Modified expanded polystyrene as partial substitute for lightweight concrete aggregates
本研究では、改質発泡ポリスチレン（MEPS）を生成するための発泡ポリスチレン（EPS）の熱処理を最適化し、粗骨材をMEPSに置換するとコンクリートの圧縮強度が著しく低下する一方で、細骨材を最大40%までMEPSに置換した場合には、強度への影響は統計的に有意ではないものの、密度を効果的に低減できることを見出した。
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コンクリートは地球上で最も広く使用されている建築資材であり、都市の骨組みや住宅の基礎を形成しています。それは重荷重に耐え、耐火性に優れていることで高く評価されていますが、大きな欠点があります。それは、非常に重いということです。この重量は輸送を困難にし、より軽い材料が必要とされる特定の構造物での使用を制限します。これを解決するために、エンジニアたちは、従来のコンクリートの強度を維持しつつ、大幅に軽量化した「軽量コンクリート」を作り出す方法を長年模索してきました。この目的を達成するための有望な方法の一つは、混合物の中にある重い石や砂の一部を、発泡ポリスチレンのようなより軽いものに置き換えることです。これは、梱包材や使い捨てコップに使用される、あの馴染みのある泡状のプラスチックです。しかし、生のポリスチレンは柔らかすぎて滑りやすいため、コンクリートの中でうまく機能しません。それは浮上して上部に集まってしまい、セメントとも結合しにくい傾向があります。研究者たちは、プラスチックに熱を加えることでその構造が変化し、より硬く建設に適したものになることを発見しましたが、この変容のための正確な条件はこれまで不明なままでした。
フィリピンのアテナオ・デ・ダバオ大学の研究チームは、このプロセスを改良し、この改質されたプラスチックをコンクリートにどのように最適に使用できるかを解明するために着手しました。彼らの研究は、単純ながらも見落とされがちな疑問、すなわち「プラスチックの破片のサイズは加熱において重要なのか？」という問いに対処することから始まりました。これまでの研究では、小さな破片も大きなブロックも同様に反応すると想定し、すべてのサイズに対して単一の加熱時間を適用することがよくありました。研究者たちは、大きなブロックは中心部まで熱が伝わるのに時間がかかるはずだと考え、これが誤りであると推測しました。これを検証するため、彼らは2種類の形態のポリスチレン、すなわち大きな立方体と、さまざまなサイズの砕いた断片を用いました。彼らはこれらのサンプルを130度の一定温度のオーブンに入れ、5分から25分までの異なる時間加熱しました。プラスチックがどれだけ収縮したか、そして冷却後にどれほど強くなったかを測定することで、最適な加熱時間は確かに破片のサイズに関連していることを発見しました。彼らは、小さな粒子には短い時間で十分であるが、より高い硬度と密度を得るためには大きな破片にはより長い露出が必要であることを突き止めました。この関係性により、最高の成果を得るために、あらゆるサイズのポリスチレンに対して特定の加熱スケジュールを作成することが可能になりました。
加熱プロセスが最適化された後、チームは次の段階として、この改質されたプラスチックを実際のコンクリートに混合する作業に移りました。彼らはセメント、砂、砂利を用いた標準的なコンクリートのレシピを作成し、その後、砂と砂利の一部を、熱処理されたプラスチックに置き換えました。彼らは、砂と砂利をそれぞれ別々に、あるいは組み合わせて、10パーセントから40パーセントの範囲で置き換えるという幅広いテストを行いました。目標は、コンクリートが実用的な強度を下回る前に、どれだけの量のプラスチックを添加できるかを確認することでした。結果は、砂を置き換える場合と砂利を置き換える場合で明確な違いを示しました。粒子が小さい砂を置換した場合、コンクリートは著しく軽量化されましたが、押しつぶす圧力に対する耐性は驚くほど安定していました。高い置換率においても、強度は劇的には低下しませんでした。しかし、より大きな石である砂利をプラスチックに置き換えると、コンクリートの強度は急激に低下しました。大きなプラスチックの破片は、それらが置き換えた重い石と同じ荷重を支えることができなかったのです。
研究者たちは、なぜこのような変化が起こるのかを理解するために、強力な顕微鏡を用いてコンクリートを観察しました。彼らは、熱処理されたプラスチックの破片が微細な穴で満たされており、多孔質であることを観察しました。この多孔性が、プラスチックが固形混合物の中に空気のポケットを導入することで、コンクリートを軽くさせている要因です。分析の結果、プラスチックはセメントペーストと適度に結合していることが確認されましたが、天然の石と比較したプラスチック固有の弱さにより、単独では重い荷重を支えることができないことも判明しました。研究は、この改質されたプラスチックは軽量コンクリートの優れた候補であるが、大きな砂利よりも小さな砂の粒子を置き換える際に最も効果的であると結論付けました。この手法を用いることで、建設業者は構造物を支えるために必要な強度を損なうことなく、構造物の重量を軽減することができます。これらの知見は、プラスチックのサイズに基づいて加熱プロセスを注意深く制御することで、プラスチック廃棄物と重い建設資材という二つの問題を解決する、耐久性のある軽量な建築資材を作ることが可能であることを示唆しています。
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