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
- 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.
- Инчик В.В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен. СПб.: СПбГАСУ, 1998. 324 с.
- 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.
- Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Мо-дры С., Шиссель П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990. 312 с.
- Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. М.: Стройиздат, 1983.
Статья взята из журнала «Строительные материалы»