クウェートの科学者と共同研究を行ったMITの技術者らは、火山岩を細かく粉砕して灰にすれば、コンクリート構造物に持続可能な添加材として利用できることを明らかにした。
オンライン掲載された論文であるJournal of Cleaner Production誌上で、研究者らは、従来のセメントの一定割合を火山灰に置き換えることで、コンクリート構造物の「エンボディド・エネルギー」、つまりコンクリートの製造に投入される総エネルギーを削減できると報告している。研究者らの計算によると、火山灰を50％使ったコンクリート建築物26棟からなるモデル地区の建設に必要なエネルギーは、同じ建物をすべて従来のポルトランドセメントで造る場合と比べて16％少ない。
火山灰をさらに細かい粒子になるまで粉砕したところ、細かい粉末とポルトランドセメントの混合物は、セメントだけで造ったものに比べて、より強度の高いコンクリート構造物を生み出すことが分かった。しかし、火山灰をここまで細かく粉砕するにはエネルギーが必要で、その分、完成した構造物のエンボディド・エネルギーも増加する。したがって、火山灰を使う場合、コンクリート構造物の強度とエンボディド・エネルギーの間にはトレードオフがある。
さまざまなコンクリートと火山灰の混合物を用いた実験と、できあがる構造物のエンボディド・エネルギーの計算に基づき、研究者らは強度とエンボディド・エネルギーの関係を明らかにした。この関係を一種の設計図として使えば、技術者は、たとえば特定の構造物を造る際にセメントの何％を火山灰に置き換えるかを選べるという。
「用途に合わせて調整できます」と、MIT土木環境工学科（CEE）の教授、オーラル・ビュユクオズトゥルク氏は言う。「たとえば交通規制用のブロックなら、高層ビルほどの強度は必要ないかもしれません。そうしたものは、はるかに少ないエネルギーで造れます。世界で使われているコンクリートの量を考えれば、これは大きなことです。」
ビュユクオズトゥルク氏の論文には、学際的な研究チームが参加している。CEEの研究科学者クナル・クプワデ＝パティル氏と学部生のステファニー・チン氏、MIT建築学科の元博士課程学生キャサリン・デ・ウルフ氏とジョン・オクセンドルフ教授、クウェート科学研究所のアリ・ハジア氏、クウェート大学のアディル・アル＝ムミン氏が名を連ねる。
天然の添加材
コンクリートは、世界で最も広く使われている材料で、水に次いで使用量が多い。コンクリートの製造では、まず採石場から石灰岩などの岩石を発破で採掘し、工場へ運ぶ。そこでさらに砕き、さまざまな工程を通じて高温で処理し、セメントを製造する。
こうしたエネルギー集約型の工程は、環境に大きな負荷を与える。従来のポルトランドセメントの製造は、世界の二酸化炭素排出量の約5％を占める。排出量を減らすため、ビュユクオズトゥルク氏らは、セメントに代わる持続可能な添加材や代替品を探してきた。
コンクリート製造の添加材として、火山灰には持続可能性の面でいくつもの利点がある。世界各地の活動中および休止中の火山の周辺に豊富に存在する岩石由来の素材で、天然に入手できる。また、一般に広く利用されていないため、通常は廃棄物とみなされる。さらに、一部の火山灰には本来「ポゾラン」性があり、粉末状にすれば、セメントの使用量を減らしても、水やその他の材料と自然に結合し、セメント状のペーストを形成できる。
「セメントの製造には高温が必要で、多段階の工程を経るため、多くのエネルギーを消費します」とチン氏は言う。チン氏はクプワデ＝パティル氏とともに、ビュユクオズトゥルク氏の指導のもと、学部生研究機会プログラム（UROP）の学生としてチームの実験研究の大部分を主導した。「それが代替品を探す主な動機です。火山灰は高温高圧のもとで形成され、こうした化学反応の多くを自然が代わりに行ってくれます。」
チームはまず、セメントと火山灰の混合物からコンクリートを造る場合に必要なエネルギーを、セメントだけの場合と比較した。そのために研究者らは、岩石の粉砕やセメントの硬化処理に必要なエネルギーなど、さまざまな工業工程に伴うエンボディド・エネルギーを算出した複数のデータベースを参照した。データベースから情報を選び、従来のセメントと、火山灰を10～50％含むセメントの製造に関わる個々の工程を組み立てた。
次に研究室で、火山灰の割合を変えたコンクリートの小さな試料と、ポルトランドセメントだけで造った試料を作製した。チン氏らは、試料にひびが入り始めるまで圧縮するなど、標準的な強度試験を行った。そのうえで、各試料の強度と算出したエンボディド・エネルギーを照らし合わせた。
結果によると、平均粒径17マイクロメートルの火山灰で従来のセメントの50％を置き換えると、コンクリートのエンボディド・エネルギーを16％削減できる。ただし、この粒径では火山灰によってコンクリート全体の強度が損なわれる可能性がある。火山灰を約6マイクロメートルの粒径まで粉砕すると、コンクリートの強度は大幅に向上する。粒子が小さいほど、水やセメントが化学的に結合できる表面積が大きくなるためだ。
火山灰の都市
チームは結果を外挿し、火山灰を一部使った構造物が、建物や地区全体の規模でコンクリートのエンボディド・エネルギーにどう影響するかを調べた。
研究者らが対象としたのは、住宅用建物13棟と商業用建物13棟からなるクウェートの地区で、いずれも従来のポルトランドセメントで造られ、その大半は欧州から輸入されたものだった。クウェートの協力者の支援を受け、地区上空にドローンを飛ばして画像と測定データを収集した。また、地元当局にも照会し、各建物の構造システムに関する追加情報を得た。
これらの情報をもとに、チームは地区の既存のエンボディド・エネルギーを算出した。さらに、中東で豊富に入手できる火山灰をさまざまな割合で含むコンクリートで建物を造った場合に、エンボディド・エネルギーがどう変わるかも計算した。
研究室での実験と同様に、セメント混合物に火山灰を30％含むコンクリートで同じ建物を造れば、地区のインフラをかなり少ないエネルギーで建設できることが分かった。
「望ましい特性を持ち、エンボディド・エネルギーを抑えたコンクリートを天然の添加材で製造でき、それによって地区や都市を造る際に大幅な省エネルギーを実現できることが分かりました」とビュユクオズトゥルク氏は言う。
この研究は、クウェート科学振興財団の一部助成を受けた。プロジェクトは、クウェートの建築環境の持続可能性に関するクウェート・MIT共同プロジェクトの一環として実施され、ビュユクオズトゥルク氏が主任研究者を務めた。
学部生も論文の共著者に
まもなくASCEのJournal of Materials in Civil Engineering誌に掲載される2本目の論文では、共著者のチン氏と、同じく元UROP学生のマランダ・L・ジョンストン氏が、ポルトランドセメントを微粉砕した火山灰に置き換える際の結合メカニズムを検討している。チームは、アルゴンヌ国立研究所での放射光X線回折を含むさまざまな手法を用いて、硬化したセメントペーストの微細構造を調べた。
火山灰の微細な粒子は、セメントペーストが硬化する過程でナノメートルスケールの生成物を生み出し、それが硬化時のマトリックスの緻密化に役立つことが分かった。「私たちの研究は、技術者が指定した要件に応じて、天然の添加材を使った配合を最適化するための基礎となります」とクプワデ＝パティル氏は言う。
「私の研究室では、1年生やほかのUROP学生を、学術誌への論文発表につながる高度な学際的研究に参加させることが、ある意味で伝統になっています」とビュユクオズトゥルク氏は言う。「この学習経験は、私たちの教育制度の重要な一部です。」
