Influence of Waste Glass Powder on Rheology, Printability and Mechanical Properties of Alkali-Activated Materials for 3D Concrete Printing

建設業界は現代生活の巨大なエンジンですが、それには深刻な環境コストが伴います。世界の炭素排出量の大部分は、コンクリートを結合させるための結合剤であるセメントの製造から発生しています。このプロセスでは、石灰石を極端な高温に加熱する必要があり、その工程で膨大な量の二酸化炭素が放出されます。同時に、世界ではボトルや窓ガラスなどの大量の廃棄ガラスが発生しています。ガラスは理論的にはリサイクル可能ですが、現実は複雑です。異なる色や種類のガラスが混ざり合っていることが多く、従来の形でのリサイクルには分類が困難でコストがかかります。その結果、何百万トンものガラスが埋め立て地に送られています。

近年、木製の型枠を必要とせず、層を一層ずつ積み重ねて構造物を構築する手法として、3Dコンクート・プリンティングと呼ばれる技術が登場しました。この手法は、時間の節約と廃棄物の削減を実現すると期待されていますが、新たな問題を生み出しています。それは、印刷に使用するコンクリートの混合物が非常に特殊なものでなければならないということです。ノズルを通してポンプで送れるほど流動的でありながら、堆積した直後にその形状を維持できるほど硬くなければなりません。これを実現するために、従来の混合物は高濃度のセメントに依存することが多く、それが3Dプリンティングのプロセスが持つ環境上の利点を損なってしまいます。現在、研究者たちは、このセメントを産業副産物や廃棄物へと置き換える方法を模索しており、強固でありながら持続可能な印刷材料を作り出すことを目指しています。

オーストラリアのグリフィス大学の研究チームは、特定の種類の廃棄物をテストすることで、このパズルを解こうと試みました。彼らが注目したのは、粉砕されたガラスという特定の廃棄物です。彼らは、粉砕されたガラスの粉末を、3Dプリント建築の主要な成分に変えられるかどうかを検証したいと考えました。彼らの目標は、適切な量のガラスを、アルカリ活性材料として知られる代替セメントシステムに混ぜ合わせる方法を見つけることでした。通常のセメントとは異なり、このシステムはフライアッシュのような産業副産物と液体活性剤との間の化学反応を利用して硬化するため、従来のセメントを完全に排除することができます。研究者たちは、容器ガラス（ボトルや瓶）から作られた粉末と、窓ガラスのような平板ガラスの2種類の廃棄物粉末をテストしました。彼らはこれらの粉、つまり粉末をレシピに異なるレベルで混合し、フライアッシュの最大半分までを置き換えました。

チームは、繊細なバランス調整に直面しました。混合物が流動的すぎると、印刷された層が崩れて形を失ってしまいます。逆に硬すぎると、印刷ノズルが詰まったり、押し出される際に壊れたりしてしまいます。彼らは、全固形成分の30パーセント前後という適度な量のガラス粉末を加えることで、完璧な中間地点が生まれることを発見しました。このレベルでは、ガラス粉末が小さな滑らかなボールベアリングのように機能し、新鮮な混合物がポンプ内をより容易に流れるようにしました。しかし、材料が堆積されると、すぐに硬さを取り戻し、層が崩れることなく積み重なることが可能になります。この迅速な硬さの回復は、高い構造物を印刷する上で極ло重要です。なぜなら、各層が上の層の重量を支えられることを保証するためです。

しかし、ガラスの種類も量と同じくらい重要でした。より細かく不規則な粒子で構成されている平板ガラスの粉末は、容器ガラスの粉末よりも混合物を硬く強くする傾向がありました。平板ガラスを用いた混合物は形状をよく保持しましたが、ポンプでの送りにくい場合もありました。一方、容器ガラスを用いた混合物は流れやすかったものの、強度はやや劣りました。研究者たちは、ガラスの含有量を50パーセントまで高めると、材料が失敗することを発見しました。たとえ高含有量の混合物が形状を非常によく保持したとしても、流動に対する抵抗が強くなりすぎたため、スムーズに押し出すことができず、印刷された線に断裂や隙間が生じてしまったのです。これは、単に混合物を硬くすれば良いというわけではなく、機械の中を移動できるだけの流動性を維持しなければならないということを証明しました。

研究者が硬化したブロックの強度をテストしたところ、ガラスを多く添加するほど、反応性の低い成分で置き換えることになるため、材料がわずかに弱くなることが分かりました。平板ガラス粉末を用いた混合物は、容器ガラスよりも高い強度を維持しましたが、これは微細な粒子がより密に詰まっているためと考えられます。このわずかな強度の低下にもかかわらず、30パーセント置換の混合物は建設用途として十分に堅牢な状態を保っていました。顕微鏡による観察では、これら最適な混合物は、内部構造が緻密でコンパクトであり、亀裂がほとんど見られないことが明らかになりました。一方で、ガラスが多すぎる混合物には、より目に見える欠陥が見られました。

物理的な特性を超えて、この研究は重要な環境的勝利を浮き彫りにしました。従来のセメントを交換し、廃棄ガラスを使用することで、研究者たちは、新しい印刷可能な材料が標準的なセメントモルタルと比較して、炭素足跡（カーボンフットプリント）を約35パーセント削減できることを算出しました。この削減量は、材料が通常のセメントを完全に排除していることを考えると、非常に大きなものです。本研究は、石炭火力発電からの移行に伴い、フライアッシュのような従来の産業副産物の供給が不透明になる中で、廃棄ガラスが信頼できる豊富な代替品となることを示唆しています。この研究は、精密にレシピを調整すれば、一般的な廃棄物の問題を高性能な建築材料へと変えることが可能であることを実証しています。鍵となる発見は、廃棄ガラス粉末の30パーセントの置換が最良の妥協点となり、スムーズに印刷され、形状を維持し、かつ強固に立ち上がりながら、建設の環境コストを大幅に下げることができる、という点にあります。