Influence of recycled fine aggregate particle size on wet carbonation for producing sustainable aggregate from construction waste
本研究は、再生細骨材（RFA）の湿式炭酸化が粒径に強く依存することを示しており、粗い画分（>1.18 mm）は、イオンの溶出が緩やかであるために優れた細孔精緻化と均一な炭酸化を達成する一方で、細かい画分は表面の不動態化と空隙率の増加に見舞われ、最終的に、再結合された炭酸化RFAを使用した場合のモルタルにおける圧縮強度の25.1%の向上をもたらす。
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都市が成長したり、古い橋が取り壊されたりするたびに、そこにはら壊れたコンクリートの山が残されます。数十年にわたり、この瓦礫を処理する標準的な方法は、それを粉砕し、河床にある天然の砂や砂利の代用品として利用することでした。このリサイクル素材は持続可能な未来を築くための重要な資源ですが、一つの欠点があります。砕かれた破片は、多くの場合、古くなったセメントペーストによる粗く多孔質な層に覆われており、それが材料を弱く、水を吸い込みやすくさせているのです。これを解決するために、科学者たちは「湿式炭酸化」と呼ばれるプロセスを開発しました。簡単に言えば、これは砕いたコンクリートを水に浸し、混合物に二酸化炭素ガスを吹き込むというものです。ガスは古いセメントに含まれるカルシウムと反応して、穴を埋め、材料を強化する新しい固体の鉱物を形成します。これは、廃棄物をより優れた建築用ブロックへと変えると同時に、空気中から二酸化炭素を捕捉する巧妙な方法です。
しかし、中央南大学の研究者による新しい研究は、このプロセスがすべての瓦礫に対して同じように機能するわけではないことを示唆しています。研究チームは、砕かれた粒子のサイズが、処理が効果をもたらすか、あるいは悪影響を与えるかを決定する要因であることを発見しました。彼らは、この手法が諸刃の剣のように作用することを見出しました。つまり、リサイクル砂の大きな塊を強化する一方で、極めて細かい粒子を同時に弱めてしまうのです。この発見は、すべてのリサイクルコンクリートが炭酸化から等しく恩恵を受けるという一般的な仮定に異を唱えるものであり、粒子のサイズが水の中で起きている複雑な化学的戦いを左右していることを明らかにしました。
この隠れたダイナミクスを解明するために、研究者たちはリサイクル細骨材（本質的には砕かれたコンクリート砂）のバッチを取り出し、それを5つの異なるサイズグループに分類しました。次に、各グループを個別に処理し、一時間、水と砂の混合物に二酸化炭素を吹き込みました。粒子サイズを分けることで、微細な塵と粗い粒子の間で化学反応がどのように展開するかを正確に観察することができました。彼らは水の酸性度を測定し、鉱物の放出を追跡し、強力な顕微鏡と化学分析ツールを用いて砂粒の物理的な変化を調査しました。
結果は、1.18ミリメートルの特定のサイズ閾値で明確な分かれ目があることを示しました。大きな粒子の場合、このプロセスは成功でした。これらの粒子は大きいため、体積に対する表面積が小さく、そのため化学反応がよりゆっくりと進行しました。この緩やかなペースにより、外側に固い殻が形成される前に、二酸化炭素が砂の細孔の奥深くまで浸透することができました。その結果、新しい鉱物が穴の中に形成されてそれらを塞ぎ、粒子をより緻密で強くしました。これらの大きな粒子の吸水率は低下し、圧縮に対する耐性は大幅に向上しました。
対照的に、1.18ミリメートルよりも小さい最も細かい粒子は、異なる運命を辿りました。これらの微小な粒子は表面積が膨大であるため、内部の鉱物を非常に速く水中に放出させました。この急速な放出が粒子の表面で即座の反応を引き起こし、ほぼ瞬時に厚く硬い新鉱物の層を作り出しました。これは一見有益に思えますが、実際には障壁を作り出しました。この表面の殻が、二酸化炭酸が粒子の内部に到達するのをブロックしたのです。一方で、急速な化学反応は粒子の内部にある結合材を奪い去り、結果として粒子により多くの穴を残し、構造を弱体化させました。これらの細かい粒子の総孔隙量は19パーセント近く増加し、以前よりも脆弱で吸水しやすくなっていました。
この微細な画分における劣化にもかかわらず、全体的な物語は明るい結末を迎えます。研究者たちは、強化された大きな粒子と弱体化した小さな粒子を再び組み合わせ、建設に適した完全な粒度を持つ砂を作成しました。この混合・処理された砂を使用してモルタルを作ったところ、最終製品は未処理のリサイクル砂で作られたモルタルよりも大幅に強くなりました。100パーセントの置換率において、新しいモルタルは28日後に25.1パーセント強くなりました。研究者たちは、強化された大きな粒子による利得が、細かい粒子の損失を補って余りあるほど大幅であったと示唆しています。さらに、細かい粒子の化学的変化は、個々の構造にはダメージを与えたものの、最終的な混合物の中でセメントを結合させるのに役立つシリカに富んだ材料を生み出し、二次的な利益をもたらしています。
この研究は、建設廃棄物のリサイクルが「万能な解決策」ではないことを浮き彫りにしています。リサイクル骨材をアップグレードする有効性は、処理される粒子の特定のサイズに大きく依存します。プロセスは、材料の表面を覆うだけではなく、材料の内部まで浸透させるのに十分なほどゆっくりと進行させることができれば、最も効果を発揮します。建設業界にとって、これは将来のリサイクル工場が、廃棄物をより注意深く選別し、おそらく異なるサイズ分画に対して異なるタイミングや方法で処理を行うことで、最終的な建築材料の強度を最大化する必要があることを意味しています。これらの微視的な相互作用を理解することで、エンジニアは都市の瓦礫の山を、より持続可能な世界の基礎へとより良く変貌させることができるのです。
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