Effect of Recycled Fine Aggregate Replacement Ratio on the Fresh State, Mechanical, and Water Absorption Properties of Self- Compacting Mortar

建設業界を、都市を築くために山のような砂や岩を食らい尽くす一方で、古い建物から出る大量のコンクリート塊を吐き出す、巨大で飢えた獣だと想像してみてください。これは二重のトラブルを引き起こします。すなわち、天然の砂が枯渇しつつあり、同時に廃棄物が溢れかえっているという状況です。ここで、物語のヒーローが登場します。それが**自己充填モルタル（Self-Compacting Mortar）**です。これは普通のコンクリートではなく、蜂蜜のように流れる、非常に滑らかで濃厚な「スープ」だと考えてください。型に流し込めば、振動させたり揺らしたりしなくても、自ら沈み込み、広がり、あらゆる隅々まで満たしてくれます。それは、効率的でありながら完璧な、建築家の理想形なのです。

次に、採石場から材料を取ってくる代わりに、ゴミ箱の中にある材料を使って、この完璧なスープを作ろうとしている場面を想像してください。そこで**再生骨材（Recycled Aggregates）**の出番です。これらは、砕かれた古いコンクリートの小さな破片です。科学者たちが問い続けてきた大きな疑問は、「もし、この滑らかな天然の川砂を、これらの粗い再生砂に入れ替えたら、私たちの『スーパー・スープ』は依然として流れるのか？ 強さは維持されるのか？ それとも、ボソボソとした弱い塊になってしまうのか？」ということです。この論文は、建設廃棄物を高性能な建築材料へと変えることができるのか、そのレシピを台無しにすることなく実現できるのかを探るために、この「めちゃくちゃなキッチンでの実験」に深く切り込んでいます。

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砂の入れ替え大実験

この研究では、イランの2人の研究者が、コンクリート研究所の「マッド・サイエンティスト（狂った科学者）」の役割を演じることに決めました。彼らは、自己充填モルタルの「良質な」砂を、異なる割合で「再生」砂（砕いた古いコンクリート）に置き換えた場合に何が起こるかを調べようとしました。彼らはただ勘で動いたのではなく、5種類の異なるバッチのモルタル・スープを作りました：

1. コントロール（対照群）： 再生砂0%（100%新鮮な天然砂）。
2. 軽い入れ替え： 再生砂25%。
3. 中間地点： 再生砂50%。
4. 重い入れ替え： 再生砂75%。
5. 完全な入れ替え： 再生砂100%。

彼らは、セメントの量、水、そして特殊な「流動性向上剤」などの他の要素はすべて全く同じに保ちました。つまり、変化したのは砂の種類だけです。そして、これらのバッチを、湿った状態（フレッシュ状態）での挙動と、乾燥して硬くなった状態での挙動（機械的特性）を見るために、一連のテストにかけました。

流動性テスト：「スランプ」と「漏斗」

まず、彼らはモルタルがどのように動くかを観察しました。濃厚なミルクシェイクを注ぐ場面を想像してください。厚すぎると流れず、薄すぎると飛び散ります。

• ミニ・スランプフロー： 彼らはモルタルの円錐を落とし、それがどれくらい広がったかを観察しました。「完璧な」フレッシュ・モルタル（再生砂0%）は、33.5 cmまで広がりました。しかし、再生砂を加えるにつれて、広がりは縮小しました。再生砂25%では28.75 cm、50%では23.0 cmに低下しました。再生砂100%に達したときには、モルタルはほとんど広がらず、わずか14.75 cmしか到達しませんでした。これは約56%という大幅な減少です！
• V字型漏斗（V-Funnel）： 彼らはまた、モルタルが漏斗を通り抜けるのにかかる時間を計測しました。新鮮な混合物は7秒で排出されました。100%再生砂の混合物は16秒かかりました。

なぜこのようなことが起きたのでしょうか？ 著者たちの説明によれば、再生砂は「表面が粗く凸凹したスポンジ」のようなものです。それは乾燥した古いセメント・モルタルに覆われており、水分を欲しがり、粘り気があります。これを混ぜると、これらの粗い破片が互いに、そして水と絡み合い、摩擦を生み出します。それは、氷の上ではなく、サンドペーパーで覆われた床の上を滑ろうとするようなものです。再生砂を増やせば増やすほど、「スープ」はより「厚く」、より遅くなります。

強度テスト：押しつぶし試験

次に、彼らはモルタルが硬化するのを28日間待ち、それが壊れるまで押しつぶして強度を測定しました。

• コントロールの混合物（再生砂0%）は強く、38.9 MPaを保持しました。
• 25%の混合物は38.2 MPaでした。
• 50%の混合物は37.6 MPaでした。
• 75%の混合物は36.1 MPaに低下しました。
• 100%の混合物は35.1 MPaまで落ちました。

ここには良いニュースがあります。100%再生砂を使用しても、モルタルは依然としてかなり強く（35 MPa以上）、実用的な強度を保っていました。強度の低下は壊滅的なものではなく、緩やかで穏やかな下降でした。著者らは、再生砂には（粉砕されたことによる）微細な亀裂や穴があるため、最終的なブロックがわずかに弱くなることを示唆していますが、使い物にならなくなるほどではありません。50%までの置き換えであれば、強度はほとんど変わりませんでした（4%未満の低下）。

吸水テスト：スポンジ効果

最後に、硬化したモルタルがどれだけの水を吸収できるかをチェックしました。

• コントロールの混合物は**3.24%**の水を吸収しました。
• 100%再生砂の混合物は**5.02%**の水を吸収しました。

この増加は、再生砂が基本的にスポンジであるため、理にかなっています。再生砂には、小さな穴がたくさん開いた古いモルタルが付着しています。この砂で壁を作ると、それらの穴が繋がり、水が移動するためのハイウェイ（高速道路）を作り出します。再生砂を多く使うほど、壁はより「スポンジのような」性質を持つようになります。

結論：スイートスポットを見つける

では、結論は何でしょうか？ この論文は、単に100%の再生砂をモルタルに投げ込んで、元のものと全く同じように機能することを期待してはいけない、と示唆しています。流動性は低下し、吸水率は高くなってしまいます。

しかし、研究は「ゴールドロックゾーン（適温領域）」を見つけ出しました。天然の砂の**25%から50%**を再生砂に置き換える場合、両方の良いとこ取りができます。この範囲では：

• モルタルは依然として実用的なレベルで十分に流れます（ただし、0%のバージョンほど完璧ではありません）。
• 強度はほぼ変わりません（4%未満のわずかな低下）。
• 吸水率は上がりますが、危険なレベルではありません。

著者らは、再生砂を使用することは天然資源を節約し、建設廃棄物を片付ける素晴らしい方法であるが、レシピには注意が必要であると結論付けています。もし置き換え率が高すぎる（75%または100%）場合は、流動性を維持するために、配合（流動性向上剤を増やす、あるいは水を変えるなど）を調整する必要があります。しかし、適度な置き換えであれば、環境にとっても建築家にとっても、ウィン・ウィン（双方に利益がある）の関係となります。

この論文が「行わなかったこと」（細かい注意書き）

期待を抱きすぎないために、この研究が「行わなかったこと」を知っておくことは重要です。研究者たちは、これらの壁がハリケーンの中でどれくらい長持ちするか、凍結時に亀裂が入るか、あるいは塩水によって侵食されるかをテストしたわけではありません。彼らが調べたのは、最初の28日間だけです。また、彼らは顕微鏡を使って砂の中の微細な亀裂を観察したわけではなく、目に見える結果に基づいて推測したに過ぎません。したがって、結果は有望ではありますが、あらゆる状況における最終的な答えではなく、あくまで出発点なのです。

要約すると、この論文は、コンクリート廃棄物を新しい建築材料としてリサイクルできることを教えてくれますが、それには注意深い配合が必要だということです。砂の4分の1か半分を入れ替えてみてください。そうすれば、強くてエコフレンドリーなモルタルが得られます。もし全てを入れ替えるなら、機能させるためにもう少し追加の工夫が必要になるかもしれません。