⼀般財団法⼈ ⼤成学術財団 第4 回 研究成果発表会

2022 年10 ⽉14 ⽇

コンクリートの主原料
⽔

セメント

砂利（粗⾻材）

砂（細⾻材）

コンクリート

植物性コンクリートの開発
東京⼤学⽣産技術研究所 ⼈間・社会系部⾨

１：

１

体積比

酒井 雄也

４：

４
その他、混和剤も用いられています

様々な課題が出てきているysakai@iis.u-tokyo.ac.jp
http://r.goope.jp/ysakai

主原料：⽯灰⽯

セメント製造におけるCO2排出：

From: ⽇本コンクリート, ZKG Cement Lime Gypsum

2
From: ⽇本コンクリート

⽇本だけで毎年3000~3500万トンのコンクリートがれき再資源化率は99%（内訳に課題）

セメントの主原料は⽯灰⽯（ CaCO3 ）1450℃で焼成
CaCO3

CaO + CO2

焼成により多量のCO2が発⽣
全世界のCO2排出の8%がセメント製造で発⽣している⼤半は砕いて道路の下に敷いたり埋め⽴てに利⽤循環できていない
出典：Medium4

廃棄される植物系の資源
廃棄⽊材
・国内だけで年間約600万トン発⽣。
・約３割が焼却処分。

次世代のコンクリートの開発を進める必要がある

廃棄植物・例えばトマトでは⽣産量と同量の茎葉が発⽣（国内だけで年間70万トン)
・ほかにも茶殻など様々⽬指す新材料
・新たなセメントを使⽤しない（CO2排出の低減）
・コンクリートがれきの活⽤

製紙廃液
・リグニンを主成分とする廃液が国内だけで年間7000万トン発⽣・バイオマスに利⽤されているが発電効率が低い

植物性コンクリートの製造

セメント・コンクリート⼯場の設置や原料の調達が困難な地域や新興国で持続可能な⼟⽊／建築材料として活⽤廃⽊材の粉末を接着剤としてコンクリートがれきを接着し、新たな⼟⽊／建築材料を製造した
コンクリートがれきと廃⽊材を粉砕して混合混合した粉体に⽔を加えてホットプレス

植物性コンクリート
コンクリート粉⽊粉78

課題と本研究の⽬的①コンクリートがれきと廃⽊材を粉砕

実験⽅法：コンクリートと砂の違いの理解②２種の粉体を混合して加熱成形①原料を粉砕③成形体として再⽣

コンクリート粉＋砂粉

コンクリート粉②混ぜ合わせて⽔を加えて加熱成形③成形体が完成（縦5cm、横6.5cm）

⽊粉

＋

⽊粉

・コンクリート粉の代わりに砂粉を使った場合の性能が不明
・植物性コンクリートの強度発現機構の理解が不⼗分・耐⽔性が低い

コンクリート粉
木粉の成形 成形 成形割合
含水率
時間 温度 圧力条件 コンクリート 砂粉の最大粒径 最大粒径
or 砂:木mmmm%
min ℃ MPa
11:10.105‐1.180.3
105
180 50
22:1‐1:20.3

本研究の⽬的：上記の理解や改善
9

結果①：砂やコンクリートの粒径の影響
砂やコンクリートの最大粒径0.105‐1.18 mm

⽊粉割合
コンクリートor 砂：木1:1

木粉の最大粒径mm
0.311

含水率

成形時間%
10min5

その他に、⽊粉の最⼤粒径、含⽔率、水の質量
成形時間、成形温度、成形圧⼒の含⽔率(%)＝
全体の質量影響も検討したが省略

100

３点曲げ試験により曲げ強度を評価
10

結果②：混合⽐の影響
成形
温度℃
180混合割合（重量⽐）
コンクリート粉 or
砂粉:⽊粉
2:1, 1:1, 1:2

成形
圧力
MPa
50

・コンクリート粉を⽤いた場合と⽐較して強度が低下・いずれも粒径が⼤きくなるにつれて強度が低下
砂を⽤いるとコンクリートの場合よりも強度が低下することを確認

コンクリート粉 ⽊粉の成形
含⽔率
砂粉の最⼤粒径 最⼤粒径
時間mmmm%min
0.30.3105

成形 成形
温度 圧⼒℃ MPa
18050

・いずれも⽊粉の割合が⼤きいほど強度が増加
⽊粉に含まれるリグニンにより接着されるためか砂を⽤いるとコンクリートの場合よりも強度が低下することを確認
1112

仮説: pHが影響している可能性がある

結果③：SEM観察割合
コンクリートor 砂:⽊1:1

コンクリート粉
⽊粉の砂粉の最⼤粒径最⼤粒径mmmm
0.30.3

含⽔率%

成形時間
分

成形
温度℃

成形
圧⼒MPa

10518050割合
コンクリートor 砂:⽊
1:1

・コンクリート粉の⽅が丸みを帯びており微粒⼦が点在

砂＆⽊間隙の⾯積率：9.9%

コンクリート＆⽊間隙の⾯積率: 6.2%

コンクリート粉と⽊材の成形体の⽅が隙間が少ないことを確認②３種の粉体を混合して加熱成形

含⽔率%

成形時間
分

成形
温度℃

成形
圧⼒
MPa

10518050

砂&⽊＆アルカリ溶液 Ca(OH)2 aq
Ca(OH)2 aq
𝟏. 𝟎 𝟏𝟎 𝟑 mol/L
𝟓. 𝟎 𝟏𝟎 𝟒 mol/L pH : 11.4
pH : 11.1
NaOH aq
𝟏. 𝟎 𝟏𝟎 𝟑 mol/L
NaOH aq
𝟓. 𝟎 𝟏𝟎 𝟒 mol/LpH : 11.1

・⽔の代わりにアルカリ溶液を使⽤すると強度が増加強塩基溶液は成形中に⽊材の化学変化を促進(Song, J. et al. ,2018)

pH : 10.8
砂 &⽊＆ ⽔・砂を⽤いてもアルカリ溶液によりコンクリートの強度を上回った

10864

砂と⽊粉から製造する場合も、アルカリ溶液の使⽤で強度改善

⼀般的な
コンクリート014

結果: 耐⽔性の改善（クラフトリグニンの置換）検討: 耐⽔性の改善①コンクリートがれきと廃⽊材を粉砕

12213コンクリート&⽊＆⽔

14
曲げ強度 (MPa)・間隙の⾯積率はコンクリー
ト粉の場合に抑制

16

コンクリート粉
⽊粉の砂粉の最⼤粒径最⼤粒径mmmm
0.30.3・コンクリートと⽊材を重量⽐１：１で混合。ホットプレスの条件は220 °C、5 min、50 MPaで固定
・クラフトリグニンは⽊粉に対して置換（重量⽐）③成形体として再⽣

コンクリートの吸⽔率 : 20% 程度

⽊粉のオートクレーブ処理（⾼圧⽔蒸気処理）（⽊材の改質に利⽤）

クラフトリグニンの添加（製紙⼯程での副産物）

曲げ強度(MPa)

⽊粉

吸⽔率(%)

コンクリート粉膨潤率(%)

膨潤率(%)
吸⽔率(%)

パーティクルボードの膨潤率の基準（JIS A 5908 2003）（植物性、疎⽔性）

クラフトリグニンの置換率(%)

15

クラフトリグニンの置換率(%)

クラフトリグニンの使⽤により強度と耐⽔性を同時に改善可能

16

結果: 耐⽔性の改善（⽊粉のオートクレーブ処理）

まとめ・コンクリートと⽊材を重量⽐１：１で混合。ホットプレスの条件は220 °C、5 min、50 MPaで固定
・クラフトリグニンは⽊粉に対して30％置換（重量⽐）

本研究の⽬的と成果① コンクリート粉の代わりに砂粉を使った場合の性能の理解

コンクリートの吸⽔率 : 20% 程度・砂粉を使⽤するとコンクリートの場合と⽐較して強度低下
・アルカリ溶液の使⽤でコンクリートの場合を上回る強度発現

オートクレーブ処理なし

膨潤率(%)

吸⽔率(%)

オートクレーブ処理なし② 植物性コンクリートの強度発現機構の理解
・⾼pHの環境でリグニンが軟化し、ホットプレス中の変形が促進され、間隙が埋められることで強度が増進かパーティクルボードの膨潤率の基準 （JIS A 5908 2003）③ 耐⽔性の改善
オートクレーブの処理温度（℃）

Wikipedia: パーティクルボード

・クラフトリグニンの添加、⽊粉のオートクレーブ処理によりコンクリート程度の吸⽔率、パーティクルボード程度の膨潤性を付与可

オートクレーブの処理温度（℃）

オートクレーブの併⽤により吸⽔性、膨潤率を他の材料程度に改善可能
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