CC BY
22
УДК 666.913.035:579.852.11 Александрова А.К., Сивков С.П.
СИНТЕЗ КАРБОНАТНЫХ БЛОКОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ БИОЦЕМЕНТОВ
Александрова Александра Константиновна, студентка 2 курса магистратуры кафедры химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва, e-mail: ak.aleksandrova@mail.ru;
Сивков Сергей Павлович, к.т.н., доцент, заведующий кафедрой химической технологии композиционных и вяжущих материалов РХТУ им. Д.И. Менделеева, Россия, Москва;
Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20, стр.4
Синтезированы карбонатные блоки на основе карбонатных отсевов дробления известняка. Твердение блоков осуществляется с помощью биоцементов - специальных бактерий, образующих CaCO3, который скрепляет частицы песка. Исследовано влияние биоцементов на прочностные и структурные характеристики карбонатных блоков. В результате работы установлено, что биоцементы позволяют получить на основе отсевов дробления карбонатных пород самоотвердевающие блоки.
Ключевые слова: биоминерализация, биоцемент, строительные материалы.
SYNTHESIS OF CARBONATE BLOCKS USING BIOCEMENT
Alexandrova A.K., Sivkov S.P.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Synthesized carbonate blocks based on carbonate screenings of limestone crushing. The blocks are hardened by means of bio-cement - a special bacteria that forms CaCO3, which secures sand particles. The effect of bio-cements on the strength and structural characteristics of carbonate blocks was studied. As a result of the work, it was established that the bio-cements make it possible to obtain self-curing blocks on the basis of screening cuttings of carbonate rocks.
Keywords: biomineralization, biocemen, building materials
В последние годы в научно-технической литературе наблюдается растущий интерес к использованию явления биоминерализации для разработки нового типа вяжущих материалов или для улучшения свойств уже существующих строительных материалов. Биоминерализация - это осаждение минеральных веществ - СаСО3, SiO2 и др. в результате жизнедеятельности микроорганизмов -бактерий и водорослей.
Наибольшее количество публикаций посвящено микроорганизмам семейства уробактерий - B. Subtilis, B. Sphaericus, B. Pasteurii и др. В процессе своего метаболизма данное семейство бактерий вырабатывает особый фермент - уреазу, способную расщеплять мочевину с образованием аммиака NH3 и углекислого газа СО2. Если в растворе, где присутствуют бактерии и мочевина, находятся ионы Са2+, то последние, взаимодействуя с СО2 в слабощелочной среде, образуют карбонат кальция СаСО3, растущие микрокристаллы которого связывают между собой частицы заполнителя -песка, образуя между ними своеобразные «мостики» и многократно увеличивая прочность структуры. Таким образом, биоцемент - это смесь культуры уробактерий, питательного раствора для их существования, карбамида и источника ионов Са2+, в качестве которого могут выступать различные соединения - Са(ОН)2, СаС12, Ca(HCO2)2, Ca(NO3)2, портландцемент и др. Твердение такого цемента
происходит самопроизвольно, при нормальных (10 -35 оС) температурах и сохранении влажных условий, необходимых для существования бактерий.
Так как работа с растворами культур бактерий не всегда удобна, то на кафедре ХТКВМ РХТУ им. Д.И.Менделеева была разработана технология получения специальной бактериальной добавки, представляющей собой смесь спор бактерий, осажденных на минеральном или органическом пористом носителе, пептона (питательного вещества для роста и развития бактерий) и мочевины. В случаях необходимости бактериальная добавка может содержать также источник водорастворимых ионов Са2+. Такая бактериальная добавка может легко производиться в промышленном масштабе и храниться в течение длительного времени без ухудшения своих свойств. При растворении добавки в воде споры бактерий вновь переходят в активную форму и бактериальная добавка превращается в биоцемент.
Целью данной работы явилось показать возможность использования биоцементов для получения кирпичей и блоков на основе отсева карбонатных пород Скрипинского карьера.
В качестве исходных материалов в работе была использована культура бактерий В. БрЪаепсш, полученная на кафедре биотехнологии РХТУ им. Д.И.Менделеева.
Бактериальная добавка была получена путем осаждения бактерий в экспоненциальной стадии развития на минеральном носителе - Л1(ОЫ)з с последующей фильтрацией и сушкой продукта. Бактериальная добавка вводилась в состав карбонатного песка в количестве 1 масс.%.
В качестве исходного материала для формования карбонатных блоков использовался отсев от дробления карбонатных пород Скрипинского карьера Владимирской области без какой-либо предварительной подготовки. Модуль крупности карбонатного песка составил Мк = 2,8.
Содержание мочевины в смеси составило 1 и 3 % от массы карбонатного песка.
В качестве источника ионов Са2+ в работе использовались добавки Са(ОН)2 и портландцемент в количестве 3 и 5 % от массы карбонатного песка.
Сухая смесь карбонатного песка, бактериальной добавки и источника ионов Са2+ увлажнялась до постоянной влажности 12 % раствором, содержащим 3 г пептона, 2 г КаНС03 и дополнительно 10 г мочевины (ЫЬЬЬСО на 1000 мл Н20.
ВР7, МПа
После тщательного перемешивания из влажной смеси при давлении 100 МПа формовались образцы-цилиндры с диаметром и высотой, равной 2 см. Отформованные образцы твердели в воздушно-влажных условиях при температуре 22 ± 1 оС в течение 7 и 14 суток, после чего подвергались испытаниям.
Влияние биоцементов на прочность при сжатии карбонатных блоков представлено на рис. 1 и 2.
Установлено, что введение 3 и 5 масс. % Са(ОН)2 в состав карбонатных блоков, не содержащих бактериальной добавки, не позволяет получить материал, обладающий заметными прочностными свойствами. Прочность блоков через 7 и 14 суток твердения не превышает 1,2 МПа.
При введении в состав смеси бактериальной добавки в количестве 1 масс. % прочность материала значительно увеличивается и достигает 5,7 - 6,8 МПа при содержании мочевины в составе смеси 1 масс. % и 2,2 - 2,3 МПа при содержании мочевины в смеси 3 масс.%.
G R14. МПа
3% Са(ОН)^
5 % Са(0Н)2
0 % кар ó аь'и да Без иакт.
1 '■■, карбамида 1?¿ бакт.
3 % кар о ам и да о акт.
Рис.1. Влияние биоцемента на прочность карбонатных блоков (источник Ca2+ - Ca(OH)2)
Рис.2. Влияние биоцемента на прочность карбонатных блоков (источник Са2+ - портландцемент)
Портландцемент, введенный в состав смеси в количестве 3 и 5 масс.%, сам по себе, без биоцемента, способен обеспечить прочность при сжатии материала до 9,0 - 10,8 МПа, что связано с его хорошей вяжущей способностью. Однако одновременное введение бактериальной добавки приводит к еще большему повышению прочности материала, которая достигает 12,9 - 14,6 МПа и 10,6 - 11,7 МПа при содержании карбамида в смеси соответственно 1 и 3 масс.%.
Таким образом, на основе биоцементов и отсева дробления карбонатных пород Скрипинского карьера Владимирской области можно получить самозатвердевающие блоки с прочностью при сжатии до 10 - 15 МПа при содержании в них вяжущего материала (портландцемента или гидратной извести) не более 3 - 5 масс.%. Содержание мочевины в смеси не должно быть чрезмерно большим и должно составлять до 1 % от массы смеси.
На рис. 3-4 представлено влияние биоцементов на открытую пористость затвердевшего материала.
Установлено, что минимальной пористостью обладают карбонатные блоки с добавками биоцемента, содержащие в качестве источника Са2+ Са(ОН)2 или портландцемент в количестве 3 - 5 масс.% и дополнительно 1 масс.% мочевины, что очень хорошо коррелирует с результатами определения прочностных характеристик образцов.
Таким образом, использование биоцементов, содержащих споры культуры бактерий В. БрЬаепсш, питательные вещества, мочевину и источник ионов Са (Са(ОН)2 или портландцемент), позволяет получить на основе отсевов дробления карбонатных пород Скрипинского карьера Владимирской области самоотвердевающие кирпичи или большеразмерные блоки с прочностью до 15 МПа. Для оптимизации состава биоцемента и бактериальной добавки, а также для исследования строительно-технических свойств полученного материала (морозостойкости, коррозионной стойкости) требуется проведение дополнительных исследований.
□ П7, смЗД □ П14. смЗ/г
0.17
0.16
Щ 0.15
У 0.14
0.13
0,12 -
0.11
3 % Са(0 Н12 Б Са(0Н)2 0 % жар б амида Бег б акт.
3%Са(ОН|2 Б % Са(0Н|2 1 карбамида 2 % б акт.
ЭКСа(0Н)2 5% Сап."'Н12 3 1?рбамида 1 % бант.
2+
Рис.3. Влияние биоцемента на пористость карбонатных блоков (источник Ca2 - Ca(OH)2)
Рис.4. Влияние биоцемента на пористость карбонатных блоков (источник Ca2+ - портландцемент)
