Effect of activator composition on strength evolution and silicon-oxygen network reconstruction of rice husk ash-based sodium silicate-activated waste glass powder cementitious materials
本研究は、異なるモジュラスを用いて調製された籾殻灰ベースのケイ酸ナトリウム活性化廃ガラス粉末セメント系材料において、モジュラス1.5が、架橋酸素比の著しい増加に裏付けられる初期段階のネットワーク脱重合と後期段階の重縮合のバランスを最適化することにより、28日圧縮強度（39.6 MPa）において最高値をもたらすことを示している。
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現代社会において、建設業界は二重の課題に直面しています。それは、より強く耐久性のある構造物を構築する方法を見出す一方で、従来のセメント生産が残す膨大な炭素足跡を削減しなければならないということです。同時に、都市では、自然に分解したり腐ったりすることなく、しばしば埋立地を埋め尽くしてしまうガラスを中心とした大量の固形廃棄物が生成されています。科学者たちは、粉砕したガラスをコンクリートの砂や砂利の代用として使用できることを古くから知っていましたが、単に混ぜ合わせるだけでは強度を持たせるには不十分です。廃棄ガラスを建物を結合させるための結合材へと変えるために、研究者たちは「アルカリ活性化」と呼ばれるプロセスを用います。これは、ガラスの粉末を高度にアルカリ性の液体と混合する工程であり、その液体は化学溶媒のように作用して、硬いガラス構造を分解し、それを新しい固体のゲルへと再構成します。このプロセスの鍵は、液体活性剤そのものにあります。もし液体が強すぎると、ガラスを素早く分解しますが、後に強いネットワークを形成するための構成要素が十分に残りません。逆に弱すぎると、最初にガラスを効果的に溶解させることができません。環境に優しく、かつ機械的に堅牢な材料を作り出すためには、この完璧なバランスを見つけることが不可лоessential（不可欠）なのです。
中国の趨州大学の研究チームは、2つの特定の廃棄物、すなわち廃棄ガラス粉末と籾殻灰（もみがらはい）を用いて、このバランス調整の課題を解決しようと試みました。籾殻灰は米の加工過程で生じる副産物であり、ガラスや砂に含まれる主要成分であるシリカが豊富に含まれています。高価な市販の化学薬品を購入する代わりに、チームは籾殻灰を水酸化ナトリウム溶液に溶解させることで、独自の液体活性剤を作成しました。そして、この自家製の液体を廃棄ガラス粉末と混合してペースト状にしました。レシピが最終的な強度にどのように影響するかを理解するために、彼らは3つの異なるバッチを用意しました。各バッチにおいて、ガラスの量は同じに保ちましたが、液体活性剤中の成分比率を変更しました。あるバッチはシリカ対ナトリウムの比率が低く、別のバッチは中程度、そして3番目のバッチは高い比率に設定されました。その後、彼らはこれらの材料が1週間後と4週間後にどの程度硬化したかをテストしました。
結果は、材料が時間の経過とともにどのように発達するかについて、明確なパターンを明らかにしました。わずか1週間の時点で、最も低いシリカ比率を持つバッチが最も強く、31.4 MPaの圧縮強度に達しました。これは、その混合物におけるアルカリ成分の濃度が高かったために、ガラスのネットワークが非常に速く分解され、早期の硬化が可能になったためです。しかし、時間が経過すると、物語は変わりました。4週間の時点では、中程度のシリカ比率を持つバッチが明確な勝者となり、他の2つのグループよりも大幅に高い39.6 MPaの圧縮強度を達成しました。最も多くの構成要素を持っていた最高シリカ比率のバッチは、中間の結果となりましたが、最初に強かったバッチはグループ内で最も低い強度へと衰退しました。この変化は、強力な初期の化学的攻撃が材料の定着を早める一方で、長期的な強度は、時間をかけて緻密で相互に連結したネットワークを構築するために、利用可能な溶解シリカを十分に持っているかどうかに依存していることを示しました。
なぜこのようなことが起こったのかを理解するために、研究者たちは原子の配列や化学結合の構造を見ることができる高度なイメージングツールを用いて、材料の内部を調査しました。彼らは、このプロセスが新しい結晶を作り出したのではなく、ガラスが元のガラスと同様に、内部構造が異なる無秩序な非晶質（アモルファス）の固体へと変化したことを見出しました。化学結合を分析することで、彼らは、シリコン原子を強固な三次元のウェブ状に繋ぎ止めるリンクである「架橋酸素」原子の比率を測定しました。1週間の時点では、最も低いシリカ比率の混合物が最も多くのこれらのリンクを持っており、それが初期の強度を説明していました。しかし、4週間の時点では、中程度の比率の混合物が最も多くの架橋リンク（63.25パーセント）を発達させていました。この接続数の増加は、強度の増加と直接一致していました。最も低いシリカ比率の混合物は、より多くのリンクを形成するための構成要素を早すぎる段階で使い果たしてしまい、一方で最も高いシリカ比率の混合物は、それら余剰のブロックを活用できるほど速くガラスを溶解させることができませんでした。中程度の混合物だけが、ガラスの溶解とリンクの形成を同時に継続させることができ、最も強固な構造を作り出すことができたのです。
この研究は、より強く、よりグリーンな建築材料への道は、単一の成分を最大化することではなく、化学反応の速度と構成材料の供給との間の精密なバランスを見出すことにあることを実証しています。籾殻灰を用いて活性剤を作ることで、研究者たちは、2種類の異なる廃棄物を高性能なセメント代替品に変えることが可能であることを示しました。これらの知見は、この特定の材料の組み合わせにおいて、活性剤中の適度な量のシリカが、ガラスを溶解させ、緻密で耐久性のあるネットワークへと再構成させるための最良の環境を提供することを示唆しています。このアプローチは、世界中で増え続けるガラスや農業廃棄物の山を価値ある資源へと変えるための実用的な設計図を提供しており、正しい化学レシピが、かつてゴミと見なされていたものを、未来の基礎へと変容させ得ることを証明しています。
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