Performance Assessment of Concrete Incorporating Nano Titanium Dioxide and Coal Bottom Ash as a Sustainable Fine Aggregate Substitute

Technische Zusammenfassung: Leistungsbewertung von Beton unter Verwendung von Nano-Titandioxid und Kohleflugasche

Problemstellung
Die Bauindustrie steht vor einer doppelten Herausforderung: dem hohen ökologischen Fußabdruck der Zementherstellung, die für erhebliche Kohlendioxidemissionen verantwortlich ist, und der zunehmenden Knappheit sowie den steigenden Kosten natürlicher Fein- bzw. Sandzuschläge (Flusssand). Die traditionelle Abhängigkeit von Ordinary Portland Cement (OPC) und natürlichem Sand ist aufgrund der Ressourcenerschöpfung und der ökologischen Schäden durch Steinbruchabbau und Baggerarbeiten nicht nachhaltig. Darüber hinaus bleibt die Entsorgung industrieller Nebenprodukte wie Kohleflugasche (Coal Bottom Ash, CBA) ein Problem des Abfallmanagements. Während ergänzende zementierte Materialien (SCMs) bereits untersucht wurden, besteht ein Bedarf an der Optimierung von Mischungsdesigns, die gleichzeitig industrielle Abfälle als Ersatz für Fein-Zuschlagstoffe nutzen und Nanomaterialien integrieren, um die Mikrostruktureigenschaften zu verbessern, ohne die Verarbeitbarkeit oder langfristige Dauerhaftigkeit zu beeinträchtigen.

Methodik
Die Studie konzentrierte sich auf M35-Beton, der gemäß den Standards IS 10262:2009 und IS 456:2000 entwickelt wurde. Das experimentelle Programm umfasste drei primäre Variablen:

1. Substitution des Fein-Zuschlags: Der natürliche Fein-Zuschlag wurde teilweise oder vollständig durch Kohleflugasche (CBA) in Schritten von 10 % bis 100 % ersetzt.
2. Zugabe von Nanomaterial: Nano-Titandioxid (NTi) wurde in variierenden Dosierungen (1 % bis 7 % des Gewichts) der Zementmatrix hinzugefügt, um dessen Wirkung auf die Hydratation und Mikrostruktur zu bewerten.
3. Kontrollmischung: Ein konventioneller M35-Mix diente als Basis für den Vergleich.

Das Forschungsprogramm nutzte ein umfassendes Testregime:

• Frischbetoneigenschaften: Die Verarbeitbarkeit wurde mittels Setzkegel, Kompaktionsfaktor und Fließtafeltests bewertet.
• Mechanische Eigenschaften: Die Druckfestigkeit wurde nach 3, 7, 28, 56 und 90 Tagen gemessen. Zugfestigkeit und Biegezugfestigkeit wurden nach 28, 56 und 90 Tagen evaluiert.
• Dauerhaftigkeit: Die Beständigkeit gegen Säureangriff (Immersion in 5 %ige HCl) wurde durch die Messung des Massenverlusts und der Festigkeitsreduktion im Zeitverlauf getestet. Tests zur schnellen Chloridpenetration (RCPT) wurden nach 90 Tagen durchgeführt, um die Durchlässigkeit zu bewerten.
• Zerstörungsfreie Prüfung (NDT): Rebound-Hammer-Tests und Ultraschall-Impulsgeschwindigkeitsmessungen (UPV) wurden eingesetzt, um die interne Qualität und Dichte zu bewerten.
• Mikrostrukturanalyse: Röntgenbeugungsanalyse (XRD) und Rasterelektronenmikroskopie (SEM) wurden genutzt, um kristalline Phasen, Hydratationsprodukte und die Porenstruktur zu identifizieren.

Wesentliche Beiträge und Ergebnisse

• Verarbeitbarkeit: Die Einbindung von 60 % CBA und 40 % natürlichem Fein-Zuschlag bewahrte im Allgemeinen eine mittlere Verarbeitbarkeit. Die Zugabe von NTi verbesserte die Verarbeitbarkeit, wobei eine Dosierung von 5 % den höchsten Set (128 mm) und den höchsten Fließwert (93 %) ergab, was als "hohe" Verarbeitbarkeit klassifiziert wurde. Dosierungen über 5 % zeigten jedoch abnehmende Erträge oder eine reduzierte Leistung.
• Mechanische Festigkeit:
  • CBA-Substitution: Eine Mischung mit 60 % CBA und 40 % natürlichem Fein-Zuschlag übertraf die Kontrollmischung. Bei 90 Tagen erreichte diese Mischung eine Druckfestigkeit von 47,1 N/mm² (im Vergleich zu 46,3 N/mm² bei der Kontrolle), zusammen mit verbesserten Zugfestigkeiten (3,04 N/mm²) und Biegezugfestigkeiten (3,54 N/mm²). Ein vollständiger Ersatz des Fein-Zuschlags durch CBA führte zu einer verringerten Festigkeit.
  • NTi-Optimierung: Die Zugabe von 5 % NTi zur 60 % CBA-Mischung lieferte die optimale mechanische Leistung. Diese Kombination erreichte eine Spitzen-Druckfestigkeit von 47,9 N/mm² nach 90 Tagen und übertraf damit sowohl die Kontrolle als auch die reinen CBA-modifizierten Mischungen. Niedrigere NTi-Dosierungen (1–2 %) führten anfangs zu einer geringeren Festigkeit im Vergleich zur CBA-only-Mischung.
• Dauerhaftigkeit:
  • Säurebeständigkeit: Die 5 % NTi-Mischung zeigte eine überlegene Beständigkeit gegenüber 5 %iger HCl-Exposition. Nach 28 Tagen wies sie nur eine Festigkeitsreduktion von 12,07 % auf, was signifikant niedriger war als bei der Kontrolle (27,01 %) und der 60 % CBA-Mischung (23,50 %). Während der Festigkeitsverlust im Zeitverlauf zunahm, blieb die NTi-modifizierte Mischung im Vergleich zu den anderen Varianten auch nach 90 Tagen widerstandsfähiger.
  • Chloridpermeabilität: Die RCPT-Ergebnisse zeigten, dass die 5 % NTi-Mischung die geringste Chloridpermeabilität (379 Coulombs) aufwies, was als "sehr niedrig" eingestuft wurde, verglichen mit 756 Coulombs für die 60 % CBA-Mischung und 886 Coulombs für die Kontrolle.
  • NDT-Ergebnisse: Der UPV-Test bestätigte die verbesserte Qualität der NTi-modifizierten Mischung und verzeichnete eine Impulsgeschwindigkeit von 5,36 km/s ("exzellent"), im Vergleich zu 3,85 km/s für die CBA-Mischung und 3,66 km/s für die Kontrolle.
• Mikrostrukturelle Erkenntnisse:
  • XRD-Analyse: Das Vorhandensein von NTi (Anatas-Phase) wurde bestätigt. Die 5 % NTi-Mischung zeigte eine Reduktion der Calciumhydroxid-Peaks (Portlandit) und eine Intensivierung des Calcium-Silikat-Hydrat-Bereichs (C-S-H), was darauf hindeutet, dass NTi als Keimbildungsstelle fungierte und eine dichtere Hydratation förderte.
  • SEM-Analyse: Die Mikrografien zeigten, dass die NTi-modifizierte Mischung eine verfeinerte Porenstruktur mit reduzierten Hohlräumen aufwies. Die CBA-Partikel wirkten als Mikro-Aggregate, die Hohlräume füllten, während NTi die Übergangszone (Interfacial Transition Zone) verbesserte, was zu einer dichteren Matrix führte.

Bedeutung und Ansprüche
Die Arbeit kommt zu dem Schluss, dass der synergistische Einsatz von Kohleflugasche als nachhaltiger Ersatz für den Fein-Zuschlag und Nano-Titandioxid als leistungssteigerndes Additiv einen praktikablen Weg für eine nachhaltige Betonentwicklung bietet. Die Studie behauptet, dass die spezifische Mischung aus 60 % CBA und 5 % NTi einen optimalen Kompromiss darstellt, der Folgendes liefert:

1. Verbesserte mechanische Leistung: Höhere Druck-, Zug- und Biegezugfestigkeiten im Vergleich zu konventionellem Beton.
2. Verbesserte Dauerhaftigkeit: Signifikant reduzierte Chloridpermeabilität und verbesserte Beständigkeit gegen Säureangriffe, was auf eine längere Lebensdauer hindeutet, insbesondere in aggressiven Umgebungen.
3. Mikrostrukturelle Verfeinerung: Eine dichtere Matrix mit reduzierter Porosität und optimierten Hydratationsprodukten.
4. Praktische Durchführbarkeit: Die Mischungen behielten oder verbesserten die Verarbeitbarkeit, was darauf hindeutet, dass diese nachhaltigen Modifikationen keine komplexen Handhabungsverfahren vor Ort erfordern.

Die Autoren positionieren diesen Ansatz nicht als „Allheilmittel“, sondern als starken Kandidaten für Anwendungen, bei denen langfristige strukturelle Integrität und ökologische Nachhaltigkeit Priorität haben. Die Forschung validiert, dass industrielle Abfälle effektiv verwertet werden können, wenn sie mit fortschrittlichen Nanomaterialien kombiniert werden, um die Einschränkungen traditioneller Betone zu adressieren.