Al2O3、SiO2ナノ粒子、gの効果

Scientific Reports volume 13、記事番号: 2720 (2023) この記事を引用

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ポルトランドセメントの製造に関して環境問題が提起されています。 その結果、バイオセメントはグリーン建設プロジェクトにおいてポルトランドセメントの信頼できる代替品として機能します。 この研究は、農業廃棄物から高品質のバイオセメントを製造するまったく新しい技術を生み出しました。 この技術は、製造されるバイオセメントの品質を向上させる「微生物誘導方解石沈殿（MICP）」プロセスを改善および加速するナノマテリアルに基づいています。 混合物をさらに、５ｍｇ／ｌのグラファイト窒化炭素ナノシート（ｇ−Ｃ３Ｎ４ ＮＰ）、アルミナナノ粒子（Ａｌ２Ｏ３ ＮＰ）、またはシリカナノ粒子（ＳｉＯ２ ＮＰ）を添加して混合した。 セメント：砂の比は１：３、灰：セメントの比は１：９、水：セメントの比は１：２であった。 立方体の型を準備し、鋳造して圧縮しました。 続いて型から外し、すべての試験片を 28 日目の試験まで栄養ブロス尿素 (NBU) 培地で硬化させました。 培地は7日間隔で補充した。 結果は、コーンコブアッシュに 5 mg/l の g-C3N4 NS を添加すると、バイオセメントモルタル立方体の最高の「圧縮強度」と 18 メガパスカル (MPa) と 7.6 メガパスカル (MPa) の最高の「曲げ強度」が得られたことを示しています。 他のすべての処理と比較して許容可能な「吸水率」(5.42%)。 この処理により、「圧縮強度」、「曲げ強度」、「吸水率」が対照（標準ポルトランドセメント）に比べて1.67、1.26、1.21倍減少しました。 5 mg/l の g-C3N4 NS をセメント混合物に添加するとその特性が向上し、得られるバイオセメントは従来のポルトランド セメントの有望な代替品であると結論付けられました。 セメントにナノマテリアルを添加すると、セメントのイオン透過性が低下し、強度と耐久性が向上します。 これらのナノマテリアルを使用すると、コンクリートインフラの性能を向上させることができます。 ナノ粒子の使用は、コンクリート製造に伴う環境への影響を軽減する効果的な解決策です。

バイオセメントは、農業廃棄物を使用して作られた新しい環境に優しい建築材料です。 バイオセメントの利用は、環境的、経済的、技術的な利点を実証しています。 得られたコンクリートは「グリーンコンクリート」と呼ばれます1,2。 バイオセメントは、酸攻撃に対するモルタルの耐性を大幅に向上させます。 さらに、バイオセメントモルタルはポルトランドセメント単独よりも耐透水性が向上しています3。 De Muynck et al.4 は、バイオセメントから作られる CaCO3、バイオモルタル、およびバイオコンクリートのバイオミネラリゼーションまたは生堆積という用語を造語しました。 以下のバイオ廃棄物は、バイオセメント製造の原料として使用できます: もみ殻、稲わら、ベチバーグラス、トウモロコシの穂軸、サトウキビ、アブラヤシ殻、小麦わら、亜麻の茎、竹の葉、下水汚泥、微細藻類、おがくず、製紙工場スラッジ3 、4、5、6、7。

「ナノテクノロジー」は、「ナノマテリアル」と呼ばれる 1 ～ 100 nm のサイズの材料の研究、開発、使用として定義できます。ここで、1 nm (nm) は 10-9 m に相当します。 ナノ材料は、ナノキューブ、ナノワイヤ、ナノロッド、ナノチューブ、およびナノ粒子（ナノスフェアおよびナノカプセル）の形態で合成することができる。 ナノマテリアルの主要な特性は、元のマテリアルとは根本的に異なります8。

セメント質構造物の劣化は、浸透性が高く、水の侵入を許し、腐食を引き起こすため、広範囲にわたる問題となっています。 バイオセメントなどのシーラーの導入は、コンクリートの耐久性を高める強力な手段です9。 農業廃棄物の灰を添加しても、ポルトランド セメントの 6 ～ 20% のみを置き換えることができます。 バイオセメントの強度は、より多くの有機残留灰を使用すると低下します1。 これはバイオセメントの使用拡大を妨げ、バイオセメントの使用による環境上の利点も制限します。

ナノマテリアルは、セメント質材料のさまざまな成分間の結合能力を強化すると仮説が立てられています。 したがって、ナノ材料を使用すると、生成されるバイオセメントの強度を維持しながら、有機残留灰を添加してポルトランドセメントの 20% を超える量を置き換えることができます。 したがって、これは、バイオセメントから製造されるモルタルおよびコンクリートの工学的特性、特に機械的特性にプラスの影響を与える。 さらに、ナノマテリアルは細菌を生体刺激し、その活性を高め、生体石灰化を促進し、CaCO3 の沈殿量と沈殿速度の増加につながると仮説が立てられています。 これは最終的にコンクリートの亀裂をシールすることにつながります。 ナノシリカ (ナノ SiO2)、ナノアルミナ (ナノ Al2O3)、ナノ酸化第二鉄 (ナノ Fe2O3)、ナノ酸化チタン (ナノ TiO2)、カーボン ナノチューブ (CNT)、グラフェンなどのナノマテリアル酸化グラフェンはセメントベースの材料と混合できます10。 近年、何人かの研究者がセメントベースの材料へのナノマテリアルの組み込みを研究しています。 セメント質複合材料とナノマテリアルの組み合わせには、得られるコンクリート構造物の機械的強度を向上させる可能性があります11、12、13、14、15。 ナノシリカは、セメントベースの複合材料に使用される一般的なナノ材料です。 この材料は、ケイ酸カルシウム水和物 (C-S-H) を生成し、ケイ酸三カルシウム (C3S) を溶解することにより、セメントの水和を促進します16。 さらに、ナノシリカは C-S-H 核形成の種として機能し、セメントの水和を促進します 16。 セメントベースの材料にナノシリカを添加すると、耐久性、加工性、機械的特性を向上させることができます17。 一方、ナノ Al2O3 粒子は、セメントベースの材料の圧縮強度を高めることができます 18,19。 セメント重量の 0.25% の添加量で、Al2O3 ナノファイバーはセメントベースの材料の圧縮強度を最大 30% 増加させることができます16。 ナノ粒子は水和反応を刺激し、セメントペースト構造の微細孔を埋めることでコンクリートの強度と耐久性を向上させます。 これによりコンクリートの空隙率が減少し、セメントモルタルの強度と機械的特性が向上します10。