CC BY
26
Вестник Евразийской науки / The Eurasian Scientific Journal https://esj.todav 2022, №5, Том 14 / 2022, No 5, Vol 14 https://esj.today/issue-5-2022.html URL статьи: https://esj.today/PDF/14SAVN522.pdf Ссылка для цитирования этой статьи:
Карпов, М. В. Обоснование использования биобетонов для строительства гидротехнических сооружений / М. В. Карпов, А. А. Жиздюк, О. В. Наумова // Вестник евразийской науки. — 2022. — Т. 14. — № 5. — URL: https://e sj. today/PDF/14S AVN522.pdf
For citation:
Karpov M.V., Zhizdyuk A.A., Naumova O.V. Justification of the use of bio concrete for the construction of hydraulic structures. The Eurasian Scientific Journal, 14(5): 14SAVN522. Available at: https://esi.today/PDF/14SAVN522.pdf. (In Russ., abstract in Eng.).
УДК 691.32
Карпов Михаил Вячеславович
ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева», Москва, Россия
Доцент
Кандидат технических наук E-mail: carpov.michail@yandex.ru
Жиздюк Андрей Анатольевич
ФГБОУ ВО «Российский государственный аграрный университет — МСХА имени К.А. Тимирязева», Москва, Россия
Доцент
Кандидат технических наук E-mail: a.sgau@mail.ru
Наумова Ольга Валерьевна
ФГБОУ ВО «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.», Саратов, Россия
Доцент
Кандидат технических наук, доцент E-mail: uunaumov@mail.ru РИНЦ: https://elibrary.ru/author profile.asp?id=393383
Обоснование использования биобетонов для строительства гидротехнических сооружений
Аннотация. Представлены инновационные строительные материалы для возведения гидротехнических сооружений, а, именно, самовосстанавливающийся бетон — новая ступень в развитии строительных материалов. Новый самовосстанавливающийся бетон отличается от классических рецептов добавлением в состав грибков и спор бактерий, способных выжить в щелочных условиях и придать строительному материалу новые свойства. Добавленные в состав грибки и споры бактерий могут находиться в состоянии покоя на протяжении десятилетий. Как только конструкция покрывается трещинами, и в них проникает вода, микроорганизмы активизируются и начинают вырабатывать карбонат кальция (известняк), заполняя этим материалом трещины в бетоне. Большие масштабы строительства, разнообразие конструктивных типов зданий и сооружений требуют, чтобы сырье для производства строительных материалов было массовым, дешевым и пригодным для изготовления широкого диапазона изделий. Данное исследование посвящено обоснованию применения самовосстанавливающихся бетонов для гидротехнических сооружений на основании анализа экономических показателей производства. Это подтверждается нашими результатами сравнительных исследований самовосстанавливающихся бетонов для разработанного технологического процесса с применением добавки и серийного без применения добавки.
Приведена экономическая оценка показателей технологических процессов с дальнейшим его анализом. Эффективность от применения самовосстанавливающих бетонов для гидротехнических сооружений с применением добавки составит 24352,7 руб. для марки В15 и 241703,26 руб. для марки В40 при расчете на один год. Как видно из этих значений, применение самовосстанавливающихся биобетонов имеет огромный экономический эффект. Наши исследования подтверждают перспективность применения самовосстанавливающихся бетонов для гидротехнических сооружений.
Ключевые слова: строительные материалы; гидротехнические сооружения; самовосстанавливающийся бетон; биобетон
В нашей стране существует множество зданий различного назначения, конструкции которых выполнены из железобетона. В течение длительной эксплуатации железобетонные и бетонные конструкции подвергаются неблагоприятным воздействиям окружающей среды и начинают разрушаться. Задача современного проектировщика и строителя — спроектировать не только устойчивые ограждающие конструкции, но и долговечные. В связи с этим, возникает необходимость создания высокопрочных и долговечных материалов. Современные железобетонные конструкции должны сохранять форму, привлекательный вид и не растрескиваться с течением времени. Однако, появление трещин — неизбежный этап в эксплуатации любого железобетонного сооружения. Даже микротрещины приводят к коррозии арматуры, снижению прочности, что вызывает необходимость сложной и дорогостоящей реконструкции здания.
Бетон — строительный материал, который в жидком состоянии обладает текучестью воды, что даёт возможность заливать цементный раствор в любые формы и ниши 1. В затвердевшем же состоянии бетон обладает твердостью камня, что делает его незаменимым в строительстве крупных объектов (мосты, высотные здания, плотины и так далее). Разрушительно влияют на бетон влага, перепады температур, воздействие химикатов, коррозия, со временем материалу свойственно рассыхаться. Самовосстанавливающийся бетон отличается более высокой стойкостью к влиянию внешних разрушающих факторов и обладает свойством самовосстановления [1-4].
Бетон — прочный строительный материал, обладает необходимыми свойствами для строительства как крупных сооружений (мостов, эстакад, плотин на гидроэлектростанциях и т. д.), так и мелких строительных изделий (бордюров, мачт уличного освещения, железобетонных заборов и т. д.)1.
Самовосстанавливающийся бетон — новая ступень в развитии строительных материалов. Согласно ГОСТ 25192-2012, ГОСТ 7473-2010, ГОСТ Р 57345-2016, ГОСТ Р 57359-2016, в производстве бетона определены: состав, структура, условия твердения и так далее. 2 , 3 Биобетон представляет собой новый строительный материал, в который добавлены на стадии изготовления специфичные бактерии, способные длительное время жить
1 ГОСТ 13015-2003. Изделия железобетонные и бетонные для строителя. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения. М.: Госстрой России, 2003.
2 СНиП 52-01-2003. Бетонные и железобетонные конструкции. Основные положения. Бетоны. Материалы. Технологии. Оборудование. М.: Высшая школа, 2014.
3 ГОСТ 13015-2003. Изделия железобетонные и бетонные для строителя. Общие технические требования. Правила приемки, маркировки, транспортирования и хранения.
Страница 2 из 9
Введение
14SAVN522
в конструкции бетонных сооружений, выделяя карбонат кальция на их поверхность, и тем самым, заделывая микротрещин 4 . Известно, что бетонные сооружения склонны к растрескиванию и требуют значительных капитальных вложений для ремонта [5-7]. Добавленные в состав грибки и споры бактерий могут находиться в состоянии покоя на протяжении десятилетий. Как только конструкция покрывается трещинами, и в них проникает вода, микроорганизмы активизируются и начинают вырабатывать карбонат кальция (известняк), заполняя этим материалом трещины в бетоне. Этот процесс самовосстановления продлевает срок эксплуатации бетонного строения [8].
Впервые применять самовосстанавливающийся бетон предложил Хенк Джонкерс (НепкГопкеге) из Нидерландского Делфтского технического университета, которому удалось ввести в бетон бактерии рода бацилл, которые могут десятилетиями существовать в щелочной среде. В итоге удалось к прочности бетонных и железобетонных конструкций добавить и способность к самовосстановлению и заращиванию трещин [9]. Причем, бактерии в течении длительного времени находятся в «спящем» состоянии. При образовании трещин и попадании влаги внутрь конструкции, бактерии активно действуют. Однако, в ходе проведения ряда экспериментов, ученым удалось установить две проблемы: бактерии плохо приживаются на поверхности уже построенных сооружений, цемент представляет опасность для бактерий, следовательно, в бетон следует добавлять специальные микрокапсулы с питательными для бактерий веществами, в которых они смогут жить длительное время. Это обстоятельство конечно увеличивает капитальные затраты при производстве бетона, однако существенно сокращает эксплуатационные.
Авторы научной статьи [10] предлагают самовосстанавливающийся бетон с микрокапсулированным нитратом кальция. Находясь в капсулах, бактерии «спят» и могут оставаться в таком состоянии до 200 лет. При попадании влаги в бетон, капсулы активируются и бактерии начинают образовывать известковое вещество. Таким образом, с помощью лактата кальция стало возможным решить проблему питания бактерий и их сохранение в течение десятилетий.
Известно, что специфические штаммы бактерий могут использоваться для реконструкции бетонных сооружений, заделки трещин в них путем освобождения карбоната кальция. При изготовлении специальной добавки, содержащей бактерии, и добавлении ее в бетон на этапе строительства, можно продлить срок службы бетонных конструкций. Бактерии не теряют своих восстанавливающих свойств и обеспечивают герметизацию трещин в бетоне в течение всего периода эксплуатации зданий [1; 2].
Кроме того, смеси, содержащие микроорганизмы, продуцирующие кальцит, можно использовать при реконструкции существующих зданий и сооружений из бетона и железобетона.
Целью данной работы является экономическое обоснование эффективности применения технологии восстановления бетонных и железобетонных конструкций за применения микроорганизмов, вырабатывающих карбонат кальция.
4 https://betonpedia.ru/samovosstanavlivayushhiisya-beton. Страница 3 из 9
Цель исследования
14SAVN522
Методика исследований
Данное исследование посвящено обоснованию применения самовосстанавливающихся бетонов для гидротехнических сооружений.
Применение самовосстанавливающихся бетонов является актуальным для труднодоступных конструкций, таких как дамбы, плотины, фундаменты зданий, подземные сооружения. Кроме того, практическое отсутствие эксплуатационных затрат делает технологию привлекательной как для коммерческих, так и для государственных объектов [2].
С помощью рассматриваемой технологии достигается эффективное взаимодействие между неорганическим материалом и органическим веществом, так как карбонат кальция является продуктом жизнедеятельности микроорганизмов. Известно, что трещины, шириной раскрытия 0,05-0,3 мм, полностью заполняются при реконструкции сооружений с помощью биобетона, заполнение трещин, шириной раскрытия 0,35-0,6 мм, достигает 70-80 % [6; 7].
В соответствии с поставленной целью мы провели анализ состава бетонов и других цементных композитов, способы их улучшения, изучены повреждения и дефекты, снижающие долговечность железобетонных конструкций, процесса структурообразования, а также способы их ремонта и восстановления [7; 11].
На основе анализа предлагается технология создания бетонов, модифицированных микробиологической добавкой и самовосстанавливающихся конструкций. Большие масштабы строительства, разнообразие конструктивных типов зданий и сооружений требуют, чтобы сырье для производства строительных материалов было массовым, дешевым и пригодным для изготовления широкого диапазона изделий4. Хорошим примером этому служат новейшие строительные материалы, среди которых гидротехнический бетон, пластификаторы и жидкая резина.
Под гидротехническим бетоном понимают строительный раствор, который классифицируют как один из видов тяжелых бетонов. Он обеспечивает прочность и устойчивость сооружений и конструкций, эксплуатирующийся в пресной или морской воде.
К подводному типу гидротехнического бетона относится материал, постоянно подвергающийся воздействию воды и непосредственно контактирующий с ней весь срок эксплуатации. Периодически омываемый водой гидротехнический бетон — постоянно подвергающийся ее воздействию в широком температурном диапазоне. Надводный бетон — эксплуатирующийся под воздействием водяных испарений [11; 12].
Механизм действия самовосстанавливающегося бетона следующий: при попадании воды, бактерии начинают действовать, поглощая лактат кальция и выделяя карбонат кальция (кальцит), который заполняет трещины в бетоне. Такой бетон идеален для гидротехнических сооружений, так как к нему затруднен доступ для обслуживания. Такие современные биобетоны с сухими компонентами имеют большой диапазон применения, как самонивилирующий, самоуплотняющийся, дисперсно-армирующий, высокопрочный и т. д., то есть удовлетворяя любым требованиям по прочности. Микроорганизмы в таких составах находятся в спящем состоянии, пока не будет воздействия влаги. После воздействия влаги, бактерии начинают выделят карбонат кальция, который и будет устранять трещины в сооружениях без участия человека.
Результаты исследований
Рассмотренные в данной работе новейшие строительные материалы являются перспективными и в скором времени обретут все большую популярность у проектировщиков, строителей и непосредственных пользователей. Эти материалы уникальны и технологически сложны в производстве, однако соотношение их цены и качества оправдывает себя, но скорее в долгосрочной перспективе, т. к. срок их службы намного дольше. При применении этих материалов в строительном производстве мы существенно расширяем наши возможности и удобство использования возведенных объектов, при этом в цене они не так существенно отличаются от своих привычных аналогов. Кроме того, строительная отрасль, как одна из наиболее ресурсоемких, должна развиваться в соответствии с требованиями времени и становиться все более наукоемкой, в том числе и в вопросах развития строительных материалов.
Таблица 1
Расчетная калькуляция на производство 1 м3 сборного бетона класса В15
Наименование компонентов Цена единицы, руб. Норма расхода Сумма затрат, руб.
Портландцемент, т 2639,65 0,490 1293,43
Щебень, м3 759,85 0,909 690,7
Песок, м3 614,9 0,899 552,8
Добавка СП Ж-08, кг 245,7 2,079 510,81
Вода, м3 3,965 0,170 0,67
Итого 3048,41
Составлено авторами
В таблицах 1 и 2 представлена расчетная калькуляция на производство 1 м3 сборного бетона класса В15 и В40 по стандартной технологии, а в таблицах 3 и 4 по предложенной нами технологии с добавкой для получения самовосстанавливающегося бетона этих же марок.
В таблицах 5 и 6 представлены суммарные затраты на производства бетонов для гидротехнических сооружений по стандартной технологии и оптимизированной технологии на производство 1 м3 сборного бетона класса В15 и В40.
Таблица 2
Расчетная калькуляция на производство 1 м3 сборного бетона класса В40
Наименование компонентов Цена единицы измерения, руб. Норма расхода Сумма затрат, руб.
Портландцемент, т 3359,85 0,480 1612,73
Щебень, м3 759,85 1,250 949,81
Песок, м3 614,9 0,580 356,64
Добавка в л. 208 5,5 1144
Вода, м3 3,965 0,144 0,57
Итого 4063,75
Составлено авторами
Таблица 3
Расчетная калькуляция на производство 1 м3 сборного бетона с добавкой золы-уноса класса В15
Наименование компонентов Цена единицы измерения, руб. Норма расхода Сумма затрат, руб.
Портландцемент, т 2639,65 0,343 905,4
Щебень, м3 759,85 0,915 695,26
Песок, м3 614,9 0,872 536,19
Зола-унос ТЭС, т 199,55 0,147 29,33
Добавка СП Ж-08, кг 245,7 2,079 510,81
Вода, м3 3,965 0,165 0,65
Итого 2677,64
Составлено авторами
Таблица 4
Расчетная калькуляция оптимизированного на производство 1 м сборного бетона с добавкой золы-уноса класса В40
Наименование компонентов Цена единицы измерения, руб. Норма расхода Сумма затрат, руб.
Портландцемент, т 3359,85 0,432 1451,46
Щебень, м3 759,85 1,25 949,81
Песок, м3 614,9 0,414 254,57
Зола-унос ТЭС, т 199,55 0,106 21,15
Добавка в л. 245,7 5,5 1351,35
Вода, м3 3,965 0,144 0,57
Итого 4028,91
Составлено авторами
Таблица 5
Суммарные затраты оптимизированного на производство 1 м3 сборного бетона класса В15
Статьи затрат Суммарные затраты, руб.
без добавки с добавкой
Материалы 75,9 3879,2
Топливо 699,4 699,4
Энергия на технологические нужды 29,9 44,85
Заработная плата 226,85 339,95
Транспорт технологический 76,05 113,75
Цеховые расходы 360,75 540,8
Итого 6326,45 5617,95
Общезаводские расходы 535,6 535,6
Полная себестоимость 6862,05 6153,55
Составлено авторами
Таблица 6
Суммарные затраты на производство 1 м3 сборного бетона класса В40
Статьи затрат Суммарные затраты, руб.
без добавки с добавкой
Материалы 7113,6 6628,7
Топливо 790,4 790,4
Энергия на технологические 33,15 48,1
Заработная плата 287,95 330,2
Транспорт технологический 52,65 64,35
Цеховые расходы 391,95 418,6
Итого 8669,7 8280,35
Общезаводские расходы 499,2 499,2
Полная себестоимость 9168,9 8779,55
Составлено авторами
На основании этих значений в таблице 7 и 8 нами приводятся исходные данные для расчета экономической эффективности бетона класса В15 и В40 по технологиям до внедрения и после.
Таблица 7
Исходные данные для расчета экономической эффективности бетона класса В15
Показатели До внедрения После внедрения
Годовой выпуск сборного бетона, м3 23,07 23,07
Цена материалов на 1 м3 сборного бетона, руб. 4934,8 3879,2
Себестоимость единицы продукции, руб. 113845,84 89493,14
Составлено авторами
Таблица 8
Исходные данные для расчета экономической эффективности бетона класса В40
Показатели До внедрения После внедрения
Годовой выпуск сборного бетона, м3 498,46 498,46
Цена материалов 1 м3 сборного бетона, руб. 7113,6 6628,7
Себестоимость единицы продукции, руб. 3545845,06 3304141,8
Составлено авторами
Кроме перечисленных затрат, необходимо учитывать и то, что в период реконструкции бетонных сооружений, как правило все работы на предприятии останавливаются в виду сложности производства работ. Поэтому актуальным становится поиск решений для автоматической герметизации трещин самовосстанавливающимися смесями. Проводя технико-экономическое обоснование, невозможно не учитывать существенное преимущество биобетона — устранение щелей и трещин без применения специальных машин и механизмов, а также его абсолютная экологичность. Единственным продуктом жизнедеятельности бактерий является карбонат кальция, который полностью растворяется в конструкциях зданий, не попадая в окружающую среду.
I Стандартная технология
I Технология с с добавкой золы-уноса
Суммарные затраты без добавки
Суммарные затраты с добавкой
Марка бетона
Рисунок 1. Сравнительный анализ применения технологий производства самовосстанавливающихся бетонов (составлено авторами
Заключение
Таким образом, применение биобетонов позволяет повысить устойчивость бетонных и железобетонных воздействий к неблагоприятным условиям окружающей среды, а также значительно сократить затраты на реконструкции сооружений. Несмотря на увеличение капитальных вложений, предлагаемая технология эффективна за счет увеличения долговечности конструкции, получения нового материала с улучшенными физико-химическими свойствами и снижения эксплуатационных затрат. Экономическая эффективность от применения самовосстанавливающих бетонов для гидротехнических сооружений с применением добавки составит 24352,7 руб. для марки В15 и 241703,26 руб. для марки В40 при расчете на один год. Как видно из этих значений, применение
самовосстанавливающихся биобетонов имеет огромный экономический эффект. Это направление исследований очень перспективное, потенциальная прибыль от применения таких бетонов в гидротехнических сооружениях огромна.
ЛИТЕРАТУРА
1. Ерофеев, В.Т. Исследование биобетонов и их применение / В.Т. Ерофеев,
A.В. Дергунов, С.Д.С. Аль Дулайми // Наукоемкие технологии и инновации. Сборник докладов международной научно-практической конференции, посвященной 65-летию ВГТУ им. В.Г. Шухова. — Белгород, 2019. — с. 56-59.
2. Ерофеев, В.Т. Интеллектуальные композиты и их использование для получения самовосстанавливающихся бетонов / В.Т. Ерофеев, В.М. Круглов, Н.И. Ватин, Аль Дулайми Салман Давуд Салман // Интернет-журнал «Транспортные сооружения», 2019 № 4, https://t-s.today/PDF/12SATS419.pdf (доступ свободный). Загл. с экрана. Яз. рус., англ. DOI: 10.15862/12SATS419.
3. Морозов, В.И. Эффективность применения фибробетона в конструкциях при динамических воздействиях / В.И. Морозов, Ю.В. Пухаренко // Вестник МГСУ, 2014. — № 3. — с. 189-194.
4. Рабинович, Ф.Н. Композиты на основе дисперсно-армированных бетонов. Вопросы теории и проектирования, технологии, конструкции: М.: Изд-во АСВ, 2004. 560 с.
5. Жукова, Г.Г. Исследования применения самовосстанавливающегося бетона. / Г.Г. Жукова, Сайфулина А.И. // Construction and Geotechnics. — Пермь, 2020. т. 11, № 4(2020). — с. 58-68.
6. Колчина, Т.О. Биобетон — новое поколение самовосстанавливающихся бетонов // Безопасный и комфортный город: Всерос. науч.-практ. конф. — Орел, 2018. — с. 102-105.
7. Comparative analysis of methods for determining the flammability of municipal solid waste as railway transport cargo / L.A. Koroleva, T.N. Antoshina, A.A. Boyakhchyan [et al.] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science: 3, St. Petersburg, 21 июня 2021 года. — St. Petersburg, 2021. — P. 012006. — DOI 10.1088/17551315/938/1/012006. — EDN IGXFST.
8. Ситников, Н.Н. Оценка перспектив применения самовосстанавливающихся материалов и технологий на их основе / Н.Н. Ситников, И.А. Хабибуллина,
B.И. Мащенко, Р.Н. Ризаханов // Перспективные материалы. — 2018. — № 2. —
C. 5-16. DOI: 10.30791/1028-978X-2018-2-5-16.
9. Никитина, О.С. Самовосстанавливающийся бетон // Современные традиции развития науки и технологий. 2017 № 1-8. с. 12-14.
10. Корнюхин, А.В. Применение в строительстве самозалечивающегося эластичного бетона / А.В. Корнюхин, В.В. Васюкова // Электронный научный журнал «Дневники науки». 2019. № 11.
11. Бекас, Г.Д. Материалы для самолечения: обзор достижений в области материалов, оценка, характеристика и методы мониторинга / Г.Д. Бекас, К. Цирка, Д. Балтзис // Композиты. — 2016. — Ч. B. — № 87. — с. 92-119.
12. Ушакова, В.Е. Инновационные виды бетонов / В.Е. Ушакова, В.А. Пестрякова // Актуальные проблемы строительной отрасли и образования. Сборник докладов Второй Национальной научной конференции. Москва, 2022. — с. 198-203.
Karpov Mikhail Vyacheslavovich
Russian State Agrarian University — Moscow Timiryazev Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Moscow, Russia
E-mail: carpov.michail@yandex.ru
Zhizdyuk Andrey Anatolyevich
Russian State Agrarian University — Moscow Timiryazev Agricultural Academy named after K.A. Timiryazev, Moscow, Russia
E-mail: a.sgau@mail.ru
Naumova Olga Valerevna
Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia
E-mail: uunaumov@mail.ru RSCI: https://elibrary.ru/author_profile.asp?id=393383
Justification of the use of bio concrete for the construction of hydraulic structures
Abstract. Innovative building materials for the construction of hydraulic structures are presented, namely, self-healing concrete is a new step in the development of building materials. The new self-healing concrete differs from classical recipes by adding fungi and bacterial spores to the composition, which can survive in alkaline conditions and give new properties to the building material. Fungi and bacterial spores added to the composition can be dormant for decades. As soon as the structure is covered with cracks, and water penetrates into them, microorganisms become active and begin to produce calcium carbonate (limestone), filling cracks in concrete with this material. The large scale of construction, the variety of structural types of buildings and structures require that the raw materials for the production of building materials be mass-produced, cheap and suitable for the manufacture of a wide range of products. This study is devoted to the justification of the use of self-healing concrete for hydraulic structures based on the analysis of economic indicators of production. This is confirmed by our results of comparative studies of self-healing concrete for the developed technological process with the use of additives and serial without the use of additives. The economic assessment of the indicators of technological processes with its further analysis is given. The effectiveness of the use of self-healing concrete for hydraulic structures with the use of additives will be 24352.7 rubles for the brand B15 and 241703.26 rubles. for the B40 brand when calculated for one year. As can be seen from these values, the use of self-healing bio concrete has a huge economic effect. Our research confirms the prospects of using self-healing concrete for hydraulic structures.
Keywords: building materials; hydraulic structures; self-healing concrete; biobetone
