Design Optimization and Hydration Mechanism of a Composite Gypsum-Based Cementitious Material Made Entirely from Solid Waste Using Smelting Slag
本研究は、脱硫石膏、高炉スラグ、銅スラグ、および複合活性剤を用いた低炭素かつ全廃棄物ベースのセメント質材料を設計・最適化しており、エトリンガイトとC-(A)-S-Hゲルの相乗的な形成を通じて、普通ポルトランドセメントと比較して炭素排出量を89.1%削減しながら、半剛性路盤性能を実現するものである。
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毎年、世界では膨大な量の産業廃棄物が生成されています。工場は、煙を洗浄する際に生じる粉末状の残留物、溶融した金属のガラス状の破片、銅精錬の重い副産物といった、大量の残りかすを生み出しています。通常、これらの材料は巨大な山となって放置され、場所を取り、環境リスクをもたらしています。同時に、建設業界は道路や基礎を築くために、一般的なセメントに大きく依存しています。この伝統的なセメントを作るプロセスは汚れた工程であり、石灰石を極端な高温で加熱する必要があり、その工程が膨大な量の二酸化炭素を大気中に放出します。科学者たちの長年の課題は、新たな環境問題を引き起こすことなく、これらの産業廃棄物を建設に役立つものに変える方法を見つけることでした。目標は、従来のセメントと同じように岩石や砂を結合させる結合材を作り出すことですが、原材料としての岩石を使用せず、汚染の原因となる高温を避けることです。
中国の研究チームは、完全に固形廃棄物から作られた新しい種類の建築材料を設計することで、この問題の解決に向けて重要な一歩を踏み出しました。彼らは、発電所の排出ガスを洗浄して得られる脱硫石膏、製鉄過程で生じるガラス状の廃棄物である粒状スラグ、そして銅の製錬から出る重い残留物である銅スラグという、3つの特定の種類の産業副産物を組み合わせました。これらの材料を反応させ硬化させるために、彼らは炭化カルシウムスラグとケイ酸ナトリウムからなる特別な混合物を加えました。研究者たちは単にこれらの成分を無作為に混ぜ合わせたのではありません。彼らは、数百通りの異なる組み合わせをテストするために、高度な数学的手法を用いました。彼らの目標は、道路の路盤として十分な強度を持ち、かつ危険な割れや膨張を起こさないほど安定した、正確なレシピを見つけ出すことでした。
チームは、最適なバランスには約18パーセントの石膏、2種類のスラグの特定の比率、そして少量の活性化混合物が必要であることを発見しました。この特定のレシピを用いてテストしたところ、得られた材料は固形ブロックへと硬化し、28日後に24メガパスカル近い強度に達し、かなりの圧力に耐えることができました。このレベルの強度は、高速道路ののアスファルトの下に位置する層である、半剛性路盤として十分なものです。決定的なことに、この材料の膨張は約0.4パーセントとわずかであり、これは乾燥によるひび割れを防ぐための安全な量であり、舗装を破壊してしまうような危険な膨張ではありません。
この廃棄物ベースの材料が実際にどのように機能するかを理解するために、研究者たちはそれが硬化していく内部の状態を観察しました。彼らは、その挙動が従来のセメントとは大きく異なることを発見しました。普通のセメントは最初は素早く硬化し、その後緩やかになりますが、しばしば弱点や不均一な構造を生み出す結晶を残します。対照的に、この新しい材料はゆっくりと始まります。廃棄物の粒子が徐々に溶解し、時間の経過とともに、ゲルと針状の結晶が絡み合う緻密なネットワークを形成します。このプロセスによって、材料は年月を経るごとに強固で複雑な構造へと変化していきます。研究者たちは、結晶が隙間を埋めるように成長することで、材料が単に硬化して止まるのではなく、時間の経過とともに密度が高まり耐久性が増していく、独特の内部構造を発達させていることを観察しました。
おそらくこの研究で最も衝撃的な発見は、その環境への影響です。この材料は、従来のセメントに求められる高温での調理プロセスをスキップするため、そのカーボンフットプリント（炭素足跡）は劇的に低くなります。研究者たちの計算によれば、この新材料を1トン製造する際に放出される二酸化炭素はわずか0.072トンです。これに対し、普通のセメントを1トン製造する際には0.66トン以上の二酸化炭素が放出されます。これは、ほぼ90パーセントの削減を意味します。この新材料が最も強い伝統的なセメントよりもわずかに強度が低いことを考慮したとしても、提供される単位強度あたりの炭素排出量は依然としてはるかに少ないままです。廃棄物を微粉末にするために使用されるエネルギーが残りの排出量の大部分を占めていますが、これは窯の使用を避けることで得られる莫大な節約に比べれば、小さな代償です。
この研究は、産業廃棄物を、強固で環境に優しい高性能な建設資材に変えることが可能であることを証明しています。異なる廃棄物の混合比率を注意深く調整することで、研究者たちは、単に本来捨てられるはずの材料をリサイクルするだけでなく、将来のインフラを築くための、実現可能な低炭素の代替案となるシステムを作り上げました。この研究は、適切なレシピさえあれば、廃棄物が資源となり、重工業の副産物をよりクリーンな世界の基盤へと変えられることを裏付けています。
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