ナノ炭酸カルシウムとポリプロピレン繊維で改質されたコンクリートの静的・動的機械応答と相乗メカニズム
Static and Dynamic Mechanical Responses and Synergistic Mechanisms of Concrete Modified with Nano-CaCO3 and PP Fibers
本研究では、ナノ炭酸カルシウム(NCC)とポリプロピレン繊維(PPF)がコンクリートの静的・動的機械特性に与える相乗効果とメカニズムを調査するため、添加量を変えたハイブリッド改質コンクリートを系統的に検討した。静的および高ひずみ速度衝撃荷重下での機械応答を評価するために、圧縮強度、引張強度、およびスプリット・ホプキンソン圧力バー(SHPB)試験を実施した。さらに、マルチスケールでの相乗強化メカニズムを解明するために、走査型電子顕微鏡(SEM)、X線回折(XRD)、フーリエ変換赤外分光法(FTIR)を用いた。結果として、ハイブリッド改質は静的・動的性能の両方を著しく向上させることが示された。特に、最適なハイブリッド配合はNCC 1.5%、PPF 1.5 kg/m3 と特定された。静的条件下では、この組み合わせにより圧縮強度が51.56%増加し、引張強度も向上し、材料の靭性も大幅に改善された。動的衝撃条件下では、動的圧縮強度が62.47%顕著に上昇し、顕著なひずみ速度強化効果を示した。微細構造解析により、ナノ緻密化とマクロクラック架橋メカニズムの存在が確認され、NCCはセメント系マトリックスの化学的硬化を促進・最適化し、繊維-マトリックス界面移行帯(ITZ)を強化する。この強固なITZは、PPFネットワークの物理的なクラック架橋能力とエネルギー散逸能力を最大化する。最終的に、本研究は高性能・耐衝撃性コンクリート複合材料の設計のための重要な実験的証拠と理論的指針を提供する。
- ナノ炭酸カルシウム1.5%とポリプロピレン繊維1.5 kg/m3のハイブリッド配合で、静的条件下の圧縮強度が51.56%向上した
- 動的衝撃条件下では動的圧縮強度が62.47%向上し、顕著なひずみ速度強化効果が確認された
- SEM・XRD・FTIRによる微細構造解析で、ナノ緻密化とマクロクラック架橋による相乗強化メカニズムが解明された
本研究はナノ炭酸カルシウムとポリプロピレン繊維のハイブリッド改質により、コンクリートの圧縮強度を51.56%、動的圧縮強度を62.47%向上させることに成功しており、高性能・耐衝撃性コンクリート複合材料の設計に直接寄与する材料科学上の成果です。建設・インフラ分野での材料性能向上は受託開発や特許化、事業会社への技術移転などを通じて投資機会につながる可能性があります。