Оценка биодеструкции строительных материалов и использование ее механизмов в планировании долговечности зданий и сооружений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Оценка биодеструкции строительных материалов и использование ее механизмов в планировании долговечности зданий и сооружений

Требования обеспечить высокую прочность подвергающихся суровым условиям окружающей среды конструкций, как например, донные и морские сооружения, тоннели, автомобильные мосты, канализационные трубы и сооружения для твердых и жидких отходов, содержащих токсичные химические вещества и радиоактивные элементы, не могут быть выполнены при использовании существующего портландцемента общего назначения (ПЦОН). Общепринято, что долговечность бетона связана с особенностями его пористой структуры [1]. Механизмы ухудшения характеристик бетона часто зависят от способа проникновения в бетон потенциально агрессивных веществ, возможно, вызывающих его повреждение. Проницаемость бетона зависит от его пористости и разветвленности пор [2]. Чем более открыта пористая структура бетона, тем быстрее ухудшаются его свойства под действием проникающих веществ. Разрушение бетонных конструкций обычно сопряжено с проникновением в бетон агрессивных газов и/или жидкостей из окружающей среды с последующим протеканием физических и/или химических реакций в пределах его внутренней структуры, что может привести к необратимому повреждению. Поэтому важными показателями прочности бетона являются параметры переноса и механические свойства (прочность при сжатии).

С недавнего времени интерес исследователей начал привлекать осадок карбоната кальция микробиологического происхождения (ОККМП), образующийся в результате метаболической деятельности в бетоне некоторых специфических микроорганизмов и улучшающий общие свойства бетона. Ранее проведенные исследования с участием аэробных микроорганизмов (Bacillus pasteurii и Pseudomonas aeruginosa) показали значительное увеличение (около 18%) прочности при сжатии цементного раствора [3].

Образование ОККМП (осадка карбоната кальция микробиологического происхождения) включает ряд сложных биохимических реакций [4]. В процессе метаболизма некоторые штаммы бактерий вырабатывают уреазу, которая ускоряет разложение мочевины с образованием CO₂ и аммиака, что приводит к повышению рН среды, в которой ионы Ca²⁺ и CO₃^2- осаждаются в виде СаСО₃. Возможные биохимические реакции в среде, вызывающие осаждение CaCO₃ на поверхности клеток и образование центров кристаллизации, можно в общем виде представить следующим образом:

Са²⁺ + клетка > клетка-Са²⁺ (1)

Cl^- + НСО₃^- + NH3 > NH₄Cl + CO₃^2- (2)

клетка-Са²⁺ + CO₃^2- > клетка-CaCO₃v (3)

Разработан инновационный метод восстановления поврежденных конструкций на основе процесса селективного микробиологического закупоривания, в котором метаболическая активность микроорганизмов способствует осаждению карбоната кальция в виде кальцита [5]. В качестве образованного микроорганизмами герметика СаСО₃ проявляет свой позитивный потенциал выборочно укреплять смоделированные разломы и поверхностные трещины в гранитах и песчаниках [6, 7].

В данной работе на примере тестирования поглощения воды рассмотрены прочность на сжатие и проницаемость бетона - наиболее важные характеристики, влияющие на долговечность бетона и, в конечном счете, на его эксплуатационные качества. В статье изучено влияние бактерий, выделенных из цемента, на прочность при сжатии и водопроницаемость цементного раствора.

В данном исследовании использовали выделенный из имеющегося в продаже цемента штамм бактерий Bacillus СТ-5. Культуру клеток постоянно содержали в среде питательного агара (рН 8,0). Для культивирования изолята использовали среду питательный бульон-мочевина (ПБМ) (8 г питательного бульона, 2% мочевины и 25 ммоль CaCl₂). В питательный бульон добавляли стерилизованную посредством фильтрации мочевину и CaCl₂. Подробная информация о составе и методике приготовления среды ПБМ опубликована ранее. Культуру бактерий выращивали при 37°С в режиме встряхивания (130 об/ мин) [7].

Для определения повышения устойчивости к водопроницаемости провели тестирование сорбционных свойств согласно стандарту РИЛЕМ 25 PEM (II-6). На четыре грани образца, примыкающие к обработанной грани, нанесли покрытие, чтобы обеспечить однонаправленное поглощение воды только через обработанную поверхность. После нанесения покрытия испытываемые кубики сушили при 45°С в вентилируемой печи до достижения постоянной массы с отклонением менее 0,1% между двумя измерениями с интервалом 24 часа. Затем на обработанную сторону образцов, обращенную вниз, воздействовали 10±1 мм воды (уровень воды составил около 2 мм от основания образца). Через равные промежутки времени (15 мин, 30 мин; 1ч, 1,5 ч, 3 ч, 5 ч, 8 ч, 24 ч, 72 ч, 96 ч, 120 ч, 144 ч и 168 ч) образцы вынимали из воды и взвешивали, предварительно просушив поверхность влажной салфеткой. Сразу после измерения испытуемые образцы снова погружали в воду. Коэффициент сорбируемости k [см^.с-1/2] был получен из следующего уравнения:

Q/A = k vt , (4)

где Q - количество поглощенной воды, [смі]; А - поперечное сечение образца, которое контактировало с водой [смІ]; t - время [с]. Построена зависимость величины Q/A от корня квадратного из времени (vt), затем по наклону полученной линейной зависимости рассчитано значение коэффициента k.

На рис.1 приведены значения прочности при сжатии различных образцов цементного раствора в возрасте 3, 7 и 28 дней. Прочность при сжатии кубиков из цементного раствора, который содержал микробные клетки, значительно увеличилась. Самую высокую прочность при сжатии показали кубики из цементного раствора, приготовленного со штаммом бактерий Bacillus СТ-5, инкубированные в течение 28 дней (31 МПа), тогда как приготовленные в водной среде кубики имели прочность при сжатии 23 МПа, а приготовленные в среде ПБМ - 24 МПа. На 36,15% по сравнению с контрольными образцами повысилась прочность при сжатии образцов из цементного раствора, приготовленного с бактериальными клетками, в возрасте 28 дней. Примечательно, что в контрольных группах без клеток кубики, выдержанные в питательной среде для роста микробов, были прочнее, чем выдержанные в воде, хотя значительной разницы не наблюдалось [2; 3; 7; 8]. По-видимому, ионная сила среды, содержащей мочевину-CaCl_2, повышает кубиковую прочность. Рост прочности при сжатии под воздействием бактерий Bacillus СТ-5, вероятно, обусловлен отложением СаСО₃ на поверхности клеток микроорганизмов и в порах цементно-песчаной матрицы, что ведет к закупорке пор цементного раствора.

Рис. 1. Влияние штамма бактерий СТ-5 на прочность при сжатии кубиков из цементного раствора в возрасте 3, 7 и 28 дней, приготовленного с соотношением вода/цемент 0,47. (В группе контрольных образцов-ПБМ и группе образцов, обработанных штаммом бактерий Bacillus СТ-5, воду заменяют питательной средой и средой с бактериальными клетками, соответственно).

Рис. 2. Влияние бактериальной обработки кубиков цементного раствора на скорость поглощения воды в зависимости от времени обработки.

Чтобы определить возможность взаимосвязи между увеличением прочности при сжатии образцов, приготовленных с бактериями, и формированием под действием микроорганизмов осадка кальцита, образцы цементного раствора рассмотрели на растровом электронном микроскопе.

На рис. 2 показано, как влияет обработка поверхности на скорость поглощения воды кубиками цементного раствора с соотношением вода/цемент 0,47. В течение 168 часов кубики, обработанные штаммом бактерий Bacillus СТ-5, поглотили почти в шесть раз меньше воды, чем контрольные кубики. Наличие бактерий привело к значительному уменьшению поглощения воды по сравнению с необработанными образцами (контрольными).

Уменьшение проницаемости обработанных бактериями образцов цементного раствора можно увидеть из эксперимента по поглощению ими воды. Осаждение слоя кристаллов карбоната кальция на поверхности привело к уменьшению проницаемости. Следствием этого может быть ограничение проникновения вредных веществ.Отмечали снижение проницаемости внутренних полостей песчаника после введения реагентов, образующих CaCO₃. Результаты этого эксперимента подтверждают, что наличие слоя карбонатных кристаллов на обработанной бактериальным изолятом поверхности повышает стойкость цементных материалов к разрушению.

Актуальность проведенного исследования заключается в использовании таких вырабатывающих уреазу бактериальных изолятов, как бактерии рода Bacillus, для восстановления бетона. В процессе изучения выявлено положительное влияние штамма бактерий Bacillus СТ-5 на кубиковую прочность при сжатии и увеличение прочность образцов. Кроме того, повышение устойчивости к водопроницаемости позволило оценить свойства бактериального изолята. Разработка «биобетона» послужит основой для создания альтернативного и высококачественного герметика для бетона, что является экономически эффективным и экологически безопасным и, в конечном счете, приведет к росту долговечности строительных материалов.

Литература

бетон конструкция бактерия прочность

1. Khan, M. I. (2003). “Isoresponses for strength, permeability and porosity of high performance Mortar.” Building and Environment, 38, 1051-1056.

2. Claisse, P. A., Elsayad, H. A., and Shaaban I. G. (1997). “Absoprtion and sorptivity of cover concrete.” Journal of Materials in Civil Engineering, 9, 105-110.

3. Ramachandran, S. K., Ramakrishnan, V., and Bang, S. S. (2001). “Remediation of concrete using microorganisms.” American Concrete Institute Materials J., 98, 3-9.

4. Stocks-Fischer, S., Galinat, J. K., and Bang, S. S. (1999). “Microbiological precipitation of CaCO3.” Soil Biology and Biochemestry, 31, 1563-1571.

5. Gollapudi, U. K., Knutson, C. L., Bang, S. S., and Islam, M. R. (1995).“A new method for controlling leaching through permeable channels.”Chemosphere, 30, 695-705.

6. Zhong, L., and Islam, M. R. (1995). “A new microbial process and its impact on fracture remediation.” 70thAnnual Technical Conference and Exhibition of the Society of Petroleum Engineers, Oct 22-25, Dallas, Texas.

7. Achal, V., Mukherjee, A., Basu, P. C., and Reddy, M. S. (2009a). “Lactose mother liquor as an alternative nutrient source for microbial concrete production by Sporosarcina pasteurii.” Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology, 36, 433-438.

8. Ghosh, P., Mandal, S., Chattopadhyay, B. D., Pal, S. (2005). “Use of microorganism to improve the strength of cement mortar.” Cement and Concrete Research, 35, 1980-1983.

9. Железобетонные изделия и конструкции: Научно-технический справочик/Под ред. Ю.В. Пухаренко, Ю.М. Баженова, В.Т. Ерофеева.- С-Петербург :НПО <<Профессионал>>, 2013 - 1048с.

10. Ерофеев В.Т., Меркулов Ю.И., Меркулов А.И., Ерофеев П.С. Оптимизация совставов бетонов с применением численного моделирования. Саранск: изд-во Мордовского ун-та. 2006-100с.

Размещено на Allbest.ru