30 Май 2016

 

С.В. СВЕРГУЗОВА, канд. техн. наук, Е.Н. ГОНЧАРОВА, канд. биол. наук,
Ю.В. БУРАКОВА, студентка (БелГТАСМ)

 

Строительные сооружения при эксплуатации подвергаются коррозии. В настоящее время нет эффективных способов определения устойчивости строительных материалов к микробам, несмотря на то, что данный вид коррозии является одним из наиболее опасных, поскольку воздействие микроорганизмов происходит незаметно, а эффект падения прочности может быть значительным [1, 2]. Следовательно, особо актуальной становится задача нахождения коррозионно-устойчивых материалов.

 

Для максимального ускорения естественных процессов биокоррозии в производственных условиях и выявления главных факторов, влияющих на процесс биокоррозии, нами была поставлена цель создания наиболее благоприятных условий развития бактерий, вызывающих микробную коррозию бетона. Данная работа посвящена экспериментальному определению оптимальных условий развития биокоррозии под воздействием тионовых бактерий и последующей обработке экспериментальных данных с помощью методов математической статистики.

 

Работа проводилась с целью прогнозирования возможных микробиологических разрушений строительных материалов и создания биокоррозионно-устойчивых строительных композиций.

 

Таблица 1

Компоненты в г/л дистиллированной воды Среда Ваксмана для Th. thiooxidans Среда Бейеринка для Th. thioparus
Сера 10
Na2S2O3-5H2O 5 5
(NH4)2SO4 0,3 0,2
K2HPO4 3 3
CaCl2-6H2O 0,25 0,25
MaSO4-7H2O 0,5 0,5
FeSO4-7H2O 0,01 0,01
Раствор микроэлементов по Древсу 10 мл 10 мл
рН 4,5-5 7,5-8

 

Таблица 2

Компонент среды Обозначение Фактор Средний уровень 0 Нижний уровень Верхний уровень + Интервал варьирования
Na2S2O3 T Xi 5 1 9 4
S S X2 10 5 15 5
Ca3(PO4)2 P X3 2,5 0,5 4,5 2
(NH4)2SO4 N X4 2 0,5 3,5 1,5
Na2HPO4-12H2O постоянный уровень — 0,2
MgSO4 постоянный уровень — 0,5
NaHCO3 постоянный уровень — 1
KCl постоянный уровень — 0,5
FeSO4 постоянный уровень — следы

 

С целью повышения эффективности и качества научных исследований нами использован метод математического планирования эксперимента.

 

Объекты, на которых проводятся эксперименты, отличаются протекающими в них процессами и характеризуются обязательным условием — все входные переменные, или факторы, х1, х2, …хn должны быть управляемыми. Этого требует сама постановка планирования эксперимента, предполагающего активное вмешательство в ход исследований.

 

В наших исследованиях был использован план дробного факторного эксперимента ДФЭ 24-1, в котором изучалось влияние на процесс биокоррозии четырех различных факторов.

 

Условие построения плана может быть записано в виде равенства: Х4=Х1Х2Хз, смысл которого в том, что уровни фактора Х4 в плане определяются как произведение факторов Xi, Х2, Х3 [3].

 

С целью определения оптимальных условий для развития тионовых бактерий, являющихся одной из важных причин биокоррозии строительных материалов, и в соответствии с дробной репликой полного факторного эксперимента было проведено 8 опытов в двух повторностях.

 

Опытные растворы содержали компоненты, необходимые для развития тионовых бактерий: Na2S2O3, S, Ca3(PO4)2, (NH^SO^ Na2HPO412H2O, MgSO4, NaHCO3, KCl, FeSO4.

 

Среда для разведения тионовых бактерий составлялась на основе двух известных микробиологических сред для развития тионовых бактерий: среды Бейеринка и среды Ваксмана. Состав этих сред приведен в табл. 1.

 

Оптимизация проводилась по четырем факторам: Na2S2O3 — (T), S — (S), Ca3(PO4)2 — (P), (NH4)2SO4 — (N). Характеристика факторов, влияющих на развитие тионовых бактерий, и их интервалы варьирования представлены в табл. 2.

 

В соответствии с планом эксперимента готовилось 8 сред, в которых исчерпаны все возможные комбинации изучаемых факторов на двух уровнях. Выбор среднего уровня (0) и интервала варьирования факторов имеет большое значение для оценки их значимости. Основным уровнем являются концентрации компонентов известных сред (среды Бейеринка и среды Ваксмана). Размах варьирования выбирался с учетом лимитирующей области.

образование кристаллов и каррозийные трещины

а) — образование кристаллов двуводного гипса на поверхности цементно-песчаных образцов;

б) — коррозионные трещины на поверхности образца, подвергшегося микробной коррозии

 

Цементно-песчаные образцы-кубы (марка цемента М-400) известной массы и размера 2x2x2 см помещались в стеклянные сосуды и заливались опытной средой. Эксперимент продолжался в течение 480 сут. В среднем через каждые 5 сут снимались значения рН. По окончании эксперимента проводились измерения массы, объема и прочности при сжатии образцов строительных материалов.

 

Обработка результатов экспериментов выполнялась на ЭВМ РС АТ. Получены уравнения для изменения рН среды — Y1, изменения массы — Y2 и прочности образцов строительных материалов — Y3.

Y1=5,45-0,25-x1+0,27-x3      (1)
Y2=12,5+2,5-x1-3,8-x3     (2)
Y3=8,43-0,29-x1-0,03-x4     (3)

Коэффициенты регрессии значимы по критерию Фишера, и полученная модель адекватна процессу коррозии.

 

Напомним, что X1 — содержание Na2S2O3, Х3 — Са3(РОЦ2, Х4 -(NH4)2SO4 (табл. 2). Как следует из уравнения (1), значение рН понижается с ростом содержания в среде Na2S2O3 и повышается с ростом Саз(Р04)2. Это объясняется биохимическим окислением Na2S2O3 и образованием H2SO4 микробного происхождения, что влечет за собой снижение рН. Чем ниже рН, тем интенсивнее протекает процесс разрушения бетонного камня.

 

Как следует из уравнения (2), масса образцов уменьшается с увеличением содержания Na2S2O3 и повышается с увеличением Ca3(PO4)2. Это связано с тем, что основным питательным субстратом для бактерий Th. thioparus является тиосульфат. Наличие серы не является определяющим фактором, так как в ходе биохимических процессов Th. thioparus синтезирует серу микробного происхождения и подкисляет среду до уровня рН=5,5, при котором начинают развиваться Th. thioparus, потребляя серу микробного происхождения.

 

В растворе Ca3(PO4)2 диссоциирует на Са2+ и фосфат-ионы. Высокое содержание Са2+ в среде препятствует выщелачиванию кальция из образцов. Поэтому масса образцов строительных материалов уменьшается гораздо меньше в растворах, содержащих большие концентрации Ca3(PO4)2.

 

Как следует из уравнения (3), прочность образцов строительных материалов увеличивается с уменьшением Na2S2O3 (Х1) и (NH4)2SO4 (Х4). Тиосульфат является основным питательным субстратом для бактерий Th. thioparus. Чем больше тиосульфата в среде, тем выше скорость размножения бактерий, больше содержание серной кислоты в среде, а следовательно, меньше прочность образцов. (NH4)2SO4 содержит в своем составе биогенный элемент — азот, который необходим для роста и размножения бактериальных клеток, синтеза белков и нуклеиновых кислот. С повышением в среде солей аммония возрастает интенсивность развития бактерий (при наличии тиосульфата), и тем больше, соответственно, выделяется серной кислоты, вызывающей коррозию бетона.

 

Микроскопическое исследование поверхности образцов показало, что структура цемента полностью разрушена и на поверхности остался один песок. Эти результаты подтверждены рентгеноструктурным анализом. На поверхности почти всех кубов наблюдались белые включения (рис. а). Как показал рентгеноструктурный анализ, это кристаллы гипса — CaSO4.2H2O.

 

На рисунке б видно также образование на поверхности образцов глубоких трещин. Данное явление наблюдалось у всех образцов. Наиболее глубокие трещины были на образцах, которые находились в средах, содержащих оптимальное количество необходимых для развития бактерий элементов, что свидетельствует об интенсивной коррозии в этих средах и о глубоких изменениях в структуре цементного камня.

 

В результате проведенных исследований была определена оптимальная водная среда для протекания биокоррозионных изменений, г/л: Na2S2O3 — 9; S — 5; NaHCO3 — 1; (NH4)2SO4 — 0,5; KCl — 0,5; Ca3(PO4)2 — 0,5; MgSO4 — 0,5; Na2HPO412H2O — 0,2; FeSO4 — следы.

 

Условия, использованные нами в эксперименте, дают возможность максимально ускорить процесс биокоррозии в лабораторных условиях, что позволяет в короткие сроки исследовать развитие процесса коррозии строительных материалов. Это значительно сокращает сроки испытания строительных материалов на их сопротивляемость биокоррозии и повышает экономичность самого процесса испытания. Разрабатываемая нами методика позволит быстро и эффективно диагностировать строительные материалы на их уязвимость к биокоррозии и создавать строительные композиции, устойчивые к биологическим разрушениям.

 

Список литературы

  1. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. Под ред. А.А. Герасименко. Справочник. М.: Машиностроение, 1987.
  2. Иванов Ф.М. Биокоррозия неорганических строительных материалов // Биоповреждения в строительстве: Сб. научн. тр. / Под ред. Иванова Ф.М. М.: Стройиздат, 1984. С. 183—188.
  3. Максимов В.Н. Многофакторный эксперимент в биологии. М.: Изд-во МГУ, 1980.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»