Оценка эффективности минеральных добавок в цементных системах при разработке фотокаталитических композиций "ядро - оболочка"

Оценка эффективности минеральных добавок в цементных системах при разработке фотокаталитических композиций "ядро - оболочка"

Автор: Балыков Артемий Сергеевич, Низина Татьяна Анатольевна, Кяшкин Владимир Михайлович, Володин Сергей Валерьевич

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

Рубрика: Результаты исследований ученых и специалистов

Статья в выпуске: 5 т.14, 2022 года.

Бесплатный доступ

Введение. Исследования по созданию высокоэффективных фотокатализаторов для строительных композитов, характеризующихся повышенной активностью и расширенным спектральным диапазоном действия, являются весьма актуальными. Известно, что одним из эффективных видов фотокаталитических добавок для цементных систем являются композиции «ядро (подложка) - оболочка (фотокатализатор)», где носителем может выступать минеральное сырье различного генезиса. Стоит отметить, что для комплексной оценки эффективности подложки необходимо владеть информацией о составе и свойствах используемого сырья, среди которых первостепенное значение придается его химической активности и структурообразующей роли в цементных системах. Цель данного исследования - установить закономерности влияния четырех видов минеральных добавок (микрокремнезем, метакаолин, расширяющий сульфоалюминатный модификатор и микрокальцит) на процессы формирования структуры пластифицированных цементных систем и выявить наиболее эффективные модификаторы для последующего их использования в качестве минеральной подложки в составе фотокаталитических композиций. Методы и материалы. Удельная поверхность и гранулометрический состав минеральных модификаторов определялись методами Козени-Кармана и лазерной дифракции. Исследование фазового состава минеральных добавок и модифицированных цементных систем проводилось методом рентгенофазового анализа. Результаты и обсуждение. Выявлены особенности минералогического и гранулометрического состава минеральных добавок. Установлено, что использование индивидуальных и комплексных минеральных добавок на основе микрокремнезема, метакаолина и РСАМ позволяет направленно влиять на содержание основных фаз цементного камня - эттрингита, портландита, гидросиликатов кальция разной основности. Заключение. Повышенная химическая активность указанных модификаторов в цементных системах, обусловленная наличием в структуре реакционноспособных минералов, наряду с особенностями гранулометрического состава (высокая дисперсность и узкий диапазон размеров частиц) свидетельствуют о потенциальной перспективности их применения в качестве минеральной подложки в составе фотокаталитических композиций «ядро - оболочка».

Еще

Цементная система, фотокаталитический композиционный наномодификатор, подложка, минеральное сырье, фазовый состав, активность, гранулометрия, параметр структуры, эффективность

Короткий адрес: https://sciup.org/142236266

IDR: 142236266   |   DOI: 10.15828/2075-8545-2022-14-5-405-418

Список литературы Оценка эффективности минеральных добавок в цементных системах при разработке фотокаталитических композиций "ядро - оболочка"

  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Фаликман В.Р. Нанопокрытия в современном строительстве // Нанотехнологии в строительстве. 2021. Т. 13, №1. С. 5–11. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2021-13-1-5-11
  • 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
  • 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
  • Фаликман В.Р. Об использовании нанотехнологий и наноматериалов в строительстве. Часть 1 // Нанотехнологии в строительстве. 2009. Т. 1, № 1. С. 24–34.
  • Антоненко М.В., Огурцова Ю.Н., Строкова В.В., Губарева Е.Н. Фотокаталитически активные самоочищающиеся материалы на основе цемента. Составы, свойства, применение // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2020. № 3. C. 16–25. https://doi.org/10.34031/2071-7318-2020-5-3-16-25
  • 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
  • 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.
  • 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
  • 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
  • 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
  • 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
  • Nedunuri S.S.S.A., Sertse S.G., Muhammad S. Microstructural study of Portland cement partially replaced with fly ash, ground granulated blast furnace slag and silica fume as determined by pozzolanic activity. Construction and Building Materials. 2020; 238: 117561. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2019.117561
  • Chand G., Happy S.K., Ram S. Assessment of the properties of sustainable concrete produced from quaternary blend of portland cement, glass powder, metakaolin and silica fume. Cleaner Engineering and Technology. 2021; 4: 100179. https://doi.org/10.1016/j.clet.2021.100179
  • 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
  • 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
  • Низина Т.А., Балыков А.С. Построение экспериментально-статистических моделей «состав – свойство» физико-механических характеристик модифицированных дисперсно-армированных мелкозернистых бетонов // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. Строительство и архитектура. 2016. № 45(64). С. 54–66.
  • Баженов Ю.М., Чернышов Е.М., Коротких Д.Н. Конструирование структур современных бетонов: определяющие принципы и технологические платформы // Строительные материалы. 2014. № 3. С. 6–14.
  • 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
  • Kocak Y. Effects of metakaolin on the hydration development of Portland–composite cement. Journal of Building Engineering. 2020; 31: 101419. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2020.101419
  • Чернышов Е.М., Артамонова О.В., Славчева Г.С. Наномодифицирование цементных композитов на технологической стадии жизненного цикла // Нанотехнологии в строительстве. 2020. Том 12, № 3. С. 130–139. https://doi.org/10.15828/2075-8545-2020-12-3-130-139
  • Balykov A.S., Nizina T.A., Volodin V.V., Kyashkin V.M. Effects of Calcination Temperature and Time on the Physical-Chemical Efficiency of Thermally Activated Clays in Cement Systems. Materials Science Forum. 2021; 1017: 61–70. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/MSF.1017.61
  • Le Saoût G., Lothenbach B., Hori A., Higuchi T., Winnefeld F. Hydration of Portland cement with additions of calcium sulfoaluminates. Cement and Concrete Research. 2013; 43: 81–94. https://doi.org/10.1016/j.cemconres.2012.10.011
  • 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
  • Lin R.-S., Wang X.-Y., Yi-Han. Effects of cement types and addition of quartz and limestone on the normal and carbonation curing of cement paste. Construction and Building Materials. 2021; 305: 124799. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.124799
  • Celik K., Hay R., Hargis C.W., Moon J. Effect of volcanic ash pozzolan or limestone replacement on hydration of Portland cement. Construction and Building Materials. 2019; 197: 803–812. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.11.193
  • 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
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp