最適化されたナノシリカとサトウキビバガス灰を用いたグラウトによる半柔軟性舗装性能の実験的検討

農場の廃棄物をより頑丈な道路へ変える

現代の道路は二重の課題に直面しています：大型トラックや厳しい気象、燃料の流出に耐える必要があり、同時に建設の炭素排出を削減する社会的要請もあります。本研究は、砂糖生産の副産物である農業廃棄物とナノサイズの粒子であるナノシリカを組み合わせることで、より強く、長持ちする舗装を作れることを示しています。路面の構造と、空隙を充填するセメント様材料の配合を再考することで、研究者たちは耐久性と持続可能性を両立する高速道路や工業用路面の方向性を示しています。

ハイブリッド路床構造の仕組み

従来のアスファルト舗装は柔軟性がありますが、車道のわだち、亀裂、熱や燃料流出による軟化といった問題が生じます。コンクリートはより剛性で耐久性がありますが、騒音が大きく乗り心地が劣り、独自のひび割れ問題にも悩まされます。本チームは「半柔軟性舗装」と呼ばれる中間的な解決策に着目しました。この設計では、つながった空隙を多く持つ非常に開放的で骨材密度の高いアスファルト層が骨格として機能します。その空隙を高流動性のセメント系グラウトで飽和させることで、アスファルトの滑らかな走行性と柔軟性を維持しつつ、セメント系材料の強度と化学耐性を備えた路面が得られます。

サトウキビ灰のリサイクルと微細添加剤の活用

このハイブリッド表面を気候・資源面でより好ましいものにするため、研究者たちは産業由来の二酸化炭素排出量が大きい普通ポルトランドセメントの一部をサトウキビバガス灰で置換しました。この灰は製糖・エタノールプラントでサトウキビ残渣を燃やす際に生じる廃棄物で、世界中で毎年数千万トン生産されています。適切な乾燥、制御燃焼、微粉砕を経ると、この灰は反応性を持つ鉱物質として振る舞い、グラウトの硬化と密実化を助けます。さらに、研究チームは微細なナノシリカを少量添加しました。ナノシリカの超微粒子は硬化を促進する種となり、微細構造の緻密化に寄与します。

強度、水分、交通、燃料による損傷の試験

科学者たちはまず、グラウトがアスファルトの空隙に流れ込むのに十分流動性を保ちつつ高強度に硬化するよう配合を最適化しました。結果、サトウキビ灰10％とナノシリカ1％を用い、比較的低い水分量と化学的可塑剤を組み合わせた混合物は、従来型グラウトより約22％高い圧縮強度を示しました。顕微鏡観察とX線分析から、この配合は空隙が少なく結合ゲルが多いより緻密な内部構造を形成していることが示されました。最適化されたグラウトで作成した半柔軟性舗装スラブは、実験室で標準的なホットミックスアスファルトと比較されました。

過重荷重と過酷な条件下での性能

荷重支持試験では、半柔軟性表面は従来のアスファルトを大きく上回りました。安定性はおおよそ88％向上し、回復性のある剛性は5000メガパスカル以上を示し、永久変形なしに重交通を支える能力が格段に高いことを示しました。わだち追跡試験（わだちの発生を模擬）では、半柔軟性混合物のわだち深さは従来アスファルトの約30％にとどまりました。湿潤条件では、半柔軟性試料は引張強度の約92％を保持したのに対し、標準混合物は88％であり、グラウトが水の通り道を封鎖する能力が寄与しています。特に注目されるのは、試料をディーゼル燃料に浸し、その後ブラッシングや再試験を行った試験で、半柔軟性舗装は質量損失が5％未満にとどまり強度の約93％を保持したのに対し、従来アスファルトは質量損失が約20％、保持強度は約80％と大きく劣化した点です。

より賢い材料がもたらす気候上の利点

性能面に加え、研究者たちはセメントの一部をサトウキビ灰と少量のナノシリカで置換した場合の気候影響を見積もりました。グラウト1立方メートル当たりで、改良配合は従来の全セメント配合と比べて二酸化炭素排出量を約8.4％削減し、同時に農業廃棄物の処分回避にも貢献しました。総じて、サトウキビバガス灰とナノシリカを用いたグラウトで作られた半柔軟性舗装は、工業用ヤード、バス車庫、空港滑走路など要求の厳しい場所で、より強くわだちや燃料に強い路面を提供するとともに、建設の炭素コストを一定程度低減できることを示唆しています。

引用: Sajid, M.A., Al-Nawasir, R., Khan, M.I. et al. Experimental investigation of semi-flexible pavement performance using optimized nano-silica and sugarcane bagasse ash modified grouts. Sci Rep 16, 13903 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-50120-1

キーワード: 半柔軟性舗装, サトウキビバガス灰, ナノシリカ, 持続可能な道路, アスファルト性能