として働くと予想されました。

コンクリート内部で起きていること

微視的には、黒鉛片岩の粒子はセメント粒子より小さく、表面積は概ね2倍でした。これによりセメント粒子間の隙間に入り込み、混合物をより緻密に詰める助けとなりました。しかし化学試験では、片岩自体がセメントの硬化反応に著しく参加しているわけではないことが示されました。むしろ主に不活性の充填材として振る舞っていました。セメントを10％置換した混合では、この充填効果が砂利周辺の内部構造、特に亀裂が生じやすい薄い境界領域を適度に改善しました。15％置換では利点が問題点を上回らず、未反応のセメント粒子の増加や細孔、微小亀裂が発生して材料強度を低下させました。

強度、真菌、火災のバランス

10％の黒鉛片岩を含むコンクリートは初期強度が通常のコンクリートよりやや劣りましたが、残存するセメントの水和が進むにつれて6か月でその差は縮まりました。対照的に15％の配合では強度低下が明瞭でした。それでも岩粉には顕著な利点がありました。800度セルシウスまで加熱しても安定であり、この添加材を含むコンクリートは激しい火災下で有利に働く可能性を示唆します。別のペトリ皿試験では、黒鉛片岩は複数の問題となる真菌の増殖を強く抑制し、しばしば単独のセメントより効果的でした。この抗真菌作用は、高い表面積と鉱物組成が相まって真菌細胞にストレスを与え損傷させることに起因すると考えられます。

コンクリートの放射線遮蔽性を形作る

コンクリートは人や機器を放射線から遮蔽するために頻繁に用いられるため、研究チームは新しい配合が高速中性子とガンマ線に対してどう振る舞うかも試験しました。黒鉛片岩の添加は、高速中性子の遮蔽をわずかに改善しました。これは鉱物中の水素や炭素など軽元素がこれらの粒子を減速させるのに有効だからです。しかし同じ添加はコンクリートの密度を下げ、空隙率を増加させたため、透過性の高いガンマ線を遮る能力は損なわれました。10％配合は中性子遮蔽でわずかな利得を示す一方で、ガンマ線防護では目立つ損失があり、15％配合ではこの点がさらに悪化しました。

この新しいコンクリートの適用先

総じて、本研究は黒鉛片岩がセメントを約10％置換する範囲で多機能な鉱物添加剤として機能する可能性を示唆します。その範囲ではセメント使用と関連排出の削減に寄与し、有望な抗真菌性と耐火性を付加し、中性子遮蔽を軽度に向上させますが、ガンマ線遮蔽性の低下と強度のやや低下を伴います。そのため、この種のコンクリートは最大強度や最高レベルの放射線遮蔽が必須でない非主要構造部材や、真菌抵抗性や火災安定性が重要視される特殊用途に最適かもしれません。配合比や含水量をさらに調整すれば、黒鉛片岩はより賢く、より持続可能なコンクリートを作る有用な手段になり得ます。

引用: Serry, M., Zayed, A.M., Tagyan, A.I. et al. Assessing graphite schist as a supplementary cementitious material in concrete for antifungal activity, strength, hydration, microstructure, and radiation shielding. Sci Rep 16, 12019 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-40900-0

キーワード: 低炭素コンクリート, セメント代替, 抗真菌材料, 放射線遮蔽, 黒鉛片岩