グラフェン酸化物ナノコーティングによる再生骨材（コンクリートおよび陶磁器）の性能向上

廃材を資源に変える

建物が解体されるたびに、破砕されたコンクリートやレンガの山が生じます。これらの建設・解体廃棄物の多くは埋め立て処分に回されますが、新しいコンクリートを作るために採取される砂利や石の代替になり得ます。本研究はナノスケールの工夫、すなわち超薄片のグラフェン酸化物を用いることで、こうした再生骨材が高品質な天然骨材のように振る舞うようにし、より強く長持ちする持続可能な建物への道を開く可能性を探ります。

古いコンクリートやレンガが再利用しにくい理由

再生されたコンクリート塊や陶磁系材料は、見た目は新しいコンクリートに使われる砂利に似ていますが、はるかに多くの水を吸収します。表面は粗く多孔質で、特に古いセメントペーストや焼成粘土を含む破片では微細な亀裂や孔が多く存在します。この高い吸水性は、新しいコンクリートの流動性や硬化の制御を難しくし、時間とともに水や有害物質が浸入する経路を増やす可能性があります。その結果、厳しい建築基準により再生材の使用割合は制限されることが多く、循環型で廃棄を減らすことを促進している欧州連合のような地域でも同様です。

炭素シートによる薄い保護膜

研究者たちは、数原子層の厚さしかないシート状の炭素材料であるグラフェン酸化物が、再生骨材の保護膜として機能するかを検証しました。試験では、リサイクル工場から直接得た粗骨材のうち、主に破砕コンクリート由来の粒子と、主にレンガやタイルなどの破片からなる陶磁系粒子の2種類を用いました。両者をグラフェン酸化物の水性懸濁液にわずか10分間浸し、その後低温乾燥しました。この浴浸過程で、液体の一部が孔に浸透し、平坦なグラフェン酸化物フレークが内壁や外面に付着して、非常に薄く連続したコーティングを形成します。

“喉の渇き”を減らし、強度を高める

コーティング後、処理済みと未処理の粒子をいくつかの単純だが示唆に富む試験で比較しました。まず、骨材がどれだけ水を吸収するかを測定しました。グラフェン酸化物処理は、再生コンクリート粒子で吸水量を約5分の1、陶磁系粒子では約4分の1削減し、より多孔質な陶磁系が最も効果を受けました。重要なのは、粒子の総重量が増加しなかったことです。むしろ浸漬工程で緩い粉じんが洗い流されてわずかに減少したため、改善は体積的な材料の付加ではなく、孔の遮断と表面改良によるものでした。

激しい振動や精密検査への耐性

コーティングの付着の強さを確認するため、骨材を水中で超音波に繰り返し曝露しました。これは弱く付着した粒子をはがしやすい過酷な処理です。コーティングされた粒子は未処理の粒子に比べて目に見えて少ない物質を失い、コンクリート系では約17%少なく、陶磁系では約25%少ない損失を示しました。これは表面がより一体化したことを示しています。高倍率の画像はこの結果を裏付け、グラフェン酸化物が粗い表面を覆う薄い均一な膜を形成し、内部孔の内面も覆ったり一部を埋めたりしていることが確認されました。これにより水を引き寄せやすい最小孔の体積が減少しましたが、新しいコンクリートとの付着を助ける自然な粗さは保たれるほど薄いコーティングでした。

実験室処理からより環境に優しい建設へ

これらの結果は、低用量のグラフェン酸化物を用いた簡単な浸漬・乾燥処理が、再生コンクリートおよび陶磁系骨材の吸水性を低減し、表面損傷に対する耐性を高め得ることを示しています。この方法は追加の洗浄工程に似ているため、著者らは既存のリサイクル施設の運用に大きなコストをかけずに組み込める可能性があり、コンクリート全体の気候影響にもほとんど追加負荷を与えないと論じています。大規模に採用されれば、こうしたナノ薄膜コーティングは今日の建築廃材を明日の信頼できる原料へと変え、新たな採石の必要性を減らし、建設部門の環境負荷を低減する助けとなるでしょう。

引用: Antolín-Rodríguez, A., García-González, J., Guerra-Romero, M.I. et al. Performance improvements of recycled concrete and ceramic aggregates using graphene oxide nanocoating. Sci Rep 16, 12971 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42362-w

キーワード: 再生コンクリート, グラフェン酸化物, 建設廃棄物, ナノコーティング, 持続可能な建材