מאמר שיטה

הערכת עמידות אסונות של בטון עם ננו-חלקיקי טיטניום דו חמצני

DOI:

10.3791/68246

14 בנובמבר 2025

במאמר זה

סיכום

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

פרוטוקול זה מתאר את ההערכה האם מריחת טיטניום דו חמצני על בטון משפרת את תכונותיו הפיזיקליות, ובכך מגבירה את עמידותו בפני השפעות אסונות טבע הנגרמים על ידי אירועי קיצון.

תקציר

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בעשורים האחרונים, התרחשותם של אירועי קיצון התעצמה באזורים מגוונים בעולם, וגרמה להשפעות משמעותיות על הכלכלה, הבטיחות ואיכות החיים של האוכלוסיות המושפעות. מציאות זו מדגישה את הצורך הדחוף בפתרונות חדשניים לצמצום נזקים אלה. במסגרת זו, ננוטכנולוגיה התגלתה כפרדיגמה מבטיחה, עם ננו-תוספים המובחנים כסוכנים יעילים לשיפור העמידות, האטימות והחוזק המכני של חומרי בנייה. ננו-חלקיקים כגון טיטניום דו חמצני (TiO2), ננו-צינורות פחמן (CNTs), סיליקה, חימר ונחושת (Cu) נקשרו לשיפורים בעמידות, יחס חוזק למשקל, יציבות ועמידות סייסמית. השילוב של ננו-חומרים אלה מטפח צפיפות של מטריצת הבטון על ידי הפחתת חללים ונימים, ובכך משפר את האיטום ומעכב חדירת חומרים מזיקים. המחקר הנוכחי מציע מחקר ניסיוני המשלים סקירת ספרות מקיפה, כולל סימולציות ספיגת מים והערכות של שלמות פני השטח בחומרים מטופלים ולא מטופלים כאחד. המטרה היא להעריך את התרומות של ננו-תוספים לבטיחות, עמידות וקיימות מול האתגרים שמציבים שינויי האקלים. התוצאות מצביעות על כך שתוספת של 1% של nanoTiO2 מניבה את החוזק המכני הגבוה ביותר, בעוד שריכוזים גבוהים יותר נוטים להפחית את היתרונות עקב צבירת חלקיקים. ממצא זה מדגיש את החשיבות של אופטימיזציה של תכולת ננו-חלקיקים כדי לשפר את עמידות הבטון מפני אסונות טבע, ולתרום לשיטות בנייה בנות קיימא. ההשוואה לתוספים מבוססי נחושת מגלה כי למרות עלייה מסוימת בחוזק היחסי לאורך זמן, ניסוחי נחושת נופלים בביצועים מכניים, מה שמדגיש את nanoTiO2 כחומר מבטיח יותר לשיפור עמידות הבטון בסביבות מועדות לאסון. בהתחשב בתדירות הגוברת של אסונות סביבתיים, התאמת הבנייה האזרחית באמצעות שילוב בר קיימא של ננו-חומרים מחייבת התייחסות מדוקדקת לתהליכי סינתזה, יציבות ארוכת טווח והשפעות אקולוגיות פוטנציאליות הקשורות לאינטראקציות ננו-חלקיקים עם רכיבים סביבתיים ביוטיים ואביוטיים.

מבוא

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

אסונות הם אירועי קיצון המוגדרים על ידי התרחשותן של תופעות טבע המסוגלות להוות סיכונים לחברה, כפי שמומחש על ידי שיטפונות, מפולות, רעידות אדמה ואירועים דומים אחרים, שעשויים להיות מושפעים גם מגורמים אנתרופוגניים1. בעקבות שינויי האקלים שהתרחשו בשנת 2024, מדינות אפריקאיות כמו קניה, יחד עם מדינות אסיה כולל אינדונזיה ואפגניסטן, חוו שיטפונות קשים, שגרמו למאות הרוגים ואלפי חסרי בית2. בין השנים 1998 ל-2017, שיטפונות השפיעו על יותר משני מיליארד בני אדם ברחבי העולם3. לפי Marengo et al., בין 2013 ל-2022, יותר מ-2.2 מיליון בתים בברזיל ניזוקו, והשפיעו על למעלה מ-4.2 מיליון אנשים ב-2,640 רשויות מקומיות. השיטפונות נמשכים עקב שילוב של גורמים טבעיים, חברתיים ואקלימיים, וגרמו להפסדים בסדר גודל של 10 מיליארד דולר.

בהתחשב בחומרה הגוברת והסיכון הנרחב של אירועים אלה בשנים האחרונות, חוקרים ואנשי מקצוע מחפשים אסטרטגיות ניהול וטכנולוגיות חדשות שמטרתן לטפח קהילות עמידות, במקביל להתקדמות התעשייה לקראת קיימות רבה יותר 5,6. בין החומרים המבטיחים ליישומי הנדסה אזרחית שמטרתם להגביר את העמידות בפני אסונות ניתן למנות ננו-חלקיקי טיטניום דו חמצני (nanoTiO2), שהוכיחו יתרונות רבים לחומרי בנייה חיוניים, כולל בטון 7,8.

השימוש בננו-חומרים בתעשיית הבנייה נפוץ כיום במגוון יישומים. הם משמשים בצבעים וציפויים כדי לשפר את העמידות בפני פירוק UV והתקפה על ידי חומרים אגרסיביים. חומרים אלה תורמים לעמידות רבה יותר, חדירות מופחתת, בידוד תרמי משופר ועמידות אש משופרת. לדוגמה, כאשר הוא משולב באספלט, TiO2 מקיים אינטראקציה עם גזים מזהמים, וממיר אותם לתרכובות פחות מזיקות. מיושם על זכוכית, TiO2 יכול להפוך את המשטח לניקוי עצמי, מכיוון ששכבת התחמוצת מפרקת מולקולות אורגניות ומקלה על הסרת אבק אנאורגני. קרינה אולטרה סגולה מקיימת אינטראקציה עם שכבת הזכוכית המנקה את עצמה, מפרקת עוד יותר מולקולות ומסירה אבק אורגני. פיתוח חומרי בניין חדשים חיוני כדי להפוך מבנים לעמידים יותר בפני לחצים סביבתיים, ובכך להפחית את השפעות האסון ולשפר את הבטיחות.

טיטניום דו-חמצני, הידוע בלובן וביציבות שלו, זכה לראשונה לנראות ציבורית רחבה בשנות ה-70, בעיקר כפיגמנט בבטוןובחומרי בנייה אחרים. במהלך אותה תקופה, TiO2 שימש ליצירת גימורים איכותיים ועמידים על משטחים חיצוניים. החל משנות ה-90, כיוון חדש הופיע עם גילוי התכונות הפוטו-קטליטיות שלו, שהרחיב באופן ניכר את היישומים של TiO2 בענף הבנייה10.

על מנת להבין היטב את הרלוונטיות והישימות של TiO2 בבנייה אזרחית, חיוני להתוות את תכונותיו ולקשר אותן ליתרונות מעשיים, כגון חוזק כיפוף, מתיחה ודחיסה, יחד עם מדדי עמידות כגון התנגדות חשמלית, חדירות ועמידות בפני התקפת סולפט, גז ומחזורי הקפאה-הפשרה. תוצאות ניסוי שדווחו על ידי עלי נזארי ואחרים מצביעות על כך שחוזק כיפוף הבטון עולה עם תוספת של ננו-חלקיקי TiO2 עד לריכוז של 3.0%. למרות שאלו מייצגים יתרונות ישירים, יש להתייחס גם לתכונות הפוטו-קטליטיות והחיידקים של TiO2 כיתרונות כלכליים משמעותיים לטווח ארוך11.

היכולת של חומרים מתקדמים לשמור על יציבות בנוכחות גורמים סביבתיים חיצוניים, כולל תרחישים קטסטרופליים כגון בליה, שינויי אקלים (למשל, עלייה ברמותCO2) ושיטפונות, רלוונטית מאוד כיום. עם זאת, אימוץ נרחב הוא בר קיימא רק אם הייצור והיישום הם ברי קיימא מבחינה אקולוגית 12,13,14. חשש זה בולט במיוחד בהתחשב בכך שייצור מלט מהווה כ-5%-8% מפליטותה-CO2 העולמיות, חלק ניכר מטביעת הרגל של מגזר הבנייה האזרחית, בעוד שמלט נותר עמוד התווך שלו והצריכה העולמית לנפש עומדת על כ-20 מיליארד טון מטרי 15,16,17,18,19,20,21,22.

בהקשר זה, כתב היד הנוכחי מדווח על פיתוח ויישום של הליך ניסיוני להערכת התכונות הייחודיות של nanoTiO2, בדגש על פרמטרים כגון חוזק מכני של בטון מטופל. המחקר נתמך על ידי סקירת ספרות ממוקדת הבוחנת את היתרונות הפוטנציאליים של ננו-חלקיקים אלה, שיקולים רגולטוריים, ייצור בר קיימא והרלוונטיות שלהם בהקשר של תרחישים קטסטרופליים.

היבטים של טיטניום דו חמצני בבטון
ננו-חלקיקי טיטניום דו חמצני (nanoTiO2) מקיפים גדלים מ-1 עד 100 ננומטר ומניחים בדרך כלל מורפולוגיות כדוריות או אליפסואידיות. הממדים הננומטריים שלהם מעניקים שטח פנים מוגדל באופן ניכר, מה שמשפר באופן משמעותי את התגובתיות שלהם23. ננו-חלקיקים אלה זכו לבולטות בתחום החומרים המרוכבים מבוססי המלט בשל המאפיינים הייחודיים והיישומים המגוונים שלהם 24,25,26. NanoTiO2 התגלה כמרכיב רב-תכליתי בפורמולציות צמנטיות, המציג תכונות שהופכות אותו למתאים למגוון רחב של שימושים תעשייתיים 11,16,18,20.

ננו-חומר זה משמש מכמה סיבות, כולל תכונות כימיות חיוביות, רעילות נמוכה, עלות-תועלת, מאפיינים אנטי-קורוזיביים ויכולות פוטו-קטליטיות27,28. NanoTiO2 יכול להגביר את ההתנגדות של בטון לטיפול, גורם המוגבר על ידי פוטו-קטליזה המתרחשת באור אולטרה סגול (UV). יש לו את היכולת לפרק חומרים אורגניים - כגון מזהמים, לכלוך ומיקרואורגניזמים - הנמצאים בתוך בטון29. יתר על כן, nanoTiO2 יכול לייצר רדיקלים חופשיים תגובתיים מאוד, להעניק למשטח תכונות ניקוי, והוא גם מגן על בטון מפני נזקים הנגרמים על ידי גורמים אטמוספריים המאיצים את הבלאי, כגון תחמוצות חנקן30.

חלקיקי NanoTiO2 יכולים ללבוש מספר צורות גבישיות - רוטיל, אנטאז וברוקיט - כל אחת בעלת תכונות שונות. Anatase ורוטיל הם הפולימורפים הנפוצים ביותר של TiO2, בעוד שתכונותיו של ברוקיט עדיין אינן מובנות במלואן, מה שמציב אתגרים ליישום תעשייתי 31,32,33,34. בגלל התכונות הפוטו-קטליטיות של TiO2, אנטאז נמצא בשימוש נרחב במערכות טיהור מים ואוויר, שם הוא יעיל ביותר בפירוק זיהומים אורגניים ואנאורגניים. רוטיל מוצא שימוש נרחב בתעשיות הטקסטיל, הפלסטיק והצבע, וצורת הרוטיל נמצאת בשימוש נרחב גם במסנני קרינה ומוצרי קוסמטיקה אחרים בשל יכולות חסימת ה-UV שלה35,36.

ננו-חלקיקי טיטניום דו חמצני (nanoTiO2) מציעים יישומים מגוונים בחומרי בנייה, כגון בטון, שיפור ביצועים והכנסת פונקציות חדשות. בין תכונותיהם הבולטות ניתן למנות תכונות אנטי-מיקרוביאליות וניקוי עצמי, המבטיחות להפחתת זיהום האוויר העירוני באמצעות הפיכת גזים מזהמים 37,38,39. כאשר הוא נחשף לאור השמש, nanoTiO2 יכול לפרק חומרים אורגניים למים ופחמן דו חמצני, כאשר תוצרי הלוואי המתקבלים מוסרים לאחר מכן על ידי מים40.

בנוסף, הפעילות הפוצולנית של nanoTiO2 בממשק החיצוני של בטון יכולה להגביר את העמידות, אם כי היא עשויה להיות קשורה לספיגת מים מוגברת והשלכות פוטנציאליות על יכולת העבודה41. חשוב גם לציין שחלקיקי nanoTiO2 עשויים להצטבר בתוך מטריצת המלט, מה שעלול לפגוע בביצועים 42,43,44. לגבי פירוק גז, לבטון המשלב TiO2, למשל, ביישומי מדרכה, יש פוטנציאל להפחית את רמות O3 הטרופוספריות45.

היכולות הפוטו-קטליטיות של TiO2 מאפשרות היווצרות רדיקלים הידרוקסיליים (OH) ויוני סופראוקסיד (O2-) בנוכחות מים תחת קרינה אולטרה סגולה. מינים תגובתיים אלה מחמצנים ומפרקים לכלוך ומזהמים אנאורגניים. הפעולה הפוטו-קטליטית של TiO2 גם מורידה את זווית המגע של המים על משטחים, ומשפרת את ביצועי הניקוי העצמי46. נכס זה לניקוי עצמי תורם להפחתת זיהומים הנישאים באוויר, ועשוי להפחית את ריכוזי המזהמים הקשורים לסיכוני אקלים המונעים מגזי חממה.

NanoTiO2 תורם גם לעלייה בחוזק הכיפוף והדחיסה של חומרים. מבחינת חוזק הדחיסה, nanoTiO2 מפחית את הנקבוביות, מעדן את מבנה הנקבוביות, מצמצם את המטריצה ומקדם לחות. עם זאת, השגת יתרונות אלה דורשת בקרה קפדנית על העמסת חלקיקים והומוגניזציה יעילה כדי למנוע צבירה והיווצרות אזורים חלשים שעלולים לעורר סדקים47. TiO2 משמש כחומר מילוי המעבה את החומר המרוכב הצמנטי ובכך מפחית את הנקבוביות. תוצאה זו קשורה ל-(i) האצת היווצרות ג'ל C-S-H, (II) הפחתה במרחב הפנוי להתפתחות Ca(OH)2 , המניבה גבישים קטנים יותר, ו-(iii) יצירת מיקרו-מבנה הומוגני יותר עם נקבוביות מופחתת. תוספות מכוילות כראוי של TiO2 יכולות גם לשפר את חוזק הכיפוף של חומרים מרוכבים מלט48.

הוכח כי NanoTiO2 משפר משמעותית את העמידות של חומרים מרוכבים צמנטיים על ידי הפחתת נקבוביות וחדירות מים, ועל ידי הקניית הגנה מפני התקפות כימיות וגורמים סביבתיים כגון קרינה אולטרה סגולה. עם זאת, יתרון זה תלוי בפיזור הולם של הננו-חלקיקים, מכיוון שאנרגיית פני השטח הגבוהה שלהם ואינטראקציות ואן דר ואלס בקנה מידה ננומטרי נוטות לקדם צבירה37. כאשר הוא הומוגני כהלכה, השילוב של nanoTiO2 משפר את האטימות , ההתנגדות החשמלית והעמידות בפני מחזורי הקפאה-הפשרה ומתקפת סולפט, ומדגיש את פוטנציאל הבנייה שלו המיועד לעמוד באירועים קטסטרופליים. עם זאת, בריכוזים גבוהים, יתרונות אלה עשויים להיות מופחתים או אפילו להפוך49,50.

בהקשר של יישומי TiO2 בבנייה אזרחית לתרחישי קיצון כגון שיטפונות, סופות וטמפרטורות קיצוניות, חיוני לאזן בין היתרונות של nanoTiO2 לבין הסיכונים הפוטנציאליים הקשורים לשימוש בו. לדוגמה, יש לשקול את התכונות הפוטו-קטליטיות שיכולות לשפר את איכות האוויר העירוני ולסייע בניקוי ותיקון פסולת לאחר קטסטרופה מול סכנות שאיפה אפשריות ורעילות ריאות 51,52,53.

תוספים על בסיס נחושת משפרים את האיטום והם בעלות נמוכה וניתנים למניפולציה בקלות. טיטניום דו חמצני ננומטרי מייצר בטון דוחה מים וחוזק דחיסה מוגבר. כיום בשימוש בקנה מידה גדול, TiO2 אינו מיועד למשתמשי קצה אך יש לו פוטנציאל לבנייה עתידית. בדיקת חוזק דחיסה משווה את תוצאות הדגימות עם תערובות שונות כדי לנתח את היתרונות והחסרונות של תוספי נחושת וטיטניום דו חמצני.

בטון ספוג ב-nanoTiO2 מציג החזרת שמש גבוהה יותר (אלבדו גדול יותר), תורם לטמפרטורות סביבה מתונות יותר, מפחית את אפקט אי החום העירוני, ולמעשה, מפחית את טמפרטורות הבניין ומניב חיסכון באנרגיה. יתרון זה משתרע על צריכה מופחתת של מוצרי ניקוי54,55.

תכונות כגון אטימות, עמידות, פוטנציאל אנטיבקטריאלי, עמידות בפני UV והיכולת להכיל חומרי גלם חלופיים בתוך בטון - ובכך להפחית את ההסתמכות על מלט ואגרגטים - מאותתים על תמריצים חזקים לפריסת nanoTiO2. סיכויים אלה משלימים על ידי פוטנציאל לשיפורים בגגות ומשטחים ירוקים המקדמים ניקוז מי גשמים יעיל יותר 10,56,57,58.

על אורך החיים והעמידות של בטון המשלב nanoTiO2, מחקרים עכשוויים מצביעים על עמידות משופרת לקרינה אולטרה סגולה, כמו גם עמידות משופרת בפני התקפה כימית ובליה59. שיפורים אלה מניבים יתרונות כלכליים ישירים על ידי הפחתת תדירות התיקונים וההחלפות, ובכך הפחתת צריכת החומרים והפסולת לאורך זמן. מעבר ליתרונות הפיננסיים המיידיים הללו, השימוש ב-nanoTiO2 מציע גם חיסכון עקיף הקשור לייצור, הובלה וסילוק בטון, ותורם להפחתת טביעת הרגל הפחמנית הקשורה למחזור החיים שלו33,60.

בהתחשב בהשלכות הסביבתיות של תהליכי הסולפט והכלוריד המשמשים להפקת אילמניט ורוטיל, תהליך הכלוריד נחשב לאופציה המזיקה פחות. מסלול זה משתמש בגז כלור כדי להמיר רוטיל ל-TiCl4, אשר מתחמצן לאחר מכן ל-TiO2, ומייצר פחות תוצרי לוואי מזיקים מתהליך הסולפט59. מוצרים המכילים TiO2 מניבים שאריות יציבות שאינן דולפות בסוף מחזור החיים שלהם, ובכך מהווים סיכון סביבתי נמוך יותר. פרופיל סביבתי זה משלים את העמידות והעמידות המשופרות של חומרים, במיוחד בתנאים קטסטרופליים, ומדגיש את הערך של הערכות ניסיוניות בטכנולוגיות בנייה מתקדמות.

מחקר שבוצע על ידי Mohajerani et al. מדגים כי תכונות הבטון משתנות עם הננו-חומרים המיושמים61. ננו-חלקיקים של סיליקה, טיטניום, פחמן, ברזל ואלומיניום מוכנסים לבטון כדי לחזק חוזק מכני, לקדם הידרציה מהירה ומשופרת, לגרום לדרגה גבוהה יותר של לחות, להקנות יכולות ניקוי עצמי, לשפר את העמידות המכנית, למנוע סדקים, להגביר את חוזק הדחיסה ולהגביר את עמידות השחיקה. יתרונות אלה רצויים מאוד בחומרי בניין, ותורמים לעמידות רבה יותר של מבנים מפני אסונות טבע.

לכן, מטרת עבודה זו היא לתקף, באמצעות בדיקת מתיחה מפוצלת על דגימות גליליות, את שיפור החוזק המכני בבטון המושג על ידי שילוב ננו-חלקיקי טיטניום דו חמצני בתערובת. מחקר זה נועד לקדם את הפיתוח של חומרים עמידים יותר, במיוחד בהקשר של אסונות טבע שבהם מבני בטון נתונים לתנאים קיצוניים ודורשים עמידות וביצועים מעולים.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הבסיס המתודולוגי המופעל הוא המבחן הברזילאי, הקובע חוזק מתיחה (פיצול) עקיף באמצעות חתך הקוטר של דגימות גליליות טעונות אנכית. הליך זה, שפותח על ידי פרופסור לובו קרניירו בשנת 1943 עבור חומרים צמנטיים, כולל הפעלת שני כוחות דחיסה מרוכזים ומנוגדים לחלוטין על גליל, ובכך יוצר מתחי מתיחה אחידים בניצב לקוטר לאורך קטעהבדיקה 62.

הבדיקה כללה חמש קבוצות, המסומנות A, B, C, D ו-E, בהתאמה: קבוצת ביקורת; בטון עם 1% NanoTiO2; בטון עם 2% NanoTiO2; בטון עם 3% NanoTiO2; ובטון עם תוסף פלסטיק על בסיס נחושת 3%. כל קבוצה חולקה לשלוש תת-קבוצות של זמן ריפוי: 7 ימים (1), 14 ימים (2) ו-28 ימים (3). לפיכך, המחקר כולל בסך הכל חמש עשרה דגימות, המסומנות כ-A1-A3, B1-B3, C1-C3, D1-D3 ו-E1-E3. איור 1 מתאר את הדגימה ששימשה במחקר זה.

1. הכנת דגימה

  1. הכן ארבע קבוצות של דגימות באמצעות תערובת בטון של מלט פורטלנד CPII, אבן כתוש, חול נהר שטוף בינוני ומים ביחס של 1:2:3 (מלט: חול: חצץ), תוך שמירה על יחס מים/מלט של 0.5. עבור כל דגימה של 3.63 ק"ג, השתמש בכ- 558.46 גרם מלט, 1,116.92 גרם חול, 1,675.38 גרם חצץ ו -279.23 גרם מים.
    הערה: השתמש בנוסחה זו עבור דגימות בדיקה ללא תוספים. לדגימות עם טיטניום דו חמצני, הוסף אותו במהלך ערבוב החומרים היבשים (מלט, חול וחצץ). לאחר שהתערובת הומוגנית, מוסיפים מים. לדגימות עם תוסף פלסטיק, יש לדלל אותו במי הערבוב לפני הוספתו לתערובת.
  2. הומוגניזציה יסודית של כל הרכיבים כדי להשיג את המסה האחידה ביותר האפשרית, ולאחר מכן יצוק את התערובת לתבניות. בדוק את התערובת לאיתור סימנים של הפרדת אגרגטים, הצטברות מים חופשיים או כתמים מחומר לא מעורבב. הקפידו על עקביות אחידה כדי להבטיח תוצאות מייצגות.
  3. לעצב את דגימות הבדיקה בצורות מתכת גליליות בקוטר 10 ס"מ ובגובה 20 ס"מ. מלאו את התבניות כראוי, וודאו שנפח הבטון יגיע לרמה המיועדת בפיזור אחיד, ללא עודף או מחסור שעלול לפגוע בבדיקה. מלאו לחלוטין את הפנים, שמרו על גיאומטריית העובש והימנעו מחללים.
  4. לייצר מדגם A בהתאם ל-ABNT NBR 6136, ABNT NBR 5738 ו-ABNT NBR 5739 63,64,65. השתמש בדגימה זו כבקרה שלילית, נטולת תוספים, כדי לשמש כבסיס להשוואה עם הדגימות האחרות.
  5. לייצר דגימה B על ידי שילוב 1% NanoTiO2 (כ-36.3 גרם) בתערובת הבטון. יש לנקוט משנה זהירות במהלך ההכנה, מכיוון ש-TiO2 נוטה להצטבר; לכן, פזרו את הננו-חלקיקים באופן שווה על פני המסה כדי להבטיח הומוגניות בין קבוצות הדגימה.
  6. לייצר דגימה C על ידי שילוב 2% NanoTiO2 (כ-72.6 גרם) בתערובת הבטון. יש לנקוט משנה זהירות במהלך ההכנה, מכיוון ש-TiO2 נוטה להצטבר; לכן, פזרו את הננו-חלקיקים באופן שווה על פני המסה כדי להבטיח הומוגניות בין קבוצות הדגימה.
  7. לייצר דגימה D על ידי שילוב 3% NanoTiO2 (כ-108.9 גרם) בתערובת הבטון. יש לנקוט משנה זהירות במהלך ההכנה, מכיוון ש-TiO2 נוטה להצטבר; לכן, פזרו את הננו-חלקיקים באופן שווה על פני המסה כדי להבטיח הומוגניות בין קבוצות הדגימה.
  8. לייצר דגימה E על ידי שילוב תוסף פלסטיק על בסיס נחושת 3% (כ-108.9 גרם) בתערובת הבטון. השתמש בדגימה זו כבקרה חיובית כדי להשוות את ההשפעה של תוסף הפלסטיק על ביצועי הבטון ביחס לדגימות האחרות.
  9. אחסן את הדגימות באזור עם תנאים מבוקרים, מבלי להיות נתון להשפעות סביבתיות, כדי להמתין לזמן הריפוי.

2. תהליך ריפוי

  1. רפאו את הדגימות באזור מבוקר לחות בטמפרטורה של (23 ± 2) מעלות צלזיוס ולחות יחסית של לפחות 95% למשך 24 שעות. לאחר מכן, טבלו את הדגימות במים רוויים בסיד שנשמרו באותה טמפרטורה (23 ± 2) מעלות צלזיוס להמשך ריפוי לאורך התקופה המיועדת בהתאם ל-ABNT NBR 573863.
  2. מדוד את המשקל של כל דגימה לאחר הריפוי; ודא שכל מסה של דגימה בממוצע 3.63 ק"ג.
  3. דגימות מיזוג בטמפרטורת החדר (23 ± 2) מעלות צלזיוס כדלקמן:
    7 ימים: דגימות A1, B1, C1, D1 ו-E1;
    14 יום: דגימות A2, B2, C2, D2 ו-E2;
    28 ימים: דגימות A3, B3, C3, D3 ו-E3.
    הערה: חשוב להדגיש כי האחוזים בשיטה זו קשורים למסה של דגימת הבדיקה, טבלה 1.

3. בדיקת חוזק לחיצה

הערה: בצע את בדיקת חוזק הדחיסה באמצעות מכונת בדיקת הבטון (עיתונות), עם טווח נומינלי ומכויל של 0-100 טון. כיול הציוד על ידי מדידה עקיפה, המתייחסת ללחץ לשטח הבוכנה, באמצעות מד לחץ דיגיטלי וקליפר דיגיטלי. אפס את הציוד והקפד על יישור לפני הבדיקה.

  1. הכניסו כל דגימה לבדיקת דחיסה צירית במכונת בדיקת מתיחה/דחיסה אוניברסלית.
  2. ודא שקיבולת תא העומס תואמת למידות הדגימה וכי קיימת מערכת בקרה דיגיטלית לניטור ורישום העומס המופעל.
  3. המשך בבדיקה עד לכישלון, תוך רישום העומס המרבי הנתמך.
  4. חשב את חוזק הדחיסה (fc) באמצעות:
    fc = Fמקסימום / A
    כאשר: fc = חוזק דחיסה (N/mm2), Fmax = עומס מקסימלי מוקלט (N), A = שטח חתך דגימת בדיקה (מ"מ2). 1 N/mm2 = 1 MPa
  5. בצע את בדיקת חוזק הדחיסה על ידי מיקום כל דגימה גלילית (100 מ"מ × 200 מ"מ) אנכית במרכז המכבש ההידראולי, תוך הבטחת מגע תקין עם לוחות הטעינה. הקפידו על ישיבה נכונה של משטחי הטעינה בהתאם ל-ABNT NBR 5739:201864.
    1. הפעל את העומס הצירי ברציפות וללא השפעה, בקצב של 0.45 ± 0.15 MPa/s66,67. חזור על הפעולה עבור שלושת ערכות הדגימות: בקרה, TiO2 מסומם ותוסף מבוסס נחושת.
  6. רשום את כל הערכים באופן שיטתי לצורך השוואה בין ערכות לדוגמה.
  7. השווה את התוצאות כדי להעריך את התנהגות הדגימות.
  8. סיים את המבחן.
    הערה: איור 2 מציג את הדגימות שעברו בדיקת דחיסה לאחר 28 ימי ריפוי. איור 3 מציג את ערכי חוזק הדחיסה המתקבלים עבור כל דגימה שנבדקה.

4. סילוק שאריות חומר

הערה: כל הפסולת הנוצרת במהלך תהליך הבדיקה תושלך בהתאם ל-ABNT NBR 10004 ו-ABNT NBR 15116, כמו גם בהנחיית הרשויות המקומיות האחראיות לנורמות ותקנים להגנת הסביבה, כולל 68,69,70.

  1. אספו בנפרד שברי בטון, אבק וכל חומר המכיל TiO2 או תוספים פלסטיים. מתן עדיפות לשימוש חוזר או מיחזור של פסולת מוצקה במתקנים מורשים לעיבוד פסולת בניין והריסה, בהתאם לדרישות הטכניות לאגרגטים ממוחזרים.
  2. עבור פסולת שאינה ניתנת למחזור, ארוז את החומר במיכלים אטומים כדי למנוע פיזור של חלקיקים עדינים והפנה אותו למזבלות תעשייתיות המורשות על ידי הסוכנות המוסמכת לאיכות הסביבה.
    הערה: בשום פנים ואופן אין לשחרר פסולת למערכות מי סערה, גופי מים טבעיים או אתר סילוק ללא רישיון71.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

הערכים המתקבלים עבור כל דגימה במבחן חוזק הדחיסה מוצגים בטבלה 2 ובאיור 3. טבלה 2 מציינת את זיהוי הדגימה, זמן הריפוי שלה והעומס המרבי הנתמך ב-MPa. באיור 2, ניתן לדמיין תת-קבוצה של דגימות לאחר בדיקת הדחיסה. הערכים שנרשמו מוצגים באיור 3.

מחקרים רבים מצביעים על עלייה בחוזק הבטון כאשר TiO2 משולב בתערובות צמנטיות. בפרט, נזארי וריאהי ה...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

בניתוח התוצאות, המומחשות בצורה גרפית באיור 3, ניכר כי דגימות המכילות תוסף פלסטיק על בסיס נחושת הראו את חוזק הדחיסה הנמוך ביותר. ערכים אלה נחותים מאלה של קבוצת הביקורת, שהוכנה ללא כל תוסף. איור 3 מראה עוד כי לאחר 28 ימי ריפוי, הדגימות משיגות את הביצועים הטובים ביותר במבחן הדחיסה.

בדיקות הדחיסה חושפות שיפור משמעותי בחוזק הבטון עם תוספת של nanoTiO2, בעיקר בריכוז של 2%, שהניב עלייה של 18.9% לאח...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

המחברים מצהירים כי אין להם אינטרסים כספיים או חומריים הקשורים למחקר המתואר במאמר זה.

תודות

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

תודה לחברת RAID טכנולוגיה ובנייה על הזמן והציוד המסופק לביצוע בדיקת ההתנגדות לדוגמנות דגימות בטון, בליווי הטיפול והתמיכה הטכנית המיוחדת באזור.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
דגימות מבחן בטוןJCRBבלוקו 20שתי יחידות שימשו במבחן
סולם אנליטישימאדזוATX224R
ציוד בדיקת חוזק דחיסהSoloTest1504100
תוסף פלסטימייזרנובה טינטסנובה ליגה
סולם דיוקסארטוריוס3862 MP8-1 
טיטניום דו-חמצני R110FRAC כימיקליםFR10ZZ2400905RTפיגמנט דו-תחמוצת טיטניום רוטיל
מנקה אולטרסוניCristó פולי2.5 ליטר

מקורות

Loading...
$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Department of Homeland Security. Natural disasters. , U.S. Department of Homeland Security. Retrieved December 31 (2024).
  2. Rizzotto, M. L. F., Costa, A. M., Lobato, L. D. V. D. C. Climate crisis and new challenges for health systems: the case of floods in Rio Grande do Sul/Brazil. Saúde em Debate. 48, e141ED(2024).
  3. Economic Losses, Poverty and Disasters 1998-2017. United Nations Office for Disaster Risk Reduction (UNISDR) and the Centre for Research on the the Epidemiology of Disasters (CRED) - Institute of Health and Society, Université Catholique de Louvain. , 33p(2017).
  4. Marengo, J. A., et al. The largest climate disaster in Brazil: rains and floods in the state of Rio Grande do Sul in April-May 2024. Estudos Avançados. 38 (112), 203-228 (2024).
  5. Krichen, M., Abdalzaher, M. S., Elwekeil, M., Fouda, M. M. Managing natural disasters: An analysis of technological advancements, opportunities, and challenges. IOTCPS. 4, 99-109 (2024).
  6. Sarker, M. N. I., Peng, Y., Yiran, C., Shouse, R. C. Disaster resilience through big data: Way to environmental sustainability. IJDRR. 51, 101769(2020).
  7. Atzl, B. A., Pupp, M., Rupprich, M. The use of photocatalysis and titanium dioxide on diesel exhaust fumes for NOx reduction. Sustainability. 10 (11), 4031(2018).
  8. Kang, X., et al. Titanium dioxide: from engineering to applications. Catalysts. 9 (2), 191(2019).
  9. Gázquez, M. J., et al. A review of the commercial uses of sulphate minerals from the titanium dioxide pigment industry: The case of Huelva (Spain). Minerals. 11 (6), 575(2021).
  10. Fujishima, A., Zhang, X. Titanium dioxide photocatalysis: Present situation and future approaches. C. R. Chim. 9 (5-6), 750-760 (2006).
  11. Jenima, J., et al. A comprehensive review of titanium dioxide nanoparticles in cementitious composites. Heliyon. 10, 20(2024).
  12. European Union. EU Commission recommendation of 18 October 2011 on the definition of nanomaterial (2011/696/EU). OJEU. 275, 38-40 (2011).
  13. Vishaka, E. J., Priya Dharshini, M., Shally, V. Structural and optical properties of pure NiO nanoparticles and NiO-Mn2O3, NiO-CdO, NiO-Pb2O3, NiO-ZnO nanocomposites. JJP. 14, 409-417 (2021).
  14. Carp, O., Huisman, C. L., Reller, A. Photoinduced reactivity of titanium dioxide. Prog. Solid State Chem. 32, 33-177 (2004).
  15. Biricik, H., Sarier, N. Comparative study of the characteristics of nano silica-, silica fume- and fly ash-incorporated cement mortars. Mater Res. 17, 570-582 (2014).
  16. Han, B., Sun, S., Ding, S. Review of nanocarbon-engineered multifunctional cementitious composites. Compos. - A: Appl Sci Manuf. 70, 69-81 (2015).
  17. Konsta-Gdoutos, M. S., Metaxa, Z. S., Shah, S. P. Highly dispersed carbon nanotube reinforced cement based materials. Cem Concr Res. 40, 1052-1059 (2010).
  18. Lazaro, A., Yu, Q. L., Brouwers, H. J. H. Nanotechnologies for sustainable construction. Sustainability of Construction Materials. , Elsevier. 55-78 (2016).
  19. Mulenga, D. M., Robery, P. C. Can nanotechnology address today's civil engineering challenges. , Structures Congress, American Society of Civil Engineers. Reston. 609-621 (2010).
  20. Nima, F., Ali, A. A. A., Demirboga, R. Development of nanotechnology in high performance concrete. Adv Mater Res. 364, 115-118 (2011).
  21. Noorvand, H., Abang Ali, A. A., Demirboga, R. Incorporation of nano TiO2 in black rice husk ash mortars. Constr Build Mater. 47, 1350-1361 (2013).
  22. Zhang, C. Y., Han, R., Yu, B. Accounting process-related CO2 emissions from global cement production under Shared Socioeconomic Pathways. J Clean Prod. 184, 451-465 (2018).
  23. Siang Ng, D. Influence of SiO2, TiO2 and Fe2O3 nanoparticles on the properties of fly ash blended cement mortars. Constr Build Mater. 258, 119627(2020).
  24. Huang, S., Chueh, P. J., Lin, Y. W. Disturbed mitotic progression and genome segregation are involved in cell transformation mediated by nano-TiO2 long-term exposure. Toxicol Appl Pharmacol. 241, 182-194 (2009).
  25. Song, W. Titanium dioxide nanoparticles induced proinflammation of primary cultured cardiac myocytes of rat. J Nanomater. 2013, 1-9 (2013).
  26. Macwan, D. P., Dave, P. N., Chaturvedi, S. A review on nano-TiO2 sol-gel type syntheses and its applications. J Mater Sci. 46, 3669-3686 (2011).
  27. Robichaud, C. O., Uyar, A. E., Darby, M. R. Estimates of upper bounds and trends in nano-TiO2 production as a basis for exposure assessment. Environ Sci Amp Technol. 43, 4227-4233 (2009).
  28. Verma, R., Mantri, B., Kumar Srivastava, A. Shape control synthesis, characterizations, mechanisms and optical properties of large-scaled metal oxide nanostructures of ZnO and TiO2. Adv Mater Lett. 6, 324-333 (2015).
  29. Tian, C. Optimization of titanium dioxide production by clean continuous acidolysis of ilmenite using response surface methodology. Sustain Chem Pharm. 42, 101821(2024).
  30. Zhang, Y., Li, X. Impact of nanomaterials on the mechanical properties of concrete: A review. Heliyon. 10 (1), e02456(2024).
  31. Luo, G., Liu, H., Li, W., Lyu, X. Automobile exhaust removal performance of pervious concrete with nano TiO2 under photocatalysis. Nanomater. 10, 2088(2020).
  32. Meacock, G., Taylor, K. D. A., Knowles, M. J., Himonides, A. The improved whitening of minced cod flesh using dispersed titanium dioxide. J Sci Food Agric. 73 (2), 221-225 (1997).
  33. Patel, N., Mishra, C. B. Laboratory investigation of nano titanium dioxide (TiO2) in concrete for pavement. IRJET. 2018, 1634(2018).
  34. Reyes-Coronado, D., Rodríguez-Gattorno, G., Espinosa-Pesqueira, M. E., Cab, C., Oskam, G. Phase-pure TiO2 nanoparticles: anatase, brookite and rutile. Nanotechnology. 19 (14), (2008).
  35. Fujishima, A., Zhang, X., Tryk, D. Heterogeneous photocatalysis: From water photolysis to applications in environmental cleanup. Int J Hydrogen Energy. 32 (14), 2664-2672 (2007).
  36. Addamo, M., Bellardita, M., Di Paola, A., Palmisano, L. Preparation and photoactivity of nanostructured anatase, rutile and brookite TiO2 thin films. Chem Commun. 47, 4943(2006).
  37. Ma, B., Li, H., Li, X., Mei, J., Lv, Y. Influence of nano-TiO2 on physical and hydration characteristics of fly ash-cement systems. Constr Build Mater. 122, 242-253 (2016).
  38. Maury-Ramirez, A., Demeestere, K., De Belie, N. Photocatalytic activity of titanium dioxide nanoparticle coatings applied on autoclaved aerated concrete: effect of weathering on coating physical characteristics and gaseous toluene removal. J Hazard Mater. 211 - 212, 218-225 (2012).
  39. Lee, B. Y., Jayapalan, A. R., Kurtis, K. E. Effects of nano-TiO2 on properties of cement-based materials. Mag Concr Res. 65 (21), 1293-1302 (2013).
  40. Zhang, R., Cheng, X., Hou, P., Ye, Z. Influences of nano-TiO2 on the properties of cement-based materials: hydration and drying shrinkage. Constr Build Mater. 81, 35-41 (2015).
  41. Yuenyongsuwan, J., Sinthupinyo, S., O'Rear, E. A., Pongprayoon, T. Hydration accelerator and photocatalyst of nano titanium dioxide synthesized via surfactant-assisted method in cement mortar. Cem Concr Compos. 96, 182-193 (2019).
  42. Reches, Y. Nanoparticles as concrete additives: Review and perspectives. Constr Build Mater. 175, 483-495 (2018).
  43. Paul, S. C., van Rooyen, A. S., van Zijl, G. P. A. G., Petrik, L. F. Properties of cement-based composites using nanoparticles: A comprehensive review. Constr Build Mater. 189, 1019-1034 (2018).
  44. Silvestro, L., Jean, P., Gleize, P. Effect of carbon nanotubes on compressive, flexural and tensile strengths of Portland cement-based materials: a systematic literature review. Constr Build Mater. 264, 120237(2020).
  45. Staub de Melo, J. V., Trichês, G. Study of the influence of nano-TiO2 on the properties of Portland cement concrete for application on road surfaces. RMPD. 19 (5), 1011-1026 (2018).
  46. de Morais, J. F. Applications of nanotechnology in the construction industry: experimental analysis in cementitious products with carbon nanotubes. , Doctoral thesis (PhD in Civil Engineering) - Graduate Program in Civil Engineering, Federal Fluminense University. Niterói, RJ. (2012).
  47. Han, B., et al. Reactive powder concrete reinforced with nano SiO2-coated TiO2. Constr Build Mater. 148, 104-112 (2017).
  48. Jędrzejczak, P., et al. The influence of various forms of titanium dioxide on the performance of resultant cement composites with photocatalytic and antibacterial functions. Mater Res Bull. 160, 112139(2023).
  49. Joshaghani, A., Balapour, M., Mashhadian, M., Ozbakkaloglu, T. Effects of nano-TiO2, nano-Al2O3, and nano-Fe2O3 on rheology, mechanical and durability properties of self-consolidating concrete (SCC): An experimental study. Constr Build Mater. 245, 118444(2020).
  50. Mohseni, E., Miyandehi, B. M., Yang, J., Yazdi, M. A. Single and combined effects of nano-SiO2, nano-Al2O3 and nano-TiO2 on the mechanical, rheological and durability properties of self-compacting mortar containing fly ash. Constr Build Mater. 84, 331-340 (2015).
  51. Daniyal, M., Akhtar, S., Azam, A. Effect of nano-TiO2 on the properties of cementitious composites under different exposure environments. Mater Res Technol. 8, 6158-6172 (2019).
  52. Liang, X., Cui, S., Li, H., Abdelhady, A., Wang, H., Zhou, H. Removal effect on stormwater runoff pollution of porous concrete treated with nanometer titanium dioxide. Transp Res D Trans Environ. 73, 34-45 (2019).
  53. Sun, J., et al. Studies on the size effects of nano-TiO2 on Portland cement hydration with different water to solid ratios. Constr Build Mater. 259, 120390(2020).
  54. Choi, H. -J., Park, J. -J., Yoo, D. -Y. Benefits of TiO2 photocatalyst on mechanical properties and nitrogen oxide removal of ultra-high-performance concrete. Constr Build Mater. 285, 122921(2021).
  55. Chen, C., Tang, B., Cao, X., Gu, F., Huang, W. Enhanced photocatalytic decomposition of NO on Portland cement concrete pavement using nano-TiO2 suspension. Constr Build Mater. 275, 122135(2021).
  56. Folli, A., et al. Engineering photocatalytic cements: understanding TiO2 surface chemistry to control and modulate photocatalytic performances. J Am Ceram Soc. 93, 3360-3369 (2010).
  57. Nazari, A., Riahi, S. The effect of TiO2 nanoparticles on water permeability and thermal and mechanical properties of high-strength self-compacting concrete. Mater Sci Eng A. 528, 756-763 (2010).
  58. Phuinthiang, P., et al. Novel strategy for the development of antibacterial TiO2 thin film onto polymer substrate at room temperature. Nanomaterials. 11, 1493-1503 (2021).
  59. Nikbin, I. M., Mohebbi, R., Dezhampanah, S. Gamma ray shielding properties of heavy-weight concrete containing nano-TiO2. Radiat Phys Chem. 162, 157-167 (2019).
  60. Behfarnia, K., Azarkeivan, A., Keivan, A. The effects of TiO2 and ZnO nanoparticles on physical and mechanical properties of normal concrete. Asian J Civ Eng. 14, 517-531 (2013).
  61. Mohajerani, A., et al. Nanoparticles in construction materials and other applications, and implications of nanoparticle use. Materials. 12 (19), 3052(2019).
  62. Carneiro, F. L. A new method for determining the tensile strength of concrete. Meeting of the Brazilian Association of Technical Standards, , National Institute of Technology. Rio de Janeiro. (1943).
  63. Brazilian Association of Technical Standards. NBR 5738: Concrete - Procedure for molding and curing test specimens. , ABNT. (2015).
  64. Brazilian Association of Technical Standards. NBR 5739: Concrete - Compression tests of cylindrical specimens. , ABNT. (2007).
  65. Brazilian Association of Technical Standards. NBR 6136: Hollow concrete blocks for masonry - Requirements. , ABNT. (2016).
  66. Filho, N. C. Influence of preparation type of concrete specimen bases using neoprene plates and grinding on compressive strength testing. , Civil Engineering Course, Federal University of Alagoas, Sertão Campus - Technology Axis. Delmiro Gouveia, AL . (2022).
  67. Daccache, E. D. Analysis of the conformity of concrete batches for different strengths using statistical application: a case study. , Department of Civil and Environmental Engineering, Center of Technology, Federal University of Rio Grande do Norte. Natal, RN. (2023).
  68. Brazilian Association of Technical Standards. NBR 10004: Classification of solid waste - Classification of waste concerning potential risks to human health and the environment. , ABNT. (2004).
  69. Brazilian Association of Technical Standards. NBR 15116: Recycled aggregates for mortars and concretes - Requirements and test methods. , ABNT. (2021).
  70. Brazilian National Environment Council (CONAMA). Resolution No. 307. Regulation of construction and demolition waste management. , CONAMA. (2002).
  71. Siddiqua, A., Hahladakis, J. N., Al-Attiya, W. A. K. A. An overview of the environmental pollution and health effects associated with waste landfilling and open dumping. Environ Sci Pollut Res. 29, 58514-58536 (2022).
  72. Sikora, P., Horszczaruk, E., Rucinska, T. The effect of nanosilica and titanium dioxide on the mechanical and self-cleaning properties of waste glass cement mortar. Procedia Eng. 108, 146-153 (2015).
  73. Oh, S. -R., Choi, Y. W., Kim, Y. J. Effect of cement powder-based self-healing solid capsule on the quality of mortar. Constr Build Mater. 214, 574-580 (2019).
  74. Ong, C. B., et al. Bench-scale fire tests of Dark Red Meranti and Spruce finger joints in tension. Constr Build Mater. 168, 257-265 (2018).
  75. Dikkar, H., Kapre, V., Diwan, A., Sekar, S. K. Titanium dioxide as a photocatalyst to create self-cleaning concrete. Mater Today Proc. 45 (4), 4058-4062 (2021).
  76. Gopalakrishnan, R., Vignesh, B., Jeyalakshmi, R. Mechanical, electrical and microstructural studies on nano-TiO2 admixtured cement mortar cured with industrial wastewater. ERX. 2 (2), 025010(2020).
  77. Wang, L., Zhang, H., Gao, Y. Effect of TiO2 nanoparticles on physical and mechanical properties of cement at low temperatures. Adv Mater Sci Eng. 2018, 1-12 (2018).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

מאמרים קשורים