tiocem_sonderdruck_zkg[1]

8/2/2019 TioCem_Sonderdruck_ZKG[1]

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Innovative building materials -reduction of pollutants withTioCem

Gerd Bolte

HeidelbergCement Technology Center

ZKG international

Sonderdruck

Ausgabe 1 /2009


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Innovative building materials reduction of pollutants with TioCemGerd Bolte

HeidelbergCement Technology Center

Summary: Protection of the environment and climate is a highly topical subject in all the industrialized Western countries. Moti-vation to do something to aid climate protection is increasing constantly; in many German and European cities, air quality is an

enormous problem. In addition to much-discussed fine particles, it is, above all, the oxides of nitrogen (NOx) and volatile organiccompounds (VOCs) which seriously impair air quality in our cities. NOx can be oxidized, and thus rendered harmless, by means ofphotocatalysis. A standard cement, which can be used as an input material for the production of photocatalytically active concreteproducts, is now available in the form of TioCem, which contains photocatalytically active titanium dioxide.

Innovative Baustoffe Luftschadstoffreduktionmit TioCem

Zusammenfassung: Umwelt- und Klima-schutz ist in allen westlichen Industrie-lndern ein topaktuelles Thema. Die Be-

reitschaft, etwas fr den Klimaschutz zutun, steigt permanent. In vielen deutschenund europischen Grostdten ist dieLuftqualitt ein massives Problem. Nebendem viel diskutierten Feinstaub sind es vorallem Stickstoffoxide (NOx) und flch-tige organische Verbindungen (VOC), diedie Luftqualitt massiv beeintrchtigen.Mithilfe der Photokatalyse kann NOxoxidiert und damit unschdlich gemachtwerden. Mit TioCem, einem Zement,der photokatalytisch aktives Titandioxidenthlt, steht jetzt ein Normzement zur

Verfgung, der als Rohstoff zur Produk-tion photokatalytisch aktiver Betonpro-dukte dient.

Matriaux de construction innovants Rduction des polluants de lairpar TioCem

Rsum: La protection de lenvironne-ment et du climat est un sujet de hauteactualit dans tous les pays industriels

occidentaux. La dtermination de fairequelque chose pour la protection du cli-mat, crot sans cesse. Or, la qualit de lairest un gros problme dans beaucoup degrandes villes allemandes et europennes.A ct des particules fines trs discutes,ce sont surtout les oxydes dazote (NOx)et les combinaisons organiques volatiles(VOC) qui nuisent massivement la qua-lit de lair. Les missions de NOx peuventtoutefois tre oxydes par photocatalyse etainsi rendues inoffensives. Avec TioCem,un ciment renfermant de loxyde de titane

actif, on dispose maintenant dun cimentstandard servant de matire premirepour la production de produits de btonactifs du point de vue photocatalytique.

Materiales de construccin innova-dores reduccin de las sustanciascontaminantes con TioCem

Resumen: La proteccin del medio am-biente es un tema de plena actualidad entodos los pases occidentales industriali-

zados. La motivacin para acometer ac-ciones dirigidas a proteger el medio am-biente crece constantemente. La polucindel aire es un gran problema en muchasciudades en Alemania y otros pases eu-ropeos. Fundamentalmente los xidosde nitrgeno (NOx) y los componentesorgnicos voltiles (VOC), junto a lasmuy discutidas partculas de polvo, per-

judican seriamente la calidad del aire. LosNOx pueden oxidarse mediante fotoca-talizacin, dejando as de ser nocivos. TioCem, un cemento que contiene dixi-

do de titanio activo fotocataltico, ponea disposicin un cemento estndar comomateria prima para la produccin de pro-ductos de hormign fotocataltico activo.

NOx reduction with TioCem NOx-Reduktion mit TioCem


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1 Air quality in citiesIn many German and European cities, air quality is an enor-mous problem. In addition to much-discussed fine particles, itis, above all, the oxides of nitrogen (NOx) and volatile organiccompounds (VOCs) which seriously impair air quality in ourcities. The absorption of nitrogen dioxide through inhalation

with an associated potential for harm to the respiratory tract is of particular relevance to human health. According to [1],long-term exposure to external air NO2 concentrations of 10to 80 g/m3 results in the more frequent incidence of com-plaints and diseases of the respiratory tract such as coughs, bron-chitis and impaired pulmonary function. People living on roadswith high levels of traffic are particularly endangered. In addi-tion, the oxides of nitrogen, in association with the VOCs, innear-ground-level layers are the precursor substances of ozone,which is also a health hazard.

The limiting ordinance for exposure to NO2 the Pollution-Data Ordinance for Air Pollutants, the 22nd Federal Prevention

of Pollution Ordinance (German abbreviation: BImSchV) datedSeptember 11, 2002 and the Air-Quality Directive 1999/30/EC of the Council of the European Union, dated April 22,1999 specify adherence to an annual average of 40 g/m andan one-hour average of 200 g/m3 as from January 1, 2010. Upto the year 2010, a tolerance margin, which will be reduced

year-by-year, applies to these pollution limits. The limits for2009 will thus be 42 g/m3 for the annual average and 210 g/m3 for the one-hour average.

2 Conceptual solutions for reduction of pollutantsFrom a present-day point of view, adherence to these limitswill not be possible in the vicinity of heavily congested roads,

even if it is assumed that all vehicles conform to the EURO 4standard. Additional provisions will therefore be necessary. Themeasures taken up to now by the city administrations have in-cluded improvement of traffic flow, promotion of local and re-gional public transport, and prohibitions on vehicles of specificpollution groups entering the environmental zones of the in-ner cities. These provisions now receive highly rational support

TioCem makes it possible to promote catalytic degradationof pollutants.

Many compounds, including air pollutants, are broken down,or degraded, by exposure to light and, in particular, to high-energy UV radiation. This natural process, known as photoly-

sis, generally takes place extremely slowly. The rate of reactioncan however be accelerated significantly using photocatalysts.Highly reactive compounds, which are capable of oxidizing or-ganic and inorganic pollutants [2] the nitrogen monoxide andnitrogen dioxide contained in the air, for example are gener-ated on the surface of these photocatalysts.

Scientific proof of the effective reduction of oxide-of-nitrogenexposure has been furnished under close-to-practical condi-tions by the PICADA (Photocatalytic Innovative CoveringsApplications for Depollution Assessment) project supported bythe EU, among other studies [3].

The test apparatus used for this purpose consisted of a simula-tion of three parallel streets on a scale of 1:5. Length was ineach case 18 m, width 2 m and height 5 m. Roadside build-ings took the form of standard commercial cargo containers.The walls of the center street were covered with a photocata-

1 Luftqualitt in GrostdtenIn vielen deutschen und europischen Grostdten ist die Luft-qualitt ein massives Problem. Neben dem viel diskutiertenFeinstaub sind es vor allem Stickstoffoxide (NOx) und flch-tige organische Verbindungen (VOC), die die Luftqualitt mas-siv beeintrchtigen. Fr den Menschen ist die Aufnahme von

Stickstoffdioxid ber die Atmung und damit eine mglicheSchdigung der Atemwege von besonderer gesundheitlicherRelevanz. Bei langfristiger Exposition gegenber NO2-Auen-luftkonzentrationen mit 10 bis 80 g/m3 treten laut [1] Atem-wegserkrankungen wie Husten, Bronchitis und Lungenfunk-tionsbeeintrchtigungen hufiger auf. Hiervon sind besondersMenschen betroffen, die an verkehrsreichen Straen leben.Zudem sind in bodennahen Schichten Stickstoffoxide zusam-men mit den VOCs die Vorlufersubstanzen von Ozon, welchesebenfalls als gesundheitsschdlich gilt.

Nach der Grenzwertregelung fr die Belastung durch NO2 der Verordnung ber Immissionswerte fr Schadstoffe in der

Luft 22. Bundes-Immissionsschutzverordnung (BImSchV)vom 11. September 2002 bzw. Luftqualittsrichtlinie 1999/30/EG des Rates vom 22. April 1999 mssen ab 1. Januar 2010ein Jahresmittelwert von 40 g/m3 sowie ein 1-Stunden-Mit-telwert von 200 g/m3 eingehalten werden. Bis zum Jahr 2010wurden die Immissionsgrenzwerte mit einer Toleranzspanneversehen, die von Jahr zu Jahr abgesenkt wird. Im Jahr 2009betragen die Grenzwerte demnach fr den Jahresmittelwert42 g/m3 und 210 g/m3 fr den 1-Stunden-Mittelwert.

2 Lsungsanstze zum SchadstoffabbauAus heutiger Sicht ist die Einhaltung dieser Werte selbst beider Annahme, dass alle Fahrzeuge dem EURO-4-Standard ent-

sprchen, in der Nhe verkehrsreicher Straen nicht mglich.Es mssen also zustzliche Manahmen erfolgen. Bisher ge-hren zu den von den Stdten ergriffenen Schritten die Ver-besserung des Verkehrsflusses, die Frderung des ffentlichenNahverkehrs sowie Fahrverbote fr Kraftfahrzeuge einzelnerSchadstoffgruppen in den Umweltzonen der Innenstdte. Zudiesen Anordnungen gibt es jetzt eine sinnvolle Ergnzung,denn mithilfe von TioCem kann man den Schadstoffabbauauf katalytischem Wege begnstigen.

Viele Verbindungen, so auch Luftschadstoffe, werden durchLichteinstrahlung, insbesondere energiereiche UV-Strahlung,zersetzt. Dieser natrliche Vorgang der Photolyse luft in der

Regel sehr langsam ab. Durch Photokatalysatoren lsst sich dieReaktionsgeschwindigkeit erheblich beschleunigen. Auf derOberflche der Photokatalysatoren bilden sich hochreaktiveVerbindungen, die organische und anorganische Schadstoffeoxidieren knnen [2] so z. B. auch Stickstoffmonoxid undStickstoffdioxid in der Luft.

Den wissenschaftlichen Nachweis der wirksamen Reduzierungder Stickstoffoxidbelastung unter praxisnahen Bedingungen hatunter anderem das von der EU gefrderte PICADA-Projekt(Photocatalytic Innovative Coverings Applications for Depol-lution Assessment) erbracht [3].

Ein Versuchsaufbau umfasste dabei die Nachbildung dreier pa-rallel verlaufender Straenzge im Mastab 1:5. Die Lnge be-trug 18 m bei einer Breite von 2 m und einer Hhe von 5 m.Die Randbebauung stellten handelsbliche Cargo-Containerdar. Die Wnde der mittleren Straenschlucht waren mit einem


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lytically active cement mortar. Pollutants were supplied in theform of the exhaust from an internal combustion engine, andwere uniformly distr ibuted along the streets by means of a pip-ing system. Evaluation of the extensive data recorded indicateda reduction in NOx of 40 to 80 % as a result of the use of thephotocatalytically active cement mortar.

3 Photocatalytic cementAfter years of scientific research, photocatalytically active prod-ucts have now gone significantly beyond the laboratory stage.

HeidelbergCement, for example, supplies a highly photocata-lytically active cement under the TioCem trade name.

The photocatalytic activity of surfaces can be demonstratedand quantified in terms of the bleaching of an organic dye(Rhodamine B bleaching) [4]. As in all the other proce-dures used, only photooxidative effectiveness is measured.Rhodamine B is applied as a model substance to test objectsconsisting of a mortar, in accordance with EN 196, Part 1. Thecolour intensity of the test objects is repeatedly measured usinga chromameter prior to application of the dye, after drying ofthe dye, and after a defined period of exposure under a lightsource (ULTRA Vitalux spotlights). Colour difference E* in

the L*a*b* colour system is calculated against the initial samplein order to assess bleaching. A measure of the activity of thesurface is obtained by relating the colour difference E* of thetest objects exposed under the ULTRA Vitalux spotlights tothe E* of the unexposed sample (Fig. 1). This test apparatusprovides results which are repeatable only on extremely smoothsurfaces, however.

A further measuring method used for detection of photocata-lytic activity involves a test apparatus in which a mixture of airand pollutant flows in a chamber over a test object and the pol-lutant burden is measured with and without exposure to light.The pollutant used may be NO, NO2 or a mixture of the two

(Fig. 2). These measuring methods are described in principlein ISO 22917, Part 1 [5] and UNI11247 [6]. Testing institu-tions, universities and private companies use these proceduresin greatly differing ways, however, with the result that compa-rability of results is possible at present only to a limited extent.

photokatalytisch aktiven Zementmrtel berzogen. Als Schad-stoff dienten die Abgase eines Verbrennungsmotors. Entlang derStraenschluchten wurden die Schadstoffe ber ein Rohrlei-tungssystem gleichmig verteilt. Nach der Auswertung derumfangreichen Messwerte ergab sich durch den Einsatz desphotokatalytisch aktiven Zementmrtels eine Reduzierung desNOx um 40 bis 80 %.

3 Der photokatalytische ZementNach Jahren der wissenschaftlichen Forschung sind photo-

katalytisch aktive Produkte inzwischen deutlich ber das La-borstadium hinaus. HeidelbergCement bietet z. B. unter demNamen TioCem einen Zement mit hoher photokatalytischerAktivitt an.

Die photokatalytische Aktivitt der Oberflchen kann mit-tels der Entfrbung einer organischen Farbe (Rhodamin-Bbleaching) nachgewiesen und quantifiziert werden [4]. Wiebei allen anderen angewandten Verfahren geht es dabei nur umdie Bestimmung der photooxidativen Effektivitt. Als Modell-substanz wird Rhodamin-B auf Probekrper aus einem Mrtel,entsprechend EN 196 Teil 1, aufgebracht. Die Farbintensitt derProbekrper wird mit einem Chromameter vor dem Auftrag

der Farbe, nach dem Eintrocknen der Farbe sowie nach einerdefinierten Lagerung unter einer Lichtquelle (ULTRA-Vita-lux-Strahler) wiederholt gemessen. Zur Beurteilung der Ent-frbung wird der Farbabstand E* im L*a*b*-Farbsystem imVergleich zur Ausgangsprobe berechnet. Setzt man den Farbab-stand E* der unter den ULTRA-Vitalux-Strahlern gelagertenProbekrper in Relation zum E* der unbestrahlten Probe, be-kommt man ein Ma fr die Aktivitt der Oberflche (Bild 1).Dieser Versuchsaufbau liefert jedoch nur auf sehr glatten Ober-flchen reproduzierbare Ergebnisse.

Eine weitere Messmethode zum Nachweis der photokataly-tischen Aktivitt ist ein Versuchsaufbau, bei dem ein Luft-Schad-

stoff-Gemisch in einer Kammer ber einen Probekrper flietund die Schadstoffbelastung mit und ohne Lichteinwirkung ge-messen wird. Beim Schadstoff kann es sich um NO, NO2 oderein Gemisch aus beiden handeln (Bild 2). Die Messverfahrensind im Grundsatz in der ISO 22917-1 [5] und der UNI11247

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Radiation time [h]

Reductionofcolouration[%]

Mortar surface

with TioCemwithout TioCem

1 Breakdown of Rhodamine B on mortar slabs; mortar as per EN 196-1; UV-A intensity 600 W/cm2

Abbau von Rhodamin-B auf Mrtelplatten; Mrtel nach EN196-1;UV-A Intensitt 600 W/cm2

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Duration of measurement

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Oxides of nitrogen:

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2000 W/cm2UV-intensity at

2 Breakdown of a mixture of NO and NO2 on a concrete specimen;measurement in accordance with UNI11247

Abbau eines Gemisches aus NO und NO2 auf einer Betonprobe;Messung nach UNI11247


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The degree to which theuse of TioCem is capableof reducing the oxide-of-nitrogen concentration inthe air is determined atHeidelbergCements Tech-

nology Center in Leimenusing a measuring appa-ratus specially developedfor this purpose (Fig. 3).This permits variation of alarge range of parameters,such as flow velocity, lightintensity and the NO andNO2 concentrations inthe feed air, thus allow-ing simulation of diverseenvironmental conditions.Figures 4 and 5 show, by

way of example, the extentto which the rates of deg-radation are influenced bythese ambient conditionson a paving block with TioCem in the face mix. Degradationof pollutant NOx in the flow of air can be stated both in % andin mg/m2h. Figure 4 thus illustrates that a 70 % reduction isachieved from an initial pollutant concentration, for example,of 1000 ppb, equivalent to a degradation rate of 2.5 mg/m2h.The amount of NOx degraded rises to around 4.5 mg/m2h at ahigher initial pollutant concentration of, for example, 3000 ppb,whereas rate of reduction drops to some 55 % of the feed flow.

Figure 5 illustrates the unequivocal correlation between photo-catalytic activity and UV-A radiation intensity. Significant deg-

radation of the air pollutant is achieved even at UV-A radiation

intensities well below those described in the various measuring

methods. Breakdown of air pollutants thus starts, so to speak, at

sunrise.

Photocatalytic activity also depends on surface quality, how-ever. In paving blocks, for example, the type of surface finishingtreatment applied can increase surface area, and thus also the ce-ment stone area, relative to the dimensions of the paving block.A shot-blasted paving block thus breaks down more air pollut-ant on its surface than an untreated paving block (Table 1).

The influence exercised by many diverse parameters resulting,for example, from fluctuating weather conditions and trafficloadings make evaluation of achieved pollutant reduction ex-tremely difficult in any particular practical application. In thelaboratory, on the other hand, it is possible to merge out cer-tain parameters, in order to demonstrate that the NOx content

[6] beschrieben. Prfinstitute, Universitten und Firmen setzendiese jedoch sehr unterschiedlich um. Eine Vergleichbarkeit derErgebnissee ist daher zurzeit nur bedingt gegeben.

Wie stark durch den Einsatz von TioCem die Stickstoffoxid-konzentration in der Luft verringert werden kann, wird im Lei-mener HeidelbergCement Technology Center in einem eigensentwickelten Messstand (Bild 3) ermittelt. In diesem knneneine Vielzahl von Parametern wie Strmungsgeschwindigkeit

und Lichtintensitt sowie die NO und NO2 Konzentrationder Aufgabeluft, variiert werden. Dies ermglicht die Simula-tion unterschiedlicher Umweltbedingungen. Die Bilder 4 und 5zeigen beispielhaft, inwieweit die Abbauraten auf einem Pflas-terstein mit TioCem im Vorsatz durch diese Umweltbedin-gungen beeinflusst werden. Der Abbau des Schadstoffes NOxim Luftstrom kann sowohl in % als auch in mg/m2h dargestelltwerden. So verdeutlicht Bild 4, dass bei einer Schadstoffkon-zentration von z. B. 1000 ppb eine 70 %ige Reduktion erzieltwird, was gleichzusetzen ist mit einer abgebauten Menge von2,5 mg/m2h. Bei einer hheren Schadstoffbelastung von z. B.3000 ppb steigt die Menge an abgebautem NOx auf ca. 4,5mg/m2h, die Reduktionsrate sinkt hingegen auf ca. 55 % der

Aufgabemenge.

Bild 5 verdeutlicht die eindeutige Abhngigkeit der photokata-lytischen Aktivitt und der UV-A Strahlungsintensitt. Bereitsbei UV-A Strahlungsintensitten, die weit unter den in denunterschiedlichen Messmethoden beschriebenen Intensittenliegen, wird ein signifikanter Abbau des Luftschadstoffes erzielt.Der Abbau der Luftschadstoffe setzt sozusagen mit dem Son-nenaufgang ein.

Die photokatalytische Aktivitt hngt aber auch von der Ober-flchenbeschaffenheit ab. So kann beispielsweise bei Pflasterstei-nen durch die Art der Oberflchenveredelung eine Erhhung

der Oberflche und somit auch der Zementsteinoberflche imVerhltnis zur Abmessung des Pflastersteins erreicht werden.Ein kugelgestrahlter Pflasterstein baut daher im Vergleich zueinem unbehandelten Pflasterstein auf seiner Oberflche mehrLuftschadstoff ab (Tabelle 1).

3 Measuring apparatus for determi-

nation of NOx degradation ratesin the laboratory

Messstand zur Bestimmung derNOx-Abbauraten im Labor

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Degradation[mg/m

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4 Degradation rates as a function of initial NO content on concrete

paving; air flow-rate 1 l/min.; UV-A intensity 2000 W/cm2

Abbauraten in Abhngigkeit vom Anfangsgehalt an NO auf einemBetonpflaster; Luftdurchfluss 1 l/min; UV-A-Intensitt 2000 W/cm2

Tab. 1:NOx reduction with TioCem in the face mix; air flow-rate5l/min; UV-A intensity 2000 W/cm2; 550 ppb NOx in the feed airNOx-Reduktion mit TioCem im Vorsatz; Luftdurchfluss 5l/min;UV-A-Intensitt 2000 W/cm2; 550 ppb NOx in der Aufgabeluft

Surface treatment

Oberflchenbearbeitung

NOx reduction in mg/m2h

NOx-Reduktion in mg/m2h

None/Ohne 2.1

Shot-blasted/Kugelgestrahlt 2.3

Ground/Geschliffen 1.9

Water-blasted/Wassergestrahlt 2.2


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in air which comes into contact with a photocatalytically activeconcrete surface is significantly reduced.

An attempt to demonstrate this with a decreased number ofparameters in an outdoor field test was undertaken in Stock-holm in July, 2008. For this purpose, two identical test chambersconsisting of material translucent to light and UV-A radiation

were positioned in the inner city. One of the two test cham-bers contained a surface consisting of a lime-cement plasterbased on TioCem. Normal ambient air was passed through thetest chamber and on to an NOx analyzer. On a daily average,NO2 contents in the air fed through the TioCem test chamberwere reduced, with no additional artificial lighting, by approx.40 to 70 %.

4 Practical applicationClimalife, the first environmentally active roof tile, was un-veiled in November, 2007. The surface of this concrete roof tileconsists of a TioCem coating (Fig. 6). An external test certifi-cate documents a degradation rate of 1.6 mg NO/m2h for this

roofingtile surface. The test was conducted in accordance withISO 22917, Part 1, in which a mixture of room air and NO isfed as the analysis substance. NO2 is degraded to the same de-gree, as is documented by our own trials. Up to now, more than200,000 m2 of roof surface area have begun to make an activecontribution to reducing air pollution.

Roofing of an average detached house (with a roof surfacearea of around 200 m2) using the Climalife roofing tile wouldeliminate, thanks to its photocatalytic surface, the NOx emis-sions from three gas central-heating installations. The potentialsfor improving air quality that are opened up by this innovativeproduct can be roughly estimated when one remembers that

around 30 million square meters of roof area are covered withconcrete roof tiles every year in Germany alone.

TioCem is not only suitable for the production of roofingtiles, however. In principle, it is possible to manufacture every

Der Einfluss vieler Parameter infolge wechselnder Wetterver-hltnisse und Fahrzeugbelastungen macht die Bewertung derReduzierung in einer praktischen Anwendung sehr schwierig.Im Labor knnen einige Parameter ausgeblendet werden, um

zu belegen, dass der Gehalt an NOx in der Luft, die mit ei-ner photokatalytisch aktiven Betonoberflche in Berhrungkommt, signifikant verringert wird.

Ein Versuch, dies mit einer verringerten Anzahl an Parame-tern auch in einem Freifeldversuch nachzuweisen, erfolgte inStockholm im Juli 2008. Dazu wurden in der Innenstadt zweiidentische Prfkammern aus Licht- und UV-A-durchlssigemMaterial platziert. In einer der beiden Prfkammern wurdeeine Flche mit einem Kalk-Zement-Putz auf Basis TioCemappliziert. Die normale Umgebungsluft wurde durch die Prf-kammer hindurch zum NOx-Analysegert geleitet. Ohne zu-stzliche knstliche Beleuchtung verringerten sich die Gehalte

an NO2 in der Prfkammer mit TioCem um ca. 40 bis 70 %im Tagesmittel.

4 Anwendung in der PraxisIm November vergangenen Jahres wurde der erste umwelt-aktive Dachstein Climalife vorgestellt. Die Oberflche diesesBetondachsteins besteht aus einer TioCem-Beschichtung (Bild6). Ein externes Prfzertifikat bescheinigt dieser Dachsteinober-flche eine Abbaurate von 1,6 mg NO/m2h. Die Prfung, beider ein Gemisch aus Raumluft und NO als Analysesubstanzeingeleitet wird, erfolgte gem der ISO 22917-1. NO2 wirdim gleichen Umfang abgebaut. Dies belegen eigene Versuche.Bis heute tragen bereits mehr als 200 000 m2 Dachflche aktiv

zur Reinigung der Luft bei.

Das Eindecken eines durchschnittlichen Einfamilienhauses(ca. 200 m2 Dachflche) mit dem Climalife-Dachstein elimi-niert ber die photokatalytische Oberflche den NOx-Aussto

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UV-A [W/cm2]

NOxdegradation[%]

Air flow rate:

1 l/min

3 l/min

5 Degradation rates of concrete paving as a function of UV-A in-

tensity and air flow-rate; 550 ppb NOx in the feed air (400 ppbNO + 150 ppb NO2)

Abbauraten eines Betonpflasters in Abhngigkeit von UV-A-Inten-sitt und Luftdurchfluss; 550 ppb NOx in der Aufgabeluft (400 ppbNO + 150 ppb NO2)

6 Concrete roofing tile with TioCem coatingBetondachstein mit TioCem-Beschichtung


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concrete product in such a way that it reduces the oxides ofnitrogen in the environment, since the photocatalyst particles

have no effects on the utility properties of the cement or theconcrete. Use of products containing TioCem is particular-ly worthwhile in the vicinity of busy roads and streets. Here,TioCem incorporated into concrete paving blocks, carriage-way decks and noise-suppression barriers is capable of assur inga higher air quality. Use of TioCem is also recommendable,however, at all public places where large numbers of peopleconverge, such as stations and schools, for example.

Concrete products containing white TioCem made its debutrecently in England. Photocatalytically active white TioCemwas incorporated into concrete elements, in combinationwith marble, for two showpiece gardens, the George Harrison

Memorial Garden (Figure 7) and the Sail for Gold garden,which is dedicated to the English Olympic sailing team, at theChelsea Flower Show.

The use of paving blocks containing TX Active implementedby Italcementi in Italy resulted in a reduction in eight-houraverage NOx readings in the Via Borgo Palazzo, Bergamo, by26 to 56 % [7]. A further major project has been implementedin Paris by Ciment Calcia. A concrete street has been construct-ed using TX Active in the Rue Jean Bleuzen, in the Vanvesdistrict of the city. Air quality was then monitored by an ex-

von drei Gasheizungsanlagen. Be-denkt man, dass in Deutschland jhr-lich etwa 30 Mio. m2 Dachflche mitDachsteinen aus Beton eingedecktwerden, kann man die Mglichkeitender Luftverbesserung abschtzen, die

sich durch dieses innovative Produktauftun.

Doch TioCem eignet sich nicht nurfr die Herstellung von Dachsteinen.Prinzipiell kann jedes Betonproduktso hergestellt werden, dass es dieStickstoffoxide in der Umgebung verringert, denn die Photo-katalysatorpartikel haben keinen Einfluss auf die Gebrauchsei-genschaften des Zementes oder Betons. Besonders lohnenswertist der Einsatz in der Nhe viel befahrener Straen. Dort kannTioCem in Form von Betonpflastersteinen, Fahrbahndeckenoder Lrmschutzwnden fr hhere Luftqualitt sorgen. Aber

auch an ffentlichen Pltzen, wo sich viele Menschen aufhal-ten, etwa an Bahnhfen oder Schulen, ist der Einsatz sinnvoll.

Betonprodukte mit weiem TioCem hatten krzlich ihr De-bt in England. In zwei Showgrten George Harrison Me-morial Garden (Bild 7) und einem dem englischen olympischenSegelteam gewidmeten Garten Sail for Gold der ChelseaFlower Show wurde weier TioCem fr Betonelemente inKombination mit Marmor verarbeitet.

Eine von Italcementi ausgefhrte Anwendung von Pflasterstei-nen mit TX-Active in Italien fhrte zu einer Verringerung derNOx-8-Stunden-Mittelwerte in der Via Borgo Palazzo in Ber-

gamo um 26 bis 56 % [7]. Ein weiteres Groprojekt wurde inParis durch Ciment Calcia realisiert. In der Rue Jean Bleuzen inVanves wurde eine Betonstrae mit TX-Active gebaut. In derFolge wurde die Luftqualitt durch ein externes Labor (Labora-toire Rgional de lQuest Parisien) berwacht. Erste Ergebnisseliegen bereits vor, der Schlussbericht wird in 2009 erwartet.

5 TX Active geprfte QualittTX Active ist ein Qualittslabel (Bild 8) fr die photokataly-tische Aktivitt von Baustoffen, das europaweit eingesetzt wird.Zusammen mit dem Lizenzgeber Italcementi S.p.A. wurden,sowohl fr den Zement als auch fr die damit produziertenEndprodukte, strenge Qualittsstandards definiert.

TioCem ist ein Zement nach DIN EN 197. Die werkseigeneProduktionskostrolle des Zementes wurde um die Prfung derRhodamin-B-Entfrbung gem UNI11259 Determinazio-ne dellattivit fotocatalitica di leganti idraulici Methodo delleRodammina ergnzt. Die aus TioCem gefertigten Produktewerden regelmig hinsichtlich ihrer photokatalytischen Ak-

7 George Harrison Memorial Garden with TioCem (white) and marbleGeorge Harrison Memorial Garden mit TioCem wei und Marmor

8 The TX Active

quality labelQualittslabelTX Active

Tab. 2: Cement properties of TioCem compared to conventionalCEM I 42.5 and CEM II/A-S 42.5 R from the same productionplant, tested in accordance with DIN EN 196-1 and DIN EN 196-3

Zementeigenschaften von TioCem im Vergleich zu herkmm-lichem CEM I 42,5 und CEM II/A-S 42,5 R des gleichen Her-stellwerkes, geprft nach DIN EN 196-1 und DIN-EN 196-3

Cement/ZementTioCem

CEM II/A-S 42.5 R (tx)

CEM I42.5 R

CEM II/A-S 42.5 R

Water demandWasseranspruch

M.% 29.5 29.0 29.5

Setting/Erstarren

StartBeginn

min 145 130 190

EndEnde

min 175 150 230

Strengthin compressionDruckfestigkeit

12 h MPa 6 6 31 d MPa 20 22 18

2 d MPa 29 31 32

7 d MPa 40 44 41

28 d MPa 60 57 57

Tab. 3: Resistance to freeze/de-icing salt of paving blocks contain-ing TioCem in the face concrete, tested in accordance withDIN EN 1338

Frost-Taumittel-Widerstand von Pflastersteinen mit TioCemim Vorsatzbeton, geprft nach DIN EN 1338

Finish/Vorsatz Surface treatmentOberflchenbearbeitung

Scaling in g/m3Abwitterung in g/m3

Standard/Standard untreated/unbehandelt 35.8

Granite/Granit blasted/gestrahlt 80.6

Granite/Granit washed/gewaschen 54.8


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ternal laboratory (Laboratoire Rgional de lQuest Parisien).Initial results have already been obtained, and the concludingreport is expected to appear in 2009.

5 TX Active tried and tested qualityTX Active is a quality label (Fig. 8) for the photocatalyticactivity of building materials and is used throughout Europe.Strict quality standards have been defined, both for the cement

and for the end products made from it, in cooperation withlicensor Italcementi S.p.A.

TioCem is a cement in conformity with DIN EN 197. Inter-nal works production-inspection of the cement has been aug-mented with tracking of Rhodamine B bleaching in accordancewith UNI11259, Determinazione dellattivit fotocatalitica dileganti idraulici Methodo delle Rodammina. Products madefrom TioCem are regularly monitored for their photocata-lytic activity at the HeidelbergCement Technology Center, thebreakdown rate of the NOx being determined in the laboratorytest procedure under the conditions defined in UNI11247.

The application and durability properties of this cement are, bythe way, equivalent to those of a standard commercial cement(Table 2, Fig. 9 and 10). TioCem is prepared and applied like anyother cement, and no special provisions, precautions or otherwork are necessary. The results of the frost/deicer resistance teston densely textured paving blocks containing TioCem in theface concrete, which are listed in Table 3, indicate that theseblocks fulfill the requirements of DIN EN 1338. The abrasionresistances of paving slabs consisting of standard CEM I 42.5 Rcement and TioCem are also absolutely equivalent (Table 4).The TioCem slabs tested are classified Abrasion ResistanceClass 4 (the highest level of abrasion resistance) in accordancewith DIN EN 1339.

6 ProspectsIf a traffic surface of the size of a football pitch (around 7500 m2)covered with photocatalytically active slabs of the quality statedin Table 1 is exposed on average to 2000 hours of solar radia-

tivitt im HeidelbergCement Technology Center berwacht.Dazu wird die Abbaurate des NOx im Laborprfverfahren un-ter den in UNI11247 definierten Bedingungen bestimmt.

Die Verarbeitungs- und Dauerhaftigkeitseigenschaften des Ze-mentes entsprechen denen eines handelsblichen Normalze-mentes (Tabelle 2, Bilder 9 und 10). TioCem wird wie jeder andereZement verarbeitet; es sind keine speziellen Manahmen erfor-

derlich. Die inTabelle 3aufgelisteten Ergebnisse der Frost-Tausalz-Widerstandsfhigkeitsprfung einer Versuchsproduktion vongefgedichten Pflastersteinen mit TioCem im Vorsatzbetonzeigen, dass diese die Anforderung der DIN EN 1338 erfllen.Auch der Abriebwiderstand von Gehwegplatten aus Normalze-ment CEM I 42,5 R und TioCem ist absolut gleichwertig(Tabelle 4). Die geprften Platten aus TioCem sind nach DINEN 1339 in die hchste Abriebwiderstandsklasse 4 einzuord-nen.

6 AussichtWird eine Verkehrsflche von der Gre eines Fuballfeldes(ca. 7500 m2) mit photokatalytisch aktiven Steinen der in Ta-

belle 1 angegebenen Qualitt im Jahr durchschnittlich anfal-lenden 2000 Sonnenstunden (> 1000 W/cm2) ausgesetzt, bautdiese den Schadstoffaussto von ber 190 000 Pkw-Kilometerab. Das gilt, legt man dabei einen NOx-Aussto der Schadstoff-

Tab. 4:Abrasion resistance of paving slabs, tested in accordance withDIN EN 1339

Abriebwiderstand von Gehwegsplatten, geprft nach DIN EN 1339

Cement in finish concreteZement im Vorsatzbeton

Surface treatmentOberflchenbearbeitung

Length of grooveLnge der Schleifrille

in mm

CEM I 42.5 Rrough groundrau geschliffen

13.3

TioCemrough groundrau geschliffen 12.5

CEM I 42.5 Rground

geschliffen13.2

TioCemground

geschliffen16.0

Test age

Compressivestrength[MPa]

50

45

40

35

30

25

20

15

10

5

012h 1 d 2 d 7 d 28 d

Cement:TioCem

CEM I 42.5 RCEM II/A-S 42.5 R

9 Evolution of compressive strength of TioCem compared toCEM I 42.5 R and CEM II/A-S 42.5 R from the same productionplant; tested on concrete (c = 350 kg/m3, w/c = 0.55, Dmax = 32 mm)

Druckfestigkeitsentwicklung von TioCem im Vergleich zu CEM I42,5 R und CEM II/A-S 42,5 R des gleichen Herstellwerkes; geprftan Beton (z = 350 kg/m3, w/z = 0,55, Dmax = 32 mm)

Number of freeze-thaw cycles

Massloss

[%]

2.0

1.5

1.0

0.5

0.010 25 50 75 100

Cement:TioCem

CEM I 42.5 RCEM II/A-S 42.5 R

10 Frost resistance of TioCem concrete compared to concretes con-taining CEM I 42.5 R and CEM II/A-S 42.5 R from the same pro-duction plant; tested using the freeze cube test (NORM B 3303)(z= 320 kg/m3, w/c = 0.50, Dmax = 32 mm)

Frostwiderstand von Beton aus TioCem im Vergleich zu Betonenmit CEM I 42,5 R und CEM II/A-S 42,5 R des gleichen Herstellwer-kes; geprft nach dem Wrfelfrostverfahren (NORM B 3303) (z=320 kg/m3, w/z = 0,50, Dmax = 32 mm)


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tion annually (> 1000 W/cm2), it will be capable of breakingdown the pollutant emissions from more than 190,000 car-kilometers, assuming an NOx emission rate of the EURO 4pollution category and a gasoline-to-diesel engine ratio of 1:1.This calculated figure is, in fact, greatly exceeded in practice,since photocatalysis occurs not only under exposure to direct

sunshine, but also, naturally to a reduced extent, under cloudyskies, and under twilight conditions (Fig. 5).

When the many and diverse potential applications are groupedtogether, it becomes clear that the surface/atmosphere ratio canbe increased step-by-step, assuming a not merely sporadic usefor refurbishing, repair and construction of new roads, pave-ments, faades and buildings. In the future, the innovative func-tional benefit of cement-bound building materials and build-ing products will contribute to significant improvements in thequality of life in our towns and cities.

klasse EURO 4 und ein Verhltnis von Otto- zu Diesel-motoren von 1:1 zu Grunde. Der berechnete Wert wird in derPraxis bei Weitem berschritten, da die Photokatalyse nichtnur bei direkter Sonneneinstrahlung, sondern in verringertemMae auch bei bewlktem Himmel sowie bei Dmmerung ab-luft (Bild 5).

Nimmt man die vielfltigen Einsatzmglichkeiten zusammen,wird deutlich: Bei einem nicht nur sporadischen Einsatz zurSanierung, Instandsetzung und zum Neubau von Straen, Geh-wegen, Fassaden und Gebuden kann das Oberflchen-Atmo-sphre-Verhltnis schrittweise erhht werden. Die neuartigefunktionale Nutzung von zementgebundenen Baustoffen undBauprodukten trgt dazu bei, die Lebensqualitt in unserenStdten in Zukunft deutlich zu verbessern.

Literaturverzeichnis/Literature

[1] Hessisches Landesamt fr Umwelt und Geologie: Stickstoffdioxid(NO2), Quellen Emissionen Auswirkungen auf Gesundheit undkosystem Bewertungen Immissionen: (http://www.hlug.de)

[2] Fujishima, A.; Hashimoto, K., Watanabe, T.; (1999): TiO2 Photocataly-sis: Fundamentals and Applications, BKC Inc., Tokyo, Japan.

[3] http://www.picada-project.com[4] Bolte, G.: Photokatalyse in zementgebundenen Baustoffen: Cement

international 3/2005: pp. 9297

[5] ISO 22917, Part 1 Fine ceramics (advanced ceramics, advanced tech-nical ceramics) Test method for air-pur ification performance of semi-conducting photocatalytic materials Part 1: Removal of nitr ic oxide

[6] UNI11247 Diterminazione dellattivit di degradazione di ossidi diazoto in aria de parte di materiali inirganic fotocatalytici

[7] Guerrini, G. L.; Peccati, E.: Photocatalytic cementitious roads for depol-lution: International RILEM Symposium on Photocatalysis, Environ-ment and Construction Materials: October 89, 2007, Florence, Italy


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0209/1T/SD/Rev.0

HeidelbergCement Technology Center GmbH

Rohrbacher Strae 95

69181 Leimen

Telefon 0 6224-703 424

E-Mail [email protected]

www.heidelbergcement.de

tiocem_sonderdruck_zkg[1]

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