Аль Дулайми Салман Давуд Салман Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой

Краткое описание

Аль Дулайми Салман Давуд Салман Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой

ОГЛАВЛЕНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

кандидат наук Аль Дулайми Салман Давуд Салман

ВВЕДЕНИЕ

1 СТРУКТУРООБРАЗОВАНИЕ, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ, СОСТАВЫ И СВОЙСТВА БЕТОНОВ, ДОЛГОВЕЧНОСТЬ И

ПОВРЕЖДЕНИЯ железобетонных конструкций, способы ИХ РЕМОНТА И ВОССТАНОВЛЕНИЯ. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Структурообразование бетонов и других цементных композитов

1.2 Составы и физико-механические свойства бетонов

1.3 Долговечность бетонных и железобетонных конструкций

1.4 Восстановление и усиление железобетонных конструкций, повышение надежности зданий и сооружений

1.4.1 Улучшение эксплуатационных свойств железобетонных конструкций путем обработки их поверхности активными средами и пропитки инъекционными составами

1.4.2 Усиление железобетонных конструкций методом укладки или приклеивания дополнительных слоев из раствора и бетона, композитных или металлических материалов

1.4.3 Интеллектуальные композиты и их использование для получения самовосстанавливающихся бетонов

1.4.4 Получение самовосстанавливающихся бетонов путем внесения микробиологической добавки в минеральные вяжущие

1.4.4.1 Обработка с целью устранения трещин

1.4.4.2 Повышение прочности бетона на сжатие и улучшение других механических характеристик

1.4.4.3 Снижение проницаемости бетона

1.4.4.4 Уменьшение водопоглощения бетона

1.4.4.5 Уменьшение коррозионного разрушения армированного бетона

1.4.4.6 Классификация материалов в зависимости от их поведения в процессе самовосстановления

1.5 Заключение по обзорной главе и перспективы изучения самовосстанавливающегося бетона

1.6 Выводы по главе

2 ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ. ПРИМЕНЯЕМЫЕ МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

2.1 Цель исследований

2.2 Применяемые материалы для исследований

2.2.1 Параметры цементной смеси

2.2.1.1 Цемент

2.2.1.2 Зола-унос

2.2.1.3 Мелкий заполнитель

2.2.1.4 Добавки

2.2.1.5 Волокно из поливинилового спирта

2.2.2 Используемые для формирования бетонов бактерии, материалы и вещества

2.2.2.1 Бактерии

2.2.2.2 Материалы-носители

2.2.2.3 Минеральная питательная среда

2.2.2.4 Другие химические реактивы

2.3 Этапы исследований

2.3.1 Первый этап. Культивирование бактерий и тестирование на выживание

2.3.1.1 Культивирование бактерий

2.3.1.2 Устойчивость бактерий к высокой температуре и щелочности среды

2.3.1.3 Способность бактерий вырабатывать минеральное вещество

2.3.2 Второй этап. Испытание уреолитической активности бактерий

2.3.2.1 Построение калибровочной кривой

2.3.2.2 Условия роста и бактерии

2.3.2.3 Активность иммобилизованных бактерий в среде с нейтральным и высоким рН

2.3.2.4 Анализ NH4-N методом Несслера

2.3.3 Третий этап. Исследование влияния добавок восстанавливающего средства на процесс самовосстановления. Измерение прочности 78 на сжатие кубиков из цементного раствора

2.3.3.1 Приготовление восстанавливающего средства на основе 78 бактерий

2.3.3.2 Подготовка образцов цементного раствора

2.3.3.3 Влияние процесса самовосстановления на прочность при сжатии

2.3.4 Четвертый этап. Исследование процесса самовосстановления бетонов

2.3.4.1 Испытания на изгиб и измерения скорости ультразвукового импульса

2.4.4.2 Исследование влияния процесса самовосстановления на регенерацию прочности по результатам испытания на изгиб с приложением сосредоточенной нагрузки в четырех точках

2.3.4.3 Влияние процесса самовосстановления на измерения скорости ультразвукового импульса

2.3.4.4 Влияние процесса самовосстановления на проницаемость

2.3.4.5 Определение сорбционной активности образца

2.3.4.6 Экспресс-испытание проницаемости хлорид-ионов

2.3.4.7 Исследования методами сканирующей электронной микроскопии, энергодисперсионной спектроскопии и рентгеноструктурного анализа

2.3.5 Пятый этап. Исследование самовосстановления модифицированных цементных композитов

2.3.5.1 Приготовление восстанавливающего средства на основе бактерий

2.3.5.2 Подбор состава модифицированных цементных композитов

2.3.5.3 Процедура смешивания и приготовления образцов

2.4 Методы исследований

2.4.1 Испытание на сжатеи и изгиб

2.4.2 Методы создания трещин в бетоне

2.4.3 Методы испытания и визуального отображения процесса самовосстановления

2.4.4 Планирование и анализ экспериментов

2.4.5 Численное моделирование механизма самовосстановления

2.5 Выводы по главе

3 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХ БЕТОНОВ

3. 1 Характеристика и условия самовосстановления

3.2 Биологические аспекты процесса устранения трещин с помощью бактерий

3.2.1 Биологические процессы, протекающие при осаждении выработанного микроорганизмами кальцита

3.2.2 Бактерии для самовосстанавливающихся бетонов

3.2.3 Материалы-носители

3.3 Химические аспекты процесса устранения трещин с помощью бактерий

3.4 Выводы по главе

4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

4.1 Введение

4.2 Культивирование бактерий и тестирование их выживаемости (первый этап)

4.2.1 Анализ роста бактерий и спорообразующей способности

4.2.2 Определение количества спор, устойчивых к воздействию высоких температур и рН

4.2.3 Образование бактериями кристаллов

4.3 Исследование уреолитической активности бактерий (второй этап)

4.4 Изучение влияния восстанавливающих средств на процесс самовосстановления на основе испытания прочности на сжатие кубиков из цементного раствора (третий этап)

4.4.1 Влияние добавок питательных веществ на прочность на сжа-

тие кубиков из цементного раствора

4.4.2 Влияние различной концентрации бактерий на прочность при сжатии кубиков цементного раствора

4.4.3 Влияние бактерий на прочность при сжатии фиброармиро-ванного цементного раствора

4.5 Исследование процесса самовосстановления бетона (четвертый этап)

4.5.1 Влияние инициированного бактериями процесса самовосстановления бетона на его сорбционные свойства и водопоглощение

4.5.2 Влияние инициированной бактериями способности к самовосстановлению на быструю проникающую способность хлоридов

4.5.3 Количественная оценка самовосстановления, основанная на изменении прочности на изгиб образца из фиброармированного цементного раствора

4.5.4 Количественная оценка самовосстановления, основанная на скорости ультразвукового импульса

4.5.5 Фотоснимки, наглядно изображающие процесс самовосстановления

4.5.6 Характеристика процесса самовосстановления, основанная на результатах исследования методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионной спектроскопии

4.5.6.1 Исследование поверхности трещин методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионной спектроскопии

4.5.6.2 Анализ внутренней области трещины методом растровой электронной микроскопии

4.5.6.3 Свойства микроструктуры матрицы обычного цементного раствора с содержанием бактерий и без них

4.5.7 Исследование образцов цементного раствора методом рентге-ноструктурного анализа

4.6 Исследование эффективности самовосстановления бетонов, модифицированных микробиологической добавкой (пятый этап)

4.6.1 Процесс самовосстановления с точки зрения возобновления прочности на сжатие кубиков из ЕСС-смесей

4.6.2 Процесс самовосстановления с точки зрения возобновления прочности на изгиб ЕСС-смеси

4.6.3 Количественная оценка процесса самовосстановления модифицированного цементного композита на основании измерения скорости ультразвукового импульса

4.6.4 Наглядное представление заживления трещин в ЕСС-материалах

4.6.5 Результаты исследований, выполненных методами растровой электронной микроскопии и энергодисперсионной спектроскопии

4.6.6 Рентгеноструктурный анализ

4.7 Выводы по главе

5 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СА-МОВОСТАНОВЛЕНИЯ

5.1 Введение

5.2 Моделирование прочности на сжатие образца из обычного цементного раствора с разной концентрацией бактерий

5.2.1 Значимые термины и их определения

5.2.2 Прочность на сжатие, основанная на полнофакторном планировании эксперимента

5.2.3 Регрессионная модель прочности на сжатие

5.2.4 Оценка качества предлагаемой статистической модели

5.2.4.1 Проверка предлагаемой модели с использованием существующих данных

5.2.4.2 Проверка модели с использованием численного примера

5.3 Моделирование процесса самовосстановления образца из фибро-армированного цементного раствора в присутствии инкорпорированных бактерий

5.3.1 Полнофакторное планирование эксперимента

5.3.2 Результаты статистического анализа в случае, когда откликом является значение проникающе способности хлоридов

5.3.2.1 Регрессионная модель средних значений проникающей способности хлоридов

5.3.3 Результаты статистического анализа в случае, когда откликом являются средние значения первичной сорбционной способности

5.3.3.1 Регрессионная модель средней сорбционной способности

5.3.3.2 Результаты статистического анализа в случае, когда откликом является среднее значением скорости ультразвукового импульса

5.3.3.3 Регрессионная модель среднего значения скорости ультразвукового импульса

5.3.4 Результаты статистического анализа в случае, когда отклик представляет среднюю прочность на сжатие

5.3.4.1 Регрессионная модель средней прочности на сжатие

5.3.5 Валидация предлагаемой модели

5.3.5.1 Верификация предлагаемой модели с использованием существующих данных

5.3.5.2 Иллюстрация моделей на числовых примерах

5.4 Выводы по главе

6 РЕКОМЕНДУЕМЫЕ СОСТАВЫ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО ВНЕДРЕНИЯ, РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СХЕМ ПО ИЗГОТОВЛЕНИЮ САМОВОССТАНАВЛИВАЮЩИХСЯ БЕТОНОВ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ МИКРОБИОЛОГИЧЕСКОЙ ДОБАВКОЙ И ИХ ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ

6.1 Рекомендуемые составы самовосстанавливающихся бетонов, модифицированных микробиологической добавкой для производственного внедрения

6.2 Технологическая схема получения самовосстанавливающихся бетонов, модифицированных микробиологической добавкой

6.3 Технология приготовления восстанавливающего средства на основе бактерий

6.4 Технология изготовления самовосстанавливающихся бетонов, модифицированных микробиологической добавкой

6.5 Сведения о внедрении результатов диссертационного исследования

6.6 Технико-экономическая эффективность результатов исследований

6.6.1 Определение суммы затрат на производство самовосстанавливающихся бетонов, модифицированных микробиологической добавкой

6.6.2 Снижение стоимости самовосстанавливающихся бетонов, модифицированных микробиологической добавкой за счет использования золы-уноса теплоэлектростанций

6.6.3 Расчет экономического эффекта за счет повышения долговечности железобетонных конструкций из самовосстанавливающихся бетонов, модифицированных микробиологической добавкой

6.7 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

Приложение Б

Приложение В

Приложение Г

Список литературы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итоги выполненного исследования
1. Приведен обзор научно-технической литературы в области структу¬рообразования, технологии изготовления, оптимизации составов и примене¬ния цементных композиционных материалов. Результаты оптимизационных исследований высококачественных бетонов российских и иностранных спе¬циалистов показали, что наибольший эффект может быть достигнут в случае применения при их изготовлении суперпластификаторов и сочетания различ¬ных наполнителей, отличающихся дисперсностью, в том числе наноразмер¬ного уровня, обладающих аморфной и кристаллической структурой.
2. Показано, что бетонные конструкции во время эксплуатации часто подвергаются растрескиванию, что приводит к ухудшению качества и со¬кращению ожидаемого срока их эксплуатации. Трещины могут возникать под воздействием внешних факторов, таких как экстремальные нагрузки, не¬правильный порядок производства строительных работ или ошибки констру¬ирования. Приведены способы восстановления и усиления железобетонных изделий и конструкций, имеющих трещины и другие дефекты, методами наращивания, пропитки структуры бетона полимерными и другими компози¬циями, а также нанесения монолитных покрытий или приклеивания металли¬ческих, полимерных и других элементов. Отмечены многокомпонентность, трудоемкость строительных процессов, дороговизна и т.д. при применении известных методов восстановления и усиления железобетонных конструк¬ций.
3. Показано, что существует насущный экономический стимул для раз¬работки бетона, способного самостоятельно восстанавливаться и устранять повреждения. Самовосстанавливающиеся материалы - это особый тип мате¬риалов, регенерирующих свои прочностные свойства после незначительного разрушения, нанесенного в течение срока их службы. Показаны преимуще¬ства автономного внутреннего механизма самовосстановления посредством осаждения кальцита, выработанного введенными в состав бетона микроор¬ганизмами.
4. Осуществлено теоретическое обоснование создания самовосстанав¬ливающихся бетонов и устранения трещин с помощью бактерий. Рассмотре¬ны биологические и химические аспекты самовосстановления. Сформулиро¬ваны общие принципы самовосстановления материалов, на конечной стадии которого происходят затягивание трещины подвижной фазой и иммобилиза¬ция после устранения трещины. Даны формулы химических реакций оса¬ждения карбоната кальция. Наиболее эффективным способом получения карбонатных ионов является гидролиз мочевины с помощью бактерий родов Bacillus, Sporosarcina, Clostridium и Desulfotomaculum. Для их работы необ¬ходима питательная среда, в качестве которой рекомендуется лактат каль¬ция. Помещенные в бетонную смесь бактериальные споры должны быть за¬щищены путем их иммобилизации в носителях, в качестве которых рекомен¬дуются пемза и цеолит.
5. Экспериментально осуществлена оценка роста, способности форми¬ровать кристаллы, спорообразования, прорастания и выживания трех разных видов бактерий в условиях высокой температуры и рН.
■ Установлено, что бактерии видов Sporosarcina ureae и особенно Sporosarcina pasteurii проявляли очень высокую уреазную активность. При этом формирование кальцита в большей степени выражено в образце с ин¬корпорированными бактериями Sporosarcina pasteurii, чем в образце с бакте-риями Sporosarcina ureae.
■ Выявлено влияние питательных веществ на прочность образцов из цементных растворов. Добавление лактата кальция в количестве 2 % от мас¬сы цемента приняли в качестве оптимальной концентрации, которая обеспе¬чивала максимальную прочность, не влияя на другие их характеристики.
■ Результаты рентгеноструктурного анализа показали, что доминиру¬ющая морфология кристаллов в образцах цементного раствора, обработан¬ных всеми тремя выбранными видами бактерий, соответствовала кальциту. Образование этого минерального осадка обусловлено присутствием лактата кальция, выбранного в качестве источника кальция.
■ Отмечено, что тип бактериальных штаммов оказывает значительное влияние на морфологию кристаллов. Тот факт, что на всех образцах получе¬ны аналогичные результаты рентгеноструктурного анализа, хотя и при нали¬чии явных морфологических различий, свидетельствует, что различия были результатом изменения темпов роста кристаллов вдоль разных плоскостей кристаллической структуры.
■ Все выбранные виды бактерий показали хорошую восстанавливаю¬щую эффективность в отношении сорбционной способности и проникающей способности хлоридов. Результаты химического и морфологического анализа показали, что образование CaCO3 и глубина цементации были более интен¬сивными в случае бактерий Sporosarcina pasteurii по сравнению с бактериями вида Sporosarcina ureae.
■ Изучена эффективность цеолита и пемзы в качестве материала- носителя или защитного средства для бактерий в высокощелочной среде бе¬тона. Цеолит и пемза проявили сильное защитное действие для всех трех вы¬бранных видов микроорганизмов в цементной среде с высоким pH.
6. Выявлено влияние бактерий на основные физико-механические свойства самоуплотняющихся бетонов. Установлено, что при добавлении бактерий прочность на сжатие увеличивается главным образом в результате образования на поверхности клеток микроорганизмов и в порах цементного раствора осадка карбоната кальция. Выявлено, что бактерии вида Sporosarcina pasteurii и Bacillus subtilis обладают высоким потенциалом вос¬становления с точки зрения увеличения прочности бетонов на сжатие. В ито¬ге вид Sporosarcina pasteurii оказался лучшим восстанавливающим средством среди отобранных бактериальных штаммов. Максимальное увеличение прочности на сжатие достигалось при концентрации 106 кл./мл.
7. Проведена оценка свойств образцов бетона после самовосстановле¬ния.
■ Присутствие в образцах бактерий привело к значительному сниже¬нию скорости поглощения воды и хлоридов по сравнению с контрольным. В результате отложения слоя карбоната кальция на поверхности и внутри пор образцов из цементного раствора поглощения воды уменьшилось, как и про¬никновение воздуха и загрязняющих веществ.
■ При анализе результатов определения сорбционной способности и проникающей способности хлоридов как обычного, так и фиброармирован¬ного цементного раствора обнаружено, что значительное самовосстановле¬ние образцов произошло в течение первых 120 дней.
■ У растрескавшихся и восстановленных образцов, содержащих бактерии, наблюдали снижение данного показателя за 4, 6 и 8 месяцев соот¬ветственно 32, 46 и 57 %.
■ Выявлена более высокая эффективность восстановления образцов с пемзой, которые проявили лучшую сорбционную способность, чем образцы с цеолитом. Причиной этого может быть разница в распределении частиц ма¬териала по размерам.
■ Результаты испытаний на изгиб образцов из фиброармированного цементного раствора до и после восстановления, показали, что материал до значительной степени смог возобновить свою прочность после частичного разрушения. Образцы, содержащие бактерии, восстанавливали 41-48 % прочности уже через 4 месяца и около 49-59 % - через 8 месяцев после по¬вреждения.
■ Образцы с инкорпорированными бактериями также показали лучшие результаты восстановления оцениваемые по параметру скорости ультразву¬кового импульса, чем контрольные образцы. Следует отметить, что для об¬разца с бактериями вида Sporosarcina pasteurii, иммобилизованными в цео¬лит, получено самое высокое восстановление.
■ Количественная оценка заполнения трещин, выполнявшаяся из¬мерением величины скорости ультразвукового импульса, свидетельствует, что в большей степени оно произошло в течение первого и второго месяцев восстановления, после чего значительно уменьшилось. Одной из возможных причин этого может быть недоступность для бактерий соединения кальция, вошедшего в состав матрицы цементного раствора.
■ Проведенные методами электронной микроскопии и энергодиспер¬сионной спектроскопии исследования образцов из фиброармированного це¬ментного раствора показали, что инкорпорированные бактерии могут проду¬цировать большее количество минералов, которые потенциально могут уплотнять свежеобразованные трещины. Обнаружено, что трещины шириной 0,13-0,16 мм заполнялись ими полностью.
8. Одна из целей настоящего исследования заключалась в выяснении, может ли процесс самовосстановления в присутствии бактерий и при опосре¬дованном ими осаждении карбоната кальция привести к усилению механиче¬ских свойств и адгезионной прочности самоуплотняющихся модифициро¬ванных цементных композитов. Полученные результаты показали, что само-восстанавливающиеся композиты демонстрируют различную степень реге¬нерации механических свойств, таких как прочность на изгиб, жесткость при изгибе и деформационная способность. В большей степени она происходила в образце с иммобилизованными в цеолите бактериями, чем в образце с не¬защищенными микроорганизмами и в контрольном образце.
9. Исследование процесса самовосстановления, осуществленное по та¬ким свойствам, как прочность на сжатие, проникающая способность хлорид- ионов, водопоглощение и прочность при изгибе, позволило сделать вывод, что образованные в процессе жизнедеятельности микроорганизмов мине¬ральные осадки оказались перспективными для применения на практике. Это может привести к снижению количества и закупорке капиллярных пор, что существенно снижает проникновение в матрицу бетона агрессивных хи¬мических веществ и, следовательно, увеличивает срок его эксплуатации. Ис¬пользование бактерий в бетонных композитах может быть весьма желатель¬ным, поскольку осаждение кальцита, обусловленное метаболическими про¬цессами в микроорганизмах, является естественным и экологически чистым.
10. На основании экспериментальных результатов разработаны мате¬матические статистические модели с использованием метода планирования и анализа экспериментов (DOE), что является идеальным выбором для модели¬рования характеристик процесса самовосстановления. Этот метод позволил определить оптимальное сочетание ингредиентов для наиболее высокой эф-фективности восстановления. Применение метода DOE устранило большую избыточность и позволило вывести характеристические уравнения для свойств цементных композитов в целях количественной оценки процесса са¬мовосстановления с помощью таких средств статистического анализа, как анализ методом регрессии и дисперсионный анализ. Для прогнозирования характеристик самовосстановления на примере прочности на сжатие, RCP, сорбционной способности и скорости ультразвукового импульса для образ¬цов из армированного волокном цементного раствора разработаны статисти¬ческие модели, действенность которых подтвердили экспериментальные ре¬зультаты. Эти модели могут использоваться в качестве полезного инструмен-тария для количественной оценки способности к самовосстановлению образ¬цов из фиброармированного цементного раствора с инкорпорированными бактериями в контексте проиллюстрированных свойств.
11. Разработана технологическая схема производства самовосстанавли¬вающихся бетонов, состоящая из участков приготовления восстанавливаю¬щего средства и производства бетонов общего назначения, фиброармирован¬ных и модифицированных. Результаты исследования внедрены в учебный процесс при подготовке бакалавров и магистров по направлению «Строи¬тельство» и признаны перспективными Министерством строительства, транспорта и дорожного хозяйства РМ при изготовлении железобетонных изделий и конструкций. Метод самовосстановления с использованием бакте¬рий может быть использован для трудно доступных для технического об-служивания и ремонта бетонных конструкций, а именно подземных соору¬жений, мостов и плотин. Поскольку трещины могут достаточно быстро заце¬ментироваться, срок службы конструкций продлится, а затраты на техниче¬ское обслуживание сократятся, несмотря на предположение о более высоких первоначальных затратах.