$$\rightleftharpoonup{xx}$$
$$\longleftharp{xx}$$,
$$\longrightharp{xx}$$,
Afetler, antropojenik faktörlerden de etkilenebilen sel, toprak kayması, deprem ve benzeri diğer olaylarla gösterildiği gibi, toplum için risk oluşturabilecek doğal olayların meydana gelmesiyle tanımlanan aşırı olaylardır1. 2024 yılında meydana gelen iklim değişikliğinin ardından Kenya gibi Afrika ülkeleri, Endonezya ve Afganistan gibi Asya ülkeleriyle birlikte şiddetli sel felaketi yaşadı ve bunun sonucunda yüzlerce ölüm ve binlerce evsiz insan yaşandı2. 1998'den 2017'ye kadar seller dünya çapında iki milyardan fazla insanı etkiledi3. Marengo ve arkadaşlarına göre, 2013 ile 2022 yılları arasında Brezilya'da 2,2 milyondan fazla ev hasar gördü ve bu durum 2.640 belediyede 4,2 milyondan fazla kişiyi etkiledi. Sel, doğal, sosyal ve iklimsel etkenlerin bir araya gelmesi nedeniyle devam ediyor ve 10 milyar ABD doları civarında kayıplara neden oluyor4.
Son yıllarda bu olayların artan şiddeti ve yaygın riski göz önüne alındığında, araştırmacılar ve profesyoneller, daha fazla sürdürülebilirliğe yönelik endüstri ilerlemelerine paralel olarak, dirençli toplulukları teşvik etmeyi amaçlayan yönetim stratejileri ve yeni teknolojiler aramaktadır 5,6. Afetlere karşı dayanıklılığı artırmayı amaçlayan inşaat mühendisliği uygulamaları için umut verici malzemeler arasında, beton 7,8 de dahil olmak üzere temel inşaat malzemeleri için çok sayıda avantaj gösteren titanyum dioksit nanopartikülleri (nanoTiO2) bulunmaktadır.
Nanomalzemelerin inşaat sektöründe kullanımı artık bir dizi uygulamada yaygındır. UV bozulmasına ve agresif maddelerin saldırısına karşı direnci arttırmak için boya ve kaplamalarda kullanılırlar. Bu malzemeler daha fazla dayanıklılığa, daha az geçirgenliğe, daha iyi ısı yalıtımına ve daha iyi yangın direncine katkıda bulunur. Örneğin, asfalta dahil edildiğinde TiO2 kirletici gazlarla etkileşime girerek onları daha az zararlı bileşiklere dönüştürür. Cama uygulanan TiO2 , oksit tabakası organik molekülleri bozduğu ve inorganik tozun uzaklaştırılmasını kolaylaştırdığı için yüzeyi kendi kendini temizler hale getirebilir. Ultraviyole radyasyon, kendi kendini temizleyen cam katmanla etkileşime girerek molekülleri daha da parçalar ve organik tozu giderir. Yeni yapı malzemelerinin geliştirilmesi, yapıların çevresel streslere karşı daha dayanıklı hale getirilmesi, böylece afet etkilerinin azaltılması ve güvenliğin artırılması için gereklidir.
Beyazlığı ve stabilitesiyle tanınan titanyum dioksit, ilk olarak 1970'lerde, öncelikle beton ve diğer inşaat malzemelerinde pigment olarak geniş bir kamuoyu görünürlüğüne ulaştı9. Bu dönemde dış yüzeylerde yüksek kaliteli, dayanıklı yüzeyler oluşturmak için TiO2 kullanıldı. 1990'lardan başlayarak, fotokatalitik özelliklerinin keşfiyle yeni bir yön ortaya çıktı ve bu da TiO2'nin inşaat sektöründeki uygulamalarını önemli ölçüde genişletti10.
TiO2'nin inşaat inşaatındaki uygunluğunu ve uygulanabilirliğini tam olarak anlamak için, özelliklerini ana hatlarıyla belirtmek ve bunları eğilme, çekme ve basınç dayanımı gibi pratik faydaların yanı sıra elektriksel direnç, geçirgenlik ve sülfat saldırısına, karbonatlaşmaya ve donma-çözülme döngülerine karşı direnç gibi dayanıklılık göstergeleriyle ilişkilendirmek önemlidir. Ali Nazari ve ark. TiOilavesiyle beton eğilme dayanımının arttığını göstermektedir2 nanopartikülleri% 3.0'lık bir konsantrasyona kadar. Bunlar doğrudan avantajları temsil etse de, TiO2'nin fotokatalitik ve bakterisidal özellikleri de önemli uzun vadeli ekonomik faydalar olarak düşünülmelidir11.
Gelişmiş malzemelerin, hava koşulları, iklim değişikliği (örneğin artanCO2 seviyeleri) ve seller gibi felaket senaryoları da dahil olmak üzere dış çevresel faktörlerin varlığında stabiliteyi koruma yeteneği günümüzde oldukça önemlidir. Bununla birlikte, yaygın benimseme ancak üretim ve uygulama ekolojik olarak sürdürülebilir ise uygulanabilir 12,13,14. Çimento üretiminin, inşaat sektörünün ayak izinin önemli bir bölümünü oluşturan küreselCO2 emisyonlarının yaklaşık %5-8'ini oluşturduğu, çimentonun ise temel dayanak noktası olmaya devam ettiği ve kişi başına düşen küresel tüketimin kabaca 20 milyar mt olduğu göz önüne alındığında, bu endişe özellikle dikkat çekicidir 15,16,17,18,19,20,21,22olarak ayarlayın.
Bu bağlamda, bu el yazması, işlenmiş betonun mekanik mukavemeti gibi parametrelere vurgu yaparak, nanoTiO2'nin ayırt edici özelliklerini değerlendirmek için deneysel bir prosedürün geliştirilmesini ve uygulanmasını bildirmektedir. Çalışma, bu nanopartiküllerin potansiyel faydalarını, düzenleyici hususları, sürdürülebilir üretimi ve bunların felaket senaryoları bağlamındaki önemini inceleyen odaklanmış bir literatür taramasıyla desteklenmektedir.
Betondaki titanyum dioksitin yönleri
Titanyum dioksit nanopartikülleri (nanoTiO2 ) 1 ila 100 nanometre arasındaki boyutları kapsar ve tipik olarak küresel veya elipsoidal morfolojiler alır. Nano ölçekli boyutları, reaktivitelerini önemli ölçüde artıran belirgin şekilde artan bir yüzey alanı sağlar23. Bu nanopartiküller, ayırt edici özellikleri ve çeşitli uygulamaları nedeniyle çimento bazlı kompozitler alanında önem kazanmıştır 24,25,26. NanoTiO2 , çimentolu formülasyonlarda çok yönlü bir bileşen olarak ortaya çıkmıştır ve onu çok çeşitli endüstriyel kullanımlar için uygun kılan özellikler sergilemiştir 11,16,18,20.
Bu nanomalzeme, uygun kimyasal özellikler, düşük toksisite, maliyet etkinliği, korozyon önleyici özellikler ve fotokatalitik yeteneklerdahil olmak üzere çeşitli nedenlerle kullanılmaktadır 27,28. NanoTiO2 , ultraviyole (UV) ışık altında meydana gelen fotokataliz ile güçlendirilen bir faktör olan betonun elleçlemeye karşı direncini artırabilir. Beton29 içinde bulunan kirleticiler, kir ve mikroorganizmalar gibi organik maddeleri ayrıştırma yeteneğine sahiptir. Ayrıca, nanoTiO2 , yüzeye temizleme özellikleri kazandıran oldukça reaktif serbest radikaller üretebilir ve ayrıca betonu nitrojen oksitler30 gibi aşınmayı hızlandıran atmosferik ajanların neden olduğu hasarlardan korur.
NanoTiO2 parçacıkları, her biri farklı özelliklere sahip birkaç kristal form alabilir - rutil, anataz ve brookit. Anataz ve rutil, TiO2'nin en yaygın polimorflarıdır, brookitin özellikleri henüz tam olarak anlaşılmamıştır, bu da endüstriyel uygulama 31,32,33,34 için zorluklar ortaya çıkarmaktadır. TiO2'nin fotokatalitik özellikleri nedeniyle anataz, organik ve inorganik safsızlıkları ayrıştırmada oldukça etkili olduğu su ve hava temizleme sistemlerinde yaygın olarak kullanılmaktadır. Rutil, tekstil, plastik ve boya endüstrilerinde geniş kullanım alanı bulur ve rutil formu, UV engelleme özellikleri nedeniyle güneş kremlerinde ve diğer kozmetiklerde de yaygın olarak kullanılmaktadır35,36.
Titanyum dioksit nanopartikülleri (nanoTiO2 ) , beton gibi inşaat malzemelerinde çok yönlü uygulamalar sunarak performansı artırır ve yeni işlevler sunar. Dikkate değer özellikleri arasında, kirletici gazlarındönüştürülmesi yoluyla kentsel hava kirliliğini azaltma sözü veren antimikrobiyal ve kendi kendini temizleme özellikleri bulunmaktadır 37,38,39. Güneş ışığına maruz kaldığında, nanoTiO2 organik maddeleri su ve karbondioksite ayrıştırabilir ve elde edilen yan ürünler daha sonra su40 ile uzaklaştırılır.
Ek olarak, betonun dış arayüzündeki nanoTiO2'nin puzolanik aktivitesi dayanıklılığı artırabilir, ancak artan su emilimi ve işlenebilirlik için potansiyel etkiler ile ilişkili olabilir41. NanoTiO2 partiküllerinin çimento matrisi içinde topaklanabileceğini ve potansiyel olarak performansı bozabileceğinibelirtmek de önemlidir 42,43,44. Gaz bozunması ile ilgili olarak, örneğin kaplama uygulamalarında TiO2 içeren beton, troposferik O3 seviyelerini45 azaltma potansiyeline sahiptir.
TiO2'nin fotokatalitik yetenekleri, ultraviyole ışınlama altında su varlığında hidroksil radikallerinin (OH) ve süperoksit iyonlarının (O2-) oluşumunu sağlar. Bu oldukça reaktif türler, kiri ve inorganik kirleticileri oksitler ve ayrıştırır. TiO2'lerin fotokatalitik etkisi ayrıca suyun yüzeylerdeki temas açısını düşürerek kendi kendini temizleme performansını artırır46. Bu kendi kendini temizleme özelliği, havadaki yabancı maddelerin azaltılmasına katkıda bulunarak sera gazı kaynaklı iklim riskleriyle ilişkili kirletici konsantrasyonlarını potansiyel olarak azaltır.
NanoTiO2 ayrıca malzemelerin eğilme ve basınç dayanımındaki artışlara da katkıda bulunur. Basınç dayanımı açısından, nanoTiO2 gözenekliliği azaltır, gözenek yapısını iyileştirir, matrisi yoğunlaştırır ve hidrasyonu destekler. Bununla birlikte, bu faydaların elde edilmesi, partikül yüklemesinin dikkatli bir şekilde kontrol edilmesini ve topaklanmayı ve çatlakları başlatabilecek zayıf bölgelerin oluşumunu önlemek için etkili homojenizasyonu gerektirir47. TiO2 , çimentolu kompoziti yoğunlaştıran ve böylece gözenekliliği azaltan bir dolgu maddesi görevi görür. Bu sonuç, (i) C-S-H jel oluşumunun hızlanması, (ii) Ca(OH)2 gelişimi için mevcut alanda bir azalma, daha küçük kristalitler elde edilmesi ve (iii) azaltılmış gözenekliliğe sahip daha homojen bir mikro yapının oluşturulması ile bağlantılıdır. Uygun şekilde kalibre edilmiş TiO2 ilaveleri, çimento kompozitlerinin48 eğilme mukavemetini de artırabilir.
NanoTiO2'nin, gözenekliliği ve su geçirgenliğini azaltarak ve kimyasal saldırılara ve ultraviyole radyasyon gibi çevresel faktörlere karşı koruma sağlayarak çimentolu kompozitlerin dayanıklılığını önemli ölçüde artırdığı gösterilmiştir. Bununla birlikte, bu fayda, nanopartiküllerin yeterli dağılımına bağlıdır, çünkü nano ölçekteki yüksek yüzey enerjileri ve van der Waals etkileşimleri aglomerasyonunu37 teşvik etme eğilimindedir. Uygun şekilde homojenize edildiğinde, nanoTiO2'nin dahil edilmesi geçirimsizliği, elektriksel direnci ve donma-çözülme döngülerine ve sülfat saldırısına karşı direnci iyileştirerek, felaket olaylarına dayanması amaçlanan inşaat potansiyelinin altını çizer. Bununla birlikte, yüksek konsantrasyonlarda bu avantajlar azaltılabilir ve hatta tersine çevrilebilir49,50.
Sel, fırtına ve aşırı sıcaklıklar gibi aşırı senaryolar için inşaat inşaatındaki TiO2 uygulamaları bağlamında, nanoTiO2'nin faydalarını kullanımıyla ilişkili potansiyel risklerle dengelemek önemlidir. Örneğin, kentsel hava kalitesini artırabilen ve bir felaketten sonra temizlik ve atık iyileştirmesine yardımcı olabilecek fotokatalitik özellikler, olası soluma tehlikelerine ve akciğer toksisitesine karşı tartılmalıdır 51,52,53.
Bakır bazlı katkı maddeleri su geçirmezliği iyileştirir ve düşük maliyetlidir ve kolayca manipüle edilebilir. Nanometrik titanyum dioksit, su itici beton ve artırılmış basınç dayanımı üretir. Şu anda büyük ölçekte kullanılan TiO2 , son kullanıcılar için tasarlanmamıştır ancak gelecekteki inşaatlar için potansiyele sahiptir. Basınç dayanımı testi, bakır katkı maddelerinin ve titanyum dioksitin avantajlarını ve dezavantajlarını analiz etmek için numunelerin sonuçlarını çeşitli karışımlarla karşılaştırır.
NanoTiO2 ile emprenye edilmiş beton, daha yüksek güneş yansıması (daha büyük albedo) sergileyerek daha ılıman ortam sıcaklıklarına katkıda bulunur, kentsel ısı adası etkisini azaltır ve pratik olarak bina sıcaklıklarını düşürür ve enerji tasarrufu sağlar. Bu fayda, temizlik ürünleri tüketiminin azaltılmasına kadar uzanır54,55.
Opaklık, dayanıklılık, antibakteriyel potansiyel, UV direnci ve beton içinde alternatif hammaddeleri barındırma kapasitesi gibi özellikler - böylece çimento ve agregalara olan bağımlılığı azaltır - nanoTiO2 dağıtımı için güçlü teşviklere işaret eder. Bu beklentiler, daha verimli yağmur suyu drenajını teşvik eden yeşil çatılarda ve yüzeylerde iyileştirme potansiyeli ile tamamlanmaktadır 10,56,57,58.
NanoTiO2 içeren betonun uzun ömürlülüğü ve dayanıklılığı üzerine, çağdaş çalışmalar ultraviyole radyasyona karşı direncin artmasının yanı sıra kimyasal saldırılara ve hava koşullarına karşı geliştirilmiş direnç göstermektedir59. Bu iyileştirmeler, onarım ve değiştirme sıklığını azaltarak doğrudan ekonomik faydalar sağlar, böylece zaman içinde malzeme tüketimini ve israfı azaltır. Bu acil finansal avantajların ötesinde, nanoTiO2 kullanımı aynı zamanda betonun üretimi, nakliyesi ve bertarafı ile ilgili dolaylı tasarruflar da sunarak yaşam döngüsü33,60 ile ilişkili karbon ayak izinin azaltılmasına katkıda bulunur.
İlmenit ve rutilin ekstraksiyonunda kullanılan sülfat ve klorür işlemlerinin çevresel etkileri göz önüne alındığında, klorür işlemi daha az zararlı seçenek olarak kabul edilmektedir. Bu yol, rutili TiCl4'e dönüştürmek için klor gazı kullanır, bu daha sonra TiO2'ye oksitlenir ve sülfat işleminden59 daha az zararlı yan ürün üretir. TiO2 içeren ürünler, yaşam döngülerinin sonunda kararlı, sızıntı yapmayan kalıntılar verir ve böylece daha düşük bir çevresel risk sunar. Bu çevresel profil, özellikle felaket koşulları altında malzemelerin artan direncini ve dayanıklılığını tamamlayarak, gelişen inşaat teknolojilerinde deneysel değerlendirmelerin değerinin altını çiziyor.
Mohajerani ve ark. betonun özelliklerinin uygulanan nanomalzemelerle değiştiğini göstermektedir61. Silika, titanyum, karbon, demir ve alüminyum nanopartikülleri, mekanik mukavemeti güçlendirmek, hızlı ve gelişmiş hidratasyonu teşvik etmek, daha yüksek derecede hidratasyon sağlamak, kendi kendini temizleme yetenekleri kazandırmak, mekanik dayanıklılığı artırmak, çatlamayı önlemek, basınç dayanımını artırmak ve aşınma direncini artırmak için betona eklenir. Bu faydalar inşaat malzemelerinde oldukça arzu edilir ve yapıların doğal afetlere karşı daha dayanıklı olmasına katkıda bulunur.
Bu nedenle, bu çalışmanın amacı, silindirik numuneler üzerinde yarma çekme testi yoluyla, karışıma titanyum dioksit nanopartiküllerinin dahil edilmesiyle elde edilen betondaki mekanik mukavemetin arttırılmasını doğrulamaktır. Bu araştırma, özellikle beton yapıların aşırı koşullara maruz kaldığı ve üstün dayanıklılık ve performans gerektirdiği doğal afetler bağlamında daha dayanıklı malzemelerin geliştirilmesini ilerletmeyi amaçlamaktadır.