САМООЧИЩАЮЩИЙСЯ БЕТОН. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ

В настоящее время во многих зарубежных странах (Голландия, Бельгия, США и др.) ведутся разработки по использованию гетерогенного фотокатализа для решения экологических проблем, характерных для больших городов. В качестве фотокатализаторов используются полупроводниковые оксиды или сульфиды (TiO₂, ZnO, CdS и др.), полупроводниковые оксиды с нанесенными металлами (Pt/TiO₂, Rh/SrTiO₃ ) и полупроводниковые дисперсии с нанесенными оксидами (RuO₂/TiO₂). Наибольшее распространение в качестве фотокатализатора в силу относительной дешевизны и высокой эффективности получил диоксид титана. Амфотерный оксид титана существует в виде нескольких модификаций: природные кристаллы с тетрагональной (анатаз, рутил) и ромбической сингонией (брукит), а также искусственные модификации с ромбической IV и гексагональной V сингониями. Фотокаталитические свойства диоксида титана в анатазной фазе применялись для создания различных материалов с середины 1990-х гг. [1; 2; 5]. Изначально диоксид титана применялся в качестве белого пигмента в лакокрасочной промышленности, позволяющего не только получать покрытия различной цветовой гаммы, но и значительно улучшать их свойства. Затем на поверхностях, обработанных диоксидом титана, были обнаружены явления самоочищения, т. н. «эффект лотоса» [4, с. 547], обусловленные их высокой гидрофобностью. В настоящее время исследуются возможности применения диоксида титана для разложения органических и неорганических веществ на поверхности материалов, так называемого процесса фотоокисления [6, с. 70].

Самоочищение в сочетании с фотокаталитическим действием TiO₂ делает его идеальной добавкой в строительные материалы в суровых городских условиях. В зависимости от применения TiO₂ может использоваться в виде покрытий, добавки в бетоны, гипс или краски. TiO₂ может быть использован для поверхностей элементов мощения или фасадов зданий, общественных туалетов, подпорных стен, тоннелей. При применении TiO₂ в белых цементах поверхность здания остается яркой в течение длительного периода времени.

Применение TiO₂ в бетоне направлено на достижение двух основных эффектов — самоочищение от грязи и очистки атмосферы за счет окисления оксидов азота (NO_x).

TiO₂, как правило, смешивают в сухом виде с цементом перед добавлением воды затворения. После твердения TiO₂ присутствует во всей структуре цементного камня. TiO₂ является достаточно стабильным, высоко инертным оксидом, не вступает в реакцию ни с одной фазой цемента и не участвует в гидратации. Со структурной точки зрения, он действует в качестве наполнителя пор, снижая суммарную пористость на ранней стадии твердения.

Хотя химических реакций с участием TiO₂ не происходит, но при введении воды затворения резко меняется химия поверхности и электрокинетические свойства частиц диоксида титана. Это приводит к закономерному изменению характера твердения и структурообразования цементного камня в бетоне.

Активность очистки воздуха диоксидом титана, применяемым в строительных материалах, определяли по окислению NO и NO₂ в NO₃. Этим загрязнителям уделяется особое внимание, так как они являются основными компонентами выхлопных газов транспортных средств и играют важную роль в формировании смога больших городов.

Окисление NO может быть представлено следующими уравнениями:

Установка для испытаний состоит из металлического контейнера, в котором находится бетонный образец с покрытием из TiO₂. Сверху контейнер закрыт стеклом, которое пропускает ультрафиолетовое излучение. Воздух, содержащий NO с мольной концентрацией 1 ррм, вдувают внутрь контейнера на поверхность бетона со скоростью потока 3 л/мин. Температура окружающей среды — 23±2°C и относительная влажность — 50 %. Интенсивность света равна 10 Вт/м³ с длиной волны в диапазоне между 300 и 460 нм. Концентрация измеряется на выходе из контейнера. Измерения проводятся в течение 5 часов. За 30 минут до начала измеряется концентрация NO и NO₂ в воздухе контейнера. Затем направляется поток света. Результаты измерений приведены на рис. 1.

Рисунок 1. Влияние диоксида титана на изменение концентрации загрязняющих веществ

Конечное уменьшение зависит от: материала; размера поверхности; концентрации NO; интенсивности света; температуры окружающей среды; скорости потока.

Например, при увеличении поверхности в 6 раз получают уменьшение концентрации NO_x на выходе до 85 %. Таким образом, при увеличении времени контакта или увеличении поверхности, по которой течет воздух, снижение будет еще более значительным.

Для приготовления мелкозернистого бетона применялись такие материалы: портландцемент ПЦ-500 (CEM I 52,5 R) Балаклеевского цементного завода; намывной кварцевый песок с модулем крупности 1,5, водопроводная вода и порошок диоксида титана. В качестве вяжущего использовалась сухая смесь портландцемента и TiO₂ в массовом соотношении 96,5: 3,5 соответственно.

Исследования методом термопрометрии [3, с. 602] показали, что при введении нанодисперсной добавки диоксида титана происходит перераспределение по размерам пористости мелкозернистого бетона (рис. 2) — уменьшение размеров и объема капиллярных пор и увеличение доли гелевых пор.

а)

б)

Рисунок 2. Микропористость цементного камняа) распределение пор по размерам; б) объем пор

Резкое уменьшение объема микропор обусловлено изменением характера адсорбционных процессов на границе раздела твердая фаза — поровая жидкость и заполнения крупных пор частицами диоксида титана.

Кроме того, использование наночастиц TiO₂ приводит к увеличению прочности мелкозернистого бетона: на изгиб через 3 суток в 2,8 раз, через 28 суток в 1,2 раза; на сжатие через 3 суток в 1,7 раза, а через 28 суток в 1,5 раза.

Таким образом, после смешивания TiO₂ очень хорошо уплотняет структуру цементного камня так же, как микрокремнезем или другие мелкие наполнители. Кроме того, TiO₂ способствует повышению устойчивости к эрозии и уменьшению количества загрязняющих веществ, которые проникают в поры.

Использование диоксида титана позволит значительно улучшить экологическую ситуацию крупных городов в части очистки поверхностей от грязи и пыли и очистки воздуха от органических соединений и NO_x.

Список литературы:
1.    Пармон В.Н. Фотокатализ: Вопросы терминологии // Фотокаталитическое преобразование солнечной энергии / Ред. К.И. Замараев, В.Н. Пармон. Новосибирск: Наука, 1991. — С. 7—17.
2.    Савинов Е.Н. Фотокаталитические методы очистки воды и воздуха. // Соросовский образовательный журнал. — 2000. — Том 6. — № 11. — С. 52—56.
3.    Ушеров-Маршак А.В., Сопов В.П. Термопорометрия цементного камня. // Коллоидный журнал, 1994, т. 56, № 4. — С. 600—603.
4.    Cassie A.B.D., Baxter S. Trans. Faraday Soc. 40 (1944). — Р. 546—551.
5.    Fujishima A., Hashimoto K., Watanabe T. TiO2, Photocatalysis, Fundamentals and Applications, BKC, Inc., (1999). — Р. 14—176.
6.    Puzenat E. Photocatalytic self-cleaning materials: Principles and impact on atmosphere. / The European Physical Journal Conferences, (2009). — Vol. 1. — Р. 69—74.