Биоминеральные добавки для самозалечивания бетона

Введение. Рассмотрены причины снижения долговечности изгибаемых конструкций через призму нарушения защитного слоя арматуры, который в первую очередь нарушается при образовании трещин. Трещины могут самозалечиваться различными методами, наиболее эффективным из которых является микробно-индуцированное осаждение карбоната кальция.

Материалы и методы. Использованы штаммы Bacillus subtilis VKM B-70 и VKM B-501 (всероссийская коллекция микроорганизмов), микрокремнезем, метакаолин, золу уноса. Оценка выживаемости бактерий провена путем культивирования бактериальных штаммов из образцов-таблеток. Определение pH образцов выполнено с помощью pH-метра. Оценка скорости зарастания трещин осуществлена путем визуального осмотра образцов-таблеток  под оптическим микроскопом.

Результаты. Привены результаты эксперимента по подбору оптимального размера альгинатных бактериальных гранул для биоминеральной добавки. Изучено влияние биоминеральных добавок различного состава на зарастание трещин шириной от 100 до 500 мкм. Показано эффект повышения активности бактерий в присутствии пуццоланового компонента, выявлена связь щелочности среды образца и активности бактерий.

Выводы. Рекомендуемым диаметром гранул с точки зрения обеспечения прочности, вероятности залечивания трещин и технологических причин является диапазон 1–1,8 мм. Активность бактерий в таких гранулах увеличивается при наличии в составе добавки пуццоланового компонента. Зола уноса по сравнению с другими видами пуццолановых добавок наиболее эффективна в составах с бактериями Bacillus subtilis из-за способности снижать щелочность цементно-песчаных композиций, создавая более благоприятные условия для жизнедеятельности бактерий. При использовании комплексных биоминеральных добавок происходит значительное увеличение скорости зарастания трещин, что позволяет обеспечить закрытие трещин шириной 100 мкм всего за 5 циклов «вода – воздух».

1. Aytekin B., Mardani A., Yazıcı Ş. State-of-art review of bacteria-based self-healing concrete: Biomineralization process, crack healing, and mechanical properties // Construction and Building Materials. 2023. Vol. 378. P. 131198. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2023.131198

2. De Rooij M., Van Tittelboom K., De Belie N., Schlangen E. Self-healing phenomena in cement-based materials // RILEM State-of-the-Art Reports. Springer, Dordrecht, Netherlands, 2013. DOI: 10.1007/978-94-007-6624-2

3. Termkhajornkit P., Nawa T., Yamashiro Y., Saito T. Self-healing ability of fly ash–cement systems // Cement and Concrete Composites. 2009. Vol. 31. Issue 3. Pp. 195–203. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2008.12.009

4. Ter Heide N. Crack healing in hydrating concrete. Delft University of Technology, 2005.

5. Mamo G., Mattiasson B. Alkaliphiles: the emer-ging biological tools enhancing concrete durability // Alkaliphiles in Biotechnology. 2019. Pp. 293–342. DOI: 10.1007/10_2019_94

6. Баженов Ю.М., Ерофеев В.Т., Салман А.Д.С.Д., Смирнов В.Ф., Фомичев В.Т. Технология самовосстановления железобетонных конструкций с помощью микроорганизмов // Русский инженер. 2018. № 4 (61). С. 46–48. EDN YOOLYD.

7. Jonkers H.M., Thijssen A., van Breugel K. Bacteria mediated remediation of concrete structures // Proceedings of the second international symposium on service life design for infrastructures. 2010. Pp. 833–840.

8. Dhami N.K., Reddy M.S., Mukherjee A. Biomineralization of calcium carbonates and their engineered applications : a review // Frontiers in Microbiology. 2013. Nо. 4. DOI: 10.3389/fmicb.2013.00314

9. Ghosh P., Mandal S., Chattopadhyay B.D., Pal C. Use of microorganism to improve the strength of cement mortar // Cement and Concrete Research. 2005. Vol. 35. Issue 10. Pp. 1980–1983. DOI: 10.1016/j.cemconres.2005.03.005

10. Ghosh S., Biswas M., Chattopadhyay B.D., Mandal S. Microbial activity on the microstructure of bacteria modified mortar // Cement and Concrete Composites. 2009. Vol. 31. Issue 2. Pp. 93–98. DOI: 10.1016/j.cemconcomp.2009.01.001

11. Biswas M., Majumdar S., Chowdhury T., Chattopadhyay B., Mandal S., Halder U. et al. Bioremediase a unique protein from a novel bacterium BKH1, ushering a new hope in concrete technology // Enzyme and Microbial Technology. 2010. Vol. 46. Issue 7. Pp. 581–587. DOI: 10.1016/j.enzmictec.2010.03.005

12. Строкова В.В., Власов Д.Ю., Франк-Каме-нецкая О.В., Духанина У.Н., Балицкий Д.А. Применение микробной карбонатной биоминерализации в биотехнологиях создания и восстановления строительных материалов: анализ состояния и перспективы развития // Строительные материалы. 2019. № 9. С. 83. DOI: 10.31659/0585-430X-2019-774-9-83-103. EDN JCENZK.

13. Wang J.Y., Snoeck D., Van Vlierberghe S., Verstraete W., De Belie N. Application of hydrogel encapsulated carbonate precipitating bacteria for approaching a realistic self-healing in concrete // Construction and Building Materials. 2014. Vol. 68. Pp. 110–119. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2014.06.018

14. Seifan M., Ebrahiminezhad A., Ghasemi Y., Berenjian A. Microbial calcium carbonate precipitation with high affinity to fill the concrete pore space: nanobiotechnological approach // Bioprocess and Biosystems Engineering. 2018. Vol. 42. Issue 1. Pp. 37–46. DOI: 10.1007/s00449-018-2011-3

15. Seifan M., Sarmah A.K., Samani A.K., Ebrahiminezhad A., Ghasemi Y., Berenjian A. Mechanical properties of bio self-healing concrete containing immobilized bacteria with iron oxide nanoparticles // Applied Microbiology and Biotechnology. 2018. Vol. 102. Issue 10. Pp. 4489–4498. DOI: 10.1007/s00253-018-8913-9

16. Иноземцев С.С., До Т.Ч. Состояние и перспективы развития технологии самовосстанавливающихся дорожных материалов // Вестник МГСУ. 2020. Т. 15. № 10. С. 1407–1424. DOI: 10.22227/1997-0935.2020.10.1407-1424

17. Wang J.Y., Soens H., Verstraete W., De Belie N. Self-healing concrete by use of microencapsulated bacterial spores // Cement and Concrete Research. 2014. Vol. 56. Pp. 139–152. DOI: 10.1016/j.cemconres.2013.11.009

18. Nielsen S.D., Koren K., Löbmann K., Hinge M., Scoma A., Kjeldsen K.U. et al. Constraints on CaCO3 precipitation in superabsorbent polymer by aerobic bacteria // Applied Microbiology and Biotechnology. 2019. Vol. 104. Issue 1. Pp. 365–375. DOI: 10.1007/s00253-019-10215-4

19. Аль Дулайми С.Д.С. Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой : дис. … канд. техн. наук. М., 2019. 310 с. EDN OVDXMN.

20. Joshi K.A., Kumthekar M.B., Ghodake V.P. Bacillus Subtilis Bacteria impregnation in concrete for enhancement in compressive strength // International Research Journal of Engineering and Technology. 2016. Vol. 3. Issue 5. Pp. 1229–1234.

21. De Leeuw N.H., Parker S.C. Surface structure and morphology of calcium carbonate polymorphs calcite, aragonite, and vaterite: an atomistic approach // The Journal of Physical Chemistry B. 1998. Vol. 102. Issue 16. Pp. 2914–2922. DOI: 10.1021/jp973210f

22. Jongvivatsakul P., Janprasit K., Nuaklong P., Pungrasmi W., Likitlersuang S. Investigation of the crack healing performance in mortar using microbially induced calcium carbonate precipitation (MICP) method // Construction and Building Materials. 2019. Vol. 212. Pp. 737–744. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2019.04.035

23. Леонович С.Н., Литвиновский Д.А., Чернякевич О.Ю., Степанова А.В. Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных коррозионных воздействиях : в 2 ч. Минск : БНТУ, 2016. 204 с. EDN RCHYPK.