MATERIALE CIMENTOIDE ECOACTIVE UTILIZATE ÎN CONSTRUCŢII – ECOMAT

Număr contract: 72-220/2008

Categoria de proiect: PC

Valoarea proiectului (include şi alte surse atrase): 2.375.008 lei

Valoarea proiectului (sursa numai buget de stat): 1.835.000 lei

Durata proiectului: 31 luni

Autoritatea contractantă: Centrul Naţional de Management Programe

 

Director de proiect: ing. Mirela Menicu;e-mail: mirela.menicu@ceprocim.ro

 

1. Componenţa Consorţiului

 

1.1. Coordonatorul proiectului CO – SC CEPROCIM SA

ROMANIA, 6 Bucharest, # 6 blvd. Preciziei, code 062203 phone: +(4021) 318 88 84; 318 88 90; 318 88 93. fax:+(4021) 318 88 76; 318 88 94. https://www.ceprocim.ro e-mail: office@ceprocim.ro; res@ceprocim.ro

1.2. Parteneri

P1 – Institutul Naţional de Cercetare Dezvoltare pentru Metale Neferoase şi Rare – IMNR

Responsabil proiect: dr. ing. Radu Robert Piticescu

 

P2 – Institutul de Cercetări pentru Echipamente şi Tehnologii în Construcţii – ICECON Bucureşti

Responsabil proiect: dr. ing. Liana Manolache

 

P3 – Universitatea Tehnică de Construcţii Bucureşti

Responsabil proiect: dr. ing. Dan Georgescu

 

1.3. Scopul proiectului este concentrarea unei mase critice de resurse umane şi materiale de înaltă valoare din universităţi, institute naţionale şi IMM-uri într-un consorţiu pentru desfăşurarea unor cercetări în comun, în vederea dezvoltării unor noi materiale cimentoide ecoactive fotocatalitic cu proprietăţi antipoluante, antibacteriene şi de autocurăţare.

1.4. Rezumatul proiectului

Tendinţele în activitatea de cercetare ale ultimilor ani şi în contextul integrării în Uniunea Europeană sunt orientate către obţinerea de produse noi, competitive pe piaţă. În acest context produsele noi trebuie să se supună normelor de calitate şi de mediu la nivel european.

Echilibrul natural al gazelor atmosferice care s-a menţinut timp de milioane de ani, este ameninţat acum de activitatea omului (industrializare şi urbanizare) având ca efect pericole precum încălzirea globală, poluarea aerului, subţierea stratului de ozon, efectul de seră şi ploile acide.

O nouă abordare a ştiinţei materialelor a demonstrat faptul că materialelor de construcţii cimentoide le poate fi asociată o nouă proprietate şi anume aceea de a prezenta activitate fotocatalitică. Astfel de materiale includ mortare şi materiale pentru realizarea stratului de uzură în sistemul rutier cât şi pentru finisaje interioare şi exterioare ale clădirilor din zonele urbane.

Prezentul proiect îşi propune obţinerea unor materiale cimentoide ecoactive fotocatalitic utilizate în construcţii pentru finisaje interioare şi exterioare cu scopul reducerii poluării mediului înconjurător.

Aceste noi tipuri de materiale au proprietatea de a purifica atmosfera prin fenomenul de fotocataliză. Fotocataliza este procesul prin care o substanţă – denumită fotocatalizatoare – prin intermediul acţiunii luminii modifică viteza unei reacţii chimice.

Procesul chimic care stă la baza acestor produse ecoactive fotocatalitic este o reacţie de oxidare sau descompunere a substanţelor poluante cu ajutorul TiO₂ conţinut de material.

În timpul derulării proiectului se vor studia şi experimenta în faze de laborator şi pilot/industrial materiale cimentoide ecoactive fotocatalitic antipoluante, antibacteriene şi cu autocurăţare. Se va elabora o documentaţie de analiză tehnico-economică a tehnologiei de realizare. Aceste materiale vor fi testate la punerea în operă în mortare de tencuială. Proiectul se încheie cu elaborarea documentaţiei tehnice de introducere în fabricaţie (specificaţie tehnică).

1.5. Obiectivele generale ale proiectului şi rezultate estimate a fi obţinute

Obiectivul general al proiectului este în corelaţie cu obiectivul general al programului, de creştere a competitivităţii cercetării-dezvoltării prin stimularea parteneriatului creat în domeniul materialelor de construcţii multifuncţionale, concretizat prin obţinerea unor noi materiale cimentoide ecoactive fotocatalitic capabile să reducă poluarea din mediul urban. Pe lângă aceasta, materialele au şi proprietăţi antibacteriene şi de autocurăţare.

Atingerea acestui obiectiv se va realiza prin acumulare de informaţie de bază – crearea de ipoteze de lucru – elaborare concept – extindere concept – evaluare concept – control. Proiectul urmăreşte prin această abordare racordarea la priorităţile, obiectivele şi activităţile specifice ariei europene de cercetare în domeniul materialelor şi tehnologiilor de construcţii.

Rezultatele estimate în cadrul proiectului vor permite realizarea unor produse cu caracteristici performante, – materiale cimentoide ecoactive fotocatalitic cu proprietăţi antipoluante, antibacteriene şi autocurăţare, ceea ce constituie un important aport ştiinţific în domeniul materialelor de construcţie. Prin realizarea obiectivelor proiectului se estimează următoarele rezultate:

Obţinerea de date tehnico-ştiinţifice referitoare la obţinerea şi caracterizarea materialelor cimentoide ecoactive fotocatalitice utilizate în construcţii;

Obţinerea şi testarea materialelor cimentoide ecoactive fotocatalitic pentru finisaje interioare si exterioare;

Elaborare documentaţiei de analiză tehnico-economică a tehnologiei de realizare a materialelor cimentoide fotocatalizatoare, antipoluante, antibacteriene şi de autocurăţare;

Lot experimental (pilot/ industrial) de material cimentoid fotocatalizator, antipoluant, antibacterian şi cu autocurăţare;

Performanţele la punerea în operă în mortare de tencuială a materialelor cimentoide fotocatalizatoare, antipoluante antibacteriene şi cu autocurăţare;

Realizarea a 1-2 materiale cimentoide noi, brevetabile.

1.6. Responsabilităţile tehnice ale partenerilor în cadrul proiectului

CO – SC CEPROCIM SA în calitate de organizaţie cu profil de cercetare-dezvoltare – conducător de proiect va efectua următoarele activităţi:

Formularea şi verificarea de ipoteze privind tipurile de materiale cimentoide fotocatalitice utilizate în construcţii cu proprietăţi antipoluante, antibacteriene şi cu autocurăţare;

Performanţe obţinute în domeniul materialelor cimentoide ecoactive fotocatalitic;

Elaborare sistem experimental prin utilizarea informaţiilor de bază acumulate;

Studierea metodelor şi sistemelor de obţinere a materiale lor cimentoide ecoactive fotocatalitic pentru finisaje interioare şi exterioare;

Alegerea tipului de clincher (compoziţie mineralogică) şi de fotocatalizatori;

Caracterizarea compoziţională şi mineralogică a componenţilor materialelor cimentoide fotocatalitice;

Realizarea amestecurilor conform ipotezelor de lucru create prin utilizarea datelor de literatură:

1. realizarea unor materiale cimentoide fotocatalitice cu proprietăţi antipoluante, antibacteriene şi de autocurăţare;
2. caracterizarea din punct de vedere fizico-mecanic a materialelor cimentoide fotocatalitice cu proprietăţi antipoluante, antibacteriene şi de autocurăţare;
3. determinarea gradului de depoluare.

Diseminarea pe scară largă prin comunicarea şi publicarea naţională sau internaţională a rezultatelor;

Proiectare şi elaborare documentaţiei de analiză tehnico-economică:

1. prezentarea situaţiei actuale a fluxului tehnologic de fabricaţie;
2. prezentarea soluţiilor tehnologice posibile;
3. stabilirea investiţiilor necesare;
4. estimarea efectelor economice.

Realizarea materialului cimentoid fotocatalizator antipoluant antibacterian şi cu autocurăţare:

1. realizarea fotocatalizatorului;
2. stabilirea parametrilor tehnologici de realizare în condiţii pilot/ industriale a lotului;
3. realizarea lotului experimental.

Participare la manifestări tehnico-ştiinţifice în domeniu;

Determinarea gradului de depoluare;

Evaluarea proprietăţilor materialelor cimentoide la punerea in opera a acestora.

P1 – INSTITUTUL NAŢIONAL DE CERCETARE-DEZVOLTARE PENTRU METALE NEFEROASE ŞI RARE în calitate de partener (INCD) va efectua următoarele activităţi:

Formularea şi verificarea de ipoteze privind tipurile de materiale ecoactive fotocatalitic antipoluante, antibacteriene şi cu autocurăţare utilizabile pentru obţinerea materialelor cimentoide utilizabile în construcţii;

Obţinerea, caracterizarea şi selectarea fotocatalizatorilor;

Publicarea unui articol ISI;

Realizarea materialului cimentoid fotocatalizator antipoluant antibacterian şi cu autocurăţare:

1. realizarea fotocatalizatorului;
2. stabilirea parametrilor tehnologici de realizare în condiţii pilot/ industriale a lotului;
3. realizarea lotului experimental.

Determinarea gradului de depoluare;

Evaluarea proprietăţilor materialelor cimentoide la punerea în opera a acestora.

P2 – INSTITUTUL DE CERCETĂRI PENTRU ECHIPAMENTE ŞI TEHNOLOGII ÎN CONSTRUCŢII în calitate de partener (SCCD) va efectua următoarele activităţi:

Determinări pe mortare de tencuială, conform cerinţelor SR EN 998-1:2003:

1. permeabilitate la vapori;
2. aderenţă la suport;
3. absorbţia apei prin capilaritate (coeficient de absorbţie);
4. rezistente mecanice (compresiune, încovoiere);
5. pH-ul mortarelor de finisaje, în paste, etc..

P3 – UNIVERSITATEA TEHNICĂ DE CONSTRUCŢII Bucureşti în calitate de partener (UNI) va efectua următoarele activităţi:

Formularea şi verificarea de ipoteze privind tipurile de materiale cimentoide fotocatalitice utilizate în construcţii cu proprietăţi antipoluante, antibacteriene si cu autocurăţare;

Performanţe obţinute în domeniul materialelor cimentoide ecoactive fotocatalitic;

Reţete şi metode de obţinere a mortarelor pe bază de materiale cimentoide ecoactive fotocatalitic pentru finisaje interioare şi exterioare;

Realizare 1-2 mortare de finisaje – lot experimental;

Determinări pe mortare de tencuială, conform cerinţelor SR EN 998-1:2003:

1. permeabilitate la vapori;
2. aderenţă la suport;
3. absorbţia apei prin capilaritate (coeficient de absorbţie);
4. rezistente mecanice (compresiune, încovoiere);
5. pH-ul mortarelor de finisaje, în paste, etc..

Etape prevăzute în proiect

2.1. Etapa 1 – Studiu documentar privind materiale cimentoide ecoactive fotocatalitice utilizate în construcţii în scopul reducerii poluării mediului înconjurător

2.2. Etapa 2 – Experimentări de laborator I: Procurarea/realizarea materialelor component necesare obţinerii de materiale cimentoide ecoactive fotocatalitic pentru finisaje interioare şi exterioare

2.3. Etapa 3 – Experimentări de laborator II: Realizarea si testarea materialelor cimentoide ecoactive fotocatalitic pentru finisaje interioare şi exterioare

2.4. Etapa 4 – Proiectare şi elaborare documentaţie de analiză tehnico-economică a tehnologiei de realizare a materialelor cimentoide fotocatalizatoare, antipoluante, antibacteriene şi de autocurăţare

2.5. Etapa 5 – Experimentări de realizare a materialelor cimentoide fotocatalizatoare, antipoluante, antibacteriene şi cu autocurăţare

2.6. Etapa 6 – Experimentări de punere în operă a materialelor cimentoide fotocatalizatoare, antipoluante antibacteriene şi cu autocurăţare utilizate pentru finisaje interioare şi exterioare

3. Rezultate

Etapa 1

În studiu este prezentată sintetic situaţia actuală privind materialele cimentoide fotocatalitic active cercetate pe plan mondial, atât din punct de vedere al proprietăţilor acestora, cât şi din punct de vedere al comportării la punerea în operă.

În introducere se prezintă cadrul legislativ stabilit la nivel european, care stă la baza dezvoltării viitoare a sectorului materialelor de construcţii. Directivele europene menţionează caracteristicile esenţiale pe care materialele de construcţii trebuie să le îndeplinească, printre acestea numărându-se şi sănătatea oamenilor, refacerea şi protecţia mediului înconjurător. Faţă de aceste cerinţe, prin proiect se propune realizarea unor materiale de construcţii care prezintă şi proprietăţi fotocatalitice active.

Sunt tratate proprietăţile induse în amestecurile cimentoide, de o serie de materiale precum TiO₂, SiO₂, ZnO, montmorilonit, compozite cu Ag, etc., acestea fiind analizate în paralel cu metodele de sinteză ale acestor tipuri de materiale. O atenţie deosebită a fost acordată potenţialului de utilizare a TiO₂ nanostructurat în domeniul materialelor de construcţii, dar şi sintezei chimice a nanopulberilor pe bază de dioxid de titan. A fost evidenţiat impactul redus asupra mediului, produs atât de materialele fotocatalitic active propuse a se studia, cât şi de metodele de sinteză a acestora.

Materiale cimentoide fotocatalitice folosite în construcţiieste capitolul care demonstrează proprietăţile fotocatalitice ale materialelor cimentoide cu adaos de TiO₂. Acest adaos conferă produselor pentru construcţii proprietăţi speciale atât din punct de vedere ecologic, cât şi estetic. Astfel aceste tipuri de materiale pot contribui la menţinerea curată a construcţiilor şi de asemenea la reducerea poluării atmosferice generate de trafic şi de activităţile industriale.

Sunt prezentate metodele de testare atât ale capacitaţii de depoluare ale acestor materiale, cât şi metodele prin care se demonstrează capacitatea de autocurăţare.

Pentru testarea abilitaţii de autocurăţare a suprafeţelor, datele din literatura de specialitate prezintă câteva metode de degradare a compuşilor organici volatili (VOC). În cazul testării proprietăţilor de depoluare, metodele de testare au constat în monitorizarea emisiilor de NOx.

De asemenea în cadrul studiului sunt prezentate Aplicaţii ale materialelor cimentoide ecoactive fotocatalitic atât în Europa, cât şi în Asia şi America.

În Europa, de exemplu, specialiştii de la Italcementi au realizat ciment alb de înaltă performanţă TX Milenium care a fost utilizat la prima aplicaţie de acest tip în 1999: construcţia Bisericii „Dives in Misericordia” din Roma. Ulterior aceştia au dezvoltat o gamă de produse şi anume:

1. gama TX Arca pe linie arhitecturală cu rol de autocurăţare;
2. gama TX Aria pe linie de mediu cu rol de depoluare.

Aceste produse au fost aplicate la construcţia Şcolii de artă şi muzica din Chambery, într-un pasaj de la Segrate, Milano, pe un şantier din Calusco, etc..

HeidelbergCement a început să producă TioCem, un tip de ciment care, datorită compoziţiei lui chimice, reduce volumul de substanţe nocive din aer.

Japonia a aplicat învelişuri cu bioxid de titan în multe oraşe cum ar fi Osaka, Chiba, Chigasaki, Suitama şi Shinatoshin. Printre materialele cimentoide ecoactive fotocatalitic produse în Japonia de număra: „Ciment cu fotocatalizatori cu TiO₂” produs de Taiheiyou Cement Inc. şi „Materiale de placare pentru pereţi arhitecturali” produse de National Inc..

În America, Houston Advanced Research Centre implicat în studiile de utilizare a suprafeţelor cu dioxid de titan ca mijloc de degradare a gazelor NOx şi VOC. În literatura de specialitate sunt prezentate date referitoare la modul de fabricare a dalelor de beton ecoactive fotocatalitic.

Etapa 2

Această fază a lucrării prezintă materiile prime/materialele care stau la baza obţinerii materialelor cimentoide ecoactive fotocatalitic pentru finisaje interioare şi exterioare.

Din punct de vedere al fotocatalizatorului (TiO₂) investigaţiile efectuate prin metode şi cu echipamente performante, potrivite studiului materialelor avansate, la care au fost supuse pulberile obţinute în condiţii identice de tratament hidrotermal (t = 2h, p = 20 atm) au condus la rezultate similare ceea ce demonstrează reproductibilitate în cazul utilizării acestei metode pentru obţinerea dioxidului de titan. Astfel se pot emite următoarele concluzii:

1. randamentul de obţinere a TiO₂ este unul foarte bun;
2. pulberile se constituie ca un amestec bifazic de anatas (93%) şi brookite (7%);
3. cristalitele dezvoltate de toate pulberile studiate sunt de dimensiuni nanometrice, uşor mai mici pentru brookite;
4. pulberile sunt formate din agregate cu dimensiuni care încep de la valori submicronice până la 210 microni;
5. efectele de anizotropie observate în investigaţiile microscopice au arătat faptul că aglomeratele de formă poliedrică sunt alcătuite din cristale cu dimensiuni submicronice. Foarte important, aglomerarea depinde de condiţiile de păstrare a probelor;
6. aglomeratele sunt moi acestea desfăcându-se cu uşurinţă în particule nanometrice în urma tratamentului cu ultrasunete.

Modificarea parametrilor de lucru nu influenţează compoziţia chimică/fazică a pulberilor obţinute hidrotermal.

Materialele liante folosite au fost: un ciment portland obişnuit obţinut în laborator şi un ciment portland alb comercial. Pe aceste cimenturi au fost realizate determinări chimice (analize chimice complete pe clincher, gips, ciment portland alb), fizice (determinări granulometrice, roengenografice), cât şi fizico-mecanice (apa de consistent standard, timp de prize, stabilitate şi rezistenţe mecanice la 2, 7 şi 28 zile). Pentru a observa influenţa fotocatalizatorului (TiO₂) asupra proprietăţilor fizico-mecanice s-au realizat şi cimenturi cu adaos de 2% TiO₂. Din rezultatele obţinute se constată:

1. apa de consistenţă standard este mai mare la cimentul alb comparativ cu cimentul portland obişnuit; adaosul de 2% TiO₂ nu influenţează practic apa de consistenţă standard;
2. timpul iniţial de priză este mai mic în cazul cimenturilor cu 2% TiO₂, timpul final de priză nefiind influenţat de acest adaos;
3. rezistenţele mecanice ale cimenturilor cu adaos de 2% TiO₂ scad uşor comparativ cu cele fără adaos, dar toate cimenturile se încadrează în clasa de rezistenţă 42,5R.

Metodele de testare a materialelor cimentoide ecoactive din punct de vedere al activităţii fotocatalitice vor avea ca ţintă demonstrarea capacitaţii acestor materiale de a-şi menţine aspectul estetic nealterat în timp prin monitorizarea ratei de descompunere fotocatalitică a unui colorant organic şi se vor face şi experimentări de expunere în atmosfera urbană.