ТРЕХКОМПОНЕНТНАЯ ДОБАВКА ДЛЯ САМОЗАЛЕЧИВАНИЯ ТРЕЩИН БЕТОНА Российский патент 2024 года по МПК C04B28/00 

Область применения и использования: изобретение может быть использовано для получения добавки к строительным растворам, бетонам, сухим строительным смесям на цементной основе.

Известен способ получения добавки для бетонной смеси, когда бактерии вида В. Pseudofirmus на синтетической питательной среде с добавкой мочевины иммобилизуют с применением смеси: лактат кальция, хлорид кальция, микрокремнезем и раствор гексаметафосфата натрия (Гончарова М.А., Ярцев М.А., Калмыкова Е.Н., Дергунова Е.С.; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Липецкий государственный технический университет". Патент РФ № 2 777 437, МПК С04 В 24/00. № 2021110918; Заявл.16.04.2021; Опубл. 03.08.2022, Бюл.№22). Недостатком является непрогнозируемое время залечивания трещин, т.к. минеральная добавка микрокремнезем вводится только с целью повышения прочности и сокращения времени твердения, и ее дозировка не корректируется под создание оптимальных условий для деятельности бактерий по залечиванию трещин.

Существует способ получения гибридных органоминеральных микрокапсул для бетонных смесей и строительных растворов (Туробова М.А., Данилов В.Е., Айзенштадт А.М., Морозова М.В., Гарамов Г.А.; Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Северный (Арктический) федеральный университет имени М. В. Ломоносова». Патент РФ № 2 756 655, МПК С04 В 16/00. № 2020138930; Заявл.27.11.2020; Опубл. 04.10.2021, Бюл.№28), при котором смешивают тонкодисперсную смесь активной пуццолановой добавки (сапонитсодержащий материал) с механоактивированной известью сопоставимой степени дисперсности и биоразлагаемым полимером, смесь перемешивают, после чего выдерживают до полной полимеризации в течение 20 мин. с дальнейшим ее измельчением до размера частиц не более 1 мкм. Недостатком предлагаемого способа является необходимость обеспечения постоянной высокой влажности для гидратации компонентов добавки и формирования гидросиликатов кальция.

Наиболее близким техническим решением является биодобавка для бетонной смеси (Дудынов С.В., Черкасов В.Д., Бузулуков В.И.; Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва". Патент РФ № 2 488 564, МПК С04 В 28/00. № 2011152732/03; Заявл. 22.12.2011; Опубл. 27.07.2013, Бюл.№21), содержащая микроорганизм вида Leuconostoc mesenteroides, которая дополнительно содержит микрокремнезем в количестве 56-67 масс.%. Добавка повышает подвижность бетонной смеси при сохранении прочности бетона. При этом добавка не гранулируется, поэтому ее действие ограничивается сроком набора прочности бетона или раствора, но не сроком эксплуатации.

Известна добавка для самозалечивания трещин бетона, содержащая гранулы с бактериями Bacillus subtilis, кальцийсодержащее питательное вещество в виде лактата кальция (ЕРОФЕЕВ В.Т. и др. Бактерии для получения самовосстанавливающих бетонов. Интернет-журнал «Транспортные сооружения», 2018г., 4, том.5, стр.5). Указанный источник по технической сущности и достигаемому результату является наиболее близким к предложенному изобретению и выбран в качестве прототипа.

Технической задачей и результатом предполагаемого изобретения является разработка трехкомпонентной добавки, включающей гранулы с микроорганизмами Bacillus subtilis, лактат кальция, пуццолановую добавку в виде микрокремнезема или золы-унос, или метакаолина, обладающей способностью заращивания трещин бетона шириной до 500 мкм.

Технический результат достигается за счет того, что добавка для самозалечивания трещин бетона, содержит гранулы с бактериями Bacillus subtilis, кальцийсодержащее питательное вещество в виде лактата кальция, согласно изобретения, она дополнительно содержит пуццолановую добавку - метакаолин или микрокремнезем, или золу-унос при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гранулы с бактериями Bacillus subtilis 19,9 Лактат кальция 0,4 Метакоалин 79,7

или микрокремнезем, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гранулы с бактериями Bacillus subtilis 14,2 Лактат кальция 0,3 Микрокремнезем 85,5

или зола-унос, при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гранулы с бактериями Bacillus subtilis 11,1 Лактат кальция 0,2 Зола-унос 88,7

Сущность предлагаемого решения состоит в том, что в состав трехкомпонентной добавки для изготовления строительных конструкций на основе цемента, кроме гранул с микроорганизмами Bacillus subtilis и кальцийсодержащего питательного вещества (лактат кальция), входит пуццолановая добавка (микрокремнезем, зола-унос или метакаолин) в дозировке, обеспечивающей понижение уровня pH материала до 10,5-11, благодаря чему повышается жизнеспособность бактерий и увеличивается срок их работы по заполнению трещин шириной до 500 мкм.

Известно, что биодобавки из бактерий вида Bacillus subtilis, Sporosarcinapasteuriie, Sporosarcinapasteurii (Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой: диссертация … кандидата технических наук: 05.23.05 / Аль Дулайми Салман Давуд Салман; [Место защиты: Российский университет транспорта]. - Москва, 2019. - 310 с.: ил.) способны залечивать трещины, возникающие в строительных конструкциях под действием нагрузок или агрессивной окружающей среды. Бактерии вида Bacillus subtilis при наличии кальцийсодержащего питательного вещества, например, лактата кальция в процессе своей жизнедеятельности выделяют карбонат кальция (кальцит), который кристаллизуется в трещинах и постепенно заполняет их, восстанавливая сплошность строительных материалов.

Согласно биологической характеристики штамма Bacillus subtilis (МУК 4.2.2770-10 Метод микробиологического измерения концентрации клеток микроорганизма Bacillus subtilis Ч-13 в воздухе рабочей зоны), рост бактерий происходит при рН от 4,5 до 8,0. При этом обычные цементные бетоны, растворы и сухие строительные смеси имеют pH не менее 11,5 (Прочность, трещиностойкость и долговечность конструкционного бетона при температурных и коррозионных воздействиях: в 2 ч. / С. Н. Леонович [и др.], под ред. С. Н. Леоновича. – Минск: БНТУ, 2016). В связи с чем, эффективность залечивания трещин без учета уровня pH среды, значительно снижается и не может достоверно прогнозироваться, т.к. обычно уровень pH цементных материалов является неблагоприятным для деятельности бактерий.

Лактат кальция представляет собой кальциевую соль молочной кислоты, он используется в виде сухого порошка белого цвета. Пуццолановые добавки также представляют собой сухие порошки, которые содержат активное вещество (пуццолану), способное связывать выделяющийся при твердении цемента гидроксид кальция в гидросиликаты кальция или подобные соединения. Порошок микрокремнезема состоит на 85% из активной пуццоланы в виде аморфного кремнезема (SiO₂), зола-унос также содержит аморфный кремнезем около 65%, пуццолана в метакаолине представлена аморфным метакаолинитом (Al₂O₃·SiO₂) в количестве 90%.

Трехкомпонентную добавку получают следующим образом.

В водную взвесь бактерий Bacillus subtilis в концентрации не менее 108 КОЕ/л вводят альгинат натрия в соотношении взвесь бактерий:альгинат натрия равном 50:1. Полученную жидкость медленно закачивают в иглу шприца с помощью перистальтического насоса, который затем доставляет капли размером 0,05-0,5 мм в емкость с 2%-ным раствором хлорида кальция, поставленную на магнитную мешалку, с образованием отвержденных по поверхности гранул в течение 10 минут. Далее гранулы достают из раствора и смешивают с лактатом кальция, а затем с пуццолановой добавкой, причем соотношение компонентов в трех вариантах смеси составляет гранулы:лактаткальция:метакаолин 50:1:200; или гранулы:лактат кальция:микрокремнезем 50:1:300; или гранулы:лактат кальция:зола-унос 50:1:400, и затем получают три варианта составов трехкомпонентной добавки при следующем содержании компонентов, мас.%, 1-ый, 2-ой и 3-ий варианты:

Вариант1, состав добавки, масс%
Гранулы с бактериями Bacillus subtilis
Лактат кальция
Метакоалин 19,9
0,4
79,7 Вариант 2, состав добавки, масс%
Гранулы с бактериями Bacillus subtilis
Лактат кальция
Микрокремнезем 14,2
0,3
85,5 Вариант 3, состав добавки, масс%
Гранулы с бактериями Bacillus subtilis
Лактат кальция
Зола-унос 11,1
0,2
88,7

Пример1. Получение трехкомпонентной добавки по 1-му варианту. В 50 г водной взвеси бактерий Bacillus subtilis в концентрации не менее 108 КОЕ/л вводят 1 г альгината натрия и тщательно перемешивают до однородного состояния. Полученную жидкость каплями размером 0,05-0,5 мм через шприц подают в ёмкость с 2%-ным раствором хлорида кальция, поставленную на магнитную мешалку; в течение 10 минут в емкости образуются отвердевшие гранулы с бактериями Bacillus subtilis. Далее гранулы достают из раствора, промывают водой и дают стечь воде. Затем полученные гранулы в количестве 19,9 г смешивают с 0,4 г лактата кальция, к полученной смеси затем добавляют пуццолановую добавку в виде метакоалина в количестве 79,7 г.

Пример 2. Получение трехкомпонентной добавки по 2-му варианту. Производят получение отвердевших гранул по примеру 1. Далее гранулы в количестве 14,2 г смешивают с 0,3 г лактата кальция и к полученной смеси добавляют микрокремнезем в количестве 85,5 г.

Пример 3. Получение трехкомпонентной добавки по 3-му варианту. Производят получение отвердевших гранул по примеру 1. Далее гранулы в количестве 11,1 г смешивают с 0,2 г лактата кальция и к полученной смеси добавляют золу-унос в количестве 88,7 г.

В табл.1 приведены результаты испытаний действия трех составов трехкомпонентной добавки (с метакаолином, с микрокремнеземом, с золой-унос), внесенной в бетонную смесь, по эффективности заращивания трещин бетона.

Добавку вводят во время приготовления мелкозернистой бетонной смеси с добавкой пластификатором на нафталинсульфоформальдегидной основе, например, трехкомпонентную добавку, состоящую из гранул с микроорганизмами, лактата кальция и метакаолина (табл.1, опыт 2) вводят в количестве 5 мас.% от массы цемента при водо-цементном отношении 0,32 во время приготовления мелкозернистой бетонной смеси состава, например, цемент:песок 1:2,5 с добавкой пластификатора на нафталинсульфоформальдегидной основе в количестве 0,5мас.% от массы цемента.

Отмеренные компоненты бетонной смеси и трехкомпонентной добавки состава, указанного в опытах 1-4 табл. 1, перемешивают в смесителе. Затем полученные из указанной смеси отформованные бетонные образцы в виде цилиндров диаметром 4 см и высотой 1 см твердеют в нормальных условиях 28 суток, параллельно твердеют образцы-кубы 7х7х7 см, изготовленные также из указанной смеси для контроля прочности. По прошествии 28 суток в образцах-цилиндрах закладывают трещину с помощью тисков при контроле прикладываемого усилия. При трещинообразовании обнажается поверхность или происходит раскол гранул с бактериями. Далее образцы с трещинами подвергают циклам увлажнение (48 часов) - высушивание (48 часов). При поступлении воды и воздуха бактерии начинают свою жизнедеятельность, поглощая лактат кальция и выделяя в трещину кальцит. Зарастание трещин контролируют с помощью оптического микроскопа. По образцам-кубам в возрасте 28 суток определяют прочность бетона при сжатии разрушающим методом с помощью измерительного пресса.

Таблица 1

Наименование показателей Номер опыта 1 (прото тип) 2 3 4 Вид пуццоланового компонента в трехкомпонентной добавке нет метакаолин микрокремнезем зола-унос Соотношение гранулы:лактат кальция:пуццолановая добавка 50:1:0 50:1:200 50:1:300 50:1:400 Дозировка трехкомпонентной добавки от массы цемента, % 1 5 7 9 pH бетона в 28 суток твердения 12,4 10,8 10,5 11,0 Количество циклов увлажнения-высушивания до остановки зарастания трещин на образцах 4 7 7 7 Число суток до остановки зарастания трещин на образцах 16 28 28 28 Максимальная ширина заросшей трещины, мкм 310 480 500 420 Прочность бетона при сжатии в 28 суток твердения, МПа 22,4 23,6 22,2 23,8

Как видно из приведенных в таблице 1 результатов, действие бактерий в присутствии трехкомпонентной добавки (состав добавки по опыту 2-4, табл.1) удлиняется, а возможная для заращивания ширина трещин увеличивается, что делает трехкомпонентную добавку более эффективной по сравнению с прототипом.

Таким образом, за счет увеличения времени действия бактерий трехкомпонентной добавки достигается технический результат.

Изобретение относится к строительным материалам, а именно к добавкам для бетонных смесей, и может быть использовано для получения добавки к строительным растворам, бетонам, сухим строительным смесям на цементной основе. Технической задачей и результатом предлагаемого изобретения является разработка трехкомпонентной добавки, обладающей способностью заращивания трещин бетона шириной до 500 мкм. Добавка для самозалечивания трещин бетона содержит гранулы с бактериями Bacillus subtilis, кальцийсодержащее питательное вещество в виде лактата кальция и дополнительно содержит пуццолановую добавку – метакаолин, или микрокремнезем, или золу-унос при следующем соотношении компонентов, мас.%: гранулы с бактериями Bacillus subtilis - 19,9, лактат кальция - 0,4, метакаолин - 79,7, или при следующем соотношении компонентов, мас.%: гранулы с бактериями Bacillus subtilis - 14,2, лактат кальция - 0,3, микрокремнезем - 85,5, или при следующем соотношении компонентов, мас.%: гранулы с бактериями Bacillus subtilis - 11,1, лактат кальция - 0,2, зола-унос - 88,7. 1 табл.

Добавка для самозалечивания трещин бетона, содержащая гранулы с бактериями Bacillus subtilis, кальцийсодержащее питательное вещество в виде лактата кальция, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит пуццолановую добавку – метакаолин, или микрокремнезем, или золу-унос при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гранулы с бактериями Bacillus subtilis 19,9 Лактат кальция 0,4 Метакаолин 79,7,

или при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гранулы с бактериями Bacillus subtilis 14,2 Лактат кальция 0,3 Микрокремнезем 85,5,

или при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Гранулы с бактериями Bacillus subtilis 11,1 Лактат кальция 0,2 Зола-унос 88,7