製造工程で織り込まれた繊維強化ポリマー格子を備えた3Dプリントコンクリート

巨大な3Dプリンターで住宅をつくる

家庭用プリンターがインクを吐くように家が“印刷”されることを想像してみてください—ただしその“インク”は厚いリボン状に押し出される湿ったコンクリートです。ロボットによる廃棄物の少ない建設というこのビジョンは現実に近づいていますが、大きな課題が残っています：現在の3Dプリントコンクリートは思いのほか脆弱になりがちです。本研究は、印刷工程で強くて軽い格子を静かにコンクリート内に挿入する新たな方法を検討し、将来の印刷された壁や床をより強靭で安全、長持ちさせることを目指しています。

プリントコンクリートを強化する新たな手法

従来のコンクリート建築では、曲げやひび割れに抵抗するために内部に鉄筋を埋め込みます。型枠なしで層ごとに積み上げる3Dプリントコンクリートでは、そうした棒を差し込むのは難しく、全面的な自動化の利点を損なう手作業が必要になることが多いです。著者らは別の戦略を提案します：柔軟な繊維強化ポリマー（FRP）格子—高強度繊維をプラスチック結合材で編んだ薄いメッシュ状の帯—を用い、印刷中に構造内部へ供給する方法です。彼らの主要な技術進歩は、コンクリートとFRP格子を同時に積層できる二重ノズルシステムです。一方のノズルがコンクリートのフィラメントを押し出し、もう一方のやや低いノズルが柔軟な格子を敷いて、プリンターの移動に伴って連続するコンクリート層の間に挟み込まれるようにします。

二重ノズルシステムの仕組み

新しい装置は、FRPを巻いたストレージリールとガイドトラックを市販の3Dコンクリートプリンターに直接取り付けます。プリントヘッドが移動する間、前方ノズルからコンクリートが押し出され、格子はリールから引き出されて角を曲がり、後方ノズルを通して新しいコンクリート層内に供給されます。重力と新しい層の重みが格子を所定の位置に押し付けます。トラックとFRPノズルはモジュール式で取り外し可能なため、機械全体を設計し直さずに幅の異なる格子を使用できます。研究者らはまた、引張側に繊維を多く含む高強度コンクリートを使い、上側にジオポリマーコンクリートを配置する「機能勾配」プレートを用いることで、必要な場所に材料特性を最適化する自然界の考え方を反映させています。

印刷したプレートの試験

工程内で格子を埋め込むことが本当に効果的かを確認するため、チームは一連の板状要素を印刷し、三点曲げ試験にかけました。この試験では両端で支持したプレートの中央を押し込んで破壊に至るまで荷重を増します。FRP格子で補強したプレートは無補強プレートよりも約41％多く荷重を支持でき、破壊までに5倍以上のたわみを許容しました。つまり、急に折れるのではなく大きく曲がることができました。最も成績が良かった配置は複数の行と列に格子を配したものでしたが、同じ合計補強量の場合、幅の広い単一の格子帯が複数の狭い帯と同等の効果を示すことも分かりました。格子をコンクリート塊から引き抜く引き抜き試験では、格子とコンクリートの結合は中程度で最適とは言えず、格子の糸の一部しか滑っていないことが判明し、力の伝達効率が制限されていることが示されました。

層間に生じる空隙の見えないコスト

この話は完全に明るいわけではありません。格子を層間に敷くことで小さな空隙が生じ、隣接するコンクリート層同士の直接接触が減ります。意図的に層を引き離すスプリット試験では、格子を加えることで層間強度が概ね3分の1からほぼ半分まで低下することが示されました。マイクロCT（X線マイクロコンピュータ断層撮影）による高解像度イメージングと、水銀圧入による気孔測定はその理由を明らかにしました：格子周辺の界面にはより多くかつ大きな空隙が存在し、特に1ミリメートルを超える細長い孔が目立ちます。これらの弱い領域は材料中の亀裂の進展様式を変え、多数の細かい亀裂ではなく一本の主要な亀裂を促し、格子がコンクリートに完全に“かみ合う”ことを難しくします。

将来のプリント建築にとっての意味

専門外の読者への要点は次のとおりです：新しい二重ノズルプリンターは重要な考え方を実証しました。強く軽い補強材を構築中の3Dプリントコンクリートに直接織り込むことで、部材が支えられる荷重と破壊前に許容するたわみを向上させられることが示されました。同時に、内部および層間での格子とコンクリートの結合を改善し、周囲に形成される微小な気泡を減らすという次の工学的課題も明らかにしました。これらの問題を解決できれば、3Dプリントコンクリートは耐久性の高い住宅、橋梁、その他インフラを完全自動でつくる主流の方法に近づく可能性があります。

引用: Sun, HQ., Xie, SS., Zeng, JJ. et al. 3D-printed concrete with in-process embedded fiber-reinforced polymer grid reinforcement. Commun Eng 5, 72 (2026). https://doi.org/10.1038/s44172-026-00628-1

キーワード: 3Dプリントコンクリート, FRP格子補強, 積層建設（アディティブコンストラクション）, 機能勾配コンクリート, 層間接着