Valorization of Wastepaper Ash and Waste Ceramic Powder as Supplementary Cementitious Materials in Cement Mortar Production

建設業界を、家や道路を作るために大量のセメントをむさぼり食う、巨大で飢えたモンスターだと想像してみてください。このモンスターは少し困ったちゃんで、地球を温めてしまう二酸化炭素の巨大な雲を吐き出します。その一方で、私たちの周りには「ゴミ」の山が積み上がっています。古い事務用紙や壊れたセラミックタイルです。通常、これらは埋め立て地に送られるか燃やされますが、それは空気や土壌にとって悪いニュースです。

この研究は、シンプルで好奇心に満ちた問いを投げかけています：もし、新しいセメントを作る代わりに、その「ゴミ」をセメントモンスターに食べさせることができたらどうなるだろうか？

研究者たちは、廃棄用紙灰（WPA）（紙を燃やした後に残る灰）と廃棄セラミック粉末（WCP）（砕いたタイル）という2種類の特定の廃棄物を取り、それらを2:1の比率で混ぜ合わせました。そして、モルタル（レンガを固定する接着剤）に含まれるセメントの一部を、この「ゴミの混合物」であるWPACPに入れ替える実験を行いました。彼らは、置換率として**0%、5%、10%、15%、および20%**をテストしました。

「ゴルディロックス」ゾーン：完璧な配合を見つける

モタルの混合物をケーキの生地のように考えてみてください。小麦粉を入れすぎると、乾燥してボロボロになります。逆に少なすぎると、ドロドロの塊になってしまいます。研究者たちは、このWPACPという「ゴミの混合物」には、非常に具体的な「スイートスポット（最適解）」があることを発見しました。

• ワーカビリティ（作業性）の低下： ゴミの混合物を加え始めるとすぐに、モルタルは「喉が渇いた」状態になりました。滑らかで広げやすい状態を保つためには、より多くの水を必要としたのです。ゴミを加えれば加えるほど、作業は難しくなりました。**20%**に達する頃には、モルタルは硬く、動きが鈍くなっていました。
• 強度の急上昇： ここからがエキサイティングな部分です。セメントの**15%**をWPACP混合物に置き換えたとき、モルタルはただ耐えるだけでなく、さらに「強く」なったのです。
  • 養生（硬化させること）28日後、15%の混合物は、通常のセメント混合物よりも圧縮強度が**25.3%**高くなっていました。
  • 56日後でも、依然として**16.1%**高い強度を保っていました。
  • しかし、もしやりすぎて**20%**まで使ってしまうと、強度は再び低下し始めました。論文は明確に、「ゴミを増やせば増やすほど良い」という考えを否定しています。20%の混合物は、実際にはコントロール群（通常のセメント）よりも性能が悪かったのです。これは、構造を弱めることなく、どれだけの廃棄物を入れ替えられるかには限界があることを証明しています。

見えない盾：耐久性と密度

なぜ15%の混合物が勝ったのでしょうか？ モルタルをスポンジだと想像してみてください。普通のスポンジには大きな穴があり、そこから水が入り込んでダメージを与えることがあります。WPACPの粒子は非常に小さく、角張っています。**15%**のレベルで添加されると、これらは微細なパズルのように機能し、大きな砂粒の間のすべての小さな隙間や穴を埋めてしまいます。

• 「フィラー（充填）」効果： これにより、より緻密で引き締まった構造が作られました。15%の混合物は、吸水率が最も低く、空隙率（穴の多さ）も最も低い結果となりました。
• 音波テスト： 彼らは超音波パルス速度（Ultrasonic Pulse Velocity）を用いて、モタルの内部をチェックしました。音波は、緻密で固形なものの中では速く伝わり、スポンジのように穴が多いものの中では遅く伝わります。15%の混合物は音をより速く伝えたため、密度が高いことが確認されました。56日目までに、この混合物は「良好」な品質に分類され、通常のセメントを上回りました。
• 硫酸塩の盾： 彼らはサンプルを塩分を含む硫酸塩溶液（厳しい海水のようなもの）に浸し、崩壊するかどうかをテストしました。15%の混合物は強度の損失が最も少なく、化学的な攻撃に対する抵抗力が最も高いことが証明されました。

微視的な探偵作業

内部で何が起きているのかを確実に把握するため、研究者たちは熱と光を見るハイテクな「顕微鏡」を使用しました。

1. 熱分析 (TGA/DTA)： サンプルを900°Cまで加熱して、何が蒸発するかを確認しました。その結果、15%の混合物は重量減少が最も少ないことが分かりました。これは、構造が最も安定しており、「自由な」水や弱点が最も少ないことを意味します。また、廃棄灰と粉末がセメントと反応して、追加の「接着剤」（C-S-Hゲル）を作り出し、脆弱な部分（水酸化カルシウム）を消費していることも示されました。
2. 赤外分光法 (FT-IR)： これは化学物質の「指紋」をとるようなものです。スキャン結果は、15%の混合物において「スーパー接着剤」（C-S-Hゲル）の信号が非常に強く、脆弱な部分（水酸化カルシウム）の信号が弱いことを示しました。これにより、廃棄物が単なる充填材としてそこに存在するのではなく、より強いマトリックスを構築するために積極的に機能していることが裏付けられました。

結論

論文は、セメントに無制限に廃棄物を投入できるわけではないと結論づけています。20%は多すぎであり、0%ではその恩恵を逃してしまいます。しかし、**15%**はどうでしょうか？ それこそが「魔法の数字」なのです。

セメントの**15%**を、廃棄用紙灰と廃棄セラミック粉末の2:1の混合物に置き換えることで、以下の特性を持つモルタルが得られます：

• より強い（28日目での圧縮強度が最大**25.3%**向上）。
• より緻密（吸水率と空隙率が低下）。
• より耐久性が高い（硫酸塩攻撃への耐性が向上）。
• よりグリーン（必要なセメントが減り、埋め立て地の廃棄物も減少）。

この研究は、環境に優しく、かつ現場の過酷な条件にも耐えうる建設資材を作るための、実現可能な現実世界の選択肢であることを示唆しています。ただし、著者らは、ラボでの結果は有望であるものの、大規模な利用に向けて最適化するための今後の研究が依然として必要であると注記しています。彼らは、これが世界全体の解決済み問題であると宣言したわけではありませんが、未来に向けた非常に強力なレシピを見つけ出したことは間違いありません。