鉄酸カリウムとわら繊維がセメントの強度向上に及ぼす影響の機構的研究

Scientific Reports volume 13、記事番号: 7660 (2023) この記事を引用

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汚泥中の有機物の含有量が高いことが、固化効果の低下とセメントベースの過剰投与の主な原因です。この研究では、鉄酸カリウムとわら繊維を利用して、セメントの凝固効果を相乗的に高め、強度メカニズムを精緻化しました。その中で、汚泥中の有機物の構造を酸化して破壊し、有機物の一部を消費する鉄酸カリウムが選択されました。わら繊維は、有機材料の一部を吸収し、セメントの水和反応への干渉を軽減するための吸着材料として使用されました。固化汚泥中のわら繊維の骨格機能を利用して、最終的な固化汚泥の強度を向上させました。これら 2 つの添加剤の存在により、セメント固化強度が大幅に向上し、固化体の水分含有量が減少することが示されています。さらに、含水量と強度は明らかな直線関係（調整後 R2 = 0.92）に従い、含水量が減少するにつれて強度も増加しました。鉄酸カリウムによる前処理後、脱水汚泥中の自由水含有量は 4.5%増加し、セメントとの適切な水和反応に貢献しました。 X線回折（XRD）、エネルギー分散型X線分光法（SEM/EDS）を備えた走査型電子顕微鏡、および水銀圧入ポロシメトリー（MIP）を使用した分析により、鉄酸カリウムがわら繊維と相乗作用して、半水石膏およびジスモンジンの生成を促進することが明らかになりました。。しかし、半水石膏、炭酸カルシウム、およびジスモンジンでは構造的な膨張が生じ、これは顕微鏡による形態学および細孔構造分析によって確認されました。しかし、膨潤による悪影響は、上記の結晶性物質による強度の増加によって相殺されました。

汚泥には、劣悪な地盤工学的特性と有毒で有害な廃棄物に加えて、高い水分含有量、高粘度、および高い有機物含有量が含まれています。現在、中国の汚泥の 80% はまだ安定化されておらず、安全かつ適切に処分されておらず、深刻な安全上の危険と環境圧力を引き起こしています。したがって、汚泥問題に対処することが最も重要です。

埋立地としての汚泥固化は、その簡単さ、経済効率、消費量の多さ、そして高度な技術により、今でも実用的な処分方法です。一般的に使用される結合剤には、普通ポルトランドセメント、石灰、フライアッシュ、スラグ、活性酸化マグネシウムなどがあります1、2、3。普通ポルトランドセメント (OPC) は、容易に入手でき、安価で、湿った廃棄物に簡単に組み込むことができるため、最良の硬化剤として認識されています4。それにもかかわらず、スラッジ固化に OPC を使用する場合、3 つの大きな欠点があります。まず、セメント生産は、温室効果の増大、エネルギー消費量の増加、再生不可能な資源の使用など、環境に悪影響を与える可能性があります5、6、7。統計によると、セメント産業は世界の CO2 排出量の 6 ～ 7% を占めています8,9。第二に、セメントで固化した汚泥は pH が高いことが多く、地下水や植物の成長に悪影響を及ぼします 10,11。最後に、セメントの水和反応はスラッジ中の有機物によって容易に妨げられ7、12、13、硬化効果が大幅に低下し、追加のセメント投与量が必要になります。したがって、実行可能な戦略には、セメントの投与量を調整し、セメントの水和反応に対する有機物の影響を最小限に抑え、固化汚泥の強度を高めるために適度な量の補助添加剤を添加することが含まれます。現在、助剤は主にセメント水和や直接酸化消費による有機物による干渉を相殺または回避することと、汚泥中の有機物の構造を破壊して干渉を低減することの２つの観点から研究されている。この方向において、Zhen ら 13 は、少量の新しいアルミン酸塩 12CaO・7Al2O3 結晶を混合すると、有機物やセメント水和生成物を伴うエトリンガイトや方解石などの急速に形成される結晶からの干渉が打ち消されることを発見しました。別の研究では、Chen et al.12 は、硫酸アルミン酸塩セメントも有機物の干渉を直接回避し、ブランク対照群とほぼ同量のカルシウムアルミナおよびアルミン酸カルシウムゲルを生成することを調査しました。ただし、硫酸アルミン酸塩セメントはより高価であり、固化スラッジの強度を高めるためのケイ酸塩セメント添加剤としてよく使用されます14。 Lei らによる研究 7 では、ナノシリカの添加により、セメントの凝固強度に対する有機物の弱化効果を打ち消す追加の水和ケイ酸カルシウムの形成が促進されることが、X 線回折測定によって判明しました。セメント上の有機物の水和反応を抑制するために膨大な量の研究開発が行われてきたことは明らかです。さらに、Sun15 と Li16 は、セメント系添加剤として過マンガン酸カリウムと過硫酸カリウムを使用すると、それぞれ凝固強度効果が向上することを発見しました。ただし、どちらのレポートでも詳細な調査と分析は行われていません。したがって、酸化消費や汚泥の有機物構造を分解してセメント固化効果を高めることについては、さらなる研究の余地がまだたくさんあります。鉄酸カリウムは、その強力な酸化力、凝集力、および環境に優しい性質 20,21 により、汚泥脱水 17、汚泥削減 18,19、および廃水消毒の研究に使用される特殊な酸化剤です。それにもかかわらず、鉄酸カリウムがスラッジの固化において強度を高める可能性についてはほとんど研究されていません。

さらに、強度をさらに向上させ、固化スラッジに使用されるセメントの量を減らすために、固化効果を最大化するために、上記の添加剤とともにいくつかの骨格材料が添加されることがよくあります。一般的に使用される骨格材料には、スラグ、石炭脈石、ベントナイトなどが含まれます22、23、24、25。これらはすべて、SiO2 や Al2O3 などの無機粘土に含まれる活性成分を含んでいます。しかし、これらの化合物はすべて、効果を発揮するためにより高いアルカリ環境になければならず、これは間違いなくセメント混和剤の増加と環境への悪影響につながります。この点において、バイオマス廃棄物稲わら繊維は、その高収量、低コスト、再生可能な性質、固有の引張特性および曲げ特性、および高い多孔性を備えており、汚泥の硬化中に有機物の小分子を強化および吸着する役割を果たす可能性がある。。わら繊維の高い吸着特性と鉄酸カリウムの強力な酸化特性を組み合わせて汚泥固化に活用できます。現在、Zhu et al.26。彼らは、わら繊維がセメントベースの固化スラッジの有効性を向上させることができることを発見しました。これに基づいて、Yang et al.27 は、わら繊維と組み合わせた鉄酸カリウムの導入と硬化剤の適切な比率の最適化による固化スラッジの強度の向上を研究し続けました。しかし、これらの研究はいずれも、強度発現特性と成長メカニズムについてさらに詳しく説明したものではなく、強度発現特性と成長メカニズムの完全な説明は提供されていません。

既存の研究の欠点に対処するために、この研究は、わら繊維と協力して鉄酸カリウムによって相乗的に強化されたセメント質固化スラッジの強度メカニズムを体系的に詳しく説明することに専念した。まず、さまざまな硬化年齢における一軸圧縮強さと含水量を通じて巨視的影響を調べました。これに続いて、水分分布、X 線回折 (XRD) パターン、エネルギー分散型 X 線分光法 (SEM/EDS) と組み合わせた走査型電子顕微鏡画像、および水銀圧入ポロシメトリー (MIP) の観点から、固有のメカニズム解析が提示されました。。したがって、この研究は、提案されている汚泥固化による汚泥処理プロセスを適用するための統計的および理論的裏付けを提供します。

この研究で使用した脱水汚泥は、中国江西省九江市の家庭下水処理場から入手したものです。表 1 はスラッジの物理化学的特性を示し、表 2 はスラッジの化学組成を特定するための蛍光 X 線 (XRF) 分析の結果を示しています。

本研究で使用した結合剤は Conch 425 普通ポルトランドセメント (OPC) であり、その化学成分を表 3 に示します。汚泥の酸化前処理材には、殺菌粉末として使用される鉄酸カリウム (PF) 粉末を選択しました。市場の一般的な養魚池用で、有効含有量は 10% です。骨格材には、安価で広く入手可能で歩留まりの高い、平均長さ5mmの5メッシュの篩分けを行った稲わら繊維（SF）を選定しました。

以前の研究 27 によれば、20% OPC、10% PF、および 5% SF が各固化材料に適切な混和剤であることがわかりました。比較実験のために、20% OPC 固化スラッジ試料と 20% OPC + 10% PF 固化スラッジ試料の両方も調製しました。具体的な混合割合と試験項目を表４に示す。各固化材の割合は湿潤汚泥の重量により決定し、固化サンプルを３つ採取した。サンプル前処理の手順は、Yang et al.27 を参照してください。

一軸圧縮強度は、国家地盤工学試験法 (GB/T 50123-2019) を使用して、応力 - ひずみ曲線のピーク値から決定されました。試験は、YYW-2 ひずみ制御非閉じ込め圧縮装置 (Nanjing Ningxi Soil Instruments Co., Ltd.) を使用し、荷重 0.6 kN、荷重速度 2.4 mm/min で実施されました。含水率は、都市下水処理場の汚泥試験方法 (中国国家基準 CJ/T 221-2005) に従って設定されました。

間隙汚泥水、水和水、および表面吸着水の合計を結合水と定義し、10,000 rpmでの遠心分離によって測定した。比較すると、自由水含有量は、総水分含有量から結合水含有量を差し引くことによって計算されました。主な試験は、鉄酸カリウム酸化による生汚泥および前処理汚泥に対して実施されました。

X 線回折 (XRD) を使用して、鉱物の組成を調査しました。まず、サンプルを無水エタノールに 24 時間浸して水和反応を停止させ、その後 45 °C の送風乾燥オーブンに 24 時間入れました。最後に、サンプルを 200 メッシュのふるいを通して粉砕し、Riraku SmartLab SE X 線回折装置で Cu-Kα 線 (λ = 1.54 Å) を 2θ 範囲 10° ～ 80° (スキャン速度) でスキャンしました。２°／分、管電圧４０ｋＶ、電流４０ｍＡ。ＸＲＤパターンは、相分析用のＭＤＩＪａｄｅ６ソフトウェアを使用して分析された。

走査型電子顕微鏡 (SEM) とエネルギー分散型 X 線分光法 (EDS) 元素マッピングにより、サンプルの顕微鏡的形態と元素組成をそれぞれ調査しました。 XRD分析について述べたように、サンプルの水和反応は最初に無水エタノールで停止されました。次に、サンプルを 5 mm × 5 mm × 20 mm の長いストリップに切断し、約 -45 °C の凍結乾燥機に 8 時間置き、続いて 48 時間真空乾燥しました。乾燥後、長いサンプルを折り取り、新たに折ったサンプルの断面を金の薄層でスパッタリングして、帯電効果を除去しました。最後に、TESCAN MIRA LMS SEM を使用して、形態の加速電圧 3 kV、エネルギースペクトルの加速電圧 15 kV、SE2 電子検出器を使用してサンプルを検査しました。

水銀圧入ポロシメトリー（MIP）は、細孔構造と細孔サイズ分布の定量分析に利用されました。水和反応終了後、サンプルを15mm2以下の正方形に切り出し、凍結乾燥処理を行った。その後、5 nm ～ 200 μm の範囲の細孔サイズと 500 MPa の最大侵入圧力を検出できる MicroActive AutoPore V 9600 を使用してサンプルをテストしました。

セメントおよび改質セメント系硬化剤による汚泥固化体の効果を比較するため、20％OPC、20％OPC＋10％PF、20％OPC＋10％PF＋5％SF固化汚泥試験片の強度の影響を比較する。異なる硬化年齢で研究した結果を図 1 に示します。20% OPC の強度は、どの年齢でも 20% OPC + 10% PF + 5% SF 硬化スラッジの強度よりも低いことが観察されました。そしてその差は28日後に最も大きくなりました。 20% OPC + 10% PF は、3 日、7 日、および 28 日後に 20% OPC より優れた強度効果を示しました。ただし、強度効果は 14 日後と 21 日後には低下しました。これはおそらく実験が不安定だったためです。それにもかかわらず、20% OPC の強度は 28 日後も最小限に留まり、鉄酸カリウムとわら繊維の添加によるセメントベースの固化スラッジの強度効果が強化されたことを示しています。その結果、鉄酸カリウムには強い酸化力があり、汚泥中の有機物の一部を消費し、セメントの水和反応を促進することが判明した。一方、硫黄を含む有機物を酸化して無機硫酸塩28を形成し、これがセメントの水和により生成したカルシウムイオンと結合して半水石膏結晶を形成する。さらに、わら繊維は一定の引張能力と曲げ能力を有し、固化スラッジの骨格を埋める役割を果たしました。さらに、わら繊維の多孔性と強力な吸着特性により、鉄酸カリウムの酸化によって分解された小さな有機物の吸着が可能になり、セメントの水和効果がさらに強化されました。

硬化年齢と強度の関係。

固化汚泥の強度は含水率が低いことで向上する29が、埋め立て地でも含水率は 60% 以下である必要がある。本研究では、図2に示すように、養生年数ごとの固化体の含水率を調査した。固化剤の違いが汚泥中の含水率の低減に及ぼす影響や、含水率と強度の関係が得られた。図 2 では、含水率が 60% 未満で埋め立て要件を満たしていることがわかります。 20% OPC + 10% PF + 5% SF は、どの年齢でも 20% OPC よりも水分含有量を大幅に減少させることがわかりましたが、20% OPC + 10% PF は水分含有量を減少させましたが、その効果は安定しておらず、顕著ではありませんでした。。これは、鉄酸カリウムが水分含有量の減少を促進することを示しました。ただし、最大限の効率を得るにはわら繊維が必要でした。これは、大量の自由水を放出する鉄酸カリウムによる汚泥中の有機物構造の劣化に起因すると考えられます。自由水は結合水よりも蒸発しやすく、土壌-水ポテンシャルが低いため、セメントにより容易に消費され、ポテンシャルの高いエネルギー結合水30に変換され、20%のOPCより効果的にセメントを削減できます。鉄酸カリウムによって有機物の高分子が低分子に変換されると、汚泥粒子全体がより繊細になり、浸透性が低下し、汚泥中の水分をさらに減らすことが困難になります。それにもかかわらず、骨格材料としてわら繊維を追加すると、その多孔性と透過性が大幅に増加し、汚泥脱水における骨格濾過助剤と同様の役割を果たしました31。同時に、わら繊維は、その高い多孔性による鉄酸カリウムの酸化前処理効果と組み合わせて、汚泥の水分含有量を最小限に抑えます。

硬化年数と含水率の関係。

各固化体の含水率と一軸圧縮強度の関係を図 3 に示します。含水率と強度は明らかな直線関係（調整後 R2 = 0.92）をたどっており、含水率が高いほど強度が増加していることがわかります。内容量が減りました。これは、含水率が低下すると固化体結合水和膜の厚さが減少し、粒子間吸着力が増加して汚泥の凝集が促進され、固化体の強度が向上したためである29。このことから、汚泥固化体の含水率を低下させることにより、強度を効果的に向上させることができることが確認された。

固化体の含水率と強度の関係。

さらに、原汚泥および 10% PF の前処理汚泥の自由水、結合水、および総水分量を表 5 に示します。観察できるように、脱水汚泥中には自由水の 0.01% のみが存在していました。残りは結合水です。理想的な条件下では、脱水汚泥には自由水が含まれていません 32。これは、上記の結果と一致していました。関連する研究では、汚泥中の水の大部分が結合水として存在するため、セメントと水和できるのは汚泥中の水のわずか 3% であることが明らかになりました 33。対照的に、酸化前処理後、汚泥の自由水含有量は 4.95% に増加しましたが、結合水含有量は 78.21% に減少しました。図4a、bから視覚的にわかるように、前処理された汚泥は元の汚泥よりも繊細で湿っていることがわかります。さらに、前処理された汚泥では固液層構造と自由水含有量が増加し（図4c）、鉄酸カリウムによる構造の劣化が示唆され、さらに結合水の自由水への変換が可能になりました。自由水は位置エネルギーが低いため、セメントとの水和反応が起こりやすくなり、水和生成物の生成が促進されます30。したがって、鉄酸カリウムによる処理は、セメントの固化強度の効果を高めた。さらに、前処理汚泥の総含水量はわずかに減少し、すなわち初期含水量が減少し、強度の向上に貢献した。総含水量の損失の主な原因は、前処理プロセス中に自然に蒸発する前処理汚泥の自由水含量の増加でした。確かに、水セメント比を大きくしすぎることはできないため 34、過剰な自由水含有量はわら繊維を添加することによって制御されました。わら繊維の多孔質特性と自由水の容易な蒸発を組み合わせることで、その後のメンテナンス中に含水率が十分に低減されました。これにより、20% OPC + 10% PF + 5% SF と比較して含水率が低くなり、強度が高くなります。 20% OPC の単一混合物に。

生汚泥と酸化前処理汚泥の比較：（a）生汚泥。 (b) 10% PF 前処理汚泥。 (c) 遠心分離後。

図 5 は、生汚泥と 28 日間固化した汚泥試験片の XRD パターンを示しています。石英が生汚泥中に存在する主な結晶であることが観察された。対照的に、20% OPC を含む固化スラッジには、スラッジによって導入された石英のほか、水酸化カルシウム (CH) の結晶、方解石、および水和反応による最小限のジスモンジン結晶が含まれていました。さらに、鉄酸カリウムで前処理し、その後 20% OPC を添加すると、固化した試験片中に半水石膏結晶が現れました。さらに、2θ = 27.45°でピークが観察されましたが、これはその後の元素組成分析と組み合わせてカルシウム含有結晶であると推測することしかできませんでした。その後、わら繊維を鉄酸カリウムとともに導入すると、カルシウム含有結晶の XRD ピークが消失しました。その代わりに、ジスモンディン結晶のピーク強度が劇的に増加しました。同時に半水石膏結晶の存在も確認された。したがって、20% OPC の添加により、CH、方解石、およびジスモンディン結晶の形成により固化スラッジの強度がわずかに向上すると結論付けられました。しかし、鉄酸カリウムで前処理した汚泥の強度は、半水石膏とカルシウムを含む結晶を生成することでさらに向上しました。さらに、わら繊維の高い多孔性と高い吸着能力により、鉄酸カリウムとともにスラッジに添加すると、小さな有機分子やカルシウムを形成するある種の物質の吸着に関与するカルシウム含有結晶の形成が抑制されました。 - 結晶を含む。これは、ジスモンディン結晶のピーク強度の増加によって確認され、セメントの水和反応が促進され、全体の強度が向上しました。

スラッジ固化試験片のXRD。

図 6 に 28 日間固化した汚泥試験片の SEM 画像を示します。固化した20％OPCの微細構造からわかるように、スラッジは比較的緻密であり、多数の繊維状ゲルと塊状結晶を含んでいます（図6a）。ＸＲＤおよびＥＤＳの結果から、これらのゲルおよび結晶はそれぞれ含水ケイ酸カルシウムゲルおよび水酸化カルシウム結晶であることが確認された。これらの化合物は細孔を埋めて汚泥を結合し、固化した汚泥を強化します。対照的に、鉄酸カリウムおよび/またはわら繊維を含む固化スラッジの微細構造は、図6b、dに示すように、より膨潤してまばらになり、ある程度の強度の向上には役立ちませんでした。しかし、特にわら繊維を含む試料では、どちらも長い柱状物質を生成することが明らかでした。巨視的な強度データと組み合わせると、これらの長い柱状物質が膨張や薄化による悪影響を打ち消すことが明らかでした。図 6c は、固化したスラッジ内のわら繊維の固定を示しています。ゲル化材料がスラッジを所定の位置に保持し、固化体の強度と靱性を大幅に高めます。これは、わら繊維の遅い添加が他の 2 つよりもセメントの強度に大きな影響を与えた理由を説明しました。

スラッジ固化試験片の SEM: (a) 20% OPC 5000x。 (b) 20% OPC + 10% PF 5000x。 (c) 20% OPC + 10% PF + 5% SF 30x; (d) 20% OPC + 10% PF + 5% SF 5000x。

次に、セメント結合材料の元素組成を特定するために、3 セットの固化サンプルの EDS を個別に分析しました。図7aのEDS分析によると、繊維状接合材料の主元素はC、Si、Caでした。以前の研究 5,12 および我々の結果の XRD 分析によると、繊維状ゲルには、いくつかの炭酸カルシウム結晶とともに水和ケイ酸カルシウムゲルが含まれていることが判明しました。さらに、図7b、cに示すように、2セットの凝固試験片中の長い柱状材料の組成は類似しており、C、Al、Si、S、Caを含んでいます。記載の元素に基づいて、炭酸カルシウム、ジスモンジンなどが含まれていると推定されました。注目すべきことに、このサンプル中の S 含有量はセメント固化試験片の S 含有量の 4 ～ 6 倍でした。また、XRD 研究の結果と組み合わせると、試料に硫酸カルシウム半水和物の結晶が含まれていることは明らかでした。

固化スラッジの対応する EDS を含む SEM 画像: (a) 20% OPC。 (b) 20% OPC + 10% PF; (c) 20% OPC + 10% PF + 5% SF。

さらに、28 日後のさまざまな固化汚泥試験片の累積細孔容積曲線を図 8 に示します。全細孔容積、全細孔率、および平均細孔直径を表 6 に定量化します。20% 固化汚泥の全細孔容積は、 OPC が最も小さく、次に 20% OPC + 10% PF + 5% SF、20% OPC + 10% PF の順であり、SEM の結果と一致していました。それは、鉄酸カリウムとわら繊維は、細孔容積を減らすことによって強度を高めるのではなく、前述したように、かなりの量のジスモンジン、硫酸カルシウム半水和物、および炭酸カルシウムを形成することによって強度を高めることを示唆しました。これにより体積が膨張し、細孔容積が増加しますが、その悪影響は結晶強度によって適切にバランスされます。ここで、高強度（数メガパスカル以上）が必要な資源利用や建設資材の分野では、より緻密な固化体が使用されることに注意してください2,12。これらの化合物により形成される固化体の気孔が多すぎると強度が著しく低下するため、結晶膨張の悪影響を克服することができなくなる。したがって、凝固体の密度が高いほど良好な結果が得られます3。

累積細孔容積曲線。

図 9 と 10 は、それぞれ 28 日後のさまざまな固化汚泥の細孔サイズ分布曲線と細孔容積パーセンテージを示しています。 20% OPC で固化したスラッジ試料の最も可能性の高い細孔サイズは 0.05 ～ 1 μm の範囲でしたが、複合固化試料の最も可能性の高い細孔サイズは 1 ～ 5 μm の範囲でした。さらに、20% OPC を添加すると、細孔サイズは 0.01 ～ 1 μm に集中しました。鉄酸カリウムを使用した場合、細孔径は 1 ～ 10 µm に集中しました。一方、0.01 ～ 1 μm の細孔径の割合は急激に減少し、その他の変化は無視できます。鉄酸カリウムの添加後、0.01 ～ 1 μm の範囲の細孔サイズが 1 ～ 10 μm に向かって変化し、全体的な細孔容積の増加が示されました。前のセクションで述べたように、方解石、硫酸カルシウム半水和物、ジスモンジンなどの多くの長い柱状化合物が鉄酸カリウムで形成され、体積膨張につながりました。その後、わら繊維を追加すると、細孔サイズは 1 ～ 10 μm から 10 μm 以上にさらに増加し、凝集体細孔サイズが増加しました。ここで、ストロー繊維自体は本質的に多孔質であるが、凝固プロセスにおいて骨格を固定する役割を果たし、凝集体の細孔サイズを拡大した。したがって、鉄酸カリウムとわら繊維の両方が凝固効果の向上中に細孔容積を増加させ、そうでなければ強度に部分的に悪影響を与えると言えます。しかし、新しく生成された結晶とわら繊維自体の補強および固定効果は、強度損失のバランスをとり、全体の強度を向上させるのに十分でした。また、細孔径が大きく浸透性が高いため、固化体の含水率を下げることが容易となり、別の意味で強度向上にも貢献します。

細孔径分布曲線。

細孔容積のパーセント分布。

要約すると、セメントベースの硬化スラッジの強度に対する鉄酸カリウム（PF）とわら繊維（SF）の相乗効果が、一連の巨視的および微視的実験分析を通じて調査され、この研究の主な結果は次のとおりです。

20% OPC 固化スラッジと比較して、20% OPC + 10% PF + 5% SF 固化スラッジは、どの維持経過条件でも一軸圧縮強度が高く、含水率が低くなりました。

脱水汚泥を鉄酸カリウムで前処理すると、自由水含有量が増加し、結合水含有量が減少しました。鉄酸カリウムの添加により、固化中のセメントと遊離水の間の完全な水和反応も促進されました。自由水の位置エネルギーが低いため、メンテナンス中の放散がさらに速くなり、固化体の水分含量が減少して強度が向上しました。

XRDおよびSEM/EDSを用いたさらなる分析により、ジスモンジン、半水石膏、炭酸カルシウム、水和ケイ酸カルシウム、および水酸化カルシウムなどの化合物が汚泥の処理中に形成され、これらは固化汚泥の強度向上のための重要な成分であることが明らかになった。鉄酸カリウムが汚泥中の有機硫黄を酸化して半水石膏を形成することが注目された。その後、小さな有機分子がわら繊維に吸着され、水和反応とジスモンディンの形成が促進されました。

形態および細孔構造のSEMおよびMIP分析により、ジスモンジン、炭酸カルシウム、および半水石膏から構成される長い柱状物質が構造を支持していることが示された。複合凝固した試験片は、20% OPC 試験片よりも膨潤し、形態がよりまばらで、気孔率が高いことが観察されました。しかし、結晶の全体的な強度は膨張の影響を打ち消すのに十分でした。

研究中に生成または使用されたすべてのデータ、モデル、コードは、投稿された論文に表示されます。

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この研究は、中国国家自然科学財団 (22066012)、中国江西省科学技術部門の主要研究開発プログラム (20181BBG70043)、中国甘粛省自然科学財団 (22JR5RA254)、温州科学財団、およびテクノロジープロジェクト（S20220010）、2021年中国江西省九江大学大学生向け革新的トレーニングプログラム（X202111843200）、2022年江西省の大学における人文社会科学の研究（SZZX22023）。

長江流域の産業生態シミュレーションと環境衛生の江西重点実験室、九江大学、九江、332005、江西省、中国

Qiyong Yang & Weixin Xu

九江大学資源環境学部、九江、332005、江西省、中国

Qiyong Yang、Yangfan Zhang、Ji Wang、Xiang Luo、Mengjhou、Weiping Luo、Haoran Ge

蘭州理工大学土木工学部、蘭州、730050、甘粛省、中国

Weixin Xu & Yahong Yang

九江三峡、ウォーター株式会社、九江、332005、江西省、中国

Xinxia Liu & Qizheng Su

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QYY がアイデアを考案し、実験を設計しました。 WXX は実験を実施し、主要な原稿テキストを執筆しました。 YHY、XXL、QZS、YFZ が原稿をレビューします。 JW、XL、MJZ、WPL、HRG によるデータ分析結果。

Qiyong Yang への対応。

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転載と許可

Yang、Q.、Xu、W.、Yang、Y. 他。セメントベースの固化都市汚泥の強度向上に及ぼす鉄酸カリウムとわら繊維の効果の機構的研究。 Sci Rep 13、7660 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-34869-3

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受領日: 2023 年 3 月 31 日

受理日: 2023 年 5 月 9 日

公開日: 2023 年 5 月 11 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-34869-3

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鉄酸カリウムとわら繊維がセメントの強度向上に及ぼす影響の機構的研究