Строительные статьи

Исследование процесса биокоррозии строительных материалов методом математического планирования эксперимента

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 (I. 2]. Следовательно, особо актуальной становится задача нахождения коррозионно-устойчи - вых материалов.

Для максимального ускорения естественных процессов биокорро - Знн к пронЗводстаенны v Условиях и Выявления главных факторов, вли­яющих на процесс биокоррозии,

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, х,- х% ...хп 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=Х, ХлХ?. смысл которого в том. что уровни фактора Х4 в плане оп­ределяются как произведение фак­торов X,. Х2, Х313].

С целью определения оптималь­ных условий для развития тионовых бактерий, являющихся одной из важ - ных причин биокоррозин строитель­ных материалов, и в соответствии с дробной репликой полного фактор­ного эксперимента было проведено К опытов в двух повторностях.

Опытные растворы содержали компоненты, необходимые для развития тионовых бактерий: Na->S->Ov S. СаЛ(РОАЪ. (NH^SO^ NaiHP04 12НА MgS04, iNaHCO,, KCi. FeS04. ""

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: Na->S->0} — (Т). S - (S). Са,(Р04)2 - (Р), (NH4)2S04

— (iN). 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 хпя оценки их значимости. Основ -

Ным уровнем являются концентра­ции компонентов известных сред (среды Бейсринка и среды Ваксма - на). Размах варьирования выбирал­ся с учетом лимитируюшен области.

Цемеитно-песчан ые образцы - ку­бы (марка цемента М-400) известной массы и размера 2x2x2 см помеша­лись 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 матер иачов.

Обработка результатов экспери­ментов выполнялась на ЭВМ PC AT. Получены уравнения для изме­нения рН среды — Y], изменения массы — Y2 и прочности образцов строительных материалов — Y3. Y,=5,45-0.25 х, +0.27 х, (1) Y->= 12.5+2.5 х(-3.8 х3 (2)

Y5=8.43-0.29x,-0,03x4 (3)

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

Напомним, что X, — содержание Na2S203, Х3 - Са3(Р04)2. Х4 - (NH4)2S04 (табл. 2). "Как следует из уравнения (1). значение рН пони­жается с ростом содержания в среде Na2S203 и повышается с ростом Са3(Р04)2. Это объясняется биохи­мическим окислением Na2S203 и образованием H2S04 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 Na2S203 и повы­шается с увеличением Са3(Р04)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. thiopanis синтезирует серу микроб­ного происхождения и подкисляет среду до уровня рН=5.5, при кото­ром начинают развиваться Th. thioparus. потребляя серу микроб­ного происхождения.

В растворе Саз(Р04)2 диссоции­рует на Са-+ 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 Са3(Р04)2.

Как следует из уравнения (3). прочность образцов строительных ма­териалов Увеличивается с уменьшени­ем Na2S203 (X,) и (NH4)2S04 (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)2S04 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.

М и крое копичес кое иссл едова - ние поверхности образцов показа­ло. что структура цемента полно­стью разрушена и на поверхности остался один песок. Эти результаты подтверждены рентгеноструктур - ным анализом. На поверхности почти всех кубов наблюдались бе­лые включения (рис. а). Как пока­зал рентгеноструктурный анализ, это кристаллы гипса - CaS04 2Н20.

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 опти - мальная водная среда для протекания биокоррозионных изменений, г/л: Na7SX>3 - 9: S - 5: NaHC03 - 1: (NH4bS04 —0.5: KCf-0.5:Ca3(P04b

- 0.5; MgS04 - 0.5: Na2HP04 12H:0

- 0.2; FeS04 - 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.

]Т[ЩЖ^Н[Ы]01 Приглашает к сотрудничеству профессиональные рекламные агентства, имеющие серьезные наме— Строчную рекламу не предлагать!

ЖЕ^Гмот-Гсгс It o^op^vos/tms

Малое предпринимательство как и развитие среднего класса - примета нашего времени. Продукция средних и малых предприятий обеспечивает строительными материалами регионы, а это немаловаж­но для такой большой страны как Россия в современных экономических условиях, когда нет инвес­тиций на дорогостоящую реконструкцию крупных производств. Часто предприятия малой мощности становятся дополнительными источниками дохода, помогая выжить основному производству. Тесно связана с этим направлением реконструкция предприятий, продукция которых становится неконку­рентоспособной. Эти темы нашли отражение в данном номере журнала.

УХ. МАТВЕЕВ, д-р техн. наук. М. Н. ГИНДИН, канд. техн. наук (НИПТИ «Стройиндустрия, Москва)