Bewertung der Katastrophenresilienz von Beton mit Titandioxid-Nanopartikeln

Zusammenfassung

Dieses Protokoll beschreibt die Bewertung, ob die Anwendung von Titandioxid auf Beton seine physikalischen Eigenschaften verbessert und dadurch seine Widerstandsfähigkeit gegen die Auswirkungen von Naturkatastrophen, die durch Extremereignisse verursacht werden, erhöht.

Zusammenfassung

In den letzten Jahrzehnten hat sich das Auftreten von Extremereignissen in verschiedenen Regionen der Welt verstärkt und hat erhebliche Auswirkungen auf die Wirtschaft, die Sicherheit und die Lebensqualität der betroffenen Bevölkerung. Diese Realität unterstreicht den dringenden Bedarf an innovativen Lösungen, um solche Schäden zu mindern. In diesem Rahmen hat sich die Nanotechnologie als vielversprechendes Paradigma herausgestellt, wobei sich Nanoadditive als wirksame Mittel zur Verbesserung der Haltbarkeit, Dichtigkeit und mechanischen Festigkeit von Baumaterialien auszeichnen. Nanopartikel wie Titandioxid (TiO₂), Kohlenstoffnanoröhren (CNTs), Siliziumdioxid, Ton und Kupfer (Cu) wurden mit Verbesserungen der Haltbarkeit, des Festigkeits-Gewichts-Verhältnisses, der Stabilität und der seismischen Belastbarkeit in Verbindung gebracht. Die Integration dieser Nanomaterialien fördert die Verdichtung der Betonmatrix, indem sie Hohlräume und Kapillaren reduziert, wodurch die Abdichtung verbessert und das Eindringen schädlicher Substanzen verhindert wird. Die vorliegende Studie bietet eine experimentelle Untersuchung, die durch eine umfassende Literaturrecherche ergänzt wird, einschließlich Wasserabsorptionssimulationen und Bewertungen der Oberflächenintegrität sowohl in behandelten als auch in unbehandelten Materialien. Ziel ist es, den Beitrag von Nanoadditiven zu Sicherheit, Haltbarkeit und Nachhaltigkeit angesichts der Herausforderungen des Klimawandels zu bewerten. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass eine Zugabe von 1 % nanoTiO₂ die höchste mechanische Festigkeit ergibt, während höhere Konzentrationen die Vorteile aufgrund der Partikelagglomeration tendenziell verringern. Diese Erkenntnis unterstreicht, wie wichtig es ist, den Nanopartikelgehalt zu optimieren, um die Widerstandsfähigkeit von Beton gegen Naturkatastrophen zu erhöhen und zu nachhaltigen Baupraktiken beizutragen. Der Vergleich mit kupferbasierten Additiven zeigt, dass Kupferformulierungen trotz einer gewissen relativen Festigkeitszunahme im Laufe der Zeit in ihrer mechanischen Leistung unzureichend sind, was nanoTiO₂ als vielversprechenderes Mittel zur Verbesserung der Haltbarkeit von Beton in katastrophengefährdeten Umgebungen hervorhebt. Angesichts der zunehmenden Häufigkeit von Umweltkatastrophen erfordert die Anpassung des Bauwesens durch den nachhaltigen Einbau von Nanomaterialien eine sorgfältige Abwägung der Syntheseprozesse, der Langzeitstabilität und der potenziellen ökologischen Auswirkungen, die mit den Wechselwirkungen von Nanopartikeln mit biotischen und abiotischen Umweltkomponenten verbunden sind.

Einleitung

Katastrophen sind Extremereignisse, die durch das Auftreten von Naturphänomenen definiert sind, die ein Risiko für die Gesellschaft darstellen können, wie z. B. Überschwemmungen, Erdrutsche, Erdbeben und andere derartige Ereignisse, die auch durch anthropogene Faktoren beeinflusst werden können¹. Im Zuge des Klimawandels, der im Jahr 2024 stattfand, erlebten afrikanische Länder wie Kenia sowie asiatische Länder wie Indonesien und Afghanistan schwere Überschwemmungen, die Hunderte von Todesopfern und Tausende von Obdachlosen zur Folge hatten². Von 1998 bis 2017 waren weltweit mehr als zwei Milliarden Menschen von Überschwemmungen^betroffen3. Laut Marengo et al. wurden zwischen 2013 und 2022 mehr als 2,2 Millionen Häuser in Brasilien beschädigt, von denen über 4,2 Millionen Menschen in 2.640 Gemeinden betroffen waren. Die Überschwemmungen dauern aufgrund einer Kombination natürlicher, sozialer und klimatischer Faktoren an und haben Schäden in der Größenordnung von 10 Milliarden US-Dollar^{verursacht 4}.

Angesichts der zunehmenden Schwere und des weit verbreiteten Risikos dieser Ereignisse in den letzten Jahren haben Forscher und Fachleute nach Managementstrategien und neuen Technologien gesucht, die darauf abzielen, widerstandsfähige Gemeinschaften zu fördern, parallel zu den Fortschritten der Industrie hin zu mehr Nachhaltigkeit ^5,6. Zu den vielversprechenden Materialien für Anwendungen im Tiefbau zur Erhöhung der Katastrophenresilienz gehören Titandioxid-Nanopartikel (nanoTiO₂), die zahlreiche Vorteile für wichtige Baumaterialien, einschließlich Beton, gezeigt haben ^7,8.

Der Einsatz von Nanomaterialien in der Bauindustrie ist mittlerweile in einer Reihe von Anwendungen weit verbreitet. Sie werden in Farben und Lacken eingesetzt, um die Beständigkeit gegen UV-Degradation und Angriff durch aggressive Substanzen zu erhöhen. Diese Materialien tragen zu einer längeren Haltbarkeit, einer geringeren Durchlässigkeit, einer verbesserten Wärmedämmung und einer verbesserten Feuerbeständigkeit bei. Wenn TiO₂ beispielsweise in Asphalt eingearbeitet wird, interagiert es mit umweltschädlichen Gasen und wandelt sie in weniger schädliche Verbindungen um. Auf Glas aufgetragen, kann TiO₂ die Oberfläche selbstreinigend machen, da die Oxidschicht organische Moleküle abbaut und die Entfernung von anorganischem Staub erleichtert. Ultraviolette Strahlung interagiert mit der selbstreinigenden Glasschicht, wodurch Moleküle weiter abgebaut und organischer Staub entfernt wird. Die Entwicklung neuer Baustoffe ist unerlässlich, um Bauwerke widerstandsfähiger gegen Umwelteinflüsse zu machen und so die Auswirkungen von Katastrophen zu verringern und die Sicherheit zu erhöhen.

Titandioxid, das für seinen Weißgrad und seine Stabilität bekannt ist, erlangte erstmals in den 1970er Jahren eine breite Öffentlichkeit, vor allem als Pigment in Beton und anderen Baustoffen⁹. In dieser Zeit wurde TiO₂ eingesetzt, um hochwertige, langlebige Oberflächen auf Außenflächen zu erzeugen. Ab den 1990er Jahren zeichnete sich mit der Entdeckung seiner photokatalytischen Eigenschaften eine neue Richtung ab, die die Einsatzmöglichkeiten von TiO₂ im Bausektor deutlich erweiterte¹⁰.

Um die Relevanz und Anwendbarkeit von TiO₂ im Bauwesen vollständig zu verstehen, ist es wichtig, seine Eigenschaften zu skizzieren und sie mit praktischen Vorteilen wie Biege-, Zug- und Druckfestigkeit in Beziehung zu setzen, zusammen mit Haltbarkeitsindikatoren wie elektrischem Widerstand, Permeabilität und Beständigkeit gegen Sulfatangriff, Karbonatisierung und Frost-Tau-Zyklen. Experimentelle Ergebnisse von Ali Nazari et al. deuten darauf hin, dass die Biegefestigkeit des Betons mit der Zugabe von TiO2-Nanopartikeln bis zu einer Konzentration von 3,0 % zunimmt. Obwohl dies direkte Vorteile darstellt, sollten die photokatalytischen und bakteriziden Eigenschaften von_{TiO 2} auch als signifikante langfristige wirtschaftliche Vorteile angesehen werden¹¹.

Die Fähigkeit fortschrittlicher Materialien, die Stabilität gegenüber externen Umwelteinflüssen aufrechtzuerhalten, einschließlich Katastrophenszenarien wie Verwitterung, Klimawandel (z. B. erhöhter CO₂ -Gehalt) und Überschwemmungen, ist heute von großer Bedeutung. Eine flächendeckende Einführung ist jedoch nur möglich, wenn Produktion und Anwendung ökologisch nachhaltig sind 12,13,14. Diese Sorge ist besonders ausgeprägt, wenn man bedenkt, dass die Zementherstellung für etwa 5 bis 8 Prozent der weltweiten CO₂ -Emissionen verantwortlich ist, was einen erheblichen Teil des Fußabdrucks des Bausektors ausmacht, während Zement nach wie vor die Hauptstütze ist und der weltweite Pro-Kopf-Verbrauch bei etwa 20 Milliarden Tonnen liegt 15,16,17,18,19,20,21,22.

In diesem Zusammenhang wird in der vorliegenden Handschrift über die Entwicklung und Anwendung eines experimentellen Verfahrens zur Bewertung der charakteristischen Eigenschaften von nanoTiO₂ berichtet, wobei der Schwerpunkt auf Parametern wie der mechanischen Festigkeit von behandeltem Beton liegt. Die Studie stützt sich auf eine fokussierte Literaturrecherche, die den potenziellen Nutzen dieser Nanopartikel, regulatorische Überlegungen, eine nachhaltige Produktion und ihre Relevanz im Kontext von Katastrophenszenarien untersucht.

Aspekte von Titandioxid in Beton
Titandioxid-Nanopartikel (nanoTiO₂) umfassen Größen von 1 bis 100 Nanometern und nehmen typischerweise kugelförmige oder ellipsoide Morphologien an. Ihre nanoskaligen Abmessungen verleihen eine deutlich vergrößerte Oberfläche, was ihre Reaktivität erheblich erhöht²³. Diese Nanopartikel haben aufgrund ihrer charakteristischen Eigenschaften und vielfältigen Anwendungen im Bereich der zementbasierten Komposite an Bedeutung gewonnen 24,25,26. NanoTiO₂ hat sich zu einer vielseitigen Komponente in zementgebundenen Formulierungen entwickelt und weist Eigenschaften auf, die es für eine Vielzahl von industriellen Anwendungen geeignet machen 11,16,18,20.

Dieses Nanomaterial wird aus mehreren Gründen eingesetzt, darunter günstige chemische Eigenschaften, geringe Toxizität, Kosteneffizienz, Korrosionsschutzeigenschaften und photokatalytische Fähigkeiten^27,28. NanoTiO₂ kann die Beständigkeit von Beton gegen die Handhabung erhöhen, ein Faktor, der durch die Photokatalyse, die unter ultraviolettem (UV) Licht auftritt, verstärkt wird. Es besitzt die Fähigkeit, organische Substanzen - wie Schadstoffe, Schmutz und Mikroorganismen - im Beton zu zersetzen²⁹. Darüber hinaus kann_{nanoTiO 2} hochreaktive freie Radikale erzeugen, die der Oberfläche reinigende Eigenschaften verleihen, und es schützt den Beton vor Schäden durch verschleißbeschleunigende Witterungseinflüsse wie Stickoxide³⁰.

NanoTiO_2-Partikel können verschiedene kristalline Formen annehmen - Rutil, Anatas- und Brookit - jede mit unterschiedlichen Eigenschaften. Anatase und Rutil sind die häufigsten Polymorphe von TiO₂, während die Eigenschaften von Brookit noch nicht vollständig verstanden sind, was eine Herausforderung für die industrielle Anwendung darstellt 31,32,33,34. Aufgrund der photokatalytischen Eigenschaften von TiO₂ wird Anatas häufig in Wasser- und Luftreinigungssystemen eingesetzt, wo es organische und anorganische Verunreinigungen sehr effektiv zersetzt. Rutil findet umfangreiche Verwendung in der Textil-, Kunststoff- und Farbenindustrie, und die Rutilform wird aufgrund ihrer UV-blockierenden Eigenschaften auch häufig in Sonnenschutzmitteln und anderen Kosmetika eingesetzt ^35,36.

Titandioxid-Nanopartikel (nanoTiO₂) bieten vielseitige Anwendungen in Baumaterialien wie Beton, verbessern die Leistung und führen neue Funktionalitäten ein. Zu ihren bemerkenswerten Eigenschaften gehören antimikrobielle und selbstreinigende Eigenschaften, die vielversprechend sind, um die Luftverschmutzung in Städten durch die Umwandlung umweltschädlicher Gase zu verringern 37,38,39. Bei Einwirkung von Sonnenlicht kann_{nanoTiO 2} organische Substanzen in Wasser und Kohlendioxid zersetzen, wobei die entstehenden Nebenprodukte anschließend durch Wasser^{entfernt werden 40}.

Darüber hinaus kann die puzzolanische Aktivität von nanoTiO₂ an der äußeren Grenzfläche von Beton die Dauerhaftigkeit erhöhen, obwohl sie mit einer erhöhten Wasseraufnahme und potenziellen Auswirkungen auf die Verarbeitbarkeit verbunden sein kann⁴¹. Es ist auch wichtig zu beachten, dass_{nanoTiO2-Partikel} innerhalb der Zementmatrix agglomerieren können, was die Leistung beeinträchtigen^{kann 42,43,44}. Was die Gasdegradation betrifft, so hat Beton, der TiO₂ enthält, z. B. in Fahrbahnanwendungen, das Potenzial, die troposphärischen_{O3-Konzentrationen} zu senken⁴⁵.

Die photokatalytischen Fähigkeiten von TiO₂ ermöglichen die Bildung von Hydroxylradikalen (OH) und Superoxidionen (_O2-) in Gegenwart von Wasser unter ultravioletter Bestrahlung. Diese hochreaktiven Spezies oxidieren und zersetzen Schmutz und anorganische Verunreinigungen. Die photokatalytische Wirkung von TiO₂ senkt auch den Kontaktwinkel von Wasser auf Oberflächen und verbessert so die Selbstreinigungsleistung⁴⁶. Diese selbstreinigende Eigenschaft trägt dazu bei, Luftverunreinigungen zu reduzieren und möglicherweise die Schadstoffkonzentrationen zu senken, die mit treibhausgasbedingten Klimarisiken verbunden sind.

NanoTiO₂ trägt auch zur Erhöhung der Biege- und Druckfestigkeit von Materialien bei. In Bezug auf die Druckfestigkeit reduziert nanoTiO₂ die Porosität, verfeinert die Porenstruktur, verdichtet die Matrix und fördert die Hydratation. Um diese Vorteile zu erzielen, ist jedoch eine sorgfältige Kontrolle der Partikelbelastung und eine effektive Homogenisierung erforderlich, um eine Agglomeration und die Bildung von Schwachzonen zu verhindern, die Risse auslösen könnten⁴⁷. TiO₂ wirkt als Füllstoff, der das zementäre Komposit verdichtet und dadurch die Porosität reduziert. Dieses Ergebnis ist verbunden mit (i) der Beschleunigung der C-S-H-Gelbildung, (ii) einer Verringerung des verfügbaren Raums für die Ca(OH)_{2-Entwicklung} , was zu kleineren Kristalliten führt, und (iii) der Schaffung einer homogeneren Mikrostruktur mit reduzierter Porosität. Durch entsprechend kalibrierte Zusätze von TiO₂ kann auch die Biegefestigkeit von Zementkompositen⁴⁸ erhöht werden.

Es hat sich gezeigt, dass NanoTiO₂ die Haltbarkeit von zementartigen Kompositen erheblich verbessert, indem es die Porosität und Wasserdurchlässigkeit reduziert und Schutz vor chemischen Angriffen und Umwelteinflüssen wie ultravioletter Strahlung bietet. Dieser Vorteil hängt jedoch von der ausreichenden Dispersion der Nanopartikel ab, da ihre hohe Oberflächenenergie und ihre Van-der-Waals-Wechselwirkungen auf der Nanoskala die Agglomeration tendenziell fördern³⁷. Bei richtiger Homogenisierung verbessert der Einbau von nanoTiO₂ die Dichtigkeit, den elektrischen Widerstand und die Beständigkeit gegen Frost-Tau-Zyklen und Sulfatangriff, was sein Potenzial für Konstruktionen unterstreicht, die Katastrophen standhalten sollen. Bei hohen Konzentrationen können diese Vorteile jedoch verringert oder sogar umgekehrt werden^49,50.

Im Zusammenhang mit TiO_{2-Anwendungen} im Hochbau für Extremszenarien wie Überschwemmungen, Stürme und extreme Temperaturen ist es unerlässlich, die Vorteile von_{nanoTiO 2} mit den potenziellen Risiken, die mit seinem Einsatz verbunden sind, abzuwägen. So müssen beispielsweise die photokatalytischen Eigenschaften, die die Luftqualität in Städten verbessern und bei der Reinigung und Abfallbeseitigung nach einer Katastrophe helfen können, gegen mögliche Inhalationsgefahren und Lungentoxizität abgewogen werden 51,52,53.

Additive auf Kupferbasis verbessern die Abdichtung und sind kostengünstig und leicht zu manipulieren. Nanometrisches Titandioxid erzeugt wasserabweisenden Beton und erhöht die Druckfestigkeit. TiO₂ wird derzeit in großem Maßstab eingesetzt und ist nicht für Endverbraucher gedacht, hat aber Potenzial für zukünftige Konstruktionen. Bei der Druckfestigkeitsprüfung werden die Ergebnisse von Proben mit verschiedenen Mischungen verglichen, um die Vor- und Nachteile von Kupferadditiven und Titandioxid zu analysieren.

Mit nanoTiO₂ imprägnierter Beton weist einen höheren solaren Reflexionsgrad (größere Albedo) auf, was zu milderen Umgebungstemperaturen beiträgt, den städtischen Wärmeinseleffekt abschwächt und praktisch die Gebäudetemperaturen senkt und zu Energieeinsparungen führt. Dieser Vorteil erstreckt sich auch auf einen geringeren Verbrauch von Reinigungsmitteln^54,55.

Attribute wie Opazität, Haltbarkeit, antibakterielles Potenzial, UV-Beständigkeit und die Fähigkeit, alternative Rohstoffe im Beton aufzunehmen - wodurch die Abhängigkeit von Zement und Zuschlagstoffen verringert wird - signalisieren starke Anreize für den Einsatz von nanoTiO₂. Ergänzt werden diese Aussichten durch das Potenzial für Verbesserungen bei Gründächern und -flächen, die eine effizientere Regenwasserableitung fördern 10,56,57,58.

In Bezug auf die Langlebigkeit und Haltbarkeit von Beton, der nanoTiO₂ enthält, weisen zeitgenössische Studien auf eine erhöhte Beständigkeit gegen ultraviolette Strahlung sowie auf eine verbesserte Widerstandsfähigkeit gegen chemische Angriffe und Witterungseinflüsse^{hin 59}. Diese Verbesserungen bringen direkte wirtschaftliche Vorteile, indem sie die Häufigkeit von Reparaturen und Austauschen reduzieren und so den Materialverbrauch und den Abfall im Laufe der Zeit senken. Neben diesen unmittelbaren finanziellen Vorteilen bietet der Einsatz von nanoTiO₂ auch indirekte Einsparungen bei der Herstellung, dem Transport und der Entsorgung von Beton und trägt so zu einem geringeren CO2-Fußabdruck im Zusammenhang mit seinem Lebenszyklus bei^33,60.

Angesichts der Umweltauswirkungen der Sulfat- und Chloridverfahren, die zur Gewinnung von Ilmenit und Rutil verwendet werden, wird das Chloridverfahren als die weniger schädliche Option angesehen. Bei diesem Verfahren wird Chlorgas verwendet, um Rutil in TiCl₄ umzuwandeln, das anschließend zu TiO₂ oxidiert wird, wodurch weniger schädliche Nebenprodukte entstehen als beim Sulfatverfahren⁵⁹. TiO_2-haltige Produkte liefern am Ende ihres Lebenszyklus stabile, nicht auslaugende Rückstände und stellen somit ein geringeres Umweltrisiko dar. Dieses Umweltprofil ergänzt die verbesserte Widerstandsfähigkeit und Haltbarkeit von Materialien, insbesondere unter katastrophalen Bedingungen, und unterstreicht den Wert experimenteller Bewertungen bei der Weiterentwicklung von Bautechnologien.

Eine Studie von Mohajerani et al. zeigt, dass die Eigenschaften von Beton mit den verwendeten Nanomaterialien variieren⁶¹. Nanopartikel aus Kieselsäure, Titan, Kohlenstoff, Eisen und Aluminium werden in Beton eingebracht, um die mechanische Festigkeit zu verstärken, eine schnelle und verbesserte Hydratation zu fördern, einen höheren Hydratationsgrad zu induzieren, Selbstreinigungsfähigkeiten zu verleihen, die mechanische Haltbarkeit zu verbessern, Rissbildung zu verhindern, die Druckfestigkeit zu erhöhen und die Abriebfestigkeit zu erhöhen. Diese Vorteile sind bei Baumaterialien sehr wünschenswert und tragen zur größeren Widerstandsfähigkeit von Bauwerken gegen Naturkatastrophen bei.

Daher besteht das Ziel dieser Arbeit darin, durch den Spaltzugversuch an zylindrischen Proben die Erhöhung der mechanischen Festigkeit von Beton zu validieren, die durch die Einarbeitung von Titandioxid-Nanopartikeln in die Mischung erreicht wurde. Diese Forschung zielt darauf ab, die Entwicklung widerstandsfähigerer Materialien voranzutreiben, insbesondere im Zusammenhang mit Naturkatastrophen, bei denen Betonkonstruktionen extremen Bedingungen ausgesetzt sind und eine höhere Haltbarkeit und Leistung erfordern.

Protokoll

Methodische Grundlage ist der brasilianische Versuch, bei dem die indirekte Zugfestigkeit (Spaltfestigkeit) über den diametralen Schnitt von vertikal belasteten zylindrischen Proben bestimmt wird. Bei diesem Verfahren, das 1943 von Professor Lobo Carneiro für zementgebundene Werkstoffe entwickelt wurde, werden zwei konzentrierte, diametral entgegengesetzte Druckkräfte auf einen Zylinder aufgebracht, wodurch gleichmäßige Zugspannungen senkrecht zum Durchmesser entlang der Versuchsstrecke⁶² erzeugt werden.

Der Test umfasste fünf Gruppen mit den Bezeichnungen A, B, C, D und E, die jeweils einer Kontrollgruppe entsprachen; Beton mit 1 % NanoTiO2; Beton mit 2 %_{NanoTiO 2}; Beton mit 3 %_{NanoTiO 2}; und Beton mit 3 % Weichmacherzusatz auf Kupferbasis. Jede Gruppe wurde in drei Untergruppen mit Aushärtungszeit unterteilt: 7 Tage (1), 14 Tage (2) und 28 Tage (3). Somit umfasst die Studie insgesamt fünfzehn Proben, die als A1-A3, B1-B3, C1-C3, D1-D3 und E1-E3 gekennzeichnet sind. Abbildung 1 zeigt die in dieser Studie verwendete Probe.

1. Vorbereitung der Proben

1. Bereiten Sie vier Gruppen von Proben mit einer Betonmischung aus Portland CPII-Zement, Schotter, mittelgewaschenem Flusssand und Wasser im Verhältnis 1:2:3 (Zement:Sand:Kies) vor, wobei ein Wasser/Zement-Verhältnis von 0,5 eingehalten wird. Pro 3,63 kg Probe werden ca. 558,46 g Zement, 1.116,92 g Sand, 1.675,38 g Kies und 279,23 g Wasser verwendet.
   HINWEIS: Verwenden Sie diese Formel für Prüfkörper ohne Zusatzstoffe. Bei Proben mit Titandioxid fügen Sie es während des Mischens der trockenen Zutaten (Zement, Sand und Kies) hinzu. Sobald die Mischung homogen ist, Wasser hinzufügen. Bei Proben mit einem Kunststoffzusatz verdünnen Sie ihn im Anmachwasser, bevor Sie ihn der Mischung hinzufügen.
2. Homogenisieren Sie alle Komponenten gründlich, um eine möglichst gleichmäßige Masse zu erhalten, und gießen Sie die Mischung dann in die Formen. Untersuchen Sie die Mischung auf Anzeichen von Zuschlagstoffentmischung, Ansammlung von freiem Wasser oder Flecken durch ungemischtes Material. Stellen Sie eine einheitliche Konsistenz sicher, um repräsentative Ergebnisse zu gewährleisten.
3. Die Prüfkörper werden in zylindrische Metallformen mit einem Durchmesser von 10 cm und einer Höhe von 20 cm geformt. Füllen Sie die Formen richtig und stellen Sie sicher, dass das Betonvolumen das angegebene Niveau mit gleichmäßiger Verteilung erreicht, ohne Überschüsse oder Mängel, die den Test beeinträchtigen könnten. Füllen Sie den Innenraum vollständig aus, erhalten Sie die Formgeometrie und vermeiden Sie Hohlräume.
4. Probe A in Übereinstimmung mit ABNT NBR 6136, ABNT NBR 5738 und ABNT NBR 5739 63,64,65 herstellen. Diese Probe wird als Negativkontrolle ohne Zusatzstoffe verwendet, die als Ausgangsbasis für den Vergleich mit den anderen Proben dient.
5. Probe B wird hergestellt, indem 1 %_{NanoTiO 2} (ca. 36,3 g) in die Betonmischung eingearbeitet wird. Seien Sie bei der Vorbereitung vorsichtig, da TiO₂ zur Agglomeration neigt; Verteilen Sie daher die Nanopartikel gleichmäßig über die Masse, um die Homogenität der Probensätze zu gewährleisten.
6. Probe C herstellen, indem 2 %_{NanoTiO 2} (ca. 72,6 g) in die Betonmischung eingearbeitet werden. Seien Sie bei der Vorbereitung vorsichtig, da TiO₂ zur Agglomeration neigt; Verteilen Sie daher die Nanopartikel gleichmäßig über die Masse, um die Homogenität der Probensätze zu gewährleisten.
7. Probe D wird hergestellt, indem 3 %_{NanoTiO 2} (ca. 108,9 g) in die Betonmischung eingearbeitet werden. Seien Sie bei der Vorbereitung vorsichtig, da TiO₂ zur Agglomeration neigt; Verteilen Sie daher die Nanopartikel gleichmäßig über die Masse, um die Homogenität der Probensätze zu gewährleisten.
8. Probe E wird hergestellt, indem 3 % Weichmacherzusatz auf Kupferbasis (ca. 108,9 g) in die Betonmischung eingearbeitet wird. Verwenden Sie diese Probe als Positivkontrolle, um die Wirkung des Weichmacheradditivs auf die Betonleistung im Vergleich zu den anderen Proben zu vergleichen.
9. Lagern Sie die Proben an einem Ort unter kontrollierten Bedingungen, ohne Umwelteinflüssen ausgesetzt zu sein, um die Aushärtungszeit abzuwarten.

2. Aushärtungsprozess

1. Die Proben werden in einem Bereich mit kontrollierter Luftfeuchtigkeit bei einer Temperatur von (23 ± 2) °C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von mindestens 95 % für 24 h ausgehärtet. Tauchen Sie die Proben dann in kalkgesättigtes Wasser, das bei der gleichen Temperatur (23 ± 2) °C gehalten wird, um die Aushärtung über den angegebenen Zeitraum gemäß ABNT NBR 5738⁶³ fortzusetzen.
2. Messen Sie das Gewicht jeder Probe nach dem Aushärten; sicherstellen, dass jede Probe durchschnittlich 3,63 kg wiegt.
3. Konditionierung der Proben bei Raumtemperatur (23 ± 2) °C wie folgt:
   7 Tage: Proben A1, B1, C1, D1 und E1;
   14 Tage: Proben A2, B2, C2, D2 und E2;
   28 Tage: Proben A3, B3, C3, D3 und E3.
   HINWEIS: Es ist wichtig hervorzuheben, dass sich die Prozentsätze bei dieser Methode auf die Masse des Prüflings beziehen ( Tabelle 1).

3. Prüfung der Druckfestigkeit

HINWEIS: Führen Sie die Druckfestigkeitsprüfung mit der Betonprüfmaschine (Presse) mit einem nominalen und kalibrierten Bereich von 0-100 Tonnen durch. Kalibrieren Sie das Gerät durch indirekte Messung, indem Sie den Druck mit der Kolbenfläche in Beziehung setzen, mit einem digitalen Manometer und einem digitalen Messschieber. Stellen Sie das Gerät auf Null und stellen Sie die Ausrichtung vor dem Testen sicher.

1. Jede Probe ist einem axialen Druckversuch in einer universellen Zug-/Druckprüfmaschine zu unterziehen.
2. Stellen Sie sicher, dass die Kapazität der Wägezelle mit den Probenabmessungen kompatibel ist und dass ein digitales Steuerungssystem zur Überwachung und Aufzeichnung der aufgebrachten Last vorhanden ist.
3. Setzen Sie den Test bis zum Ausfall fort, und notieren Sie dabei die maximal unterstützte Last.
4. Berechnen Sie die Druckfestigkeit (fc) mit:
   fc = Fmax / A
   Dabei gilt: fc = Druckfestigkeit (N/mm²), Fmax = maximale aufgezeichnete Belastung (N), A = Querschnittsfläche des Prüflings (mm²). 1 N/mm² = 1 MPa
5. Führen Sie die Druckfestigkeitsprüfung durch, indem Sie jede zylindrische Probe (100 mm × 200 mm) senkrecht in der Mitte der Hydraulikpresse positionieren, um einen ordnungsgemäßen Kontakt mit den Ladeplatten zu gewährleisten. Achten Sie auf den korrekten Sitz der Ladeflächen gemäß ABNT NBR 5739:2018⁶⁴.
   1. Die axiale Last wird kontinuierlich und ohne Stöße mit einer Geschwindigkeit von 0,45 ± 0,15 MPa/s^66,67 aufgebracht. Wiederholen Sie dies für die drei Probensätze: Kontroll-, TiO2-dotiertes und Additiv auf Kupferbasis.
6. Notieren Sie alle Werte systematisch für den Vergleich zwischen den Stichprobensätzen.
7. Vergleichen Sie die Ergebnisse, um das Verhalten der Proben zu bewerten.
8. Schließen Sie den Test ab.
   HINWEIS: Abbildung 2 zeigt die Proben, die nach 28 Tagen Aushärtung dem Druckversuch unterzogen wurden. Abbildung 3 zeigt die Druckfestigkeitswerte, die für jede getestete Probe erhalten wurden.

4. Entsorgung von Materialresten

HINWEIS: Alle während des Prüfverfahrens anfallenden Abfälle sind gemäß ABNT NBR 10004 und ABNT NBR 15116 sowie unter Anleitung der für Umweltschutznormen und -standards zuständigen lokalen Behörden, einschließlich^{68, 69, 70}, zu entsorgen.

1. Sammeln Sie Betonfragmente, Staub und alle Materialien, die TiO₂ oder plastifizierende Zusätze enthalten, separat. Priorisierung der Wiederverwendung oder des Recyclings fester Abfälle in lizenzierten Anlagen für die Verarbeitung von Bau- und Abbruchabfällen in Übereinstimmung mit den technischen Anforderungen für recycelte Gesteinskörnungen.
2. Bei nicht recycelbaren Abfällen verpacken Sie das Material in verschlossenen Behältern, um die Ausbreitung von Feinstaub zu verhindern, und leiten Sie es auf industrielle Deponien, die von der zuständigen Umweltbehörde zugelassen sind.
   HINWEIS: Abfälle dürfen unter keinen Umständen in Regenwassersysteme, natürliche Gewässer oder nicht lizenzierte Deponien eingeleitet werden⁷¹.

Ergebnisse

Die Werte, die für jede Probe bei der Druckfestigkeitsprüfung erhalten wurden, sind in Tabelle 2 und Abbildung 3 dargestellt. Tabelle 2 zeigt die Probenidentifikation, die Aushärtungszeit und die maximal unterstützte Last in MPa. In Abbildung 2 ist es möglich, eine Teilmenge von Proben nach dem Druckversuch zu visualisieren. Die aufgezeichneten Werte sind in Abbildung 3

Diskussion

Bei der Analyse der Ergebnisse, die in Abbildung 3 grafisch dargestellt sind, zeigt sich, dass Proben, die ein kupferbasiertes Kunststoffadditiv enthalten, die geringste Druckfestigkeit aufwiesen. Diese Werte sind niedriger als die der Kontrollgruppe, die ohne jeglichen Zusatzstoff hergestellt wurde. Abbildung 3 zeigt ferner, dass die Proben nach 28 Tagen Aushärtung die beste Leistung im Druckversuch erzielen.

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Betonprüfproben	JCRB	Bloco 20	Für den Test wurden zwei Einheiten eingesetzt
Analytische Skala	Shimadzu	ATX224R
Druckfestigkeitstestgeräte	SoloTest	1504100
Weichmacheradditiv	NovaTintas	NovaLiga
Präzisionsmaßstab	Sartorius	3862 MP8-1
Titandioxid R110	FRAC Chemical	FR10ZZ2400905RT	Rutiles Titandioxidpigment
Ultraschallreiniger	Cristó foli	2,5L