Данная статья впервые была опубликована в Выпуске №6, 2017 журнала «Цемент и его применение».
Э. Боргарелло, директор;
К. Капоне, руководитель группы специальных продуктов и решений;
Дж.Л. Гверрини, отдел инноваций, i.lab, HeidelbergCement Global Product Innovation Dept., Италия
1. Краткая история фотокаталитических материалов на основе цемента
Инновационный подход к материаловедению продемонстрировал, что строительным материалам на основе цемента, таким как бетон, строительные растворы, краски и др., можно придать фотокаталитическую активность [1—3].
Среди различных полупроводниковых материалов большой интерес вызвал диоксид титана (TiO2) в форме анатаза благодаря своей сильной окислительной способности при воздействии излучения ближней УФ-области, химической стабильности при воздействии кислотных и оснóвных соединений, химической инертности в отсутствие УФ-излучения и относительно низкой стоимости (в сравнении с другими фотокатализаторами). TiO2 позволяет очень эффективно сокращать количество загрязняющих веществ (таких как NOx, ароматические соединения, аммиак и альдегиды) в окружающей атмосфере. При введении TiO2 в состав вяжущих материалов обнаружен благоприятный синергетический эффект уменьшения концентрации указанных соединений. В отличие от других фотокаталитических строительных материалов, эти специальные вяжущие и продукты на их основе могут сорбировать NOx на своей поверхности, трансформировать в нетоксичные ионы и связывать их в составе нитратов. Последние легко удаляются с поверхности строительных конструкций и изделий при дожде или влажной обработке. Аналогичен механизм связывания и удаления других загрязняющих веществ, например, SOx. Что касается сокращения количества NOx, его побочным следствием является ингибирование образования озона в атмосфере, приносящее очевидную дополнительную экологическую выгоду.
Фотокаталитические материалы на основе цемента появились в середине 1990-х годов. Первые разработки были сделаны компаниями Italcementi и Mitsubishi. К настоящему времени на эти материалы выдано несколько патентов. Продолжаются разработки новых коммерчески доступных продуктов.
Фотокатализ вначале применили к таким строительным материалам, как керамика и стекло, чтобы получить самоочищающиеся и антибактериальные поверхности. В Японии «лучший» для применения фотокатализа период начался в 1990-е годы. Именно в этой стране были организованы многочисленные научные конференции и национальные экспозиции, посвященные диоксиду титана как наиболее распространенному (и дешевому) катализатору.
После первой официальной публикации о фотокаталитически активных цементах [2] работы в этой области привели к появлению большого числа инновационных технических решений, акцент в которых сместился от эффекта самоочистки материалов к эффекту удаления веществ, загрязняющих атмосферу.
Первым значимым применением фотокаталитических материалов на основе цемента стала церковь Dives in Misericordia в Риме, для которой по запросу архитектора Рихарда Майера компания Italcementi Laboratories разработала белый бетон с увеличенным временем сохранения цвета. Первые испытания бетона состоялись в 1997 году, а церковь открыта в 2002 году.
Одним из первых сооружений во Франции стало главное здание Городского дома музыки и искусств (Music and Art City Hall) в Шамбери (рис. 1). Оно регулярно обследуется с целью определить степень сохранности исходного цвета во времени. Зависимость от времени светлоты L* его стен, измеренной с использованием метода CIELAB [4], показана на рис. 2.
Рис. 1. Городской дом музыки и искусств (Шамбери, Франция)
Другой шаг вперед представляла собой реализация европейского исследовательского проекта «Инновационные фотокаталитические покрытия, разрабатываемые с целью очистки окружающей среды, 2002—2005) (Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depollution Assessment, 2002—2005, PICADA), в рамках которого проведено пилотное испытание для оценки характеристик материалов покрытий, связанных с очисткой атмосферы от загрязнителей в реальных условиях [5].
Впоследствии исследования были направлены на разработку продуктов, способных обеспечивать поверхностную деградацию газообразных загрязняющих веществ (NOx, SOx и др.). В результате на рынок выведены несколько коммерческих разработок, относящихся к дорожным, кровельным и иным покрытиям.
На рис. 3 представлены данные о потреблении в Италии фотокаталитически активных цементов TX Active®, разработанных в лаборатории Центра инновационной продукции HeidelbergCement (i.lab, HeidelbergCement Product Innovation Centre) и выпускаемых компанией HeidelbergCement, по типу конечного продукта. Наблюдается тенденция снижения доли брусчатки и красок при росте доли готовых смесей и сборного железобетона. Это означает скачкообразный рост потребления, который не пропорционален росту площади поверхности покрытий. Действительно, в тротуарных блоках фотокаталитический слой наносится только на верхнюю поверхность.
Помимо Италии, наиболее значительное применение материалы на основе фотокаталитически активного цемента нашли во Франции, в Бельгии, США, Испании, Германии и Марокко.
2. Архитектура, отвечающая задачам устойчивого развития
Описанные в разделе 1 инновационные экологичные продукты становятся все более широко востребованными для применения в «зеленых» строительных конструкциях. Благодаря своим эстетическим свойствам и экологическим преимуществам цементы TX Active® стали превосходным выбором для архитекторов, желающих достичь сразу нескольких целей, прежде всего — соответствия задачам устойчивого развития. Использование данных материалов может способствовать улучшению ситуации в областях здоровья человека и охраны окружающей среды и, таким образом, содействовать целостному подходу к устойчивому развитию. Это признается, например, при сертификации в общемировой программе «Лидерство в энергоэффективном и экологичном проектировании» (Leadership in Energy and Environmental Design, LEED). Баллы присуждаются в рейтинговой системе LEED за экологически безопасные действия на этапах проектирования, строительства и использования объектов. Применение фотокаталитически активных цементов TX Active® позволяет получить в категории «Новое строительство и реконструкция» по 9—15 баллов в номинациях «Городской тепловой остров», «Оптимизация энергетических характеристик», «Рециклинг и региональные материалы» и «Выдающиеся достижения в инновациях». В частности, с использованием этих материалов в 2011 году в Бергамо (Италия) по проекту Ричарда Майера построено новое здание лаборатории Центра инновационной продукции HeidelbergCement (рис. 4, 5), что позволило компании достичь наивысшего уровня сертификации LEED.
Рис. 4. Общий вид здания лаборатории Центра инновационной продукции HeidelbergCement
Рис. 5. Фрагмент здания лаборатории Центра инновационной продукции HeidelbergCement
Еще один масштабный проект — построенный в 2012 году комплекс Vodafone Village в Милане площадью 67 тыс. м2 с четырьмя зданиями, в которых проживают около 3000 человек. Это выдающийся пример строительства, соответствующего задачам устойчивого развития. Общая площадь фотокаталитических белых сборных панелей, использованных при возведении комплекса — около 11 тыс. м2. Он представляет собой ориентир для индустрии сборного бетона с точки зрения высокого качества, самоочистки и сложности формы конструкций, изготовленных для получения желаемой конфигурации зданий (рис. 6).
3. Дороги и дорожные покрытия
Фотокаталитические дорожные материалы на основе цемента открывают новые возможности для улучшения качества воздуха благодаря свойству фотокатализаторов ускорять естественную реакцию окисления, что в свою очередь способствует снижению концентрации загрязняющих веществ. Это наиболее перспективный сектор, если учесть требуемую для уменьшения последней в условиях города площадь поверхностей и в то же время необходимость гарантировать нужные характеристики изнашивающегося слоя дорожного покрытия.
До сих пор наиболее распространены фотокаталитические дорожные покрытия из блоков и плит. С использованием таких изделий сооружены автостоянки, местные дороги, тротуары, торговые центры, пешеходные зоны в Италии, Германии и Испании. Однако сегодня доступны также другие технические решения, пригодные для проектов дорог со средней и большой интенсивностью движения, а именно:
нанесение тонкого бетонного поверхностного изнашивающегося слоя;
нанесение одно- или двухслойного покрытия с использованием специального оборудования (бетоноотделочных машин со скользящими рельс-формами, рис. 7);
применение дренирующего асфальта, полностью пропитанного фотокаталитической суспензией;
применение проницаемого бетона для дренажных покрытий;
применение бетона, уплотненного катком (rolled compacted concrete, RCC).
Департамент транспорта штата Миссури, США, решил в рамках проекта реконструкции автодороги в районе Сент-Луиса построить секцию двухслойного бетонного дорожного покрытия (см. рис. 7). Его верхний слой выполнен с применением фотокаталитически активного цемента, при этом в зоне обочины использован проницаемый бетон на основе того же цемента. Такой бетон (рис. 8) является одним из наиболее перспективных решений, которые могут быть приемлемой альтернативой битумному дренирующему асфальту. Проницаемый бетон обладает дренирующими и звукопоглощающими свойствами. Он не содержит песка и может быть получен с использованием заполнителей из бетонных отходов.
4. Смягчение эффекта городского «теплового острова»
Фотокаталитические материалы на основе цемента могут представлять собой одно из наиболее эффективных решений для смягчения эффекта городского «теплового острова», из-за которого в городской черте температура на 2—4 °C выше, чем на окружающих город территориях [6, 7]. Повышение температуры в городах сильно зависит от количества черных или темных поверхностей, которое можно уменьшить, используя более светлые материалы крыш и дорожных покрытий. Фотокаталитические свойства этих «холодных» материалов являются дополнительным преимуществом с экологической точки зрения. Например, поверхности с покрытием (такие как автомобильные дороги, взлетно-посадочные полосы, парковочные зоны, тротуары и подъездные пути), обычно составляют 30—60 % площади городов с развитой инфраструктурой [8] и в ходе периодического обслуживания или ремонтных работ могут приобрести более экологичные качества. На способность структур с покрытием отражать отражать солнечные лучи (альбедо) влияет только поверхностный слой, что следует учитывать при выборе типа дорожного покрытия.
Рис. 6. Комплекс Vodafone Village (Милан, Италия)
Рис. 7. Двухслойное бетонное покрытие (штат Миссури, США)
Рис. 8. Проницаемый бетон
Как показано в работе [7], использование светлых покрытий (дорог, тротуаров, крыш и красок) в городах может в значительной степени способствовать снижению температуры в солнечное время года. Несколько примеров типичных значений показателя отражения солнечных лучей (Solar reflectance index, SRI) покрытий, определенных специалистами Итальянского национального агентства новых технологий (the Italian National Agency for New Technologies) согласно стандарту [9], приведены в таблице.
Широкое использование белых фотокаталитических материалов в городах может способствовать снижению температуры и тем самым — экономии энергии, идущей на охлаждение зданий, сохраняя прохладу на автопарковках и дорогах и улучшая качество воздуха. Кроме того, поскольку образование смога сильно зависит от температуры, в летний период также можно уменьшить концентрацию озона в атмосфере городов (озон, основной ингредиент городского смога, оказывает сильное окисляющее и раздражающее действие). Кроме того, можно снизить скорость фотохимических реакций, приводящих к образованию вредных веществ.
5. Заключение
Фотокатализ представляет собой одно из наиболее инновационных решений в цементной промышленности за последние 20 лет, благодаря активным исследованиям, проведенным в лаборатории Центра инновационной продукции HeidelbergCement.
После первых обнадеживающих экспериментов, позволивших оценить архитектурные и экологические характеристики фотокаталитических продуктов на основе цемента, этот класс строительных материалов нашел широкое применение — цементы TX Active® во все большем количестве используются для решения строительных, архитектурных и экологических задач. В лаборатории i.lab разработан новый инновационный продукт данной линейки — i.active BIODYNAMIC. Его использование позволило, в частности, создать весьма сложные архитектурные формы Palazzo Italia (рис. 9) — места проведения выставки Expo 2015 в Милане.
Фотокаталитические материалы входят в число продуктов, предлагаемых компанией HeidelbergCement на мировых рынках, в том числе в России.
Показатель SRI поверхностей дорожных покрытий, %| Тип дорожного покрытия | Показатель SRI |
| Асфальт: | |
| свежеуложенный | 0—5 |
| подвергавшийся атмосферным влияниям | 6—15 |
| Материал i.active DRAIN производства Italcementi | |
| серый | 33 |
| белый | 65 |
ЛИТЕРАТУРА
1. Cassar L., Photocatalysis of cementitious materials: Clean buildings and clear air // MRS Bulletin. 2004. May. P. 4.
2. Cassar L., et al. Photocatalysis of cementitious materials // Proc. of Int. RILEM Symp. on Photocatalysis "Environment and Construction Materials". Florence, Italy, 8—9 October 2007. P. 131—146.
3. Guerrini G.L. Photocatalytic cement-based materials — Situation, challenges and perspectives // World Cement. 2010. April. P. 4.
4. Color-Difference Equations, Psychometric Color Terms // CIE International Commission on Illumination. Recommendations on Uniform Color Spaces. Supplement N 2 to CIE Publication N 15, Colorimetry, 1971 and 1978.
5. PICADA Consortium, 2006 [Электронный ресурс]. URL: http://www.picada-project.com (дата обращения 10.05.2017).
6. Akbari H., et al. Cool construction materials offer energy savings and help reduce smog // ASTM Standardization News. 1995. November. P. 32—37.
7. Surabi M., Akbari H., et al. Radiative forcing and temperature response to changes in urban albedos and associated CO2 offsets // Environmental Research. 2010. Lett. 5.1 [Электронный ресурс]. URL: http://heatisland.lbl.gov (дата обращения 10.05.2017).
8. Cambridge Systematics // Cool Pavement Report EPA Cool Pavements Study. June 2005. 72 p.
9. ASTM E1980-11. Standard Practice for Calculating Solar Reflectance Index of Horizontal and Low-Sloped Opaque Surfaces. 2001.