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

Technische Samenvatting: Prestatiebeoordeling van Beton met Nano Titaniumdioxide en Steenkoolbodemas

Probleemstelling
De bouwsector staat voor een dubbele uitdaging: de hoge ecologische voetafdruk van cementproductie, die verantwoordelijk is voor een aanzienlijke uitstoot van kooldioxide, en de toenemende schaarste en stijgende kosten van natuurlijk fijn aggregaat (rivierzand). Traditionele afhankelijkheid van gewone Portlandcement (OPC) en natuurlijk zand is onhoudbaar vanwege de uitputting van hulpbronnen en ecologische schade door winning en baggeren. Bovale is de verwerking van industriële bijproducten zoals steenkoolbodemas (CBA) nog steeds een probleem op het gebied van afvalbeheer. Hoewel aanvullende cementitious materialen (SCM's) zijn verkend, is er een behoefte aan het optimaliseren van mengsels die tegelijkertijd industriële afvalstoffen gebruiken als vervanging voor fijn aggregaat en nanomaterialen integreren om de microstructuur te verbeteren zonder de verwerkbaarheid of de lange termijn duurzaamheid in gevaar te brengen.

Methodologie
De studie richtte zich op beton van klasse M35, ontworpen volgens de normen IS 10262:2009 en IS 456:2000. Het experimentele programma omvatte drie primaire variabelen:

1. Vervanging van fijn aggregaat: Natuurlijk fijn aggregaat werd gedeeltelijk of volledig vervangen door steenkoolbodemas (CBA) in stappen van 10% tot 100%.
2. Toevoeging van nanomateriaal: Nano Titaniumdioxide (NTi) werd toegevoegd aan de cementmatrix in variërende doseringen (1% tot 7% per gewichtseenheid) om het effect op hydratatie en microstructuur te evalueren.
3. Controlemengsel: Een conventioneel M35-mengsel diende als basislijn voor de vergelijking.

Het onderzoek maakte gebruik van een uitgebreid testregime:

• Verse eigenschappen: De verwerkbaarheid werd beoordeeld via de slump-test (zinkproef), de verdichtingsfactor en de flow-tabeltests.
• Mechanische eigenschappen: De druksterkte werd gemeten na 3, 7, 28, 56 en 90 dagen. De treksterkte bij splitsing en de buigsterkte werden geëvalueerd na 28, 56 en 90 dagen.
• Duurzaamheid: De weerstand tegen zuuraanval (onderdompeling in 5% HCl) werd getest door het meten van massaverlies en sterkteafname over de tijd. Tests voor snelle chloridepenetratie (RCPT) werden uitgevoerd op 9-dagen om de permeabiliteit te beoordelen.
• Niet-destructief onderzoek (NDT): Rebound hammer-testen en Ultrasonic Pulse Velocity (UPV)-metingen werden gebruikt om de interne kwaliteit en dichtheid te evalueren.
• Microstructurele analyse: Röntgen diffractie (XRD) en Scanning Elektronenmicroscopie (SEM) werden ingezet om kristallijne fasen, hydratatieproducten en de poriestructuur te identificeren.

Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

• Verwerkbaarheid: De incorporatie van 60% CBA en 40% natuurlijk fijn aggregaat behield over het algemeen een gemiddelde verwerkbaarheid. De toevoeging van NTi verbeterde de verwerkbaarheid, waarbij een dosering van 5% de hoogste slump (128 mm) en flow (93%) opleverde, wat geclassificeerd werd als "hoge" verwerkbaarheid. Doseringen boven de 5% vertoonden echter een afnemend rendement of verminderde prestaties.
• Mechanische Sterkte:
  • CBA-vervanging: Een mengsel met 60% CBA en 40% natuurlijk fijn aggregaat presteerde beter dan het controlemengsel. Bij 90 dagen bereikte deze blend een druksterkte van 47,1 N/mm² (vergeleken met 46,3 N/mm² voor de controle), samen met verbeterde treksterkte bij splitsing (3,04 N/mm²) en buigsterkte (3,54 N/mm²). Volledige vervanging van het fijne aggregaat door CBA resulteerde in een verminderde sterkte.
  • NTi-optimalisatie: De toevoeging van 5% NTi aan het 60% CBA-mengsel leverde de optimale mechanische prestatie op. Deze combinatie bereikte een piekdruksterkte van 4,9 N/mm² bij 90 dagen, waarmee zowel de controle als de alleen op CBA gebaseerde gemodificeerde mengsels werd overtroffen. Lagere doseringen (1-2%) van NTi resulteerden aanvankelijk in een lagere sterkte vergeleken met het CBA-alleen mengsel.
• Duurzaamheid:
  • Zuurresistentie: Het 5% NTi-mengsel vertoonde een superieure weerstand tegen 5% HCl-blootstelling. Na 28 dagen vertoonde het slechts een sterkteafname van 12,07%, wat aanzienlijk lager was dan de controle (27,01%) en het 60% CBA-mengsel (23,50%). Hoewel het sterkteverlies in de loop van de tijd toenam, bleef het NTi-gemodificeerde mengsel resistenter dan de andere varianten bij 90 dagen.
  • Chloridepermeabiliteit: De RCPT-resultaten gaven aan dat het 5% NTi-mengsel de laagste chloridepermeabiliteit had (379 Coulombs), geclassificeerd als "zeer laag", vergeleken met 756 Coulombs voor het 60% CBA-mengsel en 886 Coulombs voor de controle.
  • NDT-resultaten: De UPV-test bevestigde de verbeterde kwaliteit van het NTi-gemodificeerde mengsel, met een pulssnelheid van 5,36 km/sec ("uitstekend"), vergeleken met 3,85 km/sec voor het CBA-mengsel en 3,66 km/sec voor de controle.
• Microstructurele Inzichten:
  • XRD-analyse: De aanwezigheid van NTi (Anatase-fase) werd bevestigd. Het 5% NTi-mengsel vertoonde een reductie in Calciumhydroxide (Portlandiet) pieken en een intensivering van de Calcium Silicaat Hydraat (C-S-H) regio, wat suggereert dat NTi fungeerde als een nucleatieplaats die een dichtere hydratatie bevorderde.
  • SEM-analyse: Microfoto's toonden aan dat het NTi-gemodificeerde mengsel een verfijnde poriestructuur had met minder holtes. De CBA-deeltjes fungeerden als micromateriaal dat holtes vulde, terwijl NTi de overgangszone tussen aggregaat en cement (interfacial transition zone) verbeterde, wat leidde tot een dichtere matrix.

Significantie en Claims
Het artikel concludeert dat het synergetisch gebruik van steenkoolbodemas als duurzaam vervangmiddel voor fijn aggregaat en Nano Titaniumdioxide als prestatieverbeterende additief een levensvatbaar pad biedt voor duurzame betonontwikkeling. De studie claimt dat de specifieke blend van 60% CBA en 5% NTi een optimaal compromis vormt, dat levert:

1. Verbeterde Mechanische Prestaties: Hogere druk-, trek- en buigsterktes vergeleken met conventioneel beton.
2. Verbeterde Duurzaamheid: Significant verminderde chloridepermeabiliteit en verbeterde weerstand tegen zuuraanval, wat wijst op een langere levensduur, met name in agressieve omgevingen.
3. Microstructurele Verfijning: Een dichtere matrix met verminderde porositeit en geoptimaliseerde hydratatieproducten.
4. Praktische Haalbaarheid: De mengsels behielden of verbeterden de verwerkbaarheid, wat aangeeft dat deze duurzame modificaties geen complexe handelingen op de bouwplaats vereisen.

De auteurs positioneren deze aanpak niet als een "silver bullet", maar als een sterke kandidaat voor toepassingen waar de lange termijn structurele integriteit en ecologische duurzaamheid prioriteit hebben. Het onderzoek valideert dat industrieel afval effectief kan worden gewaardeerd wanneer het wordt gecombineerd met geavanceerde nanomaterialen om de beperkingen van traditioneel beton aan te pakken.