Исследовано влияние биодобавки в виде уробактерий на свойства цементного камня. Показано, что введение уробактерий в состав твердеющего цемента на стадии затворения приводит к росту прочности и уплотнению материала вследствие заполнения его пор карбонатом кальция, выделяющимся в качестве продукта жизнедеятельности уробактерий. Разработана технология получения сухих биодобавок на основе спор уробактерий, которые по эффективности своего действия не уступают культурам живых уробактерий.

УДК 666.9

С.П. СИВКОВ, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой химической технологии композиционных и вяжущих материалов, Т.В. ЛОГИНОВА, студентка, А.К. МЫМРИНА, студентка, Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева

Ключевые слова: биоминерализация, бактерии, биоцементы, споры бактерий, биодобавки
Keywords: biomineralisation, bacteria, biocements, bacteria spores, bioadditive

За последние 10-15 лет количество публикаций, посвященных использованию явления биоминерализации для получения различного вида строительных материалов, стремительно возрастает. Биоминерализация – это осаждение минеральных веществ, главным образом карбоната кальция СаСО3, в результате жизнедеятельности микроорганизмов – бактерий, водорослей и др. [1]. Так, например, бактерии семейства уробактерий B. Subtilis, B. Рasteurii и др. в питательных средах на основе карбамида CO(NH₂)₂ вырабатывают гидролитический фермент группы амидаз – уреазу, инициирующую серию химических реакций окисления мочевины, конечными продуктами которых являются H₂CO₃ и NH₃. В свою очередь, при наличии в растворе ионов Са2+ последние взаимодействуют с H₂CO₃ с образованием карбоната кальция. Выделяющиеся микрокристаллы СаСО₃ образуют своеобразные «контактные мостики» между частицами наполнителя, формируя прочностную структуру материала (рис. 1).

Таким образом, биоцемент – это смесь культуры уробактерий в питательной среде, карбамид, источник ионов Са2+ (CaCl₂, Ca(NO₃)₂) и наполнитель – песок любого происхождения.

Свойства биоцемента непостоянны. Они зависят от вида и активности бактерий, концентрации карбамида и ионов Са2+ в растворе и др. Наиболее рациональными областями применения биоцементов являются изготовление грунтопесчаных блоков, укрепление и иммобилизация барханных песков, повышение несущей способности аллювиальных грунтов, укрепление оснований дорог, а также улучшение свойств строительных материалов на основе цементного бетона.

В данной работе рассматривается возможность использования явления биоминерализации для улучшения свойств материалов на основе портландцемента путем либо непосредственного введения биодобавки в состав твердеющего цементного раствора, либо путем поверх­ностной обработки уже затвердевшего цементного раствора.

Материалы и методы исследования при введении биодобавки в состав цементного раствора

В работе использовались культуры бактерий B. Subtilis, B. Pasteurii и B. Sphaericus, относящиеся к семейству уробактерий (рис. 2). Данные виды уробактерии непатогенны и не опасны для человека.

Хранение культур бактерий осуществлялось на агаре, культивация – в питательных растворах различного состава. Установлено, что оптимальной средой для культивации бактерий является питательный раствор Дика, содержащий 3 г/л пептона, 10 г/л карбамида (NH₂)₂CO и 2 г/л NaHCO₃. После 36 часов культивации концентрация бактерий в растворе составила (2-5)×10⁷ клеток/мл³.

Введение бактерий в раствор твердеющего цемента

На первом этапе работы бактерии B. Subtilis и B. Sphaericus вводились непосредственно в раствор твердеющего цемента путем затворения цемента питательным раствором Дика, содержащим культуру соответствующих бактерий после 36 часов их культивации. Для сравнения использовались цементы, затворенные водой и раствором Дика, не содержащим культур бактерий. После затворения цементы хранились в воздушно-влажных условиях. Результаты определения прочности образцов при изгибе и сжатии представлены на рис. 3.

Установлено, что затворение цемента раствором Дика несколько снижает его прочностные характеристики, вероятно, вследствие присутствия органической белковой добавки – пептона. В начальные сроки твердения (до 3-х суток) бактерии B. Subtilis и B. Sphaericus оказывают незначительное влияние на прочностные свойства цемента, однако уже к 7 суткам твердения прочность образцов, содержащих бактерии, начинает заметно превышать прочность контрольных цементов. К 14-28 суткам твердения прочность цементов, содержащих культуры бактерий, на 30­-50% превышает проч­ность контрольных образцов.

Изменяются также структурные характеристики цементного камня. Так, например, цементный камень, содержащий культуры бактерий, становится более плотным (рис. 4), его открытая пористость к 28 суткам твердения снижается с 39,4 до 30,1%, а коэффициент капиллярного водопоглощения уменьшается с 0,0133 до 0,0078 кг/м²⋅с1/2.

Таким образом, повышение прочностных свойств и уплотнение структуры цементного камня при введении биодобавки связано прежде всего с биоминерализацией – выделением дополнительных количеств СаСО₃, получаемых при взаимодействии Н₂СО₃, продукта жизнедеятельности микроорганизмов, с Са(ОН)₂, образующимся при гидратации цементов [2-3]. К дополнительным факторам, приводящим к росту прочности цементного камня в присутствии бактерий, следует отнести то, что (NH₂)2CO и NaHCO₃ являются слабыми ускорителями процесса гидратации цемента, а образующийся в результате биоминерализации СаСО₃ способен взаимодействовать с гидроалюминатами кальция с образованием гидрокарбоалюминатов кальция низкой плотности, дополнительно уплотняющих структуру цементного камня. Более тонкие исследования, выполненные нами на мономинеральном цементе на основе С₂S, показали, что в присутствии уробактерий сдвигается кислотно-основное равновесие в жидкой фазе твердеющего цемента, в результате чего образуются гидросиликаты кальция с большей степенью полимеризации кремнекислородных анионов, что также способствует повышению прочности цементов.

Вследствие снижения капиллярной пористости цемент­ного камня и замены Са(ОН)₂ на менее растворимые гидрокарбоалюминаты кальция заметно увеличивается коррозионная стойкость цементов, затворенных культурами бактерий, по отношению к различным видам коррозии.

Обработка затвердевшего цементного камня растворами, содержащими культуры бактерий

Исследовалась возможность уплотнения и улучшения свойств изделий на основе цемента путем поверхностной обработки культурами бактерий B. Subtilis и B. Sphaericus. Образцы-балочки на основе цемента без песка размерами 1х1х3 см предварительно твердели в воздушно-влажных условиях в течение 28 суток, а затем погружались в раствор, содержащий культуру бактерий. Раствор по своему составу соответствовал питательному раствору Дика (без NaHCO3) и содержал повышенное (20 г/л) количество карбамида CO(NH₂)₂ и источник Са2+-ионов (Ca(OH)₂ или CaCl₂ в концентрации 5 г/л). После 7 суток хранения в растворе образцы ополаскивались водой и исследовались по обычным методикам.

Установлено, что прочность при изгибе и сжатии образцов, дополнительно хранившихся в растворе Дика, немного (на 5-8%) увеличивается в сравнении с образцами, испытанными сразу после 28 суток твердения в воздушно-влажных условиях, что связано, вероятно, с дальнейшей гидратацией цемента, особенно в присутствии СаCl₂. Хранение образцов в растворах, содержащих культуры бактерий B. Subtilis и B. Sphaericus, приводит к еще большему увеличению прочностных характеристик цементного камня – в среднем на 12-18%. Одновременно заметно снижаются капиллярная пористость цементного камня (на 20-24%) и коэффициент капиллярного водопоглощения (на 45-57%). Это связано с уплотнением поверхностного слоя цементного камня микрокристаллами СаСО₃, образующимися в результате жизнедеятельности бактерий.

Таким образом, поверхностная обработка затвердевшего цементного камня растворами, содержащими культуры уробактерий, приводит к уплотнению и упрочнению поверх­ностного слоя материала вследствие заполнения микропор цементного камня кристаллами СаСО₃.

Исследовалась также возможность «залечивания» дефектов поверхности и восстановление прочности цемент­ного камня путем его обработки культурами бактерий. Для этого образцы-балочки аккуратно разламывались, после чего поверхности разлома тщательно совмещались и фиксировались нитью. Подготовленные таким образом образцы помещались на 7-35 суток в питательный раствор, аналогичный по составу указанному выше, содержащий культуры бактерий B. Subtilis и B. Sphaericus. Извлеченные из раствора через определенные промежутки времени образцы исследовались с помощью оптического микроскопа, а также определялась их повторная прочность при изгибе.

Установлено, что трещины излома в образце быстро заполняются микрокристаллами СаСО₃ и через 7-14 суток практически полностью зарастают (рис. 5). Однако прочность образцов при этом не восстанавливается и через 35 суток хранения в растворах бактерий составляет всего 3-5% от прочности при изгибе исходных образцов, твердевших 28 суток в воздушно-влажных условиях. Полученные результаты можно объяснить тем, что кристаллическая структура СаСО₃ заметно отличается от кристаллической структуры кристаллогидратов цементного камня, поэтому образование между ними прочных кристаллических сростков является маловероятным. С другой стороны, прочность при изгибе цементного камня обычно связывают с контактами между наночастицами гидросиликатов кальция, обеспечивающими высокую плотность контактов на единицу поверхности, чем микрокристаллы СаСО₃ размером 1-2 мкм, образующиеся в результате жизнедеятельности бактерий [4].

Таким образом, поверхностная обработка цементного камня растворами, содержащими культуры бактерий, приводит только к «косметическому» ремонту поверхности и зарастанию поверхностных трещин, но не к восстановлению прочностной структуры материала.

Сухие биодобавки для строительных материалов

Использование специальных растворов, содержащих культуры бактерий, питательные вещества и карбамид, не всегда удобно, так как данные растворы имеют ограниченное время хранения. В этом плане большой интерес представляет способность бактерий B. Subtilis и B. Sphaericus образовывать споры, способные храниться длительное время, но при попадании в благоприятные условия вновь превращаться в жизнеспособную культуру бактерий. Поэтому нами была исследована возможность получения сухих биодобавок, пригодных для использования как в составе строительных растворов, так и в составе сухих строительных смесей.

Концентрация бактерий в питательном растворе обычно достигает максимума через 30-36 часов после начала инкубации. Для облегчения процесса выделения бактерий в раствор добавляли минеральный адсорбент с высокой удельной поверхностью, не оказывающий заметного влияния на процессы гидратации цементов (силикагель, оксид алюминия, диатомит и т.п.). После осаждения бактерий раствор фильтровали, а полученный осадок сушили методом сублимационной или вакуумной сушки. К полученному сухому порошку, содержащему споры бактерий, с целью получения биодобавки добавлялись питательные вещества – пептон и карбамид.

На рис. 6 представлена микроструктура адсорбента Al₂O₃ со спорами бактерий. Споры бактерий представляют собой округлые частицы, вероятно, покрытые тонкой оболочкой SiO₂ и СаСО₃. Микрорентгеноспектральный анализ спор (рис. 7) показывает наличие в их составе также элементов К, Na, Mg и т.п.

Исследовалось влияние биодобавки на основе спор бактерий B. Sphaericus на свойства цементного раствора. В качестве адсорбента для осаждения бактерий использовали Al₂O₃. Биодобавка в количестве 3 масс. % вводилась в цементный раствор на стадии затворения.

Установлено, что сухая биодобавка оказывает на свойства твердеющего цемента точно такое же влияние, как и культура живых бактерий. Если в ранние (1-3 суток) сроки твердения она практически не влияет на прочность цементов, то в более поздние (14-28 суток) сроки твердения ее применение приводит к стабильному повышению прочностных характеристик цементного камня на 25-38%. Одновременно открытая пористость цементного камня снижается на 20-25%, а коэффициент капиллярного водопоглощения уменьшается с 0,0133-0,0136 до 0,0078-0,0086 кг/м²⋅с1/2.

При использовании в составе биодобавки дополнительных источников иона Са2+ они могут применяться для поверхностной обработки бетонов с целью «залечивания» микротрещин, уплотнения и повышения непроницаемости материалов.

Выводы:

Исследована возможность улучшения свойств цемент­ных растворов путем введения в их состав культур уробактерий. Установлено, что введение культур уробактерий в цементные растворы на стадии затворения приводит к заметному повышению прочностных характеристик цементного камня и снижению его пористости в результате уплотнения структуры материала карбонатом кальция, выделяющимся в результате жизнедеятельности бактерий.

Поверхностная обработка уже затвердевшего цементного камня культурами уробактерий, содержащими дополнительные источники ионов Са2+, приводит к «залечиванию» микротрещин, поверхностному уплотнению и повышению непроницаемости материала, хотя прочностные свойства цементного камня при этом практически не изменяются.

Разработанные сухие биодобавки на основе спор уробактерий по эффективности своего действия не уступают культурам живых уробактерий. Однако сухие биодобавки, в отличие от растворов культур уробактерий, более удобны в работе, могут храниться в течение длительного времени и использоваться даже в составе сухих строительных смесей различного назначения.

Библиографический список

1. Hammes F., Verstraete W. Key roles of pH and calcium metabolism in microbial carbonate precipitation // Rev. Environ. Sci. Biotechnol., 2002, vol. 1, pp. 3-7.

2. De Muynck W., Debrouwer D., De Belie N., Verstraete W. Bacterial carbonate precipitation improves the durability of cementitious materials // Cem. Concr. Res., vol. 38, 2008, pp.1005-1014.

3. De Muynck W., Belie N., Verstraete W. Microbial carbonate precipitation in construction materials: a review / Ecol. Eng., vol. 36, 2010, pp. 118-136.

4. Jonkers H.M., Thijssen A., Muyzer G., Copuroglu O., Schlangen E. Application of bacteria as self-healing agent for the development of sustainable concrete // Ecol. Eng., 2010, vol. 36, pp. 230-235.