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サロゲートモデリングとパレート分析を用いた廃棄物由来コンクリートの環境・力学トレードオフ最適化

Environmental and Mechanical Trade-Off Optimization of Waste-Derived Concrete Using Surrogate Modeling and Pareto Analysis (原題)

R. Haigh

Sustainability📚 査読済 / ジャーナル2026-01-21#炭素会計経営インパクト: コスト削減対象セクター: construction
DOI: 10.3390/su18021119
原典: https://doi.org/10.3390/su18021119

🤖 gxceed AI 要約

日本語

本研究は、都市固形廃棄物（MSW）由来の3種類の材料（段ボール繊維、再生HDPE、繊維廃棄物）をコンクリートに10%セメント代替で組み込み、機械的性能と環境影響を評価した。LCAとNSGA-IIによる最適化の結果、段ボール繊維はGWPを19%削減し、繊維廃棄物はバランスの良い性能を示した。HDPEは機械的性能は良好だが環境負荷が増大した。統合フレームワークは低炭素・循環型建設材料の意思決定を支援する。

English

This study evaluates three municipal solid waste materials (cardboard fibers, recycled HDPE, and textile fibers) in concrete with 10% cement replacement, assessing mechanical strength and conducting life cycle assessment. Surrogate-based optimization using NSGA-II reveals that cardboard fibers achieve 19% GWP reduction, textile fibers offer balanced performance with 10% reduction, while HDPE increases environmental burden. The integrated framework supports decision-making for low-carbon, circular construction materials.

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

📝 gxceed 編集解説 — Why this matters

日本のGX文脈において

日本の建設業界では、コンクリートの脱炭素化が急務であり、本論文の廃棄物由来材料の採用は循環型社会形成に貢献する。LCAと多目的最適化の組み合わせは、日本企業がSSBJ対応や環境報告に活用できる実践的手法を提供する。

In the global GX context

Globally, concrete contributes 4-8% of CO2 emissions, making embodied carbon reduction critical for ISSB and CSRD compliance. This paper's integration of LCA with surrogate optimization offers a replicable methodology for evaluating low-carbon circular materials, supporting green building certifications and Scope 3 emissions reductions.

👥 読者別の含意

🔬研究者:Provides a validated surrogate optimization framework for multi-objective trade-off analysis in low-carbon concrete design.

🏢実務担当者:Demonstrates quantitative environmental and cost impacts of using waste fibers in concrete, useful for material procurement and product development.

🏛政策担当者:Supports evidence-based building codes and procurement policies favoring circular materials with quantified emission reductions.

📄 抄録（日本語訳）

コンクリート生産は、主にポルトランドセメントに起因して、世界の二酸化炭素排出量の約4〜8%に寄与している。都市固形廃棄物（MSW）をコンクリートに組み込むことは、セメント需要を削減しながら循環経済の目標を支援する経路を提供する。本研究では、3種類のMSW由来材料（段ボールクラフト繊維（KF）、再生高密度ポリエチレン（HDPE）、および繊維廃棄物）を組み込んだコンクリートの力学性能、環境影響、および最適化可能性を評価する。最大10%のセメント置換戦略を採用した。圧縮強度は7日、14日、28日で評価し、OpenLCAを用いたゆりかごから門までのライフサイクルアセスメント（LCA）を実施して、地球温暖化係数（GWP100）およびその他の中間影響を定量化した。Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II（NSGA-II）を用いて実装されたサロゲートベースの最適化を適用し、圧縮強度を実現可能性の制約として課しながら、コストとGWPを最小化した。結果は、繊維ベースの廃棄物が埋め込み炭素を大幅に削減し、KFが対照と比較して最大のGWP削減（19%）を達成し、繊維廃棄物が中程度の削減（10%）を達成することを示した。HDPE改質コンクリートは、対照に近い力学性能を示したが、ポリマー加工の負荷によりGWPと化石資源の枯渇が増加した。最適化の結果は、KFおよび繊維コンクリートについて明確に定義されたパレートトレードオフを明らかにし、コストと排出量の間の明確な妥協解を特定した一方、HDPEは一貫して支配された。全体として、繊維廃棄物が最もバランスの取れた選択肢として浮上し、最小限のコストと許容可能な力学性能で有利な環境的利得を提供した。統合されたLCA最適化フレームワークは、MSW由来コンクリートを評価するための堅牢なアプローチを示し、低炭素で循環型の建設材料に向けた証拠に基づく意思決定を支援する。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

📄 Abstract（原文）

Concrete production contributes approximately 4–8% of global cardon dioxide emissions, largely due to Portland cement. Incorporating municipal solid waste (MSW) into concrete offers a pathway to reduce cement demand while supporting circular economy objectives. This study evaluates the mechanical performance, environmental impacts, and optimization potential of concrete incorporating three MSW-derived materials: cardboard kraft fibers (KFs), recycled high-density polyethylene (HDPE), and textile fibers. A maximum 10% cement replacement strategy was adopted. Compressive strength was assessed at 7, 14, and 28 days, and a cradle-to-gate life cycle assessment (LCA) was conducted using OpenLCA to quantify global warming potential (GWP100) and other midpoint impacts. A surrogate-based optimization implemented using Non-dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II) was applied to minimize cost and GWP while enforcing compressive strength as a feasibility constraint. The results show that fiber-based wastes significantly reduce embodied carbon, with KF achieving the largest GWP reduction (19%) and textile waste achieving moderate reductions (10%) relative to the control. HDPE-modified concrete exhibited near-control mechanical performance but increased GWP and fossil depletion due to polymer processing burdens. The optimization results revealed well-defined Pareto trade-offs for KF and textile concretes, identifying clear compromise solutions between cost and emissions, while HDPE was consistently dominated. Overall, textile waste emerged as the most balanced option, offering favorable environmental gains with minimal cost and acceptable mechanical performance. The integrated LCA optimization framework demonstrates a robust approach for evaluating MSW-derived concrete and supports evidence-based decision-making toward low-carbon, circular construction materials.

🔗 Provenance — このレコードを発見したソース

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gxceed は公開メタデータに基づく研究支援データセットです。要約・翻訳・解説は AI 支援で生成されています。 最終的な解釈・検証は利用者が原典資料に基づいて行うことを前提とします。