3 Июнь 2016

 

П.Г. КОМОХОВ, академик РААСН, д-р техн. наук (ПГУПС),
В.В. ИНЧИК, д-р техн. наук (СПбГАСУ)

 

В последние десятилетия при эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций проблемным вопросом является биокоррозия этих сооружений [1, 2, 3, 4].

 

Наряду с физическими и химическими факторами значительную и определяющую роль в разрушении структуры бетона в коллекторах сточных вод могут играть микроорганизмы — бактерии и грибы, для размножения которых там создаются благоприятные условия.

 

При транспортировании сточной воды по самотечным каналам и трубопроводам со скоростью, меньшей, чем самоочищающая скорость, возможно выпадение взвешенных примесей воды в осадок. Находясь под слоем воды в анаэробных условиях, осадок может загнивать. При этом создаются оптимальные условия для жизнедеятельности сульфатредуци-рующих бактерий, восстанавливающих сульфаты при сопряженном окислении органических веществ с образованием H2S.

 

Разрушение бетона происходит в основном в верхней части трубопровода над уровнем воды (рис. 1). Условия в этой зоне (наличие кислорода, сероводорода, влаги) оказываются очень благоприятными для развития тионовых бактерий и бесцветных серобактерий.

 

Механизм биологической деградации в пористой структуре бетона с избирательным воздействием кристаллической фазы портландита является сложным процессом, объединяющим ряд этапов разрушительного действия. Сначала микро-организмы попадают на поверхность материала. Затем происходит адсорбция микроорганизмов и пылевидных частиц поверхностями материала, которая зависит от свойств микроорганизмов, характера поверхности, степени ее шероховатости, температурно-влажностных условий, рН водных пленок. В дальнейшем образуются микроколонии до размеров, видимых невооруженным глазом. При этом происходит образование коррозионно-активных метаболических продуктов с локальным накоплением электролитов.

 

Последнее обстоятельство является важнейшей особенностью микроорганизмов как инициаторов и активных участников коррозии.

 

Участие биологических факторов (нитрифицирующих и тионовых бактерий) в коррозионных процессах и их количественная оценка была установлена на основании микробиологического анализа образцов бетона.

 

Микробиологический анализ в определении общего количества микроорганизмов показал, что в одном грамме образца цементного бетона находится 158-106 микроорганизмов. При этом бактерии были распределены по виду: тионовых — 118 —103 и нитрифицирующих 15103 [2].

 

Газовая среда коллекторов характеризуется весьма сложным составом и содержит ряд агрессивных соединений — сероводород, сернистый, углекислый газ, а также аммиак. В свободном состоянии сероводород не оказывает отрицательного влияния на свойства бетона, однако он может вступить во взаимодействие с гидроксидом трехвалентного железа — продуктом жизнедеятельности железобактерий. Реакция идет с образованием свободной серы по уравнению

3H2S + 2Fe(OH)3 → 2FeS + S + 6H2O.

 

В дальнейшем тионовые бактерии окисляют серу до серной кислоты

2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4.

 

Еще более агрессивный характер по отношению к бетону проявляют нитрифицирующие бактерии, которые получают энергию за счет окисления аммиака до нитритов и нитратов. Первую стадию процесса ведут бактерии рода Nitrosomonas

2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O.

 

Вторая стадия осуществляется при участии бактерий рода Nitrobacter с образованием азотной кислоты [5]

2HNO2 + O2 = 2HNO3.

 

Определяющим действием в биоповреждении и разрушении бетона является агрессивное воздействие тионовых и нитрифицирующих бактерий, которые способны в массе бетона, примыкающей к поверхностному слою, понижать рН весьма значительно — с 12 до 3.

 

С учетом высокой влажности (>65%) и температуры (30-40оС) газовая среда по СНиП 2.03.11-85 разделяется по содержанию H2S на три категории: слабоагрессивная, содержащая H2S    м3; среднеагрессивная — от 0,01 до 5 мг/м3; сильноагрессивная — более 5 мг/м3.

 

На основании изложенного и многочисленных анализов установлено, что газовая среда коллектора сточных вод, содержащая до 10 мг/м3 сероводорода, является сильноагрессивной.

 

Интенсивность коррозионных разрушений при биодеградации протекает по аналогу деградации, связанной со взаимодействием химических агрессивных сред и определяется скоростью химических реакций на поверхности бетона, внутренней диффузией микроорганизмов и продуктов их метаболизма в пористой структуре материала, а также активностью этих реакций.

 

С точки зрения биодеградации состояние железобетонных коллекторов сточных вод заслуживает особого внимания. Коллекторные сооружения в больших городах относятся к классу конструкций повышенной экологической опасности, так как многие из них построены из железобетона без специальной защитной отделки его внутренней поверхности.

 

Рис. 1. Схема биодеградации бетонного коллектора сточных вод: 1 — тионовые бактерии; 2 — серная кислота; 3 — нитрифицирующие бактерии; 4 — места разрушения бетона коллектора; 5 — азотная кислота; 6 — кольцо бетонного коллектора; 7 — выделяющийся аммиак; 8 — выделяющийся кислород; 9 — выделяющийся сероводород; 10 — осадок на дне коллектора, содержащий сульфиды; 11 — сточные воды

 

 Содержание микрокремнеэема, %
  Содержание микрокремнеэема, %
  Содержание микрокремнеэема, %
 Содержание микрокремнеэема, %
 Содержание микрокремнеэема, %

 

Рис. 2. Гистограммы распределения системы пор в зависимости от содержания микрокремнезема в цементном камне

 

Систематические наблюдения за состоянием железобетона в коллекторах сточных вод показывают, что скорость разрушения поверхностного слоя бетона варьируется в широких пределах и составляет от 1 до 20 мм в год. Интенсивность разрушения определяется скоростью диффузионно-кинетического показателя, количеством свободной Ca(OH)2 в структуре бетона, системой пор, их размерами и геометрией, концентрацией серной и азотной кислот, а также плотностью этих кислот, которые могут достигать соответственно 1,5 и 1,85 г/см3.

 

Для предотвращения разрушения бетона и коррозии арматуры в железобетоне применяются следующие способы.

 

Защита арматуры обеспечивается правильным подбором состава бетона, достаточной толщиной защитного слоя бетона, его уплотнением. В качестве специальных мер применяются предварительное покрытие арматуры слоем битумной краски, смешанной с цементом, и электрохимическая защита. Для защиты бетона применяют битумные покрытия и лаки. Бетон низких марок пропитывают полимеризующими составами, заполняющими капилляры, поры и трещины в бетоне и препятствующими проникновению в него воды.

 

Для предотвращения развития микробиальных процессов важно поддерживать такую скорость движения воды в трубопроводе, при которой невозможно образование осадков. Следует также избегать турбулентности потока, чтобы предотвратить выделение из воды кислорода. В особо опасных случаях рекомендуются предварительное отстаивание и аэрация сточной воды [5].

 

Однако практика показывает, что такие меры в условиях сильноагрессивных сред являются недостаточными. Более эффективными мерами защиты бетона являются следующие мероприятия.

 

В средах малой и средней степеней агрессивности эффективно применять меры надежной первичной защиты, использовать бетон особо низкой проницаемости за счет сокращения количества пор и перевода их в размер суб-микропор и микропористости.

 

Эффективной мерой является также связывание свободного гидроксида кальция и перевода его в форму низкоосновного гидросиликата кальция. Для этих целей рекомендуется вводить в бетонные смеси ультрадисперсный аморфный кремнезем, а также комплексную добавку модифицирующего действия в сочетании микрокремнезема и суперпластификатора С-3. Эффективность этого метода обусловливается тем, что гидравлическая активность микрокремнезема по показателю пуццоланизации в структуре цементной матрицы более чем в 1,5 раза выше минеральной традиционно применяемой добавки, такой как трепел. 1 г трепела связывает 120—140 мг СаО, а микрокремнезем связывает 220—240 мг.

 

Экспериментально установлено, что действие микрокремнезема весьма эффективно для обеспечения повышенной стойкости цементных бетонов в агрессивных средах.

 

В комплексных исследованиях по распределению системы пор в цементном камне с добавкой микрокремнезема анализировался спектр пор от 5А до 500 мкм на основе малоугловой рентгеновской дифракции, протонного магнитного резонанса и электронной сканирующей оптической микроскопии*.

 

Установлено также, что с введением добавки микрокремнезема до 20% количество гелевых пор уменьшается с 10 до 6%. Подобная зависимость сохраняется и для капиллярной пористости. В то же время макропористость (при размере пор 10—50 мкм) возрастает от 3,3 до 6,5 %.

 

Серии образцов матрицы

Объем пор (4V/V), %

МК* Температура,

0С

Поры геля 5А < R < 25А Капиллярная пористость Макропоры 10 мкм < R < 500 мкм Общая пористость 5А < R < 500 мкм
Субмикропоры 25А < R < 500А Микропоры 500А < R < 10 мкм

Общая

25А < R < 10 мкм

0 14,2 5,8 5,8 15,7 8,9 38,8
10 10,4 3,7 3,7 13,4 3,3 27,1
20 20 7,5 2 2 5 4,5 17
30 6,2 0,63 0,63 3,73 6,5 16,4
20+С-З** 10,4 2,1 2,1 9,7 6,6 26,7
20 40 12 2,7 2,7 12,2 4 28,2
20 60 14,3 4,9 4,9 15,4 6,1 35,8

*МК — добавка в цемент микрокремнезема — попутного продукта Челябинского ферросилиция, мас. %.
**С-З — суперпластификатор, введенный в цемент в количестве 0,6 мас. %.

 

 

 Температура твердения, °С
 Температура твердения, °С
Температура твердения, °С
 Температура твердения, °С
 Температура твердения, °С

 

Рис. 3. Гистограммы распределения системы пор цементного камня с добавкой микрокремнезема в зависимости от температуры твердения

 

Тепловлажностная обработка материала приводит к количественному росту всех видов пор, кроме макропористости. Количество всех видов пор в цементном камне с добавкой микрокремнезема по сравнению с контрольными образцами (без добавок) уменьшается в среднем в два раза (см. таблицу).

 

Однако с повышением температуры твердения бетона активность микрокремнезема при структурообразовании снижается.

 

Проведенный статический анализ для всех видов пор показал влияние количества добавки в объеме цементного камня. Полученные результаты приведены в виде гистограмм (рис. 2, 3), где площадь каждого прямоугольника пропорциональна частоте нахождения данной величины в изучаемой совокупности.

 

Установлено, что микрокремнезем более эффективно влияет на образование пор и субмикропор цементного геля. Эффективность воздействия коррелируется последовательностью, обусловленной понижением рН-среды твердеющей системы и соответствующей ей процессу ускорения основных реакций гидратации силикатных фаз цемента. При этом твердые основания действуют по принципу кислотноосновных катализаторов.

 

Список литературы

  1. Комохов П.Г., Ларионов Н.М. Защита облицовочных бетонных покрытий от биоразрушения / Материалы семинара «Производство и применение эффективных отделочных материалов в строительстве и способы повышения их качества». Л.: ЛДНТП, 1986. С. 73-77.
  2. Инчик В.В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен. СПб.: СПбГАСУ, 1998. 324 с.
  3. Ерофеев В.Т., Соломатов В.И., Морозов Е.А., Веселов А.П.Микроор-ганизмы — разрушители материалов и изделий. Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 3. М. 2000. С. 76-83.
  4. Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Мо-дры С., Шиссель П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990. 312 с.
  5. Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. М.: Стройиздат, 1983.

 

Статья взята из журнала «Строительные материалы»