[論文レビュー] Autonomous Repair in Cementitous Material by Combination of Superabsorbent Polymers and Polypropylene Fibres: A Step Towards Sustainable Infrastructure

Souradeep Gupta, Harn Wei Kua+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2017

Microbial Applications in Construction Materials参考文献 6被引用数 5

ひとこと要約

本研究では、ポリプロピレン（PP）繊維とスーパーポリマー吸水性ポリマー（SAP）を組み合わせた自己修復セメントコンpositesを提案し、亀裂を自動で閉じ、機械的・耐久性特性を回復させる。このシステムは、湿潤条件下で最大90％の耐久性回復と、完全な機械的強度回復を達成しており、85％の亀裂封止効率を示し、最大330 µmの亀裂を炭酸塩析出によって完全に封止する。

ABSTRACT

Manual maintenance and repair of cracks in concrete structures are often unsustainable because of associated labor, capital and environmental damage. Introduction of microfibers and superabsorbent polymers is a material solution to restrict crack propagation and enhance self-healing efficiency. Therefore, the study proposes a combination of polypropylene(PP) fibers and superabsorbent polymers (SAP) which would facilitate autonomous healing and recover original mechanical and durability properties of mortar. Mechanical strength, sorptivity and water penetration of healed mortars were compared to that of undamaged mortar at same age to estimate recovery of original properties while crack sealing was investigated by means of optical microscopy. Experimental results show mortar with combination of PP fibers and SAP showed full recovery of mechanical strength after healing while recovery in durability up to 90% was recorded. Microscopic images show that average crack-sealing ratio of 85% could be achieved under moist condition by combination of SAP and PP fibers while sealing under drier air curing condition is also significantly higher than reference samples with only fibers. Crack width up to 330μm has been found to be completely sealed by carbonate crystals. Furthermore, mortar with SAP and PP fibers retain about 70% of their original 28-day strength after three cycles of loading while reference mortar samples were found to retain only about 40-50% of their original strength. Effective crack sealing and high recovery of original properties in mortars with SAP and fibers suggest that this material combination would reduce the need for environmentally damaging and expensive repairs during the service life.

研究の動機と目的

• コンクリートインfraの手動修復に伴う非持続的コストと環境的影響を軽減すること。
• 外部介入なしに自動で亀裂を封止する自己修復セメント材料を開発すること。
• PP繊維とSAPの相乗効果を活かし、亀裂を生じたモルタルの機械的強度および耐久性回復を向上させること。
• 異なる環境条件（湿潤対比乾燥養生）下でのハイブリッドシステムの有効性を評価すること。

提案手法

• 制御された配合比でモルタル配合にポリプロピレン（PP）繊維とスーパーポリマー吸水性ポリマー（SAP）を組み込む。
• 光学顕微鏡を用いて亀裂封止効率および修復領域の形態を分析する。
• 複数回の荷重サイクルを経た前後での機械的試験（圧縮強度）を実施し、強度回復を評価する。
• 吸水度および水の浸透を測定し、修復後の耐久性回復を評価する。
• 湿潤および乾燥養生条件下で試料を養生し、環境要因が修復性能に与える影響を評価する。
• 顕微鏡観察および化学分析により、修復亀裂内での炭酸塩結晶の生成をモニタリングする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PP繊維とSAPの組み合わせは、セメントコンポジットにおける自動亀裂修復を可能にするか？
• RQ2 自己修復後の亀裂を生じたモルタルにおいて、機械的強度および耐久性はどの程度回復するか？
• RQ3 環境湿度（湿潤対比乾燥養生）は、ハイブリッドシステムの亀裂封止効率にどのように影響するか？
• RQ4 自己修復メカニズムで完全に封止可能な最大亀裂幅はどの程度か？
• RQ5 サイクル荷重後の強度保持率において、ハイブリッドシステムは繊維のみまたはSAPのみのシステムと比較してどのように異なるか？

主な発見

• PP繊維とSAPを含むモルタルは、修復後、損傷のない対照試料と同等の完全な機械的強度回復を達成した。
• 吸水度および水の浸透試験による測定で、耐久性回復は最大90％に達した。
• 湿潤養生条件下で平均85％の亀裂封止比を達成した。
• 炭酸塩析出が進行する修復過程により、最大330 µmまでの亀裂が完全に封止された。
• 3回の荷重サイクル後、ハイブリッドモルタルは28日目における元の強度の約70％を保持したが、これは、繊維のみの試料が40–50％しか保持しなかったのと比較して顕著に優れていた。
• 乾燥養生条件下でも、PP繊維のみの試料と比較して、亀裂封止が著しく高い水準にあったため、変動環境下でも優れた修復可能性を示した。