Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

技術要約：ナノ二酸化チタンおよび石炭底灰を混入したコンクリートの性能評価

問題提起
建設業界は、二重の課題に直面している。一つは、セメント製造が二酸化炭素排出の大きな要因となっているという高い環境負荷であり、もう一つは、天然細骨材（川砂）の枯渇とコストの上昇である。普通ポルトランドセメント（OPC）および天然砂への従来の依存は、資源の枯渇や採掘・浚渫による生態学的ダメージのため、持続可能ではない。さらに、石炭底灰（CBA）のような産業副産物の処分も、廃棄物管理上の問題として残っている。補完的なセメント質材料（SCM）の研究は進められてきたが、作業性を損なうことなく、微細構造の特性を向上させるためにナノ材料を組み込みつつ、産業廃棄物を細骨材の代替品として同時に活用できる混合設計の最適化が求められている。

研究手法
本研究は、IS 10262:2009およびIS 456:2000規格に従って設計されたM35グレードのコンクリートに焦点を当てた。実験プログラムには、以下の3つの主要な変数を含んでいる。

1. 細骨材の置換： 天然細骨材を、10%から100%の増分で石炭底灰（CBA）に部分的または完全に置換した。
2. ナノ材料の添加： 水和および微細構造への影響を評価するため、セメントマトリックスにナノ二酸化チタン（NTi）を重量比1%から7%の範囲で添加した。
3. コントロールミックス： 比較対象として、従来のM35ミックスを用いた。

研究では、包括的な試験体制を採用した。

• フレッシュ特性： スランプコーン、コンパクションファクター、およびフローテーブル試験を通じてワーカビリティを評価した。
• 機械的特性： 圧縮強さを3、7、28、56、90日間で測定した。割裂引張強度および曲げ強さは、28、56、90日間で評価した。
• 耐久性： 酸攻撃に対する抵抗性（5% HCl浸漬）を、質量減少および強度低下の測定によりテストした。透過性を評価するため、90日時点で急速塩化物浸透試験（RCPT）を実施した。
• 非破壊検査（NDT）： 内部品質と密度を評価するために、リバウンドハンマー試験および超音波パルス速度（UPV）測定を用いた。
• 微細構造解析： X線回折（XRD）および走査電子顕微鏡（SEM）を用いて、結晶相、水和生成物、および細孔構造の精緻化を特定した。

主な貢献と結果

• ワーカビリティ： 60%のCBAと40%の天然細骨材の混入は、一般的に中程度のワーカビリティを維持した。NTiの添加はワーカビリティを向上させ、5%の添加量において最高のスランプ（128 mm）とフロー（93%）を示し、「高」ワーカビリティに分類された。しかし、5%を超える添加量は、性能の低下または減退を示した。
• 機械的強度：
  • CBA置換： 60%のCみCBAと40%の天然細骨材を用いた混合物は、コントロールミックスを上回った。90日目において、このブレンドは47.1 N/mm²の圧縮強度（コントロールの46.3 N/mm²と比較）を達成し、割裂引張強度（3.04 N/mm²）および曲げ強度（3.54 N/mm²）も向上した。細骨材の完全なCBA置換は、強度の低下を招いた。
  • NTiの最適化： 60%のCBA混合物に5%のNTiを添加したものが、最適な機械的性能を示した。この組み合わせは、90日目に47.9 N/mm²のピーク圧縮強度を達成し、コントロールおよびCBAのみの修正ミックスの両方を上回った。1〜2%の低いNTi添加量では、当初、CBAのみの混合物と比較して強度が低くなった。
• 耐久性：
  • 耐酸性： 5% NTi混合物は、5% HCl曝露に対して優れた抵抗性を示した。28日目において、当該混合物はわずか12.07%の強度低下しか示さず、これはコントロール（27.01%）および60% CBA混合（23.50%）よりも大幅に低い値であった。時間の経過とともに強度損失は増加したが、NTi修飾混合物は90日目においても他のバリアントより高い耐性を維持した。
  • 塩化物浸透性： RCPTの結果、5% NTi混合は塩化物浸透性が最も低く（379 クーロン）、60% CBA混合の756 クーロン、およびコントロールの886 クーロンと比較して、「極めて低い」と分類された。
  • NDT結果： UPV試験は、NTi修飾混合の強化された品質を裏付け、3.85 km/secのCBA混合および3.66 km/secのコントロールに対し、5.36 km/secのパルス速度（「優秀」）を記録した。
• 微細構造の知見：
  • XRD解析： NTi（アナターゼ相）の存在が確認された。5% NTi混合は、水酸化カルシウム（ポートランド沸石）のピークの減少と、ケイ酸カルシウム水和物（C-S-H）領域の激化を示しており、これはNTiが核生成サイトとして機能し、より緻密な水和を促進したことを示唆している。
  • SEM解析： 顕微鏡写真は、NTi修飾混合が空隙の少ない精緻な細孔構造を持つことを明らかにした。CBA粒子はマイクロ骨材として機能して空隙を充填し、NTiは界面遷移帯を強化して、より緻密なマトリックスをもたらした。

意義と主張
本論文は、持続可能な細骨材の代替品としての石炭底灰と、性能向上用添加剤としてのナノ二酸化チタンの相乗的な使用が、持続可能なコンクリート開発への実行可能な経路を提供すると結論付けている。研究は、60% CBAおよび5% NTiの特定のブレンドが、以下の事項を実現する最適な妥協点であることを主張している。

1. 強化された機械的性能： 従来のコンクリートと比較して、より高い圧縮、引張、および曲げ強度を実現。
2. 向上した耐久性： 塩化物浸透性の著しい低減と酸攻撃に対する耐性の向上を示し、特に過酷な環境下での長期的な供用寿命を示唆。
3. 微細構造の精緻化： 低い空隙率と最適化された水和生成物を伴う、より緻密なマトリックス。
4. 実用的な実現可能性： 混合物はワーカビリティを維持または向上させており、これらの持続可能な修正が現場での複雑な取り扱い手順を必要としないことを示している。

著者らは、このアプローチを「特効薬」としてではなく、長期的な構造的完全性と環境の持続可能性が優先される用途における強力な候補として位置づけている。本研究は、伝統的なコンクリートの限界に対処するために、高度なナノ材料と組み合わせることで、産業廃棄物が効果的に価値化（バロリゼーション）できることを検証している。