Assessing Engineering Properties of Concrete Produced with Broken Earthenware as a Partial Replacement of Coarse Aggregate

技術要約：粗骨材の一部代替としての陶器片を用いたコンクリートの工学的特性の評価

問題提起
建設業界は、天然資源の急速な枯渇と、骨材採掘に伴うコストの上昇という重大な課題に直面している。コンクリートは、水に次いで世界で2番目に消費される材料であるが、その容積の75〜80%を占める骨材に大きく依存している。ガーナのような発展途上国では、過度な採石が環境破壊や生態系汚染を引き起こしている。同時に、セラミックおよび陶器産業では、原材料の約30%、完成品の2%がスクラップとして廃棄されている。これらの廃棄物は多くの場合、埋立地に送られ、地下水に悪影響を及ぼす可能性がある。本研究は、従来の粗骨材（砕石）を陶器製の割れた鉢で部分的に置換することの妥当性を調査することで、建設コストの削減と環境負荷の軽減という二重のニーズに対処するものである。

研究手法
本研究では、コンクリートの機械的、物理的、および耐久特性を評価するために、実験的なアプローチを採用した。

• 材料: 本研究では、普通ポルトランドセメント（GHACEM Super Strong 42.5R）、川砂、砕石、および陶器の割れた破片を使用した。水はBS EN 1008:2002規格に準拠したものとした。
• 配合設計: 目標強度を25 N/mm²とし、水セメント比0.55の1:2:4の混合比を用いた。
• 供試体の作製: コンクリート供試体を鋼製立方体（100mm³）および円柱（直径100mm × 高さ200mm）に鋳造した。砕石を、重量比で0%（対照群）、10%、20%、30%、および40%の割合で陶器の割れた破片に置換した。
• 養生および試験: 供試体を7、14、21、および28日間養生した。以下の試験を実施した：
  • 密度: BS EN 12390-7:2019に従って測定。
  • 圧縮強度: 万能試験機（UTM）を用い、BS EN 12390-3:2019に従って試験。
  • 割裂引張強度: BS EN 12390-6:2009に従って実施。
  • 吸水率: 28日後、BS EN 1881-122:2011に従って決定。
  • 硫酸マグネシウム（MgSO₄）攻撃: 供試体をMgSO₄溶液中で28日間養生した後、BS EN 206-1:2000に従って圧縮強度を試験。
• データ分析: 結果はMicrosoft Excelおよび一元配置分散分析（One-Way ANOVA）を用いて分析し、統計的有意性（P < 0.05）を判定した。

主な結果

• 密度: 陶器による置換率が増加するにつれて、密度は減少した。対照群（0%）が最も高い密度（28日目で2486.67 kg/m³）を記録し、40%置換では最低の密度（2276.67 kg/m³）を記録した。10%置換の密度は2432.00 kg/m³であり、これは対照群より2.2%低いが、通常の重量コンクリートの範囲（ASTM C138による1842–2483 kg/m³）内に留まっている。
• 圧縮強度: 強度は養生期間とともに増加したが、置換率が高くなるにつれて低下した。28日目において、対照群は27.13 N/mm²を記録した。10%置換は26.39 N/mm²（対照群より2.7%低い）であり、40%置換は24.76 N/mm²であった。強度の低下は見られたものの、40%置換を除くすべての供試体が目標強度である25 N/mm²を満たしており、かつ全ての供試体が荷重支持用組積単位の許容基準（ASTM C90-22による最小13.8 MPa）の範囲内に収まった。
• 割裂引張強度: 傾向は圧縮強度と同様であり、置換率の上昇に伴って低下した。28日目において、値は2.769 N/mm²（対照群）から2.487 N/mm²（40%置換）の範囲であった。割裂引張強度は圧縮強度の8%から15%の間であり、標準的なコンクリートの挙動と一致していた。
• 吸水率: 置換率が高くなるにつれて吸水率は増加した。対照群の吸水率は2.44%であったが、10%置換では2.52%（対照群より3.2%高い）となり、40%置換では3.19%に達した。すべての値は、高品質コンクリートに対してしばしば引用される5%の閾値を下回り、4〜6%の最適範囲内に収まった。
• 硫酸マグネシウム攻撃: MgSO₄への曝露により、すべての供試体で強度の低下が見られた。興味深いことに、40%置換は最も高い耐性を示し、強度の低下はわずか0.3%であった（対照群は2.5%）。10%置換の低下は1.6%であった。

結論および意義
本研究は、割れた陶器の骨材が、コンクリートにおける粗骨材の部分的な代替として有効であることを結論付けている。

• 規格への適合: 陶器による最大40%の置換を用いたコンクリートは、密度、強度、および吸水率に関してBS EN 12390:2019およびBS 1881-122:2011が定める工学基準を満たしている。
• 推奨される用途: 著者らは、標準的なコンクリート工事に対して10%の置換を推奨する。これは、対照群の特性からの偏差を最小限に抑えつつ、強度と耐久性のバランスが取れているためである。また、硫酸マグネシウムへの曝露が高い環境においては、40%置換の混合物が化学的攻撃に対して優れた耐性を示したことから、40%の置換を推奨する。
• 経済的および環境的影響: 割れた陶器を利用することで、高価な天然骨材を低コストの産業廃棄物で代替し、建設コストを削減できる。さらに、セラミック廃棄物を埋立地から転換し、骨材採掘に伴う生態学的フットプリントを削減することで、環境の持続可能性を促進する。

本研究は、セラミック廃棄物の再利用が、荷重支持用途に必要な構造的完全性を損なうことなく、建設業界におけるコスト効率と環境の持続可能性の両方を高めることを裏付けている。