Waste valorization of coconut shell char as a partial cement replacement in sustainable mortar: fresh-state, setting, and mechanical performance
本研究は、熱分解によって生成されたココナッツ殻炭を、持続可能なモルタルにおいてフレッシュ状態の特性と機械的性能のバランスを最適化するために5〜10%の部分的なセメント代替物として組み込むことで、5%の添加量が対照群と比較して優れた圧縮強度および曲げ強度をもたらすことを実証している。
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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、橋、住宅の骨組みを形成しています。しかし、コンクリートの主原料であるポルトランドセメントは、多大な環境コストを伴います。その製造工程は膨大な量の二酸化炭素を放出し、多量の鉱物資源を消費するため、エンジニアたちは最終的な構造物の強度を損なうことなく、その使用量を減らす方法を模索しています。有望な手段の一つは、セメントの一部を、微細で炭素に富んだ粉末へと変貌させた廃棄物で置き換えることです。このアプローチは、農業廃棄物を有用な建築成分へと転換し、建設による炭素足跡を低減させつつ、廃棄物を管理することを目指しています。課題は、添加する適切な量を見つけることにあります。少なすぎれば効果がなく、多すぎれば材料を弱めたり、硬化する前に流し込んだり成形したりすることを不可能にしたりする可能性があります。
最近の研究において、研究者たちは、熱帯地域で一般的な廃棄物であるココナッツの殻が、そのような代替品として機能するかどうかを調査しました。彼らは廃棄されたココナッツの殻を取り出し、低酸素環境下で摂氏750度の高温で2時間加熱しました。熱分解として知られるこのプロセスにより、硬い殻は「ココナッツシェルチャー（炭）」と呼ばれる黒く軽量な粉末へと変化しました。得られた材料は、置き換えを目的とした重い鉱物ベースのセメントとは異なる、微細で多孔質な物質でした。研究チームはこのチャーを、セメント、砂、水の混合物である標準的なモルタルに、少量の添加から固形分全体のほぼ3分の1に至るまでの様々な割合で混合しました。彼らの目的は、この添加物が湿潤状態における混合物の挙動、硬化までの時間、そして養生1ヶ月後の強度にどのような影響を与えるかを確認することでした。
結果は、ココナッツシェルチャーの添加がモルタルを予測可能な形で変化させることを示しました。チャーは軽量で小さな穴が開いているため、添加量が増えるにつれて、新鮮な混合物は密度が低くなりました。しかし、この多孔性は混合物を扱いづらくさせました。チャーの粒子が持つ粗くスポンジのような表面が、混合水の一部を吸収し、粒子間の摩擦を生じさせたため、チャーの量が増えるにつれてモルタルの流動性は著しく低下しました。また、混合物が硬化するまでの時間も長くなりました。チャーが含まれるほど、材料を結合させる化学反応を引き起こすためのセメントが利用可能となる量が減少するため、モルタルが硬化し始める時間と完全に硬化する時間の両方が増加しました。
新鮮な状態でのこれらの変化にもかかわらず、硬化したモータルの機械的強度は驚くべきパターンを示しました。研究者が28日後のサンプル強度をテストしたところ、少量のチャーを添加することで、実際にはモルタルが強くなることが分かりました。体積比で5パーセントのココナッツシェルチャーを含む混合物は、チャーを含まない対照群の31.6メガパスカルに対し、38.1メガパスカルという顕著に高い圧縮強度を達成しました。この5パーセントの混合物は、柔軟性においても向上を示し、標準的なモルタルよりも曲げ力に対して優れた耐性を示しました。しかし、この恩恵は無期限に続くわけではありませんでした。チャーの添加量を10パーセント以上に増やすと、強度は低下し始めました。高濃度では、セメント含有量の減少と、多孔質で非反応的な粒子の導入がメリットを打ち消し、結果としてより弱い構造へとつながりました。
本研究は、ココナッツシェルチャーが最も効果を発揮するのは特定の範囲内であると結論付けています。5パーセントから10パーセントの置換レベルが、荷重を支える能力やひび割れへの耐性を損なうことなく、セメントの使用量を削減できる最適なバランスを提供しました。この範囲により、質量ベースで約3.6〜7.2パーセントのセメントを削減できました。チャーは、他の添加剤のようにセメントを強化する化学的反応剤としては機能しませんでしたが、その物理的特性が低用量において隙間を埋め、混合物の充填を改善するのに役立ちました。研究者たちは、このアプローチが廃棄物を有用な資源に変える有望な手法であることを示している一方で、これ単体では完全な解決策にはならないことも強調しています。環境上のメリットは、チャーを作るために消費されるエネルギーや材料の長期的な耐久性に依存しており、これらはさらなる研究を要する領域です。現時点では、この研究は、加工されたココナッツの殻をわずかながらも持続可能なモルタルの有効な成分として用いることが可能であることを示しており、従来のセメントへの依存を減らすための実用的な一歩を提示しています。
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