Введение. Одним из главных приоритетов современного общества является поддержание и улучшение качества окружающей среды. По мере развития человечества происходит увеличение площадей занимаемых городами, которое закономерно сопровождается нарастанием протяженности автомобильных дорог, что, в свою очередь, ведет к интенсивному загрязнению атмосферного воздуха.По данным экологического мониторинга [1] Департамента природопользования и охраны окружающей среды города Москвы, загрязнение воздуха на территории мегаполиса является весьма неоднородным и имеет локальные участки. Среди наиболее концентрированных очагов загрязнения активно выделяются автомобильные дороги с высокой интенсивностью движения и прилегающие к ним территории. При этом на значения удельных выбросов загрязняющих веществ для автомобильных дорог большое влияние оказывает тот факт, что в городских условиях автомобиль на участках дорог с малой интенсивностью постоянно совершает разгоны и торможения, увеличивая тем самым количество выбросов. На жилых территориях содержание загрязняющих веществ в среднем в 1,2 раза ниже, чем в центре Москвы, и почти в 1,5 раза, чем вблизи автотрасс.Полностью исключить отрицательное воздействие автомобильного транспорта на состояние атмосферы невозможно, но снизить негативное воздействие вполне реально. Одной из наиболее перспективных технологий является применение на участках с повышенным содержанием оксидов азота специальных материалов, обладающих фотокаталитическими свойствами.В настоящее время многими учеными предложено большое количество вариантов применения фотокаталитических бетонов в дорожном строительстве. Их использование предлагается для устройства верхних слоев покрытий автомобильных дорог [2-4] или для устройства автодорожных тоннелей [5]. Тем не менее, существуют некоторые элементы автомобильных дорог, эффективность которых, в виду их конструктивного решения, будут значительно выше для фотокатализа, как, например, акустические экраны.Типовой акустический экран представляет собой сборную конструкцию, которая состоит из фундамента, несущей конструкции и панелей. На участках Московской кольцевой автомобильной дороги (МКАД) установлены такие экраны, основная функция которых отстранить негативное воздействие от автомобильной дороги на жилые участки. Акустические экраны могут быть отражающими или отражающе-поглащающими в зависимости от применяемых материалов и конфигурации составных панелей (рис. 1). Рис. 1. Акустические экраны из различных материалов, установленные на МКАД:а) железобетонные, б) металлические, в) полимерные  Сумма полезной площади участков акустических экранов, обращенные к автомобильной дороге, на дороге протяженностью 108,9 км составляет 77039 м2. Из них полезная площадь акустических экранов, выполненных из железобетона, составляет – 23040 м2, что составляет почти 30 % от общей площади. В качестве объекта исследований рассматриваются только железобетонные акустические экраны, так как их поверхностная обработка является наиболее рациональной за счет родства структур «бетон - цементная композиция», а нанесение цементных составов на металлические и полимерные поверхности считается технологически сложной и не эффективной.За счет выполнения поверхностной обработки железобетонных акустических экранов составами с фотокаталитическими свойствами, предполагается потенциальное снижение количества оксидов азота и, как следствие, уменьшения нагрузки на атмосферу, вблизи автомобильной дороги. Таким образом, целью данного исследования является разработка и исследования цементных составов для акустических экранов автомобильных дорог с комплексным применением диоксида титана и целлюлозы.Материалы и методы. Для изучения влияния количества добавок в цементной композиции на свойства фотокаталитических составов использовался портландцемент марки ЦЕМ I 32,5Н. В качестве фотокаталитической добавки применялся наиболее распространенный и общедоступный катализатор – диоксид титана, с насыпной плотностью 760 кг/м3 и удельной поверхностью 480 м2/кг. Проведение качественного и количественного фазового анализа фотокаталитической добавки проводилось на рентгеновском дифрактометре ARL X'TRA методом порошковой рентгеновской дифракции. Результаты анализа приведены в таблицах 1 и 2. Выполненный анализ исследуемой фотокаталитической добавки показал наличие кристаллов TiO2 с тетрагональной сингонией в виде анатазной модификации – 98,3 % и рутильной – 1,7 %. Таблица 1Химический состав (по элементам) фотокаталитической добавки ЭлементыTiОVSiPCaKAlДругиеСодержание, %58,8540.110,310,170,140,130,010,070,21Таблица 2Химический состав (по оксидам) фотокаталитической добавки ОксидыTiO2V2O5SiO2P2O5CaOK2OAl2O3ДругиеСодержание, %97,960,560,370,320,180,170,130,31 Фотокаталитическая добавка содержит в своем составе оксиды кремния и алюминия, которые являются веществами поверхностного покрытия. Известно, [6-8] что при использовании TiO2 в качестве белого пигмента нежелательные фотокаталитические реакции, генерируемые при поглощении УФ-излучения, приводят к разложению пигментированного материала. При этом TiO2 поглощает свет в ближней ультрафиолетовой области, что приводит к возникновению пары электрон-дырка, которая генерирует на поверхности оксида свободные радикалы с высокой реакционной способностью. Производители TiO2 снижают его фотоактивность за счет обработки SiO2 и Al2O3, которые в дальнейшем могут смываться с поверхности зерен диоксида титана при механическом воздействии в водной среде.Главным ограничением использования TiO2 в качестве фотокатализатора является то, что его действие проявляется лишь при облучении ближним УФ-диапазоном с длиной волны менее 388 нм, что приблизительно равно всего 5 % солнечного спектра, достигающего поверхности Земли [9-11]. В связи, с чем встает необходимость корректировки модифицирующих компонентов для TiO2, при которых происходит увеличения его активности в УФ-облучении. Известны способы [12–16] повышения эффективности TiO2 за счет обработки его поверхности оксидом кремния, а так как SiO2 присутствует в составе минеральных вяжущих, это дополнительно будет способствовать усилению фотокаталитической активности.Эффективность фотокаталитических процессов зависит от нескольких факторов, наиболее значимым из которых является площадь поверхности, участвующей в этих процессах.  В связи, с чем для повышения площади поверхности реакции фотокатализа вводили целлюлозную суспензию, полученную методом механической гомогенизации вторичной целлюлозы в водной среде. Длина исследуемых волокон не превышает 3 мм. Диаметр целлюлозных волокон после насыщения водой составляет 10 - 40 мкм (рис. 2 а). Диаметр целлюлозных волокон после потери части водной среды значительно уменьшается и находится в диапазоне 3 - 10 мкм (рис. 2 б).Снимки были получены методом оптической микроскопии с помощью Комплекса оптической микроскопии Nikon Eclipse MA200 (с возможностью цветокоррекции и интегрированной виртуальной линейки. Максимальное увеличение 2000 крат). Рис. 2. Микрофотоснимок целлюлозных волокон:а) в насыщенном водой состоянии (в суспензии) , б) в структуре цементного камня в возрасте 28 суток. Известно [17, 18], что вода разрушает слабые водородные связи в целлюлозе и вызывает её набухание в водной среде. Такие процессы ведут к увеличению удельной поверхности целлюлозы, увеличению общего объема пор и их размеров, а также количества свободных гидроксильных групп, что положительно сказывается на их реакционной способности. Межфибриллярное и межкристаллитное набухание целлюлозы в воде приводит к образованию более развитой поверхности целлюлозных волокон, что приведет к образованию крупных пор в структуре полученного композита.Определение плотности проводилось согласно ГОСТ 12730.1-78 «Бетон. Методы определения плотности». Определение водопоглощения проводилось по требованиям ГОСТ 12730.3-78 «Бетоны. Метод определения водопоглощения». Определение прочности проводилось согласно ГОСТ 10180-2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам». Основная часть. Для установления верхней границы варьирования количества добавок диоксида титана и целлюлозы посредством планирования эксперимента был составлен двухфакторный композиционный ротатабельный эксперимент. В качестве факторов были выбраны: Х1 – количество фотокаталитической добавки по отношению к массе портландцемента; Х2 – количество целлюлозы (в сухом веществе) по отношению к массе портландцемента. Основные уровни факторов Х1 и Х2 – 1,0 и 0,75, а шаг варьирования – 0,5 и 0,25, соответственно. В качестве функции отклика рассматривается предел прочности на сжатие в возрасте 28 суток. Изменение средней плотности и величины водопоглощения косвенно характеризуют параметры пористости полученных композитов, что в свою очередь сказывается на площади поверхности для проведения фотокаталитических реакций. Поэтому для установления зависимости пористости от состава полученных композитов фиксировались показатели плотности и водопоглощение. Таблица 1Составы и свойства композиционных вяжущих № составаКодовая матрицаСодержание добавок, % от массы ПЦВыходные параметрыХ1Х2TiO2ЦеллюлозаПлотность, кг/м3Прочность на сжатие, МПаВодопоглощение по массе, % К--00206493,55,31-1-10,50,5212999,74,82+1-11,50,52069101,54,63-1+10,51205774,94,44+1+11,51205468,74,75-1,4200,30,75203685,33,06+1,4201,70,75200587,73,270-1,4210,4204893,44,880+1,4211,1202655,94,690010,75207375,54,8 На основе полученных результатов лабораторных испытаний цементного камня с различным содержанием TiO2 и целлюлозы искомая зависимость функции отклика имеет следующий вид: Rсж = 75,43 – 0,12Х1 – 13,75Х2 – 1,89 Х1Х2 + 6,95 Х12 + 0,98 Х22.                                        (1) Полученное уравнение регрессии показывает незначительное влияние диоксида титана на снижение прочности. Варьирование количеством целлюлозы значительнее сказывается на прочности композиционных образцов, снижая ее при максимальной концентрации добавки почти на 40 % относительно контрольного образца. При содержании целлюлозы свыше 0,75 % происходит ее агрегация в свободном состоянии, что приводит к снижению плотности и прочности полученных композитов. Волокна целлюлозы, набухая, впитывают значительное количество воды, тем самым увеличивая вязкость цементного теста. Затем, в процессе твердения вяжущего, вода отделяется из набухшей целлюлозы за счет диффузионных процессов и способствует образованию концентрированных пор в составе композита. Диоксид титана, в свою очередь, являясь водонерастворимым компонентом, снижает показатель водопоглощения за счет заполнения капиллярных пор, что объективно коррелирует с данными проведенного математического планирования эксперимента.Формирование структуры цементного камня, величина общей пористости, а также параметры капиллярно-пористой структуры зависят не только от величины водовяжущего отношения и степени гидратации [19], но и от вида микронаполнителей, которым является добавленная целлюлоза. Для изучения морфологии модифицированного цементного камня была изучена микроструктура вяжущего в возрасте 28 суток на растровом электронном микроскопе FEI Quanta 250.Микроструктура цементного камня (рис. 3) характеризуется наличием в микропорах развитых новообразований гидросиликатов кальция, которые способствуют повышению плотности. Диоксид титана в кристаллической форме в этом случае присутствует на сколах при исследовании поверхности на всех участках, однако его количество значительно уступает элементам продуктов гидратации портландцемента. Образованию крупных кратерообразных пор на сколе цементного камня объясняется  межфибриллярным и межкристаллитным набуханием целлюлозы в воде, что  приводит к образованию более развитой поверхности целлюлозных волокон.С помощью рентгеновского спектрометра, которым оснащен растровый электронный микроскоп, получен микроанализ элементов (рис. 4), находящихся в структуре цементного камня. Выполненный элементный анализ подтверждает предложенные предположения о взаимодействии компонентов модифицированной цементной системы.  Рис. 3. Микрофотоснимок цементного камня с добавками в возрасте 28 суток:а) 10 мкм, б) 20 мкм Рис. 4. Элементный микроанализ поверхности модифицированного цементного камня  Рис. 5. Микрофотоснимок волокон целлюлозы в составе цементного камня:а) 2 мкм, б) 10 мкм По теоретическим и экспериментальным данным авторов [16] установлено, что целлюлозные макромолекулы имеют сильную тенденцию к агрегированию в высокоупорядоченные структурные элементы благодаря своему химическому строению, спиральной конформации и стереорегулярности.Высокая удельная поверхность волокон целлюлозы является значительным фактором при заполнении капилляров, пор и сорбции молекул из водных сред, за счет чего приводит ее набуханию. Изменение размеров и формы волокон целлюлозы обуславливается межфибриллярным и внутрифибриллярным набуханием целлюлозы и включает три основных момента: заполнение жидкостью капиллярного пространства между фибриллами, заполнение пор на поверхности волокон и взаимодействие жидкости с макромолекулами целлюлозы.Из микроснимков (рис. 5) видно, что на поверхности волокон целлюлозы располагаются минеральные вещества, которые образовались в процессе гидратации портландцемента. Известно [20], что гидроксид кальция, взаимодействуя с поверхностным слоем целлюлозы, присоединяется к гидроксильным группам целлюлозы с образованием аддитивных или молекулярных соединений по схеме:RcellOH+Ca(OH)2→RcellOH· Ca(OH)2,2RcellOH+Ca(OH)2→(RcellOH)2· Ca(OH)2.Такие соединения образуются в результате взаимодействия в стехиометрических соотношениях двух компонентов за счет межмолекулярных связей, в частности водородных. Таким образом, целлюлоза образует с гидроксидом кальция (C6H10O5)2·Ca(OH)2 и (C6H10O5)·Ca(OH)2. Подобные соединения известны для других многоатомных спиртов: глицерина, маннита и простых сахаров.В связи со способностью волокон целлюлозы набухать в жидкостях, поверхность фибрилл целлюлозы становится более доступной для микрочастиц, которые равномерно распределяются внутри волокон. Выполненный микроанализ компонентов (рис. 6) показывает, что кроме образовавшегося гидроксида кальция, присутствует диоксид титана. Рис. 6. Элементный микроанализ поверхности волокон целлюлозы в цементном камне  Выводы.По приведенным результатам исследований установлено, что прочность, плотность и водопоглощение полученных композитов в большей степени зависит от количества введённой целлюлозной суспензии и в меньшей от количества TiO2.При исследовании структуры композитов установлено, что диоксид титана сорбируется на поверхности набухших волокон целлюлозы и остается там после процессов гидратации. Вследствие повышения пористости цементного камня увеличивается потенциальная полезная площадь поверхности для проведения фотокаталитических реакций.При условии замены существующих акустических экранов на фотокаталитические произойдет снижение экологической нагрузки на воздушный бассейн МКАД и повлияет на снижение уровня ПДКс.с. по оксидам азота до допустимого уровня.