Al2O3, SiO2 나노입자 및 g의 효과

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 2720(2023) 이 기사 인용

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포틀랜드 시멘트 생산과 관련하여 환경 문제가 제기되고 있습니다. 결과적으로, 바이오시멘트는 친환경 건설 프로젝트에서 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 믿을만한 역할을 합니다. 본 연구는 농업 폐기물로부터 고품질 바이오시멘트를 생성하는 새로운 기술을 창안했습니다. 이 기술은 생산된 바이오시멘트의 품질을 향상시키는 "MICP(미생물 유도 방해석 침전)" 공정을 개선하고 가속화하는 나노재료를 기반으로 합니다. 혼합물에 흑연질화탄소 나노시트(g-C3N4 NSs), 알루미나 나노입자(Al2O3 NPs) 또는 실리카 나노입자(SiO2 NPs)를 5 mg/l 첨가하여 추가로 혼합했습니다. 시멘트:모래 비율은 1:3, 회분:시멘트 비율은 1:9, 물:시멘트 비율은 1:2였습니다. 큐브 주형을 준비한 후, 주조하고 압축하였다. 후속 탈형 후, 모든 표본은 28일째 테스트할 때까지 영양배지-요소(NBU) 배지에서 경화되었습니다. 배지는 7일 간격으로 보충하였다. 결과는 옥수수 속대 재와 함께 5 mg/l의 g-C3N4 NS를 첨가하면 각각 18 및 7.6 메가파스칼(MPa)의 바이오시멘트 모르타르 큐브의 가장 높은 "압축 강도"와 가장 높은 "굴곡 강도"를 제공했음을 보여줍니다. 다른 모든 치료법에 비해 허용 가능한 "수분 흡수"(5.42%)입니다. 이 처리는 대조군(표준 포틀랜드 시멘트)에 비해 1.67, 1.26 및 1.21배의 "압축 강도", "굴곡 강도" 및 "수분 흡수" 감소를 제공했습니다. 시멘트질 혼합물에 5 mg/l의 g-C3N4 NS를 첨가하면 그 특성이 향상되며, 결과적으로 생성된 바이오시멘트는 기존 포틀랜드 시멘트를 대체할 수 있는 유망한 대체재라는 결론이 나왔습니다. 시멘트에 나노물질을 첨가하면 이온 투과성이 감소하여 강도와 내구성이 향상됩니다. 이러한 나노물질을 사용하면 콘크리트 기반시설의 성능을 향상시킬 수 있습니다. 나노입자의 사용은 콘크리트 생산과 관련된 환경 영향을 줄이는 효과적인 솔루션입니다.

바이오시멘트는 농업폐기물을 활용해 만든 신개념 친환경 건축자재다. 바이오시멘트의 활용은 환경적, 경제적, 기술적 이점을 입증했습니다. 이렇게 만들어진 콘크리트를 “친환경 콘크리트”라고 합니다1,2. 바이오시멘트는 산성 공격에 대한 모르타르 저항성을 상당히 향상시킵니다. 더욱이, 바이오시멘트 모르타르는 포틀랜드 시멘트 단독보다 투수성에 대한 저항성이 향상되었습니다3. De Muynck 등4은 다음과 같은 용어를 만들었습니다: 바이오시멘트로 만든 CaCO3, 바이오모르타르, 바이오콘크리트의 생광물화 또는 생침전. 바이오시멘트 생산을 위한 공급원료로 사용할 수 있는 바이오 폐기물은 왕겨, 볏짚, 베티버 그래스, 옥수수 속대, 사탕수수, 야자유 껍질, 밀짚, 아마 줄기, 대나무 잎, 하수 슬러지, 미세조류, 톱밥, 제지 공장 슬러지3입니다. ,4,5,6,7.

"나노기술"은 "나노재료"라고 불리는 1~100nm 크기의 물질을 연구, 개발 및 사용하는 것으로 정의할 수 있습니다. 여기서 1nm(nm)는 10−9m와 같습니다. 나노물질은 나노큐브, 나노와이어, 나노막대, 나노튜브, 나노입자(나노스피어, 나노캡슐) 등의 형태로 합성될 수 있다. 나노물질의 주요 특성은 원래 물질과 근본적으로 다릅니다8.

시멘트질 구조물의 노화는 투과성이 높아져 물이 침입하고 부식을 일으키기 때문에 광범위한 문제입니다. 바이오시멘트와 같은 실러의 구현은 콘크리트 내구성을 높이는 강력한 수단입니다9. 농업폐기물 재를 첨가하면 포틀랜드 시멘트의 6~20%만 대체할 수 있습니다. 바이오시멘트 강도는 유기잔류물 함량이 높은 재1을 사용하면 감소합니다. 이는 바이오시멘트 사용 확대를 방해하고 바이오시멘트 사용의 환경적 이점도 제한합니다.

나노물질은 시멘트질 물질의 다양한 구성요소 간의 결합 능력을 향상시키는 것으로 가정됩니다. 따라서 나노재료를 사용하면 유기 잔여물 재를 첨가하여 포틀랜드 시멘트의 20% 이상을 대체할 수 있으면서도 생산된 바이오시멘트의 강도를 유지할 수 있습니다. 결과적으로 이는 바이오시멘트로 생산된 모르타르와 콘크리트의 공학적 특성, 특히 기계적 특성에 긍정적인 영향을 미칩니다. 또한, 나노물질은 박테리아를 생체 자극하고 박테리아의 활동을 증가시켜 생광물화를 가속화하여 CaCO3 침전의 양과 속도를 증가시키는 것으로 가정됩니다. 이는 궁극적으로 콘크리트 균열을 밀봉하는 것으로 이어집니다. 나노실리카(nano-SiO2), 나노알루미나(nano-Al2O3), 나노산화철(nano-Fe2O3), 나노산화티탄(nano-TiO2), 탄소나노튜브(CNT), 그래핀 등 나노소재 그래핀 산화물은 시멘트 기반 재료와 혼합될 수 있습니다10. 몇몇 연구자들은 최근 몇 년간 시멘트 기반 재료에 나노물질을 결합시키는 방법을 연구해 왔습니다. 시멘트질 복합재와 나노재료의 결합은 생성된 콘크리트 구조물의 기계적 강도를 향상시킬 수 있는 잠재력을 가지고 있습니다11,12,13,14,15. 나노실리카는 시멘트 기반 복합재에 사용되는 일반적인 나노물질입니다. 이 물질은 규산칼슘(C-S-H)을 생성하고 규산삼칼슘(C3S)16을 용해시켜 시멘트 수화를 촉진합니다. 더욱이, 나노실리카는 시멘트 수화를 가속화하는 C-S-H 핵형성의 씨앗 역할을 합니다. 시멘트 기반 재료에 나노실리카를 첨가하면 내구성, 작업성 및 기계적 특성을 향상시킬 수 있습니다17. 반면에 Nano-Al2O3 입자는 시멘트 기반 재료의 압축 강도를 증가시킬 수 있습니다18,19. 시멘트 중량의 0.25%를 첨가한 Al2O3 나노섬유는 시멘트 기반 재료의 압축 강도를 최대 30%까지 증가시킬 수 있습니다16. 나노입자는 수화 반응을 촉진하고 시멘트 페이스트 구조의 미세 기공을 채워 콘크리트의 강도와 내구성을 향상시킵니다. 이는 콘크리트의 다공성을 감소시켜 시멘트 모르타르의 강도와 기계적 특성을 향상시킵니다10.