Кремниевые породы как модификаторы структуры фотокаталитических самоочищающихся бетонов. Оценка влияния на фазовый состав цементного камня

Кремниевые породы как модификаторы структуры фотокаталитических самоочищающихся бетонов. Оценка влияния на фазовый состав цементного камня

Автор: Балыков А.С., Низина Т.А., Кяшкин В.М., Чугунов Д.Б.

Журнал: Нанотехнологии в строительстве: научный интернет-журнал @nanobuild

Рубрика: Результаты исследований ученых и специалистов

Статья в выпуске: 2 т.16, 2024 года.

Бесплатный доступ

Введение. На сегодняшний день одним из приоритетных направлений развития строительного материаловедения является разработка самоочищающихся бетонов, отличающихся полидисперсным многокомпонентным составом с наличием наноразмерных фотокаталитических добавок (прежде всего, на основе TiO2), придающих материалу ряд положительных свойств способность к разложению загрязнителей атмосферного воздуха, самоочищению поверхности и др. К перспективным методам повышения функциональных характеристик титаноксидных фотокатализаторов относят создание наноструктурированных систем с архитектурой «ядро (подложка) оболочка (фотокатализатор)». При этом результаты ряда исследований показывают, что конечная эффективность синтезируемых композитных фотокаталитических модификаторов во многом зависит от уровня реакционной способности подложки в цементной системе. Цель данного исследования - установить закономерности влияния трех видов опал-кристобалитовых пород (диатомит, трепел и опока) на процессы структурообразования цементного камня с выявлением наиболее эффективного кремнеземного сырья для применения в качестве носителя фотокаталитических агентов в составе самоочищающихся бетонов. Методы и материалы. Удельная площадь поверхности, параметры гранулометрического и химического составов образцов силицитов определялись методами Козени-Кармана, лазерной дифракции и рентгеноспектральной флуоресцентной спектрометрии. Исследование фазового состава кремниевых пород и модифицированных цементных систем выполнялось методом рентгеновской порошковой дифрактометрии. Результаты и обсуждение. Определены основные параметры гранулометрического состава диатомита, трепела и опоки. Выявлено преобладание в структуре силицитов реакционноспособных модификаций свободного кремнезема (47,6+78,0 мас.%), представленных аморфным опалом-А или скрытокристаллической ОКТ-фазой (опалом-КТ). Установлено, что повышение дозировок кремнеземных добавок с 0 до 10% приводит к снижению на 10+27% количества портландита в фазовом составе цементного камня в возрасте 28 суток, при этом увеличивается на 11+27% содержание высокопрочных низкоосновных гидросиликатов кальция (C-S-H (I)).

Еще

Самоочищающийся бетон, композитный фотокатализатор, кремниевая порода, кремнезем, пуццоланическая активность, портландцемент, дополнительный цементирующий материал, гидратация, цементный камень, микроструктура, фазовый состав, рентгеновская дифракция

Еще

Короткий адрес: https://sciup.org/142241513

IDR: 142241513   |   DOI: 10.15828/2075-8545-2024-16-2-158-169

Список литературы Кремниевые породы как модификаторы структуры фотокаталитических самоочищающихся бетонов. Оценка влияния на фазовый состав цементного камня

  • Khan K., Johari M.A.M., Amin M.N., Nasir M. Development and evaluation of basaltic volcanic ash based high performance concrete incorporating metakaolin, micro and nano-silica. Developments in the Built Environment. 2024; 17: 100330. https://doi.org/10.1016/j.dibe.2024.100330
  • Jiang J., Qin J., Chu H. Improving mechanical properties and microstructure of ultra-high-performance lightweight concrete via graphene oxide. Journal of Building Engineering. 2023; 80: 108038. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.108038
  • Tayeh B.A., Akeed M.H., Qaidi S., Bakar B.H.A. Ultra-high-performance concrete: Impacts of steel fibre shape and content on flowability, compressive strength and modulus of rupture. Case Studies in Construction Materials. 2022; 17: e01615. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e01615
  • O’Hegarty R., Kinnane O., Newell J., West R. High performance, low carbon concrete for building cladding applications. Journal of Building Engineering. 2021; 43: 102566. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102566
  • Shin H.O., Yoo D.Y., Lee J.H., Lee S.H., Yoon Y.S. Optimized mix design for 180 MPa ultra-high-strength concrete. Journal of Materials Research and Technology. 2019; 8: 4182–4197. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2019.07.027
  • Strokova V.V., Markova I.Yu., Markov A.Yu., Stepanenko M.A., Nerovnaya S.V., Bondarenko D.O., Botsman L.N. Properties of a composite cement binder using fuel ashes. Key Engineering Materials. 2022; 909: 184–190. https://doi.org/10.4028/p-tm4y4j
  • Калашников В.И. Эволюция развития составов и изменение прочности бетонов. Бетоны настоящего и будущего. Часть 1. Изменение составов и прочности бетонов // Строительные материалы. 2016. № 1–2. С. 96–103.
  • Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Кардумян Г.С., Чилин И.А. О подборе составов высококачественных бетонов с органоминеральными модификаторами // Строительные материалы. 2017. № 12. С. 58–63.
  • Загороднюк Л.Х., Елистраткин М.Ю., Подгорный Д.С., Ал Мамури С. Композиционные вяжущие для 3D аддитивных технологий // Вестник СибАДИ. 2021.18(4). С. 428–439. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2021-18-4-428-439
  • Балыков А.С., Низина Т.А., Володин С.В. Оптимизация технологических параметров получения минеральных добавок на основе прокаленных глин и карбонатных пород для цементных систем // Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т. 14, № 2. С. 145–155. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2022-14-2-145-155
  • Ge L., Zhang Y., Sayed U., Li H. Study on properties of basalt fiber reinforcing reactive powder concrete under different curing conditions. Journal of Materials Research and Technology. 2023; 27: 5739–5751. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.10.289
  • Толстой А.Д., Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Ковалева И.А. Порошковые бетоны с применением техногенного сырья // Вестник МГСУ. 2015. № 11. С. 101–109.
  • Sifan M., Nagaratnam B., Thamboo J., Poologanathan K., Corradi M. Development and prospectives of lightweight high strength concrete using lightweight aggregates. Construction and Building Materials. 2023; 362: 129628. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2022.129628
  • Рассохин А.С., Пономарев А.Н., Фиговский О.Л. Микрокремнеземы различных типов для высокопрочных мелкозернистых бетонов // Инженерно-строительный журнал. 2018. № 2 (78). С. 151–160. https://doi.org/10.18720/MCE.78.12
  • Балыков А.С., Низина Т.А., Макарова Л.В. Критерии эффективности цементных бетонов и их применение для анализа составов высокопрочных композитов // Строительные материалы. 2017. № 6. С. 69–75.
  • Chen L., Chen Z., Xie Z., Wei L., Hua J., Huang L., Yap P.-S. Recent developments on natural fiber concrete: A review of properties, sustainability, applications, barriers, and opportunities. Developments in the Built Environment. 2023; 16: 100255. https://doi.org/10.1016/j.dibe.2023.100255
  • Nizina T.A., Balykov A.S., Korovkin D.I., Volodin V.V. Physical and mechanical properties of modified finegrained fibre-reinforced concretes containing carbon nanostructures. International Journal of Nanotechnology. 2019; 16: 496–509. https://doi.org/10.1504/IJNT.2019.106621
  • Carballosa P., García Calvo J.L., Revuelta D., Sánchez J.J., Gutiérrez J.P. Influence of cement and expansive additive types in the performance of self-stressing and self-compacting concretes for structural elements. Construction and Building Materials. 2015; 93: 223–229 https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.05.113
  • Nizina T.A., Balykov A.S., Korovkin D.I., Volodin V.V. Modified fine-grained concretes based on highly filled self-compacting mixtures. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2019; 481: 012048. https://doi.org/10.1088/1757-899X/481/1/012048
  • Wang W., Wu J., Yang W., Wang S., Wu H., Zhu Z., Wang L., Ding Q., Wang H., Zhou X. Towards lowtemperature shrinkable synthetic fibers for internally self-prestressing concrete. Journal of Building Engineering. 2023; 73: 106769. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106769
  • Dhahir M.K., Marx S. Development of expansive concrete for chemical prestressing applications. Case Studies in Construction Materials. 2023; 19: e02611. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2023.e02611
  • Amor F., Baudys M., Racova Z., Scheinherrová L., Ingrisova L., Hajek P. Contribution of TiO2 and ZnO nanoparticles to the hydration of Portland cement and photocatalytic properties of High Performance Concrete. Case Studies in Construction Materials. 2022; 16: e00965. https://doi.org/10.1016/j.cscm.2022.e00965
  • Janczarek M., Klapiszewski Ł., Jędrzejczak P., Klapiszewska I., Ślosarczyk A., Jesionowski T. Progress of functionalized TiO2-based nanomaterials in the construction industry: A comprehensive review. Chemical Engineering Journal. 2022; 430(3): 132062. https://doi.org/10.1016/j.cej.2021.132062
  • Yang L., Hakki A., Wang F., Macphee D.E. Photocatalyst efficiencies in concrete technology: The effect of photocatalyst placement. Applied Catalysis B: Environmental. 2018; 222: 200–208. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2017.10.013
  • George C., Beeldens A., Barmpas F., Doussin J.F., Manganelli G., Herrmann H., Kleffmann J., Mellouki A. Impact of photocatalytic remediation of pollutants on urban air quality. Frontiers of Environmental Science & Engineering. 2016; 10(5): 2. https://doi.org/10.1007/s11783-016-0834-1
  • Gallus M., Akylas V., Barmpas F. et al. Photocatalytic de-pollution in the Leopold II tunnel in Brussels: NOx abatement results. Building and Environment. 2015; 84: 125–133. https://doi.org/10.1016/j.buildenv.2014.10.032
  • Emeline A.V., Rudakova A.V., Sakai M., Murakami T., Fujishima A. Factors affecting UV-induced superhydrophilic conversion of TiO2 surface. The Journal of Physical Chemistry C. 2013; 117(23): 12086–12092. https://doi.org/10.1021/jp400421v
  • Li Y.-N., Chen Z.-Y., Bao S.-J., Wang M.-Q., Song C.-L., Pu S., Long D. Ultrafine TiO2 encapsulated in nitrogen-doped porous carbon framework for photocatalytic degradation of ammonia gas. Chemical Engineering Journal. 2018; 331: 383–388. https://doi.org/10.1016/j.cej.2017.08.119
  • Henderson M.A. A surface science perspective on TiO2 photocatalysis. Surface Science Reports. 2011; 66: 185–297. https://doi.org/10.1016/j.surfrep.2011.01.001
  • Nakata K., Fujishima A. TiO2 photocatalysis: Design and applications. Journal of Photochemistry and Photobiology C: Photochemistry Reviews. 2012; 13(3): 169–189. https://doi.org/10.1016/j.jphotochemrev.2012.06.001
  • Тюкавкина В.В., Цырятьева А.В. Структура цементного камня, модифицированного нанодисперсной титаносодержащей добавкой // Труды Ферсмановской научной сессии ГИ КНЦ РАН. 2019. № 16. С. 597–601. https://doi.org/10.31241/FNS.2019.16.122
  • Лукутцова Н.П., Пыкин А.А., Постникова О.А., Головин С.Н., Боровик Е.Г. Структура цементного камня с диспергированным диоксидом титана в суточном возрасте // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 11. С. 13–17. https://doi.org/10.12737/22432
  • Тимохин Д.К., Геранина Ю.С. Диоксид титана как фотокатализатор в цементном бетоне // Научное обозрение. 2015. № 8. С. 46–50.
  • Хела Р., Боднарова Л. Исследование возможности тестирования эффективности фотокатализа TiO2 в бетоне // Строительные материалы. 2015. № 2. С. 77–81.
  • Строкова В.В., Губарева Е.Н., Огурцова Ю.Н. Оценка свойств кремнеземного сырья как подложки в составе композиционного фотокаталитического материала // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 2. C. 6–12. https://doi.org/10.12737/23819
  • Фаликман В.Р., Вайнер А.Я. Новые высокоэффективные нанодобавки для фотокаталитических бетонов: синтез и исследование // Нанотехнологии в строительстве. 2015. Т. 7, № 1. С. 18–28. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2015-7-1-18-28
  • Wang D., Hou P., Stephan D., Huang S., Zhang L., Yang P., Cheng X. SiO2/TiO2 composite powders deposited on cement-based materials: Rhodamine B removal and the bonding mechanism. Construction and Building Materials. 2020; 241: 118124. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2020.118124
  • Балыков А.С., Низина Т.А., Кяшкин В.М., Володин С.В. Оценка эффективности минеральных добавок в цементных системах при разработке фотокаталитических композиций «ядро – оболочка» // Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т. 14, № 5. С. 405–418. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2022-14-5-405-418
  • Fatimah I., Prakoso N.I., Sahroni I., Miqdam Musawwa M., Sim Y.-L., Kooli F., Muraza O. Physicochemical characteristics and photocatalytic performance of TiO2/SiO2 catalyst synthesized using biogenic silica from bamboo leaves. Heliyon. 2019; 5(11): e02766. https://doi.org/10.1016/j.heliyon.2019.e02766
  • Pal A., Jana T.K., Chatterjee K. Silica supported TiO2 nanostructures for highly efficient photocatalytic application under visible light irradiation. Materials Research Bulletin. 2016; 76: 353-357. https://doi.org/10.1016/j.materresbull.2015.12.040
  • Taoukil D., El meski Y., Lahlaouti M.L., Djedjig R., El bouardi A. Effect of the use of diatomite as partial replacement of sand on thermal and mechanical properties of mortars. Journal of Building Engineering. 2021; 42: 103038. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.103038
  • Балыков А.С., Низина Т.А., Кяшкин В.М., Володин С.В. Рецептурно-технологическая эффективность осадочных пород различного состава и генезиса в цементных системах // Нанотехнологии в строительстве. 2022. Т. 14, №1. С. 53–61. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2022-14-1-53-61
  • Ильичева О.М., Наумкина Н.И., Лыгина Т.З. Фазовое и структурное разнообразие осадочных кремнистых пород как основа оценки их качества // Разведка и охрана недр. 2012. № 5. С. 50–53.
  • Каприелов С.С., Шейнфельд А.В., Дондуков В.Г. Цементы и добавки для производства высокопрочных бетонов // Строительные материалы. 2017. № 11. С. 4–10.
  • Chen J.J., Thomas J.J., Taylor H.F.W., Jennings H.M. Solubility and structure of calcium silicate hydrate. Cement and Concrete Research. 2004; 34(9): 1499–1519. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2004.04.034
  • Nizina T.A., Balykov A.S., Volodin V.V., Kyashkin V.M. Structure and properties of cement systems with additives of calcined clay and carbonate rocks. Magazine of Civil Engineering. 2022; 116(8): 11602. https://doi.org/10.34910/MCE.116.2
  • Detwiler R.J., Mehta P.K. Chemical and physical effects of silica fume on the mechanical behavior of concrete. ACI Materials Journal. 1989; 86(6): 609–614.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp