「曲げられるコンクリート」誕生！3Dプリント建築の未来を変える新素材

コンクリートといえば建築3Dプリントの定番素材だが、その可能性をさらに広げる驚きの研究成果が発表された。アメリカのニューメキシコ大学（UNM）の研究者たちが、3Dプリント専用に設計された「曲げられるコンクリート」を開発し、特許を取得したのだ。この研究は2024年に注目された3Dプリントコンクリートの進化のひとつで、例えばバージニア大学が開発した31％の炭素排出削減を実現するコンクリートも話題となった。

コンクリートの弱点を克服

コンクリートは圧縮には強いが、引っ張りや曲げの力には非常に弱い。脆さゆえに簡単にひび割れ、建物や橋、歩道などでは修復が頻繁に必要になる。これを補うために鉄筋を使うが、依然として完璧な解決策とはいえない。UNMで開発されたような引っ張り強度を持つコンクリートは、長寿命でメンテナンスコストを削減できる強靭なインフラを実現する可能性を秘めている。

特に地震のような横方向の力が加わる自然災害に対して、より耐久性のある構造物が期待できる。

どのように作られたのか？

この「曲げられるコンクリート」の鍵となったのは繊維の存在だ。研究チームは、コンクリートに短いポリマー繊維を多量に混ぜることで、引っ張りや曲げの力に耐えられるようにした。このミックスを使ったコンクリートは、外部の補強材をほとんど必要とせずに強度を維持できる。

具体的には、大学院生のムハンマド・サイード・ザファルが様々な量の繊維を混ぜたコンクリートを慎重に調合し、3Dプリンターで試作した。繊維が少なすぎると構造が崩れ、多すぎるとプリンターが詰まるという課題があったが、何度も実験を重ねて最適な配合を見つけた。

試作品には小型の構造物やプリズム、ドッグボーン型のデザインが含まれており、これらを引っ張りや曲げのテストにかけて強度を測定した。さらに、ポリビニルアルコール、フライアッシュ（石炭灰）、シリカフューム、超高分子量ポリエチレン繊維など、さまざまな材料を試して開発を進めた。

画像/UNM

特許取得とさらなる可能性

この「自己補強型の超高延性セメント材料」は、2024年8月に特許が取得された。開発者たちは、最大で11.9％も引張ひずみ能力を向上させる4つの配合を特定したという。Hojati助教授によれば、これらの繊維は「曲げや引っ張りの荷重がかかったときでもコンクリートを保持する役割を果たす」とのことだ。

資金提供を行ったのは、南中部州交通コンソーシアム（Tran-SET）とリージョン6の大学交通センター。これにより、以下の3つの研究プロジェクトが実施された：

1. 3Dプリント可能なエンジニアードセメント材料の開発
2. 新素材のフレッシュおよび硬化状態での特性評価
3. 3Dプリント可能なエココンクリートの開発

研究者たちはこれらの成果を活用し、特許出願まで漕ぎ着けた。

建築3Dプリントと未来のインフラ

この新しい「曲げられるコンクリート」は、地震や災害に強い構造物を実現し、メンテナンスの頻度を減らし、建築の自動化を推進する可能性を持つ。Hojati助教授はさらに視野を広げ、宇宙での建築課題にも取り組んでいる。3Dプリント建築は地球だけでなく、月や火星といった宇宙空間でも重要な役割を果たすかもしれない。

「曲げられるコンクリート」の登場は、従来の建築材料の常識を覆し、新しい未来を切り開く可能性を示している。この素材が普及することで、インフラの形や建築技術そのものが大きく変わる日もそう遠くないだろう。