産業廃棄物由来材料を取り入れた持続可能なモルタルの設計と特性評価

新しい岩石ではなく廃棄物でつくる建築

コンクリートやモルタルは街を静かに形作っていますが、それらを結びつけるセメントの製造は温暖化を促す二酸化炭素の主要な発生源です。本研究は別の道を探ります：発電所のフライアッシュや製鉄から生じるスラグのような産業廃棄物を主成分とするモルタルです。これらの粉末をアルカリ溶液で慎重に活性化することで、著者らは強く耐久性のある建材を作りながら、気候負荷を削減し新しい原料の必要性を減らせることを示しています。

セメントを見直す意義

従来のポルトランドセメントは石灰石と粘土を約1450°Cで焼成する巨大な窯で生産されますが、この工程は大量のエネルギーを消費し、燃料由来と石灰石自体の脱炭によりCO₂を放出します。建築やインフラの世界的需要が増す中、セメントだけで世界のCO₂排出量のおよそ7%を占めています。そのため多くの国が、設計者が求める強度と耐久性を維持しつつ、排出量を抑え、さもなければ埋立地に向かう産業副産物を有効活用できるよりクリーンな建材を模索しています。

灰とスラグを新たなモルタルに変える

研究者たちは、ポルトランドセメントをフライアッシュ（石炭燃焼から生じる微粉）、製鋼の高炉スラグ、シリカフュームの混合物と砂で置き換えた3種のモルタル配合を設計しました。これらの粉末は高温焼成ではなく、水酸化カリウム溶液と液状ケイ酸ナトリウムで混合して「活性化」され、常温かつ中程度の湿度で養生されました。1つの試料はルーマニアの火力発電所由来のフライアッシュを用い、別の試料はカナダ由来のフライアッシュ、3番目はカナダ産フライアッシュとスラグを組み合わせたものです。比較のために、標準的なセメント系モルタルも対照として準備されました。

これらの廃棄物由来モルタルの強度はどれほどか?

28日間にわたり、モルタルは圧縮強度（破壊前にどれだけの荷重に耐えられるか）と曲げ強度（曲げに対する抵抗）を試験されました。フライアッシュの種類と液体活性化剤の正確な配合比が非常に重要であることがわかりました。ルーマニア産フライアッシュを使ったモルタルは圧縮で約8 MPaに留まったのに対し、カナダ産フライアッシュではその性能がほぼ3倍の約26 MPaに達しました。液体と粉末の比率を調整すると、活性化剤が多すぎると多孔質で弱くなり、適正な量だとより緻密で強いマトリックスが得られることが示されました。水酸化カリウム溶液の濃度を3.8から5.1モルに上げると強度がさらに向上し、これはおそらく灰粒子がより効果的に溶解・再編成されたためです。

製鋼スラグで性能を高める

際立った結果は、カナダ産フライアッシュと高炉スラグに少量のシリカフュームを混ぜた配合から得られました。この処方は28日後に圧縮強度約44 MPa、曲げ強度7.4 MPaを達成し、ポルトランドセメントを基にした対照モルタルと同等かそれ以上の値を示しました。微細構造の観察では、最も性能の良い混合物が残存粒子や砂を包み込むような緻密で連続したゲルネットワークを形成し、亀裂や空隙が少ないことが確認されました。熱試験では高温に加熱しても質量損失が非常に小さく、火災や熱曝露下での安定性が示唆されました。

気候影響と実用的な可能性

機械的性能に加え、著者らは廃棄物由来モルタルの炭素フットプリントを推定しました。フライアッシュ、スラグ、シリカフュームはいずれも他産業の副産物であり、モルタルに使うための新たな高温処理を必要としません。活性化剤の生産を含め（輸送は除外）、結果として得られるモルタルは1立方メートル当たり約220キログラムのCO₂を排出します。これはポルトランドセメントのみで作られた一般的なコンクリートより約30%低く、文献に報告されている一部のセメント・スラグ混合モルタルより約45%低い値です。言い換えれば、これらの配合は高い強度を提供しつつ排出量を有意に削減できます。

将来の建築にとっての意味

端的に言えば、本研究は産業廃棄物粉末を適切に設計し、常温で適度なアルカリ溶液により活性化したモルタルが、強度面で従来のセメント系モルタルに匹敵またはそれ以上となり、かつCO₂排出量を大幅に削減できることを示しています。スケールアップが進めば、建設業は灰やスラグを有価な素材に変え、採石場や焼成窯への負荷を緩和できる可能性があります。長期的な耐久性や大規模生産についてはまだ検証が必要ですが、この研究は建物が文字通りリサイクルされた基盤の上に立つ未来を指し示しています。

引用: Caftanachi, M., Vrabie, M., Harja, M. et al. Design and characterization of sustainable mortars incorporating industrial waste–derived materials. Sci Rep 16, 12145 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-41743-5

キーワード: 持続可能なモルタル, アルカリ活性化材料, 石炭灰（フライアッシュ）, 高炉スラグ, 低炭素建設