Mechanical and physicochemical performance of calcined kaolin based alkali activated compressed lateritic earth blocks versus Portland cement stabilization at early age

世界の多くの地域において、家を建てる最も実用的な方法は、地球そのものを利用することです。圧縮土ブロックは、本質的には土を型にきつく詰め込んだレンガであり、焼成粘土レンガやコンクリートに代わる、低コストで持続可能な選択肢となります。しかし、生の土は脆弱で、濡れると崩れてしまうため、建築家は伝統的に、土を結合させて保持するための結合剤を混ぜ込んできました。数十年にわたり、標準的な選択肢は普通のポルトランドセメントでした。これは石のような構造へと硬化する材料ですが、その製造過程で放出される膨大な量の二酸化炭素により、環境への負荷が非常に大きいという課題があります。世界がより環境に優しい建築方法を模索する中で、科学者たちは異なる種類の結合剤に注目しました。それがジオポリマーです。この材料は、現地の粘土を強アルカリ溶液と混合することで作られ、高温での焼成を必要とせずに、粘土を硬い岩のような物質へと変化させる化学反応を引き起こします。研究者が直面している問いは、この新しい低炭素のアプローチが、これらの建物が最も必要とされる湿潤な熱帯気候において、果たして伝統的なセメントの性能に立ち向かうことができるのか、という点です。

カメルーンとドイツを拠点とする研究チームは、これら2種類の安定化土ブロックを直接比較することで、この問いに答えるべく取り組みました。彼らは、この地域で一般的な、赤色で粘土質の高いラテライトと呼ばれる特定の土を取り出し、2つの異なる方法で準備しました。第一のグループのブロックには、土に普通のポルトランドセメントを混ぜました。第二のグループには、化学的に反応するように高温で加熱されたカオリン（一種の粘土）から作られたジオポリマー結合剤を使用し、それを液体アルカリ溶液と混合しました。彼らは、全重量の5パーセントから10パーセントの範囲で異なる量の結合剤を用いたブロックを作成し、重機を用いて固形にプレスしました。ブロックを1週間および2週間にわたって放置・硬化させた後、チームはそれらがどれほど強いか、どれほど水を吸収するか、そして顕微鏡下で内部構造がどのようになっているかを確認するために、一連の厳格なテストを行いました。

結果は、どの強さが重要であるかによって、性能に明確な差があることを明らかにしました。研究者がブロックが押しつぶされる前にどれだけの荷重に耐えられるかをテストした際、ジオポリマーブロックがより強力な候補であることが証明されました。結合剤が最大レベルの10パーセントで、2週間の養生を経た後、ジオポリマーブロックは乾燥状態で10.62メガパスカル、水に浸された状態でも驚異的な10.12メガパスカルの圧縮強度を示すことができました。対照的に、同じレベルのセメントブロックは、乾燥状態で8.12メガパスカルしか耐えられず、濡れた状態では6.75メガパスカルまで低下しました。この違いは重要です。なぜなら、ジオポリマーブロックはより強く始まっただけでなく、水分にさらされた際にも強さをよく維持しており、損失が非常に少ないことを示しているからです。一方、セメントブロックは濡れた際に強度が大幅に低下しており、激しい雨による侵食や損傷に対してより脆弱であることを示唆しています。

研究者がブロックの柔軟性、つまり、折れることなく曲がる能力をテストしたとき、物語は変わりました。この領域では、伝統的なセメントブロックがリードしました。セメント安定化ブロックは4.22メガパスカルの曲げ力に耐えられたのに対し、ジオポリマーブロックはわずか2.81メガパスカルでした。これは、ジオポリマーが押しつぶされることには強い非常に硬く緻密な材料を作り出す一方で、地震や地面の不均一な沈下によって発生するような、ねじれや曲げの力に対しては脆いことを示しています。比較すると、セメントはもう少し柔軟性を保持しており、ストレスを吸収して簡単に壊れないようにすることができます。

これら2つの材料がなぜこれほど異なる挙動を示したのかを理解するために、チームは原子や分子の配列を明らかにする特殊なイメージングツールを用いて、ブロックの内部を観察しました。彼らは、セメントブロックにはセメント水和の予想される化学生成物とともに、使用された水の含有量が低いために完全に混ざりきらなかった未反応のセメント粒子が含まれていることを見出しました。しかし、ジオポリマーブロックは異なる内部景観を示していました。セメントの結晶の代わりに、土の粒子をしっかりと結合させる高密度で無定形のゲルが含まれていました。このゲルは、熱処理されたカオリンがアルカリ溶液と反応して、新しい三次元ネットワークを作り出したことで形成されました。このネットワークは、土の粒子間の微細な隙間を埋めるのに非常に効果的であり、その結果、ジオポリマーブロックはセメントブロックよりも緻密で、孔（あな）が少ないものとなりました。彼らは水の吸収量も大幅に少なく、最高のジオポリマーサンプルは重量の約9パーセント程度しか水を吸い込まなかったのに対し、セメントのサンプルは12パーセント近くを吸収しました。

本研究は、どちらの材料もあらゆる状況において他方の完璧な代替品となるわけではないものの、ジオポリマーが特定のニーズに対して説得力のある選択肢を提供することを結論付けています。激しい雨が常に脅威となる熱帯地域において、ジオポリマーブロックは水による損傷に対する優れた耐性と高い圧縮強度を提供するため、乾燥した状態を保ち、堅牢でなければならない耐力壁として非常に優れています。しかし、構造物が柔軟性を必要としたり、曲げの力に抵抗する必要がある用途においては、依然として伝統的なセメントに利点があります。この研究は、現地で入手可能な材料と低炭素の化学プロセスを用いることで、環境に優しく、かつ耐久性と水安定性の面で技術的に優れた土ブロックを作ることが可能であることを実証しています。この成果は、これらの地域における持続可能な住宅の未来は、単一の普遍的な解決策に頼るのではなく、適切な仕事に対して適切な結合剤を選ぶことにあるかもしれないことを示唆しています。