Способ реставрации и ремонта изделий и сооружений из бетона и природного камня Российский патент 2024 года по МПК C04B41/62 

Изобретение относится к биологическим методам получения высокопрочных материалов на основе субстрата, содержащий источники кальция и углерода за счет жизнедеятельности грибов рода Trichoderma.

Изобретение может быть использовано для реставрации и ремонта конструкций и изделий из бетона и известняка.

В настоящее время бетон является основным строительным материалом. Технология его производства относительно проста, строительство с его применением возможно с максимальной скоростью. Вместе с тем появляются проблемы эрозии бетонных конструкций и ржавления арматуры, входящей в его структуру. Он воспринимает на себя экстремальные нагрузки, подвергается периодическим процессам замораживания и оттаивания, что сказывается на его целостности, как следствие - наблюдается процесс образования трещин.

То же самое касается конструкций и изделий из природного камня, который активно используют как в декоративных целях, так и в качестве материала для прикладного творчества. С учетом масштаба применение этих материалов разработка высокопрочного композиционного материала, позволяющего эффективно «залечивать» микротрещины является перспективной.

Работы в этом направлении ведутся непрерывно. Например, разработан метод реставрации несущих конструкций, железобетонных покрытий аэродромов, зон парковки автомобилей и т.п. (Патент РФ № 2369575 «Сухая строительная смесь для ремонтно-восстановительных работ». Патентообладатель: ОАО "26 ЦНИИ", 2009). Работы разделяют на подготовительные, в ходе которых производят разметку, удаление старых старого герметика и уплотнительных шнуров, нарезку пазов и др., и, собственно, ремонтные, когда подготовленную смесь затворяют водой и равномерно распределяют.

Недостатком метода является его сложность и трудоемкость, необходимость строго соблюдать технологию. На всех этапах требуется техника и специалисты. Также метод ограничен ровными поверхностями, несущими большие нагрузки, и не подходит для ремонта, например, памятников.

Известен метод использования инъекционных минеральных составов (патент РФ №2017704 «Композиция для реставрации древних сооружений из разрушающегося камня». Патентообладатель: Гребенников В.Б.). Согласно известному методу - после того, как обрабатываемый участок продувается воздухом под давлением, в полости вводят также под давлением специальный раствор, представляющий собой цемент с дополнительными присадками в виде нитрата натрия и хромата калия. Предполагается, что такой раствор обладает высокой проникающей способностью.

Недостаток метода заключается в невозможности проверить проникновение раствора на всю глубину трещины и способен ли он проникать в микротрещины.

Известен метод обработки цементобетонного покрытия за счет нанесения состава, включающего в себя поливинилбутираль в смеси с кварцевым песком (патент РФ №2101414 «Способ обработки цементобетонного покрытия», патентообладатель: Читинский государственный технический университет), согласно которому на поверхность цементобетонного покрытия наносят равномерный слой смеси порошка поливинилбутираля с кварцевым песком с последующим разогревом до температуры плавления высокомолекулярного вещества (250-300°С).

Недостатком метода является риск, что ремонтируемое изделия не выдержит температурного воздействия. Кроме того, ремонт осуществляется только поверхности и не учитывает возможность существования внутренних пор и трещин.

Помимо описанных выше химических методов ремонта изделий из бетона и натурального камня разрабатывают биологические.

В литературе описана технология использования спор гриба рода Trichoderma для восстановления трещин в бетоне. Споры гриба добавляют в массу бетона на стадии изготовления. При появлении трещин происходит контакт спор с кислородом и влагой, что приводит к их пробуждению. В дальнейшем, гифы грибов, разрастаясь, перераспределяют кальций, откладывают его в виде карбоната кальция в полости трещины, способствуя «залечиванию» трещины (Jing Luo, Xiaobo Chen, Jada Crump, Hui Zhou , David G. Davies, Guangwen Zhou, Ning Zhang, Congrui Jin. Interactions of Fungi with Concrete: Significant Importance for Bio-Based Self-Healing Concrete // Construction and Building Materials, 2018, Т. 164, С. 275-285).

Кроме грибов используют некоторые бактерии. Принцип метода аналогичный - внесение в массу бетона с их последующей активацией при повреждении конструкции (КОДЗОЕВ М.-Б. Х., ИСАЧЕНКО С.Л. Самовосстанавливающийся бетон // Бюллетень науки и практики, 2018, Т.4, 2018, С. 287-290; АЛЬ ДУЛАЙМИ САЛМАН ДАВУД САЛМАН Самовосстанавливающиеся бетоны, модифицированные микробиологической добавкой // автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук Москва, 2019).

Недостатком известных методов является низкая выживаемость гриба или бактерий в условиях, когда средой обитания является бетон, который является не характерным для их существования субстратом.

Таким образом, техническая проблема заключается в том, что существующие методы либо неприменимы для реставрации сооружений и изделий из натурального камня и бетона, либо дают ограниченный результат.

Техническая задача заключается в разработке метода, при котором возможно заделывание трещин и полостей как поверхностных, так и, что особо важно, глубоко залегающих.

Техническим результатом является заделывание трещин и полостей сооружений и изделий из бетона и искусственного камня как поверхностных, так и залегающих внутри изделия, упрощение их обработки.

Технический результат достигается при реализации способа реставрации и ремонта изделий и сооружений из бетона и природного камня, согласно которому изделия для ремонта или реставрации погружают в субстрат либо субстрат наносят на поверхность изделий или сооружений, выдерживают с субстратом по меньшей мере 2 месяца, поддерживая температуру и влажность, оптимальную для грибов рода Trichoderma, после чего отделяют от субстрата, при этом субстрат включает по меньшей мере споры грибов рода Trichoderma, а также источники минеральных элементов питания, углерода, кальция, калия и микроэлементов.

Технический результат достигается в результате обработки изделий и сооружений из бетона и искусственного камня субстратом, содержащим грибы Trichoderma, в ходе которого изделие погружают непосредственно в этот субстрат либо наносят увлаженный субстрат на поверхность изделия. Достижение технического результата связано с тем, что в состав используемого субстрата входят грибы рода Trichoderma и источники для обеспечения благоприятной среды их обитания. Способность грибов рода Trichoderma вовлекать в свой метаболизм ионы кальция, активно переносить в пространстве по мере роста гифов и откладывать на поверхностях трещин и пор в виде карбоната кальция позволяет обеспечить заделывание трещин и полостей как поверхностных, так и глубоко залегающих. Заделывание трещин обеспечивается в результате того, что при погружении в субстрат рабочий состав проникает внутрь трещин изделия и их «залечивает».

В результате действия грибов рода Trichoderma происходит процесс карбонизации и на месте трещин и полостей изделия или сооружений образуется высокопрочный композиционный материал.

В ходе исследований установили, что для зримого результата необходимо не менее двух месяцев культивирования грибов в субстрате и, соответственно, нахождения изделия для ремонта или реставрации в субстрате. По истечении двух месяцев - оценивают степень восстановления. При необходимости на усмотрение специалиста (зависит в том числе от размеров изделия) процедура может быть повторена до получения желаемого результата.

Предпочтительно состав субстрата включает следующие компоненты: древесные опилки, кокосовый грунт, голубую глину, древесную золу, споры Trichoderma, доломитовую муку. При этом субстрат может содержать и другие компоненты, известные специалистам в этой области техники и которые используются для обеспечения жизнедеятельности грибов Trichoderma.

Наиболее предпочтительно соотношение указанных компонентов субстрата составляет: 40:40:5:5:5:5. Соотношение может меняться в широком диапазоне, т.к. даже минимальных количеств каждого компонента хватает для обеспечения жизнедеятельности грибов, что также является известным для специалистов в этой области техники. При использовании в составе субстрата других компонентов - соотношение может меняться на усмотрение специалиста, но при этом обеспечивать жизнедеятельность грибов Trichoderma.

Указанный предпочтительный состав субстрата обеспечивает продолжительный рост и развитие грибов Trichoderma.

Состав субстрата и соотношение между компонентами может влиять на параметры роста, но не на достижение технического результата.

Изобретение поясняется следующими фигурами.

На фигуре 1 приведены фото использующихся компонентов для субстрата, где 1 - грунт (торф кокосовый), 2 - древесные опилки, 3 - доломитовая мука, 4 - глина, 5 - зола, 6 - триходерма (Trichoderm).

На фигуре 2 приведен вид сверху на блок многокомпонентного субстрата для роста и развития грибов рода Trichoderma через 2 месяца после заселения.

На фигуре 3 приведена боковая проекция блока многокомпонентного субстрата для роста и развития грибов рода Trichoderma через 2 месяца после заселения.

На фигуре 4 приведен вид с угла на блок многокомпонентного субстрата для роста и развития грибов рода Trichoderma через 2 месяца после заселения.

На фигуре 5 приведен лист 1 протокола лабораторного анализа химического состава образцов.

На фигуре 6 приведен лист 2 протокола лабораторного анализа химического состава образцов.

Способ реставрации (ремонта) изделий из бетона и природного камня высокопрочным композиционным материалом, полученным методом карбонизации субстрата грибами рода Trichoderma осуществляется следующим образом.

Изделия для ремонта или реставрации погружают в субстрат, который включает по меньшей мере грибы рода Trichoderma, а также источники минеральных элементов питания, углерода, кальция, калия и микроэлементов, выдерживают в субстрате по меньшей мере 2 месяца, поддерживая температуру и влажность, оптимальную для грибов рода Trichoderma. После этого периода изделие извлекают и оценивают степень восстановления. При необходимости процедуру повторяют до получения желаемого результата.

Ниже представлены примеры реализации способа, иллюстрирующие, но не ограничивающие его.

Осуществляют подготовку субстрата.

В приведенном примере реализации для подготовки субстрата использовали компоненты, приведенные на фигуре 1.

В состав в равных долях (по 40% объема) вошел грунт кокосовый и опилки древесных пород деревьев. Кокосовый грунт служит донором минеральных элементов питания, а опилки - источником углерода. Все остальные компоненты добавляли из расчета по 5% объема. Доломитовая мука и глина голубая являются источником кальция, зола - источником калия и микроэлементов.

Такой состав субстрата является оптимальным и обеспечивает продолжительный рост и развитие грибов, что необходимо для биовосстановления изделий из бетона и натурального камня.

Кислотность среды составила - 6,8 рН.

Компоненты перемешивают. После перемешивания полученную смесь увлажняли и помещали в ящики. Влажность поддерживали на уровне 20% (такое значение влажности является оптимальным для роста и развития гриба, незначительные отклонения допустимы, что является известным для специалиста).

По результатам двухмесячного культивирования проанализировали состояние субстратов.

Выявили, что все субстраты были пронизаны гифами грибов. За счет перераспределения кальция субстраты приобрели признаки монолитности (фигуры 2-4).

Далее, были проведены лабораторные анализы полученных образцов на прочность и на способность грибов перераспределять кальций по субстрату (фигуры 5, 6). Приведенные в протоколе результаты подтвердили данную способность грибов, количество кальция в анализируемом образце выше, чем в исходном субстрате. Также в протоколе исследований наблюдаются изменения в количественном содержании таких микроэлементов, как фосфор, калий и азот в результате активного роста и развития грибов.

Для реализации способа реставрации изделий из бетона и природного камня высокопрочным композиционным материалом, полученным методом карбонизации субстрата грибами рода Trichoderma использовали два куска бетонной брусчатки со следами эрозии.

В свежеприготовленный субстрат (как указано выше) плотно друг к другу поместили два куска бетонной брусчатки со следами эрозии. Поддерживали влажность субстрата на уровне 20%. Проводили еженедельное визуальное наблюдение и фотофиксацию (таблица 1, фигуры 7, 8). Спустя две недели субстрат начал менять окрас за счет разрастающихся гифов грибов. Появился характерный грибной запах.

Через 2 месяца брусчатку извлекли и осмотрели. Между ними и на поверхности обнаружены карбонатные отложения, что доказывает эффективность метода. Бóльшие сроки экспозиции дадут более выраженный результат, однако, полученные данные уже подтверждают достижение технического результата, заключающегося в заделывании трещин и полостей сооружений и изделий из бетона и искусственного камня как поверхностных, так и залегающих внутри изделия, упрощении их обработки.

Способность гифов грибов проникать глубоко в субстрат и в самые малые трещины изделий (что является известным для специалистов) обеспечивает «залечивание» внутренних трещин и полостей, при этом наличие субстрата, в котором находится изделие для реставрации, обеспечивает и поддерживает жизнедеятельность и сохраняет эффективность процесса.

Таким образом, в представленных примерах показана способность грибов к перемещению кальция и возможность заделывать трещины и щели изделий из натурального камня и бетона. Способность иннокулировать субстрат и объект реставрации увеличивает продолжительность, следовательно, эффективность метода.

Заявленный метод восстановления изделий из бетона и натурального камня можно использовать для деликатного ремонта штучных изделий со значительной степенью износа, что характерно памятникам из натурального камня, и тем самым расширяет методологическую базу реставрационных и ремонтных работ.

Тем самым доказывается высокая актуальность предложенной технологии, а также достижение технического результата: заделывание трещин и полостей сооружений и изделий из бетона и искусственного камня как поверхностных, так и залегающих внутри изделия, упрощение их обработки.

Изобретение относится к биологическим методам получения высокопрочных материалов. Технический результат - заделывание трещин и полостей сооружений и изделий из бетона и искусственного камня как поверхностных, так и залегающих внутри изделия, упрощение их обработки. В способе реставрации и ремонта изделий и сооружений из бетона и природного камня с использованием спор грибов рода Trichoderma изделия погружают в увлажненный субстрат либо на поверхность изделий или сооружений наносят увлажненный субстрат, выдерживают по меньшей мере 2 месяца, поддерживая влажность на уровне 20% и температуру, оптимальную для грибов рода Trichoderma, после чего отделяют изделия или сооружения от субстрата. Указанный субстрат содержит, об.%: древесные опилки 40; кокосовый грунт 40; голубую глину 5; древесную золу 5; споры грибов рода Trichoderma 5; доломитовую муку 5. Способ дополнительно включает стадию приготовления указанного увлажненного субстрата путем перемешивания входящих в его состав компонентов и последующего увлажнения. 1 з.п. ф-лы, 8 ил., 1 табл.

1. Способ реставрации и ремонта изделий и сооружений из бетона и природного камня с использованием спор грибов рода Trichoderma, согласно которому изделия погружают в увлажненный субстрат либо на поверхность изделий или сооружений наносят увлажненный субстрат, выдерживают по меньшей мере 2 месяца, поддерживая влажность на уровне 20% и температуру, оптимальную для грибов рода Trichoderma, после чего отделяют изделия или сооружения от субстрата, при этом указанный субстрат содержит, об.%: древесные опилки 40; кокосовый грунт 40; голубую глину 5; древесную золу 5; споры грибов рода Trichoderma 5; доломитовую муку 5.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что дополнительно включает стадию приготовления указанного увлажненного субстрата путем перемешивания входящих в его состав компонентов и последующего увлажнения.