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人の便を原料にした炭をセメントに混ぜたら、コンクリートが強くなった。そんな研究が2026年9月5日、科学誌『Scientific Reports』に載りました。インドのマニパル大学ジャイプール校の土木工学者 Raghuvesh Tiwari 氏らのチームで、し尿処理場から出る汚泥を炭にして、セメントの一部と置き換えて試しています。
数字だけ先に書くと、セメントの10%を置き換えた場合、91日養生した後の曲げ強度は42%、圧縮強度は21%上がりました。ただ、この研究のいちばん面白いところはそこではなくて、「じゃあもっと入れたらもっと強くなるのか」という素朴な疑問への答えのほうです。順番に見ていきます。
セメント製造が抱える排出問題
コンクリートは、砂と砂利と水とセメントを混ぜて作ります。このうちセメントは、石灰石を高温で焼いて作るのですが、その工程で大量の二酸化炭素が出ます。石灰石を焼くと化学反応そのもので二酸化炭素が発生するうえ、焼くための燃料からも出るので、セメント産業は世界の二酸化炭素排出のかなりの割合を占める産業になっています。
だからセメントの量を減らす研究は、世界中でずっと続いています。ただ、コンクリートの配合はかなり繊細で、セメントを別のものに置き換えると、たいてい強度か耐久性のどちらかが落ちます。置き換えても弱くならない材料、できれば強くなる材料が求められてきました。
置き換え材としてのバイオ炭
そこで注目されている候補のひとつが、バイオ炭です。木くずや稲のもみ殻といった有機物を、酸素の少ない状態で加熱して炭にしたもので、炭素をたっぷり含んだ黒い粉になります。おがくず由来、もみ殻由来など、いろいろな原料のバイオ炭がすでにコンクリートで試されていて、ある程度の割合までなら強度が上がることが分かってきていました。
バイオ炭が効く理由は、大きく三つあると考えられています。ひとつめは、炭の内部に無数の細かい穴が空いていること。この穴が水を吸って、コンクリートが固まっていく間にじわじわと水を放出します。セメントが固まるのは水との化学反応なので、内部に小さな給水タンクを抱えているようなもので、反応が長く続きやすくなります。ふたつめは、バイオ炭に含まれるシリカ（ケイ素の酸化物）が、セメントの反応で生まれる成分と結びついて、コンクリートの強さのもとになる結晶をさらに作ること。古代ローマのコンクリートが火山灰で丈夫になったのと同じ種類の反応です。みっつめは、細かい粒がコンクリートの隙間を埋めて、全体が密に詰まること。
この三つを聞くと、たくさん入れるほど効きそうに思えます。穴も多くなるし、シリカも増えるし、隙間も埋まる。ここが今回の研究の前振りになります。
し尿汚泥を炭にする工程
研究チームが目をつけたのは、し尿処理場の汚泥でした。インドでは、浄化槽などから集めた人の排せつ物を処理する専用の施設が各地に作られています。そこで出る汚泥は、乾かして、酸素の少ない環境で350〜450℃に加熱すれば、ほかの有機物と同じようにバイオ炭になります。おがくずやもみ殻でうまくいくなら、人の便でもうまくいくのではないか。単純にいえばそういう発想です。
実験に使ったバイオ炭は、インド南部のワランガルにある処理場のものです。これを砕いてふるいにかけ、細かい粉にしてから、セメントの5%、10%、15%をそれぞれ置き換えた3種類のコンクリートを作りました。比較用に、普通のコンクリートも用意しています。測ったのは、圧縮強度（上から押しつぶす力への強さ）、曲げ強度（折り曲げる力への強さ）、吸水率、空隙率、乾燥による収縮など。養生期間は28日、56日、91日で、収縮については120日まで追っています。
置換率と強度の折り返し
結果はこうです。5%置換で、91日後の圧縮強度は普通のコンクリートより20%、曲げ強度は36%高くなりました。10%置換ではさらに上がって、圧縮21%、曲げ42%。ここまでは「入れるほど強くなる」というシナリオどおりです。
ところが、15%まで増やすと逆に落ちました。養生とともに強度が伸びていくこと自体は変わらないのですが、到達する強さは5%や10%の配合に届きません。増やせば増やすほど効くわけではなく、10%あたりに山があって、その先は下り坂になっていたのです。
電子顕微鏡で内部を見ると、理由が見えてきます。5%のコンクリートは、普通のものより組織が密で、粒子どうしがしっかり結びついていました。それが15%になると、空隙やひび、結合の弱い部分が目立つようになります。バイオ炭は水を保つ穴だらけの粒ですが、その穴はコンクリートの側から見れば「弱い部分」でもあります。少量なら給水タンクとして働き、シリカの反応や隙間埋めの効果で穴の弱さを補って余りある。でも増やしすぎると、セメントそのものが減るぶん反応で作れる結晶が少なくなり、穴だらけの粒ばかりが目立って、全体としては弱くなる。つまり、バイオ炭を効かせるには「セメントを減らしすぎない量」でとどめる必要がある、ということでした。
この折り返しは、ほかの原料のバイオ炭でも報告されている傾向で、し尿由来だから特別に起きたわけではありません。ただ、今回はそれが5〜10%のあたりにあると具体的に示せたのが成果です。
なお、見出しに使われがちな「42%強くなった」という数字は曲げ強度のもので、圧縮強度のほうは21%です。建物の柱や基礎で主に効くのは圧縮強度なので、42%という数字だけを見て「コンクリートが1.4倍強くなった」と受け取らないほうがいいと思います。
強度以外の性質と残る課題
強くなった代わりにどこかが悪くなったのでは、というのは当然の疑問です。この点も調べられていて、5%置換では吸水率と空隙率が普通のコンクリートより低く、乾燥収縮も小さくなりました。10%でも普通のコンクリートとおおむね同等で、120日後の乾燥収縮は通常のセメントのモルタルと同じ程度だったと報告されています。15%でも、28日時点の吸水率と空隙率は通常品と同等でした。強度は落ちても、水を吸いやすくなるわけではなさそうです。
もうひとつ気になるのは、下水汚泥につきものの重金属です。論文の要旨では、バイオ炭の量が増えるほどコンクリート試料中の重金属濃度は下がったと書かれていて、有害物質の溶け出しを抑える方向に働きうる、としています。ただ、それが何十年という時間の中でどう変わるのか、雨や地下水にさらされたときに本当に閉じ込め続けられるのかは、今回の実験では分かりません。
研究チーム自身も、実際の建物で使うにはまだ確認が要ると書いています。凍結と融解を繰り返す環境、塩分の多い環境、極端な高温や低温での挙動は試されていません。それから、この方法で二酸化炭素の排出がどれだけ減るのかも、今回は評価していません。汚泥を乾かして加熱する工程にもエネルギーは要るので、セメントを減らした分がそのまま削減量になるわけではないはずです。
それでも、人が毎日出し続けるものを原料にして、しかも処理場という集める仕組みがすでにある。それをセメントの置き換え材にできるなら、廃棄物の処理と建材の排出という二つの問題を、少しだけ同時に軽くできる可能性があります。今回の研究は、そのための「入れる量の目安」を最初に示したものだと思って読むのがちょうどいいでしょう。
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出典
Tiwari, R., Mehra, P., Hussain, S. et al. “Mechanical, durability, and microstructural performance of biochar-modified concrete using faecal sludge–derived biochar.” Scientific Reports (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-66956-6（オープンアクセス。掲載時点では最終版の前の「早期公開版」）
ScienceAlert（2026年9月8日）”Scientists Are Making Concrete With Human Poop – And It Gets 42% Stronger” https://www.sciencealert.com/scientists-are-making-concrete-with-human-poop-and-it-gets-42-stronger
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