CC BY
5Научная статья УДК 661.1
doi:10.37614/2949-1215.2022.13.1.046
ВЛИЯНИЕ ТИТАНОСИЛИКАТНЫХ ПОРОШКОВ НА ПРОЧНОСТНЫЕ СВОЙСТВА БЕТОННЫХ СМЕСЕЙ И ИХ СПОСОБНОСТЬ К САМООЧИЩЕНИЮ
Анна Васильевна Цырятьева1, Вера Владимировна Тюкавкина2
12Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья имени И. В. Тананаева
Кольского научного центра Российской академии наук, Апатиты, Россия
1a.tsyriateva@ksc.ru
2v.tiukavkina@ksc.ru
Аннотация
Было изучено влияние титаносиликатной добавки на прочностные и самоочищающиеся свойства бетонных смесей. Выявлено, что титаносиликатная добавка способствует повышению прочности мелкозернистого бетона. Максимальный прирост прочности наблюдается при содержании добавки в количестве 1 мас. %. Наблюдается полная деградация органического красителя на поверхности бетона при воздействии как УФ, так и видимого света. Использование титаносиликатной добавки в составе бетонной смеси позволит получать мелкозернистый бетон с повышенной прочностью и самоочищающейся поверхностью. Ключевые слова:
титаносиликатный порошок, фотокаталитическая активность, краевой угол смачивания, прочность Original article
INFLUENCE OF TITANOSILICATE POWDERS ON THE STRENGTH PROPERTIES OF CONCRETE MIXTURES AND THEIR ABILITY TO SELF-CLEANING
Anna V. Tsyryatieva1, Vera V. Tyukavkina2
12I. V. Tananaev Institute of Chemistry and Technology of Rare Elements and Mineral Raw Materials of the Kola Science Centre of the Russian Academy of Sciences, Apatity, Russia 1a.tsyriateva@ksc.ru 2v.tiukavkina@ksc.ru
Abstract
The effect of titanosilicate additive on the strength and self-cleaning properties of concrete mixes was studied. It was revealed that the titanosilicate additive helps to increase the strength of fine-grained concrete. The maximum increase in strength is observed when the content of the additive in the amount of 1 wt. %. There is a complete degradation of the organic dye on the surface of the concrete under the influence of both UV and visible light. The use of titanosilicate additive in the composition of the concrete mix will make it possible to obtain fine-grained concrete with increased strength and a self-cleaning surface. Keywords:
titanosilicate powder, photocatalytic activity, contact angle, strength
В последние годы интенсивно развиваются исследования в области применения нанокомпозитов диоксидов титана и кремния в составе композиционных материалов. Установлено, что применение системы TiO2 — SiO2 улучшает механические свойства цементного камня и способствует приобретению самоочищающихся и бактерицидных свойств строительных материалов [1-7].
Ранее нами было исследовано влияние техногенных продуктов, являющихся отходом технологической схемы получения щелочного титаносиликатного сорбента, имеющих различия по фазовому составу и удельной поверхности, на прочностные и фотокаталитические свойства цементного теста [8, 9]. Было показано, что использование титаносиликатных добавок ускоряет процесс гидратации цемента, повышает прочность и придает поверхности цементной композиции способность к самоочищению. Результаты показали, что введение титаносиликатных отходов способствует увеличению прочности цементного камня. Наибольшей степенью гидратации и максимальными показателями прочности обладает титаносиликатный порошок со структурой, подобной минералу иванюкиту, имеющему наибольшую удельную поверхность (50,2 м2 / г).
Введение в состав цементной композиции слабо раскристаллизованного иванюкита в количестве 1-4 мас. % повышает прочность после 1 сут твердения на 39-59 %, через 28 сут — на 12-21 % по сравнению с контрольным составом [8]. Степень разложения органического красителя, нанесенного на поверхность цементного камня, модифицированного иванюкитом, составила 100 % при УФ-облучении, 90 % — при облучении видимым светом [10].
Поскольку состав мелкозернистого бетона отличается от состава цементных композиций наличием заполнителя, то оптимальное количество добавки, соответствующее цементному тесту, не будет являться таковым для бетона. Задача данного исследования состояла в разработке мелкозернистого бетона, модифицированного отходом получения титаносиликатного сорбента, со структурой, подобной минералу иванюкиту (TS), обладающему самоочищающейся поверхностью и повышенной прочностью.
Химический, фазовый составы и поверхностные свойства используемой титаносиликатной добавки приведены в работе [8]. Содержание добавки в бетонной смеси составляло 0,5-3 мас. %. Для равномерного распределения добавки в объеме цементной смеси и снижения водопотребности TS в бетонную смесь вводили совместно с пластификатором (СП) на основе поликарболксилатного эфира Glenium® 51(FM) / (BV). В качестве заполнителя использовали кварцевый песок с модулем крупности 2,3 по ГОСТ 8736-2014 «Песок для строительных работ. Технические условия». Соотношение цемент : песок составляло 1 : 3. В качестве вяжущего использовали портландцемент типа CEM I 52,5Н (ООО «Хайдельберг Цемент Рус», г. Стерлитамак, Башкортостан). Для предотвращения агломерации наночастицы TiO2 — SiO2 предварительно подвергали ультразвуковому диспергированию (УЗД) при помощи ультразвукового диспергатора УЗД 2-0,1/22 в водной среде в течение 10 мин. Прочность мелкозернистого бетона определяли через 3, 7, 28 и 180 сут твердения. Результаты исследований прочностных свойств сравнивали с бездобавочным составом (контрольным) (табл. 1).
Таблица 1
Прочностные показатели бетона, модифицированного титаносиликатной добавкой
№ пробы Количество добавки, мас. % СП, мас. % В / Ц Прочность, МПа
при изгибе через ... сут твердения при сжатии через ... сут твердения
3 7 28 3 7 28 180
Контр. 0 - 0,45 4,5 6,4 6,4 27,9 31,3 45,9 42,5
TS 1 0,22 0,45 6,1 7,1 8,2 47,1 50,3 55,8 63,7
TS 2 0,24 0,45 5,0 6,0 6,3 40,3 46,2 50,2 55,1
TS 3 0,29 0,45 5,0 5,3 5,4 40,5 46,0 47,4 52,9
Как видно из представленных в табл. 1 данных, введение добавки TS в составе бетона повышает прочность на сжатие и прочность на изгиб для всех образцов и во все сроки твердения по сравнению с контрольным составом. Максимальный прирост прочности наблюдается при содержании добавки в количестве 1 мас. %, при этом прочность увеличивается на 68, 60, 32 и 50 %, на 3, 7, 28, 180-е сут твердения соответственно по сравнению с контрольным составом. Значение прочности при изгибе выше контрольного состава на 35, 11 и 28 % на 3, 7 и 28-е сут твердения соответственно. При введении добавки более 1 мас. % прочность бетона при сжатии и изгибе понижается.
Имеются работы [11, 12], в которых отмечено, что повышение прочности бетона, содержащего ТО, отмечается лишь на ранних сроках твердения, а после достижения марочной прочности (28 дней) прочностные свойства снижаются. Полученные нами результаты по кинетике твердения бетона, модифицированного титаносиликатной добавкой, показали, что прочность продолжает расти после 28 сут твердения относительно контрольного состава, прирост прочности на 180-е сут составил 24-50 %. Увеличение прочности обусловлено хорошей пуццолановой активностью SiO2.
Фотокаталитическую активность используемой титаносиликатной добавки определяли методом фотоколометрии [10]. Степень разложения органического красителя метиленового синего (МС) при облучении УФ и видимым светом водного раствора TS составила 98 и 88 % соответственно. Предположено, что такая высокая фотокаталитическая активность обусловлена особенностями фазового состава и высокой удельной поверхностью TS (50,2 м2 / г) [8].
Цементные композиции, содержащие титаносиликатную добавку, являющуюся отходом производства титаносиликатного сорбента, обладают самоочищающейся поверхностью как в УФ, так и в видимом спектре света [10]. Полная деструкция органического красителя, нанесенного на поверхность цементного камня, была достигнута спустя 28 ч при облучении УФ, а при экспонировании видимым светом составила 75,7 % за то же время. Полное разложения МС при обработке видимым светом было достигнуто через 44 ч эксперимента.
Оценку способности к самоочищению бетона, модифицированного добавкой TS, определяли двумя методами: по изменению интенсивности окраски МС, нанесенного на поверхность, и по измерению краевого угла смачивания (КУС). Результаты сравнивались с коммерческим катализатором Degussa P25 и контрольным составом.
Определение изменения интенсивности окраски поверхности бетона (тест на обесцвечивание органического красителя) проводили в соответствии с методикой, описанной в работе [9]. На рис. 1 представлены данные о скорости разложения МС во времени под воздействием видимого и ультрафиолетового света.
Рис. 1. Изменение степени разложения МС на поверхности бетона после воздействия УФ и видимым светом
Таблица 2
Значение КУС после облучения УФ и видимым светом
Содержание добавки в бетоне, мас. % СП, мас. % КУС водой менее 5 ° достигается после облучения УФ через ..., мин КУС водой менее 5 ° достигается после облучения видимым светом через ..., мин
0 - 50 55
0,5 0,22 40 45
1 0,22 40 45
1 0,29 35 40
1,5 0,32 35 40
1,5 0,29 35 40
2 0,32 35 40
3 0,32 35 40
Как видно из приведенных данных, образцы, содержащие титаносиликатную добавку TS, проявляют более высокую способность к самоочищению как в ультрафиолетовой, так и в видимой областях спектра по сравнению с коммерческим диоксидом титана Р25. Повышенная фотокаталитическая способность TS обусловлена присутствием связи Si-O-Ti, которая активирует каталитические центры композитных оксидов в реакциях окисления и разложения органических соединений [13]. Полная деградация органического красителя на поверхности бетона, содержащего титаносиликатную добавку, наступила через 36 ч при УФ-облучении и через 40 ч при воздействии видимым светом, в то время как у бетона, модифицированного коммерческим диоксидом титана, — через 56 и 88 ч соответственно. Способность к самоочищению в видимом свете указывает на возможность применения титаносиликатной добавки TS в естественных городских условиях.
Для определения способности к самоочищению фотокаталитического бетона было проведено измерение КУС в соответствии с ГОСТ Р 57255-2016 «Бетоны фотокаталитически активные самоочищающиеся. Технические условия». Результаты приведены в табл. 2.
Результат измерения КУС показал, что с увеличением содержания добавки от 0,5-3 мас. % происходит незначительное уменьшение времени достижения значения угла менее 5 ° как при УФ, так и при видимом свете.
На рисунке 2 графически показана кинетика изменения во времени КУС бетона в зависимости от содержания добавки в бетонной смеси при облучении УФ и видимым светом.
Время облучения, мин Время облучения, мин
Рис. 2. Кинетика изменения КУС бетона, модифицированного TS, при облучении УФ и видимым светом
Из рисунков видно, что при обработке УФ КУС принимает значение менее 5 ° быстрее, чем при обработке видимым спектром света, но разница во времени незначительна и составляет всего 5-10 мин для всех образцов. Наиболее значительное уменьшение КУС происходит в первые 25 мин воздействия УФ и видимого излучения, а далее процесс замедляется. Контактный угол смачивания достигает значения менее 5 ° за 35-40 мин при воздействии УФ-излучения и за 40-45 мин при воздействии видимым светом.
Определено, что TS проявляет свою фотокаталитическую активность в составе бетона и придает его поверхности свойства самоочищения и гидрофильные свойства, что позволяет притягивать воду, смывающую грязь с поверхности. Применение титаносиликатных техногенных порошков в составе бетонов будет способствовать очистке воздуха городской среды и поверхности зданий от летучих органических соединений, пыли и органический загрязнений.
Проведенными исследованиями установлено, что для достижения максимальной марочной прочности оптимальное содержание TS в бетонной смеси составляет 1 %, такого же количества добавки достаточно для достижения фотокаталитического эффекта. Таким образом, использование 1 мас. % добавки TS в бетонной смеси совместно с СП позволяет получить мелкозернистый бетон, обладающий повышенной прочностью и самоочищающейся поверхностью, эффективной в естественных условиях городской застройки.
Список источников
1. Han B. G., Li Z., Zhang K. Q., Zeng S. Z., Yu X., Han B., Ou J. P. Reactive powder concrete reinforced with nano SiO2-coated TiO2 // Constr. Build. Mater. 2017. 148. P. 104-112.
2. Oltulu M., Sahin R. Effect of nano-SiO2, nano-АЬОз and nano-Fe2O3 powders on compressive strengths and capillary water absorption of cement mortar containing fly ash: A comparative study // Energy and Buildings. 2013. Vol. 58. P. 292-301. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.12.014
3. Sikora P., Cendrowski K., Markowska-Szczupak A., Horszczaruk E., Mijowska E. The effects of silica/titania nanocomposite on the mechanical and bactericidal properties of cement mortars // Construction and Building Materials. 2017. 150. P. 738-746. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.054
4. Zhang M., Lei E., Zhang R., Liu Z. The effect of SiO2 on TiO2 — SiO2 composite film for self-cleaning application // Surf. Interfaces. 2018. https://doi.org/10.1016/j. surfin.2018.10.005
5. Peng R., Banerjee S., Sereda G., Koodali R. T. TiO2 — SiO2 mixed oxides: organic ligand templated controlled deposition of titania and their photocatalytic activities for hydrogen production // Int. J. Hydrogen Energy. 2012. 37. P. 17009-17018. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.07.047
6. Jingge Ren, Yuanming Lai, Jianqiang Gao. Exploring the influence of SiO2 and TiO2 nanoparticles on the mechanical properties of concrete // Construction and Building Materials. 2018. 175. P. 277-285. http s: //doi .org/ 10.1016/j .conbuildmat.2018.04.181
7. Rao S., Silva P., de Brito J. Experimental study of the mechanical properties and durability of self-compacting mortars with nano materials (SiO2 and TiO2) // Construction and Building Materials. 2015. 96. P.508-517.
8. Тюкавкина В. В., Герасимова Л. Г., Цырятьева А. В. Синтетические титаносиликатные добавки для специальных цементных композитов // Перспективные материалы. 2019. № 4. С. 40-48.
9. Tyukavkina V. V., Shchelokova E. A., Tsyryateva A. V., Kasikov A. G. TiO2 — SiO2 nanocomposites from technological wastes for self-cleaning cement composition // Journal of Building Engineering. 2021.44.102648.
10. Цырятьева А. В., Тюкавкина В. В. Оценка фотокаталитической активности титаносиликатных порошков синтетического происхождения // Труды Кольского научного центра РАН. Химия и материаловедение. 2021. Вып. 2. Т. 11, № 5. DOI:10.37614/2307-5252.2021.2.5.055
11. Lucas S. S., Ferreira V. M., de Aguiar J. L. B. Incorporation of titanium dioxide nanoparticles in mortars — influence of microstructure in the hardened state properties and photocatalytic activity // Cem. Concr. Res. 2013. No. 43. P. 112-120.
12. Behfarnia K., Keivan A. The effects of TiO2 and ZnO nanoparticles on physical and mechanical properties of normal concrete // Asian J. Civ. Eng. 2013. No. 14 (4). P. 517-531.
13. Banerjee A. N. The design, fabrication and photocatalytic utility of nanostructured semiconductors: focus on TiO2-based nanostrures // Nanotechnology, Science and Applications. 2011. Vol. 4. P. 35-65.
References
1. Han B. G., Li Z., Zhang L. Q., Zeng S. Z., Yu X., Han B., Ou J. P., Reactive powder concrete reinforced with nano SiO2-coated TiO2. Constr. Build. Mater, 2017, vol. 148, pp. 104-112.
2. Oltulu M., Sahin R. Effect of nano-SiO2, nano-AhO3 and nano-Fe2O3 powders on compressive strengths and capillary water absorption of cement mortar containing fly ash: A comparative study. Energy and Buildings, 2013, vol. 58, pp. 292-301. https://doi.org/10.1016/j.enbuild.2012.12.014
3. Sikora P., Cendrowski K., Markowska-Szczupak A., Horszczaruk E., Mijowska E. The effects of silica/titania nanocomposite on the mechanical and bactericidal properties of cement mortars. Construction and Building Materials, 2017, vol. 150, рр. 738-746. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.054
4. Zhang M., Lei E., Zhang R., Liu Z., The effect of SiO2 on TiO2-SiO2 composite film for self-cleaning application. Surf. Interfaces, 2018. https://doi.org/10.1016/j. surfin.2018.10.005
5. Peng R., Banerjee S., Sereda G., Koodali R. T., TiO2-SiO2 mixed oxides: organic ligand templated controlled deposition of titania and their photocatalytic activities for hydrogen production. Int. J. Hydrogen Energy, 2012, vol. 37, pp. 17009-17018. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2012.07.047
6. Jingge Ren, Yuanming Lai, Jianqiang Gao, Exploring the influence of SiO2 and TiO2 nanoparticles on the mechanical properties of concrete. Construction and Building Materials, 2018, vol. 175, pp. 277-285. https: //doi .org/ 10.1016/j .conbuildmat .2018.04.181
7. Rao S., Silva P., de Brito J., Experimental study of the mechanical properties and durability of self-compacting mortars with nano materials (SiO2 and TiO2). Construction and Building Materials, 2015, vol. 96, pp. 508-517.
8. Tyukavkina V. V., Gerasimova L. G., Cyryat'eva A. V. Sinteticheskie titanosilikatnye dobavki dlya special'nyh cementnyh kompozitov [Synthetic titanosilicate additives for special cement composites]. Perspektivnye materialy [Promising Materials], 2019, no. 4, pp. 40-48. (In Russ.).
9. Tyukavkina V. V., Shchelokova E. A., Tsyryateva, A. V., Kasikov A. G. TiO2-SiO2 nanocomposites from technological wastes for self-cleaning cement composition. Journal of Building Engineering, 2021, vol. 44, p. 102648.
10. Tsyryat'eva A. V., Tyukavkina V. V. Ocenka fotokataliticheskoj aktivnosti titanosilikatnyh poroshkov sinteticheskogo proiskhozhdeniya [Evaluation of photocatalytic activity of titanosilicate powders of synthetic origin]. Trudy Kol'skogo nauchnogo centra RAN. Khimiya i materialovedenie [Proceedings of Kola Scientific Center of RAS. Chemistry and Material Science], 2021, issue 2, vol. 11, no. 5, pp. 273-278. (In Russ.).
11. Lucas S. S., Ferreira V. M., de Aguiar J. L. B. Incorporation of titanium dioxide nanoparticles in mortars — influence of microstructure in the hardened state properties and photocatalytic activity. Cem. Concr. Res, 2013, no. 43, pр. 112-120.
12. Behfarnia K., Keivan A. The effects of TiO2 and ZnO nanoparticles on physical and mechanical properties of normal concrete. Asian J. Civ. Eng., 2013, no. 14 (4), pp. 517-531.
13. Banerjee A. N. The design, fabrication and photocatalytic utility of nanostructured semiconductors: focus on TiO2-based nanostrures. Nanotechnology, Science and Applications, 2011, vol. 4, pp. 35-65.
Информация об авторах
A. В. Цырятьева — инженер первой категории;
B. В. Тюкавкина — кандидат технических наук, старший научный сотрудник.
Information about authors
A. V. Tsyryatyeva — First Category Engineer;
V. V. Tyukavkina — Candidate of Engineering Sciences, Senior Researcher.
Статья поступила в редакцию 16.02.2022; одобрена после рецензирования 04.04.2022; принята к публикации 08.04.2022.
The article was submitted 16.02.2022; approved after reviewing 04.04.2022; accepted for publication 08.04.2022.
