Experimental investigation on concrete using cellulose nanofibers

纤维素纳米纤维混凝土的实验研究

• 批准号: 22KF0029
• 负责人: 西脇 智哉
• 金额: $ 0.77万
• 依托单位: Tohoku University
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2023
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2023-03-08 至 2024-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/grant/KAKENHI-PROJECT-22KF0029/
• 关键词: 超高強度セメント系複合材料; ナノ繊維; マクロ繊維; セルロースナノファイバー; 補強繊維; 力学特性; 微細構造; 耐久性

本研究課題では、圧縮強度が150 N/mm2程度以上の超高強度モルタルに対して、ナノレベルからマクロレベルまでの各種補強繊維を組み合わせて用いることにより、力学特性や耐久性の飛躍的な向上を実現するための調合設計方法の確立を目指した検討を行っている。ここでは、セルロースナノファイバー（CNF）をはじめとするナノサイズの補強繊維から、針状の構造を持つ鉱物であるワラストナイト、鋼繊維や合成樹脂繊維などに代表されるミクロン・ミリメートルオーダーの補強繊維を組み合わせて用いることを検討し、性能向上を実現できる調合を見出すための検討を、実験を中心に行った。圧縮・曲げ・引張・引抜試験などを実施し、それらの結果から異なるスケールの繊維間の相互作用により、マトリックス部分が補強されることでマクロ繊維（鋼繊維）の付着性状と引抜強度の向上することを確認した。ナノ繊維は微細ひび割れの発生とその成長を制御できる一方で、靭性への影響は極めて限定的であり、靭性の向上に寄与するミクロ繊維との組み合わせにより靭性の向上に寄与する。加えて、吸水性や塩化物透過性など耐久性に影響する項目についても、腐食促進試験により検討した。ナノ繊維とミクロ繊維を適切な量で組み合わせは、水和反応の継続に寄与してマクロ繊維とセメントマトリックス間の界面領域の改善に寄与することを確認した。これらの性状は、水和生成物中の微細構造の変化と生成相を、SEM観察、XRDなどの試験により評価した。一例として、ワラストナイトは養生期間中にケイ酸カルシウムイオンの放出などにより反応を促進して強度増進に寄与する。また、ワラストナイトの吸水性により、補強繊維とセメントマトリックス界面の緻密化に寄与するものと考えられる。また、反応性の高いCNFは核生成サイトとして機能し、セメント水和の初期段階を促進させて圧縮強度や曲げ強度の向上に寄与する。

正在研究该研究主题，以建立一种复合设计方法，通过将各种增强纤维从纳米到宏观水平相结合，以使超高强度迫击炮与约150 N/mm2或更多的抗压强度相结合，从而显着提高机械性能和耐用性。在这里，我们研究了纳米尺寸的增强纤维（例如纤维素纳米纤维（CNF））在微米和毫米的顺序上加固纤维，例如具有针状结构的矿物质，并进行了实验以找到可以提高性能的配方。进行了压缩，弯曲，拉伸和拉力测试，从这些结果中，可以证实基质部分通过不同尺度的纤维之间的相互作用加强，从而改善了宏纤维的粘附和拉动强度（钢纤维）。尽管纳米纤维可以控制精细裂缝的发生及其生长，但对韧性的影响非常有限，当与超细纤维结合使用，这有助于韧性的改善，它有助于改善韧性。此外，还通过腐蚀促进测试检查了影响耐用性的项目，例如吸水和氯化物的渗透率。已经证实，适当量的纳米纤维和超细纤维促成了持续的水合反应，并改善了大纤维和水泥基质之间的界面区域。通过测试（例如SEM观测值，XRD）以及水合产物中的微结构变化和形成阶段的其他研究来评估这些特性。例如，军阀通过在固化过程中释放硅酸盐离子来促进反应，并有助于增加强度。此外，据认为，军阀的吸水特性有助于增强纤维和水泥基质的界面致密化。此外，高反应性CNF充当成核位点，促进水泥水合的初始阶段，从而有助于提高压缩和弯曲强度。