廃繊維強化ジオポリマーモルタルによる石造モルタル補強の界面結合性能向上

古い衣類を強い壁に変える

毎年何千万トンもの衣類が廃棄される一方で、住宅や橋梁の建設に使われるセメントは世界の二酸化炭素排出量の大きな割合を占めています。本研究は、その両方の課題に同時に取り組む意外な手法を探っています：廃棄布を薄い樹脂コーティングで強化し、低炭素の「ジオポリマーモルタル」と組み合わせてレンガの壁を補強するというものです。本研究は、廃繊維を埋め立ての負担から、古い石造建築をより安全で耐久性のあるものにする高性能材料へと転換できることを示しています。

なぜレンガ壁は補強が必要か

レンガやブロックの石造は、何千年もの間建物の骨格を成してきた耐久性と大荷重支持能力で評価されています。伝統的には、レンガはポルトランドセメント、砂、水を用いたセメント系モルタルで接着されます。効果的である一方、ポルトランドセメントは製造に大量のエネルギーを要し、世界の二酸化炭素排出量のおおよそ8%を占めます。同時に、従来のモルタルや古い石積みは地震やその他の極端な荷重に弱いことがあり、既存の壁を全面的に作り直すことなく補強する方法が工学者に求められています。

廃繊維に新たな役割を与える

こうした構造的課題と並行して、世界は年間9千万トンを超える繊維廃棄物に溺れています。研究者たちは、この廃棄物の一部を石造の有用な補強材に変えることを目指しました。彼らは日常の衣類に似たポリエステル–コットン混紡布を用い、そのまま使うか、ブラッシングによって一定量のエポキシ樹脂を塗布してコーティングしました。この薄いコーティングは布を剛性化し、周囲のモルタルへの把持を改善し、引張時に個々の糸が協調して働くのを助けます。

レンガ用のより環境に優しい接着材

従来のセメント系モルタルに頼る代わりに、研究チームはジオポリマーモルタルという代替バインダーも開発しました。ジオポリマーはフライアッシュや高炉スラグなどの工業副産物から作られ、通常のセメント化学ではなくアルカリ溶液で活性化されます。これらの混合物は高い強度を達成でき、耐熱性や耐薬品性に優れ、炭素排出を大幅に削減します。研究者たちは8M、10M、12Mという三段階の化学強度のジオポリマーモルタルを調製し、従来のセメントモルタルと並べて、未処理および樹脂処理した繊維の帯状片を埋め込んだ補強レンガ試験片を作製しました。

新システムの試験方法

布とモルタルがどれほど協働するかを理解するために、研究チームはモルタルの基本的な強度と、ひいては繊維と石造の界面でどれだけ強固に結合するかを測定しました。圧縮強度と曲げ強度を評価するために小さな立方体やプリズムを鋳造し、強度の高いジオポリマー混合物が一般に従来のセメントモルタルより優れており、特に経時で顕著であることを見出しました。界面挙動の評価にはシングルラップせん断試験を用いました：各繊維帯の一部をレンガ面のモルタル層間に接着し、自由端を試験機で引っ張ります。力と繊維の滑り量を記録することで、モルタルが布をどれだけ把持し、どのように破壊するかを観察できました。

繊維を引っ張ったときに起こったこと

結果は樹脂処理した繊維に明確な利点があることを示しました。すべての種類のモルタルで、処理された繊維は破断に至るまで約48〜60%高い引張応力を担いました。同時に、最大荷重時の布とモルタル間の滑り量はほぼ半分になり、未処理繊維の約9〜9.5 mmから処理繊維で約4.3〜4.8 mmに減少しました。実務的には、改善された界面により布がより完全に作用して荷重を分担し、単に滑り出すのを防ぐことを意味します。注目すべきは、全ての試験体で接着域内での繊維の破断により失敗が生じ、モルタルやレンガはしっかりと付着したままであった点であり、これは層間接続が繊維自身より強いことを示す望ましい破壊モードです。

新しいモルタルの最適点を探る

ジオポリマー混合物の中では、10Mが全体的なバランスにおいて最も優れていました。布を確実に固定するのに十分な強度と緻密さを持ちながら、糸間や樹脂被覆束の周りにモルタルが流れ込むだけの作業性も保っていました。最も強い12M混合物は基礎強度に優れていましたが、より剛性で脆く、界面結合性能のさらなる向上をやや制限しました。それでも、すべてのジオポリマーモルタルにおける樹脂処理繊維は、多くの場合、炭素繊維や玄武岩繊維のような高価な高性能繊維に匹敵する、あるいはそれ以上の結合強度と効率を示しました。

建物と廃棄物にとっての意義

一般向けに言えば、結論は明快です：廃繊維を薄くコーティングし、より環境に優しい種類のモルタルに埋め込むことで、エンジニアはレンガ壁の強度と信頼性を大幅に向上させると同時に、捨てられるはずの材料を再利用できます。補強された壁は制御された変形を示し、繊維は破断するまでその性能を十分に発揮し、レンガとモルタルの結合は保持されます。この手法は、老朽化した石造を地震や経年劣化に備えて改良する際に、高炭素なセメントや高価な合成繊維に依存する必要がない未来を示唆しています。工業副産物と廃棄繊維を慎重に設計して組み合わせることで、我々の建築遺産をより安全かつ持続可能に保つ道が開けるかもしれません。

引用: Sai Krishna, A., VishnuPriyan, M. & Khan, N.A. Enhancing interfacial bond performance of waste textile-reinforced geopolymer mortar for masonry retrofitting. Sci Rep 16, 11513 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42217-4

キーワード: ジオポリマーモルタル, 廃繊維, 石造物の補強, 繊維補強, 持続可能な建設