アルカリ活性化速硬補修モルタルにおける各種膨張材の影響比較：作業性、機械的性質、乾燥収縮

ひび割れた道路補修が進化している理由

高速道路から橋梁まで、多くのコンクリート構造物は私たちが補修する速度より速く老朽化し、ひび割れています。従来の補修材料は硬化が遅く、乾燥に伴って再びひび割れを生じやすいことがあります。本研究は、産業副産物から作られる新しいタイプの“グリーン”補修モルタルを取り上げ、実用的な問いを投げかけます：どの添加剤が補修部の収縮やひび割れを最も抑えつつ、道路を速やかに再開できる程度に十分速く硬化させるのか？

産業副産物から生まれるより環境配慮型の補修材

本研究で用いる補修モルタルは、製鉄、石炭火力、粘土加工で生じる粉末状の残渣である高炉スラグ、石炭灰、メタカオリンを原料としています。これらの粉体をアルカリ性の液体で活性化すると、従来のセメントを多用せずに硬い石のような結合材が形成されます。これにより温室効果の削減が期待でき、夜間や同日中の道路補修に理想的な非常に速い強度発現が得られます。しかし、こうしたアルカリ活性化配合は乾燥に伴って大きく収縮する傾向があり、微細なひび割れを生じさせたり既存コンクリートへの付着を弱めたりします。

収縮対策の三つのアプローチ

収縮を抑えるために、研究者らはモルタルに混入する三種類の膨張材を比較しました：主に酸化マグネシウムを基にしたもの（MEA）、酸化カルシウムベースのもの（CSEA）、および硫酸アルミネート系から派生したもの（SEA）です。それぞれを複数の配合量で添加し、新鮮モルタルの流動性、凝結時間、圧縮強度や既存コンクリートへの付着強さ、そして2か月間の乾燥収縮量を評価しました。さらに、X線法、熱分析、走査型電子顕微鏡などを用いて、内部に生成した結晶やゲルの種類と微細構造の変化を観察しました。

うまく働いたもの、そうでなかったもの

三つの添加剤はいずれも凝結を早めました。これは迅速な補修には有用ですが、作業性の範囲内に収める必要があります。MEAは全体として最も穏やかな影響でした：本研究で用いた非常にアルカリ性の配合ではマグネシウムの反応が鈍く、収縮を相殺する膨張生成物はほとんど生成せず、強度や収縮にほとんど変化が見られませんでした。CSEAはまったく異なる挙動を示しました。高配合量では凝結時間を大幅に短縮し、非常に初期の強度を高め、重要な点として長期の乾燥収縮をほぼ半分に低減しました。さらに、新旧コンクリートの接合部により緻密な結合領域を作ることで付着性も向上しました。代償としては、急速な発熱と結晶成長が時間とともに微細な内部亀裂を導入し、そのため28日圧縮強度は添加剤なしの配合に比べやや低下しました。

初期には有効でも時間とともに衰える助け

SEA添加剤は当初、有望に見えました：針状の膨張性結晶を形成して空隙を埋め、初期収縮に抵抗し、初期強度と既存コンクリートへの初期付着を高めました。しかし、この種のモルタルの強いアルカリ条件下では、これらの針状結晶は次第に平坦な結晶や別のゲル類へと転換しました。内部構造が再配列され水が放出されるにつれて、後期における収縮は対照配合より大きくなりました。この余分な収縮が微小亀裂をもたらし、長期的な強度と付着性能の著しい低下を招いたため、SEAはこのタイプのシステムにおける耐久補修には適さないことが示唆されます。

今後のコンクリート補修への示唆

速硬、耐久性、低炭素を目指すエンジニアにとって、本研究はアルカリ活性化モルタルと併用した場合、膨張材が一様ではないことを示しています。本研究条件下ではマグネシウム系添加剤はほとんど効果がなく、硫酸アルミネート系は短期間のみ有効でその後追加の収縮とひび割れを引き起こしました。カルシウム系のCSEAはバランスが最も良好でした：非常に速い強度発現、既存コンクリートへの強い付着、そして長期収縮の大幅な低減を実現し、最終強度はわずかに低下するものの、総じてひび割れに強く速硬でより持続可能な補修材への最有望の道筋を示しています。

引用: Luo, X., Xi, M., Huang, L. et al. Comparison of the effects of different expansion agents on alkali-activated rapid repair mortars: workability, mechanical properties, drying shrinkage. Sci Rep 16, 13791 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-43508-6

キーワード: コンクリート補修, アルカリ活性化モルタル, 収縮抑制, 膨張剤, インフラ耐久性