Synergistic effects of recycled concrete aggregate and spherical nickel slag on abrasion resistance, acoustic attenuation, and environmental efficiency of porous concrete

都市は絶えずその姿を変え続けており、新しい建物や道路ができるたびに、膨大な量の古いコンクリートが取り壊され、廃棄されています。同時に、重工業は、金属の製錬過程で残るスラグのような、大量の廃棄物を生み出しています。伝統的に、これらの材料は埋立地に送られ、場所を占有し環境リスクをもたらす一方で、建設業界は新しいコンクリートを作るために、新鮮な河川の石や砂利を掘り出し続けています。このサイクルは持続不可能です。エンジニアたちは今、これらの廃棄物の流れを価値のある建築ブロックへと変え、資源を節約するだけでなく、従来の選択肢よりも優れた性能を発揮する材料を作り出す方法を模索しています。そのような材料の一つが、スポンジのような見た目をした特殊な舗装材である「多孔質コンクリート」です。不浸透性の固い表面ではなく、小さな連結した穴が開いており、雨水がそのまま浸透できるように設計されているため、洪水を防ぎ、地下水の涵養を助けます。また、これらの穴があることで、交通騒音を空中に反射させるのではなく、吸い込む天然の防音壁としても機能します。しかし、この材料を作ることは非常に困難です。水や音に優れた特性をもたらすその穴こそが、しばいしば強度を弱め、タイヤの重みの下で表面が崩れる原因となってしまうのです。

インドネシアのハサヌディン大学の研究者たちは、新しいレシピをテストすることで、このパズルを解こうと試みました。彼らは、2種類の廃棄物を混ぜ合わせることで、耐久性がありつつも機能的な多孔性を備えた舗装材を作ることができるかどうかを検証したいと考えました。研究チームは、2つの特定の廃棄物を使用しました。一つは、古いコンクリートを小さな石状に砕いた「再生コンクリート骨材」、もう一つは、ニッケル製錬の副産物であり、水で急速冷却されて滑らかな球体となった「球状ニッケルスラグ」です。彼らは6種類の異なるコンクリートのバッチを作成しました。天然の河川石のみを使用したもの、再生コンクリートのみを使用したもの、ニッケルスラグのみを使用したもの、そしてこれらを様々な組み合わせで使用したものがあります。公平なテストを行うため、石の種類だけを変更し、セメントと水の量はすべてのバッチで全く同じに保ちました。そして、これらのコンクリートシリンダーを、重量、含水率（孔の数）、摩擦に対する耐摩耗性、および音の吸収効率を確認するための一連の厳格なテストにかけました。また、原材料の抽出から工場を出るまでの工程における炭素排出量とエネルギー消費量を測定し、各バッチの環境コストも算出しました。

結果は、石の形状と密度がコンクリートをどのように変化させるかについて、明確な物語を明らかにしました。研究者が滑らかで重いニッケルスラグを使用した際、コンクリートは著しく高密度かつ重量が増しましたが、同時に多孔性の大部分を失いました。丸い球体が非常に密に詰まったため、水が流れるためのスペースが少なくなってしまったのです。対照的に、天然の石と角張った再生コンクリートを組み合わせた混合物は、最も多孔質な構造となり、連結した穴の体積が最大となりました。この高い多孔性が、音響性能の鍵となることが判明しました。最も穴が多い混合物は他のどの混合物よりも音を吸収し、特定の周波数において衝突する音エネルギーのほぼすべてを捉えるレベルに達しました。これは、交通騒音を低減するためには、より開かれた、空気を含んだ構造が優れていることを示唆しています。しかし、この開放性にはトレードオフがありました。最も多孔質な混合物は、摩耗に対する抵抗力において最も脆弱でした。タイヤによる研磨作用をシミュレートする機械に置かれた際、この混合物は最も多くの質量を失い、石やモルタルの破片を脱落させました。

最も驚くべき発見は、再生コンクリートと球状ニッケルスラグを組み合わせた混合物から得られました。研究者が「RS50」と呼んだこの特定のブレンドは、すべての要素において最高のバランスを実現しました。それは最も多孔質でも、最も軽量でもありませんでしたが、最も耐久性に優れていることが証明されました。同じ研磨テストにさらされた際、この混合物は失われた材料が最も少なく、他の混合物よりもはるかに形状を維持できました。滑らかで硬いニッケルスラグの球体が、強力な骨組みとして機能し、粗い再生コンクリートの石をしっかりと固定して、それらが叩き出されるのを防いだのです。この組み合わせは、摩耗に耐えうる強靭さと、機能的な多孔性を維持できる能力を両立させました。環境的な観点からは、天然の河川石を再生コンクリートと工業用スラグに置き換えることで、コンクリートのカーボンフットプリントとエネルギーコストを大幅に削減できました。再生材料は、新しい石を採掘し砕くよりもはるかに少ないエネルギーで作られます。しかし、本研究では、これらを結合させるために使用されるセメントが依然として最大の環境負荷源であり、石の種類に関わらず、すべてのバッチにおいて炭素排出量の大部分を占めていることも指摘されました。

最終的に、この研究は、あらゆる用途に対して単一の「完璧な」混合物というものは存在しないことを示しました。もし目的が、騒音吸収を優先した静かな歩道や防音壁を建設することであれば、再生コンクリートと天然の石を最も多く含む混合物が、最も効果的な音吸収スポンジとなるため、最良の選択となります。しかし、もし舗装が頻繁な交通量や使用に耐える耐久性を必要とするならば、再生コンクリートと球状ニッケルスラグのブレンドが優れた選択肢となります。この組み合わせは、耐久性を考慮に入れた際、最も優れた環境性能を提供し、廃棄物が共に機能するように設計できることを証明しました。これらの産業副産物を注意深く選択し混合することで、エンジニアは、従来の材料よりも強く、かつ地球に優しい多孔質コンクリートを作り出すことができるのです。この研究は、持続可能なインフラへの道は、単に廃棄物を使用することにあるのではなく、異なる廃棄物素材がどのように相互作用して、個々の部品の総和を上回る全体を作り出すかを理解することにあるのだと示しています。