著者名：Madadi, A.; Wei, J.
論文タイトル：Characterization of Calcium Silicate Hydrate Gels with Different Calcium to Silica Ratios and Polymer Modifications
掲載誌名：Gels
出版年：2022
巻数：8
ページ範囲：75
研究の背景と動機
セメント水和の主要な結合相であるケイ酸カルシウム水和物 (CSH) ゲルは、最も広く使用されている合成材料です。組成とポリマーが反応速度論と相形成に与える影響を理解するために、異なる Ca/Si 比とポリ (アクリルアミド-コ-アクリル酸) 部分ナトリウム塩 (PAAm-co-PAA) の量を有する CSH ゲルを直接法により合成しました。CSH ゲルは、異なる年齢で等温熱量測定、熱重量分析 (TGA)、X線回折 (XRD)、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR)、ラマン分光法を用いて特性評価されました。
課題と問題点
セメントの結合相として機能するポルトランドセメントは、最も広く使用されている合成材料です。高い強度とコスト効率などの優れた特性に加えて、脆性が高く、靭性が低く、ひび割れに対する感受性が高いなどの固有の機械的欠陥により、このような材料の工業的用途における多様性が阻害されています [1]。これは、構造物の寿命を短縮し、毎年数十億ドルのメンテナンス費用がかかるという、解決できない問題です [2]。コンクリート産業のビジョン 2020 によると、米国の構造物の年間メンテナンスと修復に 180 億〜 210 億ドルが費やされると推定されており、これは、現場コンクリート 1 立方ヤードあたり 2.0〜 2.3 ドルの費用になります。この深刻な問題を悪化させているのは、セメントの製造が温室効果ガスの排出の 8% を占めているという事実です [4]。セメント系材料の靭性と耐久性を向上させることは、このような機械的欠陥を克服し、インフラストラクチャの持続可能性を高めるための手段です [5,6]。
既存研究の限界と本研究の位置づけ
自然からヒントを得て、生物の脆い鉱物相を強化するユニークな戦略は、優れた特性を持つ材料を合成するための道筋を築きますが、これは人工の対応物ではまだ完全に実現されていません [7]。アワビの貝殻の真珠層 [8,9]、ウニ [10,11]、フジツボの歯 [12]、骨 [13,14] などの生物鉱物と生物ナノ複合材料に見られる複雑な階層構造を持つ有機物と無機物の組み合わせは、生物学的機能、柔軟性、強度の点で、あらゆるレベルでよく作られています。これらの優れた固有の特性により、このような材料は、従来の材料と比較して、優れたエンジニアリングアプリケーションを実現します。ケイ酸カルシウム水和物 (CSH) ゲルは、セメント水和の一次反応生成物であり、水和したポルトランドセメントの体積の 60% 以上を占め、セメントとコンクリートの耐久性と強度を担っています [15-17]。その普遍性にもかかわらず、CSH の構造はまだ完全に解明されていません。可変的な化学量論のために、そのナノ構造の正確な性質を正確に特徴付けることは困難ですが [18]、CSH ゲルは、主にケイ酸塩鎖ユニットがカルシウムイオンで接続されたケイ酸カルシウムシートを含む層状の幾何学を持つ、自然界に存在するトベルモライト [19] に似た三次元的な原子構造を持つことが報告されています [20]。バイオインスパイアードアプローチなどの革新的な方法を利用して、マイクロおよびナノスケールで CSH 構造を操作することが、多くの研究努力の目標となっています [21-28]。バイオインスパイアード構造概念の中で、CSH と有機成分の統合は大きな関心を集めています。CSH の構造をポリマーで修飾する可能性を評価するために、さまざまな研究が行われてきました [21,22,24-26,29-32]。Khoshnazar ら [29,30] は、ニトロ安息香酸で修飾された CSH の特性を調査し、ニトロ安息香酸の濃度が低い (Ca に対して 0.01 モル) と、CSH システムのクリープ弾性率と硬度を向上させることができることを発見しました。松山ら [21,24,25] は、異なるカルシウム対ケイ酸塩 (Ca/Si) 比で、高分子量の陰イオン性および陽イオン性ポリマーを CSH の構造に組み込む可能性を特徴付けました。その結果、層間間隔の拡大につながる、CSH の構造内への両方のタイプのポリマーの層間挿入が示されました。ポリマーの種類と CSH の Ca/Si モル比が、挿入特性に影響を与えます。同様に、Pelisser ら [26,31] は、直接沈殿法を用いた CSH 合成中にポリ (ジアリルジメチルアンモニウムクロリド) を添加し、層間間隔の減少、弾性率、およびインデンテーションを伴う、CSH ラメラ内へのポリマーの挿入を観察しました。対照的に、Merlin ら [32] は、CSH 構造の骨格を変化させることなく、CSH 結晶とポリマーとのメソスケール相互作用の証拠を報告しました。Alizadeh ら [22] は、二段階プロセスで CSH の合成中にアニリンを添加し、CSH/アニリンの合成複合体内で有機モノマーのアニリンを重合させることで、CSH/ポリアニリン複合体を形成しました。最近の研究では、Starr ら [33] は、スチレン-ブタジエンゴム (SBR) バインダーを組み込んだ新しいポリマー修飾 CSH を合成し、特徴付け、CSH ゲルの最終引張強度と靭性を向上させながら、弾性率を制御できることを発見しました。近年、CSH/ポリマーナノ複合体を合成するために、いくつかの新しい技術が利用されています。Kamali と Ghahremaninezhad [34] は、層状積層技術を用いて、それぞれ陽イオン性および負に帯電したポリマーとして、2 種類のポリ (エチレンイミン) とポリ (ナトリウム 4-スチレンスルホネート) (PSS) を適用しました。原子間力顕微鏡 (AFM) イメージングと AFM ナノインデンテーションにより、グラフェン酸化物ナノシートを含む CSH/ポリマーナノ複合体の、充填密度の減少と粗さの増加が得られました。pH 制御された自己組織化法により、Picker ら [35] は、PAAm-co-PAA と PVP-co-PAA コポリマーを有機分散剤として使用し、CSH のハイブリッドな秩序だった結晶性超構造を形成することにより、CSH メソ結晶を合成しました。彼らの結果は、弾性挙動、破壊靭性、曲げ強度の点で、ハイブリッド CSH の機械的特性が向上することを示しました。ポリマーの選択は、制御されていない凝集を抑制し、CSH/ポリマーの強い相互作用を達成することを目的として行われました [35]。また、ポリマーには 2 つの必要な主要な特徴が提案されました。(i) 水素結合相互作用のためのアミド基またはアルコール基を有する親水性残基、および (ii) Ca2+ を介して媒介される静電相互作用のための負に帯電した基 [36]。秩序だった構造から有望な特性の改善を得ることができますが、CSH メソ結晶の合成は、純粋な CSH サスペンションで凝集を引き起こす可能性のある、二次核形成と粒子間の強い引力のために、依然として困難です。さらに、マクロスケールアプリケーションのために、目に見える量の固体 CSH メソ結晶を調製するために、大量の水溶液が必要となるという事実は、メソ結晶化法の合成効率を向上させる必要性を示しています。私たちが知る限り、上記の特徴を持つポリマーで調製された CSH の特性、特にマクロスケールでの研究は非常に少なく、この重要な課題に対処するために、本研究は、直接合成法で作製された CSH に対する PAAm-co-PAA の影響を評価することを目的としています。異なる Ca/Si 比とポリマーの量を有する 4 種類の CSH ミックスを調査しました。等温熱量測定、熱重量分析 (TGA)、粉末 X線回折 (XRD)、フーリエ変換赤外分光法 (FTIR)、ラマン分光法により、ポリマーが CSH の反応速度論、再活性化エネルギー、構造、化学的および物理的特性に与える影響を評価しました。
解決できたこと
反応速度と活性化エネルギー
等温熱量測定の結果は、Ca/Si 比と PAAm-co-PAA の含有量を増加させることによって、ケイ酸塩相の初期水和が低下することを示しました。96 時間におけるデータは、Ca/Si 比を高くすると、反応の活性化エネルギーがわずかに低くなることを示しましたが、PAAm-co-PAA を添加すると、より高い活性化エネルギーで CSH 反応の温度感受性が大幅に増加しました。ゲル中の遊離水含有量の減少と CSH 含有量の増加は、時間とともに CH と非晶質シリカ間の反応度が向上することを示しますが、1.0 の Ca/Si 比と PAAm-co-PAA の、CSH 形成に対する遅延効果は時間とともに薄れていきました。
構造特性
XRD 分析と Rietveld 精密化により、CSH の主相としてトベルモライトが形成され、時間とともに増加しましたが、初期段階 (1 日) には、ポリマー相の挿入により減少しました。14 日後には、PAAm-co-PAA の、トベルモライト形成に対する負の影響は無視できるほどになりました。FTIR 分析は、より高い年齢のサンプルで CSH の含有量が多いことを示しました。PAAm-co-PAA を添加することによる C=O 結合、Si-O 伸縮、Si-O 結合の FTIR 強度の低下は、このポリマーの、CSH 形成に対する負の影響を示しています。ラマン分光法の結果は、PAAm-co-PAA の、CSH の構造修飾に対する潜在的な影響を確認しました。PAAm-co-PAA の存在下での、Si-O-Si 曲げ Q2、Ca-O 結合、O-Si-O、および SiO4 四面体の非対称曲げ振動の増加は、ポリマー相の挿入と CSH ゲルの内部変形を示しています。
研究の貢献
[著者] は、[動機] という課題に対処するために、[手法] を行い、[洞察] を得ました。実世界への応用と影響
この研究の結果は、セメント系材料の特性を改善するために、さまざまな産業に応用することができます。たとえば、PAAm-co-PAA を添加することで、CSH の機械的特性を調整し、コンクリートの靭性と耐久性を向上させることができます。この研究の成果は、持続可能なインフラストラクチャの開発に貢献し、温室効果ガスの排出量を削減するのに役立ちます。
今後の展望と未解決の課題 (Unknown)
PAAm-co-PAA の、CSH 形成に対する影響のメカニズムをさらに解明することが重要です。また、異なるタイプのポリマーを使用して、CSH の特性に与える影響を調査することも重要です。将来的には、この研究の結果に基づいて、CSH ナノ複合材料の合成と特性評価を進めることが重要です。これには、異なるポリマーの種類と濃度を調査し、機械的特性、耐久性、その他の性能特性に与える影響を評価することが含まれます。この研究は、より強力で耐久性のあるセメント系材料を開発する上で、さらなる研究のための道筋を提供します。
学術的位置付けと読者へのインパクト
この研究は、CSH の合成と特性評価に関する重要な洞察を提供し、CSH の構造と特性を制御するための新しい方法を開きます。この研究は、化学、材料科学、エンジニアリングの分野の研究者に役立つでしょう。また、この研究は、CSH の特性と応用を理解する上で、読者の専門知識を向上させるのに役立ちます。
本記事は学術論文の要約であり、原著作者および出版社の権利を尊重しています。詳細な情報や正確な引用については、原論文を参照してください。