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

Аль Дулайми Салман Давуд Салман,

аспирант Мордовского государственного университета им. Н. П. Огарева, г. Саранск.

Assessment of biodestruction of construction materials and use of its mechanisms in planning of durability of buildings and constructions

Salman Dawood Salman Al Dulaimi,

Mordovian State University of N.P. Ogarev, Saransk.

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-CaCO₃↓                                                                 (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 √t ,                                                                                                              (4)

где Q – количество поглощенной воды, [см³]; А – поперечное сечение образца, которое контактировало с водой [см²]; t – время [с]. Построена зависимость величины Q/A от корня квадратного из времени (√t), 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

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.

Поступила в редакцию 24.09.2015 г.