В первом десятилетии 21 века жилищно-коммунальный комплекс Российской Федерации столкнулся с проблемой частичного или полного износа структурных составляющих комплекса очистных сооружений населенных пунктов. Зачастую данное явление связано с приходом в негодность железобетонных и бетонных сооружений, входящих в общую технологическую схему процесса очистки фекально-бытовых и промышленных стоков. На сегодня железобетонные конструкции очистных сооружений зачастую израсходовали гарантированный лимит надежности из-за продолжительного срока службы, а также по причине воздействия различных веществ и газов на поверхности как самих конструкций, так и сооружений в целом. Следствием данного факта зачастую становятся аварийные отказы работы как отдельных элементов структуры очистки, так и очистных сооружений в целом, что таит под собой возникновение факторов, негативно влияющих на общую экологическую обстановку.
Исследования и практика эксплуатации очистных сооружений и канализационных сетей показывают, что они подвержены быстрому и нередко непредсказуемому разрушению, вызванному интенсивным протеканием различных коррозионных процессов. Основными причинами разрушения бетонных сооружений являются неудовлетворительное качество бетона и недостаточно тщательная укладка его, перенапряжение материала, механические воздействия, такие, как повышенная скорость движения воды и резкие изменения температуры. Химическая деградация бетона вызывается действием агрессивной углекислоты, сильнокислой или сильнощелочной среды, действием различных солей и т.д. Немаловажную роль в разрушении бетона играют бактериальные процессы.
Проблема коррозии и защиты железобетонных конструкций очистных сооружений сточных вод является одной из наиболее сложных. Без всякого сомнения, бетон был и остается главным строительным материалом прошлого и нынешнего столетия. Это очень прочный, широко используемый, легко применяемый и относительно недорогой материал. В этой связи в строительстве водоочистных и водоотводящих сооружений бетон также занимает главенствующую роль.
Постоянное увеличение индустриализации и механизации производства и быта зачастую влекут за собой и увеличение потребления воды, наряду с новыми более агрессивными методами очистки, предъявляют наиболее высокие требования к прочности бетона. Прочный бетон может выдержать высокие механические и термальные нагрузки, но, будучи щелочным материалом, имеет свои пределы прочности в случаях контакта с кислыми средами [1].
Бетон – щелочная композиция со значениями рН-фактора, приблизительно равныи 11–12. Щелочность в бетоне создают небольшие примеси гидроксидов щелочных металлов (до 1 %) и свободная известь – гидроксид кальция, образующийся как побочный продукт в процессе гидратации силикатов и алюминатов кальция:
2(3CaO⋅SiO2) + 6H2O = 3CaO⋅2SiO2⋅3H2O + 3Ca(OH)2
Гидроксид кальция частично растворим в воде – 1,3 г/л. Однако, если вода фильтруется через тело бетона, вынос свободной извести заметно возрастает, и это ведет к постепенной деструкции цементного камня. Потеря свободной извести до 20 % от ее содержания в бетоне серьезно влияет на несущие свойства конструкции.
Капиллярно-пористая структура и щелочной характер бетона делают его особо уязвимым по отношению к кислым средам. Это могут быть растворы неорганических и органических кислот, альдегиды, кислые и способные к окислению газы, а также соли, гидролизующиеся с образованием кислот. Даже дистиллированная вода с величиной рН-фактора, равной 6, является опасной для бетона [3].
Кислоты взаимодействуют со свободной известью в бетоне, превращая ее в соли. Химическое равновесие в системе цементного камня смещается в сторону дополнительного гидролиза гидросиликатов и гидроалюминатов кальция с образованием новых порций извести, которая вновь связывается и т.д. Эти повторяющиеся процессы приводят к существенным изменениям в структуре цементного камня. За небольшим исключением (фосфорная, щавелевая и кремнефтористая кислоты, образующие с известью труднорастворимые соли) механизм разрушительного действия на бетон характерен для всех остальных кислот. Кислые растворы растворяют на поверхности бетона плотную пленку карбоната кальция – продукта карбонизации свободной извести, облегчая доступ кислот в поровое пространство бетона. [5].
Городские непромышленные сточные воды, которые поступают на водоочистку с рН 6,5–7, в соответствии с действующими нормами, не представляют опасности для бетона и кирпича. В то же время стоки, проходя различные стадии обработки и очистки, подвергают опасности вторичной атаки посредством концентрации токсинов биологических процессов, которые в действительности вызывают разрушение бетона. В бытовых стоках органические субстанции, получаемые в процессе биологической очистки, трансформируются в биомассу как углекислый газ СО2 и сероводород Н2S, отдельно друг от друга. СО2 – природный газ, находящийся в атмосфере в количестве 0,03 %, является катализатором гораздо более опасного процесса – карбонизации бетона, но закономерно то, что процесс не происходит в мокрой среде водоочистных сооружений. Н2S, подобно СО2 также не очень агрессивен по отношению к бетону, но в то же время является причиной неприятного запаха. Проводя минимизацию вредного влияния сероводорода, необходимо максимально герметично изолировать стадии очистки. В результате структурных перемен сточных вод в процессе очистки, происходит вторичная атака на бетон над уровнем стоков, так называемая газовая атака.
Под действием данных процессов микробактериальная оксидация тиобациллы преобразовывает Н2S в концентрированную серную кислоту Н2SO4. По истечению нескольких месяцев это неизбежно приведет к падению рН до уровня 1–2,5. Н2SO4 – высокоагрессивная кислота по отношению к бетону, к тому же кислотная атака проходит двумя путями:
- оказывает растворяющий эффект (цементный камень просто растворяется);
- мелкодисперсная атака твердыми частицами отходов жизнедеятельности, которые образуют тонкий слой на поверхности бетона.
Проникновение частиц осадка внутрь бетона вызывает его разрушение, появляются трещины, и процесс разрушения интенсивно ускоряется во времени [4].
Скорость разрушения бетона зависит от ионного состава воды. Например, если вода содержит много аммонийных соединений, то при контакте ее с сильнощелочной средой в теле бетона может наблюдаться выделение аммиака, ускоряющего растворение извести и разрушение бетона. Аналогичное действие оказывают соли магния и любые более слабые, чем известь, основания. Особенно агрессивной по отношению к бетону является вода, содержащая одновременно повышенные концентрации соединений аммония и магния и сульфаты.
Наличие в воде некоторых ионов, способных вовлекаться в биологические процессы, провоцирует развитие микроорганизмов, продукты жизнедеятельности которых могут разрушающе действовать на бетон. К числу таких микроорганизмов относятся, например, нитрификаторы и сероокисляющие бактерии, развитие которых сопровождается подкислением среды.
Микробиальные процессы разрушения бетона чаще всего связаны с деятельностью бактерий, осуществляющих превращение серы, и наблюдаются обычно в канализационных коллекторах.
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 сульфатредуцирующих бактерий, восстанавливающих сульфаты при сопряженном окислении органических веществ с образованием H2S.
Под воздействием вышеперечисленных факторов незащищенный бетон очень быстро разрушается. Материалы применяемые для защиты бетона от негативных воздействий, должны отвечать следующим условиям:
- безопасные для здоровья и окружающей среды;
- кислотоустойчивые при рН = 1 и менее;
- имеющие безупречную адгезию к бетону в постоянно влажных условиях;
- прочные к механическим воздействиям.
При проведении, более тщательного анализа процессов, происходящих на поверхности технологических сооружений, можно судить о нескольких факторах, которые способствуют протеканию данных процессов. Результаты исследований показали, что органические покрытия не имеют диффузии водяного пара и по этой причине обречены на потерю адгезии к бетону. Данный процесс происходит из-за давления влаги изнутри бетонной конструкции, находящейся в контакте с грунтом, что, в свою очередь, приводит к образованию пузырей на поверхности защитного покрытия. Подобные явления были отмечены на большинстве водоочистных сооружений, что позволяет судить о системности данных процессов. Из-за своих физико-химических свойств органические покрытия очень чувствительны к влажности бетона (для эпоксида 0,6 %, для полиуретана – 0,4 %), что делает практически невозможным их использование для санации старых, поврежденных бетонов, находящихся в постоянно влажном состоянии [2].
Были проведены испытания ремонтных составов на основе цементосодержащих композиций, модифицированных фунгицидным модификатором полифункционального действия. Модификатор представляет собой продукт конденсации отходов производства резорцина с фурфуролом. Наличие в его составе олигомерных продуктов конденсации отходов производства резорцина с фурфуролом и непроконденсированных продуктов осмоления отходов производства резорцина – смеси дизамещенных фенолов и ароматических сульфокислот отличает этот модификатор от большинства аналогов способностью проявлять фунгицидные свойства в щелочной среде. Кроме того, использование модификатора позволяет значительно повысить подвижность ремонтных составов при постоянном и сниженном водоцементном отношении, что в свою очередь приводит к увеличению адгезии затверденного состава к основанию, повышению плотности и прочности ремонтного покрытия за счет кептезирующего действия модификатора.
Безусловен экономический эффект, учитывающий затраты на ремонт вследствие газовой атаки, инвестиции в прочную, надежную защиту бетона имеют прямую финансовую целесообразность по отношению к новому строительству. При экономическом расчете принимается во внимание то, что в закрытых циклах очистки стоков нуждаются в защите только верхние зоны (выше уровня сточных вод), а не вся поверхность емкостей, приводящая к экономии средств, затрачиваемых на комплекс восстановительных мероприятий. Кроме этого необходимо учитывать возможность выполнения работ, не прерывая основные мероприятия по очистке сточных вод, а лишь иногда приостанавливать работу того или иного сегмента технологического процесса.
Рецензенты:
Печеный Б.Г., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой ПЗ ГСХ, СКФ ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Минеральные Воды;
Лопанов А.Н., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности, ФГБОУ ВПО «Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова», г. Белгород.
Работа поступила в редакцию 26.08.2014.