Synergistic enhancement of grinding efficiency, hydration kinetics, and mechanical properties of Portland cement by ethaline

コンクリートは現代世界の静かな背骨であり、あまりにも普遍的な素材であるため、それがどのように作られているのか立ち止まって考えることは滅多にありません。その核心にあるのはポルトランドセメントであり、これは巨大な工業用ミルで岩石や鉱物を粉砕することによって作られる微細な粉末です。この粉末は、水と混ぜ合わされたときに、私たちに住処を与え、都市を支える構造物へと硬化する鍵となる成分です。しかし、生の岩石から完成したセメントに至るまでの道のりはエネルギー集約的であり、かなりの量の熱を発生させます。粉末が粗すぎると、反応が遅く不均一になります。一方で、助けなしに細かすぎる粉末にすると、プロセスにおいて膨大な電力を浪費してしまいます。さらに、水が加えられると、混合物を石に変える化学反応が熱を放出します。もしこの熱が急速に蓄積されると、硬化する前にコンクリートにひび割れが生じ、最終的な構造体を弱めてしまう可能性があります。数十年にわたり、エンジニアたちは化学添加物を使用して反応を導きながら、このプロセスをよりスムーズで、速く、そして効率的にする方法を模索してきました。

ムンバイのHSNC大学の研究チームは、現在、新しい道を探求しており、「深共晶溶媒（deep eutectic solvents）」として知られる一連の液体へと目を向けています。これらは過去のような刺激の強い腐食性の酸ではなく、多くの食品に含まれる栄養素であるコリン由来の塩と、不凍液によく使われる物質であるエチレングリコールという、二つの一般的な安全な成分を組み合わせることで作られる穏やかな混合物です。特定の比率で混合して温めると、これら二つの液体は、それぞれの成分単体とは異なる挙動を示す新しい安定した流体を形成します。研究者のクルディップ・ラジプルヒト、アショク・パンディ、ヘマタ・バグラは、この「エサリン（ethaline）」と名付けられたグリーンな流体が、セメントにとって有用なガイドとなり得るかどうかをテストすることにしました。彼らの目標は、この液体を粉砕工程と混合工程の両方で少量加えることが、セメントの製造方法、流動性、そして強度を向上させるかどうかを確認することでした。

研究は、エサリン混合物を調製し、その基本的な挙動を理解することから始まりました。研究者たちは、この液体が水のように滑らかかつ予測通りに流れることを見出しましたが、その粘度は温度によって変化します。温度が上がると、液体はより薄くなり、より流れやすくなります。この特性は極めて重要です。なぜなら、この液体は素早く広がり、激しい熱や摩擦が発生する粉砕ミルの中でも、セメント粒子を均一にコーティングできることを意味するからです。二つの成分が本当に新しい物質へと結合したことを確認するために、チームは光が物質を透過する際の振動を測定する技術を用いました。その結果、分子が水素結合と呼ばれる目に見えない力を通じて実際に連結し、個別の塩やグリコールとは異なる独自の構造を作り出していることが示されました。

液体が準備されると、チームはセメントのミルへと移りました。彼らは普通のポルトランドセメントを取り出し、エサリンの添加量がプロセスにどのような影響を与えるかを見るために、重い鋼鉄製のボールを使って岩石を砕く機械であるボールミルで粉砕しました。添加物がない場合、セメント粒子は塊となって付着しやすく、分解するのが難しくなります。しかし、研究者がエサリンを加えると、粒子は分離した状態を保ちました。液体は盾のような役割を果たし、セメントの微細な粒子が互いに再付着するのを防いだのです。これにより、粉砕機はより効率的に機能することができました。テストされた中で最も高い投与量である、セメント重量の2パーセントを加えたとき、得られた粉末は、機械が全く同じ量のエネルギーを使用したにもかかわらず、研究の中で記録された最高のブレーン細度（Blaine fineness）を達成しました。より細かい粉末は、水にさらされる表面積が増えることを意味し、これはより強い最終製品を作るための第一歩となります。

セメントを粉砕した後、研究者たちはセメントと砂を混ぜてモルタルを作成し、材料の挙動が、注がれた瞬間から硬化するまでどのように変化するかをテストしました。彼らは、エサリンが追加の水を必要とせずに、濡れたモルタルをより容易に流動させ、テストテーブル上でより広く広がるようになることを見出しました。この流動性の向上は建設において不可欠です。なぜなら、作業員が材料を狭い隙間に配置したり、複雑な形状に成形したりする際に、材料がすぐに硬くなってしまうことなく行えるようにするためです。また、液体は硬化プロセスを、役に立つ程度に緩やかに遅らせました。セメントが硬化し始めるまでの時間は、高用量の添加によって、約170分からNearly 200分へと増加しました。この遅延により、作業員は、コンクリートが扱いづらくなる前に、混合、輸送、および仕上げを行うためのより長い猶予を得ることができました。

おそらく最も重要な点は、エサリンの添加がセメントの化学反応を変えたことです。セメントが硬化するとき、熱を放出します。もしこの熱が放出されすぎると、コンクリートの内部にひび割れが生じることがあります。研究者たちが時間の経過に伴う発生熱を測定したところ、エサリンは放出される総熱量を最大で11パーセント減少させることがわかりました。この、よりゆっくりとした制御されたエネルギー放出は、化学反応がより秩序ある形で進行していることを示唆しています。強力な顕微鏡で硬化したセメントを観察したとき、その違いは目に見えるものでした。添加物なしで作られたコントロールサンプルは、隙間や微細な亀裂のある、やや緩い構造を示していました。対照的に、適切な量のエサリンで処理されたサンプルは、はるかに緻密でコンパクトに見え、粒子が密に詰まっており、空隙が少なくなっていました。このより緻密な構造こそが、材料が強くなる物理的な理由です。

強度試験は、この緻密な構造が現実世界での性能へとつながることを裏付けました。研究者たちは、3日から2ヶ月までの様々な経過日数における、硬化したモルタルの立方体の強度をテストしました。エサリンの最適な投与量である1.5パーセントを加えたとき、セメントは28日後に62メガパスカルの圧縮強度に達し、これは未処理のコントロールが達成した56メガパスカルと比較して大幅な向上となりました。また、材料は引張力に対してもより高い耐性を示しました。しかし、研究は決定的なバランスの存在も明らかにしました。具体的には、2パーセントという過剰な量の液体を加えると、逆に強度が低下してしまったのです。この高い投与量は、最高のブレーン細度を生み出したものの、化学反応を遅らせすぎてしまい、材料が効果的に硬化しませんでした。この発見は、目標が単に粉末を可能な限り細かくすることではなく、粉砕の効率とセメントの化学的ニーズとの間で、精密な添加量を調整することにあるということを浮き出しにしています。

ラジプルヒトとその同僚たちによるこの研究は、単純なグリーンな液体が、世界で最も重要な建築資材の一つを改善するための強力なツールになり得ることを証明しています。粉砕に必要なエネルギーを削減し、流動性を向上させ、ひび割れを防ぐために硬化時間を遅らせ、最終的に構造体をより強くすることで、エサリンは多機能な解決策を提供します。この研究は、このアプローチが複雑な機械や珍しい化学物質を必要とするのではなく、むしろこれらの分子がどのようにセメントと相互作用するかという、注意深い理解に基づいていることを示唆しています。本研究は特定の種類のセメントと特定の添加物に焦点を当てたものですが、その結果は、添加剤に対する考え方を、過酷な化学物質から、より優れた性能のためにカスタマイズ可能な持続可能で調整可能な液体へと移行させる、新しい扉を開くものです。これらの知見は、適切な量のグリーン溶媒を用いることで、未来のコンクリートがより効率的に作られ、より長く持ち、より強く立つことができることを示しています。