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2024-01-27 01:07:08
水に次いで2番目に消費量の多い材料であるコンクリートへの世界の依存は、環境と資源の危機を引き起こしており、砂の採掘率が自然の補給を上回っています。
ライス大学の研究者らによる研究では、石炭ベースの製品である冶金コークスに由来するグラフェンが、セメントの強化添加剤としてだけでなく、コンクリートの砂の代替品としても機能する可能性があることが判明した。
「これは世界最大の産業の一つに大きな影響を与える可能性がある」とライス大学のTTおよびWFチャオ教授であり、化学、材料科学、ナノエンジニアリングの教授であるジェームズ・ツアー氏は述べた。 「代替グラフェン骨材を使用して作られたコンクリートと、適切な砂骨材を使用して作られたコンクリートを比較したところ、当社のコンクリートは 25% 軽量でありながら、同じくらい丈夫であることがわかりました。」
砂や砂利などの骨材をセメントと水で固めたコンクリートは、都市開発に欠かせないものです。 2050 年までに世界人口の 68% が都市部に住むと予想されており、コンクリート需要、ひいては砂採掘の需要が大幅に増加すると予測されています。 この量は過去 20 年間で 3 倍に増加し、年間約 500 億トンに達しています。 しかし、これには多大な環境コストがかかります。
コンクリートの主要成分であるセメントの生産は、世界の二酸化炭素排出量の 8% を占めています。 さらに、砂の採掘はほとんど規制されておらず、河川や沿岸の生態系に深刻な脅威をもたらしています。 2022年の国連報告書によると、人口増加と都市拡大と相まって、この砂需要の高まりにより、間もなく「砂危機」が引き起こされる可能性があります。
トゥール研究所は、特徴的なジュール加熱技術を冶金用コークスに適用して、コンクリート中の砂の代替として機能するグラフェンの一種を作成しました。
「冶金コークスをグラフェンに変換する初期の実験では、砂と同じような大きさの物質が得られた」と、研究の筆頭著者でライス博士の卒業生であるポール・アドビンキュラ氏は述べた。 「私たちは、コンクリート中の砂の完全な代替品として、冶金コークス由来のグラフェンの使用を検討することにしました。そして、私たちの調査結果は、それが非常にうまく機能することを示しています。」
従来のコンクリートとグラフェン骨材から作られたコンクリートを比較したテストでは、有望な結果が示されました。 グラフェンベースのコンクリートは、標準コンクリートの機械的特性と一致するだけでなく、より高い強度対重量比も実現します。
ツアー ラボでは、ハイブリッド カーボン ナノ材料の合成、バッテリー部品のリサイクル、石炭飛灰からの重金属の除去など、さまざまな用途にフラッシュ ジュール加熱を使用してきました。
「この技術は、以前の方法よりも高速かつ大規模にグラフェンを生成します」とアドビンキュラ氏は述べています。
天然砂への依存を減らし、コンクリート産業からの炭素排出量を削減する可能性があるこの新技術は、より持続可能な都市開発実践につながる可能性があります。
「これが実現できるほどグラフェンの価格が下がるには、しばらく時間がかかるだろう」とツアー氏は語った。 「しかし、これは私たちが追求できる代替案があることを示しているだけです。」
この研究の責任著者である土木・環境工学および機械工学のサティシュ・ナガラジャイア教授は、「コンクリートの30％は砂で構成されており、その重要な部分を占めている」と強調した。
「私たちが『砂危機』の瀬戸際に立っているという事実が、私たちに代替品を探す動機を与えている。冶金用コークスは砂とほぼ同じ価格で、コンクリートの約10％のコストであるが、それは生産性の向上に役立つだけでなく、高品質のコンクリートを使用するだけでなく、最終的には大幅な節約にもつながります」とナガラジャイア氏は語った。
この研究は、アメリカ陸軍工兵隊、工兵研究開発センター (W912HZ-21-2-0050)、空軍科学研究局 (FA9550-22-1-0526)、および国立科学財団の支援を受けました。
#石炭ベースの製品はコンクリートの砂に代わる可能性がある