著者名：Faping Li, Lisheng Liu, Zheming Yang, Shan Li
論文タイトル：Physical and mechanical properties and micro characteristics of fly ash-based geopolymer paste incorporated with waste Granulated Blast Furnace Slag (GBFS) and functionalized Multi-Walled Carbon Nanotubes(MWCNTs)
掲載誌名：Journal of Hazardous Materials
出版年：2020
DOI: https://doi.org/10.1016/j.jhazmat.2020.123339
研究の背景と動機
20世紀後半、原料抽出技術と製品の分野では大きな進歩が見られました。環境に悪影響を与える大量の廃棄物が、工業化の進展やかつて農業国であった多くの国における新技術開発と相関関係にあることが明らかになりました（Moran et al., 2014）。工業開発は、鉄鋼などの工業生産と電力消費の増大と密接に関係しています。このような容赦ない拡大の結果、様々な種類のスラグや石炭灰などの材料がますます大量に生産されています。現在、これらの産業副産物は「二次材料」と見なされています。しかし、これらの材料の大部分は埋め立て地に保管され、利用されるのはごくわずかです（Yi et al., 2012）。例えば、高炉スラグ（GBFS）とフライアッシュは、特にセメント工場で補強セメント材料として広く使用されています（Crossin, 2015）。以前の研究では、2008年のフライアッシュの生産量は900×106トンで、現在の開発速度で推移すれば、2020年までに2,000×106トンに達する可能性があります（Malhotra, 2008）。これらの原料の約45%はコンクリートやセメントの生産に使用されていますが、残りは高コストで貯蔵池や埋め立て地に廃棄されています。そのため、フライアッシュをジオポリマー生産の原料として使用することで、貯蔵池や埋め立て地の保全、廃棄物を有用な副産物に変換するという利点があります（Khale and Chaudhary, 2007）。さらに、産業副産物の回収が不十分であることを考えると、リサイクルを最優先事項として検討する必要があります。GBFSとフライアッシュの他の潜在的な用途には、コンクリート骨材（Patel et al., 2019; Mombelli et al., 2014; Wang et al., 2018; Nuaklong et al., 2019）または建設用骨材（Salman et al., 2015; Xuan et al., 2016; Xie et al., 2019）としての使用があります。もう1つの潜在的な用途は、ジオポリマー技術を使用して、様々な種類の産業副産物や廃棄物をジオポリマー構造に組み込むことです（Provis, 2014; Nazari and Sanjayan, 2015）。
解決できたこと
本研究では、フライアッシュベースのジオポリマーペーストにGBFSと官能化多層カーボンナノチューブ（MWCNTs）を添加することで、その力学特性と微細構造に与える影響を調査しました。MWCNTsは、硝酸と硫酸の混合物を使用する改質方法によって得られ、その後、3種類の分散剤を使用して分散されます。0.05 wt.%、0.10 wt.%、および0.15 wt.%の官能化MWCNTsと、フライアッシュの10%-40%のGBFS置換率を採用した有効性と実現可能性を検証するために、フライアッシュベースのジオポリマーが調製されます。官能化MWCNTsの構造と分散性は、それぞれFT-IRとTEMを使用して特徴付けられます。次に、凝固時間、吸水率、および力学挙動を評価します。さらに、SEM-EDS、FT-IR、TG-DSC、29Si NMR、およびXRDを使用して、ゲル製品の形態、元素成分、鉱物相、ジオポリマー化度を調査します。
実験結果から、官能化MWCNTsは-COOHと-OH基を含み、SDS分散剤を含む活性化溶液に均一に分散できることが示されました。さらに、0.1 wt.%の官能化MWCNTsを添加し、フライアッシュをGBFSで30%置換したジオポリマーペーストは、他のすべてのジオポリマーペーストと比較して、圧縮強度と曲げ強度が高く、吸水率が低いことが示されました。
研究の貢献
著者らは、廃棄物フライアッシュをベースとしたジオポリマーペーストの力学特性と微細構造を改善するために、廃棄物高炉スラグ（GBFS）と官能化多層カーボンナノチューブ（MWCNTs）を添加するという、新しいアプローチを採用しました。この研究は、MWCNTsを効果的に分散させ、ジオポリマー材料の性能を向上させるための最適な官能化と分散方法を特定しました。具体的には、SDS分散剤を用いた官能化MWCNTsの添加が、ジオポリマーの圧縮強度と曲げ強度を大幅に改善し、吸水率を低減することが明らかになりました。
実世界への応用と影響
本研究の結果は、環境に配慮した持続可能なコンクリート材料の開発に貢献しています。廃棄物フライアッシュや高炉スラグなどの産業副産物を有効活用することで、埋め立て地の減少、資源の節約、二酸化炭素排出量の削減に貢献できます。さらに、官能化MWCNTsの添加により、ジオポリマーの強度と耐久性を向上させることで、橋梁や建物などのインフラ構造物の寿命を延ばし、安全性を向上させることが期待されます。
今後の展望と未解決の課題（Unknown）
本研究は、フライアッシュベースのジオポリマーペーストにGBFSと官能化MWCNTsを添加することで、その力学特性と微細構造を改善できることを示しました。しかし、さらなる研究が必要な課題もいくつかあります。例えば、長期耐久性、耐火性、耐薬品性などの性能について、さらなる調査が必要です。また、異なる種類のフライアッシュや高炉スラグを用いた場合の性能変化を評価する必要があります。さらに、官能化MWCNTsの分散方法や添加量を最適化することで、ジオポリマーの性能をさらに向上させる可能性があります。
学術的位置づけと読者へのインパクト
本研究は、ジオポリマー材料の開発における重要な進展を示しています。廃棄物資源の有効利用、力学特性の改善、および環境への影響低減という3つの重要な側面を同時に達成しました。本研究の結果は、ジオポリマー材料の開発や応用に関する研究者にとって貴重な情報となります。さらに、本研究は、環境に配慮した持続可能なコンクリート材料の開発に貢献し、持続可能な社会の実現に貢献すると期待されます。
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