Фотокаталитический бетон

Материал из СТ-Бетон
Перейти к: навигация, поиск

Фотокаталитические бетоны — разновидность строительных композитов, в структуру которых введены фотокатализаторы (преимущественно наночастицы диоксида титана). Под действием ультрафиолетового или видимого света в материале протекает процесс фотокатализа, обеспечивающий самоочищение поверхности и разложение загрязняющих веществ (оксидов азота, летучих органических соединений, пыли, плесени) до безопасных соединений[1].

Технология изготовления таких бетонов базируется на стандартных методах формования. Материал применяется для снижения концентрации вредных веществ в атмосферном воздухе мегаполисов, очистки воздуха в закрытых пространствах (тоннелях) и снижения эксплуатационных расходов на очистку фасадов и дорожных покрытий.

История создания и применения

Технология фотокаталитического бетона впервые была применена в архитектуре при строительстве Церкви Дио Падре Мизерикордиозо (Церковь Юбилея) в Риме (проект Ричарда Майера, 2003 год). Главным спонсором строительства выступила итальянская компания Italcementi, которая использовала собственную разработку — белый самоочищающийся цемент TX Active на основе диоксида титана[2].

Впоследствии материал был использован при строительстве других значимых объектов:

  • Здание больницы имени Мануэля Геа Гонсалеса, фасад которого покрыт диоксидом титана и, по заявлениям разработчиков, способен ежедневно поглощать выбросы, эквивалентные выхлопу 1000 автомобилей[2].
  • Павильон Palazzo Italia на выставке EXPO-2015. Фасад площадью около 9 тыс. м² состоит из 900 бетонных панелей, способных разрушать до 70 % оксидов азота[2].
  • Автодорожный участок протяжённостью более 3 км в Чикаго, где фотокаталитический цемент был применён для устройства внутренней полосы шоссе с целью очистки воздуха от смога[2].

Механизм действия и состав

В основе действия материала лежит процесс гетерогенного фотокатализа. Наиболее распространённым катализатором является диоксид титана в фазе анатаза[3].

Под действием кванта света (фотона) с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны (около 3,2 эВ), на поверхности частиц TiO₂ образуются электрон-дырочные пары. Дырки окисляют молекулы воды с образованием высокоактивных гидроксильных радикалов (OH*). Эти радикалы последовательно окисляют молекулы загрязнителей до безвредных нитратов, углекислого газа и воды[3].

В цементной матрице диоксид титана химически инертен и не участвует в реакциях гидратации. Со структурной точки зрения, наночастицы TiO₂ действуют как нано-наполнитель, снижающий суммарную пористость цементного камня на ранней стадии твердения[2].

Применение нанокомпозитов и инертных носителей

Для повышения эффективности и снижения расхода дорогого нанодиоксида титана, а также для сдвига спектра поглощения в видимую область, применяются методы нанесения TiO₂ на инертные носители с развитой удельной поверхностью (мезопористый диоксид кремния, цеолиты, активированный уголь) и допирование атомами углерода, азота, серы или фтора[4].

Синтезированные методом золь-гель активные композиционные фотокаталитические материалы (АКФМ) системы «TiO₂-SiO₂» показывают эффективность конверсии загрязнителей в 1,5–3,0 раза выше, чем у коммерческих аналогов[4]. Использование титаносиликатных нанокомпозитов (в том числе полученных из техногенных отходов) позволяет обеспечить самоочищение поверхности не только в ультрафиолетовой, но и в видимой области спектра, что критически важно для эксплуатации в условиях недостаточной инсоляции[5].

Технологические особенности

Несмотря на выраженные экологические и эксплуатационные преимущества, фотокаталитические бетоны имеют ряд технологических ограничений:

  • Агломерация наночастиц. Высокая удельная поверхность нанодобавок приводит к их слипанию. Для предотвращения агрегации и равномерного распределения катализатора в цементной матрице требуется применение ультразвукового диспергирования в присутствии поверхностно-активных веществ (ПАВ) или суперпластификаторов[6].
  • Снижение механической прочности. Увеличение массы фотокатализатора повышает его активность, но при добавлении свыше 5 % от массы цемента механические свойства модифицированного композита ухудшаются. Оптимальная концентрация классического TiO₂ составляет около 1 %, для нанокомпозитов TiO₂-SiO₂ — 1–2 %[5].
  • Токсичность промежуточных продуктов. В некоторых случаях побочные продукты фотокаталитического разложения могут быть токсичнее первичных загрязнителей. Проблема решается сильной адсорбцией промежуточных продуктов на поверхности катализатора до их полной минерализации[1].
  • Деактивация поверхности. В реальных условиях на поверхности бетона накапливается механическая пыль и продукты реакции, которые блокируют доступ света к катализатору. Требуется регулярная очистка поверхности водой[1].
  • Экономический фактор. Стоимость коммерческих фотокаталитических цементов и специализированных нанодобавок выше стоимости обычных портландцементов[1].

Области применения

Фасады и строительные конструкции

Материал применяется для облицовки зданий, подпорных стен и малых архитектурных форм. Самоочищающаяся поверхность (эффект супергидрофильности) предотвращает накопление грязи и плесени, сохраняя эстетический вид конструкций и снижая расходы на клининг[7].

Дорожное строительство

Фотокаталитические бетоны рассматриваются как экологичная альтернатива традиционному асфальтобетону. В отличие от асфальта, который при укладке и эксплуатации выделяет токсичные полиароматические углеводороды и имеет меньший срок службы, цементно-бетонные покрытия с TiO₂ обладают повышенной долговечностью и способны окислять выхлопные газы непосредственно с поверхности дорожного полотна[3][8].

Акустические экраны

Перспективным направлением является использование фотокаталитических бетонов для изготовления акустических экранов вдоль автомобильных дорог. Для одновременного повышения пористости (акустической эффективности) и фотокаталитической активности в состав мелкозернистого бетона вводят целлюлозную фибру и диоксид титана. Математическое моделирование показывает, что оптимальная концентрация добавок для таких экранов составляет около 1 % TiO₂ и 0,75 % целлюлозы от массы цемента[9].

Автодорожные тоннели

Особые требования предъявляются к применению фотокаталитических бетонов в закрытых автодорожных тоннелях для очистки воздуха от выхлопных газов. Для обеспечения эффективной работы покрытия необходимо соблюдение следующих параметров[1]:

  • Интенсивность ультрафиолетового излучения — около 10 Вт/м² (для предотвращения пассивации поверхности).
  • Показатель шероховатости покрытия — не более Ra < 50 мкм (для минимизации адсорбции пыли).
  • Относительная влажность воздуха — не выше 60 %.
  • Средняя скорость потока воздуха — менее 2 м/с (для обеспечения достаточного времени контакта воздуха с покрытием).
  • Рекомендуемая организация двустороннего движения для предотвращения ламинарного потока и увеличения времени реакции.
  • Обязательная регулярная очистка поверхности водой.

Стандартизация и применение в России

Факты массового использования фотокаталитических бетонов в реальных городских условиях на территории Российской Федерации на данный момент отсутствуют; ведутся преимущественно лабораторные и натурные исследования.

В 2016 году был введён в действие национальный стандарт ГОСТ Р 57255—2016 «Бетоны фотокаталитически активные самоочищающиеся. Технические условия», разработанный НИИЖБ им. А. А. Гвоздева. Методы испытаний по данному ГОСТу оценивают фотокаталитическую активность материалов в лабораторных условиях, но не касаются оценки их эффективности в реальной городской среде с учётом факторов ветровой эрозии, влажности и механического загрязнения[10][1].

Российские исследования также направлены на создание самоочищающихся мелкозернистых бетонов с использованием титаносиликатных нанодобавок, полученных из техногенного сырья. Экспериментально доказано, что введение таких добавок (1–2 % от массы цемента) не только придает бетону способность к самоочищению в видимом спектре света, но и повышает его прочность на сжатие до 50 %, снижает водопоглощение и увеличивает морозостойкость до марки F500[5].

Примечания

  1. ↑ 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 1,5 Слесарев М. Ю., Попов К. В. Исследование эффективности применения фотокаталитических бетонов в городском строительстве // Современное строительство и архитектура. – 2017. – № 3(07). – С. 18-20.
  2. ↑ 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 Курбатов В. Л., Дайронас М. В. Экологический эффект от фотокаталитического бетона // Университетская наука. – 2019. – № 1(7). – С. 24-27.
  3. ↑ 3,0 3,1 3,2 Ляпидевская О. Б., Фрайнт М. А. Фотокаталитический бетон для дорожного строительства // Вестник МГСУ. – 2014. – № 2. – С. 125-130.
  4. ↑ 4,0 4,1 Фаликман В. Р., Вайнер А. Я. Новые высокоэффективные нанодобавки для фотокаталитических бетонов: синтез и исследование // Нанотехнологии в строительстве. – 2015. – Т. 7, № 1. – С. 18-28.
  5. ↑ 5,0 5,1 5,2 Тюкавкина В. В., Цырятьева А. В. Мелкозернистые фотокаталитические бетоны на основе титаносиликатных отходов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. – 2023. – Т. 14, № 4. – С. 207-212.
  6. ↑ Тюкавкина В. В., Цырятьева А. В. Наноразмерные фотокаталитические добавки для самоочищающихся бетонов // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. – 2023. – № 20. – С. 468-476.
  7. ↑ Антоненко М. В. Активный композиционный фотокаталитический материал как эффективный компонент самоочищающихся бетонов // Современные проблемы науки и образования. – Пенза, 2021. – С. 24-26.
  8. ↑ Жарков Д. И. Фотокаталитический бетон как инновационное решение // Научно-исследовательский центр "Technical Innovations". – 2024. – № 24. – С. 59-63.
  9. ↑ Шестаков Н. И., Алексеева Д. С., Полосина Д. В. Эффективные фотокаталитические бетоны для акустических экранов автомобильных дорог // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. – 2020. – № 1(12). – С. 309-314.
  10. ↑ ГОСТ Р 57255—2016 Бетоны фотокаталитически активные самоочищающиеся. Технические условия. — М. : Стандартинформ, 2016.


Литература

  1. Мещеряков Ю. Г., Фёдоров С. В. Строительные материалы: учебник для студентов ВПО, обучающихся по направлению 270800 «Строительство». — 2013.
  2. Фрайнт М. А. Разработка фотокаталитического бетона для очистки атмосферного воздуха и обоснование экологической безопасности строительных конструкций на его основе: дис. … канд. техн. наук. — Москва, 2016. — 106 с.
  3. Слесарев М. Ю., Попов К. В. Исследование эффективности применения фотокаталитических бетонов в городском строительстве // Современное строительство и архитектура. — 2017. — № 3(07). — С. 18-20.
  4. Антоненко М. В. Активный композиционный фотокаталитический материал как эффективный компонент самоочищающихся бетонов // Современные проблемы науки и образования. — Пенза, 2021. — С. 24-26.
  5. Жарков Д. И. Фотокаталитический бетон как инновационное решение // Научно-исследовательский центр "Technical Innovations". — 2024. — № 24. — С. 59-63.
  6. Курбатов В. Л., Дайронас М. В. Экологический эффект от фотокаталитического бетона // Университетская наука. — 2019. — № 1(7). — С. 24-27.
  7. Ляпидевская О. Б., Фрайнт М. А. Фотокаталитический бетон для дорожного строительства // Вестник МГСУ. — 2014. — № 2. — С. 125-130.
  8. Тюкавкина В. В., Цырятьева А. В. Мелкозернистые фотокаталитические бетоны на основе титаносиликатных отходов // Труды Кольского научного центра РАН. Серия: Технические науки. — 2023. — Т. 14, № 4. — С. 207-212.
  9. Тюкавкина В. В., Цырятьева А. В. Наноразмерные фотокаталитические добавки для самоочищающихся бетонов // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. — 2023. — № 20. — С. 468-476.
  10. Фаликман В. Р., Вайнер А. Я. Новые высокоэффективные нанодобавки для фотокаталитических бетонов: синтез и исследование // Нанотехнологии в строительстве. — 2015. — Т. 7, № 1. — С. 18-28.
  11. Шестаков Н. И., Алексеева Д. С., Полосина Д. В. Эффективные фотокаталитические бетоны для акустических экранов автомобильных дорог // Ресурсоэнергоэффективные технологии в строительном комплексе региона. — 2020. — № 1(12). — С. 309-314.
  12. ГОСТ Р 57255—2016 Бетоны фотокаталитически активные самоочищающиеся. Технические условия. — М. : Стандартинформ, 2016.

Ссылки

  1. Фотокаталитический бетон. Современный взгляд на старые вещи.
  2. ТiO2 — Titanium Dioxide | Двуокись титана (диоксид титана) | Свойства, область применения, производители диоксида титана
Источник — «https://stroytechnolog.ru/wiki/index.php?title=Фотокаталитический_бетон&oldid=3877»