CC BY
58
УДК 666.94.035:579.852.11 Логинова Т.В., Сивков С.П.
ИССЛЕДОВАНИЕ СВОЙСТВ БАКТЕРИАЛЬНЫХ ЦЕМЕНТОВ
Логинова Татьяна Витальевна, магистр 1 курса факультета технологии неорганических веществ и высокотемпературных материалов, e-mail: [email protected];
Сивков Сергей Павлович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой химическая технология композиционных и вяжущих материалов
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Изучено влияние микробиологической добавки на свойства твердеющего цемента. Установлено, что введение культур бактерий в состав цемента приводит к осаждению карбоната кальция в порах материала. При этом возрастают его прочностные характеристики, а капиллярная пористость и коэффициент капиллярного водопоглощения снижаются.
Ключевые слова: биоминерализация, споруляция, микробиологическая добавка, прочность цемента.
INVESTIGATION PROPERTIES OF MICROBIAL CEMENT
Loginova T.V., Sivkov S.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
The influence of the microbiological additive on the properties of hardening cement.
It is established that the introduction of bacterial cultures in the composition of the hardening cement leads to deposition of calcium carbonate in the pores of the material. It also increases its strength characteristics, and the porosity and capillary coefficient of water absorption are reduced.
Keywords: biomineralization; sporulation ; microbial additive, strength of cement.
На сегодняшний день портландцемент является одним из наиболее широко используемых строительных материалов. Строительство зданий, метро, дорожные покрытия, мостовые и берегоукрепительные постройки невозможно себе представить без использования цемента. Основными определяющими
характеристиками цемента являются: прочность, водонепроницаемость, пористость цементного камня. При понижении пористости повышается прочность вяжущего материала и, соответственно, увеличиваются показатели долговечности конструкций. Сохранение на долгий срок службы эксплуатационных свойств данных сооружений является актуальной на сегодняшний день задачей. Также необходимо принять во внимание факт, что предприятиями цементной промышленности в окружающую среду ежегодно выделяется более 27 млн. т. пыли, что приводит к глобальным изменениям климата [1]. Современные тенденции в области цементной промышленности направлены на разработку и внедрение экологически чистых технологий, способствующих повышению качества и долговечности цементных конструкций, а также обеспечивающих энерго- и ресурсосбережение производства.
В самой природе «строительство и ремонт» происходит без значительных расходов энергии. Кальцинирование и полимеризация происходят при обычных условиях, как это видно на примере образования известняковых холмов и коралловых рифов. В последнее время, в зарубежной литературе, появляется все больше данных об активном участии микроорганизмов в химическом осаждении минеральных фаз. Речь идет о применении уробактерий в качестве источника карбоната кальция. Использование для этих целей бактерий на первый взгляд кажется более новой идеей, однако этот метод консервации действует в природе, начиная с
кембрийского геологического периода, когда многие карбонатные породы были сцементированы осадочным карбонатом кальция из микробов. Таким образом, использование микроорганизмов в составе цемента с целью повышения долговечности изделий, улучшения свойств материалов и снижения затрат на реконструкцию, является актуальной на сегодняшний день задачей.
Биоминерализация - процесс осаждения минеральных фаз в результате активности микроорганизмов. Наиболее интенсивный процесс осаждения СаСО3 проявляется при использовании уробактерий, относящихся к роду Bacillus. Под действием фермента - уреазы, который выделяется в процессе жизнедеятельности уробактерий, происходит гидролиз мочевины с выделением аммиака и угольной кислоты (реакция 1). При растворении аммиака в воде, возрастает рН среды, что смещает равновесие при диссоциации кислоты в сторону образования карбонат -иона (реакция 2). [2]
CO(NH2)2 + 2H2O = H2CO3 + NH3 (1)
H2CÜ3 = 2H+ +CO32" (2)
При наличии в водном растворе ионов Са2+, они будут осаждаются на поверхности клетки в виде карбоната кальция (реакция 3).
Ca2+ + CO32" = CaCO3 (3)
В некоторый момент поверхность бактерии полностью закупоривается слоем СаСО3 , а поскольку данный вид микроорганизмов является анаэробным, клетка переходит в спорообразное состояние. Дальнейшее проявление активных признаков возможно лишь при доступе кислорода, т.е. при образовании трещины в карбонатной оболочке [3].
Эффективным методом использования данного процесса является введение культур бактерий в состав твердеющего цемента. Однако, использование культур
бактерий, выращенных в питательной среде, в качестве жидкости затворения, представляет определенные трудности. В данной работе был предложен метод адсорбции бактерий на носителе с последующим их переводом в спорообразное состояние (споруляцией). Полученный после сушки порошок удобно транспортировать и хранить, а так же применять в качестве добавки в цемент. В качестве адсорбента был выбран гидроксид алюминия, который в количестве 10 г. помещали в среду Дика с бактериями Bacillus Sphaericus. Раствор подвергали глубинному культивированию на качалке, отфильтровывали и сушили при 30 оС в течение 2 часов. Полученную микробиологическую добавку, состоящую из Al(OH)3 с адсорбированными на нем спорами бактерий, смешивали с цементом в количестве 1 масс.% и затворяли цемент средой Дика при В/Т = 0,3. Для сравнения цемент с аналогичным количеством чистого гидроксида алюминия также затворяли раствором Дика.
В ходе работы было подтверждено положительное действие микробиологической добавки на прочностные характеристики твердеющего цемента. Несмотря на то, что к 14 суткам наблюдается незначительное снижение прочности цемента при изгибе, что связано, вероятно, с полным заполнением некоторых пор цементного камня образующимся в результате биоминерализации СаСО3 и возникновения внутренних растягивающих напряжений в его структуре, тенденция роста прочности сохраняется (рис.1).
7сут. 14сут. 28сут. Время гвердения, гут.
Рис.1 Прочность образцов при изгибе
Использование культур бактерий Bacillus Sphaericus в спорулированном виде к 28 суткам повышает прочность цемента при сжатии на 33,5 %, в то время как добавление гидроксида алюминия практически не влияет на процесс твердения цемента (рис.2).
100,0
Исследование структурных характеристик цементного камня показало, что образовавшийся карбонат кальция, оседая, заполняет поровое пространство образцов. Уплотнение структуры приводит к снижению пористости цемента в 1,3 раза (рис. 3) и, соответственно, уменьшает его коэффициент капиллярного водопоглощения с 0,0133 до 0,0078 кг/м2*с0,5 в возрасте 28 суток для образца с 1 масс.% микробиологической добавки. (рис.4).
Время гвердения, сут. Рис.3 Пористость цементных образцов
3 сут.
7сут. 14 су i. Время гвердения, сут. Рис.2 Прочность образцов при сжатии
28 сут.
Рис.4 Коэффициент капиллярного водопоглощения
Таким образом, в данной работе было подтверждено, что явление биоминерализации приводит к улучшению как прочностных, так и структурных характеристик твердеющего цемента. Использование
микробиологической добавки в составе цемента позволит повысить качество строительных работ, а также увеличить срок службы цементных конструкций.
Список литературы
1. Охрана атмосферного воздуха в цементной промышленности /В.В.Дуров // Цемент и его применение. - 1998. - №6. - С.2-3
2. Achal, V.; Mukherjee, A. & Reddy, M.S. Biocalcification by Sporosarcina pasteurii using Corn steep liquor as nutrient source // J. Ind. Biotechnol., 2010
3. Т.В.Логинова, А.К.Мымрина, Н.А. Сергеева, А.О. Карамаш, рук. С.П. Сивков, Н.Б. Градова «Улучшение свойств затвердевшего гипсового камня методами биотехнологии» // Успехи в химии и химической технологии. ТОМ XXIX. 2015. № 7 стр.53-55.
