従来のコンクリートに代わる持続可能な代替品を提供することは、その重要なフットプリントと用途の広い用途を考慮すると、世界的な緊急課題となっています。毎年、地球上のすべての人が約 1 トンのコンクリートを消費しています。
人口 53,000 人の小さな町の場合、これは平均的な米国の 660 世帯分のエネルギー消費と、年間 3,710 トンの CO2 に相当します。 排出量。石炭フライアッシュから作られたセメント系バインダーは、大きなビジネス チャンスを提供し、そのような産業副産物を廃棄物の流れから付加価値のある用途に転用することにより、環境と資源の保全に貢献します。
結合剤が石炭フライアッシュのみで、セメントや熱処理が不要な耐久性のあるコンクリートを想像してみてください。これは、最近の特許出願で WSU グループによって実証されるまで、長い間不可能であると考えられてきました。重要なイノベーションは、0.02 重量% のクラス C フライアッシュで酸化グラフェン (GO) を使用して、その水和を触媒し、周囲温度でアルミン酸ケイ酸カルシウム水和物 (C-A-S-H) ゲルを形成することです。これは、セメントの一部を代替するセメント系結合剤を使用して行われた多くの進歩とは大きく対照的であり、したがって、セメントおよびコンクリート産業を「グリーン化」するためのより大胆なアプローチを強調しています.
有害廃棄物の流れから飛灰を転用し、CO2 を削減するという文脈で アルカリ活性化フライアッシュ ジオポリマーは、フライアッシュを固化するための主要な処理の 1 つとして、また持続可能な建設資材として考えられています。フライアッシュは、主に石炭火力発電所からの石炭燃焼の副産物であり、ボイラーの上部で捕捉されます。米国のフライアッシュ生産量は、1974 年の 4040 万トンから 2013 年には 5340 万トンに増加し、2013 年には 2330 万トン (43%) のフライアッシュが有益に使用されました [2]。 2033 年の米国のフライアッシュ生産量の予測値は 5,460 万トンで、利用量は 3,570 万トンになります [3]。
建設材料としてのフライアッシュの固化を改善するために、酸化グラフェン（GO、グラファイトを原料とするナノ材料）がこの研究で採用されました。近年、工学材料におけるGOの応用に関する革新的な研究が成長しています。 GO (図 1) は、アスペクト比が 30,000 以上の二次元カーボン シートであるため、コンクリート混和剤として大きな可能性を示します [4]。ヤング率が約 0.3 TPa、固有強度が約 112 GPa で、親水性が高い [5,6]。グラフェンとは異なり、GO は親水性で水との親和性が高いため、フレッシュ コンクリートへの分散が容易になります。
WSU の Advanced &Sustainable Cementitious Materials (ASCM) の研究では、GO 修飾フライアッシュ ジオポリマーの水和前駆体、形態、元素組成、鉱物学、および化学構造と順序付けが、ラマン分光法、SEM/BSE によって調査されました。 、EMPA、XRD/TGA、および Si/Al MAS-NMR をそれぞれ使用して、GO の役割を解明します。実験結果は、GOがさまざまな水和前駆体の分布に選択的に影響を与える能力を示したため、GOがさまざまな元素モル比を調節して、機械的強度が向上したフライアッシュ水和物の形成を促進することを示唆しました。（1）電気陰性GOシートはカチオンイオンを引き付けます(Ca、Na、K、および Mg) であり、Al(OH) 四面体およびその他の電気陰性イオンをはじきます。 (2) Si は中性の Si(OH) 単位と SiO(OH)、SiO2 の両方として存在するため、Si 分布に対する GO の影響は比較的弱かった。 (ああ)2 陰イオン。 NMR研究は、GOが低石英およびジェナイト様水和物の形成も促進することを示しました（図2）。全体として、0.02% GO は、フライアッシュ ジオポリマーの機械的強度と外観を著しく向上させることができます。
最近のナノサイズ材料の開発により、フライアッシュやセメントの水和における分子と原子の世界を理解するための強力なツールが得られたことを示しているため、この研究は重要であり、分子レベルでコンクリートを設計する機会を提供します。土木技師は、主にメソ レベルおよびマクロ レベルでの材料の操作に重点を置いてきました。建設業界の持続可能な発展のためには、あらゆるスケール (ナノ、ミクロ、メソ、マクロ) にわたる研究を可能にし、ナノマテリアルのこの「ボトムアップ」機能を活用する必要があります。
これらの調査結果は、ジャーナル Fuel に最近掲載された化学的に活性化されたフライアッシュにおける酸化グラフェンの影響というタイトルの記事で説明されています。 .この作業は、米国ワシントン州立大学のGang XuとXianming Shi、中国のハルビン工科大学のJing Zhongによって実施されました。この研究で報告された技術は、米国特許出願によって保護されており、フライアッシュ透過コンクリート スラブは WSU プルマン キャンパスで実証されています。
参考文献:
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