УДК 691.3
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический
университет имени », Россия, Саратов,
к. т.н., доцент кафедры «Строительные материалы и технологии»
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический
университет имени », Россия, Саратов,
магистрант
Долговечность цементных бетонов с добавкой
диоксида титана в агрессивных условиях
городской среды
Аннотация. В представленной работе изложены актуальные данные об эффекте самоочищения строительных и дорожных материалов в условиях городской среды, достигнутого при помощи введения диоксида титана в поверхностные слои и способствующего повышению долговечности.
Ключевые слова: долговечность, диоксид титана, фотокатализатор, агрессивный, оксиды азота, бетонный блок, дорога.
Timokhin Denis Konstantinovich
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor at the Department
of «Construction Materials and Technology
Geranina Yulia Sergeevna
Federal State-Funded Educational Institution of Higher Education
«Yuri Gagarin State Technical University of Saratov», Russia, Saratov,
undergraduate
DURABILITY cement concrete with the addition
of titanium dioxide in the urban
environment AGGRESSIVE
Annotation. The article presents relevant data on the effect of self-cleaning of building and road materials in the urban environment, achieved by the introduction of titanium dioxide in the surface layers, and increasing durability.
Keywords: durability, titanium dioxide photocatalyst aggressive, nitrogen oxides, a concrete block, a road.
На сегодняшний день одной из важнейших характеристик любого материала является его долговечность. Количество загрязняющих веществ в условиях городской среды, содержащихся в воздухе, является достаточно значительным ввиду многократно возросшего числа автомобилей, а значит и выбросов, производимых двигателями внутреннего сгорания. Наиболее распространенными материалами, применяемыми в строительстве городов, остается железобетон, многие тротуары отделаны плиткой из мелкозернистого бетона на основе цемента. Комфорт, движение, энергетические ресурсы и уважение к окружающей среде - ключевые пункты интереса в будущем. Сегодня современные строители смотрят на новые разработки, технические инновации и объединяют в глобальном видении здания, сооружения и дороги будущего. Адаптация инфраструктуры наземного транспорта в современных городах к новым социальным и экологическим требованиям - главная цель инновационных строительных материалов будущего.
Для дорог будущего с глобальной точки зрения разработано много интересных инноваций. Применение диоксида титана - TiO2 в поверхности бетонных тротуарных блоков и плитке - инновации, которые отвечают требованию социально безопасных, удобных и экологических инфраструктур дорожного покрытия.
Множество воздушных загрязнителей оказывают прямое или потенциально неблагоприятное воздействие на здоровье человека и окружающую среду. В большинстве областей эти загрязнители – преимущественно продукты сгорания от обогрева, производства электроэнергии или от движения автомобилей. Загрязнители из этих источников загрязняют среду в непосредственной близости, но могут перемещаться на большие расстояния, химически реагируя в атмосфере, продуцируя вторичные загрязнители, например, кислотный дождь или озон.
Наиболее опасными загрязнителями являются выделенные транспортными средствами - угарный газ, окиси азота (NOx), органические соединения и макрочастицы. Эти загрязнители оказывают большое влияние на качество городского воздуха. Кроме того, фотохимические реакции, вызванные действием солнечного света на NO2 и другие соединения, приводят к формированию озона, вторичного загрязнителя дальнего действия, который влияет на сельскохозяйственные районы, часто далекие от источников загрязнения. Кислотный дождь - другой загрязнитель побочного действия, образующийся под влиянием NOx, произведенного от автотранспорта, его окисления в воздухе в NO3 и, наконец, осаждения в виде азотной кислоты с негативными последствиями для строительных материалов, проявляющимися в виде коррозии поверхности, а затем грозящими полным разрушением.
Фотокаталитические материалы могут быть добавлены в поверхностные слои строительных материалов зданий, сооружений и дорог. В сочетании со светом загрязнители окисляются и удаляются с поверхности материала, из-за присутствия фотокатализатора. Впоследствии они удаляются с поверхности дождем или смываются водой. Японские ученые Фудзияма и Хонда в 1972 (Fujishima и Honda, 1972) обнаружили гидролиз воды в кислороде и водороде в присутствии света посредством TiO2 - анода в фотохимической клетке. В восьмидесятых органическое загрязнение в воде анализировалось при добавлении TiO2 под влиянием ультрафиолетового света. Впервые применение TiO2 как воздухоочистителя в Японии осуществлено в 1996 году. Широкий спектр строительных материалов появился на рынке для внутренней и наружной отделки.
Фотокатализ в присутствии TiO2 как катализатора приводит к полной минерализации широкой гаммы органических соединений (алканы, алкены, пестициды), также снижается концентрация NOx, бактерий и вирусов. Скорость, с которой происходят такие реакции зависит от интенсивности света, условий окружающей среды (температура, относительная влажность), суммарном содержания TiO2 на поверхности и величины адгезии загрязнителей к поверхности. В случае движения автотранспорта, важно, что выхлопные газы остаются в контакте с поверхностью во время определенного периода.
Диоксид титана - TiO2 возможно использовать для получения самоочищающихся строительных и дорожных материалов. Данный эффект самоочищения будет достигаться из-за очень высокой гидрофильности поверхности при активации TiO2 ультрафиолетовыми лучами солнечного света, образующаяся водная прослойка между грязью и поверхностью приводит к смыванию частиц грязи. Данный эффект проявляется сильнее на гладких поверхностях, таких как стеклянные и керамические плитки. В случае бетонных поверхностей самоочищающийся эффект будет более слабым из-за физической задержки грязи в больших порах материала. Фотокаталитическая реакция влияет на разложение частиц агрессивных органических загрязнителей с последующим их смыванием водой или атмосферными осадками.
Процесс воздушного очищения строительных и дорожных материалов с TiO2 - катализатором можно определить окислением NO и NO2 в NO3. Следует выделить именно оксиды азота как одни из самых распространенных загрязнителей, произведенных автотранспортом в городских условиях, следует отметить, что именно оксиды азота играют главную роль в формировании смога и озона.
Окисление NO упрощенно представлено следующими уравнениями:
Другие важными параметрами являются относительная влажность и температура. При более высоких температурах реакция будет протекать интенсивнее. Относительная влажность также важна, так как вода в атмосфере влияет на адгезию загрязнителей к поверхности материалов. В случае более высокой относительной влажности реакция будет протекать медленнее. Поэтому оптимальные условия фотокаталитической реакции на поверхности строительных и дорожных материалов будут достигнуты в жаркие летние дни с высокими температурами и низкой влажностью. Следует отметить, что в такие дни риск образования смога в течение лета является наиболее высоким, а значит и эффективность воздушной очистки является максимальной. Для сохранения эффективности самоочищающихся материалов NO3 должен быть смыт атмосферными осадками или водой.
На сегодняшний день имеет место строительство экспериментального участка дороги в Антверпене площадью 10 000 м2 из тротуарных бетонных блоков с эффектом самоочищения (рис.1), позволяющего отслеживать сокращение NOx, оценивать долговечность материала в агрессивных условиях города, связанную не только с механическими и эстетическими свойствами, но и фотокаталитической эффективностью данного вида материалов.
Рис.1. Участок дороги Антверпена с самоочищающимися бетонными
тротуарными блоками
Таким образом, использование самоочищающихся бетонов при строительстве зданий, сооружений и дорог в городских условиях должно не только повысить экологическую составляющую, но и привести к снижению коррозионных процессов в таких материалах, а значит увеличить их срок службы и повысить долговечность.
ЛИТЕРАТУРА
1. Fujishima A. Electrochemical photolysis of water at a semiconductor electrode / A. Fujishima, K. Honda // Nature. - 1972. - Vol. 238. - P. 37–38.
2. Fujishima A. TiO2, фотокатализ, основные принципы и заявления / A. Fujishima, К. Hashimoto, T. Watanabe . BKC, Inc., 1999. - 176 с.
3. Maggos T. Фотокаталитическое ухудшение NOx в экспериментальной уличной конфигурации каньона, используя группы TiO2-миномета / T. Maggos, A. Plassais, J. Bartzis, C. Vasilakos et al. // 5-я Междунар. конф. по вопросам качества городского воздуха Валенсии // Испания, 29-31 марта 2005, часть Picada.
4. Эффективный фотокатализатор тонкой пленки TiO2: фотокаталитические свойства в деградации ацетальдегида газовой фазы / Ай. Сопьян, М. Ватанабе, С. Мурасава и др. // Фотохимия и Фотобиология. A: Химия. - 1996. - С.79-86.
5. Тимохин титана как фотокатализатор в цементном бетоне / , // Научное обозрение. - 2015. - № 8. - С. 46-50.
