Characterization of the photocatalytic activity and durability of TiO2 containing concrete

Titanium dioxide addition to cementitious materials is a well studied and affirmed strategy to exploit the photocatalytic properties of this material, which already finds applications in real life. In fact, environmental air pollution issues are gaining importance year after year and new strategies to control and lower harmful substances concentration in air are continuously developed and tested. One of them takes advantage of the huge surface area that building materials offer, on which TiO2-catalyzed degradation reactions of pollutants can happen, ensuring an improvement in air quality in the proximity of these surfaces. Moreover, photoactivated titanium dioxide leads to a better conservation of aesthetical properties of surfaces over time, thanks to the photoinduced superhydrophilicity of the surface that leads to a self-cleaning ability of the cementitious materials in which TiO2 is placed, with reduced maintenance costs during the service life of the building. Although photocatalytic properties and performances of titanium dioxide in cementitious materials were widely tested, still the effect that TiO2 addition has on the long term durability of the material is not completely clear, which makes difficult to account for it in the service life assessment of a structure. The same is true for the long term maintenance of photocatalytic properties and their evolution over time, which are still to be inspected. The aim of this thesis work is to assess the influence that an addition of titanium dioxide in concrete has on the durability of the material. The influence of TiO2 addition on the mechanisms that affect durability were inspected to have an indirect information about the long lasting behavior of this type of photocatalytic concrete. Standard concrete samples and TiO2 containing ones are produced and the results of testing are compared. Characterization of the materials were performed both on fresh concrete and on hardened one; mechanical information were collected after curing and also water capillary absorption and chlorides penetration were tested. All of these phenomena are strictly correlated to durability of the materials and a decrease in concrete ability to withstand them can lead to faster degradation and failure of the overall material. Also photocatalytic properties of TiO2 containing concrete were checked and compared to standard material. In the first chapter an introduction on titanium dioxide is presented, with its traditional properties and applications and the ones related to photocatalytic activation that exploits depollution, self cleaning and self disinfecting properties. The second chapter deals with titanium dioxide addition in v cement-based materials, the already tested properties and the influence that can have on properties of a cement-based mixture. In the third chapter the materials tested in the thesis work and the methods used to inspect the phenomena that are related to the scope of this work are described. In the fourth chapter results of testing and discussion on effect on durability are presented.

L’aggiunta di biossido di titanio a materiali cementizi per l’edilizia è una pratica ormai conosciuta e utilizzata anche a livello industriale. In questo modo, le ampie superfici esposte all’ambiente degli edifici costruiti in materiale cementizio possono essere sfruttare per le reazioni fotocatalitiche proprie del biossido di titanio, con vantaggi sia dal punto di vista ambientale che estetico. Infatti, il problema dell’inquinamento atmosferico viene sempre più tenuto in considerazione con il passare degli anni e nuove politiche e strategie per il miglioramento della qualità dell’aria vengono continuamente ricercate e messe in atto. È proprio in questo ambito che si inserisce l’utilizzo del biossido di titanio, che sfruttando le sue proprietà fotocatalitiche è in grado di degradare ossidi di azoto (NOx) e composti organici volatili (VOCs) a sostanze non inquinanti, garantendo così un miglioramento della qualità dell’aria nei pressi della superficie in cui il biossido di titanio è impiegato. Ma ci sono anche ulteriori vantaggi nell’aggiunta di questo composto in materiali legati all’edilizia: un miglior mantenimento delle proprietà estetiche del materiale nel tempo, con minori costi di manutenzione e di pulizia. Questo è possibile grazie alle proprietà di superidrofilicità che acquista una superficie contenente biossido di titanio; l’acqua possiede un angolo di contatto molto basso con la superficie e non si organizza in gocce, ma si distribuisce sull’area, lavando via lo sporco che aveva aderito alla superficie o i prodotti delle reazioni di degradazione di sostanze organiche. Questa proprietà, definita di auto pulizia, assicura un mantenimento delle proprietà estetiche nel tempo attraverso l’azione di piogge atmosferiche o di interventi di lavaggio delle facciate con semplice acqua, senza l’utilizzo di detergenti. Infine, l’aggiunta di biossido di titanio può garantire proprietà di auto disinfezione del materiale. A fronte di una situazione ben chiara per quanto riguarda i benefici portati da un’aggiunta di biossido di titanio, ancora non è stata indagato a fondo l’effetto che questa aggiunta può avere sulla durabilità delle strutture e sulle proprietà del materiale cementizio con l’andare del tempo; anche il mantenimento e l’efficienza nel tempo delle proprietà fotocatalitiche rappresentano ambiti non ancora del tutto consolidati. È in questo ambito che si inserisce questo lavoro di tesi, avente per scopo l’indagine sugli effetti che un’aggiunta di biossido di titanio può avere sulle proprietà di durabilità del materiale cementizio in cui è inserito. Per questo, sono stati analizzati degli aspetti che possono fornire vii indicazioni sul comportamento con il passare del tempo della miscela fotocatalitica, acquisendo così informazioni indirette sulla durabilità del materiale. Per fare questo, l’azienda Zecca Prefabbrica S.p.A., e più nello specifico la sua divisione PIZ, ha fornito il materiale su cui eseguire le prove. Sono stati prodotti campioni di calcestruzzo standard e altri esattamente con lo stesso mix design, fatta eccezione per l’aggiunta di biossido di titanio in soluzione. Alcuni campioni standard sono successivamente stati modificati con l’aggiunta di un rasante standard superficiale, mentre ad altri è stato aggiunto in superficie uno strato di rasante fotocatalitico. Sono state testate sia proprietà del calcestruzzo fresco, come slump e calore d’idratazione, sia proprietà del calcestruzzo indurito come densità e resistenza meccanica. Altre prove hanno indagato l’assorbimento e il desorbimento capillare di acqua dei campioni, la penetrazione di cloruri sui campioni in immersione e hanno verificato le proprietà fotocatalitiche dei campioni tramite una prova di scolorimento di un colorante organico. L’aggiunta della soluzione contenente biossido di titanio ha prodotto nel calcestruzzo, in fase di produzione, delle reazioni per cui si è registrata l’evoluzione di bolle di aria anche dopo il trasferimento del materiale nel cassero. Probabilmente il fenomeno è dovuto all’interazione di stabilizzanti o surfattanti presenti nella soluzione con componenti del calcestruzzo. La stessa cosa non è però stata registrata nella produzione del rasante fotocatalitico, a cui è stata aggiunta esattamente la stessa soluzione. Il maggior contenuto di aria nel calcestruzzo fotocatalitico è stato verificato da minori risultati di resistenza meccanica e di densità, mentre l’osservazione del calore di idratazione ha mostrato che i campioni contenenti biossido di titanio erano soggetti ad un ritardo nell’evoluzione del calore. I valori di slump sono risultati simili. Le prove di assorbimento e desorbimento e di penetrazione dei cloruri hanno però mostrato come i campioni ricoperti da rasante in superficie presentassero una migliore durabilità, grazie ad un minor assorbimento capillare e ad una diminuzione nell’ingresso dei cloruri. I campioni contenenti biossido di titanio hanno esibito in entrambi i casi un comportamento migliore rispetto ai corrispettivi standard, nonostante la maggiore porosità indotta dall’aggiunta fotocatalitica. La prova di degradazione del colorante organico , infine, ha confermato le proprietà fotocatalitiche della miscela quando soggetta ad irraggiamento UV.