Artykuł metodologiczny

Ocena odporności betonu na katastrofy z użyciem nanocząstek dwutlenku tytanu

DOI:

10.3791/68246

⸱

14 listopada 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

W tym artykule

Podsumowanie

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

Protokół ten opisuje ocenę, czy stosowanie dwutlenku tytanu do betonu zwiększa jego właściwości fizyczne, a tym samym zwiększając odporność na skutki klęsk żywiołowych spowodowanych ekstremalnymi zdarzeniami.

Streszczenie

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

W ostatnich dekadach zjawiska ekstremalne nasiliły się w różnych regionach świata, powodując znaczące skutki dla gospodarek, bezpieczeństwa oraz jakości życia dotkniętych populacji. Ta rzeczywistość podkreśla pilną potrzebę innowacyjnych rozwiązań mających na celu ograniczenie takich szkód. W ramach tego systemu nanotechnologia wyłoniła się jako obiecujący paradygmat, a nanododatki wyróżniają się jako skuteczne środki zwiększające trwałość, nieprzepuszczalność i wytrzymałość mechaniczną materiałów budowlanych. Nanocząstki takie jak dwutlenek tytanu (TiO2), nanorurki węglowe (CNT), krzemionka, glina i miedź (Cu) były powiązane z poprawą trwałości, stosunku wytrzymałości do masy, stabilności oraz odporności sejsmicznej. Integracja tych nanomateriałów sprzyja zagęszczeniu matrycy poprzez redukcję pustek i naczyń włosowatych, co zwiększa wodoodporność i utrudnia infiltrację szkodliwych substancji. Niniejsze badanie oferuje eksperymentalne badanie uzupełnione kompleksowym przeglądem literatury, obejmującym symulacje absorpcji wody oraz oceny integralności powierzchni zarówno w materiałach traktowanych, jak i nieobrobionych. Celem jest ocena wkładu nanododatków w bezpieczeństwo, trwałość i zrównoważony rozwój w obliczu wyzwań związanych ze zmianami klimatu. Wyniki wskazują, że 1% dodatkunanoTiO2 daje najwyższą wytrzymałość mechaniczną, podczas gdy wyższe stężenia mają tendencję do zmniejszania korzyści z powodu aglomeracji cząstek. To odkrycie podkreśla znaczenie optymalizacji zawartości nanocząsteczek w celu zwiększenia konkretnej odporności na klęski żywiołowe, przyczyniając się do zrównoważonych praktyk budowlanych. Porównanie z dodatkami na bazie miedzi pokazuje, że mimo pewnego względnego wzrostu wytrzymałości w czasie, formuły miedzi ustępują wydajności mechanicznej, co podkreślananoTiO 2 jako bardziej obiecujący środek poprawiający trwałość betonu w środowiskach narażonych na katastrofy. Biorąc w obliczu rosnącej częstotliwości katastrof środowiskowych, adaptacja budownictwa cywilnego poprzez zrównoważone wykorzystanie nanomateriałów wymaga starannego rozważenia procesów syntezy, długoterminowej stabilności oraz potencjalnych wpływów ekologicznych związanych z interakcjami nanocząsteczek z biotycznymi i abiotycznymi komponentami środowiskowymi.

Wprowadzenie

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

Katastrofy to ekstremalne zdarzenia definiowane przez zjawiska naturalne zdolne do stanowienia zagrożenia dla społeczeństwa, co ilustrują powodzie, osuwiska, trzęsienia ziemi i inne podobne zdarzenia, na które mogą również wpływać czynniki antropogeniczne1. W następstwie zmian klimatu, które miały miejsce w 2024 roku, kraje afrykańskie, takie jak Kenia, wraz z krajami azjatyckimi, w tym Indonezją i Afganistanem, doświadczyły poważnych powodzi, w wyniku których zginęły setki ofiar śmiertelnych i tysiąceosób bezdomnych. W latach 1998–2017 powodzie dotknęły ponad dwa miliardy ludzi na całym świecie3. Według Marengo i in., w latach 2013–2022 w Brazylii uszkodzono ponad 2,2 miliona domów, co dotknęło ponad 4,2 miliona osób w 2 640 gminach. Powodzie utrzymują się z powodu kombinacji czynników naturalnych, społecznych i klimatycznych, generując straty rzędu 10 miliardów USD4.

Biorąc pod uwagę rosnącą powagę i powszechne ryzyko tych zdarzeń w ostatnich latach, badacze i specjaliści poszukują strategii zarządzania oraz nowych technologii mających na celu budowanie odporności społeczności, równolegle z postępem przemysłu w kierunku większej zrównoważoności 5,6. Wśród obiecujących materiałów do zastosowań inżynierii lądowej, mających na celu zwiększenie odporności na katastrofy, znajdują się nanocząstki dwutlenku tytanu (nanoTiO2), które wykazały liczne zalety dla niezbędnych materiałów budowlanych, w tym betonu 7,8.

Zastosowanie nanomateriałów w branży budowlanej jest obecnie powszechne w różnych zastosowaniach. Stosuje się je w farbach i powłokach, aby zwiększyć odporność na degradację UV i atak agresywnych substancji. Materiały te przyczyniają się do większej trwałości, zmniejszenia przepuszczalności, lepszej izolacji termicznej oraz zwiększonej odporności ogniowej. Na przykład, gdy TiO2 wchodzi w formę asfaltu, wchodzi w interakcje z gazami zanieczyszczającymi, przekształcając je w mniej szkodliwe związki. Stosowany na szkle, TiO2 może uczynić powierzchnię samoczyszczącą, ponieważ warstwa tlenku rozkłada cząsteczki organiczne i ułatwia usuwanie pyłu nieorganicznego. Promieniowanie ultrafioletowe oddziałuje na samoczyszczącą się warstwę szkła, dalej rozkładając cząsteczki i usuwając pył organiczny. Rozwój nowych materiałów budowlanych jest niezbędny, aby uczynić konstrukcje bardziej odpornymi na stresy środowiskowe, co zmniejsza skutki katastrof i zwiększa bezpieczeństwo.

Dwutlenek tytanu, znany ze swojej bieli i stabilności, po raz pierwszy zyskał szeroką publiczną rozpoznawalność w latach 70., głównie jako pigment w i innych materiałach budowlanych9. W tym okresie TiO2 był wykorzystywany do tworzenia wysokiej jakości, trwałych wykończeń na powierzchniach zewnętrznych. Począwszy od lat 90., wyłonił się nowy kierunek wraz z odkryciem jego właściwości fotokatalitycznych, co znacząco rozszerzyło zastosowania TiO2 w sektorze budowlanym10.

Aby w pełni zrozumieć znaczenie i zastosowanie TiO2 w budownictwie cywilnym, należy określić jego właściwości i powiązać je z praktycznymi korzyściami, takimi jak wytrzymałość zgięcia, rozciągająca i ściskająca, a także wskaźnikami trwałości, takimi jak rezystencyjność elektryczna, przepuszczalność oraz odporność na ataki siarczanów, gazację oraz cykle zamarzania i rozmrażania. Wyniki eksperymentalne przedstawione przez Ali Nazari i in. wskazują, że wytrzymałość zgięcia betonu wzrasta wraz z dodaniem nanocząstekTiO2 do stężenia 3,0%. Chociaż stanowią one bezpośrednie korzyści, właściwości fotokatalityczne i bakteriobójczeTiO2 również należy uznać za istotne długoterminowe korzyści ekonomiczne11.

Zdolność zaawansowanych materiałów do utrzymania stabilności w obecności czynników zewnętrznych, w tym katastrofalnych scenariuszy takich jak wietrzenie, zmiany klimatu (np. podwyższony poziomCO2) i powodzie, jest dziś bardzo istotna. Niemniej jednak powszechne wdrożenie jest możliwe tylko wtedy, gdy produkcja i stosowanie są ekologicznie zrównoważone 12,13,14. Obawy te są szczególnie istotne, biorąc pod uwagę, że produkcja cementu odpowiada za około 5%-8% globalnych emisjiCO2, stanowiąc znaczną część powierzchni sektora budownictwa cywilnego, podczas gdy cement pozostaje podstawowym produktem, a globalne zużycie na mieszkańca wynosi około 20 miliardów ton metrycznych 15,16,17,18,19,20,21. 22.

W tym kontekście niniejszy manuskrypt opisuje opracowanie i zastosowanie eksperymentalnej procedury oceny charakterystycznych właściwości nanoTiO2, ze szczególnym uwzględnieniem parametrów takich jak wytrzymałość mechaniczna impregnowanego betonu. Badanie opiera się na skoncentrowanym przeglądzie literatury, który analizuje potencjalne korzyści płynące z tych nanocząstek, kwestie regulacyjne, zrównoważoną produkcję oraz ich znaczenie w kontekście scenariuszy katastrofalnych.

Aspekty dwutlenku tytanu w
Nanocząstki dwutlenku tytanu (nanoTiO 2) mają rozmiary od 1 do 100 nanometrów i zazwyczaj przyjmują morfologię sferyczną lub elipsoidalną. Ich nanoskalowe wymiary zapewniają znacznie większą powierzchnię, co znacznie zwiększa ich reaktywność23. Te nanocząstki zyskały znaczenie w dziedzinie kompozytów cementowych dzięki swoim charakterystycznym właściwościom i różnorodnym zastosowaniom 24,25,26. NanoTiO2 stał się wszechstronnym składnikiem w formułach cementowych, wykazując właściwości umożliwiające jego nadanie do szerokiego zakresu zastosowań przemysłowych 11,16,18,20.

Ten nanomateriał jest wykorzystywany z kilku powodów, w tym korzystnych właściwości chemicznych, niskiej toksyczności, opłacalności, właściwości antykorozyjnych oraz zdolności fotokatalitycznych27,28. NanoTiO2 może zwiększyć odporność betonu na dotyki, co jest wzmacniane przez fotokatalizę zachodzącą pod wpływem światła ultrafioletowego (UV). Posiada zdolność rozkładania substancji organicznych – takich jak zanieczyszczenia, brud i mikroorganizmy – obecnew. Ponadto nanoTiO2 może generować silnie reaktywne wolne rodniki, nadając powierzchni właściwości oczyszczające, a także chroni przed uszkodzeniami spowodowanymi przez czynniki atmosferyczne przyspieszające zużycie, takie jak tlenki azotu30.

CząstkiNanoTiO 2 mogą przyjmować kilka krystalicznych form – rutylu, anagazu i brookitu – każda o różnych właściwościach. Anase i rutile są najczęstszymi polimorfami TiO2, podczas gdy właściwości brookitu nie są jeszcze w pełni poznane, co stanowi wyzwanie dla zastosowań przemysłowych 31,32,33,34. Dzięki właściwościom fotokatalitycznymTiO2, anasa jest szeroko stosowana w systemach oczyszczania wody i powietrza, gdzie jest bardzo skuteczna w rozkładzie zanieczyszczeń organicznych i nieorganicznych. Rutile znajduje szerokie zastosowanie w przemyśle tekstylnym, tworzyw sztucznych i farb, a forma rutylu jest również szeroko stosowana w kremach z filtrem i innych kosmetykach dzięki swoim zdolnościom blokującym UV35,36.

Nanocząstki dwutlenku tytanu (nanoTiO2) oferują wszechstronne zastosowania w materiałach budowlanych, takich jak, zwiększając wydajność i wprowadzając nowe funkcje. Do ich godnych uwagi cech należą właściwości antybakteryjne i samooczyszczające, które dają nadzieję na łagodzenie zanieczyszczenia powietrza w miastach poprzez przekształcanie zanieczyszczających gazów 37,38,39. Po ekspozycji na światło słonecznenanoTiO2 może rozkładać substancje organiczne na wodę i dwutlenek węgla, a powstałe produkty uboczne są następnie usuwane przezwodę.

Ponadto aktywność pozzolanowananoTiO2 na zewnętrznej powierzchni betonu może zwiększać trwałość, choć może być związana ze zwiększoną absorpcją wody i potencjalnymi konsekwencjami dla użyteczności41. Ważne jest również, aby zauważyć, że cząstkinanoTiO2 mogą aglomerować w matrycy cementowej, co może pogarszać wydajność 42,43,44. Jeśli chodzi o degradację gazów, zawierającyTiO2, na przykład w zastosowaniach na nawierzchniach, może obniżyć troposferyczne poziomy O3 45.

Fotokatalityczne właściwościTiO2 umożliwiają powstawanie rodników hydroksylowych (OH) i jonów nadtlenku (O2-) w obecności wody pod wpływem promieniowania ultrafioletowego. Te wysoce reaktywne gatunki utleniają i rozkładają brud oraz zanieczyszczenia nieorganiczne. Działanie fotokatalityczne TiO2 obniża także kąt kontaktu wody z powierzchniami, poprawiając właściwości samoczyszczące46. Ta własność samooczyszczania przyczynia się do redukcji zanieczyszczeń unoszących się w powietrzu, potencjalnie obniżając stężenia zanieczyszczeń związanych z ryzykiem klimatycznym wywołanym przez gazy cieplarniane.

NanoTiO2 przyczynia się również do zwiększenia wytrzymałości zgięcia i ściskania materiałów. Pod względem wytrzymałości na ściskanienanoTiO2 zmniejsza porowatość, poprawia strukturę porów, zagęszcza matrycę i sprzyja nawadnieniu. Jednak osiągnięcie tych korzyści wymaga starannej kontroli obciążenia cząstek oraz skutecznej homogenizacji, aby zapobiec aglomeracji i powstawaniu słabych stref, które mogłyby wywołać pęknięcia47. TiO2 działa jak wypełniacz gęsty cementowy kompozyt, zmniejszając tym samym porowatość. Ten wynik wiąże się z (i) przyspieszeniem powstawania żelu C-S-H, (II) redukcją dostępnej przestrzeni dla rozwoju Ca(OH)2, co daje mniejsze krystality, oraz (iii) powstaniem bardziej jednorodnej mikrostruktury o zmniejszonej porowatości. Odpowiednio skalibrowane dodatki TiO2 mogą również zwiększyć wytrzymałość na zginanie kompozytów cementowych48.

Wykazano, żeNanoTiO 2 znacząco zwiększa trwałość kompozytów cementowych poprzez zmniejszenie porowatości i przepuszczalności wody oraz zapewnia ochronę przed atakami chemicznymi i czynnikami środowiskowymi, takimi jak promieniowanie ultrafioletowe. Ta korzyść jednak zależy od odpowiedniej dyspersji nanocząstek, ponieważ ich wysoka energia powierzchniowa oraz oddziaływania van der Waalsa na skali nano-nanoskali sprzyjają aglomeracji37. Przy prawidłowej homogenizacji zastosowanienanoTiO2 poprawia nieprzepuszczalność, rezystancyjność elektryczną oraz odporność na cykle zamarzania-rozmrażania i ataku siarczanów, podkreślając potencjał konstrukcji zaprojektowanej do wytrzymania katastrofalnych zdarzeń. Niemniej jednak, przy wysokich stężeniach te korzyści mogą zostać zmniejszone lub nawet odwrócone49,50.

W kontekście zastosowań TiO2 w budownictwie cywilnym w ekstremalnych scenariuszach, takich jak powodzie, burze i ekstremalne temperatury, kluczowe jest zrównoważenie korzyścinanoTiO 2 z potencjalnymi ryzykami związanymi z jego zastosowaniem. Na przykład właściwości fotokatalityczne, które mogą poprawić jakość powietrza w miastach oraz wspomóc czyszczenie i remediację odpadów po katastrofie, muszą być rozważane w kontekście potencjalnych zagrożeń wdechowych i toksyczności płuc 51,52,53.

Dodatki na bazie miedzi poprawiają wodoodporność, są tanie i łatwe do manipulacji. Nanometryczny dwutlenek tytanu tworzy wodoodporny i zwiększa wytrzymałość na ściskanie. Obecnie używany na dużą skalę, TiO2 nie jest przeznaczony dla użytkowników końcowych, ale ma potencjał do przyszłej budowy. Testy wytrzymałości na ściskanie porównują wyniki próbek z różnymi mieszaninami, aby przeanalizować zalety i wady dodatków miedzi oraz dwutlenku tytanu.

nasycony nanoTiO2 wykazuje wyższe odbicie słoneczne (większy albedo), co przyczynia się do łagodniejszych temperatur otoczenia, łagodzi efekt miejskiej wyspy ciepła oraz praktycznie obniża temperaturę budynków i pozwala zaoszczędzić energię. Ta korzyść obejmuje zmniejszenie spożycia środków czystości54,55.

Cechy takie jak nieprzezroczystość, trwałość, potencjał antybakteryjny, odporność na promieniowanie UV oraz zdolność do stosowania alternatywnych surowców w – co zmniejsza zależność od cementu i kruszyw – sygnalizują silne zachęty do wdrażaniananoTiO2. Te perspektywy uzupełnia potencjał ulepszeń zielonych dachów i powierzchni, które sprzyjają bardziej efektywnemu odprowadzaniu wody deszczowej 10,56,57,58.

Na temat trwałości i trwałości betonu zawierającego nanoTiO2, współczesne badania wskazują na zwiększoną odporność na promieniowanie ultrafioletowe, a także lepszą odporność na ataki chemiczne i warunki atmosferyczne59. Te ulepszenia przynoszą bezpośrednie korzyści ekonomiczne, zmniejszając częstotliwość napraw i wymian, co z czasem zmniejsza zużycie materiałów i odpady. Poza tymi natychmiastowymi korzyściami finansowymi, zastosowanie nanoTiO2 przynosi także pośrednie oszczędności związane z produkcją, transportem i utylizacją betonu, przyczyniając się do zmniejszenia śladu węglowego związanego z cyklem życiabetonu 33,60.

Biorąc pod uwagę środowiskowe skutki procesów siarczanowych i chlorkowych stosowanych do wydobycia ilmenitu i rutylu, proces chlorkowy uważany jest za mniej szkodliwą opcję. Ta droga wykorzystuje gaz chlorowy do przekształcania rutylu w TiCl4, który następnie utlenia się doTiO2, powodując mniej szkodliwych produktów ubocznych niż proces siarczanowy59. Produkty zawierająceTiO 2 dają stabilne, niewymywane resztki pod koniec cyklu życia, co wiąże się z mniejszym ryzykiem środowiskowym. Ten profil środowiskowy uzupełnia zwiększoną odporność i trwałość materiałów, szczególnie w warunkach katastrofalnych, podkreślając wartość eksperymentalnych ocen w rozwoju technologii budowlanych.

Badanie przeprowadzone przez Mohajerani i in. wykazało, że właściwości betonu różnią się w zależności od nanomateriałówstosowanych 61. Nanocząstki krzemionki, tytanu, węgla, żelaza i aluminium są wprowadzane do betonu, aby wzmocnić wytrzymałość mechaniczną, ułatwić szybkie i lepsze nawodnienie, zwiększyć poziom hydratacji, zapewnić właściwości samoczyszczące, poprawić trwałość mechaniczną, zapobiegać pękaniu, zwiększać wytrzymałość na ściskanie oraz zwiększać odporność na ścieranie. Te korzyści są bardzo pożądane w materiałach budowlanych, przyczyniając się do większej odporności konstrukcji na klęski żywiołowe.

Dlatego celem tych prac jest potwierdzenie, poprzez test rozszczepienia na próbkach cylindrycznych, zwiększenia wytrzymałości mechanicznej betonu osiągniętego poprzez włączenie nanocząstek dwutlenku tytanu do mieszanki. Celem tych badań jest rozwój bardziej odpornych materiałów, szczególnie w kontekście klęsk żywiołowych, gdzie konstrukcje betonowe są narażone na ekstremalne warunki i wymagają wyższej trwałości oraz osiągów.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

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

Podstawą metodologiczną jest test brazylijski, który określa pośrednią wytrzymałość na rozciąganie (rozszczepienie) na podstawie przekroju średnicy pionowo obciążonych próbek cylindrycznych. Procedura ta, opracowana przez profesora Lobo Carneiro w 1943 roku dla materiałów cementowych, polega na zastosowaniu dwóch skoncentrowanych, przeciążalnie przeciwstawnych sił ściskających na cylinder, co generuje jednorodne naprężenia rozciągające prostopadle do średnicy wzdłuż testowego przekroju62.

Test obejmował pięć grup, oznaczonych jako A, B, C, D i E, odpowiadających odpowiednio: grupie kontrolnej; z 1% NanoTiO2; zawierający 2%NanoTiO2; z 3%NanoTiO2; oraz z dodatkiem plastyfikatora na bazie miedzi 3%. Każda grupa była podzielona na trzy podgrupy okresu utwardzania: 7 dni (1), 14 dni (2) i 28 dni (3). W związku z tym badanie obejmuje łącznie piętnaście okazów, oznaczonych jako A1-A3, B1-B3, C1-C3, D1-D3 oraz E1-E3. Rysunek 1 przedstawia okaz użyty w tym badaniu.

1. Przygotowanie okazów

  1. Przygotuj cztery grupy próbek, używając mieszanki betonu cementu Portland CPII, kruszonego kamienia, średnio wypłukanego piasku rzecznego i wody w proporcji 1:2:3 (cement:piasek:żwir), utrzymując stosunek woda/cement 0,5. Na każdą próbkę o masie 3,63 kg należy użyć około 558,46 g cementu, 1 116,92 g piasku, 1 675,38 g żwiru oraz 279,23 g wody.
    UWAGA: Stosuj tę formułę do próbek bez żadnych dodatków. W przypadku próbek z dwutlenkiem tytanu dodaj go podczas mieszania suchych składników (cement, piasek i żwir). Gdy mieszanka stanie się jednorodna, dodaj wodę. W przypadku próbek z dodatkiem do tworzywa sztucznego rozcieńczaj go w wodzie do mieszanki przed dodaniem do mieszanki.
  2. Dokładnie ujednolic wszystkie komponenty, aby uzyskać jak najbardziej jednolitą masę, a następnie odlej mieszankę do form. Sprawdź mieszankę pod kątem oznak segregacji kruszywa, nagromadzenia się wolnej wody lub zabarwienia od materiału niewymieszanego. Zapewnij jednolitą spójność, aby zagwarantować reprezentatywne wyniki.
  3. Próbki testowe formuj w cylindrycznych metalowych formach o średnicy 10 cm i wysokości 20 cm. Wypełnij formy prawidłowo, dbając o to, by objętość betonu osiągnęła wyznaczony poziom z równomiernym rozłożeniem, bez nadmiaru lub niedoborów, które mogłyby zaszkodzić testowi. Wypełnij całkowicie wnętrze, zachowując geometrię formy i unikając pustek.
  4. Sporządź próbkę A zgodnie z ABNT NBR 6136, ABNT NBR 5738 oraz ABNT NBR 573963, 64, 65. Użyj tej próbki jako kontroli ujemnej, bez żadnych dodatków, jako punktu odniesienia do porównania z innymi próbkami.
  5. Produkuj próbkę B, dodając 1% NanoTiO2 (około 36,3 g) do mieszanki. Zachowaj ostrożność podczas przygotowań, ponieważTiO 2 ma tendencję do aglomeracji; dlatego równomiernie rozłóż nanocząstki na masie, aby zapewnić jednorodność między zestawami próbek.
  6. Produkuj próbkę C, dodając 2% NanoTiO2 (około 72,6 g) do mieszanki. Zachowaj ostrożność podczas przygotowań, ponieważTiO 2 ma tendencję do aglomeracji; dlatego równomiernie rozłóż nanocząstki na masie, aby zapewnić jednorodność między zestawami próbek.
  7. Uzyskaj próbkę D, dodając 3% NanoTiO2 (około 108,9 g) do mieszanki. Zachowaj ostrożność podczas przygotowań, ponieważTiO 2 ma tendencję do aglomeracji; dlatego równomiernie rozłóż nanocząstki na masie, aby zapewnić jednorodność między zestawami próbek.
  8. Produkuj próbkę E, dodając 3% dodatku do plastyfikatora na bazie miedzi (około 108,9 g) do mieszanki. Użyj tej próbki jako dodatniej kontroli do porównania wpływu dodatku plastyfikatora na wydajność betonu w porównaniu z innymi próbkami.
  9. Przechowuj próbki w miejscu o kontrolowanych warunkach, bez wpływu środowiskowego, aby oczekiwać na czas utwardzenia.

2. Proces utwardzania

  1. Utwardzaj próbki w obszarze o kontrolowanej wilgotności w temperaturze (23 ± 2) °C i wilgotności względnej co najmniej 95% przez 24 godziny. Następnie zanurz próbki w wodzie nasyconej wapnem, utrzymywanej w tej samej temperaturze (23 ± 2) °C, aby kontynuować utwardzanie przez wyznaczony okres zgodnie z ABNT NBR 573863.
  2. Po utwardzeniu zmierz wagę każdej próbki; upewnij się, że każda próbka ma średnio 3,63 kg.
  3. Preparaty kondycjonowane w temperaturze pokojowej (23 ± 2) °C w następujący sposób:
    7 dni: próbki A1, B1, C1, D1 i E1;
    14 dni: próbki A2, B2, C2, D2 i E2;
    28 dni: próbki A3, B3, C3, D3 i E3.
    UWAGA: Ważne jest, aby podkreślić, że procenty w tej metodzie są powiązane z masą próbki testowej, Tabela 1.

3. Testowanie wytrzymałości ściskającej

UWAGA: Wykonaj test wytrzymałości na ściskanie za pomocą maszyny do testowania betonu (prasy), w zakresie nominalnym i skalibrowanym od 0 do 100 ton. Kalibruj urządzenie poprzez pomiar pośredni, powiązany ciśnienie z powierzchnią tłoka, za pomocą cyfrowego manometru i zacisku cyfrowego. Wyzeruj sprzęt i upewnij się, że ustawisz ustawienie przed testem.

  1. Poddaj każdą próbkę testowi osiowego ściskania w uniwersalnej maszynie do testowania ściskania i rozciągania.
  2. Upewnij się, że pojemność ładowomierza jest zgodna z wymiarami próbki oraz że istnieje cyfrowy system sterowania do monitorowania i rejestrowania przyłożonego obciążenia.
  3. Kontynuuj test aż do awarii, rejestrując maksymalne obsługiwane obciążenie.
  4. Oblicz wytrzymałość ściskającą (fc) za pomocą:
    fc = Fmax / A
    gdzie: fc = wytrzymałość na ściskanie (N/mm2), Fmax = maksymalne zarejestrowane obciążenie (N), A = przekrój poprzeczny próbki testowej (mm 2). 1 N/mm2 = 1 MPa
  5. Test wytrzymałości na ściskanie przeprowadzić poprzez ustawienie każdej próbki cylindrycznej (100 mm × 200 mm) pionowo w centrum prasy hydraulicznej, zapewniając prawidłowy kontakt z płytami ładunkowymi. Upewnij się, że powierzchnie załadunkowe są prawidłowo rozmieszczone zgodnie z ABNT NBR 5739:201864.
    1. Obciążenie osiowe należy stosować ciągłie i bez uderzenia, z częstotliwością 0,45 ± 0,15 MPa/s66,67. Powtórz dla trzech zestawów próbek: kontrolnego,TiO 2-domieszkowanego oraz dodatkowego na bazie miedzi.
  6. Systematycznie zapisuj wszystkie wartości do porównania między zestawami prób.
  7. Porównaj wyniki, aby ocenić zachowanie próbek.
  8. Zakończ test.
    UWAGA: Rysunek 2 przedstawia próbki poddane testowi kompresji po 28 dniach od utwardzania. Rysunek 3 przedstawia wartości wytrzymałości na ściskanie uzyskane dla każdej badane próbki.

4. Utylizacja pozostałości materiału

UWAGA: Wszystkie odpady powstałe podczas procesu testowania powinny być utylizowane zgodnie z ABNT NBR 10004 i ABNT NBR 15116, a także zgodnie z wytycznymi lokalnych władz odpowiedzialnych za normy i standardy ochrony środowiska, w tym 68,69,70.

  1. Oddzielnie zbieraj fragmenty betonu, pył oraz materiały zawierająceTiO2 lub dodatki plastyfikujące. Priorytetowo traktuj ponowne wykorzystanie lub recykling odpadów stałych w licencjonowanych zakładach do przetwarzania odpadów budowlanych i rozbiórkowych, zgodnie z wymaganiami technicznymi dotyczącymi kruszyw z recyklingu.
  2. W przypadku odpadów niepodlegających recyklingowi pakuj materiał do szczelnych pojemników, aby zapobiec rozprzestrzenianiu się drobnych cząstek i kieruj go na przemysłowe wysypiska zatwierdzone przez właściwą agencję środowiskową.
    UWAGA: W żadnym wypadku odpady nie powinny być wypuszczane do systemów oddzielania ściek opadowych, naturalnych zbiorników wodnych lub nielicencjonowanego miejsca składowania71.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

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

Wartości uzyskane dla każdej próbki w teście wytrzymałości na ściskanie przedstawiono w Tabeli 2 i Rysunku 3. Tabela 2 pokazuje identyfikację próbki, czas utwardzania oraz maksymalne obciążenie podtrzymywane w MPa. Na rysunku 2 można zwizualizować podzbiór próbek po teście kompresji. Wartości zapisane są przedstawione na Rysunku 3.

Liczne badania wskazują na wzrost wytrzy...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

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

W analizie wyników, która została graficznie zilustrowana na Rysunku 3, widać, że próbki zawierające miedziany dodatek tworzyw sztucznych wykazywały najniższą wytrzymałość na ściskanie. Wartości te są niższe niż te w grupie kontrolnej, która została przygotowana bez dodatków. Rysunek 3 dalej pokazuje, że po 28 dniach utwardzania próbki osiągają najlepsze wyniki w teście kompresji.

Testy kompresji wykazały znaczne zwiększenie wytrzymał...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

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

Autorzy deklarują, że nie mają żadnych interesów finansowych ani materialnych związanych z badaniami opisanymi w tym artykule.

Podziękowania

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

Dziękujemy firmie RAID Technology and Construction za czas i sprzęt dostarczony do przeprowadzenia testu odporności do modelowania próbek, wraz z troską i specjalistycznym wsparciem technicznym w okolicy.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
Próbki do betonuJCRBBlok 20Do testu użyto dwóch jednostek
Skala analitycznaShimadzuATX224R
Sprzęt do testowania wytrzymałości na ściskanieSoloTest1504100
Dodatek plastyfikatoraNovaTintasNovaLiga
Skala precyzyjnaSartorius3862 MP8-1 
Dwutlenek tytanu R110FRAC ChemicalFR10ZZ2400905RTBarwnik dwutlenku tytanu rutylny
Czyścicielka ultradźwiękowaCrist i oacute; foli2,5L

Bibliografia

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

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Trwa o betonunanotechnologia w budownictwiewytrzyma o na ciskanienanoaddytywy do betonuwytrzyma o mechaniczna betonupr ba ciskania osiowegozr wnowa one budownictwooptymalizacja nanocz steczek

Powiązane artykuły