ナノテクノロジーのコンクリート性能への添加剤の影響

導入事例

ナノテクノロジーは、研究室を多くの産業に応用するだけでなく、建設も例外ではありません。最も変化する開発の中では、ナノテクノロジーの添加剤を使用して、コンクリートのパフォーマンスを向上させます。これらのエンジニアリング粒子は、通常100ナノメートル未満で、原子スケールでセメントマトリックスと相互作用し、より強く、より耐久性があり、より持続可能な慣習的なミックスよりも多くを製造しています。世界的なインフラの時代と弾力性材料の需要が成長し、ナノアディティブのロールは、エンジニア、スペクター、スペクター、スペクター、およびスペクター、およびスペクター、およびデファイア、エンジニアにとって不可欠となります。

建設部門は、セメント製造のために、大部分の二酸化炭素排出量の重要なシェアを占めています。コンクリート構造の効率性と長寿を改善することによって、ナノテクノロジーは、材料の消費とメンテナンス頻度を削減し、それによって環境のフットプリントを下げるパスを提供します。この記事では、ナノ添加剤、その性能上の利点、現在の課題、および将来の研究の方向の背後にある科学を調べます。

ナノテクノロジーの添加剤は何ですか?

ナノテクノロジー添加剤は、分子または原子レベルで処理された材料で、ナノスケールで出現するユニークな特性を利用する。コンクリートでは、通常、混合中に微粉末やコロイドサスペンションとして添加されます。これらの粒子の高表面から対容積比は、セメント水和製品との強い化学反応と物理的相互作用を可能にします。

一般的なナノ添加剤には、

[ナノシリカ(SiO2):[]] 最も広く研究された添加物。それは、マイクロ構造を否定する追加のカルシウム-ケイ酸水素酸(C-S-H)ゲルを形成するために、水酸化カルシウムと反応するポゾランとして機能します。
ナノチタニア(TiO2):[] 光触媒特性で知られる。有機汚染物質を分解し、窒素酸化物を減らし、コンクリートのセルフクリーニングと空気浄化能力を与えます。
[ナノアルミナ(Al2O3):[] 安定した水分補給相の形成を促進することにより、早期強度と耐摩耗性を改善します。
カーボンナノチューブ(CNT)と黒鉛酸化物:は、ナノスケールでの衝撃をブリッジングすることで、抗張強度と耐亀裂性を高めます。

これらの添加剤は、一般的にセメントの重量によって0.5%から5%の範囲の投与量で組み込まれています。少量でも機械的および耐久性特性の測定可能な改善を得ることができます。重要なメカニズムには、他の強度を制限し、水分補給反応を加速し、集約とペーストの間の間接的な移行ゾーンを強化するナノピースを充填する。

性能向上の仕組み

マイクロ構造のデンシファイ

通常のコンクリートには、マトリックスを弱めるマイクロとナノサイズのvoid が含まれています。ナノシリコン粒子は、例えば、直径約10〜50nmです。それらは、より大きなセメント穀物とC-S-Hシートの間にスペースを埋め、合計の気孔率を削減します。この除菌は、水、塩化物、および積極的な化学物質が浸透し、耐久性を直接改善するのを困難にします。

核種および加速水和

ナノ粒子は、水和製品のための核化サイトとして機能します。カルシウム無水ケイ酸(C-S-H)は、より均一で高密度のペーストにつながる高表面-area粒子に優先的に成長します。これは、高速トラック構造とプレキャスト操作に有益である早期の強度開発を加速します。

レオロジーの修正

ナノアディティブの高い表面領域は、水需要を増加させることができますが、適切にスーパーパブリタイザーと分散すると、作業性を向上させ、分離を削減します。関節症の行動はしばしば観察され、コンクリートがせん断の下で簡単に流れますが、残りで固着するという意味は、ポンプおよび複雑な形態の働きを意味します。

自己治癒とスマート機能性

ナノチタニアなどのナノ添加剤は、紫外線の下で有機汚染物質を分解し、コンクリート表面を清潔に保つ光触媒特性を有する。その他、ナノスケールでのカプセル封入治癒剤のような、自動的に亀裂をシールするために湿気に反応することができます。これらの機能は、耐用年数を延ばし、メンテナンスコストを削減します。

ナノテクノロジーの添加剤の利点

強度の増加

ナノシリコンが最適な投与量で使用されているとき、多量的な研究では、20〜40%の圧縮強度の利益が報告されています。抗張力および曲げ強度も改善します。多くの場合、10〜25%、総計のインターフェイスで接着するのに優れています。これは、より薄い構造セクション、より長いスパン、セメント含有量を増加させることなく、より高い負荷容量を可能にします。

耐久性の向上

減気孔率は、凍結解凍サイクル、硫酸攻撃、塩化物侵入に対する抵抗を直接向上させます。海洋構造や塩を乾燥させるために、ナノ修飾コンクリートは、従来の混合と比較して耐用年数を倍増させることができます。デンザーの微細構造は、水吸収と透過性を低下させ、腐食から補強鋼を保護します。

サステナビリティの向上

ナノ添加剤は、性能を維持または改善しながら、セメントのクリンカー含有量を下げることを可能にするため、コンクリートの立方メートルあたりのカーボンフットプリントが削減されます。さらに、長持ちする構造は、より少ない修理と交換を必要とし、資源とエンボディされたエネルギーを節約します。ナノチタニアのようなナノ材料も汚染物質を捕獲し、都市のクリーンエアに貢献します。

作業性と表面品質の向上

比類なきコロイドナノジリカは、流動性を改善し、出血を減らすことができます。その結果、表面は滑らかで、ハニカムが少ない。建築コンクリートでは、ナノ添加剤はよりシャープな詳細と光沢度の高い仕上げを可能にします。

課題と考察

コストが高い

高純度ナノ粒子の製造コストは、従来の混和と比較して上昇しています。わずかな投与量だけが必要ですが、ユニット価格はマイクロジリカまたはフライアッシュよりも10〜50倍高いです。これは、高性能または専門的用途への広範な採用を制限します。オンゴイング研究は、産業廃棄物の流れからナノ添加剤を生成し、コストを削減することを目指しています。

健康・安全リスク

製造中や混合中の空気圧ナノ粒子の吸入は、未知の健康リスクを覆います。彼らの小型化により、それらは肺組織に深く浸透することができます。適切な処理には、防塵、換気、および個人保護装置が必要です。ナノ材料曝露限界の規制枠組みは、依然として進化し、請負業者に対する責任の懸念を生じます。

分散および凝集

ナノ粒子は、高面エネルギーによる凝集性がちなちで、弱点を作り出すことができる塊を形成する。効果的な分散は、超音波処理や特殊な化学界面活性剤を必要とする。強迫分散は、可変的な性能につながり、凝集剤が応力コンセントレイターとして作用する場合にも強度を減らすことができます。

長期パフォーマンス未知

短期実験試験は有望ですが、ナノ修飾コンクリートの50〜100年の性能に関するデータはまだ限られています。問題は、ナノ粒子の潜在的な剥離と環境への影響について残っています。加速試験方法は、このギャップを埋めるために開発されています。

今後の方向性・研究

自己治癒のコンクリート

研究者は、クラックによって活性化される治癒剤を含むマイクロカプセルまたは血管ネットワークを埋め込むことができます。ナノスケールでは、炭酸カルシウムまたはポリマー充填剤の形成を加速するために触媒を追加することができます。この技術は、インフラのメンテナンスをはるかに少ない頻度で作ることができます。

緊張とダメージセンシング

カーボンナノチューブやナノキトサンをコンクリートに組み込むことで、ストレスの抵抗を変化させる電気伝導性ネットワークが生まれます。これにより、外部センサーなしでリアルタイム構造体の健康モニタリングが可能になります。このようなスマートコンクリートは、可視損傷が発生した前に積み過ぎや疲労を警告することができます。

ハイブリッド・マルチコンポーネントシステム

ナノ・アディティブを組み合わせることは、ナノ・シリカの強さとナノ・チタニアの汚染制御を組み合わせることで、複数の性能基準を満たすコンクリートを生成できます。粒子と従来のポゾランとの相互作用の相乗効果を最適化することは、調査の有効領域です。

標準化とコード

ナノテクノロジーは、主流となるためには、標準化された試験方法と性能仕様が必要です。[]国家標準技術研究所(NIST)と[]American具体的な研究所]]は、ナノ修正コンクリートのガイドラインを開発しています。さらに、欧州委員会のナノ材料データベースは、コンテキストレギュレータを提供します。

コンテンツ

ナノテクノロジー添加剤は、コンクリート技術の重要な進歩を表しています。ナノスケールの課題を操作することで、エンジニアはこれまで以上に強く、耐久性が高く、環境に応答するコンクリートを作成することができます。増加した強度、耐久性、および改善された持続可能性のアドレスなどの利点は、インフラの長寿からカーボン削減に至るまで、業界の多くの課題を操作することにより、多くの産業のプレスの課題を克服することができます。しかし、コスト、健康上の安全性、分散、および長期的検証に関連する障壁は、フルスケールの採用が、建設のスケールアップと長期間の建設のスケールアップを可能にし、より快適な環境に成功する必要があります。

さらなる読書については、新素材の「]」に公表された包括的なレビューと、Nanomaterialsのガイドラインと、新興素材の「」の米国民事学会]に相談してください。コンクリートを用いたナノテクノロジーの統合は、単なる増分的な改善ではありません。それは、建設の未来を形作る変革的な変化です。