廃棄物由来のメソポーラスグリーンn-SiO2を用いた低炭素セメント材料: Box Behnken Designモデリングとメカニズム

Unofficial AI-generated summary based on the public title and abstract. Not an official translation.

🔬研究者:Provides a systematic optimization method (BBD) and mechanistic understanding of how SSA and w/b ratio interact in nano-silica-modified cement.

🏢実務担当者:Offers practical guidance on selecting nano-silica SSA and dosage for maximizing concrete strength and reducing cement use.

🏛政策担当者:Supports policies promoting waste valorization and low-carbon construction materials with empirical evidence.

高多孔質で環境に優しいナノシリカは、持続可能な用途に不可欠である。バイオマス由来のナノシリカ（n-SiO₂）は、セメント系材料（CBMs）を強化する持続可能な経路を提供するが、その固有の特性、特に比表面積（SSA）の役割は十分に理解されていない。本研究は、高多孔質n-SiO₂における設計されたSSAが、様々な水結合材比の系とどのように相互作用し、低炭素セメント性能を支配するかを、系統的かつ独自に探求するものである。Box–Behnken計画法（BBD）を用いて、セメント強度を最適化した。これらの影響因子が水和反応速度論、微細構造特性、および強化された特性の根底にあるメカニズムに及ぼす影響を説明した。研究により、低および中程度のSSAを有するn-SiO₂（263および579 m²/g）は、低w/b比においてセメント強度を有意に向上させる一方、高SSAは高w/b系においてより良い性能を発揮することが明らかになった。w/b比0.5における579 m²/gの3% n-SiO₂混合体は、28日で41%の最大強度増加を示した。全材齢にわたって最大強度を得るための最適条件は、SSA ≈ 264.7 m²/g、n-SiO₂含有量 ≈ 2.98%、w/b比0.5であった（統計的に有意、p < 0.0001）。一方、BET細孔構造分析により、n-SiO₂改質試料混合体ではゲル細孔（< 10 nm）が支配的であることが明らかになった。758 m²/gのSSAを有する設計された高多孔質シリカの使用は、より良好な水和反応速度論を示し、誘導期間の85.5%短縮と24時間における累積発熱量の360%増加をもたらした。強化メカニズムは、核生成シーディングとポゾラン反応を伴い、その結果、微細化された細孔構造と強化された界面遷移帯が得られた。本研究は、バイオマス由来の設計された高SSA n-SiO₂を最適化してセメント系材料における優れた性能を達成するための重要な洞察を提供し、それによって持続可能で環境に優しいSCMとしてのより広範な採用を支援するものである。

AI 翻訳（deepseek-v4-flash）。 正確を期す場合は下の原文を参照してください。

Highly porous, eco-friendly nano-silica is essential for sustainable applications. Biomass-derived nanosilica ( n -SiO 2 ) provides a sustainable route to enhance cement-based materials (CBMs); however, the role of its intrinsic properties, particularly specific surface area (SSA), remains inadequately understood. This study systematically and uniquely explores how engineered SSA in highly porous n -SiO 2 interacts with varying water-to-binder systems to govern low-carbon cementitious performance. Using a Box–Behnken Design (BBD), the cement strength was optimized. The impact of these influencing factors on hydration kinetics, microstructural properties, and the mechanisms underlying the enhanced properties has been explained. The study revealed that lower and medium SSA n -SiO 2 (263 and 579 m²/g) significantly enhanced cement strength at low w/b ratios, whereas high SSA performed better in high w/b systems. The 3% n -SiO 2 mixture at 579 m²/g, with a w/b ratio of 0.5, showed the greatest strength increase of 41% at 28 days. Optimum conditions were SSA ≈ 264.7 m²/g, n -SiO 2 content ≈ 2.98%, and a w/b ratio of 0.5 for attaining maximum strength across all curing ages (statistically significant p < 0.0001). Meanwhile, BET pore structure analysis revealed that gel pores (< 10 nm) dominated in the n -SiO 2 -modified sample mixes. Use of engineered, highly porous silica with SSA of 758 m²/g showed better hydration kinetics, with an 85.5% reduction in induction time and a 360% increase in cumulative heat release at 24 h. The enhancement mechanism involved nucleation seeding and pozzolanic reactions, resulting in a refined pore structure and an enhanced interfacial transition zone. This study provides critical insights for optimizing biomass-derived, engineered high-SSA n -SiO 2 to achieve superior performance in cementitious materials, thereby supporting its broader adoption as a sustainable and environmentally friendly SCM.

• openalex https://doi.org/10.1007/s43939-026-00770-9first seen 2026-06-23 05:28:16