Бетон — бұл бүкіл әлемде кеңінен қолданылатын берік және салыстырмалы түрде арзан құрылыс материалы. Сонымен қатар, ресейлік және шетелдік мамандардың жұмыстарында бетонның ауқымды өндірісі қоршаған ортаға оның қалдықтарымен бітелуіне байланысты теріс әсер ететіндігі атап өтілді.
Бетоннан және басқа цемент композиттерінен жасалған құрылыстардың тұтастығы олардың крекингке бейімділігіне байланысты бұзылады, нәтижесінде олардың беріктігі төмендейді. Құрылымдардың беріктігіне байланысты проблемалар ұлттық экономикаға әсер етеді және бетон құрылымдарын ұстауға және жөндеуге жұмсалатын айтарлықтай ақшалай қаражатпен көрсетілуі мүмкін. Ондаған жылдар бойы цемент негізінде неғұрлым үнемді құрылыс материалдарын алу қажеттілігі танылғанмен, экологиялық таза және ұзақ мерзімді перспективада бетон конструкцияларына техникалық қызмет көрсету және жөндеу әдістерін жасау әлі де жетілмеген. Мақалада коррозияның әсерінен туындаған кальцитті тұндыру процесіне инновациялық көзқарас қарастырылады.
Кілтті сөздер : бетон, ПВА, цемент, кальций, пемза, цеолит.
Бетон — это прочный и относительно недорогой строительный материал, широко используемый во всем мире. Кроме того, в работах российских и зарубежных специалистов отмечается, что масштабное производство бетона оказывает негативное влияние на окружающую среду из-за засорения ее отходами.
Целостность конструкций из бетона и других цементных композитов нарушается за счет их склонности к растрескиванию, в результате чего снижается их прочность. Проблемы, связанные с долговечностью конструкций, влияют на национальную экономику и могут быть выражены существенными денежными средствами, затрачиваемыми на содержание и ремонт бетонных конструкций. В то время как десятилетиями признавалась необходимость получения более экономичных строительных материалов на цементной основе, разработка методов технического обслуживания и ремонта бетонных конструкций в экологически чистой и долгосрочной перспективе все еще несовершенна. В статье рассматривается инновационный подход к процессу осаждения кальцита, вызванный действием коррозии.
Ключевые слова: бетон, ПВА, цемент, кальций, пемза, цеолит.
Жарықтардың пайда болуы сияқты беріктік проблемалары, әдетте, эпоксидті немесе басқа синтетикалық байланыстырғыштарға негізделген қосылыстармен толтырылған цемент композицияларын пайдалану, тексеру және жөндеу арқылы шешіледі. Шетелдегі кейбір зертханаларда минералды заттарды шығаратын бактерияларды қолдануға негізделген зерттеулер жүргізіліп, экологиялық таза жөндеу әдістері жасалуда. Бактерияларды био-қалпына келтіру үшін қолдану барған сайын танымал бола бастады.
Құрылыс саласында құрамы мен өндіріс технологиясымен ерекшеленетін әр түрлі бетон қолданылады. Жалпы мақсаттағы бетондар цементтен, агрегаттардан және судан тұрады. Бетонның әртүрлі қасиеттерін жақсарту үшін олардың құрамына дисперсті арматура (беріктігін арттыру үшін), химиялық және басқа қоспалар (икемділікті, химиялық заттардың әсеріне төзімділікті арттыру үшін) енгізіледі. Осыған байланысты бактериялардың қоспалары бар бетон ретінде төменде химиялық қоспалармен фиброармирленген және модификацияланған жалпы мақсаттағы бетон қарастырылады (1–3 кестелер).
Кесте 1
Цемент композиттерінің құрамы
|
Құрам № |
Композит құрамы |
Құрамдардағы массалық бөліктердің мазмұны |
|||||||
|
Цемент |
Құм |
Су |
Тасымалдаушы |
BS |
NS |
w/c |
c/s |
||
|
1 |
Бақылау |
1 |
3 |
0,50 |
‒ |
‒ |
‒ |
0,5 |
0,333 |
|
2 |
NS+цеолит |
1 |
2,836 |
0,25 |
0,122 |
‒ |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
3 |
NS+пемза |
1 |
2,836 |
0,25 |
0,122 |
‒ |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
4 |
S. pasteurii+NS+цеолит |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
5 |
S. pasteurii+NS+пемза |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
6 |
B. subtilis+NS+цеолит |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
7 |
B. subtilis+NS+пемза |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
8 |
S. ureae+NS+цеолит |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
9 |
S. ureae+NS+пемза |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
Кесте 2
Талшықты композиттермен күшейтілген био цемент құрамдары
|
Құрам№ |
Композит құрамы |
Құрамдардағы массалық бөліктердің мазмұны |
|||||||
|
Цемент |
Құм |
Су |
Тасымалдаушы |
BS |
NS |
w/c |
c/s |
||
|
1 |
Бақылау |
1 |
3,000 |
0,50 |
‒ |
‒ |
‒ |
0,5 |
0,333 |
|
2 |
NS+цеолит |
1 |
2,836 |
0,25 |
0,122 |
‒ |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
3 |
NS+пемза |
1 |
2,836 |
0,25 |
0,122 |
‒ |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
4 |
S. pasteurii+NS+цеолит |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
5 |
S. pasteurii+NS+пемза |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
6 |
B. subtilis+NS+цеолит |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
7 |
B. subtilis+NS+пемза |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
8 |
S. ureae+NS+цеолит |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
9 |
S. ureae+NS+пемза |
1 |
2,836 |
‒ |
0,122 |
0,25 |
0,25 |
0,5 |
0,333 |
|
10 |
PVA |
Қоспаның көлемінен 0,2–1 % |
|||||||
Кесте 3
Модификацияланған цемент композиттерінің құрамы
|
Композит құрамы |
Қоспа түрі |
||
|
1 |
2 |
3 |
|
|
Цемент |
1,000 |
1,000 |
1,000 |
|
FA |
1,200 |
1,200 |
1,200 |
|
Құм |
0,798 |
0,660 |
0,563 |
|
ПВА |
0,046 |
0,046 |
0,046 |
|
HRWRA |
0,009 |
0,009 |
0,009 |
|
w/b |
0,270 |
0,270 |
0,270 |
|
Цеолит |
‒ |
‒ |
0,096 |
|
NS |
‒ |
0,290 |
0,290 |
|
BS |
‒ |
0,290 |
0,290 |
|
Су |
0,581 |
‒ |
‒ |
Ескерту. NS цемент массасына 0,002 ашытқы сығындысы, 0,02 кг/м3 мочевина және 0,02 кг/м3 кальций лактаты кірді.
Теориялық және эксперименттік зерттеулер көрсеткендей, бактериялар (биоқоспалар) негізінде қалпына келтіргіш құралдарды қолдану бетон қоспасының, бетондар мен олардан жасалған бұйымдардың қасиеттерін едәуір жақсартуға мүмкіндік береді. Төменде микробиологиялық қоспамен модификацияланған бетон өндірісінің технологиялық процесі және қалпына келтіргіш құрал — биоқоспалар мен биоқоспалары бар бетондарды дайындаудың жеке технологиялық операциялары көрсетілген.
Ерітінді мен бетон қоспаларының, сондай-ақ қатайтылған материалдардың қасиеттерін қалыптастыру оларды дайындау сәтінен басталады және тасымалдау, төсеу, тығыздау қатайту кезінде жалғасады. Аталған операциялар конструкциялардағы бетонның сапасын, оның пайдалану сипаттамаларын анықтайды. Бетон жұмыстары кешеніндегі технологияның маңызды элементі қоспаны дайындау болып табылады, өйткені дәл осы кезеңде бетон сапасының ықтимал деңгейі қалыптасады. Әзірленген бетон қоспаларын дайындау айтарлықтай техникалық және технологиялық қиындықтар тудырмайды, өйткені қажетті құрылғылар бар және биоқоспаны дайындауға арналған қондырғыны қоспағанда, жабдықта қолданылады. Цемент байланыстырғыштары (ерітінді, бетон және т. б.) негізінде қоспаларды дайындау процесі келесі технологиялық операциялардан тұрады: материалдарды қабылдау, сақтау және кептіру; су мен толтырғыштарды дайындау; биологиялық және басқа қоспаларды дайындау; ұсақ және ірі агрегаттарды дайындау; компоненттерді араластыру.
Тұтқыр және минералды компоненттер (портландцемент, толтырғыштар, ұсақ және үлкен агрегаттар) жеткізушілерден әртүрлі көлік түрлерімен келеді және қабылдау және шығару қақпақтарымен жабдықталған арнайы бункерлерде сақталады. Дозаторларда ілінген цемент және басқа компоненттер бетон араластырғышқа жіберіледі. Сұйық және қатты химиялық қоспалар, әдетте, арнайы контейнерлерде немесе герметикалық оралған сөмкелерде болады және ылғалдың түсуіне жол бермейтін науалардағы қоспалар қоймасында сақталуы мүмкін. Қабылдау бункерлерінен минералды толтырғыштарды дайындауға арналған тау жыныстары таспалы қоректендіргіштің көмегімен балғалы ұнтақтағышқа, содан кейін кептіру барабанына беріледі. Аралық бункерден шнектің көмегімен материалдар шар диірменіне түседі, онда олар нақты бетіне 3000–5000 см 2 /г дейін ұнтақталады. Шағын және үлкен агрегаттар гидроклассификаторға, содан кейін кептіру барабанына және балғамен ұнтақтағышқа, содан кейін фракциялауға беріледі.
Бактериялар негізінде қалпына келтіретін өнімді дайындау технологиясы. Сұйық қоректік ортадағы дақыл бактериялық дақылдарға арналған термостатта өсіріледі. Бактериялық жасушаларды қоректік орта қалдықтарынан бөлу үшін 30 мл бактериялық дақыл «Falcon» фирмасының жеке 50 миллилитрлік пробиркаларына орналастырылады [2, 72–75 бб.]. Бактериалды жасушалар 5 минут ішінде 5000 G үдеуімен әр пробирканы центрифугалау арқылы алынады. Алынған жасушалар физиологиялық ерітіндіде қайта тоқтатылады (9 г/л NaCl). Содан кейін таза бактериялық суспензия әртүрлі жасуша тығыздығы бар үлгілерді қалыптастыру үшін тұзды ерітіндімен сұйылтылады және Falcon түтігінде стерильді цеолит немесе пемза ұнтағымен араластырылады. 1,2 литр бактериялық ерітінді үшін 40 түтік қажет. Олардың әрқайсысында 30 мл бактериялық ерітінді және 12 г цеолит немесе пемза араласады. Содан кейін пробиркаларды 100 айн/мин жылдамдықпен жұмыс істейтін сілкілейтін құрылғыға 1 сағатқа орналастырады [3, 76–84 бб.].
Кальций карбонатын қалыптастыру үшін бастапқы зат ретінде кальций лактаты қолданылады (СаС6Н1006). Сонымен қатар, бактерияларға қажетті мочевина уреаза ферментінің көзі ретінде, ал ашытқы сығындысы көміртек пен азот көзі ретінде қосылады. Барлық ингредиенттер жеке-жеке автоклавта өңделеді, содан кейін тұнба пайда болмас үшін араласады. Кальций карбонатының ықтимал химиялық жауын-шашынын болдырмау үшін ортаның рН мәні 9-ға дейін жеткізіледі.
Цеолит немесе пемза түрінде иммобилизацияланған бактериялар қоректік ортамен бірге қалпына келтіретін агент құрайды [4, 126 б.].
Биобетондарды жасау технологиясы. Араластыру процесінде қоректік заттар (ашытқы сығындысы, мочевина және кальций лактаты, сәйкесінше цемент массасының 0,2, 2,0 және 2,0 % концентрациясы) алдымен илеу үшін судың бір бөлігінде ериді, ал екінші бөлігі цеолит немесе пемза иммобилизацияланған бактериялардың суспензиясымен алмастырылады. Сұйылтылған қоректік ерітінді цемент пен құммен, сондай-ақ цеолит немесе пемза түрінде иммобилизацияланған бактериялары бар қоспамен араласады [5, 46 б.].
Биоқоспамен бетон қоспасын дайындаудың технологиялық схемасы темірбетон бұйымдары мен конструкцияларын өндіруде талшықты және модификацияланған бетон алу мысалында көрсетілген (сурет 1).
Сурет 1. Кәдімгі, дисперсті арматураланған және модификацияланған бетондарды алудың технологиялық схемасы
Құм, цемент және күлді қоса алғанда, барлық қатты материалдар 1 минут ішінде алдын ала араластырылады, содан кейін араластырғышқа 90 % су қосылады. Келесі 2 минут ішінде араластырғыштың жылдамдығы артады. Қалған 10 % су мен суперпластификатор (SP) біртекті қоспаны алғанға дейін қосылады. Араластыру процедурасындағы соңғы қадам-араластырғышқа PVA талшығын екі бөлікке қосу. Араластыру тағы 3 минутқа созылады. Айта кету керек, талшықтардың жақсы дисперсиясына және әр қоспадағы материалдың ыңғайлылығына қол жеткізу үшін SP мөлшері аздап реттеледі. Бактерияларды пайдалана отырып модификацияланған қоспалар жағдайында құрғақ материалдарды араластырғаннан кейін 75 % қоректік ерітінді және 100 % бактериялық ерітінді қосылады. Келесі 2 минут ішінде араластырғыштың жылдамдығы артады. Қалған 25 % қоректік ерітінді мен SP біртекті қоспаны алғанға дейін қосылады. Ыңғайлылықты конустың жауын-шашынын әдеттегі сынау арқылы бағалайды. Әр қоспадан төрт нүктеде шоғырланған жүктемені қолдана отырып, қысу және иілу беріктігін сынау үшін 50,8 × 50,8 × 50,8 мм 9 текше және 50 × 75 × 360 мм 12 пучка дайындалды. Барлық үлгілерді пресс-қалыптан 24 сағат уақытында алады, содан кейін сынауды жүргізгенге дейін кондиционерленген ауасы бар үй-жайда ұстайды.
Қорытындылай келе, өздігінен қалпына келетін бетондарды қолдану тиімді, өйткені микроорганизмдердегі метаболикалық процестер нәтижесінде пайда болатын кальцит қосылыстары табиғи және экологиялық таза. Бактерияларды қолдана отырып, өздігінен қалпына келу әдісін бетон конструкциялары үшін, яғни техникалық қызмет көрсету және жөндеу қолжетімді емес жер асты құрылыстары, көпірлер мен бөгеттер құрылыстары үшін қолдануға болады. Оларды дереу цементтеу мүмкін болғандықтан, құрылымдардың қызмет ету мерзімі ұзаққа созылады, бастапқы салымдар туралы болжамға қарамастан техникалық қызмет көрсету шығындары азаяды.
Әдебиет:
- Гусев Б. В. Наноструктурирование бетонных материалов / Б. В. Гусев // Пром. и гражд. стр-во. — 2016. — № 1. — С. 7–9.
- Грушко И. М. Структура и прочность дорожного цементного бетона / И. М. Грушко, Н. Ф. Глущенко, А. Г. Ильин. — Харьков, 1965. — 135 с.
- Метод численного моделирования для исследования механики разрушения бетонов и изделий на их основе / В. Т. Ерофеев, И. И. Меркулов, Е. А. Митина [и др.] // Строит. материалы. ‒ 2006. ‒ № 4. ‒ С. 72‒ 75.
- Овчинников И. И. Долговечность железобетонной балки в условиях хлоридной агрессии / И. И. Овчинников, В. Н. Мигунов // Строит. ма- териалы. — 2012. — № 8. — С. 76–84.
- Соломатов В. И. Интенсивная технология бетона / В. И. Соломатов, Н. К. Тахиров, Шахен Шах. — М.: Стройиздат, 1989. — 284 с.
- Состав, структура и свойства цементных бетонов / под ред. Г. И. Горчакова. — М.: Стройиздат, 1976. — 144 с.
