Өздігінен қалпына келетін бетондарды жасаудың теориялық алғышарттары



Жарықтарды өздігінен тарту — бұл бетонда ылғал болған кезде және созылу кернеуі болмаған кезде пайда болатын табиғи жою процесі. Өздігінен тартылудың арқасында су жарықтары арқылы енудің біртіндеп төмендеуі, ал шекті жағдайларда жарықтардың толық герметизациясы жүреді.

Соңғы кездегі жарияланымдарда Bacillus тұқымының арнайы таңдалған бактерияларын қолдана отырып және бетонда қалпына келтіретін зат жасау үшін қоректік заттардың үйлесімімен биологиялық бетон өндірудің жетілдірілген технологиясы қарастырылған. Бактериялар арқылы осындай өзін-өзі емдейтін бетонның көмегімен ені 100 мкм-ден асатын жарықтарды тығыздауға болады. Сондықтан бұл зерттеу саласы цементті қолдана отырып, экологиялық қауіпті жөндеу әдістеріне перспективалы балама болып көрінеді.

Кілтті сөздер: кальций, MICP, бетон, материал, металл, су.

Самовосстанавливание трещины — это естественный процесс разрушения, который происходит при наличии влаги в бетоне и отсутствии натяжения на растяжение. За счет самонесущего натяжения происходит постепенное снижение проникновения через водные трещины, а в предельных условиях — полная герметизация трещин.

В недавних публикациях рассмотрена усовершенствованная технология производства биологического бетона с использованием специально отобранных бактерий рода Bacillus и сочетанием питательных веществ для создания регенерирующего вещества в бетоне. С помощью такого самовосстанавливающегося бетона через бактерии можно заделать трещины шириной более 100 мкм. Поэтому данная область исследований представляется перспективной альтернативой экологически опасным методам ремонта с использованием цемента.

Ключевые слова: кальций, MICP, бетон, материал, металл, вода.

Жарықтардың өздігінен тартылуының негізгі себептері цемент пастасының ісінуі және ылғалдануы, кальций карбонаты кристалдарының тұнуы, жарықшақтардың пайда болуына байланысты жарықтардың бетінен бөлінетін судағы ластану мен бетон бөлшектерінің ағу жолын бұғаттау болды. Алайда, қалпына келуге әсер ететін ең маңызды фактор — кальций карбонатының тұнбасы. Көптеген алдыңғы зерттеулерде жарықтың ені бетондағы өздігінен қалпына келу процесін жүзеге асырудың маңызды факторы болып табылады. Ол 200 мкм-ден аз, тіпті 50 мкм-ден аз болуы керек.

Бұл тәсілмен сілтілі ортадағы бактериялар СО2-ны карбонатты иондарға айналдырады, содан кейін олар бетон матрицасынан Ca иондарымен әрекеттеседі. Бұл бұл кальций карбонаты кристалдарының пайда болуына әкеледі. Сонымен қатар, CO2 матрицаның кальций гидроксидімен тікелей әрекеттеседі, бұл кальцит тұнбасының пайда болуына әкеледі. Өздігінен қалпына келетін бетонға біріктірілген бактериялардың қатысуымен үлкен мөлшердегі кальций карбонаты кристалдарының пайда болуы дәстүрлі немесе жаңаларымен салыстырғанда өзін-өзі қалпына келтірудің керемет қабілетін қамтамасыз етеді, бірақ өздігінен қалпына келетін цемент материалдары экологиялық қауіпті болады.

Өздігінен қалпына келетін материалдар — бұл оның қызмет ету мерзімі ішінде болған шамалы бұзылудан кейін беріктік қасиеттерін қалпына келтіретін материалдардың ерекше түрі. Өзін-өзі емдеу технологиясы әсіресе композиттік материалдар үшін пайдалы, өйткені олардың зақымдануды анықтау қабілеті төмен және кенеттен және сынғыш бұзылуға сезімтал. Қазіргі заманғы жасанды материалдар керемет механикалық қасиеттерге ие, бірақ олар өзін-өзі қалпына келтіру қабілетіне ие емес. Сондықтан зақымдану жағдайында механикалық беріктікті жоғалту ықтималдығы пайда болады, ал уақыт өте келе адамның араласуы болмаған кезде функционалды беріктікті біртіндеп жоғалтады [1, 53–69 бб.].

Зақымданудың пайда болуы материалдың ішкі бөлігін жарықшақпен бөлінген екі бөлікке бөлу ретінде қарастырылады. Соңғы уақытқа дейін барлық құрылымдық материалдарды әзірлеу кезінде «зақымдануды басқару» тұжырымдамасы емес, «зақымданудан қорғау» тұжырымдамасы қолданылды. Бұл зақымданудың алдын алу немесе кешіктіру үшін осы материалдардан жасалған құрылымдардың беріктік қасиеттері мен қаттылығын оңтайландыруды білдіреді. Алайда, жұмыс кезінде зақымданудың алдын алу мүмкін емес. Екінші жағынан, тірі организмдерде зақымдануды басқару процесі өздігінен жүзеге асырылады және адамның араласуын қажет етпейді. Яғни, жабық айналым жүйелері арқылы зақым биохимиялық деңгейде қабылданады және зақымдалған аймаққа тиісті заттар беріледі. Бұл нақты биологиялық функция зерттеушілерді іс жүзінде бірдей қасиеттері бар жасанды өздігінен қалпына келетін материалдарды жасауға ынталандырады.

Өздігінен қалпына келу механизмін жүзеге асыру үшін сезімтал материалдар зақымдануды анықтап қана қоймай, қалпына келтіру процесін бастауы керек. Оны іске қосудың міндетті шарты — жүйенің ішінде сұйық компоненттің болуы. Алайда, техникалық қосымшаларға арналған қазіргі заманғы материалдар мен композиттер қатты заттар болып табылады. Сондықтан өздігінен қалпына келтіру механизмін жүзеге асыруды қамтамасыз ету үшін жүйенің механикалық қасиеттерін сақтау шартымен осы материалдарға сұйық компоненттерді енгізу қажет. Сұйық компонентті құрылымның құрылымдық жүйесіне енгізудің көптеген жолдары бар. Іс жүзінде мүмкін болатын нұсқалардың бірі — жасанды айналым жүйесін құру [2, 170–174 бб.]. Жақында мамандар жарықтарды емдеуге қажетті сұйық заттарды бүкіл материалға тарату үшін микрон өлшемді арналардың бірнеше дизайнын жасады. Жарылған кезде бұл сұйықтық зақымдалған аймаққа түсіп, жарықшақты цементтеуі мүмкін. Сұйық компонентті енгізудің тағы бір нұсқасы-зақымдануды тудырған сыртқы факторды қолдану.

Металдар, керамика, полимерлер, композициялық материалдар және т. б. сияқты әртүрлі жасанды материалдарды өздігінен қалпына келтіру процесі, егер бұл материалдардың ішкі қасиеттері әртүрлі болса да, бір жалпы принцип пен негізгі идеяларға негізделген.

Әдебиеттерді талдай отырып, өздігінен қалпына келуді жүзеге асыру үшін бес жалпы шарт қажет.

1. Судың болуы. Барлық жүргізілген зерттеулер судың болуы жарықтардың қосылуын жеңілдету үшін үлкен маңызға ие екенін көрсетті.
2. Химиялық қосылыстардың болуы. Қалпына келу механизмдерін жүзеге асыруда маңызды рөл атқаратын кейбір қажетті химиялық заттардың, негізінен карбонат пен бикарбонатпен ерітілген бос кальций иондарының жеткілікті концентрациясы.
3. Жарықшақтың ені. Жарықтың бақыланатын ені цемент материалдарының өздігінен қалпына келу тиімділігімен байланысты тағы бір маңызды шарт болып табылады. Жарықшақтың ені 150 мкм-ден аспауы, 50 мкм-ден кем болуы тиіс. Кіші ені бар жарықшақты толтыру үшін аз мөлшерде қалпына келтіретін заттар қажет, олар оның екі бетінде де оңай өседі.
4. Судың қысымы. Егер су жарықтан тез ағып кетсе, өздігінен қалпына келу болмайды. Сондықтан судың қысымы тым жоғары болмауы керек және белгілі бір еніндегі жарықтар үшін бұл жағдай судың қысымы мен элементтің қалыңдығына байланысты болады.
5. Тұрақты таралатын жарықшақ. Жарықшақтың қайта пайда болмауын қамтамасыз ету үшін ол тұрақты күйде болуы керек.

Микроорганизмдер жасаған кальциттің тұнбасы — бұл өздігінен қалпына келудің автономды ішкі механизмінің бір түрі, ол жақында зерттеушілердің назарын көбірек аударды. Топырақта, құмда және табиғи минералдарда кездесетін бірқатар бактериялар табиғи және зертханалық жағдайда кальций карбонатын шығаруға қабілетті [3, 545–551 бб.]. Табиғатта организмдердің 3 тобы кальцитті жоя алады:

1) фотосинтетикалық бактериялар, мысалы, СО2 сіңіре алатын цианобактериялар мен балдырлар;

2) сульфаттардың диссимиляциялық азаюын жүзеге асыратын сульфатты ыдырататын бактериялар;

3) тірі организмдердегі азот пен оның қосылыстарының түрлену циклдерінің біріне, атап айтқанда аминқышқылдарының аммонификациясына, нитраттардың азаюына немесе мочевинаның гидролизіне қатысатын организмдер. Несепнәр гидролизі уреаза ферментінің көмегімен микроорганизмдер шығаратын кальциттің (MICP) тұндыру механизмдерінің ішіндегі ең қарапайымы болып табылады.

Микроағзалармен минералдық заттарды өндіруге негізделген жарықтарды бітеу жүйесі карбонат иондарының тұнбасына тәуелді екендігі айтылды. Оларды алудың ең қолайлы әдісі — мочевина гидролизі, өйткені ол қоршаған ортаны сілтілендірумен бірге жүреді. Сондықтан мұндай бактериялар мочевина гидролизі реакциясының катализаторы ретінде әрекет ете алуы керек. Әдетте бұл уреаз оң бактериялар. Несепнәрді ыдырату қабілеті топырақ пен жер асты жүйелерінде өмір сүретін бактериялар арасында кең таралған.

Уреаз оң бактериялардың көпшілігі Bacillus, Sporosarcina, Clostridium және Desulfotomaculum ұрпақтарына жатады. Жаңадан дайындалған бетонда рН 11-ден 13-ке дейін болатын қатты сілтілі орта жасалады. Сондықтан бетонға қосылған бактериялар араластыру процесінде пайда болатын механикалық жүктемелерге төтеп беруі керек, сонымен қатар жоғары сілтілік жағдайында ұзақ уақыт өмір сүруі керек. Бактериялық жасушаларды композитке тікелей енгізу екі себепке байланысты мүмкін емес. Біріншісі-бетонның жоғары сілтілі ортасында бактериялардың белсенділігінің төмендеуі (рН>12). Екіншісі ылғалдандыру процесінде бактериялық жасушалардың жойылу мүмкіндігімен байланысты. Бұрын Цемент матрицасының кеуек диаметрінің төмендеуіне байланысты ылғалдандыру процесінде бактериялар өледі деп хабарланған болатын.

Bacillus тектес бактериялардың штаммдары жоғары сілтілі ортада өмір сүре алатындығы анықталды, олар әдетте механикалық және химиялық факторлардың әсерінен жоғары кернеулерге төтеп беретін белгілі бір жағдайларға бейімделген жасушалар түрінде споралар түзеді. Сонымен қатар, бұл споралар метаболизмнің төмен белсенділігін көрсетеді және өте ұзақ өмірлік циклге ие. Споралары 200 жылға дейін өмір сүретін түрлер белгілі [4, 47–50 бб.]. Бетон құрамындағы бактериялар оттегіге төзімді болуы керек, ол матрицаға еніп, аэробты орта жасайды.

Жарықшақтарды бактериялар арқылы жоюдың биологиялық аспектілеріне тоқталсақ. Бактериялардың әр түрлі түрлері, мысалы, минералдану, қоршаған кеңістіктің рН мөлшері, температура, қоректік заттардың болуы және тіршілік ету ортасының құрамы сияқты абиотикалық факторлармен қатар, әр түрлі ортада кальций карбонатын тұндыру процесінде маңызды рөл атқарады. MICP процесін анықтайтын төрт негізгі фактор бар: 1) кальций концентрациясы; 2) ерітілген бейорганикалық көміртектің концентрациясы; 3) рН мәні; 4) нуклеация орталықтарының болуы.

Бетон қоспасына салынған бактериялық споралар оларды тасымалдаушыларда иммобилизациялау арқылы қосымша қорғалуы мүмкін. Ферменттер мен тұтас жасушаларды иммобилизациялау кезінде тасымалдаушы ретінде олардың механикалық беріктігі мен биохимиялық инерттілігінің арқасында полиуретандар (ПУ) мен силикагель кеңінен қолданылды. Силикагельде иммобилизацияланған бактериялар PU-ға иммобилизацияланған бактериялармен салыстырғанда жоғары белсенділікке ие. Алайда, соңғы жағдайда беріктік қасиеттерінің жоғары қалпына келуі және су өткізгіштігінің төмен деңгейі байқалды. ПУ-матрицаларда жасушалардың жоғары метаболикалық белсенділігі сақталса да, олардың өсу қарқыны өзгеріссіз қалатыны белгісіз.

Биоскреббердегі аэробты және анаэробты бактериялар үшін қолайлы материал ретінде, ағынды суларды тазарту кезінде және бетонның қатты сілтілі ортасында диатомитті жер (DE) сәтті қолданылды, ол 10-нан 200 мкм-ге дейін жоғары кеуекті, жеңіл, химиялық тұрақты және инертті диатомалық қаңқалардан тұрады. DE түйіршіктерінің кеуекті жасушалары түйіршіктерге біріктірілген бактериялық колониялардың өміршеңдігін сақтау және микробтардың тіршілік ету ортасын қамтамасыз ету үшін оттегі, су және қоректік заттардың қоймасы бола алады. Бұрын жарияланған зерттеу нәтижелері өнеркәсіптік ағынды сулардан улы қосылыстарды жою процесінде тасымалдаушы ретінде пемзаны сәтті қолдануды көрсетеді [5, 357–367 бб.]. Пемзаның динамикадағы жоғары және тұрақты денитрификациялық белсенділігін, жақсы механикалық қасиеттерін, өндіріс кезіндегі төмен құнын және төмен энергия шығынын ескере отырып, оны микроорганизмдерді иммобилизациялау үшін әлеуетті материал ретінде қарастыруға болады.

Сонымен қатар, клиноптилолит (цеолиттер тобындағы минерал) микроорганизмдерді олардың кедір-бұдырлығына, үлкен меншікті бетіне және жоғары кеуектілігіне байланысты иммобилизациялау үшін перспективті материал болып табылады. Цеолит өзінің табиғатта кең таралуының, қолжетімділігі мен техникалық іске асырылу мүмкіндігінің, рентабельділігінің, үлкен меншікті беті, құрылымның қаттылығы, бетінің функционалдығы, жылу, механикалық және радиациялық тұрақтылығының арқасында ағынды суларды тазарту процестерінде бактерияларды иммобилизациялау үшін материал ретінде кеңінен қолданылды [6, 297–300 бб.].

Жасушалардың инертті беттермен байланысының беріктігіне жауап беретін көптеген факторлар бар. Олардың ішінде тасымалдаушы материалдың кеуек мөлшері бетінің макроскопиялық кедір-бұдырлығына және оның жалпы ауданына қарағанда көбірек әсер ететін маңызды фактор ретінде сипатталған [7, 48 б.]. Тері тесігінің оңтайлы диаметрі микроорганизмнің бір-бес диаметріне сәйкес келеді, сондықтан тері тесігінің мөлшері 1–10 мкм болатын материалдар бактериялық жасушаларды иммобилизациялау үшін оңтайлы болып табылады.

Осылайша, кейбір бактериялық микроорганизмдер, атап айтқанда Escherichia coli, бетонның өздігінен қалпына келу қабілетіне әсер етпейтіні байқалды. Осыған сүйене отырып, микроорганизмдерді таңдау бетонның сығылу беріктігін арттыруда маңызды рөл атқарады деп қорытынды жасауға болады [8, 106 б.].

Сонымен қатар, өздігінен қалпына келетін бетондарды құрудың және бактериялардың көмегімен жарықтарды жоюдың теориялық алғышарттары келтірілді. Зақымданудың пайда болуы материалды ішкі екі бөлікке бөлу ретінде көрінеді.

Өздігінен қалпына келудің биологиялық аспектілері қарастырылды. Тірі организмдерде зақымдануды басқару процесі автономды түрде жүзеге асырылатыны және адамның араласуын қажет етпейтіні белгілі. Яғни, жабық айналым жүйелері арқылы зақым биохимиялық деңгейде қабылданады және зақымдалған аймаққа тиісті заттар беріледі.

Жарықтарды қалпына келтіруге қажетті жағдайлар келтірілді: су мен химиялық қосылыстардың болуы (иондар мен ерітілген кальций иондарының карбонаты мен бикарбонаты); жарықтардың ені 150 мкм-ден кем болуы керек. Карбонатты иондарды алудың ең қолайлы әдісі — Bacillus, Sporosarcina, Clostridium және Desulfotomaculum ұрпақтарының бактериялары арқылы мочевина гидролизі. Бактериялардың жұмысын жүзеге асыру үшін қоректік орта қажет, олардың бірі ретінде кальций лактаты ұсынылады. Бетон қоспасына салынған бактериялық спораларды тасымалдаушыларда иммобилизациялау арқылы қосымша қорғауға болады, анағұрлым сапалы материал ретінде пемза мен цеолит ұсынылады.

Әдебиет:

1. Goldman A, Schoenfeld WG, Goorvitch D, Chackerian Jr. C, Dothe H, Me´len F, et al. Updated line parameters for OH X2 P—X2 P (v00, v0) transitions. J Quant Spectrosc Radiat Transfer –1998. — Vol. 59 (4) — P. 53–69.
2. Mukherjee A. Biocalcification by Sporosarcina pasteurii using corn steep liquor as nutrient source / A. V. Mukherjee, M. S. Reddy // Industrial Biotechnology. –2010. –Vol. 6, № 3. — P. 170–174.
3. Sagripanti J. L. Comparative sporicidal effects of liquid chemical agents / J. L. Sagripanti, A. Bonifacino. — 1996. — Vol. 62(2). — P. 545–551.
4. Пухаренко Ю. В. Принципы формирования структуры и прогнозирование прочности фибробетонов / Ю. В. Пухаренко // Строит. материалы. — 2004. — № 10. — С. 47–50.
5. Dick J. Bio-deposition of a calcium carbonate layer on degraded limestone by Bacillus species / J. Dick, W. De Windt, B. De Graef [et al.]. — 2006. — Vol 17(4). — P. 357–367.
6. Dry C. Threepart methylmethacrylate adhesive system as an internal delivery system for smart responsive concrete / C. Dry, W. McMillan // Smart Ma- ter Struct. — 1996. — Vol. 5(3) — P. 297–300.
7. Элементы теории реконструкции железобетонов: монография / В. М. Бондаренко, А. В. Боровских, С. В. Марков, В. И. Римшин. — Н. Новгород, 2001.
8. Шестоперов С. В. Долговечность бетона транспортных сооружений / С. В. Шестоперов. — М.: Стройиздат, 1966. — 217 с.