Исследование влияния уреазных биодобавок на пористость и водопоглощение цементных композитов

Представлены результаты применения процесса биоминерализации в бетонах для улучшения таких свойств бетона, как пористость и водопоглощение. В результате исследований дана оценка активности уреазных биодобавок на основе штамма Bacillus subtilis и изолятов, выделенных из образцов черноземной почвы Елецкого района Липецкой области. Установлено, что иммобилизованные бактерии немного отличаются от нативной формы по значениям уреазной активности, однако при хранении в течение более 50 сут сохраняют свою активность на высоком уровне, а нативные микроорганизмы теряют способность к жизнедеятельности, снижая уреазную активность практически в десять раз до минимальных значений. Также выявлено, что при использовании портландцемента различных типов наблюдается снижение водопоглощения до 30%, а также снижается пористость до 40%. Применение различных типов мелкого заполнителя также оказывает влияние на пористость; так, при использовании одинаковых частей песка П1 и П2 пористость ниже, чем при однородном мелком заполнителе. Также отмечено, что у всех образцов возросли прочностные характеристики – прочность при сжатие и прочность при изгибе на 15–25% соответственно. Таким образом, использование биодобавок является оптимальным для достижения улучшенных характеристик бетона.

М.А. ГОНЧАРОВА, д-р техн. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
Е.С. ДЕРГУНОВА, канд. хим. наук (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
А.А. СВЕРДЛОВ, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
М.А. СДВИЖКОВ, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.),
А.В. ЧИГАСОВ, инженер (Адрес электронной почты защищен от спам-ботов. Для просмотра адреса в вашем браузере должен быть включен Javascript.)

Липецкий государственный технический университет (398055, г. Липецк, ул. Московская, 30)

1. Prabhath Ranjan Kumar Soda, Asheer Mogal, Kalyan Chakravarthy, Nikhil Thota, Nimish Bandaru, Sanjay Kumar Shukla, Performance assessment of sustainable biocement mortar incorporated with bacteria-encapsulated cement-coated alginate beads. Construction and Building Materials. 2024. Vol. 411. 134198. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.134198
2. Гончарова М.А., Дергунова Е.С. Реологические характеристики бетонных смесей, модифицированных уреазными биодобавками // Научный журнал строительства и архитектуры. 2024. № 3 (75). С. 55–65. https://doi.org/10.36622/2541-7592.2024.75.3.005
2. Goncharova M.A., Dergunova E.S. Rheological characteristics of concrete mixtures modified with urease additives. Nauchnyi zhurnal stroitel’stva i arkhitektury. 2024. No. 3 (75), pp. 55–65. (In Russian). https://doi.org/10.36622/2541-7592.2024.75.3.005
3. Runzhuo Cao, Junfen Yang, Guoxin Li, Qun Zhou, Mengdie Niu. Durability performance of multi-walled carbon nanotube reinforced ordinary Portland/calcium sulfoaluminate cement composites to sulfuric acid attack at early stage. Materials Today Communications. 2023. Vol. 35. 105748. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.105748
4. Muhammad Khubaib Akhtar, Maria Kanwal, Rao Arsalan Khushnood, Muhammad Basit Ehsan Khan, Assessment of mechanical attributes and microstructural densification of self-healing recycled coarse aggregate concrete using various bacterial immobilizers. Journal of Building Engineering. 2023. Vol. 69. 106229. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2023.106229
5. Snigdha P. Bhutange M.V., Latkar Salman Muhammad. A review on the potential challenges in the application of biocementation in cement-based materials, possible solutions and way forward. Materials Today Communications. 2024. Vol. 38. 107986. https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2023.107986
6. Rafaela Cardoso, Lucca Scholler, Mariana M. Pinto, Inês Flores-Colen, Dídia Covas, Experimental analysis of biocementation technique for sealing cracks in concrete water storage tanks. Construction and Building Materials. 2024. Vol. 412. 134854. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.134854
7. Mary C. Ngoma, Oladoyin Kolawole. Porosity and bedding controls on bio-induced carbonate precipitation and mechanical properties of shale and dolomitic rocks: EICP vs MICP. Biogeotechnics. 2024. Vol. 2, Iss. 4. 100102. https://doi.org/10.1016/j.bgtech.2024.100102
8. Muraleedharan Pillai Smitha, Dhanaraj Suji, Mercy Shanthi, Adeyemi Adesina, Application of bacterial biomass in biocementation process to enhance the mechanical and durability properties of concrete. Cleaner Materials. 2022. Vol. 3. 100050. https://doi.org/10.1016/j.clema.2022.100050
9. Anuja U. Charpe, Madhuwanti V. Latkar, Tapan Chakrabarti, Biocementation: an eco-friendly approach to strengthen concrete. Proceedings of the Institution of Civil Engineers. Engineering Sustainability. 2018. Vol. 172. Iss. 8, pp. 438–449. https://doi.org/10.1680/jensu.18.00019
10. Гончарова М.А., Дергунова Е.С. Особенности применения процесса биоминерализации для улучшения структурно-прочностных свойств бетона // Строительные материалы. 2023. № 1–2. С. 25–33. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-810-1-2-25-31
10. Goncharova M.A., Dergunova E.S. Features of the application of the biomineralization process to improve the structural and strength properties of concrete. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023. No. 1–2, pp. 25–33. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-810-1-2-25-31
11. Rishabh Junwale, Madhuwanti Latkar, Application of biomineralisation for enhancement of interfacial properties of rice husk ash blended concrete. Advances in Cement Research. 2024. https://doi.org/10.1680/jadcr.23.00190
12. Rishabh Junwale, Aishwarya Nikode, Snigdha Bhutange, M.V. Latkar, Crack healing in cement mortar using enzyme induced calcium carbonate precipitation. Construction and Building Materials. 2023. Vol. 394. 132223. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.132223
13. Строкова В.В., Духанина У.Н., Балицкий Д.А. Полиморфизм и морфология карбонатов кальция в технологиях строительных материалов, использующих бактериальную биоминерализацию // Строительные материалы. 2022. № 1–2. С. 82–122. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-799-1-2-82-122
13. Strokova V.V., Dukhanina U.N., Balitsky D.A. Polymorphism and morphology of calcium carbonates in building materials technologies using bacterial biomineralization. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2022. No. 1–2, pp. 82–122. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2022-799-1-2-82-122
14. Балицкий Д.А., Духанина У.Н., Строкова В.В., Сивальнева М.Н. Влияние микробной карбонатной биоминерализации на прочность цементного камня // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2024. № 5. С. 24–33. https://doi.org/10.34031/2071-7318-2024-9-5-24-33
14. Balitsky D.A., Dukhanina U.N., Strokova V.V., Sivalneva M.N. The effect of microbial carbonate biomineralization on the strength of cement stone. Vestnik of the Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov. 2024. No. 5, pp. 24–33. (In Russian). https://doi.org/10.34031/2071-7318-2024-9-5-24-33
15. Pavan Kumar Bhukya, Nandini Adla, Dali Naidu Arnepalli. Coupled bio-chemo-hydro-mechanical modeling of microbially induced calcite precipitation process considering biomass encapsulation using a micro-scale relationship. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2024. Vol. 16. Iss. 7, pp. 2775–2789. https://doi.org/10.1016/j.jrmge.2023.09.023
16. Гончарова М.А., Дергунова Е.С. Особенности применения процесса биоминерализации для улучшения структурно-прочностных свойств бетона // Строительные материалы. 2023. № 1–2. С. 25–33. https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-810-1-2-25-31
16. Goncharova M. A., Dergunova E.S. Features of the application of the biomineralization process to improve the structural and strength properties of concrete. Stroitel’nye Materialy [Construction Materials]. 2023. No. 1–2, pp. 25–33. (In Russian). https://doi.org/10.31659/0585-430X-2023-810-1-2-25-31
17. Aysan Farajnia, Ali Shafaat, Safar Farajnia, Mohsen Sartipipour, Hamed Khodadadi Tirkolaei. The efficiency of ureolytic bacteria isolated from historical adobe structures in the production of bio-bricks. Construction and Building Materials. 2022. Vol. 317. 125868. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2021.125868
18. Srivastava S., Sarangi S.K., Singh S.P. Investigation of water absorption and porosity of nano-biosilica, jute, and bamboo. Fiber-Reinforced Chitosan Biocomposite Materials. 2024.
https://doi.org/10.1007/s11182-024-03190-5
19. Jan Fořt, Jiří Šál, Martin Keppert, Martin Mildner, Petr Hotěk, Agnieszka Ślosarczyk, Łukasz Klapiszewski, Robert Černý. Durability analysis of sustainable mortars with biomass fly ash as high-volume replacement of Portland cement. Journal of Building Engineering. 2024. Vol. 91. 109565. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2024.109565
20. Hongfang Sun, Hao Zou, Jie Ren, Gang Xu, Feng Xing, Synthesis of a novel graphene oxide/belite cement composite and its effects on flexural strength and interfacial transition zone of ordinary portland cement mortars. Construction and Building Materials. 2023. Vol. 402. 133009. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2023.133009
21. Патент РФ 2819074. Способ определения уреазной активности почв с применением пенополиуретановых тест-средств / Гончарова М.А., Дергунова Е.С., Заева А.Г., Дергунова В.В. Заявл. 27.07.2023. Опубл. 13.05.2024. Заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Липецкий государственный технический университет». EDN: NFDVND
21. Patent RF 2819074. Sposob opredeleniya ureaznoi aktivnosti pochv s primeneniem penopoliuretanovykh test-sredstv [A method for determining the urease activity of soils using polyurethane foam test agents]. Goncharova M.A., Dergunova E.S., Zaeva A.G., Dergunova V.V. Application 07.27.2023. Published 05.13.2024. The applicant is the Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Lipetsk State Technical University». (In Russian). EDN: NFDVND