сотрудник
Южно-Сахалинск, Сахалинская область, Россия
сотрудник
Южно-Сахалинск, Сахалинская область, Россия
сотрудник
Иваново, Ивановская область, Россия
сотрудник
Иваново, Ивановская область, Россия
УДК 66 Химическая технология. Химическая промышленность. Родственные отрасли
ГРНТИ 61.35 Технология производства силикатных и тугоплавких неметаллических материалов
ГРНТИ 67.09 Строительные материалы и изделия
ОКСО 22.04.01 Материаловедение и технологии материалов
ББК 35 Химическая технология. Химические производства
ББК 383 Строительные материалы и изделия
BISAC TEC021000 Materials Science / General
В статье рассмотрено изменение физико-механических характеристик цементного камня из портландцемента марки ЦЕМ I 42,5Н в процессе бактериальной и грибковой коррозии в течение 6 месяцев на воздухе и при увлажнении. Установлено, что плотность бетона при микробиологической коррозии увеличивается в условиях постоянного увлажнения образца. Однако, после высушивания зафиксировано снижение плотности бетона на 10 % под воздействием бактерий Bacillus subtilis и на 14 % под воздействием черной плесени. Экспериментальным путем была установлена степень воздействия микроорганизмов на величину водопоглощения цементного камня. Бактерии повышают водопоглощение на 7 %, черная плесень – на 10 %. В течение 6 месяцев при бактериальной коррозии в комнатных условиях водопоглощение увеличилось с 21 до 24,5 %, при грибковой – с 24 до 29 %. При воздействии капиллярной влаги в течение полугода водопоглощение бетона повысилось до 30,4 % под воздействием бактерий Bacillus subtilis и до 37,3 % под воздействием грибков Aspergillus niger van Tieghem. Увеличение водопоглощения бетона связано с повышением пористости вследствие биодеструкции. При комнатных условиях воздействия бактерий пористость увеличивается с 14,1 до 15,3 %, черной плесени – с 14,3 до 17,9 %. При постоянном увлажнении пористость цементного бетона повышается до 19,1 и 25,6 % при бактериальной и грибковой коррозии, соответственно. Потеря прочности цементного камня на сжатие составила 13 % под воздействием бактерий и 15 % под воздействием грибков на воздухе в течение 6 месяцев. При микробиологической коррозии бетона в условиях постоянного смачивания за полгода прочность снижается примерно на 35 %.
микробиологическая коррозия, коррозия бетона, прочность бетона, пористость бетона, плотность бетона, водопоглощение бетона
Введение. Большинство процессов повреждения бетона состоит из двух этапов. Первоначально агрессивные жидкости проникают и переносятся через капиллярно-пористую структуру бетона (например, сульфаты, проникающие в реактивный алюминат; бактерии, проникающие в гипс, являющийся источником серы) до начала реальных химических или биохимических реакций разрушения. Эти жидкости могут быть водой, растворенными химическими веществами, такими как сульфаты, хлориды, щелочи или кислоты (в том числе биогенные кислоты). Эти агрессивные жидкости могут переноситься внутрь бетона через поры с помощью различных одиночных или комбинированных механизмов, среди которых: капиллярное всасывание за счет капиллярного действия внутри капилляров цементного камня; ионная диффузия (из-за градиента концентрации); диффузия пара (из-за градиента влажности); проницаемость за счет градиентов давления; миграция за счет градиентов электрического потенциала [1–4].
Любая цементная поверхность изменяется со временем и относительной влажностью из-за карбонизации: присутствие СО2 в атмосфере вызывает реакцию портландита Са(ОН)2 цементной матрицы с двуокисью углерода воздуха при наличии влаги и приводит к образованию кальцита СаСО3 [5]. Это явление снижает pH бетонной поверхности (pH ≈ 9,5), таким образом многие микроорганизмы могут найти более благоприятную среду к их развитию [6–9].
Хотя пористость, геометрия, распределение и шероховатость поверхности бетона – это факторы, которые трудно контролировать, они имеют большое влияние на его долговечность. Свежий бетон имеет низкую проницаемость, и лишь небольшая часть его пор достаточно большие, чтобы в них могли проникнуть микроорганизмы [10, 11]. Однако со временем небольшие взаимосвязанные полости позволяют растворенным соединениям распространяться внутрь. Химические реакции в бетоне протекают быстро, пористость бетона увеличивается по мере растворения гидроксида и карбоната кальция кислотой в поровой жидкости [12, 13]. В этой пористой структуре процесс коррозии еще больше ускоряется за счет проникновения в бетон микроорганизмов.
Влияние химического состава бетона на его биоразрушение зависит от его биорецептивности и реакционной способности его компонентов с микробными метаболитами в покрывающей его биопленке. Учет рисков биоповреждения бетонов можно произвести, выбрав состав цемента, ограничивающий долю реагирующих соединений с кислотами биологического происхождения. Портландит – первый бетонный компонент, который вступает в реакцию с этими кислотами [14, 15].
Агрессивность микромицетов в отношении цементных бетонов выше, чем у бактерий. В процессе жизнедеятельности грибковые микроорганизмы выделяют органические кислоты, активно взаимодействующие с ионами кальция в поровой жидкости бетона, бактерии способствуют развитию углекислотной коррозии бетона. При грибковой коррозии бетона интенсивность потoка массы вещества выше, чем при бактериальной коррозии [16], деструктивные процессы протекают быстрее.
Оценка параметров поверхности материалов, измерение характеристик проникновения жидкости в пористый и многофазный материал представляют интересную область исследований для лучшего понимания изменений характеристик, связанных со способностью строительных материалов к биоколонизации. В связи с этим была поставлена цель исследовать влияние бактериальной и грибковой коррозии на физико-механические характеристики цементного камня. Для этого проведено определение плотности, водопоглощения, пористости и прочности на сжатие цементного камня при различных условиях протекания микробиологической коррозии.
Материалы и методы. Исследования проводились на образцах из портландцемента ЦЕМ I 42,5Н c водоцементным соотношением В/Ц = 0,3. Для заражения бетона использовались следующие штаммы микроорганизмов: бактeрии Bacillus subtilis, микромицeты Aspergillus niger van Tieghem. Поверхность цементного камня равномерно опрыскивалась водной суспeнзией спор микроорганизмов, затем образцы подсушивались в боксе при температуре 25 °С и относительной влажности воздуха 70-90 % до высыхания капель. Чашки Пeтри с зараженными микроорганизмами образцами помещались в эксикатор, на дно которого налита дистиллированная вода, и выдерживались при температуре 29±2 °С и относительной влажности воздуха более 90 % в течение 28 суток. Каждые 7 суток крышки эксикаторов приоткрывались на 3 минуты для доступа воздуха.
После заражения микроорганизмами одна часть цементных образцов находилась в условиях воздействия капиллярной влаги. Для этого образцы помещались в емкость на синтепоновую подкладку, часть которой для поддержания влажности на постоянном уровне была опущена в сосуд с водой. Другая часть образцов оставалась на воздухе при комнатных условиях. Срок испытаний составлял 6 месяцев.
Методы определения плотности, водопоглощения и пористости соответствуют ГОСТ 12730.0-2020 «Бетоны. Общие требования к методам определения плотности, влажности, водопоглощения, пористости и водонепроницаемости», а также европейским [17] и российским [18, 19] методам испытания бетона.
Плотность бетона определяется в соответствии с ГОСТ 12730.1-2020 «Бетоны. Методы определения плотности». Плотность бетона ρw вычисляется по формуле:
(1)
где m – масса образца, г; V – объем образца, см3.
Объем образцов вычисляется по их геометрическим размерам. Размеры образцов определяются линейкой с погрешностью не более 1 мм. Масса образцов определяется взвешиванием с погрешностью до 0,1 г.
Истинная плотность бетона определяется в соответствии с ГОСТ 12730.1-2020 «Бетоны. Методы определения плотности» путем измерения массы единицы объема измельченного и высушенного образца. Для определения истинной плотности бетона берутся две навески по 10 г. Истинная плотность бетона ρ вычисляется по формуле:
(2)
где m – масса навески, кг; ρв – плотность воды, кг/м3; m1 – масса пикнометра с дистиллированной водой, кг; m2 – масса пикнометра с навеской и дистиллированной водой, кг.
Водопоглощение бетона определяется в соответствии с ГОСТ 12730.3-2020 «Бетоны. Методы определения водопоглощения». Водопоглощение определяется испытанием серии образцов с размерами 10×10×10 см. Водопоглощение бетона отдельного образца Wм по массе в процентах с погрешностью до 0,1 % рассчитывается по формуле:
(3)
где mc – масса высушенного образца, г; mв – масса водонасыщенного образца, г.
Пористость бетона определяется в соответствии с ГОСТ 12730.4-2020 «Бетоны. Методы определения показателей пористости». Полный объем пор бетона Пп вычисляется в процентах с погрешностью до 0,1 % по формуле:
(4)
где: ρ – истинная плотность бетона, кг/м3; ρw – плотность высушенного бетона, кг/м3.
Прoчнoсть на сжатиe (Rc) опредeляется при иcпытании oбразцoв статичeской нaгрузкой пo мeтoдикe, уcтaновлeнной ГOCТ 10180-2012 «Бeтoны. Мeтoды опрeдeлeния прoчнoсти по кoнтрoльным oбрaзцам». Нaгpужeниe oбpaзцoв пpoвoдилocь нeпpepывнo c пocтoяннoй cкopocтью нapacтaния нaгpузки дo их paзpушeния. Пpи этoм вpeмя нaгpужeния исследуемого oбpaзцa дo eгo paзpушeния былo нe мeнee 130 c. Мaкcимaльнoe уcилиe, дocтигнутoe в пpoцecce иcпытaния, пpинимaлocь зa paзpушaющую нaгpузку. Прочность бетона на сжатие для каждого oбразца вычисляется по формуле:
(5)
гдe F – paзpушaющaя нaгpузкa, Н; A – плoщaдь paбoчeгo ceчeния бетонного oбpaзцa, мм2.
Основная часть. Плотность образцов измерялась в состоянии естественной влажности, то есть сразу после испытаний (рис. 1). Плотность незараженных микроорганизмами цементных образцов увеличивается при увлажнении вследствие заполнения поровой структуры бетона влагой [20, 21]. При микробиологической коррозии на начальном этапе плотность бетона увеличивается вследствие образования биопленки, накопления в порах продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и поглощения влаги [22].
Рис. 1. Изменение плотности образцов:
1 – не зараженный; 2 – зараженный бактериями Bacillus subtilis; 3 – зараженный грибками Aspergillus niger van Tieghem
Дополнительно определялась плотность бетона, подвергавшегося воздействию капиллярной влаги, после высушивания. Плотность незараженных бактериями и грибками образцов уменьшилась в связи с выщелачивающим действием воды. Снижение плотности цементного камня в этом случае объясняется деструкцией под воздействием микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности.
На рис. 2 приведены результаты исследования степени воздействия микроорганизмов на величину водопоглощения цементного камня. Очевидно, что значение водопоглощения цементного камня при грибковой и бактериальной коррозии выше, чем у незараженных образцов. Водопоглощение незараженных образцов, выдержанных на воздухе в течение 6 месяцев, повышается незначительно, на 0,5 %. При комнатных условиях у образцов при бактериальной коррозии водопоглощение увеличилось на 17 %, при грибковой – на 21 %. Изменение водопоглощения незараженных микроорганизмами образцов под воздействием влаги обусловлено выщелачиванием цементного камня [12], при котором происходит изменение его структуры. Под воздействием влаги микроорганизмы размножаются быстрее. Водопоглощение цементного камня, зараженного бактериями Bacillus subtilis, увеличилось на 9 % через 6 месяцев воздействия капиллярной влаги. В этих же условиях водополгощение образцов цементного камня, зараженного грибками Aspergillus niger van Tieghem, увеличилось на 13 %.
Рис. 2. Изменение водопоглощения образцов:
1 – не зараженный; 2 – зараженный бактериями Bacillus subtilis; 3 – зараженный грибками Aspergillus niger van Tieghem
Изменение водопоглощения связано не только с жизнедеятельностью микроорганизмов, но и с изменением пористости цементного камня в процессе микробиологической коррозии (рис. 3). Пористость зараженных и незараженных образцов до испытаний практически не отличается. После выдержки на воздухе при комнатных условиях в течение полугода пористость цементного камня увеличивается с
14 % до 15,3 и 17,9 % при бактериальной и грибковой коррозии, соответственно. В этом случае влага из пор затрачивается на поддержание жизни в биопленке на поверхности цементного камня. При увлажнении образцов микроорганизмы распространяются вглубь бетона и изменяют его поровую структуру. Пористость цементного камня превышает 19 % через 6 месяцев воздействия бактерий, а после воздействия черной плесени составляет 25,5 %. Очевидно, что грибковые микроорганизмы сильнее влияют на поровую структуру цементного камня.
Рис. 3. Изменение пористости образцов:
1 – не зараженный; 2 – зараженный бактериями Bacillus subtilis; 3 – зараженный грибками Aspergillus niger van Tieghem
Из рис. 1 следует, что несмотря на увеличение пористости зараженных образцов при увлажнении их плотность возрастает. Это явление может быть связано со вскрытием закрытых пор в структуре цементного камня, вследствие чего он поглощает больше влаги, происходит накопление продуктов жизнедеятельности микроорганизмов в порах, увеличивается масса образца.
В таблице 1 представлены результаты испытаний на прочность на сжатие образцов цементного камня, неподверженных и подверженных действию микроорганизмов. Незначительное повышение прочности на сжатие незараженного микроорганизмами цементного камня на воздухе обусловлено продолжающимися процессами гидратации и изменениями структурно-фазового состава [5]. Снижение прочности цементного камня под воздействием влаги связано с ослаблением и разрушением межкристаллических связей
О-Са-О за счет вымывания кальция из его структуры [23]. Процесс биоповреждения цементного камня связан с изменением прочностных характеристик. После заражения поверхности цементного бетона бактериями Bacillus subtilis прочность на сжатие снижается на 9 %, грибками Aspergillus niger van Tieghem – на
12,5 %. С повышением влагосодержания процессы биодеструкции бетонов протекают быстрее. За 6 месяцев прочность на сжатие образца, зараженного бактериями, уменьшилась на 13 % на воздухе и на 32 % под воздействием капиллярной влаги. Для образца, зараженного грибками, снижение прочности произошло на 15 и 37 %, соответственно.
Таблица 1
Изменение прочностных характеристик бетонных образцов после воздействия микроорганизмов
|
№ п/п |
Тип образца |
Предел прочности при сжатии, МПа |
||
|
До испытаний |
Через 6 месяцев на воздухе |
Через 6 месяцев воздействия капиллярной влаги |
||
|
1. |
Не зараженный |
35,78 |
36,17 |
33,74 |
|
2. |
Зараженный бактериями Bacillus subtilis |
32,44 |
28,25 |
21,89 |
|
3. |
Зараженный грибками Aspergillus niger van Tieghem |
31,32 |
26,51 |
19,72 |
Микроорганизмы способствуют ускорению выщелачивания бетона [8, 16, 24] и ухудшению его физико-механических характеристик: повышению пористости, снижению плотности и потере прочности.
Выводы
- На начальном этапе действия микроорганизмов происходит увеличение плотности бетона на 1,5–3 % и за полгода оно достигает 6,5–7,5 %. Однако плотность высушенного бетона ниже первоначальных значений на 10 % при бактериальной коррозии, на 14 % при грибковой коррозии.
- Водопоглощение цементного камня на воздухе под действием бактерий Bacillus subtilis увеличилось на 17 %, под действием грибков Aspergillus niger van Tieghem – на 21 %. При микробиологической коррозии в условиях постоянного увлажнения течение 6 месяцев водопоглощение бетона увеличивается на 45 % при бактериальной коррозии, на 55 % при грибковой коррозии.
- При комнатных условиях воздействия бактерий пористость бетона увеличивается на 8,5 %, черной плесени – на 25 %. При биодеструкции в течение полугода повышается пористость цементного камня на 35,5 % при бактериальной коррозии, на 79 % при грибковой коррозии.
- Прочностные характеристики бетона значительно ухудшаются после заражения поверхности микроорганизмами. За 6 месяцев потеря прочности цементного камня при воздействии бактерий Bacillus subtilis составила 32 %, при воздействии грибков Aspergillus niger van Tieghem – 37 %.
- Из экспериментальных данных следует, что грибковые микроорганизмы сильнее ухудшают физико-механические характеристики цементного бетона по сравнению с бактериями.
1. Романенко И.И., Пинт Э.М., Петровнина И.Н., Еличев К.А., Романенко М.И. Факторы, влияющие на капиллярное водонасыщение бетонных образцов // Фундаментальные исследования. 2016. № 10 (часть 2). С. 343–348.
2. Лыков А.В. Явления переноса в капиллярно-пористых телах. М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1954. 298 с.
3. Shi C.J., Deng D.H., Xie Y.J. Pore Structure and Chloride Ion Transport Mechanisms in Concrete // Key Engineering Materials. 2006. Vols. 302-303. Pp. 528–535. https://doi.org/10.4028/www.scientific.net/KEM.302-303.528
4. Yu Z., Ni C., Mingliang T., Shen X. Relationship between water permeability and pore structure of Portland cement paste blended with fly ash // Construction and Building Materials. 2018. Vol. 175. Pp. 458–466. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2018.04.147
5. Баженов Ю.М. Технология бетона. М.: Изд-во АСВ, 2011. 524 с.
6. Olson E.R. Influence of pH on bacterial gene expression // Molecular Microbiology. 1993. Vol. 8. Issue 1. Pp. 5–14. https://doi.org/10.1111/j.1365-2958.1993.tb01198.x
7. Уряшева Н.Н. Взаимодействие микроорганизмов с каменными строительными материалами // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Строительство и архитектура. 2017. Т. 17. № 3. С. 65–71. https://doi.org/10.14529/build170310
8. Ерофеев В.Т., Аль Дулайми С.Д.С., Федорцов А.П., Богатов А.Д., Федорцов В.А. Биологическая коррозия бетонов // Строительные материалы. 2020. № 11. С. 13–23. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2020-786-11-13-23
9. Wei S., Jiang Z., Liu H., Zhou D., Sanchez-Silva M. Microbially induced deterioration of concrete – a review // Brazilian Journal of Microbiology. 2013. Vol. 44. No. 4. Pp. 1001–1007. https://doi.org/10.1590/S1517-83822014005000006
10. Diercks M., Sand W., Bock E. Microbial corrosion of concrete // Experientia. 1991. Vol. 47. Pp. 514–516. https://doi.org/10.1007/BF01949869
11. Чеснокова Т.В., Румянцева В.Е., Логинова С.А. Изучение грибковой коррозии бетона с помощью модельной среды // Современные наукоемкие технологии. Региональное приложение. 2019. № 3 (59). С. 85–89.
12. Москвин В.М. Коррозия бетона. М.: Гос. изд-во лит. по строительству и архитектуре, 1952. 344 с.
13. Marangu J.M., Thiong’o J.K., Wachira J.M. Review of Carbonation Resistance in Hydrated Cement Based Materials // Journal of Chemistry. 2019. Vol. 2019. Article ID 8489671. https://doi.org/10.1155/2019/8489671
14. Makhloufi Z., Kadri E.H., Bouhicha M., Benaissa A. Resistance of limestone mortars with quaternary binders to sulfuric acid solution // Construction and Building Materials. 2012. Vol. 26. Issue 1. Pp. 497–504. http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2011.06.050
15. Рахимбаев Ш.М., Толыпина Н.М. Обоснование выбора типа вяжущего для агрессивных сред органического происхождения на основе теории гетерогенных физико-химических процессов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. Т. 1. № 9. С. 159-163.
16. Болотских O.Н. Европейские методы физикo-механических испытаний бeтoнa. Харьков: ТOPНAДO, 2010. 144 c.
17. Пoпoв К.Н., Каддо М.Б., Кульков А.В. Оценка качества строительных мaтepиaлoв. М.: Высшая школа, 2004. 288 c.
18. Пoпoв К.Н., Шмурнов И.К. Физикo-механические испытания строительных мaтepиaлoв. М.: Высшая школа, 1989. 238 c.
19. Kovler K., Roussel N. Properties of fresh and hardened concrete // Cement and Concrete Research. 2011. Vol. 41. Issue 7. Pp. 775–792. http://dx.doi.org/10.1016/j.cemconres.2011.03.009
20. Zhang M., Yang L.-M., Guo J.-J., Liu W.-L., Chen H.-L. Mechanical properties and service life prediction of modified concrete attacked by sulfate corrosion // Advances in Civil Engineering. 2018. Vol. 2018. Pp. 1–7. https://doi.org/10.1155/2018/8907363
21. Munyao O.M., Thiong’o J.K., Muthengia J.W., Mutitu D.K., Mwirichia R., Muriithi G., Marangu J.M. Study on the effect of Thiobacillus intermedius bacteria on the physico-mechanical properties of mortars of ordinary portland cement // Heliyon. 2020. Vol. 6. Issue 1. E03232. http://dx.doi.org/10.1016/j.heliyon.2020.e03232
22. Строкин К.Б., Новиков Д.Г., Коновалова В.С., Логинова С.А., Нармания Б.Е. Определение ресурса безопасной эксплуатации конструкций из железобетона в условиях микробиологической коррозии // Современные проблемы гражданской защиты. 2020. № 4. С. 62–69.
23. Strokin K., Novikov D., Konovalova V. Forecasting the durability of reinforced concrete under conditions of microbiological corrosion // E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 274. P. 04003. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202127404003
24. Strokin K., Novikov D., Konovalova V. Forecasting the durability of reinforced concrete under conditions of microbiological corrosion. E3S Web of Conferences. 2021. Vol. 274. P. 04003. https://doi.org/10.1051/e3sconf/202127404003
