Исследование устойчивости дорожных вяжущих и органоминеральных смесей к биодеструкции в присутствии добавок растительного и минерального происхождения

Тип работы:
Реферат
Предмет:
Химия


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 691. 327: 666. 973. 6
ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ ДОРОЖНЫХ ВЯЖУЩИХ И ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫХ СМЕСЕЙ К БИОДЕСТРУКЦИИ В ПРИСУТСТВИИ ДОБАВОК РАСТИТЕЛЬНОГО И МИНЕРАЛЬНОГО ПРОИСХОЖДЕНИЯ
© В. П. Киселев, В. С. Филимонов, М. Б. Бугаенко, А.А. Ефремов
Институт архитектуры и строительства Сибирского федерального университета, пр. Свободный, 82, г. Красноярск, 660 074 (Россия)
Согласно ГОСТ 9. 049−91 исследована устойчивость асфальтобетона и основных компонентов органо-минеральных смесей к биодеструкции в присутствии фунгицидных добавок: смол пиролиза древесины кедра, смол пиролиза гидролизного лигнина, фторида натрия, угольной футеровки. Предложен экспресс-метод определения устойчивости к биодеструкции с использованием ингибирования светящихся бактерий.
Ключевые слова: смола пиролиза, гидролизный лигнин, асфальтобетон.
Введение
Строительные материалы, приготовленные на органических вяжущих (гудронах, битумах), используются для приготовления гидроизолирующих мастик, кровельных материалов, но в основном для устройства асфальтобетонных покрытий. Все они в процессе эксплуатации подвергаются воздействию факторов «старения», что приводит вначале к их локальным повреждениям, а в конечном итоге к полному разрушению. В условиях техногенного воздействия, отмечено в работах [1, 2], резко возрастает роль различных видов коррозии материалов зданий и сооружений. В текущей литературе широко обсуждается изменение свойств органоминеральных смесей при воздействии механических, физических и химических факторов [3−8]. В работах [9−11] показано, что строительные материалы и изделия на неорганических вяжущих: цементных, полимер-цементных, серных, гипсовых и других, подвержены интенсивному биологическому разрушению. Процессы биологического разрушения таких материалов изучены в лабораторных и производственных условиях, предложены фунгицидные добавки, повышающие долговечность композитов пенобетонов и серобетонов [10, 11]. Это позволяет использовать накопленный опыт и для оценки биологического сопротивления асфальтобетона.
Следует отметить практически полное отсутствие в литературе сведений по биоповреждению органических вяжущих и асфальтобетонных покрытий. Упоминания о биологической деструкции асфальтобетона, входящих в него компонентов и добавок носят эпизодический и иллюстративный характер. Отмечается, что жизнедеятельность бактерий и микроскопических грибов на различных строительных материалах, в том числе на дорожном асфальтобетоне, связана со свойством микроорганизмов приспосабливаться к самым разнообразным условиям существования и использовать различные вещества в качестве источников питания. Опыт эксплуатации заасфальтированных площадок в богатой различной микрофлорой среде показал, что они подвержены разрушению в гораздо большей степени, чем дороги с интенсивным движением транспорта. Эти наблюдения указывают, что биологическое воздействие, связанное с процессами бактериальной деструкции органических и минеральных компонентов асфальтобетона и деструкции микроскопическими грибами, может приводить к ухудшению качества таких покрытий. Грибы и бактерии широко распространены в природе: возле свалок и контейнеров с бытовым мусором, на территории мясных рынков и мясоком-
* Автор, с которым следует вести переписку.
бинатов, вблизи животноводческих ферм, в почве, в различных водах, в сточных каналах, на дне резервуаров для хранения нефтепродуктов, под дорогами с асфальтовыми покрытиями [12], и могут питаться как углеводородным сырьем, так и гумусом. Как показано в работах [12−13], биологическое окисление осуществляется молекулярным кислородом и имеет цепной характер, при этом ферментные системы микробной клетки являются, с одной стороны, биологическими катализаторами, с другой — в результате жизнедеятельности клеток образуются поверхностно-активные вещества, способствующие дополнительному эмульгированию углеводородов. Разрушительное действие грибов на материалы зависит не только от степени обрастания их мицелием, но и от состава их метаболитов — гидролитических ферментов, окислительновосстановительных ферментов, органических кислот [14]. С помощью ферментов (оксидоредуктаз, эстераз) микроорганизмы путем окисления, восстановления, декарбоксилирования, этерификации, гидролиза и других реакций разрушают низкомолекулярные фракции полимеров, молекулы пластификаторов, ациклические и ароматические углеводороды, входящие в состав эластомеров, гудронов и битумов [15]. Предполагается, что в природе химическое и биологическое окисление протекает одновременно. По-видимому, разрушение нефтепродуктов в условиях длительного хранения, гудронов, битумов и асфальтобетона при «старении» является результатом аддитивного действия обоих процессов. Отмечено [1, 2], что микроорганизмы могут ускорять процессы деструкции материалов при определенных условиях в тысячи раз и наносить огромный материальный ущерб, исчисляемый миллиардами долларов.
Причем старение материала, как правило, снижает стойкость его к воздействию грибов. Старение материала, т. е. разрушение химической структуры (воможны механизмы разрушения и на надмолекулярном уровне), сопровождающееся потерей свойств у наиболее активного компонента, создает благоприятные условия для микробиологического разрушения. Для предотвращения этого необходимо изучение причин, вызывающих старение материала, продолжительности эксплуатации, характера процессов, протекающих при старении. Для защиты строительных материалов от биоповреждений необходим подбор биоцидов, оценка их защитного действия на биоразрушителей данного материалала.
Известно, что микроорганизмы наиболее быстро и эффективно развиваются на твердых углеводородах и медленнее — на жидких и газообразных. Достаточно легко окисляются в присутствии микроорганизмов ал-каны нормального строения, алкены и циклоалканы, медленнее ароматические углеводороды с образованием различных окси- и кетокислот [12]. Все указанные углеводороды в различных соотношениях входят в состав битумов. Кроме твердых углеводородов нефти, биологическому воздействию могут подвергаться неорганические компоненты асфальтобетона — гравий, щебень, песок, минеральный порошок, так как для развития микроорганизмов необходимо наличие не только углерода, но и минеральных солей, содержащих различные элементы.
Если исходить из специфичности грибов к тем или иным субстратам, то в качестве микодеструкторов выступают главным образом неспецифические сапротрофы, способные заселять разные субстраты. Это виды родов Asperillus, Penicillium, Trichoderma, Alternaria, причем преобладают первые три рода. Источником заражения этой группой грибов являются почва, органические остатки, воздух. Другой группой микодеструкторов являются специализированные микроорганизмы, сформировавшиеся в процессе эволюции к определенным материалам. Род Cladosporium resinae развивается на нефти и нефтепродуктах: моторных топливах, мазуте, битуме, гудроне. Источником питания служат для них различные углеводороды [14−16 ]. Данные культуры грибов используют для испытания на грибостойкость дорожно-строительных материалов. Разрушительное действие грибов на материалы зависит не только от степени обрастания их мицелием, но и от состава их метаболитов — гидролитических ферментов, окислительно-восстановительных ферментов, органических кислот. С помощью ферментов (оксидоредуктаз, эстераз) микроорганизмы путем окисления, восстановления, декарбоксилирования, этерификации, гидролиза и других реакций разрушают низкомолекулярные фракции полимеров, молекулы пластификаторов, ациклические и ароматические углеводороды, входящие в состав эластомеров, гудронов, битумов и органоминеральных смесей [15].
Проблема биологической коррозии строительных материалов и изделий на основе органических вяжущих является актуальной в прикладной микологии [16]. В зависимости от вида биодеструктора М. С. Горленко [16] предложено термин «биодеструкция» конкретизировать, чтобы более точно охарактеризовать этиологию процесса, повреждение материала грибами обозначить как микодеструкция (микос-гриб), бактериями — как бакте-риодеструкция, водорослями — альгодеструкция и т. д. Однако в некоторых случаях, когда неясна или недостаточно установлена причина биоповреждения, термин «биодеструкция» сохраняется. В случае биоповреждения материалов на основе битумов, гудронов и т. д. более целесообразно применять термин «биодеструкция».
Цель настоящей работы — определение устойчивости к действию микроорганизмов и плесневых грибов дорожных органоминеральных смесей, компонентов смесей и уложенного в покрытие асфальтобетона, а также защита материалов от биокоррозии путем введения в их состав фунгицидных добавок.
Экспериментальная часть
Определение грибостойкости асфальтобетонных смесей и их компонентов проводилось по ГОСТ 9. 4 991 с использованием следующих методов:
метод 1 — образцы, очищенные от внешних загрязнений, заражают водной суспензией спор грибов и выдерживают в условиях, оптимальных для их развития, в течение 28 сут. -
метод 2 — образцы без очистки от внешних загрязнений заражают водной суспензией спор грибов и выдерживают в условиях, оптимальных для их развития, в течение 28 сут. -
метод 3 — образцы без очистки от внешних загрязнений заражают водной суспензией спор грибов в питательной среде Чапека-Докса и выдерживают в условиях, оптимальных для их развития, в течение 28 сут.
Для оценки изменения химического состава органического вяжущего в процессе «старения», т. е. коррозии под влиянием погодных условий и различных воздействий в процессе эксплуатации, в покрытии определяли групповой состав по методикам [17−19].
Обсуждение результатов
Данные, полученные нами при изучении грибостойкости использованных в работе образцов асфальтобетона и основных компонентов органоминеральных смесей представлены в таблицах 1 и 2.
Исследования показали, что на всех образцах асфальтобетона преобладал рост грибов Aspergillus niger, Trichoderma viride, Cladosporium resinae. Образцы асфальтобетона при испытании в лабораторных условиях по методам 2 и 3 начинают поражаться грибами на 7−14 сутки после начала эксперимента. При испытаниях в природных условиях через 12 месяцев на образцах стандартного асфальтобетона при микроскопировании также отмечался рост микроорганизмов. На образцах асфальтобетона, взятых из мест, богатых различной микрофлорой, за такое же время отмечался рост грибов и бактерий, видимый невооруженным глазом.
Данные таблицы 1 показывают, что наиболее подвержены биодеструкции образцы старого асфальтобетона. Они полностью зарастали плесенью даже без дополнительного источника питания, т. е. грибы могли использовать такой материал в качестве источника как органического, так и минерального питания. С целью выяснения причин отсутствия грибостойкости у асфальтобетона были проведены исследования стойкости к плесневым грибам компонентов органоминеральных смесей. Песок как материал, содержащий повышенное количество глинистых примесей с органическими остатками, из всех компонентов поражался грибами в первую очередь. Все минеральные компоненты могут быть источником питания для грибов, поскольку могут содержать примеси. Следовательно, одной из основных возможных причин поражения плесенью асфальтобетона является наличие в его составе неорганических компонентов, загрязненных в том числе органическими примесями, доступными для питания плесневых грибов. Для значительного роста грибов на гравии, щебне и свежеприготовленном асфальтобетоне необходим дополнительный источник минерального питания, т. е. они могли быть для грибов в основном только источником органического питания. Наиболее стойким к грибам был исходный битум, который не служил для них источником питания и значительно поражался плесенью лишь в присутствии минерального и органического субстратов. В свежеприготовленном асфальтобетоне гидрофобный битум полностью изолировал минеральную часть асфальтобетона от проникновения микроорганизмов.
Таблица 1. Грибостойкость асфальтобетона и его компонентов
Наименование материала Степень биологического обрастания в баллах Характеристика по ГОСТ 9. 052−75
метод 1 метод 2 метод 4
& quot-Свежеприготовленный асфальтобетон 0 2 5 Грибостойкий по методу 1
Асфальтобетон после 3 лет эксплуатации 2 4 5 Негрибостойкий
Песок 3 5 5 Негрибостойкий
Гравий 0 3 4 Грибостойкий по методу 1
Щебень 0 4 5 Грибостойкий по методу 1
Битум марки БНД 90/і3о 0 0 3 Грибостойкий по методам 1 и 2
*Средние данные из 6 проб.
Таблица 2. Изменение группового состава битумов в процессе эксплуатации дорожного покрытия
Группы углеводородов Групповой состав (% масс.)
Битум, выплавленный из свежеприготовленного асфальтобетона Битум, выплавленный из асфальтобетона после 3 лет эксплуатации
Масла 39,5 38,6
Смолы 40,2 26,5
Асфальтены 13,6 36,5
Карбены и карбоиды 1,3 1,2
Асфальтогеновые кислоты и их ангидриды & lt-0,8 & lt-0,8
Парафины 4,6 4,6
Однако при эксплуатации за счет комплекса химических и физико-химических процессов «старения» изолирующие свойства битума снижаются. Как показывают результаты определения (табл. 2) по методике [17, 18] группового состава битума, выплавленного из свежеприготовленного асфальтобетона, и битума из асфальтобетона после 3 лет эксплуатации, содержание, смол и асфальтенов в них изменяется. Содержание масел в образцах практически не снижается. Уменьшение содержания смол в битуме за счет его окисления при «старении» приводит к снижению общей устойчивости его к разрушению под действием различных факторов [19, 20], а также к оголению минеральной части асфальтобетона и, как следствие, большей доступности воздействию грибов и бактерий.
С целью защиты от плесневых грибов и батерий органоминеральных смесей были изучены различные фунгицидные добавки (тетраметилтиурамдисульфид, тетрахлорфенилмонохлорацетат, основания Шиффа -п-хлор-(1), п-бром-бензилиден-2-нафтил (2), м-нитробензилиден-2-нафтиламин (3), фторид натрия), а также добавки — модификаторы для органоминеральных смесей (отстойные смолы пиролиза растительного сырья, отработанная угольная футеровка электролизеров) [21−25] в количестве 3,0 масс.%. Наибольший эффект оказали отстойные смолы пиролиза древесины кедра, фторид натрия и отработанная угольная футеровка электролизеров с различной степенью связывания в ней фторидов. Результаты испытания защитных свойств всех фунгицидных добавок приведены в таблице 3.
Из данных таблицы видно, что стойкость к воздействию плесневых грибов у исследованных нами образцов асфальтобетона неодинакова. Наиболее доступным для плесневых грибов оказался асфальтобетон, эксплуатируемый в течение длительного времени в зараженной микроорганизмами территории. На асфальтобетоне полностью отсутствовал рост грибов при испытании по методу 1 (без дополнительного источника питания) или по методу 2 в том случае, когда он свежеприготовлен, или после введения в него 3,0% следующих биозащитных добавок: фторида натрия, отработанной угольной футеровки электролизеров, отстойной смолы пиролиза древесины кедра или гидролизного лигнина. Наиболее эффективны смола пиролиза древесины кедра и угольная футеровка электролизеров. Это подтверждается тем, что «старый асфальтобетон» — асфальтобетон, отобранный из покрытия заасфальтированных площадок в богатой различной микрофлорой среде, содержащий в своём составе отстойные смолы древесины кедра и гидролизного лигнина, — является биостойким по отношению к грибам. Добавление в асфальтобетон при его приготовлении фторида натрия или, что значительно лучше, так как равномерно распределяется в массе битума, отработанной угольной футеровки — крупнотоннажного отхода производства алюминия — существенно улучшает грибостойкость последнего.
С целью комплексного изучения биологического сопротивления асфальтобетонов, отдельных компонентов асфальтобетонов и добавок, предложенных для модификации их свойств: отходов биохимических производств — гидролизного лигнина (ГЛ), отстойной смолы пиролиза древесного сырья (ОСП), а также отработанной угольной футеровки ванн электролитического производства алюминия (УФ). Все указанные добавки были использованы в составах композиционных асфальтобетонных материалов либо в качестве модификатора вяжущего, либо в качестве минеральной части асфальтобетона. Во все испытанные образцы асфальтобетонов добавки вносилось в количестве 3,5% от исходной массы смеси [21−25].
Следует отметить следующее обстоятельство. Сущность используемых в настоящее время методов испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов (ГОСТ 9. 049−91), широко применяющихся для оценки биологического разрушения строительных материалов и изделий на неорганических вяжущих, заключается в длительной (от недель до месяца) выдержке материалов, зараженных спорами грибов, в условиях, оптимальных для их развития. Используются и методы оценки биологического сопротивления материалов при их длительной выдержке (от нескольких месяцев до лет) в различных неблагоприятных производственных условиях, оказывающих значительное влияние на их характеристики. Далее оценивается степень развития грибов или изменения механических свойств испытываемых материалов. Следует отметить, что все эти методы длительны, для их проведения необходим высококвалифицированный персонал и специальное лабораторное оборудование.
Таблица 3. Грибостойкость асфальтобетона без добавок и с введенными фунгицидами
Наименование Фунгицидная Количество Степень биологического обрастания в баллах Характеристика
образца добавка добавки (%) метод 1 метод 2 метод 3 по ГОСТ 9. 052−75
* Старый Без добавки 0 5 5 5 Негрибостойкий
Свежеприготов- Без добавки 3,0 0 2 5 Грибостойкий по
ленный методу 1
** Старый после 3 Основания 3,0 2 4 5 Негрибостойкий
лет эксплуатации Шиффа***
** Старый после 3 Смола пиро- 3,0 0 4 5 Грибостойкий по
лет эксплуатации лиза ДК методу 1
Свежеприготов- Фторид на- 3,0 0 0 5 Грибостойкий по
ленный трия методам 1и 2
Свежеприго- Угольная 3,0 0 0 5 Грибостойкий по
товленный футеровка методам 1и 2
Свежеприго- Смола пиро- 3,0 0 0 5 Грибостойкий по
товленный лиза ГЛ методу 1
Свежеприго- Смола пиро- 3,0 0 0 5 Грибостойкий по
товленный лиза ДК методам 1и 2
* Старый Угольная футеровка 3,0 1 3 5 Негрибостойкий
* Старый Смола пиролиза ГЛ 3,0 0 4 5 Грибостойкий по методу 1
* Старый Смола пиролиза ДК 3,0 0 3 5 Грибостойкий по методу 1
* Старый Фторид натрия 3,0 1 5 5 Негрибостойкий
* Старый после 3 лет эксплуатации на площадках с повышенным риском биозаражения (площадки выгула животных, баки с пищевыми отходвами, свалки — среднее из 12 проб).
** Старый после 3 лет эксплуатации на автодорогах.
***Другие фунгицидные добавки (тетраметилтиурамдисульфид- основания Шиффа — п-хлор-(1), п-бром-бензилиден-2-нафтил (2), м-нитробензилиден-2-нафтиламин (3) — тетрахлорфенилмонохлорацетат) оказали аналогичное действие. ГЛ -гидролизный лигнин, ДК — древесина кедра.
В настоящее время разработан целый ряд различных биологических тестов, в которых контролируется эффект воздействия суммы токсикантов на поведение и параметры жизнедеятельности плесневых грибов, водорослей, простейших, бактерий [26−28]. Использование интегральных биотестов, в том числе и для оценки биологического сопротивления строительных материалов, актуально по целому ряду причин. Идентификация и анализ веществ, содержащихся в покрытии или попадающих в них в ходе эксплуатации, длительны и дороги и реально осуществимы только лучшими из экологических служб. Выходом из положения является использование биологических тестов, позволяющих давать экспрессную интегральную оценку воздействия токсичности тех или иных материалов на живые объекты и, следовательно, оценивать их стойкость при биологическом воздействии. В начальный период биологического разрушения покрытия именно бактерии, быстро развивающиеся в порах, начинают интенсивно использовать широкий круг имеющихся и поступающих из внешней среды минеральных и органических компонентов. Далее к этому процессу могут подключаться грибы, водоросли, использующие выделенные бактериями из покрытия минеральные компоненты. Поэтому для производственной оценки следует отдать предпочтение именно экспрессным бактериальным тестам. Среди разработанных тестов можно выделить тесты со светящимися бактериями либо ферментативные реакции, катализируемые выделенными из светящихся бактерий компонентами — люциферазами. Токсичность среды определяется по величине светового биолюминесцентного сигнала, излучаемого в ходе ферментативных реакций или живыми бактериями в ходе их нормальной жизнедеятельности. В люциферазных биотестах токсические вещества взаимодействуют с люциферазой — ключевым ферментом метаболизма светящихся бактерий. В случае использования светящихся бактерий прямое влияние токсикантов на люциферазу невозможно из-за наличия клеточных стенок и мембраны бактерий, препятствующих проникновению посторонних веществ в клетки. Однако происходит влияние на другие важные процессы жизнедеятельности клетки, например, дыхание, которое связано со способностью клетки светиться. Поэтому, оценивая влияние токсикантов на жизнедеятельность светящихся бактерий, мы получаем представление об их влиянии и на другие виды бактерий, которые могут
вызывать разрушение покрытий [29, 30]. Этот биотест и был использован в данной работе для оценки биологического сопротивления асфальтобетона, его компонентов и добавок.
Необходимым условием для развития микрофлоры, которая может в ходе своей жизнедеятельности разрушать покрытие, является наличие в материале водных растворов, содержащих необходимые для развития бактерий биогенные элементы. Осадки в виде дождя и снега, вода, попадающая на асфальтобетон в ходе эксплуатации покрытия, вымывают из него минеральные и органические соединения. Эти растворы, оставаясь в порах, и являются питательной средой, на которой развивается микрофлора. Присутствие в этих растворах микроколичеств высокотоксичных соединений, ингибирующих развитие биологических процессов, может привести к замедлению процессов биологического разрушения компонентов, входящих в состав различных покрытий. Поэтому в качестве растворителя для получения исходного раствора, по сравнению с которым оценивалось воздействие на состояние бактерий различных концентраций испытываемых веществ, была выбрана дистиллированная вода, которая является необходимым компонентом для развития бактерий и не содержит токсичных и биогенных веществ, угнетающих или стимулирующих их развитие.
В ходе экспериментов оценивалось воздействие на метаболизм светящихся бактерий водных вытяжек образцов исследуемых материалов. Для приготовления исходных растворов 50 г щебня, песка, битума, лигнина, УФ и асфальтобетонов с указанными добавками помещали в стеклянный стакан с 500 мл дистиллированной воды. Стакан ставился на магнитную мешалку с подогревом. При непрерывном перемешивании проба нагревалась до 60 °C. Полученный раствор выдерживался в течение суток для осаждения взвеси декантировался и отфильтровывался через бумажный фильтр. Эти растворы применялись как исходные для получения растворов различных концентраций, непосредственно использовавшихся в экспериментах.
В герметично закрытый флакон с препаратом светящихся бактерий добавляли 2 мл 3-процентного раствора №С1. Полученная концентрированная суспензия бактерий небольшими равными дозами вводилась в исследуемые растворы. Интенсивность свечения бактерий измерялась с помощью специального прибора -биолюминометра [31].
Из исходных растворов вытяжек из асфальтобетонов и их компонентов приготавливалось 10 мл раствора с заданной, исследуемой концентрацией и 3-процентной концентрацией №С1. Один миллилитр этого раствора заливался в специальную кювету, в нее добавлялось 20 мкл приготовленной суспензии бактерий. Кювета помещалась в измерительную камеру прибора. После пятиминутной выдержки производилось измерение интенсивности свечения бактерий.
Ингибирующее или стимулирующее действие исследуемого раствора на свечение бактерий оценивалось по формуле:
К = I / 1к^ 100% ,
где I — интенсивность свечения бактерий в кювете с исследуемым раствором- ^ - интенсивность свечения бактерий в контрольной кювете с раствором №С1 в дистиллированной воде- К — коэффициент ингибирования свечения бактерий, если эта величина менее 100%, или коэффициент стимуляции, если он более 100%. В случае благоприятного воздействия исследуемой среды на развитие бактерий и, следовательно, увеличения интенсивности их свечения оценивается Кстим. При наличии эффекта ингибирования развития бактерий оценивается Кинг, который будет уменьшаться вплоть до нуля при очень высокой степени токсичности [31]. Измерения проводились трижды для каждой из приготовленных концентраций исследуемого раствора.
Прежде чем оценить влияние различных добавок, изменяющих те или иные свойства асфальтобетона на его сопротивление к бактериодеструкции, необходимо было исследовать свойства его основных компонентов. На рисунке 1 приведены результаты оценки влияния на метаболизм светящихся бактерий водных экстрактов различных концентраций из навесок песка, щебня и битума. Как видно из приведенных кривых, водные экстракты из навесок щебня и битума ингибируют развитие бактерий, а экстракт из навески песка является мощным стимулятором.
Таким образом, компонентом, поставляющим биогенные элементы, стимулирующим развитие бактерий, и, следовательно, способствующим биологическому разрушению асфальтобетона, в данном случае является песчаная смесь, что подтверждают полученные данные по оценке грибоустойчивости. Однако это не означает, что песчаная смесь всегда будет характеризоваться такими свойствами. Только исследование песчаной смеси, полученной из конкретного карьера, может подтвердить или опровергнуть этот вывод. Эти же сооб-
ражения относятся и к свойствам щебня. В данной композиции только битум является компонентом, обеспечивающим постоянную защиту асфальтобетона от биологического разрушения из-за наличия в нем веществ, препятствующих развитию бактерий и грибов. Из этих результатов намечаются два направления в подходе к увеличению биологического сопротивления асфальтобетона. Для того чтобы компенсировать стимулирующее действие песчаной смеси на развитие бактерий, возможно использование мелкодисперсных добавок, которые должны характеризоваться ингибирующим воздействием, достаточным по своей интенсивности для компенсации стимулирующего эффекта. С другой стороны, возможно использовать жидкие добавки, также обладающие ингибирующими свойствами и обеспечивающие лучшую адгезию битума на компонентах смеси и блокирующие таким образом влияние сухих компонентов. Эти возможности и были реализованы для приготовления асфальтобетонов, обладающих повышенным биологическим сопротивлением. Для их приготовления использованы мелкая фракция угольной футеровки, лигнин, являющийся одним из самых крупных промышленных отходов, и отстойная смола пиролиза древесного сырья — отход термической переработки древесины. При контакте угольной футеровки с водой наблюдается переход фтора в растворенное состояние [25]. Лигнин — очень устойчивое к бактериальному разложению природное соединение [32, 33]. В состав ОСП входят высокомолекулярные фенольные соединения, оказывающие ингибирующее воздействие на развитие микрофлоры. Кроме того, ОСП улучшают адгезию битума к минеральным компонентам, что должно приводить к дополнительному увеличению биологического сопротивления асфальтобетона. Результаты оценки ингибирующего воздействия водных экстрактов этих веществ на свечение бактерий представлены на рисунке 2. Измерения показали, что наибольшим ингибирующим воздействием характеризуются ОСП. Даже при разведении исходного раствора в 200 раз интенсивность свечения бактерий ингибировалась более чем на 40%. Меньшим, хотя и достаточно высоким ингибирующим воздействием характеризуется лигнин. Ингибирующее же воздействие УФ, несмотря на содержащиеся в этом продукте высоко-токсичные соединения, относящиеся ко второму классу опасности, оказалось минимальным. Уже при разведении исходного раствора в 10 раз не наблюдалось ингибирования свечения бактерий. Возможно, что для УФ этот эффект связан с постепенным вымыванием водой высокотоксичных соединений из продукта, хранящегося под открытым небом. Проверка, выполненная с использованием УФ после длительного хранения, показала, что водная вытяжка, приготовленная по этой же методике, не только не обладала ингибирующим воздействием, но и существенно стимулировала свечение бактерий. Поэтому в дальнейшем при приготовлении образцов асфальтобетонов были использованы свежие образцы УФ.
Рис. 1. Влияние различных концентраций водных вытяжек из навесок песка, щебня и битума на функционирование светящихся бактерий Уравнения регрессии:
Кинг. битума=0,0003×3−0,06×2+3,25х+19,83- Я2=0,97б Кинг. щебня=0,0006×3+0,0938×2+4,285х+46,71- Я2=0,972 Кстим=0,0006×3+0,109×2+5,199х+161,59- Я2=0,965
Рис. 2. Влияние различных концентраций водных вытяжек из навесок биозащитных добавок, используемых для модификации свойств органоминеральных смесей, на функционирование светящихся бактерий Уравнения регрессии:
Кинг. уФ=8,929х+14,286- Я2=0,893 Кинг. лигнина=-0,0021×2+0,873х-1,123- Я2=0,995 Кинг. ОСп=-0,0,21×2+0,723х-3,238- Я2=0,991
На рисунке 3 представлены результаты оценки биологического сопротивления образцов асфальтобетона, приготовленных с использованием этих добавок по сравнению со стандартной композицией. Результаты оценки воздействия водных экстрактов на интенсивность свечения бактерий из образцов этих композиций показали, что асфальтобетон, изготовленный из стандартных компонентов, не только не ингибирует свечение, следовательно, и развитие бактерий, но является активным стимулятором. Анализ сколов образца асфальтобетона показал наличие в нем небольших по размеру фрагментов песчаной смеси, не покрытых битумом. При приготовлении водной вытяжки вещества, поступившие в раствор из этих фрагментов, оказали стимулирующее влияние на свечение бактерий. Водные вытяжки, приготовленные из образцов асфальтобетонов с добавками УФ, лигнина и ОСП, ингибируют развитие бактерий. Наибольшим ингибирующим эффектом характеризуется асфальтобетон с добавкой ОСП, как это и следовало из приведенного выше описания характера взаимодействия ОСП с сухими компонентами смеси. Асфальтобетон с добавкой УФ характеризуется наименьшим ингибирующим эффектом. Асфальтобетон с добавкой лигнина занимает промежуточное положение, но эффект ингибирования сохраняется более длительно, даже при значительном разведении исходной вытяжки.
Результаты проведенных исследований показали, что предложенный метод дает возможность оценивать с помощью экспрессного биотеста с использованием светящихся бактерий влияние составных компонентов асфальтобетона, применяемых добавок и собственно асфальтобетонов на развитие бактерий. Высокая чувствительность метода позволяет с достаточной точностью измерять как стимулирующее, так и ингибирующее воздействие на развитие бактерий компонентов асфальтобетона и подбираемых добавок. Появляется возможность оперативно оценивать защищенность от бактериального воздействия существующих композиций асфальтобетона, асфальтобетона, находящегося в эксплуатации в течение различных сроков и вновь создаваемых метериалов для дорожного покрытия.
Проведенные эксперименты подтвердили работоспособность предложенной методики оценки влияния на развитие бактерий компонентов дорожных покрытий с использованием водных вытяжек даже в случае применения малорастворимых компонентов, таких как битум и ОСП. В то же время не следует рассматривать предложенный метод как замену уже существующим и длительное время применяющимся методам испытаний на биостойкость строительных материалов. Сочетание экспрессного биотеста с использованием светящихся бактерий и существующих методов оценки биологического сопротивления строительных материалов открывает дополнительные возможности для получения новых биостойких строительных материалов и их проверки в ходе эксплуатации. В результате проведенных исследований и анализа литературных данных можно сделать вывод, что стойкость битумов и битумных мастик во многом определяется их химическим составом. Чем меньше в битумах ароматических, особенно фенольных, соединений, тем они менее биостойки.
Рис. 3. Оценка биологической защищенности образцов органоминеральной смеси, модифицированных различными добавками Уравнения регрессии:
Кстим. исх. а-б=0,0456×2−2,943х+133,85- Я2=0,723 Ка-б из УФ=0,0055×3−0,445×2+10,22х+15,03- Я2=0,983 Кинг. а-б из ГЛ=0,0007×3−0,118×2+5,679х+10,564- Я2=0,985
Кинг. а-б из осп=0,0005×3−0,0858×2+4,346х+8,924- Я2=0,968
Список литературы
1. Мананков А. В., Подшивалов И. И., Фатыхова Ю. И., Осипов С. П. Эволюционно-диффузная математическая модель воздействия микроорганизмов на строительные материалы // Изв. вузов. Строительство. 2006. № 8. С. 20−25.
2. Власов Д. Ю., Зеленская М. С. Особенности колонизации мрамора микромицетами (СЭН — исследование) // Микология и фитопатология. 2001. Т. 35, № 5. С. 10−12.
3. Илиополов С. К., Мардиросова И. В., Углова Е. В. Развитие процессов старения битумов в асфальтобетонных покрытиях асфальтобетонных дорог // Изв. вузов. Строительство. 1994. № 3. С. 48−52.
4. Углова Е. В., Илиополов С. К., Мардиросова И. В. Старение асфальтобетона в условиях юга России // Автомобильные дороги. 1993. № 4. С. 26−28.
5. Schmidt H., Schnidtke M. Veranderunq des bitumens durch oxidation underhitzunq // Forsch. Strassenbau und Stras-senverkehrtechn. 1994. V. 685. S. 1−191.
6. Кретов В. А., Лаврухин В. П. Эффективный путь повышения срока службы дорожных одежд // Наука и техника в дорожной отрасли. 1999. № 3. С. 190−191.
7. Илиополов С. К., Углова Е. В., Мардиросова И. В. Повышение долговечности асфальтобетонных покрытий за счет модификации битумов // Изв. вузов. Строительство. 1996. № 7. С. 58−61.
8. Бабаев В. И. Старение асфальтобетона в условиях юга России. Отклики на опубликованные статьи // Автомоб. дороги. 1994. № 3. С. 21.
9. Соломатов В. И., Ерофеев В. Т., Смирнов В. Ф. Биологическое сопротивление материалов. Саранск, 2001. 196 с.
10. Ерофеев В. Т., Баргов Е. Г., Смирнов В. Ф. Биодеградация и биологическое сопротивление пенобетонов // Изв. вузов. Строительство. 2002. № 6. С. 30−35.
11. Ерофеев В. Т., Смирнов В. Ф., Яушева Л. С., Смирнова О. Н. Биологическое сопротивление серобетонов // Изв. вузов. Строительство. 2002. № 11. С. 29−33.
12. Вешнякова Т. П., Голубева И. А., Крылов И. Ф., Лыков О. П. Стабилизаторы и модификаторы нефтяных дистил-лятных топлив. М., 1990. 192 с.
13. Карбан В. И., Кугер Р. В., Мироненко Н. И. Химические реакции в эмульсиях // Успехи химии. 1969. Т. 38. Вып. 3. С. 539−559.
14. Анисимова А. А., Фельдман М. С., Высоцкая Л. Б. Ферменты мицеллярных грибов как агрессивные метаболиты // Биоповреждения в промышленности. Горький, 1985. С. 8−19.
15. Могильницкий Г. А. Микробиологическая коррозия магистральных трубопроводов и методы, предотвращающие ее развитие // Биоповреждения в строительстве. М., 1984. 319 с.
16. Горленко М. В. Некоторые биологические аспекты биодеструкции материалов и изделий // Биоповреждения в строительстве. М., 1984. 319 с.
17. Руденская И. М., Руденский А. В. Органические вяжущие для дорожного строительства. М., 1984. 203 с.
18. Дияров И. Н., Батуева И. Б., Садыкова А. Н., Солодова Н. Л. Химия нефти. Руководство к лабораторным занятиям: Учеб. пособие для вузов. Л., 1990. 240 с.
19. Батуева И. Ю., Гайле А. А., Поконова Ю. В. Химия нефти. Л., 1984. 360 с.
20. Bellin P. Die Ergebnisse der Programm (SHRP) // Bitumen. 2002. B. 64. № 4. S. 140−144.
21. Киселев В. П., Бугаенко Э. В., Ефремов А. А., Толстихин К. Б. Отходы лесохимии в качестве модифицирующих добавок в дорожные покрытия // Ресурсы регионов России. 2001. № 5. С. 38−41.
22. Киселев В. П., Грибов А. Ю., Ефремов А. А. Использование отстойной смолы пиролиза скорлупы кедровых орехов в качестве модификатора органического вяжущего // Химия растительного сырья. 2001. № 3. С. 65−68.
23. Киселев В. П., Тюменева Г. Т., Рубчевская Л. А. Составленные вяжущие на основе битума, гудрона и гидролизного лигнина // Изв. вузов. Строительство. 2000. № 9. С. 45−49.
24. Киселев В. П., Ефремов А. А., Толстихин К. Б. Модификация поверхностного натяжения дорожных битумов смолами пиролиза растительного сырья // Химия растительного сырья. 2002. № 3. С. 5−12.
25. Киселев В. П., Иванченко А. В., Тюменева Г. Т., Вешникова З. П. и др. Об использовании демоптированной угольной футеровки электролизеров в дорожном строительстве // Изв. вузов. Строительство. 2002. № 3. С. 90−94.
26. Гениатулин К. В. Проблемы метрологического обеспечения контроля природной водной среды методами биологического тестирования // Медицинские и биологические измерения. 1989. Т. 3. С. 55−57.
27. Мирошников А. Б., Огрель Л. Ю., Балятинская Л. Н. Использование биотестирования с помощью дафний для оценки экологического состояния водных объектов в управлении охраны окружающей среды // Материалы 1-й Всероссийской научной конференции МФНС-99. Иваново, 1999. С. 133.
28. Шишин М. М., Иванова Н. Л., Лукьяненко В. И. Биотестирование качества природной воды р. Которосль на территории г. Ярославля в зимний период с помощью одноклеточной протококковой водоросли Scenadesmus quatricauda // Современные проблемы биологии и химии. Ярославль, 2000. С. 106−110.
29. Кратасюк В. А., Кузнецов А. М., Родичева Э. К., Егорова О. И. и др. Проблемы и перспективы биолюминесцент-ного тестирования // Сибирский экологический журнал. 1996. № 5. С. 397−403.
30. Кузнецов А. М., Родичева Э. К., Шилова Е. В. Биотест на основе лиофилизованных светящихся бактерий // Биотехнология. 1996. № 9. С. 57−61.
31. Кузнецов А. М. Биолюминесцентный метод и прибор «Люминометр» для анализа биологически активных веществ. Новосибирск, 1983. 3 с.
32. Головлева Л. А., Ганбаров Х. Г., Скрябин Г. К. Разложение лигнина грибными культурами // Микробиология. 1982. Т. 51, Вып. 4. С. 543−547.
33. Филимонов В. С., Киселев В. П. Смолы пиролиза растительного сырья как фактор биологической защиты дорожных покрытий // Электронный журнал «Исследовано в России», 2002/200 С. 2215−2221. http: //zhurnal. ape. relarn. ru/articles/2002/200. pdf.
Поступило в редакцию 21 апреля 2007 г.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой