Eco-Efficient Composite Roof Tiles from Recycled PET Bottles and Lightweight Red Ash: Manufacturing, Mechanical Performance, and Durability

毎日、世界中で一度きりで使い捨てられ、埋め立て地を塞ぎ、生態系を汚染する持続的な廃棄物問題を引き起こしているプラスチックボトルの山が生産されています。同時に、建設業界は屋根を作るために、コンクリートや粘土のような重く資源集約的な材料に大きく依存しており、これが建物に多大な重量を加え、膨大な量の天然資源を消費しています。科学者やエンジニアにとっての課題は、これら二つの別々の廃棄物の流れと需要を、一つの有用な解決策へと変える方法を見つけ出すことです。目標は、家を自然の要素から守るのに十分な強さを持ちながら、扱いやすいほど軽量であり、かつ本来なら捨てられるはずの材料をリサイクルできる建築材料を作り出すことです。このアプローチは、しばしば「サーキュラーエコノミー（循環型経済）」と呼ばれ、材料をゴミにするのではなく、できるだけ長く使い続けることを目指しています。

最近の研究において、エチオピアの研究者たちは、二つの非常に異なる廃棄物、すなわち細かく砕いたプラスチックボトルと、レンガ製造の過程で残った微細な粉末であるレッドアッシュ（赤灰）を組み合わせることで、この課題に取り組みました。研究チームは、プラスチックを溶かして灰と混ぜ合わせ、新しいタイプの屋根瓦を作ることができるかどうかを検証することにしました。彼らは、プラスチックを灰の粒子を結合させるための接着剤として扱い、耐久性と軽量性を兼ね備えた素材となることを期待しました。これをテストするために、彼らはプラスチックと灰の含有量を、すべて灰で作られたものからすべてプラスチックで作られたものまで変化させ、一連のタイルを作成しました。そして、これらのタイルを、圧縮力に対する耐性、吸水率、重量、および繰り返されるストレス下での耐久性を確認するための、一連のテストにかけました。

研究者たちは、成功するタイルのレシピは、単にプラスチックをできるだけ多く使うことでも、できるだけ少なくすることでもないことを発見しました。むしろ、二つの材料が最もよく機能する特定の「スイートスポット」があることを突き止めたのです。混合物がプラスチック約45パーセント、灰55パーセントであったとき、その結果として得られたタイルが最も強固になりました。この比率において、タイルは約35メガパスカルの圧縮力に耐えることができ、これは多くの伝統的な建築材料に匹ねる強度レベルです。プラスチックが溶けて、粗く多孔質な灰の粒子の周りを包み込み、材料が荷重を効果的に分担できるような強固な結合を作り出しました。しかし、これ以上にプラスチックを添加すると、タイルは実際には弱くなってしまいました。過剰なプラスチックは材料を柔らかく柔軟にしすぎ、灰が提供する剛性のある強度を失わせたのです。逆に、プラスチックが少なすぎると、灰の粒子が十分にコーティングされず、隙間が生じてタイルが脆くなり、壊れやすくなりました。

強度以外にも、タイルの組成は水の扱い方や重量を劇的に変化させました。プラスチックの量が増えるにつれて、タイルは著しく軽くなり、密度は約2100キログラム毎立方メートルから1300キログラム毎立方メートルへと減少しました。この重量の減少は屋根材にとって大きな利点であり、より軽いタイルは建物の木製または金属製のフレームへの負荷を軽減します。また、プラスチックは水に対する盾としても機能しました。プラスチックは本質的に水を弾くため、プラスチック含有量の高いタイルは水分をはるかに吸収しにくい性質を持っていました。最もプラスチックが多いタイルは、自重のわずか1パーセント程度の水しか吸収しませんでしたが、プラスチックが少ないタイルはもっと多くの水を吸収しました。しかし、研究者たちは、水吸収率が絶対的に最も低いタイルは、最も強固なものではないことも指摘しました。最も優れた全体的なバランスは、約4パーセントの水を吸収しつつ最高の強度を維持した、45パーセントのプラスチック混合物に見出されました。この中間的な選択肢は、自らを支えるのに十分な強さを持ち、設置しやすいほど軽く、そして何年も持続するのに十分な耐湿性を備えた材料を提供しました。

研究では、屋根が時間の経過とともに直面するであろう種類の摩耗や損傷をシミュレートするために、繰り返されるストレスに対してタイルがどのように耐えるかも調査されました。プラスチックが多いタイルは、ダメージに対する抵抗力が高いことが示されました。これはおそらく、柔軟なプラスチックが衝撃や温度変化によるエネルギーを吸収し、ひび割れを防ぐことができるためです。破損したタイルの顕微鏡画像からは、最良の混合物が、プラス賞が灰の粒子の間の隙間をうまく埋め、亀裂の起点となる空隙をほとんど残さない、非常に緻密な構造を持っていることが明らかになりました。化学分析により、プラスチックは熱い灰と混合されてもその本質的な構造を保持していることが確認され、このプロセスが材料の完全性を破壊しないことが証明されました。

最終的に、この研究は、プラスチックボトルと工業用灰という二つの異なる種類の廃棄物を、価値のある建設製品へと変えることが可能であることを実証しています。研究結果は、これらの材料の比率を慎重に調整することで、環境に優しく、かつ機械的にも多くの代替品より優れた屋根瓦を作ることができることを示唆しています。この研究は実験室規模で行われましたが、その結果は、プラスチック汚染を削減し、建設の環境負荷を低減するための実用的な方法を示しています。著者らは、45パーセントのプラスチック混合物が最もバランスの取れた選択肢であるとしつつも、これらのタイルが実際の天候条件下で長年にわたってどのように機能するかを検証し、大量生産の方法を開発するためにさらなるテストが必要であると強調しています。現時点では、この研究は、廃棄物が将来の頑丈で軽量、かつ持続可能なシェルターへと変貌を遂げられることを証明しています。