Experimental Characterization of Moroccan Phosphate By-Products in Cementitious Mixtures for Potential 3D Concrete Printing Applications

建設の世界において、私たちの住居や都市を築くために使用される材料は、多くの場合、重く、永続的であり、変更が困難なものです。数十年にわたり、標準となってきたのはコンクリートであり、それはセメント、砂、水を混ぜ合わせたもので、固形化した岩のような状態へと硬化します。非常に強固である一方で、この混合物を結合させるセメントを作る過程では、大量の二酸化炭素が発生し、気候変動の一因となります。同時に、採掘業界は膨大な量の余剰岩石やスラリー（泥状の廃棄物）を生み出しており、それらはしばしば広大な保管エリアに積み上げられ、スペースを占有し、環境リスクをもたらしています。こうした両方の問題を一度に解決しようと、これらの産業廃棄物を有用な建築用ブロックへと転換する方法を模索する、成長著しい科学分野が存在します。このアプローチは、しばしば「サーキュラー・エコノミー（循環型経済）」と呼ばれ、廃棄物が無駄になるのを防ぎ、エネルギー消費の激しい新しい原材料への依存を減らすことを目的としています。また、この分野におけるもう一つの現代的な革新が、3Dコンクリートプリンティングです。これは、大型のロボットアームを使用して湿ったコンクリートを層状に押し出し、従来の木製型枠を必要とせずに、構造物を一層ずつ築き上げていく技術です。この技術をうまく機能させるためには、コンクリートが機械の中を流れるのに十分な流動性を持ちつつ、置かれた瞬間にその形状を維持できるだけの硬さを持っていなければなりません。

モロッコの研究者たちは最近、同国のリン酸塩採掘業界から排出される膨大な量の廃棄物を、これら新しいタイプの建築混合物に利用できるかどうかを調査しました。モロッコは肥料に不可欠な鉱物であるリン酸塩生産の世界的なリーダーですが、この岩石を抽出・精製するプロセスでは、廃棄岩石、フォスフォジプサムと呼ばれる物質、および湿ったスラリーを含む、多量の副産物が発生します。これらの材料を山積みにしたままにする代わりに、モモハンマド6世ポリテクニック大学の科学チームは、これらを粉砕してセメントと混合し、3Dプリンティングに適した材料を作ることができるかどうかをテストすることに決めました。彼らは加工プラントからこれら3種類の廃棄物のサンプルを集め、その化学組成、安全性、および水や砂と混合した際の挙動を理解するために、一連の入念なテストを行いました。

最初のステップは、材料が取り扱いや使用において安全であることを確認することでした。研究者たちは廃棄物の含水率と酸性度を測定し、材料が概ね中性であり、有害なレベルの重金属を含んでいないことを突き止めました。また、リン酸塩鉱石には天然の放射性元素が微量に含まれることがあるため、放射能についても確認を行いました。テストの結果、放射能レベルは非常に低く、建設における安全基準内に十分に収まっていることが示されました。次に、チームは高度な機器を用いて廃棄物の化学組成を調べ、含まれる元素を特定しました。その結果、廃棄物はカルシウムと硫黄が豊富であり、他のミネラルも少量含まれていることが分かり、セメントと反応して強い結合を形成するための適切な成分を備えていることが確認されました。

安全性と組成が確認された後、研究者たちは実際の建築混合物の作成へと進みました。彼らは、粉砕したリン酸塩廃棄物に赤粘土、砕いた砂、および3種類の異なるタイプのセメントを混ぜ合わせ、数十種類の異なるレシピを用意しました。混合物が最も良い結果を生む組み合わせを見つけるために、水の量と廃棄物の割合を変化させました。目標は、重量を支えるのに十分な強度を持ちつつ、プリンターを通じてポンプで送れるほど流動的であるというバランスを見つけることでした。混合後、彼らは湿った材料を小さな型に流し込み、数週間にわたって硬化させ、時間の経過とともにどの程度強くなるかをテストしました。

結果は、廃棄物材料が実際にコンクリートに組み込むことが可能であることを示しました。混合物は固体のブロックへと硬化し、かなりの圧力に耐えることができました。最も高いグレードのセメントと特定の量のリン酸塩廃棄物を用いた最も強力な混合物は、約47メガパスカルの圧縮強度（材料が破壊される前に耐えられる力の尺度）に達しました。異なるタイプのセメントを使用した他の混合物も良好な性能を示し、強度は約22から32メガパスカルの範囲に及びました。これらの数値は、この材料が多くの建設目的において十分な強度を持っていることを示唆しています。研究者たちはまた、湿った混合物の流れ方についても、粘性とストレス下での形状変化を測定しました。彼らは、混合物がさらなる開発の可能性を示唆する機械的およびレオロジー的特性を備えていることを見出しましたが、論文内では、押し出し型の3Dコンクートプリンティングに対するこれらの配合の適合性は、まだ実験的に検証される必要があると明記されています。

これらの心強い結果にもかかわらず、研究者たちは問題が完全に解決したと宣言することには慎重でした。混合物はラボ内では優れた可能性を示しましたが、実際の3Dプリンターを用いたテストはまだ行われていません。この研究は、材料が安全で強く、理論上は適切な物理的特性を持っていることを確認しましたが、最終的な証明は、それらが時間の経過とともに形を維持しながら、複雑な形状に正常にプリントできるかどうかを見て初めて得られるものです。チームは、将来の研究において、層同士がどのように付着するか、実際の構造物として構築された際に材料がどのように振る舞うか、そして層間の結合性と造形可能性（ビルダビリティ）を評価することに焦点を当てる必要があると指摘しました。また、材料が環境に対して長期的に安全かつ安定していることを確認するために、さらなる長期的な研究の必要性も強調しました。

この取り組みは、主要な産業廃棄物を価値ある資源へと変えるための重要な一歩を象徴しています。モロッコのリン酸塩廃棄物が、強固で安全、かつ潜在的にプリント可能な建築材料へと変貌できることを実証したことで、この研究は持続可能な建設に向けた新しい扉を開きました。これは、長年環境上の課題であった廃棄岩石やスラリーの山が、いつの日か将来の建物のレンガや梁となり、新しい原材料への依存を減らし、よりクリーンで効率的な建設業界を築く助けとなる可能性を示唆しています。廃棄物の山から3Dプリントされた家へと至る道のりは、まだ地図が描かれている最中ですが、この研究は明確で有望な出発点を提供しています。