Mechanical and abrasion behaviour of cement and alkali-activated material mixes based on oil refinery waste catalyst: investigation and semi-empirical predictive models

工場、倉庫、そして賑やかな公共スペースのコンクリート床は、絶え間ない摩耗との戦いに直面しています。あらゆる足跡、あらゆる台車、そしてあらゆる車両のタイヤが表面を削り取り、時間の経過とともに材料を少しずつ剥ぎ取り、構造を弱めていきます。長持ちする床を造るために、エンジニアはコンクリートを結合させる結合剤であるセメントに頼っています。しかし、このセメントを製造するには重い代償が伴います。セメントが1トン製造されるごとに、約0.85トンの二酸化炭素が大気中に放出され、気候変動に大きく寄固与しているのです。この現実により、研究者たちは、産業廃棄物をセメントの一部と置き換えることで、汚染問題を建設の解決策へと変えようとする方法を模索してきました。そのような廃棄物の一つが、石油精製所から出るものです。そこでは、原油を燃料に変えるのを助けるために「触媒」と呼ばれる微粒子が使用されています。これらの粒子が役割を終えると、「使用済み触媒」として廃棄されます。これらの粒子は、コンクリートを構成する岩石や砂に含まれる成分と同じアルミニウムとシリカが豊富に含まれており、新しい命を吹き込むのに役立つ可能性を示唆しています。

ある研究チームは、これらの廃棄された石油精製粒子をコンクリートに混合することで、環境に配慮しながら、より強く耐久性のある床を作ることができるかどうかをテストすることに乗り出しました。彼らは2種類の異なるコンクリート混合物に焦点を当てました。1つ目は標準的なセメント混合物で、そこでは廃棄粒子がセメントの一部を置き換えるフィラー（充填材）として機能します。2つ目は「アルカリ活性化」混合物です。これは、従来のセメントを一切使わずに、化学溶液を使用して廃棄粒子を結合させる、より高度なタイプのコンクリートです。研究者たちは、廃棄粒子のサイズと混合物の種類が、押しつぶし、曲げ、そして絶え間ない研磨に対するコンクリートの耐性にどのように影響するかを調べたいと考えました。また、単に廃棄物をどれだけ加え、粒子がどれほど細かいかに基づいて、コンクリートを流し込む前にその床がどれほど強くなるかをエンジニアが予測できる一連のルールを作成することも目的としました。

チームはまず、材料を集めることから始めました。標準的なポルトランドセメント、川砂、水、そしてポーランドの精製所から出た使用済み触媒粒子です。彼らは、サイズが重要かどうかを確認するために、触媒粒子を細かいものと粗いものの2つのサイズに注意深く分類しました。次に、一連のテスト用バッチを作成しました。あるバッチでは、セメントの最大20パーセントを廃棄粒子で置き換え、別のバッチでは、粒子をアルカリ活性化混合物の主成分として使用しました。混合物が作業しやすいように、湿ったコンクリートが型に簡単に流れるよう、液体可塑剤を添加しました。コンクリートが硬化した後、研究者はサンプルに対して厳格な一連のテストを行いました。圧縮強度を測定するために立方体の塊を押しつぶし、曲げ強度をテストするために長い梁を曲げ、そして材料が時間の経過とともにどれだけの重量を失うかを測定するために、重い研磨ホイールを表面に擦り付ける特殊な機械を使用しました。この摩耗テストは、数年間の歩行や車両による摩耗をわずか数時間でシミュレートするため、非常に重要です。

結果は、使用されるコンクリートの種類によって性能が明確に分かれることを明らかにしました。標準的なセメント混合物においては、廃棄粒子を加えることは極めてうまく機能しました。研究者がセメントの20パーセントを使用済み触媒で置き換えたところ、結果として得られたコンクリートはより強固になり、耐摩耗性も向上しました。最も細かい粒子を用いた混合物は、52メガパスカルの圧縮強度と8メガパスカルの曲げ強度を達成し、さらにプレーンなセメントと比較して耐摩耗性が18パーセント向上しました。廃棄粒子はスポンジのように機能して水を吸収し、セメントと反応して微細な隙間を埋めることで、より緻密でタフな材料を作り出したのです。しかし、アルカリ活性化混合物の物語は異なっていました。これらの混合物では、廃棄粒子が化学結合剤と十分に反応しませんでした。その結果、材料は著しく弱くなり、摩耗も大幅に増え、28日後の重量減少率はセメント混合物の9倍に達しました。研究者は、化学的な活性化プロセスが不完全であり、多くの廃棄粒子が未反応のまま構造の中に緩く保持されていることが原因であることを突き止めました。これが、摩擦によって表面が容易に崩れる原因となりました。

これらの複雑な結果を理解するために、研究者たちは、すべてのテストを実行することなくコンクリートの性能を予測できる数学的モデルを開発しました。これらのモデルは単なる推測ではなく、廃棄物の量、粒子のサイズ、使用される結合剤の種類、およびコンクリートの経過時間を最終的な強度と耐久性に結びつける物理的原理に基づいています。モデルは非常に正確であり、圧縮強度、曲げ強度、および摩耗損失を7パーセント未満の誤差範囲で予測しました。これは、もしエンジニアが計画している特定の混合物を知っていれば、これらの公式を用いて、その床が激しい交通量の下でどのように機能するかを自信を持って予測できることを意味します。モデルは、標準的なセメントの場合、廃棄物を加えることが強さと耐久性を高めるという「ウィン・ウィン」の関係であることを裏付けました。一方、アルカリ活性化混合物については、現在の化学的なレシピでは、粒子が結合力を提供するために必要なほど反応的ではないため、この廃棄物を十分に活用するにはまだ時期尚早であることをモデルは浮き彫りにしました。

本研究は、石油精製廃棄物をコンクリートに使用することは実行可能な道であるが、それには適切なアプローチが必要であると結論付けています。セメントの一部をこれらの粒子で置き換えることは、よりタフで、建設における炭素排出量を削減する高性能な材料を生み出します。研究者たちの推定によれば、セメントの20パーセントを交換することで、結合剤1トンあたり約170キログラムの炭素排出量を削減できる可能性があります。しかし、この利益は、廃棄物が伝統的なセメント混合物の中で、反応性の高いフィラーとして機能する場合にのみ実現されます。より実験的なアルカリ活性化システムにおいては、この技術はまだこの特定の廃棄物を効果的に扱う段階には至っていません。この研究は、建設業界への明確なロードマップを提供しています。つまり、コンクリートの種類と廃棄粒子のサイズを慎重に選択することで、建設業者は、産業副産物を未来の基礎へと変え、より持続可能で、かつより長持ちする床を造ることができるのです。