縦方向の空洞を持つ鉄筋ジオポリマースラブの曲げ挙動とひび割れ発展：実験的研究

なぜ軽くて環境に優しい床が重要なのか

現代の建物は広大なコンクリート床スラブに依存しており、これらは建築コストと気候負荷の大きな割合を占めます。本研究は、フライアッシュと廃タイヤゴムを用いたジオポリマーコンクリートと、スラブに沿って長い中空管を設けることで軽量化を図る新しいスラブ構築法を検証します。問いは単純ですが実務上の意義は大きい：従来のコンクリート床と同様に荷重を安全に支え、ひび割れに対して十分な耐性を持ちながら、より軽く低炭素なスラブを作れるか、という点です。

異なる種類のコンクリート

従来のコンクリートは砂と骨材をポルトランドセメントで結合しますが、セメント製造は大量の二酸化炭素を排出します。ジオポリマーコンクリートはセメントの代わりにシリカやアルミナを多く含む工業副産物（例えば火力発電所のフライアッシュ）を用います。本研究ではアルカリ溶液で活性化したフライアッシュ系ジオポリマーを用い、さらに廃タイヤから切り出した処理済みゴム繊維を適量混ぜました。フライアッシュは廃棄物を有用な材料に転換し、ゴムは脆いジオポリマーがひび割れたときの挙動をやや粘り強くすることを狙っています。小さな立方体、円柱、梁での先行試験では、この配合は同等等級の標準セメント混合物に比べて圧縮強度、引張強度、曲げ強度が高く、剛性はわずかに低いにとどまることが示されていました。

実体スラブを中空コアに変える

本材料の実際の構造部材での挙動を調べるため、研究チームは7件の鉄筋スラブを作成しました。うち2件は実体スラブで、1つは通常のセメントコンクリート、もう1つはジオポリマー混合の実体スラブです。残り5件はジオポリマーで作られた長尺の中空コアスラブで、スラブ長手方向に通したプラスチック管により円形の空洞を形成しました。管径を変えることで3段階の空洞率を作り、コンクリート体積の約12〜24％を除去しました。さらに、スラブの曲げ挙動に強く影響する幾何学的指標であるスパンと厚さの比（スパン/深さ比）も変化させました。

スラブを破壊まで押し込む試験

すべてのスラブは四点曲げ試験で実験室にて荷重を受け、2つの等しい荷重が支持点間に作用して中央に一定曲げ領域を作る配置が用いられました。試験中、研究者たちは初めて目視できるひび割れが発生した時点、ひび割れパターンの広がり、スラブ中央のたわみ量、破壊時の荷重を詳細に追跡しました。また、これらの観察を世界的に用いられている鉄筋コンクリートの標準設計規準から算出される値と比較しました。これにより、新材料と形状がどのように振る舞うかだけでなく、セメントをジオポリマー結合材に置き換えた場合でも従来の設計式が信頼できるかどうかを評価できました。

空洞を加えると何が起きるか

実体のジオポリマースラブは、実体のセメントスラブよりわずかに良好な性能を示し、初ひび割れ時および破壊時の荷重がやや大きく、より多くの細かいひび割れを発生させました。ゴム繊維の添加は損傷の広がりを均一にし、ジオポリマースラブにより延性のある、急激でない破壊挙動をもたらしました。中空コアスラブでは状況はより複雑でした。空洞を設けることでスラブは軽くなる一方で剛性と強度は低下しました。断面に占める空洞面積が約1/8からほぼ1/4に増えるに従い、初ひび割れおよび最終破壊を引き起こす荷重は低下しました。実効スパンが長くなることも同様の影響を与え、スパン/深さ比を増やすと最終耐荷力がほぼ半分になり、たわみは増加しました。それでも計測されたひび割れ幅は一般的な使用限界内に収まり、中空スラブは実体対照スラブの強度を高い割合で保持していました。

有効な設計規則

実験データを米国および欧州のコンクリート規範による計算値と比較したところ、通常約10％程度の範囲で良好な一致が得られました。実体スラブについては理論が強度とたわみの予測をかなり精度良く捉えていました。中空コアスラブでは、簡易化された式がたわみを過大評価する傾向がありましたが、これは空洞内に残るプラスチック管が式に含まれない追加の剛性を与えるためと考えられます。Eurocodeに基づくひび割れ幅の予測も計測値とよく一致し、多くの場合で実際のひび割れは計算上の上限よりやや小さかったです。これらの結果は、設計者が既知の設計法をジオポリマー中空コアスラブに適用する際に合理的な信頼を持てること、ただし使用時挙動にはいくつか保守的な見積りが含まれることを示唆しています。

将来の建物に対する意義

非専門家向けの結論としては、フライアッシュと廃ゴムを再利用するジオポリマーコンクリートと中空コア形状を組み合わせることで、安全性を損なわずに床構造をより軽く、より環境負荷の低いものにできるという点です。本研究は、適切に設計されたジオポリマ―配合が標準コンクリートの曲げ性能に匹敵またはわずかに上回り得ること、そして空洞のサイズとスパンを合理的な範囲に保てば中空コアは材料使用を大幅に削減できることを示しました。さらに標準的な計算手法がこれらのスラブに対して有効であるため、低炭素建築への実務的な適用の道がより明確になり、設計者にとってコンクリート床の環境負荷を低減しつつ信頼できる構造挙動を維持する現実的な選択肢を提供します。

引用: Aziz, Y.H.A., Malky, A.E. & El-Sayed, T.A. Flexural behavior and crack development of reinforced geopolymer slabs with longitudinal voids: an experimental study. Sci Rep 16, 16026 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-53647-5

キーワード: ジオポリマ―コンクリート, 中空コアスラブ, 曲げ挙動, ひび割れ発展, 持続可能な構造