二酸化チタンナノ粒子によるコンクリートの耐災性評価

サマリー

このプロトコルは、二酸化チタンをコンクリートに塗布するとコンクリートの物理的特性が向上し、それによって極端な現象によって引き起こされる自然災害の影響に対する耐性が高まるかどうかの評価について説明します。

要約

ここ数十年で、世界のさまざまな地域で異常現象の発生が激化し、影響を受ける人々の経済、安全、生活の質に大きな影響を与えています。この現実は、そのような損害を軽減するための革新的なソリューションが緊急に必要であることを浮き彫りにしています。この枠組みの中で、ナノテクノロジーは有望なパラダイムとして浮上しており、ナノ添加剤は建築材料の耐久性、不浸透性、機械的強度を高めるための効果的な薬剤として際立っています。二酸化チタン (TiO₂)、カーボン ナノチューブ (CNT)、シリカ、粘土、銅 (Cu) などのナノ粒子は、耐久性、強度対重量比、安定性、耐震性の向上と関連しています。これらのナノ材料の統合により、空隙や毛細管が減少することでコンクリートマトリックスの緻密化が促進され、それによって防水性が向上し、有害物質の侵入が妨げられます。本研究は、処理された材料と未処理の材料の両方における吸水シミュレーションや表面完全性の評価など、包括的な文献レビューによって補完された実験的調査を提供します。目的は、気候変動によってもたらされる課題に直面した際の安全性、耐久性、持続可能性に対するナノ添加剤の貢献を評価することです。結果は、nanoTiO₂ を1%添加すると最高の機械的強度が得られますが、濃度が高いと粒子の凝集により利点が減少する傾向があることを示しています。この発見は、自然災害に対するコンクリートの回復力を強化し、持続可能な建設実践に貢献するためにナノ粒子含有量を最適化することの重要性を強調しています。銅ベースの添加剤との比較により、時間の経過とともに相対的な強度が向上するにもかかわらず、銅配合物は機械的性能が不十分であることが明らかになり、災害が発生しやすい環境におけるコンクリートの耐久性を向上させるためのより有望な剤としてナノTiO₂ が浮き彫りになりました。環境災害の頻度が高まっていることを考えると、ナノマテリアルの持続可能な組み込みによる土木建設の適応には、合成プロセス、長期安定性、およびナノ粒子と生物的および非生物的環境成分との相互作用に関連する潜在的な生態学的影響を慎重に検討する必要があります。

概要

災害とは、洪水、地すべり、地震など、社会にリスクをもたらす可能性のある自然現象の発生によって定義される極端な事象であり、人為^{的要因の影響}も受ける可能性がある1。2024年に発生した気候変動をきっかけに、ケニアなどのアフリカ諸国は、インドネシアやアフガニスタンなどのアジア諸国とともに深刻な洪水に見舞われ、数百人が死亡し、数千人がホームレスになりました²。1998年から2017年にかけて、洪水は世界中で20億人以上に影響を与えました³.Marengoらによると、2013年から2022年の間にブラジルでは220万戸以上の住宅が被害を受け、2,640の自治体で420万人以上が影響を受けました。洪水は、自然、社会、気候の要因の組み合わせにより持続しており、100億米ドル程度の損失を生み出^{しています4。}

近年、これらの事象の深刻さと広範なリスクを考慮して、研究者や専門家は、持続可能性の向上に向けた業界の進歩と並行して、回復力のあるコミュニティの育成を目的とした管理戦略と新しいテクノロジーを模索してきました^5,6。災害に対する回復力を高めることを目的とした土木工学用途の有望な材料の中には、二酸化チタンナノ粒子 (nanoTiO₂) があり、コンクリート ^7,8 を含む必須の建設材料に多くの利点が実証されています。

建設業界におけるナノ材料の使用は、現在、さまざまな用途に広く普及しています。これらは、紫外線による劣化や攻撃的な物質による攻撃に対する耐性を高めるために塗料やコーティングに使用されています。これらの材料は、耐久性の向上、透過性の低減、断熱性の向上、耐火性の向上に貢献します。たとえば、アスファルトに組み込まれると、TiO₂ は汚染ガスと相互作用し、有害性の低い化合物に変換します。ガラスに塗布すると、酸化物層が有機分子を分解し、無機粉塵の除去を促進するため、TiO₂ は表面を自己洗浄することができます。紫外線はセルフクリーニングガラス層と相互作用し、分子をさらに分解し、有機粉塵を除去します。新しい建築材料の開発は、構造物の環境ストレスに対する回復力を高め、それによって災害の影響を軽減し、安全性を高めるために不可欠です。

白色性と安定性で知られる二酸化チタンは、1970 年代に主にコンクリートやその他の建設資材の顔料として初めて広く一般に認知されるようになりました⁹。その期間中、TiO₂ は外面に高品質で耐久性のある仕上げを作成するために採用されました。1990年代以降、その光触媒特性の発見により新しい方向性が現れ、建設分野でのTiO₂の用途が著しく拡大しました¹⁰。

土木建築におけるTiO₂ の関連性と適用可能性を完全に理解するには、その特性を概説し、曲げ強度、引張強度、圧縮強度などの実用的な利点と、電気抵抗率、透磁率、硫酸塩攻撃、炭酸化、凍結融解サイクルに対する耐性などの耐久性指標に関連付けることが不可欠です。Ali Nazari らによって報告された実験結果は、コンクリートの曲げ強度が TiO₂ ナノ粒子を 3.0% までの濃度まで添加すると増加することを示しています。これらは直接的な利点を表していますが、TiO₂ の光触媒および殺菌特性も、重要な長期的な経済的利益として考慮されるべきです¹¹。

風化、気候変動(CO₂レベルの上昇など)、洪水などの壊滅的なシナリオを含む外部環境要因の存在下で安定性を維持する先端材料の能力は、今日非常に関連性があります。それにもかかわらず、生産と応用が生態学的に持続可能である場合にのみ、広範な採用が実行可能である12,13,14。セメント製造が世界の_CO2排出量の約5%〜8%を占め、土木建設部門のフットプリントのかなりの部分を占めている一方で、セメントが依然としてその主力であり、世界の一人当たり消費量は約200億トンであることを考えると、この懸念は特に顕著です 15,16,17,18,19,20,21,22^です。

これに関連して、本原稿は、処理されたコンクリートの機械的強度などのパラメータに重点を置き、nanoTiO₂ の独特の特性を評価するための実験手順の開発と適用を報告しています。この研究は、これらのナノ粒子の潜在的な利点、規制上の考慮事項、持続可能な生産、および壊滅的なシナリオの文脈におけるそれらの関連性を調べる焦点を絞った文献レビューによって支えられています。

コンクリート中の二酸化チタンの側面
二酸化チタンナノ粒子(nanoTiO₂)は、1〜100ナノメートルのサイズを網羅し、通常、球形または楕円体の形態を想定しています。それらのナノスケールの寸法は、顕著に増加した表面積を与え、それはそれらの反応性を大幅に向上させます²³。これらのナノ粒子は、その独特の特性と多様な用途により、セメントベースの複合材料の分野で注目を集めています 24,25,26。NanoTiO₂ は、セメント系配合物の多用途成分として登場し、幅広い産業用途に適した特性を示します 11,16,18,20。

このナノ材料は、良好な化学的性質、低毒性、費用対効果、耐腐食性、光触媒能力など、いくつかの理由で採用されています^27,28。NanoTiO₂は、紫外線(UV)下で発生する光触媒によって増幅される要因であるコンクリートの取り扱いに対する耐性を増強することができます。コンクリート内に存在する汚染物質、汚れ、微生物などの有機物質を分解する能力を持っています²⁹。さらに、nanoTiO₂ は反応性の高いフリーラジカルを生成し、表面に洗浄特性を与え、窒素酸化物などの摩耗を促進する大気中の物質によって引き起こされる損傷からコンクリートを保護します³⁰。

NanoTiO₂粒子は、ルチル、アナターゼ、ブルカイトなど、いくつかの結晶形態をとることができ、それぞれが異なる特性を持っています。アナターゼとルチルはTiO₂の最も一般的な多形ですが、ブルカイトの特性はまだ完全には理解されていないため、産業用途に課題が生じています31,32,33,34。TiO₂ の光触媒特性により、アナターゼは水および空気浄化システムで広く使用されており、有機および無機不純物の分解に非常に効果的です。ルチルは繊維、プラスチック、塗料産業で広く使用されており、ルチル形態はそのUVカット能力により、日焼け止めやその他の化粧品にも広く使用されています^35,36。

二酸化チタンナノ粒子 (nanoTiO₂) は、コンクリートなどの建築材料に多用途に応用され、性能を向上させ、新しい機能を導入します。それらの注目すべき特性の中には、抗菌性と自己洗浄性があり、汚染ガスの変換を通じて都市の大気汚染を軽減することが期待されています 37,38,39。ナノTiO₂は、太陽光にさらされると、有機物質を水と二酸化炭素に分解し、結果として生じる副産物はその後水によって除去されます⁴⁰。

さらに、コンクリートの外部界面におけるナノTiO₂のポゾラン活性は耐久性を高めることができますが、吸水率の増加と作業性への潜在的な影響に関連している可能性があります⁴¹。また、nanoTiO₂粒子がセメントマトリックス内に凝集し、性能を損なう可能性があることに注意することも重要です42,43,44。ガス分解に関しては、たとえば舗装用途にTiO₂を組み込んだコンクリートは、対流圏のO₃レベルを低下させる可能性があります⁴⁵。

TiO₂ の光触媒能力により、紫外線照射下で水の存在下でヒドロキシル ラジカル (OH) とスーパーオキシド イオン (O₂-) の形成が可能になります。これらの反応性の高い種は、汚れや無機汚染物質を酸化および分解します。TiO₂の光触媒作用により、表面の水の接触角も低下し、セルフクリーニング性能が向上します⁴⁶。このセルフクリーニング特性は空気中の不純物の削減に貢献し、温室効果ガスによる気候リスクに関連する汚染物質濃度を低下させる可能性があります。

NanoTiO₂ は、材料の曲げ強度と圧縮強度の向上にも貢献します。圧縮強度の点では、nanoTiO₂ は気孔率を低減し、細孔構造を微細化し、マトリックスを緻密化し、水和を促進します。ただし、これらの利点を達成するには、粒子負荷を注意深く制御し、凝集や亀裂を引き起こす可能性のある弱いゾーンの形成を防ぐために効果的な均質化が必要です⁴⁷。TiO₂ は、セメント系複合材料を緻密化するフィラーとして機能し、それによって気孔率を低減します。この結果は、(i)C-S-Hゲル形成の加速、(ii)Ca(OH)₂ 発生に利用できるスペースの減少、より小さな微結晶の生成、および(iii)気孔率を低減したより均質な微細構造の作成に関連しています。TiO₂ の適切に校正された添加は、セメント複合材料⁴⁸ の曲げ強度を高めることもできます。

NanoTiO₂ は、気孔率と透水性を低減し、化学的攻撃や紫外線などの環境要因に対する保護を与えることにより、セメント系複合材料の耐久性を大幅に向上させることが示されています。ただし、ナノ粒子の高い表面エネルギーとナノスケールでのファンデルワールス相互作用が凝集を促進する傾向があるため、この利点はナノ粒子の適切な分散にかかっています³⁷。適切に均質化されると、nanoTiO₂ を組み込むことで、不浸透性、電気抵抗率、凍結融解サイクルや硫酸塩攻撃に対する耐性が向上し、壊滅的な出来事に耐えることを目的とした構造の可能性が強調されます。それにもかかわらず、高濃度では、これらの利点は減少するか、逆転することさえあります^49,50。

洪水、嵐、極端な気温などの極端なシナリオに対する土木建設におけるTiO₂の用途では、nanoTiO₂の利点とその使用に伴う潜在的なリスクのバランスを取ることが不可欠です。たとえば、都市の大気の質を向上させ、大災害後の清掃と廃棄物の修復を支援できる光触媒特性は、起こり得る吸入の危険性および肺毒性と比較検討する必要があります 51,52,53。

銅ベースの添加剤は防水性を向上させ、低コストで操作が簡単です。ナノメートルの二酸化チタンは、撥水コンクリートを生成し、圧縮強度を高めます。現在大規模に使用されているTiO₂ は、エンドユーザーを対象としていませんが、将来の建設の可能性を秘めています。圧縮強度試験では、サンプルの結果をさまざまな混合物と比較して、銅添加剤と二酸化チタンの長所と短所を分析します。

nanoTiO₂を含浸させたコンクリートは、より高い太陽反射率(より大きなアルベド)を示し、周囲温度を穏やかにし、都市のヒートアイランド効果を緩和し、実際には建物の温度を下げてエネルギーを節約します。この利点は、洗浄剤の消費量の削減にまで及び^{ます 54,55}。

不透明度、耐久性、抗菌性、耐紫外線性、コンクリート内に代替原材料を収容する能力などの特性(それによってセメントや骨材への依存を減らす)は、nanoTiO₂の展開に対する強力なインセンティブを示しています。これらの見通しは、より効率的な雨水排水を促進する屋上緑化と表面の改善の可能性によって補完されます 10,56,57,58。

nanoTiO₂ を組み込んだコンクリートの寿命と耐久性については、現代の研究では、紫外線に対する耐性が向上し、化学的攻撃や風化に対する回復力が向上していることが示されています⁵⁹。これらの改善により、修理や交換の頻度が減り、長期にわたる材料の消費と無駄が削減され、直接的な経済的利益がもたらされます。これらの直接的な経済的利点に加えて、nanoTiO₂ の使用は、コンクリートの製造、輸送、廃棄に関連する間接的な節約ももたらし、そのライフサイクルに関連する二酸化炭素排出量の削減に貢献します^33,60。

イルメナイトとルチルの抽出に使用される硫酸塩および塩化物プロセスの環境への影響を考慮すると、塩化物プロセスは害の少ない選択肢と見なされています。このルートでは、塩素ガスを使用してルチルをTiCl₄に変換し、その後TiO₂に酸化され、硫酸塩プロセス⁵⁹よりも有害な副生成物が少なくなります。TiO₂ 含有製品は、ライフサイクルの終わりに安定した非浸出残留物を生成するため、環境リスクが低くなります。この環境プロファイルは、特に壊滅的な条件下での材料の耐久性と耐久性の向上を補完し、建設技術の進歩における実験的評価の価値を強調しています。

Mohajeraniらによって実施された研究は、コンクリートの特性が適用されたナノ材料によって変化することを示しています⁶¹。シリカ、チタン、炭素、鉄、アルミニウムのナノ粒子をコンクリートに導入して、機械的強度を強化し、迅速かつ強化された水分補給を促進し、高度な水分補給を誘導し、セルフクリーニング能力を与え、機械的耐久性を向上させ、ひび割れを防ぎ、圧縮強度を高め、耐摩耗性を高めます。これらの利点は建設資材において非常に望ましいものであり、自然災害に対する構造物の回復力の向上に貢献します。

したがって、この研究の目的は、円筒形試験片の分割引張試験を通じて、二酸化チタンナノ粒子を混合物に組み込むことによって達成されるコンクリートの機械的強度の向上を検証することです。この研究は、特にコンクリート構造物が極端な条件にさらされ、優れた耐久性と性能が要求される自然災害の状況において、より弾力性のある材料の開発を促進することを目的としています。

プロトコル

採用されている方法論的基礎はブラジル試験であり、垂直荷重を受けた円筒形試験片の直径断面 を介して 間接引張(分割)強度を測定します。この手順は、1943 年にロボ カルネイロ教授によってセメント系材料用に開発されたもので、シリンダーに 2 つの集中した正反対の圧縮力を加え、それによって試験セクション⁶² に沿って直径に垂直な均一な引張応力を生成します。

このテストでは、A、B、C、D、および E と指定された 5 つのグループが使用され、それぞれ次のグループに対応しました。1%ナノチオ2を含むコンクリート。2%ナノ_チオ2を含むコンクリート。3%ナノ_チオ2を含むコンクリート。3%の銅ベースの可塑剤添加剤を含むコンクリート。各グループは、7 日 (1)、14 日 (2)、および 28 日 (3) の 3 つの硬化時間サブグループに細分されました。したがって、この研究は、A1-A3、B1-B3、C1-C3、D1-D3、および E1-E3 としてラベル付けされた合計 15 個の検体で構成されています。 図1 は、この研究で使用した標本を示しています。

1. 試料の準備

1. ポルトランドCPIIセメント、砕石、中程度の洗浄された川砂、および水の比率を1:2:3(セメント:砂:砂利)の比率でコンクリート混合物を使用して、水/セメント比を0.5に維持して、4つのグループの試験片を準備します。3.63 kg の試験片ごとに、約 558.46 g のセメント、1,116.92 g の砂、1,675.38 g の砂利、および 279.23 g の水を使用します。
   注:この式は、添加剤を含まない試験片に使用してください。二酸化チタンを含む試験片の場合は、乾燥成分(セメント、砂、砂利)の混合中に二酸化チタンを追加します。混合物が均一になったら、水を加えます。プラスチック添加剤を含む試験片の場合は、混合物に加える前に混合水で希釈してください。
2. すべての成分を完全に均質化して可能な限り均一な質量を取得し、混合物を型に鋳造します。混合物に凝集体の偏析、遊離水の蓄積、または未混合の材料からの汚れの兆候がないか検査します。代表的な結果を保証するために、均一な一貫性を確保します。
3. 試験片を直径10cm、高さ20cmの円筒形の金属型に成形します。型枠に適切に充填し、コンクリートの体積が試験を損なう可能性のある過剰または不足がなく、均一に分布して指定されたレベルに達するようにします。内部を完全に埋め、金型形状を維持し、空隙を避けます。
4. ABNT NBR 6136、ABNT NBR 5738、およびABNT NBR 5739 63,64,65に従ってサンプルAを作成します。このサンプルを添加物を含まないネガティブコントロールとして使用し、他の検体との比較のベースラインとして使用します。
5. 1%ナノ_チオ2 (約36.3 g)をコンクリート混合物に組み込んでサンプルBを作製する。TiO₂ は凝集する傾向があるため、準備中は注意してください。したがって、ナノ粒子を塊全体に均等に分散させて、サンプルセット間の均一性を確保します。
6. 2%NanoTiO₂ (約72.6 g)をコンクリート混合物に組み込んでサンプルCを製造します。TiO₂ は凝集する傾向があるため、準備中は注意してください。したがって、ナノ粒子を塊全体に均等に分散させて、サンプルセット間の均一性を確保します。
7. 3%ナノ_チオ2 (約108.9 g)をコンクリート混合物に組み込んでサンプルDを作製します。TiO₂ は凝集する傾向があるため、準備中は注意してください。したがって、ナノ粒子を塊全体に均等に分散させて、サンプルセット間の均一性を確保します。
8. 3%銅系可塑剤添加剤(約108.9g)をコンクリート混合物に組み込んでサンプルEを作製します。このサンプルをポジティブコントロールとして使用して、コンクリートの性能に対する可塑剤添加剤の効果を他のサンプルと比較して比較します。
9. サンプルは、環境の影響を受けない、管理された条件の場所に保管し、硬化時間を待ちます。

2. 硬化プロセス

1. (23 ± 2)°Cの温度と少なくとも95%の相対湿度で湿度管理された領域で標本を24時間硬化させます。次に、試験片を同じ温度(23 ± 2)°Cに維持された石灰飽和水に沈め、ABNT NBR 5738⁶³に従って指定された期間にわたって硬化を続けます。
2. 硬化後の各サンプルの重量を測定します。各サンプル質量が平均3.63kgであることを確認します。
3. 室温(23 ± 2)°Cで次のように試験片をコンディショニングします。
   7日間:サンプルA1、B1、C1、D1、E1。
   14日:サンプルA2、B2、C2、D2、E2。
   28日:サンプルA3、B3、C3、D3、E3。
   注:この方法のパーセンテージは試験片の質量に関連していることを強調することが重要です( 表1)。

3. 圧縮強度試験

注: コンクリート試験機 (プレス) を使用して、公称および校正範囲が 0-100 トンの圧縮強度試験を実行します。デジタル圧力計とデジタルノギスを使用して、圧力をピストン面積に関連付ける間接測定により、機器を校正します。テスト前に機器をゼロにし、位置合わせを確認します。

1. 各試験片を万能引張/圧縮試験機で軸方向圧縮試験にかけます。
2. ロードセルの容量が試験片の寸法と互換性があること、および加えられた荷重を監視および記録するためのデジタル制御システムが設置されていることを確認してください。
3. 失敗するまでテストを続行し、サポートされている最大負荷を記録します。
4. 以下を使用して圧縮強度(fc)を計算します。
   fc = Fmax / A
   ここで、 fc = 圧縮強度 (N/mm²)、 Fmax = 最大記録荷重 (N)、 A = 試験片断面積 (mm²)。1 N/mm² = 1 MPa
5. 圧縮強度試験は、各円筒形試験片(100mm×200mm)を油圧プレスの中心に垂直に配置し、ローディングプレートに適切に接触するようにします。ABNT NBR 5739:2018⁶⁴に従って、荷重面が正しく着座されていることを確認してください。
   1. アキシアル荷重を衝撃なく、0.45 ± 0.15 MPa/s^66,67 の速度で連続的に加えます。対照、TiO₂ ドープ、銅ベースの添加剤の 3 つの試料セットについて繰り返します。
6. サンプルセット間の比較のために、すべての値を体系的に記録します。
7. 結果を比較して、サンプルの挙動を評価します。
8. テストを終了します。
   注: 図2 は、硬化の28日後に圧縮試験を受けた試験片を示しています。 図3 は、各試験サンプルで得られた圧縮強度値を示しています。

4. 残材の処分

注: 試験プロセス中に発生するすべての廃棄物は、ABNT NBR 10004 および ABNT NBR 15116、および 68,69,70 を含む環境保護基準および基準を担当する地方自治体の指導に従って処分されるものとします。

1. コンクリートの破片、ほこり、およびTiO₂ または可塑化添加剤を含む材料を個別に収集します。リサイクル骨材の技術要件に沿って、建設および解体廃棄物処理のために認可された施設での固形廃棄物の再利用またはリサイクルを優先します。
2. リサイクル不可能な廃棄物の場合は、微粒子の飛散を防ぐために材料を密閉容器に梱包し、管轄の環境機関によって認可された産業埋立地に送ってください。
   注: いかなる状況においても、廃棄物を雨水システム、自然水域、または無許可の処分場⁷¹ に放出しないでください。

結果

圧縮強度試験で各サンプルについて得られた値を 表2 と 図3に示します。 表2は 、サンプルの同定、硬化時間、およびサポートされている最大負荷をMPaで示しています。 図2では、圧縮試験後のサンプルのサブセットを視覚化できます。記録された値を 図3に示します。

多くの研究は、TiO₂ をセメント系ブレンドに組み込むとコンクリート強度が上昇することを示しています。特に、NazariとRiahiは、TiO₂ナノ粒子を最大4.0重量%の代替品として添加すると、圧縮強度が増加することを実証しました⁵⁷;ただし、5.0重量%を超える置換は、1.0%〜3.0%のTiO₂を...

ディスカッション

図3にグラフで示されている結果の分析では、銅ベースのプラスチック添加剤を含むサンプルが最も低い圧縮強度を示したことが明らかです。これらの値は、添加物なしで調製された対照群の値よりも劣っています。図3はさらに、28日間の硬化後、試験片が圧縮試験で最高の性能を達成することを示しています。

圧縮試験では、ナノTiO₂の添加によりコンクリート強度が大幅に向上し、特に2%の濃度で、参照サンプルと比較して28日後に18.9%増加したことが明らかになりました。この改善は、ナノ粒子のナノフィラー作用により性能が向上し、気孔率を低減し、細孔構造を改良するという Nazari と Riahi (2010) の調査結果を裏付けています。この効果は、硬化の14日目と28日目に特に顕著でした。試験片に使用されている銅ベースの添加剤に関しては、TiO₂ がそれを上回り、銅ベースの添...

材料

この記事で使用された材料の一覧

名前	会社	カタログ番号	コメント
コンクリート試験試料	JCRB	ブロコ20	試験には2台が使用されました
解析尺度	島津	ATX224R
圧縮強度試験装置	SoloTest	1504100
可塑添加剤	ノヴァティンタス	ノヴァリーガ
精密スケール	サルトリウス	3862 MP8-1
二酸化チタン R110	FRACケミカル	FR10ZZ2400905RT	ルチル二酸化チタン顔料
超音波洗浄機	クリスト&オアキュート;フォリ	2.5L