西部高地地域における再生陶磁器コンクリートの凍結融解繰返し耐久性に関する研究

タイル廃棄物をより強い道路へ

世界中で、建設や改修現場から出る割れた陶磁タイルの山が埋立地に廃棄されています。一方で、寒冷で高地にある道路、橋、建物は繰り返す凍結と融解のサイクルにさらされ、従来のコンクリートが徐々に崩れていきます。本研究は二重の解決策を探ります：廃棄陶磁タイルを粉砕してコンクリートに混ぜることで、再利用が難しい廃棄物をリサイクルすると同時に、厳しい冬季環境により耐える構造物をつくるという試みです。

なぜ凍結と融解がコンクリートを壊すのか

コンクリートは見た目は固くても内部には微細な空隙やひび割れが張り巡らされています。水が浸入して凍ると、詰まった配管の中の氷のように膨張します。凍結融解の各サイクルで、この膨張と収縮が微小な亀裂を広げ、セメントの接着を緩め、表面の粒子をはぎ取ります。年を経てこの内部からの風化は、強固な塊をぼろぼろで浸水しやすい材料へと変えてしまいます。特に気温が長期間にわたり零度付近を行き来する高地では、この損傷の仕組みを理解し抑えることが、安全で長持ちするインフラのために不可欠です。

割れたタイルから新しいコンクリートへ

研究者たちは、粉砕した陶磁タイルが通常コンクリートで使われる砂粒径の骨材の一部を置き換え得るかを検証しました。彼らは6つの組成のコンクリートブロックを鋳造し、陶磁粒子の割合を0%（通常の再生コンクリート）から100%（細骨材の全てが廃タイル由来）まで段階的に増やしました。これらのブロックは十分に水に浸され、その後約−18°Cに凍結させ、融点付近まで解凍する工程を繰り返し、各サイクルは4時間続けられました。30サイクルごとにブロックの質量を測り、どれだけ材料が剥落したかを確認するとともに、音波の透過しやすさ（内部の剛性や亀裂を敏感に示す指標）を測定しました。

20%で見つかった最良点

明確な傾向が見られました。全てのブロックはサイクルが進むにつれて剛性が低下し、内部損傷が蓄積していることを示しましたが、低下の速度は陶磁物の割合に強く依存しました。陶磁粒子を20%含むコンクリートが最も耐性が高く、性能が許容基準を下回るまでに約398回の凍結融解サイクルに耐えました。顕微鏡観察では、初期の損傷は主に薄い表面域に限られ、内部は緻密で良好に結合したままでした。陶磁粒子は、一般的な再生砂よりも水を吸収しにくく開放細孔が少ないため、コンクリートへの水侵入と凍結時の膨張を減らすのに寄与しました。

しかし20%の置換を超えると、耐久性は急速に悪化しました。陶磁含有量が高くなると、光沢のあるタイル表面が周囲のセメントと十分に接着せず、余分な空隙や弱い界面が生じました。これらの隙間は水が凍結する小さな貯留域となり、膨張し亀裂のネットワークを形成しやすくなりました。特に80%や100%の陶磁含有では、表面の剥離や深いひび割れが急速に進行し、300サイクルの試験枠内で深刻な損傷を免れることができませんでした。各粒子の周囲に生じる薄い境界領域の測定では、陶磁含有量の増加に伴いその厚さと多孔性が増し、コンクリート全体の強度を低下させることが示されました。

コンクリートの寿命を予測する

陶磁20%が最適であることが分かっても、実務ではそのコンクリートが現場でどれくらい長く安全に機能するかを見積もる必要があります。これに対処するため、著者らは剛性と質量の漸減を一種のゆっくり進む確率過程として扱いました。拡散やランダムに動く粒子を追跡するために元々開発された数学的手法を用いて、凍結融解サイクル数の増加に伴い性能目標を満たす確率がどのように低下するかを示す信頼性曲線を構築しました。最良の混合物については、信頼性が保守的な安全閾値を下回るまでに約383サイクル、事実上使用不能になるまでに約398サイクルに耐えうることが示唆されました。

寒冷地建設への意味

実用的には、本研究は粉砕した陶磁タイルを細骨材の約5分の1程度混ぜるだけで、廃棄物を価値ある材料に変え、寒冷で高地の地域における耐久性の高いコンクリートを得られることを示しています。この程度の配合であれば、タイルは水の取り込みと内部の氷損傷を抑えるのに役立ちますが、それを超えると弱点が増えてむしろ破壊を早めます。実験室試験と寿命予測モデルを組み合わせることで、本研究は設計者に対し、廃棄物を減らしつつ長持ちする道路や構造物を築くための配合と予測ツールを提供します。今後の研究では、この最適化されたコンクリートが浸透性塩類や二酸化炭素といった他の長期的脅威に対してどのように耐えるかを検討し、持続可能なインフラにおける役割をさらに明らかにしていく予定です。

引用: Kuan, P., Heyuqiu, L. & Yaping, L. Study on freeze–thaw cyclic durability of reclaimed ceramic concrete in western high altitude region. Sci Rep 16, 12952 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-42770-y

キーワード: 再生コンクリート, 陶磁タイル廃棄物, 凍結融解耐久性, 寒冷地インフラ, 材料の使用寿命