CC BY
7ХИМИЧЕСКИЕ НАУКИ
_ВЛИЯНИЕ БИОМИНЕРАЛИЗАЦИИ НА СВОЙСТВА ЦЕМЕНТА
Логинова Татьяна Витальевна
студентка, РХТУ им.Д.И.Менделеева, г. Москва
Сивков Сергей Павлович
к.т.н., РХТУ им.Д.И.Менделеева, г. Москва
BASIC BENEFITS FOR HEALTH
Loginova Tatiana Vitalievna, student, D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow Sivkov Sergei Pavlovich, c.s.t., D.I. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow АННОТАЦИЯ
Установлено, что введение микробиологической добавки в состав твердеющего цемента приводит к осаждению карбоната кальция в порах материала. При этом возрастают его прочностные характеристики, а капиллярная пористость и коэффициент капиллярного водопоглощения снижаются. ABSTRACT
It is established that the introduction of microbiological additives 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.
Ключевые слова: биоминерализация; споруляция; микробиологическая добавка. Keywords: biomineralization; sporulation ; microbial additive.
Биоминерализация - процесс осаждения минеральных фаз в результате активности микроорганизмов. Еще в конце XVIII века выдающийся ученый В.И.Вернадский говорил о влиянии бактерий на геохимические процессы земли. Образование горючих веществ, строение известняковых пород, кремнистых сланцев во многом зависит от деятельности бактерий [2, стр. 17].
Осаждение карбоната кальция наиболее интенсивно проявляется при использовании уробактерий, относящихся к роду Bacillus. Эффективность осаждения зависит от ряда факторов: концентрации микроорганизмов и их метаболической активности, наличия центров кристаллизации, а также величины рН раствора. Так, в работе [3, стр.1564] говорится, что микробиологическое осаждение СаСО3 начинается при рН равном 8,3 и скорость его образования растет по мере повышения рН до 9,0.
В процессе своей жизнедеятельности бактерии способны выделять фермент — уреазу, под действием которого происходит гидролиз мочевины с выделением аммиака и угольной кислоты (реакция 1). Аммиак,
Рисунок 1 Механизм осаждения карбоната кальция
растворяясь в воде, повышает рН среды, что смещает равновесие при диссоциации кислоты в сторону образования карбонат - иона (реакция 2). [1, стр.174]
Так как оболочка бактерий имеет отрицательный заряд, при наличии в растворе ионов кальция происходит их адсорбция на поверхности клетки (рис.1), а затем и образование карбоната (реакции 3 — 4).
В определенный момент вся поверхность бациллы оказывается плотно закупорена слоем карбоната кальция, 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.
Явление биоминерализации является перспективным направлением для использования в дорожном строительстве, реконструкции зданий и сооружений. Залечивание образующихся в цементе микротрещин кристаллами кальцита может препятствовать дальнейшему разрушению изделия, что повышает срок его службы.
Эффективным методом использования данного явления является введение культур бактерий в состав твердеющего цемента. В данной работе нами исследовалось влияние культур бактерий, вводимых в цементный раствор с водой затворения, на свойства твердеющего цементного камня. В качестве объектов исследования были отобраны штаммы микроорганизмов Bacillus Subtilis и Bacillus Sphaericus, обладающие
высокой уреазной активностью. В ходе работы были изготовлены 4 группы образцов — балочек размером 1x1x3 см при В/Т = 0,3. В качестве жидкости затворе-ния использовались культуры бактерий в стадии роста, культивируемые в среде Дика, содержащей небольшое количество мочевины и бикарбоната натрия.
Исследование показало, что прочность балочек, затворенных средой Дика, ниже прочности контрольных образцов. Снижение объясняется влиянием компонентов среды на процессы твердения. Однако, при затворении цемента средой Дика, содержащей микроорганизмы Bacillus Subtilis, к 28 суткам наблюдался прирост прочности при изгибе на 9,5 %. При использовании культуры бактерий Bacillus Sphaericus в те же сроки повышение прочности составило 37 % (рис.2).
Рисунок 2 Прочность цемента при изгибе
Прочность при сжатии цементного камня с добавкой микроорганизмов Bacillus Subtilis к 28 суткам возросла на 17,3 МПа в сравнении с контрольными образца-
ми. При использовании культуры бактерий Bacillus Sphaericus повышение прочности при сжатии к 28 суткам составило 29,1 МПа. (рис.3)
Рисунок 3 Прочность цемента при сжатии
Образовавшиеся в результате биоминерализации микрокристаллы кальцита, заполняя поровое пространство, уплотняют структуру цементного камня, что приводит к повышению прочностных характеристик твердеющего цемента. Возможно также образование кристаллов гидрокарбоалюминатов кальция при взаимодействии гидроалюминатов кальция с СаСО3.
Полученные данные показали, что применение штаммов бактерий для улучшения прочностных
свойств цементов, является перспективным направлением исследований. Однако использование культур бактерий, выращенных в питательной среде, в качестве жидкости затворения, представляет определенные трудности.
На втором этапе исследования нами был предложен метод адсорбции бактерий на носителе с последующим их переводом в спорообразное состояние (споруляцией). Полученный после сушки порошок удо-
бно транспортировать и хранить, а так же применять в качестве добавки в цемент.
Поскольку на первом этапе наибольшее повышение прочности наблюдалось при использовании культур бактерий Bacillus Sphaericus, то именно они были использованы для получения микробиологической добавки. 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.%
IZ ^
„7 13.0
щ s
i 11.0
s
а.
о
о 7,0 о. 1=
Рисунок 4 Прочность 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 до-
100,0 90,0 30,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0
Рисунок 5 Прочность при сжатии
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. 6) и, соответствен-
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. 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 (рис.4)
□ Контр. ■ AI (ОН }3
□ laqL добавка
бавление гидроксида алюминия практически не влияет на процесс твердения цемента (рис.5).
□ Контр. ■ АЦОНр
□ мнкр. ДЕЁЭЕКа
но, уменьшает его коэффициент капиллярного водо-поглощения с 0,0133 до 0,0078 кг/м2*с0,5 в возрасте 28 суток для образца с 1 масс.% микробиологической добавки. (рис.7).
Рисунок 6 Пористость цемента
Рисунок 7 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 используемой литературы
1. Achal, V.; Mukherjee,A. & Reddy, M.S. Biocalcification by Sporosarcina pasteurii using Corn steep liquor as nutrient source // J. Ind. Biotechnol., 2010.
2. Вернадский В.И. «Живое вещество» М., «Наука» , 1978.
3. Stocks-Fisher S., Galinat J.K., Bang S.S. Microbiological precipitation of CaCO3 // Soil Biology and Biochemistry, V. 31, 1999, № 11, рр. 1563-1571.
