発泡剤（生物・農業由来）がコンクリート廃材に与える影響：多孔質セラミック材料の作製

古いコンクリートを有用な新素材に変える

世界中で都市が急速に拡大するにつれて、取り壊された建物から出る壊れたコンクリートの量も増えています。こうしたがれきの多くは埋立地に捨てられ、土地や資源が無駄になります。本研究は、不要になったコンクリートを小麦粉、イースト、おがくず、麦わらなど日常的な材料を用いて軽く多孔質のセラミックブロックに変え、建物の保温・保冷に役立てる創造的な方法を探ります。

気孔や穴が有利に働く理由

研究者らは微細な気孔を多く含む特殊なセラミックに着目しています。これらの気孔は開放して連通するものと、空気を閉じ込める閉鎖型があり、ガスや液体を通す、または空気を保持して熱の移動を遅らせる性質があります。そのためフィルター、ガスバーナー、断熱パネルなどに適しています。破砕した廃コンクリートに単純な有機材料を組み合わせることで、高価な合成化学薬品に頼らずに多孔構造を作ることを目指しています。

廃コンクリートと台所の材料で作る“調理”プロセス

製造では、古いコンクリートを乾燥・破砕し、砂、水、コーンスターチと混合した後、小麦粉、イースト、ベーキングパウダー、おがくず、麦わらのいずれかの発泡助剤を加えました。でんぷんは接着剤の役割とガス供給源の両方を兼ね、加熱されると膨潤し、燃焼して空隙を残します。添加した発泡助剤は追加のガスを発生させるか、焼成中に燃え尽きてさらなる気孔を形成します。混合物はスラリーに攪拌され、気泡を成長させて定着させるために穏やかに加温され、その後まず900 °Cで焼成し、最終的に1200 °C、1250 °C、または1300 °Cの高温で硬化・強化されます。

発泡助剤の選択が材料の性質を決める

試験の結果、焼成温度と発泡助剤の種類が完成したセラミックの密度、強度、断熱性を左右することがわかりました。焼成温度が上がると気孔は縮小または部分的に閉塞する傾向があり、多くの試料は多孔性が低下する一方で密度と強度は増しました。小麦粉とイーストは高い多孔率をもつ材料を生み出し、小麦粉ベースの試料は体積の半分以上が気孔でありながら連通したネットワークを形成しました。粒子の大きなおがくずやわらは、より大きく不均一な気孔を生じさせましたが、総合的には高い多孔率を維持しました。対照的にベーキングパウダーは比較的小さな気孔を作り、最高温度ではガラス状相の生成を促して他の試料より多孔性をより低下させました。

強度、軽さ、熱流のバランス

機械的および熱的試験は重要なトレードオフを浮き彫りにしました。気孔が多い試料は一般に押壊強度が低くなりますが、気孔の正確なサイズや形状も重要です。おがくずベースのセラミックは強度が際立ち、1300 °Cで5メガパスカルを超える一方で体積の約38％を気孔として保持しました。小麦粉ベースは若干強度が劣るものの非常に良好な多孔率と最小の熱伝達率を示し、断熱用途に有望でした。熱貫流率と熱伝導率の測定では、すべての有機添加物が単純なコンクリート試料に比べ熱流を低減し、小麦粉、イースト、おがくずが天然の断熱改良材として最も優れていることが示されました。

建築廃材から将来の断熱材やフィルターへ

総じて、本研究は壊れたコンクリートを高価な工業薬品の代わりに一般的な生物由来・農業副産物を使って有用な多孔質セラミックに変えることができることを示しています。焼成温度と発泡助剤の種類を調整することで、強度、軽量性、断熱性のバランスを制御できます。得られた材料はガスバーナー、ろ過装置、耐熱ライニングなどに応用され得るとともに、埋立地の削減や新規鉱物資源の需要低減にも寄与します。専門外の方への要点は、小麦粉、イースト、おがくずのような身近な材料で建築廃材をより賢明で持続可能な建築材料へと変えられる、ということです。

引用: Khattab, R.M., Abo-Almaged, H.H., Ali, .M. et al. Effect of biological and agricultural foaming agents on concrete waste for the preparation of porous ceramic materials. Sci Rep 16, 15463 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-52176-5

キーワード: 多孔質セラミックス, コンクリートリサイクル, 断熱, おがくずとわら, 発泡剤