投稿: 2023年4月22日
編集済み: 2023年9月22日
コンクリートの機械的強度に及ぼすナノバブルとその好影響
序章
コンクリートは主に使用される建築資材の 1 つであり、コンクリートを他の天然素材で置き換えることはほぼ不可能です。 セメントはコンクリート準備の主要部分です。 しかし、セメント産業のエネルギー消費は大量の化石燃料を消費し、二酸化炭素（CO2）を排出し続けることで大気汚染、気候変動、地球温暖化などの深刻な環境問題を引き起こしています。 たとえば、セメント 1 トンが生産されると約 900 kg の CO2 が排出されます。これは、世界の CO2 排出量のほぼ 3 分の 2 がセメント産業によって生成されていることを意味します。 したがって、地球温暖化やその他の環境問題を軽減するには、環境に優しい代替材料とシステムを開発し、評価する必要があります。
ナノテクノロジーはリチャード・P・ファインマンによって初めて紹介されました。 1959 年 12 月、彼は「底辺には十分な余地がある」と題した講演を行い、ナノテクノロジーを紹介しました。
ナノバブルとは、直径200nm以下の非常に小さな気泡で、水中に長時間留まります。 ナノバブル技術は、表面コーティングと洗浄、汚染物質の除去、水処理、生物医学および収縮工学、超微細鉱物の浮遊性向上、気泡が崩壊して破壊されるときのエネルギー放出など、さまざまな分野で広く使用されています。
セメント混合物の強度に対するナノバブルの重要性
前に述べたように、ナノテクノロジーは、材料をナノ次元で作成することを理解し、制御することに関連する科学の新興分野です。 コンクリートとペーストセメントを微視的および巨視的スケールで研究することは、新しい建築材料の開発とその応用にとって重要です。
セメント混合物の強度は、鋼繊維、ガラス繊維、ポリマー繊維、炭素繊維、カーボン ナノチューブ (CNT) や酸化グラフェン (GO) などのナノ材料を添加することで改善できます。 ただし、これらのテクノロジーにはそれぞれ長所と短所があります。
セメント混合物を強化し、セメント水和反応を活性化するために最近使用されている方法の 1 つは、混合水にマイクロバブルを適用することです。 ナノバブルは水中のpH、溶存酸素（DO）、電気伝導率（EC）、濁度、窒素含有量を増加させ、水を使用した場合と比較してセメントの圧縮強度を向上させます。 ナノバブルの最も重要な特徴は、非常に低い製造コスト、高速な製造、そして時間と場所を選ばずに利用できることです。
いくつかの研究によると、ナノバブルの適用により、圧縮強度や引張強度などのコンクリートの機械的特性が向上しました。 研究の 1 つは、ナノバブルの適用によりコンクリートの圧縮強度と引張強度がそれぞれ最大 16% と最大 19% 増加することを示しています。 別の関連研究では、酸素ナノバブルを使用すると、普通の水道水で作られたコンクリートと比較して、コンクリートの機械的強度が最大61％向上することが示されています（図1、2）。
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もう 1 つの重要な点は、セメントや一般的な水の代わりに、ナノバブルや、ゼオライトやチェクネー ポゾランなどの他の材料をコンクリートに適用することです。 最近の研究では、ゼオライト、チェクネー・ポゾラン、ナノバブル水の混合によりコンクリートの強度と耐久性が大幅に向上したことが示されています。これは、大気汚染を軽減し、コンクリートの性能を向上させ、コンクリートの製造コストを削減するために、セメントと混合水に代わる有意義な代替品です。