Mechanical Strength Assessment of Eco-Friendly Bricks Produced Using Waste Marble Dust and Crushed Stone Dust as Partial Cement Replacements

技術要約：廃大理石粉末および砕石粉末を使用したエコフレンドリーなレンガの機械的強度評価

問題提起
建設業界は、産業廃棄物（特に大理石粉末（MD）および砕石粉末（CSD））の大量発生と、セメント製造による高い環境負荷という二重の課題に直面している。インドにおける大理石加工では、年間約1,200万トンの廃棄物が生成されており、土壌や水質汚染の重大なリスクとなっている。同時に、セメント製造は世界の人工的なCO₂排出量の約5%を占めている。先行研究では、MDまたはCSDをセメントの一部として個別に置換する研究が行われてきたが、これら2種類の廃棄物を組み合わせてレンガ製造に使用する場合の相乗効果については、依然として重要な研究上の空白が存在する。本研究は、セメント消費量を削減し、環境への危害を軽減しつつ、機械的性能を損なうことなく持続可能な建設資材を製造するために、これら地域で入手可能な廃棄物を利用する必要性に取り組むものである。

研究手法
本研究では、レンガ製造におけるポゾラン・ポルトランドセメント（PPC）の部分置換としてのMDおよびCSDの適合性を評価するために、実験的設計を用いた。

• 材料： 本研究では、PPC（フライアッシュ35%含有）、天然砂（ゾーンI）、大理石粉末、および砕石粉末を使用した。
• 配合設計： レンガは1:4（セメント：砂）の比率、水セメント比0.45で鋳造した。コントロール混合物（M0）はセメント100%を含有する。実験用混合物では、以下の3つのレベルで、MDとCSDを等量ずつ用いてセメントを置換した：
  • M10： 10% MD + 10% CSD（合計20%置換）。
  • M20： 20% MD + 20% CSD（合計40%置換）。
  • M30： 30% MD + 30% CSD（合計60%置換）。
• 試験片の作製： 230mm x 90mm x 80mmのサイズのレンガを木製型枠で鋳造し、テーブルバイブレーターを用いて締め固め、7日、14日、28日間、水中で養生した。
• 試験プロトコル： ふるい分け試験、比重試験、シルト含有量試験、吸水率試験、および密度測定を実施した。圧縮強度は、7日、14日、28日において圧縮試験機（CTM）を用いて評価した。
• 統計解析： データは記述統計（平均、標準偏差、変動係数）および、養生期間と置換レベルが強度に与える有意性を判断するための一元配置分散分析（ANOVA）（p < 0.05）を用いて分析された。

主な結果

• 圧縮強度： コントロール混合物（M0）は、最高値である24.56 MPaの28日圧縮強度を達成した。M10混合物（合計20%置換）は20.62 MPaを記録し、実行可能な代替案となった。しかし、置換レベルが高くなると大幅な強度低下が見られた：M20（40%置換）は8.61 MPaに低下し、M30（60%置換）は6.37 MPaまで落ち込んだ。
• 統計的有意性： ANOVAにより、養生期間と置換レベルの両方が圧縮強度に対して統計的に有意な影響を与えることが確認された（p < 0.001）。7日から28日にかけての強度の発達は、すべての混合物において有意であった。
• 吸水率： 強度と吸水率の間に逆相関の関係が観察された。置換レベルが増加するにつれ、吸水率は**5.66%（M0）から9.81%（M30）**へと増加し、これは高置換レベルにおける空隙率の増加と結合力の低下を示している。
• 密度： レンガの密度は、置換の増加に伴い段階的に減少した。範囲は**2698.87 kg/m³（M0）から2491.14 kg/m³（M30）**であった。M10混合物は、標準的な建設資材と一致する密度を維持した。
• 材料特性： 大理石粉末の比重は2.63、石粉は2.57であり、いずれもセメント（3.1）より低く、これが観察された密度の減少に寄与している。

主要な貢献と主張
本論文は、セメントを大理石粉末と砕石粉末の組み合わせで部分置換することは、置換レベルが最適化されている場合に限り、持続可能な建設のための実行可能な戦略であると主張している。

• 最適な置換レベル： 本研究は、**合計20%の置換レベル（10% MD + 10% CSD）**を最適な候補として特定した。この混合物は平均20.62 MPaの圧縮強度を達成しており、著者らは、この値は特定の建設用途においてコントロール混合物と競合するのに十分であり、かつ環境的利益をもたらすと主張している。
• 相乗的な活用： 本研究は、2つの異なる産業廃棄物を同時に利用する可能性を強調しており、複合的な廃棄物バロリゼーション（価値化）に関する文献の空白に対処している。
• 環境および経済的影響： セメントを代替することにより、本研究はセメント製造に関連するCO₂排出量とエネルギー消費の削減を主張している。さらに、現地調達された廃棄物を利用することで、大理石および石材加工産業に関連する輸送コストと処分責任を軽減できる。

意義
著者らは、本研究をSDGs（持続可能な開発目標）の目標9（産業、イノベーション、およびインフラ）および目標11（持続可能な都市とコミュニティ）への貢献として位置づけている。本研究は、産業副産物が機能的な建設資材へとエンジニアリング可能であることを示しており、それによって建設環境のカーボンフットプリントを削減し、固体廃棄物を管理できることを実証している。結論として、過度な置換は耐久性と強度を損なうものの、制御された低レベルの置換（具体的には20%の合計置換）は、コスト削減、環境の持続可能性、および許容可能な機械的性能を達成するためのバランスの取れたアプローチを提供する。今後の課題として、長期的な性能および廃棄物特性の標準化に焦点を当てることが示唆されている。