廃タイヤゴムを用いた持続可能なコンクリートの強度とひずみを高める費用対効果の高いFRPソリューション

古タイヤをより強い建物へ転換する

世界中で使い古された自動車用タイヤが山積みになり、火災リスクや長期的な汚染を引き起こしています。一方で建設業はコンクリート製造のために大量の砂や石を消費しています。本研究はこの二つの問題を同時に解決する方法を探ります：廃タイヤを細かく砕いてコンクリートに混ぜ、そのコンクリートをガラス繊維と樹脂の薄い殻で包むというものです。結果として得られるのは、急激に破壊するのではなく曲げてエネルギーを吸収できる、より環境負荷の小さい建材です。

なぜコンクリートにゴムを混ぜるのか？

古タイヤを細断してコンクリートの細骨材の一部と置き換えると、材料は軽くなり、衝撃や振動を吸収する能力が格段に向上します。これは高速道路の遮音壁、鉄道施設、耐震構造などに有用です。しかし問題点もあります：ゴムはセメントペーストとよく結合せず、石材に比べてずっと柔らかいのです。ゴム含有量が増えると一般に強度や剛性が低下するため、荷重を受ける重要構造への適用が制限されてきました。本研究は実用的な配合に焦点を当て、ゴム含有量を控えめに（細骨材体積の20%）保ちながら、ゴム粒子のサイズを慎重に管理して、強度への影響と外部補強による改善のしやすさを明らかにします。

ガラス繊維ジャケットでコンクリートを包む

ゴム含有量の高いコンクリートの機械的性能を回復させるため、著者らはガラス繊維強化プラスチック（GFRP）製のジャケットを用いました。これらのジャケットは織られたガラス繊維に樹脂を含浸させた薄いシートで、コンクリート円柱に巻き付けて硬化させます。鋼材に比べてはるかに軽く腐食にも強く、同等のカーボンファイバー系よりもかなり安価です。試験では、通常の骨材を用いたものや、細かい/粗い廃タイヤゴムを含むものなど計42本のコンクリート円柱を作製し、それらを無被覆、全面被覆、または間隔をあけたストリップ被覆のいずれかで処理しました。円柱を圧縮試験で破壊するまで載荷することで、ジャケットがひび割れの様相、荷重の担持、変形のしかたにどのような影響を与えるかを観察しました。

急破壊から穏やかな破壊へ

無被覆の円柱は、ゴムを含むか否かにかかわらず通常のコンクリートと同様に振る舞いました：最大荷重まで荷重を担い、その後は長い縦ひびと破片の剥落を伴って急激に破壊しました。GFRPで被覆した試験体はまったく異なる挙動を示しました。全面被覆は脆性的挙動をよりゆっくりで制御された応答へと変えました。内部にはひび割れが発生するものの、ガラス繊維の殻が内部をつなぎとめ、コンクリートが爆発的に崩れるのではなく徐々に外側へ膨らむように作用しました。通常コンクリートでは全面被覆により強度が最大で約63%向上し、最終的な破壊ひずみは10倍以上に増加しました。ゴム混合コンクリートでは変形性能の向上がさらに顕著で、非常に細かいゴム粒子を用いた配合では最終ひずみが1300%以上増加しました。ストリップ被覆は一部を露出させた状態ながら、使用材料を抑えつつ中程度だが有意な改善をもたらし、性能とコストの間のトレードオフを示しています。

数値とモデルが示すもの

実験室試験に加えて、研究者らは拘束されたコンクリートの挙動を予測する数式を構築しました。これは、被覆なしでの強度、含まれるゴムの量、GFRPジャケットが与える内向きの拘束圧に基づくものです。これらの式を試験データにフィットさせることで、天然骨材コンクリートとゴム混合コンクリートの両方について、応力―ひずみ曲線（荷重に対する剛性の変化、ピークおよび軟化の様相）を良好に再現できることを示しました。モデルはここで使用した特定のガラス繊維系および研究対象としたゴム含有量と粒径に最も適しており、異なる繊維やより高いゴム含有量に盲目的に適用すべきものではありませんが、これらのより環境配慮した材料を設計する際のエンジニア向けツールを提供します。

実用的限界を持つより環境に優しいコンクリート

専門外の読者に向けた主なメッセージは明快です：古タイヤは頑固な廃棄問題から、安全で長持ちする構造物の一部へと転換できる可能性がある、ということです。ただし条件はあります——得られるゴム混合コンクリートに薄いガラス繊維ジャケットを与えること。この組み合わせは失われた強度を大きく取り戻すだけでなく、大荷重や衝撃に対して材料をはるかに寛容にします。全面被覆は最大の安全余裕をもたらし、ストリップ被覆はコストを抑えつつ大きな利得をもたらします。著者らは本研究が短期の圧縮試験と単一の置換レベルに焦点を当てているため、長期耐久性や他の荷重条件については今後の検討が必要であると述べています。それでも、本結果は橋梁、柱、保護壁などがタイヤ廃棄物を静かに閉じ込めつつ、従来のコンクリートより優れた性能を発揮する未来を示唆しています。

引用: Saingam, P., Chatveera, B., Hussain, Q. et al. Cost-effective FRP solutions for enhancing strength and strain of sustainable concrete made with waste tyre rubber. Sci Rep 16, 13540 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42110-0

キーワード: ゴム混合コンクリート, 廃タイヤリサイクル, GFRP拘束, 持続可能な建設, 構造補強