Methodenartikel

Beoordeling van de rampbestendigheid van beton met titaniumdioxide-nanodeeltjes

DOI:

10.3791/68246

⸱

14 november 2025

 ,  ,  , 
1Department of Environmental Sciences, São Paulo State University | UNESP, 2Brazilian National Center for Monitoring and Alert Natural Disasters (Cemaden), 3Department of Biochemistry and Molecular Biology, Federal University of Goiás, 4Municipal Faculty Professor Franco Montoro| FMPFM, 5Adventist University Center of São Paulo| UNASP-EC

In dit artikel

Samenvatting

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

Dit protocol beschrijft de beoordeling of het aanbrengen van titaniumdioxide op beton de fysische eigenschappen verbetert, waardoor de weerstand tegen de gevolgen van natuurrampen veroorzaakt door extreme gebeurtenissen wordt vergroot.

Samenvatting

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

In de afgelopen decennia is het aantal extreme gebeurtenissen in verschillende regio's van de wereld toegenomen, met aanzienlijke gevolgen voor de economie, de veiligheid en de levenskwaliteit van de getroffen bevolkingsgroepen. Deze realiteit onderstreept de dringende behoefte aan innovatieve oplossingen om dergelijke schade te beperken. Binnen dit kader is nanotechnologie naar voren gekomen als een veelbelovend paradigma, waarbij nanoadditieven worden onderscheiden als effectieve middelen voor het verbeteren van de duurzaamheid, ondoordringbaarheid en mechanische sterkte van bouwmaterialen. Nanodeeltjes zoals titaniumdioxide (TiO2), koolstofnanobuisjes (CNT's), silica, klei en koper (Cu) zijn in verband gebracht met verbeteringen in duurzaamheid, sterkte-gewichtsverhouding, stabiliteit en seismische veerkracht. De integratie van deze nanomaterialen bevordert de verdichting van de betonmatrix door holtes en haarvaten te verminderen, waardoor de waterdichtheid wordt verbeterd en de infiltratie van schadelijke stoffen wordt belemmerd. De huidige studie biedt een experimenteel onderzoek, aangevuld met een uitgebreid literatuuronderzoek, inclusief simulaties van waterabsorptie en beoordelingen van de oppervlakte-integriteit in zowel behandelde als onbehandelde materialen. Het doel is om de bijdragen van nanoadditieven aan veiligheid, duurzaamheid en duurzaamheid te evalueren in het licht van de uitdagingen van klimaatverandering. De resultaten geven aan dat een toevoeging van 1% nanoTiO2 de hoogste mechanische sterkte oplevert, terwijl hogere concentraties de voordelen als gevolg van deeltjesagglomeratie hebben verminderd. Deze bevinding onderstreept het belang van het optimaliseren van het gehalte aan nanodeeltjes om de concrete veerkracht tegen natuurrampen te vergroten en bij te dragen aan duurzame bouwpraktijken. De vergelijking met additieven op basis van koper laat zien dat, ondanks enige relatieve sterktewinst in de loop van de tijd, koperformuleringen tekortschieten in mechanische prestaties, wat nanoTiO2 benadrukt als een veelbelovender middel voor het verbeteren van de duurzaamheid van beton in rampgevoelige omgevingen. Gezien de toenemende frequentie van milieurampen, vereist de aanpassing van de civiele bouw door de duurzame integratie van nanomaterialen een zorgvuldige afweging van syntheseprocessen, stabiliteit op lange termijn en mogelijke ecologische effecten in verband met interacties van nanodeeltjes met biotische en abiotische milieucomponenten.

Inleiding

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

Rampen zijn extreme gebeurtenissen die worden gedefinieerd door het optreden van natuurlijke fenomenen die risico's voor de samenleving kunnen vormen, zoals geïllustreerd door overstromingen, aardverschuivingen, aardbevingen en andere soortgelijke gebeurtenissen, die ook kunnen worden beïnvloed door antropogene factoren1. In de nasleep van de klimaatverandering die in 2024 plaatsvond, kregen Afrikaanse landen zoals Kenia, samen met Aziatische landen, waaronder Indonesië en Afghanistan, te maken met ernstige overstromingen, met honderden doden en duizenden daklozen tot gevolg2. Van 1998 tot 2017 troffen overstromingen wereldwijd meer dan twee miljard mensen3. Volgens Marengo et al. zijn tussen 2013 en 2022 meer dan 2,2 miljoen huizen in Brazilië beschadigd, met gevolgen voor meer dan 4,2 miljoen mensen in 2.640 gemeenten. Overstromingen houden aan als gevolg van een combinatie van natuurlijke, sociale en klimatologische factoren, en hebben verliezen gegenereerd in de orde van grootte van 10 miljard USD4.

Gezien de toenemende ernst en het wijdverbreide risico van deze gebeurtenissen in de afgelopen jaren, zijn onderzoekers en professionals op zoek gegaan naar managementstrategieën en nieuwe technologieën die gericht zijn op het bevorderen van veerkrachtige gemeenschappen, parallel aan de vooruitgang van de industrie in de richting van meer duurzaamheid 5,6. Een van de veelbelovende materialen voor civieltechnische toepassingen die gericht zijn op het vergroten van de veerkracht tegen rampen, zijn titaniumdioxide-nanodeeltjes (nanoTiO2), die tal van voordelen hebben aangetoond voor essentiële bouwmaterialen, waaronder beton 7,8.

Het gebruik van nanomaterialen in de bouwsector is nu wijdverbreid in een reeks toepassingen. Ze worden gebruikt in verven en coatings om de weerstand tegen UV-degradatie en aantasting door agressieve stoffen te verbeteren. Deze materialen dragen bij aan een grotere duurzaamheid, verminderde doorlaatbaarheid, verbeterde thermische isolatie en verbeterde brandwerendheid. Wanneer TiO2 bijvoorbeeld in asfalt wordt verwerkt, interageert het met vervuilende gassen, waardoor deze worden omgezet in minder schadelijke verbindingen. Toegepast op glas kan TiO2 het oppervlak zelfreinigend maken, omdat de oxidelaag organische moleculen afbreekt en de verwijdering van anorganisch stof vergemakkelijkt. Ultraviolette straling interageert met de zelfreinigende glaslaag, waardoor moleculen verder worden afgebroken en organisch stof wordt verwijderd. De ontwikkeling van nieuwe bouwmaterialen is essentieel om constructies beter bestand te maken tegen milieustress, waardoor de gevolgen van rampen worden verminderd en de veiligheid wordt vergroot.

Titaandioxide, bekend om zijn witheid en stabiliteit, kreeg voor het eerst een brede publieke zichtbaarheid in de jaren 1970, voornamelijk als pigment in beton en andere bouwmaterialen9. In die periode werd TiO2 gebruikt om hoogwaardige, duurzame afwerkingen op buitenoppervlakken te creëren. Vanaf de jaren 1990 diende zich een nieuwe richting aan met de ontdekking van de fotokatalytische eigenschappen, die de toepassingen van TiO2 binnen de bouwsector aanzienlijk uitbreidden10.

Om de relevantie en toepasbaarheid van TiO2 in de civiele bouw volledig te begrijpen, is het essentieel om de eigenschappen ervan te schetsen en deze te relateren aan praktische voordelen, zoals buig-, trek- en druksterkte, samen met duurzaamheidsindicatoren zoals elektrische weerstand, permeabiliteit en weerstand tegen sulfaataantasting, carbonatatie en vries-dooicycli. Experimentele resultaten gerapporteerd door Ali Nazari et al. geven aan dat de buigsterkte van het beton toeneemt met de toevoeging van TiO2-nanodeeltjes tot een concentratie van 3,0%. Hoewel deze directe voordelen vertegenwoordigen, moeten de fotokatalytische en bacteriedodende eigenschappen van TiO2 ook worden beschouwd als belangrijke economische voordelen op lange termijn11.

Het vermogen van geavanceerde materialen om stabiliteit te behouden in de aanwezigheid van externe omgevingsfactoren, waaronder catastrofale scenario's zoals verwering, klimaatverandering (bijv. verhoogde CO2 -niveaus) en overstromingen, is tegenwoordig zeer relevant. Desalniettemin is wijdverbreide acceptatie alleen levensvatbaar als de productie en toepassing ecologisch duurzaam zijn 12,13,14. Deze zorg is vooral opvallend gezien het feit dat de cementproductie verantwoordelijk is voor ongeveer 5%-8% van de wereldwijde CO2 -uitstoot, een aanzienlijk deel van de voetafdruk van de civiele bouwsector, terwijl cement de steunpilaar blijft en de wereldwijde consumptie per hoofd van de bevolking ongeveer 20 miljard ton bedraagt 15,16,17,18,19,20,21,22.

In deze context rapporteert dit manuscript de ontwikkeling en toepassing van een experimentele procedure om de onderscheidende eigenschappen van nanoTiO2 te evalueren, met de nadruk op parameters zoals de mechanische sterkte van behandeld beton. De studie wordt ondersteund door een gericht literatuuronderzoek dat de potentiële voordelen van deze nanodeeltjes, regelgevende overwegingen, duurzame productie en hun relevantie in de context van catastrofale scenario's onderzoekt.

Aspecten van titaandioxide in beton
Titaandioxide-nanodeeltjes (nanoTiO2) hebben een grootte van 1 tot 100 nanometer en nemen doorgaans sferische of ellipsoïdale morfologieën aan. Hun nanoschaalafmetingen verlenen een duidelijk groter oppervlak, wat hun reactiviteit aanzienlijk verbetert23. Deze nanodeeltjes hebben aan bekendheid gewonnen op het gebied van composieten op basis van cement vanwege hun onderscheidende kenmerken en diverse toepassingen 24,25,26. NanoTiO2 is naar voren gekomen als een veelzijdig bestanddeel in cementgebonden formuleringen en vertoont eigenschappen die het geschikt maken voor een breed scala aan industriële toepassingen 11,16,18,20.

Dit nanomateriaal wordt om verschillende redenen gebruikt, waaronder gunstige chemische eigenschappen, lage toxiciteit, kosteneffectiviteit, corrosiewerende eigenschappen en fotokatalytische eigenschappen27,28. NanoTiO2 kan de weerstand van beton tegen hantering vergroten, een factor die wordt versterkt door fotokatalyse die optreedt onder ultraviolet (UV) licht. Het bezit het vermogen om organische stoffen - zoals verontreinigende stoffen, vuil en micro-organismen - die in beton aanwezig zijn, af te breken29. Bovendien kan nanoTiO2 zeer reactieve vrije radicalen genereren, waardoor het oppervlak reinigende eigenschappen krijgt, en het beschermt beton ook tegen schade veroorzaakt door weersinvloeden die slijtage versnellen, zoals stikstofoxiden30.

NanoTiO2-deeltjes kunnen verschillende kristallijne vormen aannemen - rutiel, anataas en brookiet - elk met verschillende eigenschappen. Anataas en rutiel zijn de meest voorkomende polymorfen van TiO2, terwijl de eigenschappen van brookiet nog niet volledig worden begrepen, wat uitdagingen met zich meebrengt voor industriële toepassing 31,32,33,34. Vanwege de fotokatalytische eigenschappen van TiO2 wordt anataas veel gebruikt in water- en luchtzuiveringssystemen, waar het zeer effectief is bij het afbreken van organische en anorganische onzuiverheden. Rutiel wordt veel gebruikt in de textiel-, kunststof- en verfindustrie, en de rutielvorm wordt ook veel gebruikt in zonnebrandmiddelen en andere cosmetica vanwege de UV-blokkerende eigenschappen35,36.

Titaandioxide-nanodeeltjes (nanoTiO2) bieden veelzijdige toepassingen in bouwmaterialen, zoals beton, waardoor de prestaties worden verbeterd en nieuwe functionaliteiten worden geïntroduceerd. Tot hun opmerkelijke eigenschappen behoren antimicrobiële en zelfreinigende eigenschappen, die veelbelovend zijn voor het verminderen van stedelijke luchtvervuiling door de transformatie van vervuilende gassen 37,38,39. Bij blootstelling aan zonlicht kan nanoTiO2 organische stoffen afbreken tot water en koolstofdioxide, waarbij de resulterende bijproducten vervolgens door water worden verwijderd40.

Bovendien kan de puzzolanische activiteit van nanoTiO2 op het buitengrensvlak van beton de duurzaamheid vergroten, hoewel dit in verband kan worden gebracht met een verhoogde waterabsorptie en mogelijke implicaties voor de verwerkbaarheid41. Het is ook belangrijk op te merken dat nanoTiO2-deeltjes zich kunnen agglomereren in de cementmatrix, waardoor de prestaties mogelijk worden aangetast 42,43,44. Wat gasdegradatie betreft, heeft beton met TiO2, bijvoorbeeld in bestratingstoepassingen, het potentieel om troposferische O3-niveaus 45 te verlagen.

De fotokatalytische eigenschappen van TiO2 maken de vorming van hydroxylradicalen (OH) en superoxide-ionen (O2-) mogelijk in aanwezigheid van water onder ultraviolette straling. Deze zeer reactieve soorten oxideren en ontbinden vuil en anorganische verontreinigingen. De fotokatalytische werking van TiO2's verlaagt ook de contacthoek van water op oppervlakken, waardoor de zelfreinigende prestaties worden verbeterd46. Deze zelfreinigende eigenschap draagt bij aan het verminderen van onzuiverheden in de lucht, waardoor de concentraties verontreinigende stoffen die verband houden met door broeikasgassen veroorzaakte klimaatrisico's mogelijk worden verlaagd.

NanoTiO2 draagt ook bij aan een verhoging van de buig- en druksterkte van materialen. In termen van druksterkte vermindert nanoTiO2 de porositeit, verfijnt het de poriënstructuur, verdicht het de matrix en bevordert het de hydratatie. Om deze voordelen te bereiken, is echter een zorgvuldige beheersing van de deeltjesbelasting en effectieve homogenisatie nodig om agglomeratie en de vorming van zwakke zones die scheuren zouden kunnen veroorzakente voorkomen 47. TiO2 werkt als een vulmiddel dat het cementgebonden composiet verdicht, waardoor de porositeit wordt verminderd. Deze uitkomst houdt verband met (i) de versnelling van de vorming van C-S-H-gel, (ii) een vermindering van de beschikbare ruimte voor de ontwikkeling van Ca(OH)2 , wat kleinere kristallieten oplevert, en (iii) de creatie van een meer homogene microstructuur met verminderde porositeit. Goed gekalibreerde toevoegingen van TiO2 kunnen ook de buigsterkte van cementcomposieten verbeteren48.

Van NanoTiO2 is aangetoond dat het de duurzaamheid van cementgebonden composieten aanzienlijk verbetert door de porositeit en waterdoorlaatbaarheid te verminderen en door bescherming te bieden tegen chemische aanvallen en omgevingsfactoren zoals ultraviolette straling. Dit voordeel hangt echter af van de adequate dispersie van de nanodeeltjes, aangezien hun hoge oppervlakte-energie en Van der Waals-interacties op nanoschaal de neiging hebben om agglomeratie te bevorderen37. Wanneer het op de juiste manier wordt gehomogeniseerd, verbetert de opname van nanoTiO2 de ondoordringbaarheid, elektrische weerstand en weerstand tegen vries-dooicycli en sulfaataanvallen, wat het potentieel onderstreept voor constructies die bedoeld zijn om catastrofale gebeurtenissen te weerstaan. Desalniettemin kunnen deze voordelen bij hoge concentraties worden verminderd of zelfs omgekeerd49,50.

In de context van TiO2-toepassingen in de civiele bouw voor extreme scenario's zoals overstromingen, stormen en extreme temperaturen, is het essentieel om de voordelen van nanoTiO2 af te wegen tegen de potentiële risico's die gepaard gaan met het gebruik ervan. De fotokatalytische eigenschappen die de luchtkwaliteit in steden kunnen verbeteren en kunnen helpen bij het schoonmaken en saneren van afval na een catastrofe, moeten bijvoorbeeld worden afgewogen tegen mogelijke inademingsgevaren en longtoxiciteit 51,52,53.

Additieven op basis van koper verbeteren de waterdichtheid en zijn goedkoop en gemakkelijk te manipuleren. Nanometrisch titaniumdioxide produceert waterafstotend beton en verhoogde druksterkte. TiO2 wordt momenteel op grote schaal gebruikt en is niet bedoeld voor eindgebruikers, maar heeft potentieel voor toekomstige constructie. Druksterktetesten vergelijken de resultaten van monsters met verschillende mengsels om de voor- en nadelen van koperadditieven en titaniumdioxide te analyseren.

Beton geïmpregneerd met nanoTiO2 vertoont een hogere zonnereflectie (meer albedo), wat bijdraagt aan mildere omgevingstemperaturen, het verminderen van het stedelijke hitte-eilandeffect en, in de praktijk, het verlagen van de gebouwtemperaturen en het leveren van energiebesparingen op. Dit voordeel strekt zich uit tot een verminderd verbruik van schoonmaakproducten54,55.

Eigenschappen zoals opaciteit, duurzaamheid, antibacterieel potentieel, UV-bestendigheid en het vermogen om alternatieve grondstoffen in beton te verwerken - waardoor de afhankelijkheid van cement en aggregaten wordt verminderd - duiden op sterke stimulansen voor de inzet van nanoTiO2. Deze vooruitzichten worden aangevuld met het potentieel voor verbeteringen aan groene daken en oppervlakken die een efficiëntere afvoer van regenwater bevorderen 10,56,57,58.

Over de levensduur en duurzaamheid van beton waarin nanoTiO2 is verwerkt, wijzen hedendaagse studies op een verbeterde weerstand tegen ultraviolette straling, evenals een verbeterde veerkracht tegen chemische aantasting en verwering59. Deze verbeteringen leveren directe economische voordelen op door de frequentie van reparaties en vervangingen te verminderen, waardoor het materiaalverbruik en afval in de loop van de tijd worden verminderd. Naast deze onmiddellijke financiële voordelen biedt het gebruik van nanoTiO2 ook indirecte besparingen met betrekking tot de productie, het transport en de afvoer van beton, wat bijdraagt aan een kleinere ecologische voetafdruk in verband met de levenscyclus33,60.

Gezien de milieu-implicaties van de sulfaat- en chlorideprocessen die worden gebruikt om ilmeniet en rutiel te extraheren, wordt het chlorideproces als de minder schadelijke optie beschouwd. Deze route maakt gebruik van chloorgas om rutiel om te zetten in TiCl4, dat vervolgens wordt geoxideerd tot TiO2, waardoor minder schadelijke bijproducten worden geproduceerd dan het sulfaatproces59. TiO2-houdende producten leveren aan het einde van hun levenscyclus stabiele, niet-uitlogende residuen op, waardoor ze een lager milieurisico vormen. Dit milieuprofiel vormt een aanvulling op de verbeterde weerstand en duurzaamheid van materialen, vooral onder catastrofale omstandigheden, en onderstreept de waarde van experimentele evaluaties bij het bevorderen van bouwtechnologieën.

Een studie uitgevoerd door Mohajerani et al. toont aan dat de eigenschappen van beton variëren afhankelijk van de toegepaste nanomaterialen61. Nanodeeltjes van silica, titanium, koolstof, ijzer en aluminium worden in beton geïntroduceerd om de mechanische sterkte te versterken, een snelle en verbeterde hydratatie te bevorderen, een hogere mate van hydratatie te induceren, zelfreinigende eigenschappen te verlenen, de mechanische duurzaamheid te verbeteren, barsten te voorkomen, de druksterkte te verhogen en de slijtvastheid te vergroten. Deze voordelen zijn zeer wenselijk in bouwmaterialen en dragen bij aan een grotere veerkracht van constructies tegen natuurrampen.

Daarom is het doel van dit werk om, door middel van de splitsingstrektest op cilindrische samples, de verbetering van de mechanische sterkte in beton te valideren die wordt bereikt door titaniumdioxide-nanodeeltjes in de mix op te nemen. Dit onderzoek heeft tot doel de ontwikkeling van veerkrachtigere materialen te bevorderen, met name in de context van natuurrampen waarbij betonconstructies worden blootgesteld aan extreme omstandigheden en superieure duurzaamheid en prestaties vereisen.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

De gebruikte methodologische basis is de Braziliaanse test, die de indirecte treksterkte (splijtingssterkte) bepaalt via de diametrale doorsnede van verticaal belaste cilindrische samples. Deze procedure, die in 1943 door professor Lobo Carneiro werd ontwikkeld voor cementgebonden materialen, omvat het toepassen van twee geconcentreerde, diametraal tegenovergestelde drukkrachten op een cilinder, waardoor uniforme trekspanningen worden gegenereerd die loodrecht op de diameter langs het testgedeelte62 staan.

De test maakte gebruik van vijf groepen, aangeduid als A, B, C, D en E, die respectievelijk overeenkomen met: een controlegroep; beton met 1% NanoTiO2; beton met 2% NanoTiO2; beton met 3% NanoTiO2; en beton met 3% weekmakeradditief op basis van koper. Elke groep werd onderverdeeld in drie subgroepen met uithardingstijd: 7 dagen (1), 14 dagen (2) en 28 dagen (3). De studie omvat dus in totaal vijftien exemplaren, gelabeld als A1-A3, B1-B3, C1-C3, D1-D3 en E1-E3. Figuur 1 toont het exemplaar dat in dit onderzoek is gebruikt.

1. Voorbereiding van het monster

  1. Bereid vier groepen exemplaren voor met behulp van een betonmengsel van Portland CPII-cement, steenslag, middelmatig gewassen rivierzand en water in de verhouding 1:2:3 (cement:zand:grind), met behoud van een water/cementverhouding van 0,5. Gebruik voor elk exemplaar van 3,63 kg ongeveer 558,46 g cement, 1.116,92 g zand, 1.675,38 g grind en 279,23 g water.
    OPMERKING: Gebruik deze formule voor testmonsters zonder toevoegingen. Voor exemplaren met titaniumdioxide, voeg het toe tijdens het mengen van de droge ingrediënten (cement, zand en grind). Zodra het mengsel homogeen is, voeg je water toe. Voor monsters met een plastic additief, verdun het in het mengwater voordat u het aan het mengsel toevoegt.
  2. Homogeniseer alle componenten grondig om een zo uniform mogelijke massa te verkrijgen en giet het mengsel vervolgens in de mallen. Inspecteer het mengsel op tekenen van aggregaatscheiding, ophoping van vrij water of vlekken van ongemengd materiaal. Zorg voor uniforme consistentie om representatieve resultaten te garanderen.
  3. Vorm de testmonsters in cilindrische metalen vormen met een diameter van 10 cm en een hoogte van 20 cm. Vul de mallen goed en zorg ervoor dat het betonvolume het aangegeven niveau bereikt met een gelijkmatige verdeling, zonder overmaat of tekort dat de test in gevaar zou kunnen brengen. Vul het interieur volledig, behoud van de malgeometrie en vermijd holtes.
  4. Produceer monster A in overeenstemming met ABNT NBR 6136, ABNT NBR 5738 en ABNT NBR 5739 63,64,65. Gebruik dit monster als negatieve controle, zonder toevoegingen, om als basis te dienen voor vergelijking met de andere monsters.
  5. Produceer monster B door 1% NanoTiO2 (ongeveer 36,3 g) in het betonmengsel op te nemen. Wees voorzichtig tijdens de voorbereiding, aangezien TiO2 de neiging heeft om te agglomereren; Verdeel de nanodeeltjes daarom gelijkmatig over de massa om homogeniteit tussen de monstersets te garanderen.
  6. Produceer monster C door 2% NanoTiO2 (ongeveer 72,6 g) in het betonmengsel op te nemen. Wees voorzichtig tijdens de voorbereiding, aangezien TiO2 de neiging heeft om te agglomereren; Verdeel de nanodeeltjes daarom gelijkmatig over de massa om homogeniteit tussen de monstersets te garanderen.
  7. Produceer monster D door 3% NanoTiO2 (ongeveer 108,9 g) in het betonmengsel op te nemen. Wees voorzichtig tijdens de voorbereiding, aangezien TiO2 de neiging heeft om te agglomereren; Verdeel de nanodeeltjes daarom gelijkmatig over de massa om homogeniteit tussen de monstersets te garanderen.
  8. Produceer monster E door 3% weekmakeradditief op koperbasis (ongeveer 108,9 g) in het betonmengsel op te nemen. Gebruik dit monster als positieve controle om het effect van het weekmakeradditief op de betonprestaties te vergelijken met de andere monsters.
  9. Bewaar de monsters in een ruimte met gecontroleerde omstandigheden, zonder onderhevig te zijn aan omgevingsinvloeden, om de uithardingstijd af te wachten.

2. Uithardingsproces

  1. Hard de preparaten uit in een vochtige ruimte bij een temperatuur van (23 ± 2) °C en een relatieve vochtigheid van ten minste 95% gedurende 24 uur. Dompel de monsters vervolgens onder in met kalk verzadigd water dat op dezelfde temperatuur (23 ± 2) °C wordt gehouden om gedurende de aangegeven periode verder uit te harden in overeenstemming met ABNT NBR 573863.
  2. Meet het gewicht van elk monster na uitharding; Zorg ervoor dat elk monster gemiddeld 3,63 kg massaal heeft.
  3. Monsters die bij kamertemperatuur (23 ± 2) °C als volgt worden behandeld:
    7 dagen: monsters A1, B1, C1, D1 en E1;
    14 dagen: monsters A2, B2, C2, D2 en E2;
    28 dagen: stalen A3, B3, C3, D3 en E3.
    OPMERKING: Het is belangrijk om te benadrukken dat de percentages in deze methode gerelateerd zijn aan de massa van het testmonster, tabel 1.

3. Het samendrukken sterkte testen

NOTITIE: Voer de druksterktetest uit met behulp van de betontestmachine (pers), met een nominaal en gekalibreerd bereik van 0-100 ton. Kalibreer de apparatuur door middel van indirecte meting, waarbij de druk wordt gerelateerd aan het zuigergebied, met behulp van een digitale manometer en digitale schuifmaat. Zet de apparatuur op nul en zorg voor uitlijning voordat u gaat testen.

  1. Onderwerp elk sample aan een axiale druktest in een universele trek-/druktestmachine.
  2. Zorg ervoor dat de capaciteit van de loadcellen compatibel is met de afmetingen van het sample en dat er een digitaal controlesysteem is voor het bewaken en registreren van de uitgeoefende belasting.
  3. Ga door met de test totdat het defect is en registreer de maximaal ondersteunde belasting.
  4. Bereken de druksterkte (fc) met behulp van:
    fc = Fmax / A
    waarbij: fc = druksterkte (N/mm2), Fmax = maximale geregistreerde belasting (N), A = dwarsdoorsnede van het testmonster (mm2). 1 N/mm2 = 1 MPa
  5. Voer de druksterktetest uit door elk cilindrisch monster (100 mm × 200 mm) verticaal in het midden van de hydraulische pers te plaatsen en zorg ervoor dat de laadplaten goed contact maken. Zorg ervoor dat de laadvloeren correct zijn geplaatst in overeenstemming met ABNT NBR 5739:201864.
    1. Oefen de axiale belasting continu en zonder impact uit, met een snelheid van 0,45 ± 0,15 MPa/s66,67. Herhaal dit voor de drie samplesets: controle, TiO 2-gedoteerd en additief op basis van koper.
  6. Noteer alle waarden systematisch voor vergelijking tussen de steekproefsets.
  7. Vergelijk de resultaten om het gedrag van de steekproeven te beoordelen.
  8. Sluit de test af.
    OPMERKING: Figuur 2 toont de samples die na 28 dagen uitharding aan de compressietest zijn onderworpen. Figuur 3 geeft de druksterktewaarden weer die voor elk getest monster zijn verkregen.

4. Verwijdering van materiaalresten

OPMERKING: Al het afval dat tijdens het testproces wordt gegenereerd, moet worden verwijderd in overeenstemming met ABNT NBR 10004 en ABNT NBR 15116, evenals met de richtlijnen van lokale autoriteiten die verantwoordelijk zijn voor milieubeschermingsnormen en -standaarden, waaronder 68,69,70.

  1. Verzamel afzonderlijk betonfragmenten, stof en alle materialen die TiO2 of weekmakende additieven bevatten. Geef prioriteit aan het hergebruik of de recycling van vast afval in vergunde faciliteiten voor de verwerking van bouw- en sloopafval, in overeenstemming met de technische vereisten voor gerecyclede aggregaten.
  2. Verpak het materiaal in niet-recyclebare afvalstoffen in verzegelde containers om de verspreiding van fijne deeltjes te voorkomen en leid het naar industriële stortplaatsen die zijn goedgekeurd door de bevoegde milieu-instantie.
    OPMERKING: Afval mag in geen geval worden geloosd in regenwatersystemen, natuurlijke waterlichamen of stortplaatsen zonder vergunning71.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

De waarden die voor elk monster in de druksterktetest zijn verkregen, worden weergegeven in tabel 2 en figuur 3. Tabel 2 geeft de monsteridentificatie, de uithardingstijd en de maximale belasting die wordt ondersteund in MPa. In Figuur 2 is het mogelijk om een subset van monsters te visualiseren na de compressietest. De geregistreerde waarden worden weergegeven in figuur 3

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

Uit de analyse van de resultaten, die grafisch worden geïllustreerd in figuur 3, blijkt dat monsters die een kunststofadditief op basis van koper bevatten, de laagste druksterkte vertoonden. Deze waarden zijn inferieur aan die van de controlegroep, die zonder enig additief is bereid. Figuur 3 laat verder zien dat de samples na 28 dagen uitharding de beste prestaties leveren in de compressietest.

De dr...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat zij geen financiële of materiële belangen hebben in verband met het onderzoek dat in dit artikel wordt beschreven.

Dankbetuigingen

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

Dank aan het bedrijf RAID Technology and Construction voor de tijd en apparatuur die ter beschikking zijn gesteld om de weerstandstest voor het modelleren van betonmonsters uit te voeren, vergezeld van de zorg en gespecialiseerde technische ondersteuning op dit gebied.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
Concrete test specimensJCRBBloco 20Er werden twee eenheden gebruikt voor de test
Analytical scaleShimadzuATX224R
Compressive Strength Test EquipmentSoloTest1504100
Plasticizer additiveNovaTintasNovaLiga
Precision scaleSartorius3862 MP8-1 
Titanium Dioxide R110FRAC ChemicalFR10ZZ2400905RTRutil titanium dioxide pigment
Ultrasonic cleanerCristófoli2.5L

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Duurzaamheid van betonnanotechnologie in de bouwdruksterktenanoadditieven voor betonmechanische sterkte van betonaxiale compressietestduurzame bouwoptimalisatie van nanodeeltjes

Gerelateerde artikelen