بخشی از مقاله
خلاصه
جاي گزین بخشی از سیمان پرتلند معمولی با مواد جاي گزین سیمانی به دلیل مز ایاي اقتصادي، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. استفاده از پودر سنگ آهک به عنوان ماده دورریز سنگبريها و همچنین سربارهي کوره آهنگدازي به عنوان مادهي زاید صنعتی، از گزینههاي مناسب براي جاي گزینی بخشی از سیمان مصرفی در بتن میباشند.
در این مقاله به بررسی اثر باکتري Sporosarcina pasteurii بر نفوذپذیري بتن پرداخته شده است. این باکتري در شرایط محیطی مناسب - حضور اوره و کربنات کلسیم در محیط - قادر به رسوب دادن کلسیم کربنات است. بر اساس تحقیقات صورت گرفته، این رسوبات کلسیم کربنات منافذ بتن را پر میکنند.
دو دسته نمونه در حالت کلی طرح ریزي شدند. در دستهي اول نمونهها، باکتري با آب اختلاط بتن در یک غلظت مخلوط شد و در دستهي دوم نمونهها، نمونه هاي بتنی تحت اصلاح سطحی با استفاده از محلول حاوي باکتري قرار گرفتند. بدین منظور شش طرح با یک نسبت آب به مواد سیمانی و شامل مقادیر 0 و 15 درصد پودر سنگ آهک و 0، 20 و 40 درصد سرباره، به عنوان جايگزین سیمان ساخته شدند.
براي مقایسه، هر شش طرح بدون اضافه کردن باکتري نیز ساخته شدند. بر روي نمونهها آزمایش نفوذ پذیري آب تحت فشار و تعیین عمق کربناسیون انجام گردید. نتایج آزمایشها حاکی از آن است که با استفاده از باکتري، شاهد کاهش عمق نفوذ آب و همچنین کاهش عمق نفوذ گاز دي اکسید کربن در بتن بودیم.
1. مقدمه
بتن به دلیل استحکام بالا و قیمت نسبتا مناسب، در حال حاضر پرکاربردترین مصالح ساختمانی میباشد؛ به طوريکه به ازاي هر نفر در جهان بیشتر از 1 متر مکعب بتن سالیانه تولید میشود . [1] تولید سیمان مصرفی در بتن به تنهایی در 7 درصد دي اکسید کربن خروجی کل جهان مشارکت دارد .[2] از این رو میل به کاهش مصرف سیمان در بتن و جایگزینی آن با مواد شبه سیمانی مانند خاکستر بادي، سرباره کوره آهنگدازي، میکروسیلیس، پودر سنگ آهک و ... افزایش یافته است.
سرباره محصول فرعی کوره بلند آهنگدازي و پودر سنگ آهک جزو دور ریز سنگبريها در ایران میباشند؛ امروزه استفاده از این دو مادهي جایگزین سیمان به علت مزایاي فنی، اقتصادي و زیست محیطی گسترش یافته است. نتایج تحقیقات نشان میدهد که مخلوطهاي بتنی حاوي سرباره می توانند واکنش قلیایی – سیلیسی مخرب را کنترل کند و دوام بتن را در محیطهاي سولفاته افزایش دهد .
در ایران مطابق با استاندارد 4220 استفاده از 6 تا 20 درصد پودر سنگ آهک مجاز تلقی شده است .[4] استفاده از 15 درصد پودر سنگ آهک در بتن به جاي قسمتی از سیمان، مقاومت فشاري را حداکثر تا 4 درصد کاهش میدهد; در حالی که دوام بتن را در برابر حملهي شیمیایی یون سولفات افزایش میدهد . در تحقیقی دیگر به دنبال ترکیب مناسبی از مواد ارزان قیمت سرباره و پودر سنگ آهک دریافتند که بتن داراي 15 درصد پودر سنگ آهک و 10 درصد سرباره در محیط سولفات منیزیم، بهترین عملکرد را داشته است .
براي افزایش دوام بتن و ترمیم منافذ و ریزترك هاي موجود در آن میتوان از روش میکروبیولوژیکی بهره گرفت. در این روش باکتري با تولید آنزیم اوره آز به عنوان کاتالیزور عمل کرده و به هیدرولیز اوره کمک میکند. اگر این هیدرولیز در محیط غنی از کلسیم رخ دهد، کلسیم کربنات جامد تشکیل میشود. رسوبات کلسیم کربنات تشکیل شده منافذ و تركهاي بتن را پر میکند.
2. مروري بر مطالعات گذشته:
در دهههاي اخیر تحقیقات زیادي در مورد استفاده از باکتري در بتن صورت گرفته است.
گولاپودي و همکاران - 1995 - اولین کسانی بودند که اثر باکتري را, به منظور کاهش تخلخل دیوارهي تونلها بررسی کردند .[7] دي مینک و همکاران - 2008 - درمان سطحی بتن را توسط باکتري Bacillus Sphaericus مورد بررسی قرار دادند . با توجه به رسوب کلسیم کربنات بر روي سطح بتن، جذب آب بتن %65 تا %90 بسته به تخلخل آن کاهش یافت .
سیدیکو و همکاران - 2011 - بر روي عملکرد شیمیایی باکتري در بتن مطالعه کردند و سلولهاي مرده و زندهي باکتري را در ملات ماسه سیمان آزمایش کردند. با توجه به نتایج به دست آمده؛ مقاومت فشاري 28 روزهي نمونه با سلول زنده باکتري, 15 درصد افزایش و نمونه با سلول مرده باکتري, 10 درصد افزایش یافت
ویکتور و جونکر - 2011 - ترمیم ترك با باکتري را مورد مطالعه قرار داد ند و ترمیم ترك تا عرض 0/46 میلیمتر را مشاهده کردند .این محققین در تحقیقی دیگر - 2015 - باکتري را به درون تركهاي روسازي بتنی تزریق نمودند و مشاهده کردند مقاومت در برابر چرخهي یخ و ذوب بیشتر از حالت بدون باکتري میباشد
لو و همکاران - 2015 - رسوب دهی توسط باکتري را بر روي سطح ترك، در نمونههاي خمیر سیمان به وسیلهي میکروسکوپ الکترونیکی مشاهده کردند. این محققین به بررسی تاثیر عرض ترك، راههاي عمل آوري و عمر ترك بر روي خود ترمیمی ترك در خمیر سیمان پرداختند. در این مطالعه دریافتند با افزایش سن ترك خوردگی, مقدار باکتري در بتن کاهش مییابد.
در این تحقیق باکتري توانست ترك تا عرض 0/8 میلیمتر را ترمیم کند .[13] نصوحیان و همکاران - 2015 - دوام بتن حاوي باکتري را، در محیط سولفاتی مورد بررسی قرار دادند. این محققین از سه نوع باکتري Sporosarcina pasteurii، Bacillus subtilis و Bacillus sphaericus استفاده کردند و آزمایشهاي تغییر وزن، تغییر حجم، جذب آب، مقاومت فشاري و نفوذ سریع کلر - RCPT - را بر روي نمونه ها انجام دادند. نتایج نشان دهندهي کاهش تغییر وزن، تغییر حجم، جذب آب و نفوذ کلر بود؛ و مقاومت فشاري حدود 20 درصد افزایش یافته است .این محققین در تحقیقی دیگر - 2016 - به بررسی تاثیر ترمیم سطحی بتن به وسیلهي باکتري Sporosarcina Pasteurii بر روي نفوذپذیري بتن پرداختند؛ نتایج این تحقیق نشان داد سطح ترمیم شده 7 درصد جذب آب کمتر و هم چنین 12 درصد نفوذ یون کلر کمتري نسبت به نمونه شاهد داشته است .
بلتران و همکاران - 2014 - اثر باکتري را بر روي نمونههاي ملات سیمان که شامل سیمان، ماسه، خاستر بادي، سربارهي کوره بلند و پودر سنگ آهک میباشد، بررسی کردند. آنها میزان فعالیت ب اکتري را با سنجش مصرف اکسیژن نمونههاي حاوي باکتري نسبت به نمونههاي شاهد ارزیابی کردند .
3.مواد و روشهاي آزمایش:
.1-3 کشت باکتري:
در این تحقیق از باکتري Sporosarcina Pasteurii PTCC 1645 استفاده شده است. باکتري به صورت آمپول لیوفیلیزه از مرکز کلکسیون قارچها و باکتريهاي صنعتی ایران تهیه گردید. در ابتدا باکتري در محیط کشت مایع متشکل از 8 - Nutrient Brothگرم - ، اوره 20 - گرم - و آب مقطر 1 - لیتر - در انکوباتور شیکر - شکل - 1 با دماي 30 درجه سانتیگراد و سرعت 115 rpm به مدت 48 ساعت کشت داده شد. پس از تعی ین غلظت، محلول حاوي باکتري با غلظت 107 سلول بر میلیلیتر به عنوان آب اختلاط بتن مورد استفاده قرار گرفت.
شکل - 1 انکوباتور شیکردار
.2-3 طرح اختلاط بتن
در این تحقیق از سیمان معمولی 425 نوع یک کارخانه ي سیمان سپاهان، شن شکسته با بیشترین اندازه دانه 9/5 mm ، ماسه با بیشترین اندازه دانه 4/75 mm ، پودر سنگ آهک و سرباره استفاده شده است. پودر سنگ آهک از معدن پیربکران - شرکت تهیه و تولید مواد معدنی ایران - و پودر سرباره از کارخانه سیمان سپاهان تهیه گردید. سطح ویژه پودر سرباره 3495 سانتی متر مربع بر گرم میباشد. مشخصات شیمیایی و فیزیکی آنها در جداول 1 تا 6 آورده شده است.
جدول -1 مشخصات شیمیایی سیمان پرتلند تیپ 1-425 کارخانه سیمان سپاهان - % -
جدول -2 مشخصات فیزیکی سیمان پرتلند تیپ 1-425 کارخانه سیمان سپاهان
جدول -3 مشخصات فیزیکی ماسه
جدول -4 مشخصات فیزیکی
جدول -5 مشخصات شیمیایی پودر سنگ آهک پیربکران
جدول =6 مشخصات شیمیایی پودر سرباره
براي ساخت نمونهها از دو نسبت 0 و 15 درصد پودر سنگ آهک و سه نسبت 0 ، 20 و 40 درصد سرباره به عنوان جایگزین وزنی سیمان استفاده شده است. در تمامی طرحها اسلامپ بین 70 تا 100 میلیمتر حفظ گردید. نس بت اختلاط اجزاي بتن براي یک متر مکعب بتن تازه در جدول 7 ذکر شده و تصحیحات لازم به دلیل رطوبت دانهها در نظر گرفته شده است.
در دسته اول نمونههاي حاوي باکتري از آب حاوي باکتري استفاده شد و این نمونهها با پیشوند sp ، دسته دوم که تحت ترمیم سطحی با باکتري قرار گرفتند با پیشوند T و نمونههاي شاهد که با آب خالص ساخته شدند با پیشوند co نشان داده شدند. حرفهاي w، c و s نشان دهنده محیط عمل آوري نمونهها میباشند که به ترتیب معرف آب معمولی، کلسیم لاکتات-اوره و آب دریا هستند. عدد اول بعد از پیشوند بیانگر درصد پودر سنگ آهک و عدد دوم درصد سرباره که جایگزین سیمان شده است، میباشد.
عملیات بتن ریزي در آزمایشگاه بتن و مصالح دانشکده عمران، و مراحل کشت باکتري در آزمایشگاه شهرك علمی تحقیقاتی دانشگاه صنعتی اصفهان انجام شده است.
