Введение. Цементные материалы, в частности бетоны, являются самыми распространенными материалами в строительстве, а их производство наиболее крупнотоннажным в своей отрасли. Приоритетным направлением в строительной индустрии является создание строительных композитов с новыми свойствами [1–4]. В связи с этим, применение бетонных изделий в качестве носителей фотокатализаторов, с целью снижения концентрации загрязняющих веществ в атмосфере является целесообразным и обоснованным. Дополнительным положительным эффектом является достижение «самоочищения» поверхности изделий с фотокатализаторами, что позволяет сохранять исходные чистоту и цвет конструкций длительное время в условиях высокозагрязненной городской среды и инфраструктуры. Способность поверхности строительных материалов к самоочищению позволяет увеличить период между работами по очистке фасадов, что сокращает затраты на обслуживание зданий и сооружений [5].Из всех существующих фотокатализаторов самое широкое применение на данный момент нашел нано- и микроразмерный TiO2 анатазной модификации. Несмотря на относительно высокое значение ширины запрещенной зоны, равной 3,2 эВ, по сравнению с другими известными полупроводниками, например, SiC – 3,0 эВ, WO3 – 2,6 эВ, Fe2O3 – 2,1 эВ, CdS – 2,25 эВ, CdSe – 1,7 эВ, GaP – 2,25 эВ, GaAs – 1,4 эВ, TiO2 характеризуется стабильностью и особым строением зонной структуры, обусловливающей его высокую фотокаталитическую активность [6, 7]. Помимо отдельных соединений известно также применение систем, например, InP–CdS, ZnTe–CdS, либо допирование TiO2 атомами углерода, азота или серы [8–10]. Известно получение фотокаталитических композиционных материалов путем осаждения частиц TiO2 на инертные носители. В качестве инертных подложек используют диоксид кремния, активированный углерод, морденит, цеолит [11–14]. За счет увеличения активной поверхности и равномерного распределению TiO2 на поверхности адсорбентов, скорость самоочищения увеличивается. Фотокаталитическое окислительно-восстановительное действие TiO2 позволяет снижать количество загрязняющих веществ, таких как, оксиды азота (NOx), летучие органические соединения (ЛОС) и оксиды серы (SOx), как на поверхности материалов, так и в воздухе. Кроме того, эффект фотокаталитического самоочищения распространяется на многие другие органические материалы и живые организмы: органическая почва, жир, масло, плесень, водоросли, бактерии и др. Основными продуктами фотокатализа являются кислород, диоксид углерода, вода, сульфаты, нитраты и нитриты [15–17]. Реакция на поверхности твердых частиц катализатора возникает благодаря поглощению квантов света, вызывающих физические процессы разложения органических соединений [18, 19].A+K+hv→B+K                     (1)где А – исходные реагенты, В – продукты реакции, К – катализатор, hv – энергия фотона падающего на поверхность фотокатализатора.Несмотря на то, что исследование фотокатализаторов и их применения началось в 1972 году [20], на данный момент в области строительного материаловедения остается значительное количество вопросов, связанных с повышением «производительности» фотокаталитических реакций в среде цементных материалов и повышения их долговечности. Основная часть. На территории РФ специальные свойства фотокаталитических бетонов согласно ГОСТ 57255-2016 «Бетоны фотокаталитически активные самоочищающиеся. Технические условия» характеризуются следующими показателями:способность к самоочищению, определяемая изменением краевого угла смачивания под воздействием ультрафиолетового излучения после предварительного «загрязнения» поверхности олеиновой кислотой;разложение (минерализация) загрязнителей воздуха: оксидов азота и летучих органических веществ.Стоит отметить, что данный нормативный документ базируется на ряде международных стандартов (ИСО 22197-1:2007, ИСО 22197-3:2011, ИСО 27448:2009), в связи с чем, вышеуказанные методы оценки фотокаталитических бетонов применяются исследователями многих стран. Широко также распространен метод исследования способности к самоочищению материала, основанный на оценке разложения органического пигмента (родамин Б) на его поверхности под воздействием ультрафиолетового излучения, нормированный итальянским национальным стандартом UNI 11259 «Определение фотокаталитической активности гидравлических вяжущих – родамин тест». Технологии получения фотокаталитически активных самоочищающихся материалов на основе цемента можно разделить на три основные группы. Нанесение покрытий, содержащих фотокатализатор, на поверхность готовых бетонных изделий [21];  Введение фотокатализатора в объем бетонных изделий в процессе производства [22, 23];Создание двухслойных бетонных изделий, состоящих из основного слоя и поверхностного слоя с фотокатализатором [24, 25].Для реализации первого способа известно применение покрытий, полученных смешением пористых микросфер TiO2, белого портландцемента и воды в соотношениях: вода/цемент (В/Ц)=0,6, TiO2/цемент=0,3. Пористые микросферы TiO2 имели размер порядка 500 нм, помимо анатазной модификации TiO2 содержали 9,1 % рутила. Нанесение покрытия на подложку осуществлялось «ножевым» методом (doctor blade method) [26]. Толщина создаваемого покрытия около 77 мкм. По сравнению с чистым цементным данное фотокаталитическое покрытие обеспечило эффективное разложение олеиновой кислоты, резазурина и ацетальдегида [27].Свою эффективность в качестве покрытий доказали системы типа «ядро – оболочка» состава SiO2–TiO2. Преимущество использования SiO2 в данных системах заключается в его высоком химическом сродстве с продуктами гидратации цемента, а, следовательно, обеспечивает образование химических связей в результате пуццолановой реакции и улучшение адгезии. Порошок состава SiO2–TiO2 в количестве 0,025 мг растворяли в 2 мл воды и распыляли на цементные и цементно-песчаные пластинки площадью 16 см2. Размер ядра SiO2 составлял 95 нм, толщина оболочки TiO2 – 25 нм. TiO2 представлен только анатазной модификацией. Высокая фотокаталитическая активность данных покрытий, равная фотокаталитической активности промышленного фотокатализатора AEROXIDE® TiO2 P 25, подтверждена обесцвечиванием поверхности в результате деградации родамина Б [28]. При использовании второго метода технология получения самоочищающихся бетонов не требует дополнительного оборудования и не отличается от обычной технологии производства бетонов [29, 30]. Главная задача, которую необходимо решить при производстве, это равномерное распределение частиц фотокатализатора в объеме бетона. Проблема равномерного распределения возникает из-за высокой удельной поверхности фотокатализатора: от 50 [31] до300 м2/г [11]. Как говорилось выше, решением данной проблемы является нанесение частиц диоксида титана на кремнеземный носитель методом осаждения [12–14].При получении бетонной смеси фотокатализатор вводят перед добавлением воды затворения в сухую смесь или готовят суспензию фотокатализатора, например, в растворе воды и этанола, что, однако, может замедлить процесс гидратации цемента. После набора прочности бетона TiO2 присутствует во всей его структуре, он не вступает в реакцию с клинкерными минералами и продуктами гидратации цемента, так как является стабильным и высоко инертным материалом [12, 13, 17, 32, 33]. При третьем способе верхний слой панелей толщиной 5 мм был приготовлен из смеси цемента, песка, воды и TiO2 (83,4 % анатаза, частицы размером 1 мкм) при соотношениях 1:2,75:0,484:0,05, соответственно. Эффективность очищения воздуха от NOx составила31,3 %, однако за 4 месяца в результате процессов выветривания и карбонизации образцы потеряли 80,4 % своей фотокаталитической активности [34].Влияние TiO2 на свойства цементного камня и бетона зависит от его дозировки [32, 35–41]. Так с увеличением дозировки TiO2 от 5 до 10 % от массы цемента отмечается увеличение теплоты и скорости гидратации цемента. Доказано, что диоксид титана влияет на гидратацию цемента путем ускорения гетерогенного зародышеобразования [37, 38, 42–43]. Это подтверждается также сокращением сроков начала и конца схватывания [39].Помимо ускоряющего действия TiO2 на гидратацию силикатов кальция, доказано ускорение образования гидросиликатов кальция и уменьшение содержания портландита. Структура цементного камня, модифицированного нанодисперсным диоксидом титана, характеризуется присутствием на его поверхности пластинок титаната кальция, а также наличием в микропорах более развитых игольчатых кристаллов гидросиликатов кальция и волокон тоберморитового геля, которые способствуют снижению дефектности структуры, повышению плотности и прочности цементного камня [32].Исследование влияния диспергирования ультразвуком в водно-спиртовой среде диоксида титана на структуру цементного камня в суточном возрасте показало интенсификацию гетерогенного зародышеобразования этрингита и портландита за счет образования отрицательно заряженных наноструктурированных частиц [36].TiO2 может выступать как инертный наполнитель, заполняя пустоты между частицами цемента, что приводит к увеличению прочности изделия и снижению водопоглощения за счет уплотнения структуры. Исследовалось влияние 0,5–2 % наноразмерного TiO2 на прочность цементного камня на 28 сутки твердения. Выявлено, что введение добавки приводит к увеличению прочности на сжатие и изгиб цементного камня, а оптимальная дозировка составляет 1 % [40]. Введение TiO2 в количестве 5 % оказала негативное влияние, привела к уменьшению прочности на изгиб [41].Среди примеров натурных исследований фотокаталитических цементных материалов выделяются: искусственно созданные узкие улицы во Франции, стены которых обшивались фотокаталитическими панелями, что позволило снизить концентрацию NOx на 36,7–82 % по сравнению с улицами без фотокаталитических панелей [44], бетонные блоки дорожных покрытий в Бельгии, Нидерландах и США за 1 год обеспечили снижение концентрации NOx на 20 %, 38 % и 85 % соответственно [45–47]. На территории РФ, на настоящий момент отсутствует опыт применения фотокаталитически активных самоочищающихся материалов на основе цемента. Однако их внедрение является перспективным для таких направлений как: производство отделочных смесей и сборных элементов, бетонных панелей, элементов дорожных и мостовых конструкций, покрытия дорог. Заключение. Таким образом, можно выделить следующие основные проблемы разработки, производства и применения фотокаталитически активных самоочищающихся материалов на основе цемента:– сложность равномерного распределения нано- и микроразмерных фотокатализаторов при их малых дозировках (до 5 %) в объеме сухих компонентов бетонной смеси;– снижение физико-механических характеристик бетонных изделий при высоких дозировках фотокатализатора в их составе (свыше 5 %);– снижение эффективности фотокатализа при смешивании фотокатализатора с компонентами бетона вследствие уменьшения количества поглощаемого света (ингибирование транспорта фотонов) и свободной поверхности (ингибирование диффузии реагентов) для протекания фотокаталитических реакций;– недолговечность фотокаталитических покрытий в результате их слабой адгезии к подложке;– потеря фотокаталитического эффекта в короткие сроки в результате карбонизации поверхности цементного материала. При этом присутствие TiO2 ускоряет карбонизацию в результате повышенной концентрации CO2 вблизи фотокаталитически активной поверхности.Основные направления работы в данной области для повышения способности к самоочищению фотокаталитически активных самоочищающихся материалов на основе цемента:– оптимизация микроструктуры фотокатализатора и композита с его использованием в направлении создания развитой поверхности фотокатализатора (в том числе развитой пористости по объему) – иерархичной микроструктуры, что интенсифицирует диффузионные процессы реагентов фотокаталитических реакций и увеличивает площадь контакта фотокатализатора с загрязнителем, а также поглощает и аккумулирует (задерживает в объеме фотокатализатора на более долгое время) волны ультрафиолетового излучения; – оптимизация фазового состава диоксида титана – поиск соотношения анатазной и рутильной фазы, при котором достигается максимальная фотокаталитическая активность;– выбор экономически целесообразного метода периодического обновления поверхности бетонных изделий, карбонизированных в процессе эксплуатации, с целью восстановления способности к самоочищению.  Сравнивая методы получения фотокаталитических самоочищающихся бетонов можно говорить о том, что нанесение фотокаталитических покрытий актуально для уже готовых сооружений, в случае же строительства новых объектов наиболее целесообразно объемное ведение фотокатализаторов в поверхностный слой изделий. Данный способ обеспечивает долговечность фотокаталитического эффекта.Источник финансирования. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда (проект № 19-19-00263).