Μελέτη του πορώδους νανοκρυσταλλικών υλικών και της ενυδάτωσης φωτοκαταλυτικών κονιαμάτων που περιέχουν τιτανία με φασματοσκοπία πυρηνικού μαγνητικού συντονισμού και μικροσκοπία ατομικών δυνάμεων

Abstract

Aim of this thesis is the study of the physicochemical properties of photocatalytic self cleaning construction materials with Titania (TiO2). The work is focused on the production and study of (a) mortars and pastes made of white cement and titania, (b) masonry mortars produced with white cement and titania and (c) restoration mortars produced with lime and titania. Initially, paste and mortar samples of white cement mixed with titania (in powder form) were produced and studied according to standard EN 196. Consequently, paste hydration and evolution of pore size distribution were determined with NMR, SEM and Mercury Porosimetry, while a tribological study on paste surface was also realized. According to the study, titania exhibits a similar behaviour to that of a filler as it improves cohesion and homogeneity of pastes and mortars. However, due to the lack of hydraulic properties, cement hydration does not benefit from titania, neither do strength development and porosity evolution. It was proven that titania’s hydrophilic properties play a major role on the matter, as TiO2 particles adsorb water molecules needed for hydration. Because of this, cement grains hydrate with a slower rate when titania is present. In addition, the tribological study revealed the evolution of surfacial roughness, as defined through the hydration process. Moreover, self cleaning masonry mortars were produced with white cement, lime, sand, perlite and titania. Limited application of titania lead to the creation of mortars with satisfactory properties as defined by standard EN 1015. Titania’s effect was observed in this case as well, yet in a lesser degree. Finally, self cleaning restoration mortars were produced with lime and titania. Combination of the two materials lead to the creation of improved self cleaning construction materials, as it was proven that carbonation benefits greatly from the photocatalytic process and in specific from the production of CO2 due to decomposition of organic pollutants. Hence, the materials produced exhibit self cleaning properties as well as improved physicochemical characteristics and can contribute greatly in the effective protection both of built heritage and of our environment.

Στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη των φυσικοχημικών ιδιοτήτων των φωτοκαταλυτικά αυτοκαθαριζόμενων δομικών υλικών με τιτανία (TiO2). Η διατριβή επικεντρώθηκε στην παραγωγή και μελέτη (α) παστών και κονιών μίγματος λευκού τσιμέντου και τιτανίας, (β) επιχρισμάτων με βάση το λευκό τσιμέντο και την τιτανία και (γ) κονιαμάτων αποκατάστασης με υδράσβεστο και τιτανία. Σε πρώτη φάση παρήχθησαν δοκίμια παστών και κονιών αναμιγνύοντας λευκό τσιμέντο με τιτανία σε μορφή σκόνης, και μελετήθηκαν οι ιδιότητες αυτών με βάση το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 196 παράλληλα με την ενυδάτωση (NMR, SEM) και τη πορώδη δομή (Ποροσιμετρία Υδραργύρου, NMR), ενώ πραγματοποιήθηκε και μελέτη τριβολογίας (AFM). Από τις αναλύσεις που διεξήχθησαν προέκυψε ότι η τιτανία συμπεριφέρεται ως πληρωτικό υλικό καθότι αυξάνει τη συνεκτικότητα και την ομοιογένεια των δειγμάτων παστών και κονιών. Ωστόσο, λόγω της έλλειψης υδραυλικών ιδιοτήτων δεν συνεισφέρει στην διεργασία της ενυδάτωσης και κατ΄επέκταση στην ανάπτυξη αντοχών και στη μείωση του πορώδους. Όπως αποδείχθηκε, σε αυτό συμβάλει σημαντικά η υδροφιλική συμπεριφορά της τιτανίας, λόγω της οποίας τα σωματίδια TiO2 συγκρατούν το απαιτούμενο νερό της ενυδάτωσης. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα οι κόκκοι του τσιμέντου να ενυδατώνονται με πιο αργό ρυθμό στα δείγματα με τιτανία. Η μελέτη της τριβολογίας ανέδειξε την χρονική μεταβολή της επιφανειακής υφής, η οποία προκαλείται από την εξέλιξη της ενυδάτωσης. Σε δεύτερη φάση, παρήχθησαν και μελετήθηκαν αυτοκαθαριζόμενα επιχρίσματα τοιχοποιίας με λευκό τσιμέντο, υδράσβεστο, άμμο, τιτανία και περλίτη. Η περιορισμένη προσθήκη τιτανίας οδήγησε στην παραγωγή υλικών με αποδεκτές ιδιότητες, εντός των ορίων που θέτει το πρότυπο ΕΛΟΤ ΕΝ 1015. Αν και η ιδιαίτερη συμπεριφορά της τιτανίας παρατηρήθηκε και στην προκειμένη περίπτωση, δεν αλλοίωσε σημαντικά τα χαρακτηριστικά των επιχρισμάτων. Τέλος, παρήχθησαν και μελετήθηκαν αυτοκαθαριζόμενα κονιάματα αποκατάστασης με υδράσβεστο και τιτανία. Ο συνδυασμός των δύο υλικών οδήγησε στην παραγωγή βελτιωμένων αυτοκαθαριζόμενων δομικών υλικών, καθώς αποδείχθηκε ότι η φωτοκαταλυτική αντίδραση συνεισφέρει στην διεργασία της ενανθράκωσης μέσω της παραγωγής CO2. Ως εκ τούτου, παρήχθησαν υλικά με αυτοκαθαριζόμενες ιδιότητες αλλά και βελτιωμένα φυσικοχημικά χαρακτηριστικά που δύναται να συμβάλουν όχι μόνο στην αποτελεσματική προστασία των κτιρίων της ιστορικής κληρονομίας αλλά και στην προστασία του περιβάλλοντος.