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Doctoral Thesis
DOI
https://doi.org/10.11606/T.3.2021.tde-07102021-111423
Document
Author
Full name
Sérgio Roberto Andrade Dantas
E-mail
Institute/School/College
Knowledge Area
Date of Defense
Published
São Paulo, 2021
Supervisor
Committee
Loh, Kai (President)
Dornelles, Kelen Almeida
Franieck, Rosana Maria Caram
Gouvêa, Douglas
Molin, Denise Carpena Coitinho Dal
Title in English
Evaluation of the effect of TiO2 treatments on the reflectance to solar and luminous radiation of coating mortars.
Keywords in English
Mortar
Photocatalysis
Rheology (Degradation; Processes)
Titanium dioxide (Dispersion; Effect; Treatment; Evaluation)
Ultraviolet radiation (Deterioration; Facade coating)
Abstract in English
As soon as a mortar is applied to a facade, a continuous degradation process begins and will last during its entire service life. At the worksite, the mechanisms for evaluating the properties of mortars, particularly their applicability, are usually carried out in a sensorial and tactile way. It is common practice for masons to increase the amount of water without any control, only using their experience and preference of mortar consistency. Based on empirical knowledge, such procedures induce many errors that impair the mortar quality and do not enable the measurement of any possible rheological parameters to quantify the material workability. For cement matrixes, the rheological properties of dispersions are governed by the microstructure of the system, and particle dispersion poses a challenge that needs to be addressed for the use of nanomaterials in those mixtures. In mortars with TiO2 addition, particle characteristics such as size and morphology can account for the different photocatalytic activities. Moreover, the surface roughness can affect how TiO2 particles can be activated by solar radiation due to the incidence of shadow caused by the different roughness scales existing on surfaces. The materials used on the facades do not respond only to the building's aesthetic condition but have an essential role in their thermal balance, where materials that present high reflectivity values reduce thermal gains and result in an efficient passive technique to reduce demand for electrical energy in the thermal conditioning of environments and improve indoor and outdoor thermal comfort. Furthermore, the increase in solar reflectance and thermal emittance on the facades can be a feasible strategy to help reduce urban heat islands. However, the constant contact of those surfaces with degradation agents can significantly diminish those benefits over time with the exposition to the corrosion caused by acids, accelerated wear, fouling due to soot particles, and the direct incidence of UV radiation that causes discoloration and the appearance of stains. As a result, the coatings become more opaque, affecting their thermal balance and visual aesthetic over time. In this context, using coatings treated with TiO2 helps in the maintenance of these coatings over time. It maintains the solar and lightness reflectance of the building facades, making them more efficient by maintaining their initial reflectance values over long periods. Thus, the study evaluated surfaces experimentally treated with TiO2 - powder and suspension forms - and compared them with white painted surfaces, observing the maintenance of the initial characteristics of reflectance to solar radiation and lightness reflectance of these surfaces, aiming at its low maintenance and better performance, showing itself as a possible alternative to painted mortars. Reflectance to solar radiation measured was according to ASTM E1918-16 and ANSI/ASHRAE-74 procedures. The measurements were carried using two Kipp & Zonen pyranometers sensors, Delft / Holland model CM3, with wavelengths range of 305 - 2800 nm and maximum radiation of 2000 W/m². The signal generated varied from 0 - 50 mV and the sensitivity from 0 - 35 ?V / W / m². A datalogger ALMEMO, model 2890-9 with a 6.5-digit display and RS232 output, was employed for data acquisition. While, to the lightness reflectance, a procedure based on the ASTM D2244-21 was adopted. The measurements were done using a Color Guide Sphere diffuse/8° spin spectrophotometer with geometric measurements of 45º/0º circular, with 400 - 700 nm measurement area, 20 nm spectral resolution, and photometric range 0 - 100%, 0.01 resolution. The illuminant D65 and observer with 10° and reproducibility < 0.02 ?E* were considered. Results indicated that painted specimens maintained their initial reflectance to solar radiation after three years of exposure ending with 73% of their index. The comparison between the painted specimens and specimens treated with TiO2 powder showed a difference between 28.25% regarding their reflectance to solar radiation. On the other hand, the comparison between the samples treated with TiO2 in powder and specimens treated with TiO2 in suspension form shows a difference of 8.5% in reflectance index to solar radiation, not indicating a preference since both showed the same effectiveness in mean after three years of exposure. Concerning the lightness, after thirty-seven months of the natural exposition, the white painted specimens had the best results than specimens with TiO2 suspensions and specimens with TiO2 in powder. Beyond, regarding the absorptivity, the white painted specimens could be considered with low absorptivity. In contrast, the specimens treated with TiO2 suspension and those treated with TiO2 powder could be medium absorptivity. About the aesthetic perception, the study concludes that there are no significant differences in the white painted specimens for the final user. In contrast, for the other specimens with TiO2 (powder and suspension), the final user can notice the color difference very well in three years of exposure. Therefore, this research aims to contribute to filling a gap concerning reflectivity studies of different treatments of TiO2 (powder and suspension) on mortar by making a comparative assessment with painted mortars and exposed to the urban environment in the long term, demonstrating not only the effectiveness of the photocatalytic process by measurements of reflectance to solar radiation and luminous reflectance but also the maintenance of those properties in the mortars over time.
Title in Portuguese
Avaliação do efeito de tratamentos com TiO2 sobre as refletâncias a radiação solar e luminosa de argamassas de revestimento.
Keywords in Portuguese
Argamassa
Dióxido de titânio (Dispersão; Efeito; Tratamento; Avaliação)
Fotocatálise
Radiação ultravioleta (Deterioração)
Reologia (Degradação; Processos)
Revestimento de fachadas
Abstract in Portuguese
Assim que a argamassa é aplicada na fachada, inicia-se um processo contínuo de degradação que perdurará durante toda a sua vida útil. Na obra, os mecanismos de avaliação das propriedades das argamassas, nomeadamente a sua aplicabilidade, são habitualmente realizados de forma sensorial e táctil. É prática comum os pedreiros aumentarem a quantidade de água sem nenhum controle, utilizando apenas sua experiência e preferência pela consistência da argamassa. Com base no conhecimento empírico, tais procedimentos induzem a muitos erros que prejudicam a qualidade da argamassa e não permitem a medição de quaisquer parâmetros reológicos possíveis para quantificar a trabalhabilidade do material. Para matrizes de cimento, as propriedades reológicas das dispersões são governadas pela microestrutura do sistema, e a dispersão de partículas representa um desafio que precisa ser abordado para o uso de nanomateriais nessas misturas. Em argamassas com adição de TiO2, as características das partículas, como tamanho e morfologia, podem ser responsáveis pelas diferentes atividades fotocatalíticas. Além disso, a rugosidade da superfície pode afetar como as partículas de TiO2 podem ser ativadas pela radiação solar devido à incidência de sombra causada pelas diferentes escalas de rugosidade existentes nas superfícies. Os materiais utilizados nas fachadas não respondem apenas ao estado estético do edifício, mas têm um papel fundamental no seu equilíbrio térmico, onde materiais que apresentam elevados valores de refletividade reduzem os ganhos térmicos e resultam numa técnica passiva eficiente para reduzir a procura de energia eléctrica no condicionamento térmico de ambientes e melhoria do conforto térmico interno e externo. Além disso, o aumento da refletância solar e da emissão térmica nas fachadas pode ser uma estratégia viável para ajudar a reduzir as ilhas de calor urbanas. No entanto, o contato constante dessas superfícies com agentes de degradação pode diminuir significativamente esses benefícios ao longo do tempo com a exposição à corrosão causada por ácidos, desgaste acelerado, incrustação devido a partículas de fuligem e a incidência direta de radiação UV que causa descoloração e aparência de manchas. Como resultado, os revestimentos tornam-se mais opacos, afetando seu equilíbrio térmico e estética visual ao longo do tempo. Nesse contexto, o uso de revestimentos tratados com TiO2 não apenas ajuda na manutenção desses revestimentos ao longo do tempo, mas também mantém a refletância solar e de luminosidade das fachadas dos edifícios, tornando-as mais eficientes ao manter seus valores iniciais de refletância por longos períodos. Assim, o estudo avaliou experimentalmente superfícies tratadas com TiO2 - formas em pó e suspensão - e as comparou com superfícies pintadas de branco, observando a manutenção das características iniciais de refletância à radiação solar e refletância luminosa dessas superfícies, visando sua baixa manutenção e melhor performance, mostrando-se como uma possível alternativa às argamassas pintadas. A refletância à radiação solar medida foi de acordo com os procedimentos ASTM E1918-16 e ANSI/ASHRAE-74. As medições foram realizadas utilizando dois piranômetros Kipp & Zonen, Delft/Holland modelo CM3, com comprimentos de onda de 305 - 2800 nm e radiação máxima de 2.000 W/m². O sinal gerado variou de 0 - 50 mV e a sensibilidade de 0 - 35 ?V/W/m². Um datalogger ALMEMO, modelo 2890-9 com display de 6,5 dígitos e saída RS232, foi empregado para a aquisição dos dados. Já para a refletância luminosa, foi adotado um procedimento baseado na ASTM D2244-21. As medidas foram realizadas em espectrofotômetro Color Guide Sphere difuso/spin 8° com medidas geométricas de 45º/0º circular, área de medição de 400 - 700 nm, resolução espectral de 20 nm e faixa fotométrica de 0 - 100%, resolução de 0,01. Foram considerados o iluminante D65 e o observador com 10° e reprodutibilidade <0,02 ?E*. Os resultados indicaram que as amostras pintadas mantiveram sua refletância inicial à radiação solar após três anos de exposição, terminando com 73% de seu índice. A comparação entre os corpos-de-prova pintados e os tratados com pó de TiO2 mostrou uma diferença de 28,25% em relação à refletância à radiação solar. Por outro lado, a comparação entre as amostras tratadas com TiO2 em pó e as amostras tratadas com TiO2 em forma de suspensão mostrou uma diferença de 8,5% no índice de refletância à radiação solar, não indicando preferência uma vez que ambas apresentaram a mesma eficácia em média após três anos de exposição. Em relação à luminosidade, após trinta e sete meses da exposição natural, os corpos-de-prova pintados de branco tiveram os melhores resultados que os corpos-de-prova com suspensão de TiO2 e os corpos-de-prova com TiO2 em pó. Além disso, quanto à absortividade, os corpos-de-prova pintados de branco podem ser considerados com baixa absortividade. Em contraste, as amostras tratadas com suspensão de TiO2 e aquelas tratadas com pó de TiO2 podem ter absortividade média. Sobre a percepção estética, o estudo conclui que, para o usuário final, não há diferenças significantes nos exemplares pintados de branco. Em contrapartida, para as outras amostras com TiO2 (pó e suspensão), o usuário final pode notar a diferença de cor muito bem em três anos de exposição. Portanto, esta pesquisa visa contribuir para o preenchimento de uma lacuna no que diz respeito aos estudos de refletividade de diferentes tratamentos de TiO2 (pó e suspensão) em argamassas, fazendo uma avaliação comparativa com argamassas pintadas e expostas ao ambiente urbano em longo prazo, demonstrando não apenas a eficácia do processo fotocatalítico por medidas de refletância à radiação solar e refletância luminosa, mas também a manutenção dessas propriedades nas argamassas ao longo do tempo.
 
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Publishing Date
2021-10-07
 
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