сборник докладов. 1МССФ-2020 том 2. Кафедра строительства и городского хозяйства v международный студенческий строительный форум 2020 Белгород, 26 ноября 2020 г Том 2 Сборник докладов Белгород 2020
 Скачать 4.55 Mb.
|
|
Балицкий ДА, аспирант, Себелева НЮ, студент, Духанина У.Н., аспирант, Неровная СВ, аспирант, Бондаренко ДО, канд. техн. наук, доцент Научный руководитель др техн. наук, проф. Строкова В.В. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия КОНСОЛИДАЦИЯ ГИПСОВОГО КАМНЯ И ПРОДУКТОВ КАРБОНАТНОЙ БИОМИНЕРАЛИЗАЦИИ Введение На сегодняшний день проблема долговечности строительных материалов является актуальной как никогда. Для решения проблемы увеличения долговечности материала учёные обратились к процессам биоминерализации. Так, в настоящее время активно развивается гипотеза биогенного формирования карбонатных образований в гипсосодержащих строительных материалах. Применение карбонатной биоминерализации позволит значительно увеличить долговечность материалов на основе гипсового вяжущего. Данное явление обусловлено положительным влиянием на водостойкость материала [1]. Основная часть Осажденные кристаллы карбоната кальция, полученные в процессе ферментативной активности бактериальных 179 культур, оказывают кольматационный эффект (рис. 1). Поры, заполненные продуктами карбонатной биоминерализации, существенно в меньшей степени подвержены накоплению воды, что в свою очередь уменьшает пагубное воздействие влаги на материал. Также следует отметить что происходит процесс самозалечивания гипсового камня, который осуществляется путем заполнения трещин новообразованиями. Самозалечивание гипсового камня обеспечивает восстановление прочностных характеристика (б) Рис. 1. Снимки РЭМ: а) контрольный образец б) образец подверженный карбонатной биоминерализации. Результативность повышения водостойкости и восстановления прочностных характеристик зависит от множества факторов [2]: - штамма бактериальных культур - прекурсоров; - способа обработки. Обработка камнеподобных материалов имеет два, принципиально различных, подхода при выборе бактериальных культур [3]: 1) используется штамм бактериальной культуры, не являющийся частью микробного сообщества обрабатываемого каменного материала 2) используются штаммы бактерий, обнаруженных в обрабатываемых каменных материалах. Второй подход является предпочтительнее, поскольку исключается пагубное влияние между микроорганизмами. Бактерии родов Bacillus и Sporosarcina являются наиболее распространенными в технологии карбонатной биоминерализации. Их использование обусловлено высокими показателями уреазной активности. Одним из важнейших факторов эффективности повышения водостойкости и восстановления материалов является способ 180 обработки. Существует три основных метода поверхностной обработки бактериальным агентом - полное погружение материала - распыление. Однако, полное погружение актуально лишь для небольших конструкционных частей. По этой причине, наиболее целесообразной является обработка с помощью распыления [4]. Наиболее часто используемой технологией карбонатной биоминерализации является разложение мочевины на аммиак и углекислый газ. Данное явление обусловлено взаимодействием фермента уреазы и мочевины. Фермент провоцирует сольволиз (NH 2 ) 2 и, как следствие, образование СО и NH 3 . Продукты гидролиза приводят к повышению рН среды. Более подробно данный процесс описан в следующих формулах 2CO(NH 2 ) 2 + H 2 O → NH 2 COOH + NH 3 (1) 2NH 2 COOH + H 2 O → NH 3 + H 2 CO 3 (2) В качестве источника кальция в системе используется Катион кальция участвуют в минералообразовании, а анион хлора повышает уровень pH среды, что благоприятно влияет на жизнедеятельность микроорганизмов [5]. Вводе, продукты разложения мочевины приходят в равновесие и образуют 1 моль аммония и гидроксид-ионы, которые также обусловливают повышение уровня рН среды 2H 2 CO 3 → 2H + + 2CO 3 2− (3) 2NH 3 + H 2 O → NH 4− + OH − (4) 2Ca 2 + CO 3 2− → CaCO 3 (5) Осаждение происходит посредством участия органотрофных и хемотрофных сообществ микроорганизмов, воздействующих на соединения кальция во внеклеточном пространстве [6,7]. 181 а) (б) (в) (г) Рис. 2. Механизм осаждения карбоната кальция с помощью продуцированной уреазы Из-за отрицательного заряда стенок микроорганизма, ионы кальция притягиваются к поверхности (рис. 2). После добавления мочевины, бактерии разлагают ее на аммоний (AMM) и неорганический углерод (DIC). После процесса расщепления компоненты выходят в окружающую среду (а, перенасыщение кальцием системы приводит к выпадению последнего на поверхность микроорганизмов б. После этого бактериальные стенки инкапсулируются полностью, что приводит к ограничению переноса питательных веществ и бактерия погибает (в. На изображении (г) показаны отпечатки бактерий, участвующих в биоминерализации. Выводы Введение микроорганизмов в состав гипсосодержащих строительных материалов приводит к повышенному содержанию карбоната кальция в системе [8]. Помимо явления закупоривания пор, происходит заполнение трещин. Продукты карбонатной биоминерализации повышают водостойкость, а также восстанавливают прочностные характеристики материла. Таким образом, данная технология является перспективным методом повышения долговечности гипсосодержащих строительных материалов [9]. Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта № 18-29-12011 с использованием оборудования Центра Высоких Технологий БГТУ им. В.Г. Шухова. Библиографический список 1. Fadwa J., Teresa G., Garcia A., Rodriguez C. Consolidation of archaeological gypsum plaster by bacterial biomineralization of calcium carbonate // Acta Biomaterialia. – 2014. – Vol. 10 – Pp. 3844-3854. 2. Духанина У.Н. , Строкова В.В., Балицкий ДА. Особенности применения карбонатной биоминерализации в сохранении материалов 182 зданий и сооружений // в сборнике Инженерные задачи проблемы и пути решения. Сборник материалов Всероссийской (национальной) научно-практической конференции Высшей инженерной школы САФУ. Составители МВ. Морозова, СЕ. Аксенов. – 2019. – С. 18-20. 3. Строкова В.В., Власов Д.Ю., Франк-Каменецкая О.В., Духанина У.Н., Балицкий ДА. Применение микробной карбонатной биоминерализации в биотехнологиях создания и восстановления строительных материалов анализ состояния и перспективы развития // Строительные материалы. – 2019. – № 9. – С. 83-103. 4. Ерофеев ВТ. , Аль Д.С., Фомичев ВТ. Химические аспекты процесса устранения трещин с помощью бактерий // Транспортные сооружения. – 2018. – Т. 5. – № 3. – С. 12. 5. Ерофеев ВТ. , Калашников В.И., Смирнов В.Ф. Стойкость цементных композитов на биоцидном портландцементе с активной минеральной добавкой в условиях воздействия модельной среды бактерий // Строительные материалы и изделия. – 2016 – № 1. – С. 11- 17. 6. Леонова Л.В., Кузьмина Л.Ю., Рябова АС, Симакова ЮС. и др. Бактериальное образование карбонатов в лабораторных условиях // Минералогия техногенеза. – 2015. – № 16. – С. 139-147. 7. Максимова И.Н., Ерофеев ВТ, Макридин НИ, Полубарова Ю.В. Комплексная оценка параметров качества структуры и механики разрушения цементного камня / // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2015. – № 3 (675).– C. 14-22. 8. Максимова И.Н., Макридин НИ, Егина НА, Ерофеев ВТ. О параметрах механического поведения горных пород с позиций структурной механики разрушения материалов // Региональная архитектура и строительство. – 2017. –№ 2 (31).– С. 25-31. 9. Чернышов ЕМ, Артамонова О.В., Коротких ДН. и др. Приложения нанохимии в технологии твердофазных строительных материалов научно-инженерная проблема, направления и примеры реализации // Строительные материалы. – 2008.–№ 2 – С. 32-36. 10. Hammes F., Verstraete W. Key Roles of pH and Calcium Metabolism in Microbial Carbonate Precipitation, Enviromental Science & Biotechnology // Enviromental Science & Biotechnology. – 2002. – Vol. 1 – Pp. 3-7. 183 Журабаева РТ, студент Научный руководитель доктор PhD Рахманов Б.К. Ферганский политехнический институт, г. Фергана, Республика Узбекистан ИЗУЧЕНИЕ ТКАЦКОЙ КОНСТРУКЦИИ СИНТЕТИЧЕСКИХ ЛЕНТ ДЛЯ ГРУЗОЗАХВАТНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ (ГЗП) Нетрудно обосновать стремление человека вовсе периоды развития общества механизировать процессы и облегчить труд человека по подъему и перемещению тяжестей. Всё новое, что создается в последнее столетие немедленно примеряется к подъемно-транспортной технике, превращая её в своеобразный интегральный показатель технического уровня общества. К тому же работу подъемно-транспортного оборудования (ПТО) нельзя рассматривать отдельно от грузозахватных приспособлений (ГЗП). В мире проводятся научно-исследовательские работы направленные на повышение прочности, долговечности и стойкости СТЛ. Использование строп из СТЛ стало доступным для всех сфер хозяйствования. Они становятся все более популярными грузозахватными приспособлениями. Легкость, гибкость и высокая грузоподъемность этого вида строп позволяет решать множество задач в подъеме и перемещении грузов, которые до недавних пор считались невыполнимыми. В некоторых случаях они являются единственно возможным приспособлением для обвязки и строповки грузов. В большей степени это касается грузов, нуждающихся в бережном обращении [1]. В Узбекистане в области производства и использования СТЛ делаются определенные шаги. Производятся ленты, однако они используются для различных нужд хозяйствования, их показатели мало исследованы, не испытаны и не освидетельствованы, и тем более не предназначены для грузоподъемных приспособлений. Отсутствует также нормативная база по производству и использованию этой продукции. Частные фирмы организуют в нашей стране торговлю продукцией иностранных компаний. Для изучения материалов, применяемых в ГЗП строп, где используются технические изделия в виде технической ленты прежде всего возникает необходимость изучения технологии их производства. 184 В настоящем изучены основные понятия о текстильном производстве, проведены исследования по оптимизации структуры и строению синтетических лент. Основными параметрами строения лент являются взаимное расположение нитей основы и утка и связь их между собой (Рис, что зависит от таких факторов, как вид и линейная плотность ленты по основе и утку, вида переплетения нитей в ленте, технологических параметров заправки и выработки лентоткацкого станка, изгиб нити в ленте [2]. Рис. Расположение нитей основы и утка а - основная переплетение нити б – уточная переплетение нити С увеличением линейной плотности нитей основы и понижением линейной плотности нитей утка изгиб основной нити уменьшится, те. основа займет более прямолинейное положение в ленте, а уток, увеличив свой изгиб, − более изогнутое положения. Вследствие этого строение ленты изменится, а следовательно, изменится и ее физико- механические свойства. Далее рассмотрим технологические параметры заправки и выработки ленты на лентоткацком станке. Характеристику параметров строения ленты нити основы и утка в процессе ткачества находятся под многократным воздействием внешних сил, зависящих от параметров заправки. Такими параметрами являются натяжение нитей основы и утка, величина заступа, положение скала относительно грудницы, высота и глубина зева. Чем больше натяжение нитей той или иной системы, тем меньше их изгиб. Кроме того, изменение натяжения нитей повышает или 185 понижает плотность ленты, вследствие чего увеличивается или уменьшается величина изгиба нитей. Натяжение нитей основы на лентоткацком станке может меняться в результате изменения величины заправочного натяжения, установления более раннего или позднего заступа, увеличения или уменьшения высоты и глубины зева и т.д. Нити основы и утка, взаимодействуя в процессе лентообразования, изгибаются. Этим объясняется разница между длиной нитей, вводимых в ленту, и длиной и шириной выработанной ленты. Это так называемая уработка нитей основы и утка. Величина уработки нитей в ленте зависит от следующих факторов − рода и вида нитей основы и утка, из которых вырабатывается лента, и способности их деформироваться под воздействием внешних сил − вида переплетения основных и уточных нитей чем больше изгибов нитей основы и уткана единицу длины ленты, тем больше их уработка. Наибольшее количество изгибов основных и уточных нитей при прочих равных условиях имеет место при полотяном переплетении, соответственно в данном случае наблюдается максимальная величина уработки нитей основы и утка в ленте при прочих равных условиях − линейной плотности нитей основы и утка чем больше линейная плотность основных нитей и ниже уточных, тем меньше уработка нитей по основе и больше по утку, и наоборот − плотности ленты по основе и утку. Число изгибов нитей в ленте на единице ее длины зависит от плотности ленты по основе и по утку число изгибов нити по основе зависит от плотности ленты по утку, а число изгибов нити по утку зависит от плотности ленты по основе. Таким образом, чем больше плотность ленты по основе, тем больше уработка нитей по утку, и чем больше плотность ленты по утку, тем больше уработка нитей по основе − технологических параметров заправки ленты. Главными технологическими параметрами, влияющими на уработку нитей в ленте, являются величина заправочного натяжения нитей основы и утка при выработке ленты, изменение натяжения нитей основы и утка в процессе ткачества, величина заступа, высота и длина зева и т.д. [3]. Таким образом, с помощью различного расположения нитей в ленте нами создавалась большое количество разнообразных переплетений, сочетание которых определяло строение ленты. 186 Итак, уработку нитей основы а, в %, определяем как разность между длиной основных нитей 𝐿 0 и длиной ленты т, выработанной из них ат) Уработку нитей утка ау, в %, называется разность между длиной уточной нити у, проложенной в зев, и шириной выработанной ленты В с : а у =( 𝐿 у − В с ) у) Уработка нитей в ленте оказывает большое влияние на ее строение и свойства, на расход сырья для выработки 1 п.м. ленты. Заполнение ленты синтетическим материалом определялось следующим образом Линейное заполнение ленты по основе и утку, %, Зло = Р ; Злу = Р у 𝑑 у , (2.3) Р и Р у − плотность на 1 дм соответственно по основе и по утку 𝑑 0 и 𝑑 у − диаметр нити соответственно основы и утка, мм Диаметр нити, мм, d = C/ √1000/𝑇 = С, (2.4) где С коэффициент, учитывающий вид сырья для полипропиленовой и полиэтиленовой нити, С T − линейная плотность нити, текс. Линейная плотность (суровой ленты) определяется массой основы и уткана единицу длины ленты. Масса основы в 100 м. ленты, кг, 𝑀 0 = 𝑛 0 100 𝑇 0 / [ 10 а 100)], (2.5) где, 𝑛 0 − общее число нитей основы 𝑇 0 − линейная плотность нитей основы, текс; а 0 − уработка основы, %. Все дальнейшие испытания основывались на лентах с саржевой схемой плетения, из которых были изготовлены петлевые и кольцевые стропы. Петлевые стропы на концах снабжались текстильными петлями, грузовыми крюками и скобами. Они также выполнялись комбинированными, то есть имели на одном конце грузовой крюк или скобу, а на другом конце обычную текстильную петлю (огон). Кольцевые стропы, соответственно, петель не имели и представляли собой сшитую кольцом текстильную ленту. Они изготавливались в нескольких вариациях, как по ширине, таки по толщине, достигая при этом большей грузоподъемности [4]. 187 В результате выполненных лабораторных экспериментов была разработана рациональная схема плетения синтетических нитей для производства лент для стропов, обеспечивающая достаточные прочностные и деформационные свойства для их использования при многократном поднятии грузов весом 10 кН с семикратным запасом прочности, а при числе подъемов не более 5 – до 55 кН. Библиографический список 1. Сулейманова Л.А., Рахманов Б.К., Кочерженко В.В., Солодов Н.В. Перспективные направления развития технологии такелажных работ с использованием стропов на текстильной основе. Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова, №7. 2018 г. БГТУ, Россия, ФерПИ, Узбекистан. 2. Николаев С.Д. Прогнозирование изготовления тканей заданного строения учебное пособие /С.Д. Николаев. ‒ Москва Московский текстильный институт, 1990. с. 3. ГОСТ 16218.5-82. Изделия текстильно-галантерейные. Метод определения разрывной нагрузки и разрывного удлинения при растяжении. - Введ. 01.07.83. 4. Абдуллаев И.Н., Рахманов Б.К. Проблемы производства и применения грузозахватных приспособлений из синтетических лент и канатов в Узбекистане // Подъемно-транспортное дело. 2018. № 6. С. 5–7. Журавлёва А.Э., аспирант Научный руководитель канд. техн. наук, профессор Лесовик В.С. Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, г. Белгород, Россия ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕХНОГЕННОГО СЫРЬЯ В СТРОИТЕЛЬНОМ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИИ Важнейшим фактором процветающего существования и развития жизни на Земле является экологичность. Она оказывает значительное влияние на состояние живых организмов, а также на условия жизни человека [1]. Развитие экономики и улучшение качества жизни невозможно без строительства новых и реконструкции существующих промышленных, транспортных, жилых и общественных зданий и сооружений. Чтобы увеличить объемы строительства, необходимо значительно увеличить 188 добычу полезных ископаемых, что, в свою очередь, приводит к увеличению объема техногенных продуктов. На сегодняшний день мировое сообщество четко осознает опасность загрязнения окружающей среды Земли и атмосферы искусственными отходами, и, чем мельче они, тем больше вреда они приносят, загрязняя водные ресурсы и создавая пылевые шторма. Ежегодно накапливается приблизительно 1 миллиард тонн различных искусственных отходов, которые в районах деятельности предприятий негативно влияют на экологическую ситуации, тем самым отрицательно сказываясь на здоровье населения. Поэтому большое значение имеет интенсификация научных исследований в плане изучения возможности применения техногенного сырья в производстве строительных материалов и изделий. Этот тип утилизации поможет уменьшить ущерб, причиненный окружающей среде, а также получить высококачественные строительные композиты [2-4]. Сейчас в мире насчитывается более 1000 наименований техногенных продуктов, которые можно использовать в качестве вторичного сырья. Из них около 700 наименований включены в банки данных в качестве объекта использования, нов основном только 60 из них перерабатываются каким то образом. В России наиболее распространенными техногенными отходами являются зола и шлаки ТЭС, переработки легковоспламеняющихся сланцев, добычи угля, металлургические и бытовые отходов. На данный момент в России хоть и мало внимания уделяется проблеме переработки техногенного сырья в производственных масштабах, нов тоже время ученые активно изучают этот вопрос [5]. На предприятии ОАО «РЯЗАНЬПРОМСТРОЙИНВЕСТ» была внедрена технология изготовления изделий (полимерпесчаной композиции, включающая в себя утилизацию полимерных отходов. Были получены высокоэффективные водоотводы и черепица, которые ничем не уступали, а по многим показателям даже превосходили черепицу из других материалов [6]. Технология производства водоотводов основана на полуавтоматической технологической линии ив месяц позволяет утилизировать дот полимерных отходов. Причем полимерный водоотвод обладает наиболее приемлемым соотношение цены и качества, а решетка из прочной полимер- песчаной композиции выдерживает высокие нагрузки и соответствует стандарту DIN 19580. 189 Наиболее эффективно используются техногенные продукты в цементной промышленности (при производстве цементов Д, Д и шлакопортландцемента): - в качестве карбонатного сырья широко применяются отходы химических производств, например, алюмосиликатное, с применением золы ТЭС и углеотходов; - при получении цемента используют породы горно- обогатительных комбинатов (Старооскольский и Подольский цементные заводы, Магнитогорский цементно-горный комбинат - как сырьевой компонент, для производства цемента, применяют хвосты обогащения железных руд, электротермофосфорных шлаков - в качестве активной минеральной добавки используют доменный гранулированный шлак [7,9]. При переработке крупнотоннажных техногенных отходов, в основном металлургии и топливной энергетики, получают пористые заполнители. Так, в г. Тольятти из шлаков и золы получают пористый заполнитель – шлакозит, производство которого связано с производством электрической и тепловой энергий, благодаря чему существенно снижены энергозатраты на его производство (более чем на 40 % по сравнению с керамзитом. В г. Самара, фирмой «Стеклозит», также решалась проблема переработки золи шлаков ив результате была разработана технология получения высокопрочного шлакозитового гравия с прочностью при сдавливании в цилиндре 8 МПа и насыпной плотностью 800 кг/м 3 Ученые Уральского института черных металлов (Екатеринбург) и НИИЖБ разработали и получили шлакостеклогранулят, не уступающий керамзиту, к тому же используя для его получения враз меньше энергии ив раз ниже энергозатраты. Сего применением были получены конструкционные бетоны, в том числе с высокой прочностью - до B80. Технология производства шлакостеклогранулята получила глобальное признание и включена в каталог ООН по экологическим технологиям утилизации искусственных отходов [10]. Утилизация техногенных отходов (железистые шлаки цветной металлургии) возможна при производстве безобжигового вяжущего автоклавного твердения с использованием биотехнологии. Вяжущие и мелкозернистые бетоны с прочностью 20-80 МПа и морозостойкостью F100-500 были получены путем затворения биогенной добавки шлака определенной дисперсии. Экономия энергии в этом случае составляет 190 50-70 %, затрат трудя-20-40%, экономический эффект достигает 70- 80% по сравнению с традиционной технологией [11]. В БГТУ им. В.Г. Шухова также ведется активная работа по разработке строительных материалов с использованием техногенного сырья. Комплексное использование сырья и техногенных продуктов может увеличить объемы производства на 25-30%, а также расширит номенклатуру строительных материалов и изделий и снизит себестоимость в 2-4 раза. Библиографический список 1. Глаголев Е.С., Лесовик В.С., Толстой АД, Крымова АИ, Кузьмина Т.С. Теоретические аспекты применения техногенного сырья в плотных композиционных материалах // В сборнике НАУКОЕМКИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ИННОВАЦИИ Сборник докладов Международной научно-практической конференции. 2016. С. 74-83. 2. Захаров С.А., Лебедев А.А., Матюхина А.А., Никулина АС. Техногенные побочные продукты промышленности как сырьё для производства стройматериалов // В сборнике Образование, наука, производство Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2015. С. 594-599. 3. Киселев А.В. Техногенное сырье для высококачественных мелкозернистых фибробетонов // В сборнике Международная научно- техническая конференция молодых ученых БГТУ им. В.Г. Шухова Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2016. С. 3154-3158. 4. Клюев СВ, Нетребенко А.В., Дураченко А.В., Пикалова Е.К. Фиброармированные композиты на техногенном сырье // Сборник научных трудов SWorld. 2014. Т. 19. № 1. С. 34-36. 5. Лесовик В.С. Состояние и перспективы использования техногенного сырья // В сборнике Научные и инженерные проблемы строительно-технологической утилизации техногенных отходов Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. 2014. С. 17-21. 6. Миронова АС. Техногенное сырье в производстве стеновых и отделочных материалов // Строительные материалы. 2010. № 2. С. 62- 63. 7. Уфимцев В.М., Капустин Ф.Л., Пьячев В.А. Техногенное сырье в производстве цемента вчера, сегодня, завтра // Технологии бетонов. 2012. № 1-2 (66-67). С. 22-25. 191 8. Сулейманова Л.А., Лесовик Р.В., Глаголев Е.С., Сопин ДМ. Высококачественные бетоны на техногенном сырье для ответственных изделий и конструкций // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2008. № 4. С. 34-37. 9. Толстой АД, Лесовик В.С., Загороднюк Л.Х., Ковалева И.А. Порошковые бетоны с применением техногенного сырья // Вестник МГСУ. 2015. № 11. С. 101-109. 10. Толстой АД, Лесовик В.С., Новиков К.Ю. Высокопрочные бетоны на композиционных вяжущих с применением техногенного сырья // Известия вузов. Инвестиции. Строительство. Недвижимость. 2016. № 2 (17). С. 174-180. 11. Толстой АД, Новиков К.Ю. Совершенствование структуры и свойств порошковых бетонов на техногенном сырье // Строительство наука и образование. 2017. Т. 7. № 2 (23). С. 31-37. |