Analysis of the hydration heat evolution in cements incorporating construction waste powders by examining phase changes

コンクリートは地球上で最も広く使用されている建築材料であり、砂、水、そしてセメントと呼ばれる結合用の粉末を混合したものです。水がセメントに触れると、柔らかい混合物を硬い石のような固体へと変える化学反応が始まります。「水和」として知られるこのプロセスは、熱を放出します。ダムや高層ビルの基礎のような巨大な構造物では、この熱が危険なレベルまで蓄積することがあり、冷却時にコンクリートにひび割れを生じさせる原因となります。これを管理するため、エンジニアはしばしば、反応を遅らせるか、発生する総熱量を抑える方法を模索します。同時に、建設業界は、砕いたレンガ、古いタイル、解体されたコンクリートの破片など、膨大な量の廃棄物を排出しています。これらの破片の大きな塊は新しい砂利としてリサイクルされることが多い一方で、粉砕によって生じる微細な塵状の粉末は、しばしば廃棄されます。現在、研究者たちは、この微細な廃棄物粉末が新しいコンクリートの中でセメントの一部を代替できるのではないか、つまり、廃棄問題を有用な資源に変え、同時に化学反応による冷却にも役立てるのではないかと調査を進めています。

アルジェリアの研究チームは、これら3種類の特定の建設廃棄物を用いてこのアイデアを検証することに乗り出しました。使用されたのは、リサイクルされたセラミックタイルの粉末、リサイクルされたレンガの粉末、そしてリサイクルされたコンクリートの粉末です。彼らは、一連のモルタル混合物（コンクリートに似ていますが、微細な砂のみを使用するもの）を作成しました。実験では、各混合物の標準的なセメントを、これらの廃棄物粉末のいずれかで10%、20%、および30%置き換えました。その後、材料が硬化する際の温度変化を測定するために設計された特殊な断熱容器の中に、これらの混合物を配置しました。熱がどれだけ放出され、どの程度の速さで放出されるかを追跡することで、研究者たちは水が加えられた瞬間からの化学反応の全ライフサイクルをマッピングすることができました。

結果は、これらの廃棄物粉末を加えることがセメントの挙動を大きく変化させることを示しました。セメントが置き換えられたすべてのケースにおいて、5日間にわたって放出される総熱量は減少しました。粉末を多く加えるほど、生成される熱は少なくなりました。リサイクルされたコンクリート粉末でセメントの30%を置き換えた場合、放出された総熱量は、標準的な混合物が生成する熱の約70%に過ぎませんでした。この減少は、構造物が完全に固まる前に過剰な熱がダメージを与える可能性がある暑い地域での建設において、特に価値があります。総熱量を減らすだけでなく、廃棄物粉末は反応の速度も遅らせました。熱放出のピーク、すなわち最も激しい化学活動の時点は、通常のセメントと比較して2〜3時間遅れました。この遅延により、作業員はコンクリートが硬くなり始める前に、コンクリートを流し込み、成形するための時間をより多く確保できるようになります。

研究者たちはまた、なぜこのような変化が起こるのかを理解するために、化学反応の異なる段階を詳細に調査しました。彼らは、廃棄物粉末の種類が重要であることを発見しました。非常に細かいリサイクル・セラミック粉末は、反応の初期の核生成および成長フェーズを短縮しましたが、レンガとコンクリートの粉末は、このフェーズを長期化させました。しかし、粉末の種類に関わらず、ピーク時の熱流束（ヒートフラックス）はすべての混合物において2〜3時間遅れました。研究は、反応が次のような一連のイベントを含んでいることを明らかにしました。まず、新しい結晶が形成され成長し、次に、これらの結晶が残りのセメント粒子と相互作用し、最後に、イオンが反応する新たな場所を見つけるために固化していく物質の中を移動する必要があるため、反応が減速します。廃棄物粉末は、これらのステップのタイミングを変化させました。例えば、レンガとコンクリートの粉末は初期の結晶成長フェーズを延長しましたが、セラミック粉末は、最後の緩やかな拡散フェーズをより支配的なものにしました。

最終的に、この研究は、これらの建設廃棄物の微細な成分が単なる不活性な充填剤ではなく、セメントの挙動を変える能動的な成分であることを裏付けています。廃棄物粉末は、硬化プロセスに参加できる特性を備えており、化学的に活性でありながら、より少ない熱を生み出す材料を作り出します。この知見は、これらのリサイクル粉末を最大30%まで使用することが、より持続可能な建築材料を作成するための実行可能な戦略であることを示唆しています。建設中の熱発生を抑えることで、これらの混合物は大規模な構造物におけるひび割れを防ぐのに役立ち、同時に、大量の廃棄物を埋立地から転換することができます。この研究は、これらの材料がどのように機能するかという明確な全体像を提供しており、建設業界をより効率的で、環境への影響が少ないものにするための実用的な道筋を示しています。