Utilization of Electric Arc Furnace (EAF) Slag in Concrete as Coarse Aggregate: A Case Study in Bangladesh

巨大なレゴの塔を作っているところを想像してみてください。ただし、標準的なプラスチックのブロックではなく、製鉄所の裏庭で見つけた重くてゴツゴツした岩に一部を入れ替えることにしました。これは、バングラデシュで行われたこの研究が、コンクリートと「電気炉スラグ（EAF slag）」と呼ばれる副産物を使って行ったことの本質です。

活気あふれるバングラデシュの鉄鋼市場では、鋼鉄を作る過程で、スラグと呼ばれる岩のような廃棄物の山が生まれます。通常、これはそのまま放置されるか、捨てられてしまいます。しかし、バングラデシュ工科大学（BUET）の研究者たちは、ある好奇心に満ちた問いを投げかけました。「もし、この産業廃棄物を砕いて、コンクリートの『骨材（粗骨材）』として使ったらどうなるだろうか？」

以下は、彼らが発見した物語です。専門用語を省き、分かりやすくお伝えします。

「ヘビーウェイト」への入れ替え

コンクリートの通常の材料である天然の石チップを、軽くて滑らかな小石だと考えてください。テストされたEAFスラグは、高密度で粗い、鉄分を豊富に含んだ巨岩のようなものです。これは通常の石よりも約20%重いです。この余分な重さがあるため、このスラグで作られたコンクリートは、極めて強固な構造を必要とする構造物に最適な「ヘビーウェイト・コンクリート」となります。

しかし、果たしてしっかりと結合するのでしょうか？ 研究者たちは、通常の石をスラグに異なる割合で置き換えて、ラボでコンクリートを混ぜ合わせました。置き換え率は**0%、25%、50%、75%、100%**です。スラグによって何が変わるかを見るために、すべてのバッチにおいて「レシピ」（水とセメントの比率）は全く同じに保たれました。

強さのサプライズ

産業廃棄物を混ぜると、ケーキの生地に砂を混ぜる時のように、コンクリートが弱くなってしまうと思うかもしれません。しかし、起きたことはその逆でした！

研究の結果、スラグを増やせば増やすほど、コンクリートは強くなることが分かりました。

• 「コントロール（対照実験）」の混合物（スラグ0%）は、28日後の強度が約4,399 psiでした。
• 75%のスラグを加えた混合物がスーパースターとなり、ピーク強度5,850 psiに達しました。これは通常のものの8%の向上です！
• そして、100%のスラグ（天然の石を一切使わず、スラグのみを使用したもの）もまた、非常にタフな存在であり、5,750 psiに達しました。

なぜでしょうか？ 研究者が強力な顕微鏡でスラグを観察すると、それはサンゴの破片のように**粗く、多孔質（小さな穴が多い）**であることが分かりました。この粗さが、セメントペーストをしっかりと掴む「小さなフック」のような役割を果たしたのです。それは、滑らかなビー玉を積み重ねる（転がり落ちてしまう）のと、ベルクロ（マジックテープ）で覆われたブロックを積み重ねる（互いにロックされる）の違いのようなものです。また、スラグに含まれる特殊な鉱物（ラーナイトなど）が、時間の経過とともにセメントをさらに硬化させる助けとなったようです。

「スポンジ」効果とワーカビリティー（作業性）

一つだけ小さな問題がありました。スラグの岩は粗く、小さな穴がたくさん開いているため、まるで小さなスポンジのように振る舞います。研究者がスラグを多く加えるにつれ、新鮮なコンクリートは少し「喉が渇き」、流れにくくなりました（スランプ値の低下）。

• 25%の置き換えでは、岩がうまく詰まったためか、コンクリートは実際には少し流れやすくなりました。
• しかし、100%の置き換えでは、混合物は粘り気が強くなり、流し込みにくくなりましたが、それでも建設には十分な作業性は保たれていました。

スラグ自体の水分吸収傾向にもかかわらず、最終的なコンクリートは全体として水の吸収が少なくなりました。なぜでしょうか？ 粗い岩同士が非常にタイトに噛み合ったため、水が入り込む隙間が少なくなったからです。これは、不規則な形の服をスーツケースに詰め込むようなものです。正しく詰めれば、雨が入り込む空隙は少なくなります。

耐久性テスト：塩分と水

コンクリートは、中の鉄筋が錆びることなく、塩水（海辺のような環境）に耐える必要があります。チームは、塩化物（塩分）がどの程度コンクリートに浸透するかをテストしました。

• 50%のスラグまでは、コンクリートは要塞のように機能し、コントロール群よりも塩化物浸透をより強力にブロックしました。
• 100%のスラグでは、鉄分の含有量が高いために微細な細孔の構造が変化し、保護性能がわずかに低下しました（50%混合物と比較して、浸透が約18%増加）。しかし、論文ではこれは建築構造物として許容範囲内であると記されています。これは失敗ではなく、単なる小さなトレードオフでした。

排除された懸念

研究者たちは、この「ゴミ」が後になって爆発したり膨張したりしないか（一部の産業副産物で見られる一般的な問題）を非常に慎重にチェックしました。化学組成を確認したところ、危険で不安定な成分（遊離石灰やマグネシア）は低く、使用前にスラグを屋外の天候に60日間さらしておくことで安定化されていることが分かりました。これにより、このコンクリートが時間の経過とともに自らひび割れてしまうという懸念は払拭されました。

結論

この論文は、これが世界のコンクリート問題に対する魔法の解決策であると主張しているわけではありませんが、バングラデシュにおいて、この特定の種類のスラグが安全で強く、かつ環境に優しい代替手段であることを強く示唆しています。

天然の石を求めてさらに丘を掘り返す代わりに、エンジニアはこの重くて粗い、鉄分豊富なスラグを使用できます。研究では、強度、耐久性、そして流し込みやすさの最高のバランスを得るために、50%から75%の置き換えを使用することが推奨されています。これは廃棄物を超強力な建築ブロックへと変え、「時には、未来のための最良の基礎は、昨日の残り物の上に築かれることもある」ということを証明しています。