Модификация цементных растворов и бетонов промышленных зданий в условиях городской среды

ВЕСТНИК МГСУ

3/2007

МОДИФИКАЦИЯ ЦЕМЕНТНЫХ РАСТВОРОВ И БЕТОНОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ

ГОРОДСКОЙ СРЕДЫ

ОКРУЖАЮЩАЯ

Карбонизация извести, нарушение устойчивости высокоосновных гидроалюминатов и гидросиликатов и другие коррозионные процессы

В.И. Сидоров, д.х.н., профессор

Т.П. Никифорова, к.т.н., профессор Н.С. Сазонова, к.х.н., доцент Ю.В. Доможилова, к.т.н., доцент В.И. Дарчия, ст. преподаватель Кафедра Общей химии МГСУ

В настоящее время создалась критическая ситуация, когда строительным объектам все более угрожает разрушение, вызванное экологическими проблемами городов. К традиционным причинам, таким как ошибки при проектировании, возведении и реконструкции зданий, воздействие градостроительной и хозяйственной деятельности, добавились чрезмерные нагрузки со стороны загрязненной окружающей среды. Это привело к тому, что в механизме коррозионного разрушения строительных материалов и конструкций биохимический характер начинает играть определяющую роль.

В условиях городской среды биохимическая коррозия приводит к повреждению как наружных, так и внутренних стен и других частей зданий. Этому в значительной мере способствует загрязнение почвенной экосистемы. В результате техногенного воздействия в почвы, грунты и подземные воды в избытке поступают органические соединения. Поэтому основные микробные процессы в геологической среде города определяются гетеротрофной микрофлорой, развивающейся на органике.

В крупных промышленных городах мощным загрязнителем также являются соединения серы. Попадая в почвы, грунты, воду, атмосферу, эти соединения вовлекаются в цикл превращений в аэробном и анаэробном блоках микробной системы. В анаэробной

зоне образуется сероводород. В аэробной зоне развиваются тионовые бактерии, вызывающие сернокислотную коррозию цементного камня и металлических конструкций.

На рис. 1 представлена схема формирования и изменения структуры цементного камня в условиях городской среды1.

Проницаемость цементных бетонов и растворов во многом зависит от объема, характера распределения и структуры пор. Бетоны и растворы являются капиллярно-пористыми материалами, как бы пронизанным тончайшей сеткой пор и капилляров различных размеров. Мелкие поры и капилляры (микропоры) размером менее 10-5 см, к которым относятся, в частности, поры цементного геля, практически непроницаемы для воды и микроорганизмов. Микропоры и капилляры размером более 10-5 см доступны для фильтрации воды и агрессивных сред и проникновению микроорганизмов. Поэтому сокращение размера сечения пор, их извилистости и протяженности является путем, ведущим к повышению непроницаемости цементных бетонов и растворов для микроорганизмов и воды [1, 2].

В качестве добавок, снижающих объем порового пространства цементных бетонов и растворов, нами применены гидрофобизатор полиэтилгидросилоксан (ПЭГС) и продукт дез-ацетилирования хитина — хитозан — аминополисахарид 2-амино-2-дезокси-р-Э-глюкан.

Разрушение структуры цементного камня, потеря ресурса долговечности

Рис. 1. Схема формирования и изменения структуры цементногокамня в условиях городской среды

1. В указанной схеме представлены только основные типы воздействий.

3/2007

МП

ВЕСТНИК

Хитин — второй (после целлюлозы) по распространенности природный биополимер, добываемый из полностью возобновляемого природного сырья. Он ходит в состав опорных тканей и внешнего скелета членистоногих (ракообразных, паукообразных, насекомых), оболочек клеток микроорганизмов и грибов, где хитин находится в комплексе с белками и минеральными солями. Ежегодно живые организмы вырабатывают несколько десятков миллиардов тонн хитина [3, 4].

Хитозан получают в жестких условиях — путем обработки хитина 40-49%-ным водным раствором №ОИ при температуре 110-140°С в течение 4-6 часов. В результате этого получается соединение, соответствующее структурной формуле [4]:

Благодаря биосовместимости с живыми тканями, способности к биодеградации, высокой адгезии, отсутствию токсичности и другим свойствам, хитозан широко применяется в медицине, сельском хозяйстве, растениводстве, ветеринарии, пищевой, косметической, бумажной, текстильной и других отраслях промышленности [3, 4].

В качестве моделей, имитирующих свойства цементной композиции, изготавливались образцы из цементно-песчаного раствора состава 1:3 по массе с добавками (вес. %): хитозан - 1%; ПЭГС - 0,1%; хитозан - 1% + ПЭГС - 0,1%; хитозан - 1% + ПЭГС - 0,5%. На рис. 2 и 3 представлены результаты исследования поровой структуры модифицированных цементных композиций методом эталонной порометрии [5].

Из порограмм следует, что поровая структура образцов меняется от введения добавок ПЭГС в количестве 0,1% и 0,5% от массы цемента и хитозана в количестве 1% от массы цемента. Введение добавок влияет и на общий объем пор и на характер их распределения.

Как видно из рис. 2 и 3, в образцах цементного раствора, в состав которого входит добавка на основе ПЭГС в количестве 0,1% от массы цемента, значительно увеличивается объем геле-вых пор радиусом 10.. .102 Е и уменьшается объем пор контракции радиусом 103.104 Е. Однако объем капиллярных пор радиусом свыше 104 Е возрастает по сравнению с составом без добавок в 3 раза, что в дальнейшем будет способствовать развитию деструктивных процессов.

0,08

0,07

0,06

0,05

2 о 0,04

> 0,03

0,02

0,01

0

*

хг

—А-

- контроль

хитозан - 1 %

-ПЭГС-0,1%

-хитозан-1% + ПЭГС-0,1% -хитозан-1% + ПЭГС-0,5%

О

1

3

1д г, А

Рис. 2. Усредненные порограммы, измеренные методом эталонной порометрии, для цементных растворов, модифицированных ПЭГС и хитозаном

контроль

хитозан -1 %

ПЭГС-0,1%

хитозан-1 % + ПЭГС-0,1 %  хитозан-1 % + ПЭГС-0,5%

Рис. 3. Содержание пор в цементных растворах, модифицированных ПЭГС и хитозаном

ВЕСТНИК МГСУ-

3/2007

га П.

о

Результаты исследований поровой структуры модифицированных цементных растворов показали, что в образцах цементного раствора, в состав которого входит добавка на основе хитозана в количестве 1% от массы цемента общий объем пор незначительно снижается по сравнению с контрольным образцом без добавок. Однако меняется характер распределения пор. Гелевые поры занимают 19...20% объема материала, а суммарный объем контракционных и капиллярных пор не превышает 5%.

Введение комплексной добавки на основе ПЭГС - 0,1% от массы цемента и хитозана - 1% от массы цемента приводит к резкому увеличению общего объема пор (рис. 2). Поэтому, можно считать, что при длительной эксплуатации на промышленных предприятиях цементные бетоны и растворы, в состав которых входит такая добавка, будут подвергаться миграции влаги, агрессивных сред и микроорганизмов.

Наиболее эффективным способом снижения объема порового пространства цементных композиций является применение комплексной добавки на основе ПЭГС - 0,5% от массы цемента и хитозана - 1% от массы цемента.

Результаты испытаний образцов модифицированных цементных композиций на сжатие показали, что наибольшей прочностью обладают цементные композиции с добавкой на основе хитозана в количестве 2,0% по массе, а наименьшей - с добавкой на основе ПЭГС и хитозана в количестве 0,5% и 1,0% по массе соответственно (рис. 4).

Поэтому для модификации цементных композиций, исследуемых в нашей работе, следует отдать предпочтение добавке на основе хитозана, как с технологической точки зрения, так и с точки зрения физико-механических показателей.

Исследования биостойкости моделей цементных композиций проводились на кафедре микологии и альгологии на базе биологического факультета МГУ им. М.В. Ломоносова. Результаты исследований приведены в таблице 1.

Результаты испытаний показали, что затвердевший цементный раствор, как в чистом виде, так и с различными добавками (хитозан, ПЭГС, и смесь ПЭГС+хитозан), не является источником питания для плесневых грибов и может считаться грибостойким. Кроме того, данные цементные композиции обладают сильными фунгистатическими свойствами.

контроль

ЕПЭГС-0,1%

хитозан-0,4%

Рис. 4. Зависимость прочности при сжатии цементных композиций от содержания добавок ПЭГС и хитозана

Таблица 1

Результаты испытаний цементных композиций на грибостойкость по ГОСТ 9.048-89 и ГОСТ 9.049-91

Материал

Цементный раствор состава 1:3

Добавка

хитозан

ПЭГС

ПЭГС + хитозан

Оценка интенсивности развития пле с-невых грибов, баллы

Метод 1

0

0

Метод 2

0

0

Метод 3

0

0

В первоначальный период цементные растворы и бетоны обладают бактерицидными свойствами за счет щелочной среды поровой жидкости цементного камня. Но с течением времени они подвергаются карбонизации и теряют бактерицидные свойства [5].

Можно ожидать, что введение хитозана в цементную композицию, сопровождается изменением структуры как исходной матрицы вяжущего, так и биополимера, что естественно приводит к уменьшению доступности атаки плесневых грибов модифицированного таким образом материала. Другой вероятной причиной фунгицидного действия хитозана может быть ингибирование деятельности ферментов.

Ниже в таблице 2 приведены данные по исследованию биоцидной (фунгицидной) активности хитозана и ПЭГС.

0

0

0

0

0

0

3/2007

ВЕСТНИК

Таблица 2

Результаты исследований угнетающего действия хитозана и ПЭГС на развитие плесневых грибов

№ п/п Угнетающее действие на грибы, %

Вид гриба хитозан ПЭГС

1 неделя 2 недели 1 неделя 2 недели

1 Aspergillus niger 65 37 11 7

2 Aureobasidium pullulans 64 62 (+)3 (+)2

3 Pénicillium chrysogenum 43 6 (+)38 (+)54

4 P.cyclopium 62 35 0 (+)6

5 P.funiculosum 59 38 9 1

6 P.ochro-cloron 39 35 (+)7 (+)4

7 Paecilomyces varioti 100 100 1 (+)1

8 Trichoderma viride 82 — 0 —

Как видно из таблицы 2, уже к концу 1 -й недели хигозан обладает заметным угнетающим действием. Степень подавления роста грибов имеет значения, превышающие почти 40%. У пяти видов грибов этот показатель более 60%, а у Раесйотусев уапой он достигает 100%. К концу 2-й недели подавляющее действие хитозана для большинства видов в той или иной мере ослабевает, что, видимо, связано с естественным замедлением роста самих грибов. Однако для РаесПотусев уагюй этот показатель по-прежнему равен 100%. Таким образом, можно говорить об отчетливо выраженном фунгистатическом и даже фунгицидном действии хитозана.Полготилгидросилоксан показал почти полное отсутствие биоцидных свойств. Степень подавления роста грибов на среде ПЭГС колеблется от 0 до 11%, а иногда даже обладает стимулирующим действием. Поэтому, можно предположить, что при эксплуатации в условиях городской среды цементные растворы и бетоны, модифицированные ПЭГС, будут подвергаться разрушению под воздействием биологически активных сред.

Таким образом, совокупность полученных экспериментальных данных по исследованию поровой структуры, прочностных характеристик и биологической стойкости модифицированных цементных растворов позволяет сделать следующие выводы:

1. Введение добавки на основе хитозана в состав цементных композиций позволяет снизить общий объем пор и положительно влияет на характер их распределения.

2. Показано, что применение хитозана не ухудшает прочностные характеристики цементных бетонов и растворов.

3. Установлено, что цементные композиции, модифицированные хитозаном, обладают сильными фунгистатическими свойствами и могут быть рекомендованы к применению на промышленных предприятиях, эксплуатирующихся в условиях городской среды.

Библиографический список

1. Сидоров В.И., Никифорова Т.П., Сазонова Н.С., Доможилова Ю.В. Разработка композиций для каркасных полов с целью обеспечения экологической безопасности предприятий молочной промышленности. - Материалы международной научно-технической конференции «Экология урбанизированных территорий». - 15-16 июня 2006 г. - С. 69-71.

2. Сидоров В .И., Никифорова Т.П., Доможилова Ю.В. Обеспечение биостойкости зданий и сооружений предприятий молочной промышленности // Вестник МГСУ -№1. — 2007. -стр. 157-159.

3. Хитозан: нераскрытый веер возможностей // Серия публикационных материалов «Море и человек» - Вып. №1. - Москва. - 2003 г. - С.9-13.

4. Гальбрайх Л. С. Хитин и хитозан: строение, свойства, применение // Соросовский образовательный журнал, - т. 7. -№1. -2001. -стр. 51-56.

5. Вольфкович Ю. М., Багоцкий В. С., Сосенкин В. Е., Школьников Е. И. Методы эталонной порометрии и возможные области их применения в электрохимии. — Электрохимия. - 1980.- т. XVI. - вып. 11. - стр. 162-1652.