Влияние наночастиц Al2O3, SiO2 и g

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 2720 (2023) Цитировать эту статью

1527 Доступов

Подробности о метриках

Поднимаются экологические вопросы при производстве портландцемента. В результате биоцемент служит надежной заменой портландцемента в проектах зеленого строительства. В результате этого исследования была создана совершенно новая технология создания высококачественного биоцемента из сельскохозяйственных отходов. Методика основана на наноматериалах, которые улучшают и ускоряют процесс «микробно-индуцированного осаждения кальцита (MICP)», что улучшает качество производимого биоцемента. Далее смесь перемешивали с добавлением 5 мг/л нанолистов графитового нитрида углерода (НС g-C3N4), наночастиц оксида алюминия (НЧ Al2O3) или наночастиц кремнезема (НЧ SiO2). Соотношение цемент:песок составляло 1:3, зола:цемент – 1:9, вода:цемент – 1:2. Для кубиков были подготовлены формы, а затем отлиты и уплотнены. После последующего извлечения из формы все образцы отверждали в среде питательного бульона с мочевиной (НБУ) до проведения испытаний в течение 28 дней. Среду пополняли с интервалом в 7 дней. Результаты показывают, что добавление 5 мг/л НС g-C3N4 к золе кукурузных початков обеспечивает самую высокую «прочность на сжатие» и самую высокую «прочность на изгиб» кубиков биоцементного раствора - 18 и 7,6 мегапаскаль (МПа) соответственно; и приемлемое «водопоглощение» (5,42%) по сравнению со всеми другими видами обработки. Такая обработка обеспечила снижение «прочности на сжатие», «прочности на изгиб» и «водопоглощения» в 1,67, 1,26 и 1,21 раза по сравнению с контролем (стандартный портландцемент). Сделан вывод, что добавление 5 мг/л НС g-C3N4 в цементирующую смесь повышает ее свойства, при этом полученный биоцемент является перспективной заменой традиционного портландцемента. Добавление наноматериалов в цемент снижает его проницаемость для ионов, повышая его прочность и долговечность. Использование этих наноматериалов может повысить производительность конкретной инфраструктуры. Использование наночастиц является эффективным решением для снижения воздействия на окружающую среду, связанного с производством бетона.

Биоцемент – это новый экологически чистый строительный материал, изготовленный из сельскохозяйственных отходов. Использование биоцемента продемонстрировало экологические, экономические и технические преимущества. Полученный бетон называют «зеленым бетоном»1,2. Биоцемент значительно повышает устойчивость строительного раствора к кислотным воздействиям. Более того, биоцементный раствор обладает улучшенной водопроницаемостью, чем один только портландцемент3. Де Мюнк и др.4 ввели следующие термины: биоминерализация или биодепонирование CaCO3, биораствор и биобетон, изготовленные из биоцемента. В качестве сырья для производства биоцемента могут быть использованы следующие биологические отходы: рисовая шелуха, рисовая солома, трава ветивера, кукурузный початок, сахарный тростник, скорлупа масличной пальмы, пшеничная солома, стебли льна, листья бамбука, осадки сточных вод, микроводоросли, опилки и шламы бумажных фабрик3. ,4,5,6,7.

«Нанотехнологию» можно определить как исследование, эксплуатацию и использование материалов размером от 1 до 100 нм, называемых «наноматериалами», где 1 нм (нм) равен 10-9 м. Наноматериалы могут быть синтезированы в форме нанокубов, нанопроволок, наностержней, нанотрубок и наночастиц (наносфер и нанокапсул). Ключевые характеристики наноматериалов фундаментально отличаются от исходного материала8.

Ретроградация цементных конструкций является широко распространенной проблемой, поскольку они имеют повышенную проницаемость, пропускающую воду и приводящую к коррозии. Применение герметиков, например, биоцемента, является мощным средством повышения долговечности бетона9. Золу сельскохозяйственных отходов можно добавлять только для замены 6–20% портландцемента. Прочность биоцемента снижается при использовании золы с более высоким содержанием органических остатков1. Это препятствует расширению использования биоцемента, а также ограничивает экологические преимущества использования биоцемента.

Предполагается, что наноматериалы улучшают связывающую способность различных компонентов вяжущих материалов. Таким образом, использование наноматериалов позволяет заменять органические остатки золы в количестве более 20% портландцемента, сохраняя при этом прочность получаемого биоцемента. Следовательно, это положительно влияет на технические свойства, особенно механические, изготавливаемых растворов и бетонов из биоцемента. Кроме того, предполагается, что наноматериалы биостимулируют бактерии и повышают их активность, что ускоряет биоминерализацию, что приводит к увеличению количества и скорости осаждения CaCO3. В конечном итоге это приводит к герметизации бетонных трещин. Наноматериалы, такие как нанокремнезем (нано-SiO2), нанооксид алюминия (нано-Al2O3), нанооксид железа (нано-Fe2O3), нанооксид титана (нано-TiO2), углеродные нанотрубки (УНТ), графен и оксид графена можно смешивать с материалами на основе цемента10. В последние годы несколько исследователей изучали внедрение наноматериалов в материалы на основе цемента. Сочетание цементирующих композитов и наноматериалов потенциально может улучшить механическую прочность получаемых бетонных конструкций11,12,13,14,15. Нанокремнезем — распространенный наноматериал, используемый в композитах на основе цемента. Этот материал ускоряет гидратацию цемента, образуя гидрат силиката кальция (C–S–H) и растворяя трикальцийсиликаты (C3S)16. Кроме того, нанокремнезем действует как затравка для зародышеобразования C–S–H, что ускоряет гидратацию цемента16. Добавление нанокремнезема к материалам на основе цемента может улучшить их долговечность, технологичность и механические свойства17. С другой стороны, частицы Nano-Al2O3 могут повысить прочность на сжатие материалов на основе цемента18,19. При дозировке 0,25% от массы цемента нановолокна Al2O3 могут повысить прочность на сжатие материалов на основе цемента до 30%16. Наночастицы улучшают прочность и долговечность бетона, стимулируя реакцию гидратации и заполняя микропоры в структуре цементного теста. Это уменьшает пористость бетона, улучшая прочность и механические свойства цементного раствора10.