Высокоэффективный бетон повышенной устойчивости к биологической коррозии

РЕФЕРАТ. Показано, что повышенная устойчивость бетона к биологической коррозии, достигается при использовании высокоэффективной комплексной химической добавки, содержащей реакционно-активные нанодисперсные частицы диоксида кремния в сочетании с оксидом хрома Cr₂O₃. Такая добавка обеспечивает формирование высокоплотной структуры бетона с низкой пористостью, а также образование труднорастворимых новых гидратных фаз, которое, возможно, способствует повышению его прочности и устойчивости к воздействию продуктов жизнедеятельности микроорганизмов.

Ключевые слова: биологическая коррозия, устойчивость, продукты жизнедеятельности микроорганизмов, плотная структура, прочные гидратные фазы, химическая добавка.

Keywords: biological corrosion, stability, microorganism waste products, dense structure, strong hydrated phases, chemical additive.

Введение

Современное материаловедение, как и все области строительства, эффективно совершенствуется. Разрабатываются и создаются инновационные материалы с набором улучшенных физико-механических показателей, при создании которых значительное внимание уделяется повышению их эксплуатационной надежности и долговечности.

Несмотря на разработку множества новых материалов, используемых в промышленном и гражданском строительстве, а также при создании транспортных магистралей, мостовых сооружений, набережных, в наи­большем объеме используется бетон на цементной основе.

Бетонные изделия при эксплуатации подвергаются воздействию различных факторов окружающей среды (от которого они в большинстве случаев не защищены) — ​перепада температур (особенно в осенне-весенний период), осадков в виде мокрого снега или дож­дя, агрессивных антигололедных покрытий и др. Эти негативные факторы неблагоприятно влияют на физико-механические показатели бетона и эксплуатационную надежность сооружений.

В условиях повышенной влажности, характерных для Санкт-Петербурга, бетон подвер­гается различным видам коррозии: физической, химической, внутренней и биологической. Процессы биологической коррозии наиболее опасны и в наименьшей степени изучены.

К процессам деструкции бетона приводят продукты жизнедеятельности микроорганизмов. Поселяясь на поверхности бетонных сооружений, последние оказывают разрушительное действие на бетон, нарушая его структуру и ухудшая физико-механические показатели. Также микроорганизмы, размножаясь, ухудшают экологическую ситуацию, что обусловлено выделением токсичных продуктов, аллергенов и возникновением запаха плесени в помещениях. Кроме того, некоторые виды микроорганизмов являются патогенными, болезнетворными для человека и животных и могут вызвать опасные заболевания.

В работах [1—6] рассмотрены процессы коррозии бетонов на цементной основе, в результате которых разрушается и преждевременно стареет цементный камень.

Биологической коррозии в наибольшей степени подвержены бетонные сооружения предприятий химической, пищевой, медицинской промышленности, а также канализацион­ные коллекторы и сооружения для очистки сточных вод, т. е. те объекты, где имеется богатая питательная среда для жизнедеятельности микроорганизмов.

Деструкция цементных бетонов или растворов под действием микроорганизмов усиливается в условиях повышенной влажности, при положительной температуре и ограниченном воздухообмене.

Основную опасность для цементного искусственного камня представляют продукты жизнедеятельности (метаболизма) мик­роорганизмов, попадающие внутрь камня. Основные продукты жизнедеятельности грибковых микроорганизмов — органические кислоты, такие как лимонная, молочная, уксусная и щавелевая; продукты жизнедеятельности тионовых и нитрифицирующих бактерий — неорганические кислоты, такие как серная и азотная.

Под действием биологической коррозии в бетоне протекают различные физико-химические деструктивные процессы, нарушающие монолитность его структуры, следствием чего является ухудшение его физико-механических показателей.

Задача настоящего исследовании — ​определить наиболее эффективные способы, позволяющие предотвратить биологическую коррозию цементного камня.

Наиболее агрессивные агенты биологической коррозии — бактерии, в результате метаболизма которых образуются сильные неорганические кислоты, неблагоприятно влияющие на устойчивость компонентов бетонной смеси, в том числе на устойчивость вновь образующихся комплексных гидратных фаз [1—6].

По-видимому, для уменьшения числа бактерий, попадающих внутрь бетона, требуется повысить его плотность и снизить пористость.

Следующий, достаточно важный фактор, уменьшающий степень разрушения сформированной структуры бетона, — ​образование гид­ратных соединений, имеющих пониженную растворимость и повышенную твердость, которые должны быть максимально устойчивыми к агрес­сивному действию продуктов жизнедеятельности бактерий. Также уменьшить биологическую коррозию можно, вводя в бетон токсичные для бактерий добавки, например, соединения никеля и хрома.

Возможно, уменьшить отрицательное действие бактерий на бетон позволил бы ввод в него комплексной химической добавки, представляющей собой суперпластификатор, обеспечивающей создание максимально плотной структуры искусственного камня, а также обладающей реакционной активностью, необходимой для образования новых гидратных фаз. В качестве дополнительных компонентов такой добавки целесообразно рассматривать вещества, позволяю­щие обеспечить образование труднорастворимых гидратных фаз с повышенной устойчивостью к воздействию бактерий разной природы.

Методика экспериментов

В работе исследовали устойчивость бетона класса прочности В30, подвергнутого интенсивному воздействию загрязненной среды канализационных коллекторов, к воздействию микроорганизмов.

Для изготовления бетонной смеси использовали следующие материалы: портландцемент ЦЕМ I 42,5Н по ГОСТ 31108—2020; песок для строительных работ по ГОСТ 8736—2014 с модулем крупности М_к = 2,1; щебень гранитный по ГОСТ 8267—93 фракции 5—10 мм; воду техническую по ГОСТ 23732—2011. При изготовлении бетонной смеси контрольного состава с маркой по удобоукладываемости П3 (осадка конуса 10—15 см) ГОСТ 7473—2010 расход материалов, [кг/м³], был следующим: портландцемент — ​370, песок — ​820; щебень — ​1040; В/Ц = 0,52.

Для создания бетона, имеющего повышенную устойчивость к биологической коррозии, с учетом указанных выше предположений, разрабатывали комплексную химическую добавку, в качестве основного компонента которой использовали поликарбоксилатные полимеры. По данным экспериментов, максимальный пластифицирующий эффект и наиболее значимое улучшение реологических свойств бетонной смеси были достигнуты при введении поликарбоксилата на основе малеинового ангидрида С₄Н₂О₃.

Для повышения гидратационной активности компонентов бетонной смеси и образования труднорастворимых высокопрочных гидратных фаз целесообразно использовать в качестве реакционно-активного компонента инновационной добавки нанодисперсии SiO₂. Последние имеют повышенную поверхностную энергию и, как следствие, активно взаимодействуют с частицами, обеспечивающими образование новых гидратных фаз, например, низкоосновных гидросиликатов, отличающихся повышенной твердостью и пониженной растворимостью.

С целью уменьшить пористость искусственного камня в состав добавки дополнительно вводили пеногаситель. Достаточно эффективным был пеногаситель марки Ф67 на основе силиконового масла, включающего в себя кремнекислородные ионы и органические радикалы, с вязкостью 67 мм²/с. Дополнительно в качестве компонента, подавляющего жизнедеятельность бактерий, использовали оксид хрома Cr₂O₃.

Предполагается, что создаваемая добавка должна обеспечивать формирование максимально плотной структуры искусственного камня с наличием мелких пор, а также образование повышенного количества гидратных фаз, в том числе труднорастворимых. Кроме того, внутренняя среда искусственного камня в результате использования фунгицидного компонента должна быть неблагоприятной для жизнедеятельности и размножения бактерий.

Критериями рационального соотношения компонентов добавки были плотность формирующегося камня, определяемая по значению водопоглощения по массе W_m, и его прочность на сжатие, которая взаимосвязана со степенью гидратации компонентов твердею­щего искусственного камня.

Рентгеновский анализ бетона был выполнен на приборе «Экрос XRD-9500».

Результаты

Результаты экспериментов представлены в табл. 1.

Экспериментально установлено, что оптимален следующий состав добавки на основе используемых компонентов, % масс.:

⋅ водный раствор поликарбоксилатного полимера на основе ангидрида малеиновой кислоты с ρ = 1,025 г/см³ и рН = 6,5...54,0;

⋅ золь кремниевой кислоты с ρ = 1,022 г/см³ и рН = 4,0, содержащий нанодисперсии диоксида кремния — ​32,40;

⋅ пеногаситель Ф‑67—8,20;

⋅ оксид хрома — ​5,40.

Указанный состав обеспечивает формирование однородной максимально плотной мелкопоровой структуры бетона с водопоглощением W_m = 2,3 % (на 56 % меньшим, чем у образца контрольного состава) и на 33 % большей прочностью на сжатие.

Результаты рентгенофазового анализа образцов бетона контрольного и активированного составов представлены на рис. 1.

Рис. 1. Рентгенограммы бетона в возрасте 28 сут: а — ​контрольного состава, б — ​активированного разработанной добавкой

Сравнительный анализ рентгенограмм показал, что в присутствии комплексной химической добавки степень гидратации основного минерала портландцемента — алита — значительно увеличивается. Однако при этом уменьшается интенсивность линий Са(ОН)₂ при d/n = (4,93; 2,63; 1,93) · 10^—10 см, образование которого является отличительной особенностью обычных гидратационных процессов, протекающих при твердении цемента. Причина меньшего содержания Са(ОН)₂ в образце с добавкой, по-видимому, в том, что параллельно с процессами гид­ратации в твердеющей системе в присутствии нанодисперсий диоксида кремния протекают процессы взаимодействия между образующимся Са(ОН)₂, тоберморитоподобным гидросиликатом CSH(I) и реакционно-активными нанодисперсиями SiO₂, приводящие к появлению новых гидратных фаз: афвиллита 3СаО · 2SiO₂ · 3Н₂О (линии при d/n = (5,74; 4,73; 3,19; 2,84; 2,74) · 10^—10 см) и окенита 3СаО · 6SiO₂ · 6Н₂О (линии при d/n = (3,56; 3,07; 3,05; 2,93; 1,80) · 10^—10 см) [7].

Дальнейшие исследования посвящены оценке устойчивости активированного бетона к биологической коррозии на примере воздей­ствия загрязнений коллекторов очистных сооружений.

Негативное влияние загрязняющей среды оценивали по изменению водородного показателя (рН) водной вытяжки тонкоизмельченного бетона, а также водопоглощения и прочности бетона в течение 6 месяцев с момента его изготовления. Исследовали бетон В30 П3 (показатель требуемой прочности R_тр. = 38,4 МПа, расход цемента — ​370 кг/м³ бетонной смеси), в который вводили добавки составов № 1 и 2. Основными компонентами добавок были поликарбоксилатный полимер, нанодисперсии диоксида кремния и пеногаситель Ф‑67, а добавка состава № 2 содержала также Cr₂O₃ (дозировка добавок № 1 и 2 и соотношения масс их компонентов были такими же, как для приведенных в табл. 1 составов 8 и 9 соответственно).

Результаты исследований представлены в табл. 2.

Экспериментально (по снижению рН) установлено, что в бетоне контрольного состава, который находится в среде загрязнений, образующихся в коллекторах очистных сооружений, уменьшается степень гидратации компонентов бетонной смеси. При этом пористость затвердевшего бетона, оцениваемая по водопоглощению W_m, в течение 6 месяцев увеличивается на 12 %, а прочность на сжатие снижается на 5 %, по-видимому, в результате нарушения первоначально сформировавшихся контактов между составляющими затвердевшего бетона.

Бетон, модифицированный добавкой состава № 2 и находящийся в среде исследуемых загрязнений очистных сооружений, обладает достаточно высокой устойчивостью к воздействию микроорганизмов, жизнедея­тельность которых не влияет на твердение бетона и основные показатели его качества.

Заключение

Показано, что для создания бетона, обладающего повышенной устойчивостью к биологической коррозии, целесообразно обеспечить:

⋅ формирование его высокоплотной мелкопоровой структуры;

⋅ образование в ходе твердения труднорастворимых гидратных фаз, которое может способствовать повышению его прочности.

Установлено, что использование инновационной комплексной химической добавки, включающей в себя нанодисперсии диоксида кремния в сочетании с оксидом хрома, обеспечивает создание бетона, обладающего весьма высокой устойчивостью к негативному биологическому воздействию.

ЛИТЕРАТУРА

1. Соломатов В.И., Ерофеев В.Т. Морозов Е.А. Микроорганизмы — ​разрушители материалов и изделий // Известия вузов. Строительство. 2001. № 8. С. 4—12.

2. Соломатов В.И., Ерофеев В.Т. Морозов Е.А. Моделирование биодеградации и биосопротивления строительных материалов // Известия вузов. Строительство. 2001. № 9. С. 36—44.

3. Ерофеев В.Т., Федорцов А.П., Богатов А.Д., Федорцов В.А. Биокоррозия цементных бетонов, особенности ее развития, оценки и прогнозирования // Фундаментальные исследования. 2014. № 12. С. 708—716.

4. Баженов Ю.М. Технология бетона: учебник. М.: АСВ, 2007. 528 с.

5. Москвин В.М., Иванов Ф.М., Алексеев С.Н., Гузеев Е.А. Коррозия бетона и железобетона, методы их защиты. М.: Стройиздат, 1980. 536 с.

6. Москвин В.М., Рубецкая Т.В., Любарская Г.В. Коррозия бетона в кислых средах и методы ее исследования // Бетон и железобетон. 1971. № 10. С. 17—18.

7. Горшков В.С., Тимашев В.В., Савельев В.Г. Методы физико-химического анализа вяжущих веществ. М.: Высшая школа. 1981. 333 с.

8. Степанова И.В. Научные основы создания бетона повышенной коррозионной стойкости для объектов сельского хозяйства // Геоэкохимия защиты литосферы. 2020. С. 31—35.

9. Соловьева В.Я., Степанова И.В., Соловьев Д.В., Ершиков Н.В. Бетон повышенной коррозионной стойкости для транспортного строительства // Транспортное строительство. 2019. № 3. С. 20—22.

10. Соловьева В.Я., Степанова И.В., Дергачев А.И., Егоров В.В. Оценка совместного действия поликарбоксилатного полимера и нанодисперсий диоксида кремния для создания высокопрочного бетона нового уровня свойств // Бюллетень строительной техники. 2019. № 11 (1023). С. 35—37.

11. Соловьева В.Я., Степанова И.В. Повышение долговечности бетонов при эксплуатации в условиях повышенной агрессивной среды // Перспективы будущего в образовательном процессе: сб. тез. Национальной науч.-тех. конф. 2018. С. 196—199.