Роль гумусовых кислот в разрушении подземных строительных конструкций. Первые результаты и перспективы дальнейших исследований

Известно, что гумусовые кислоты являются неотъемлемой частью всех почв,а также многих поверхностных биокосных почвоподобных образований (грунтов,насыпных земель, свалочных смесей, продуктов гниения органических отходов). Приэтом в подавляющем большинстве случаев гумусовые кислоты формируются вназемной, то есть субаэральной обстановке. Известны также факты гумификации — образованиягумусовых кислот в донных осадках (сапропелях, илах и т. п.), то есть всубаквальной обстановке. Гумусовые кислоты условно подразделяются на двегруппы: гуминовые кислоты (ГК) и фульвокислоты (ФК). Выделяют также группугиматомелановых кислот, растворимых в спирте, но эта группа по всей вероятностине имеет широкого распространения и не оказывает существенного воздействия наминеральные субстраты при биокосных взаимодействиях.

Гумусовые кислоты возникли в природе в ходе эволюции системы «почва — растение»при выходе растительных сообществ на сушу. Они были необходимы растениям длямаксимально эффективного использования элементов минерального питания,содержащихся в грунтах. Дело в том, что гумусовые кислоты, а в особенности ФК,обладают четко выраженной способностью к выветриванию обломков горных пород иминералов. В этом плане они опережают корневые экссудаты высших растений иоказывают максимальный эффект на разрушение пород по сравнению с другимиизвестными природными органическими веществами. Накопление гумусовых кислот впочвах обеспечивает кумулятивный эффект выветривания мелкозема. При этом еслифункции ФК заключаются в выветривании (химическом разрушении) грунта илидругого минерального субстрата, то ФК способны связывать катионы и сохранять ихдля живых организмов.

Из вышесказанного ясно, что в наземной обстановке гумусовые кислотыявляются незаменимым агентом трансформации всех твердых субстратов, на которыхпоселяются растения. Эта трансформация приводит к образованию почвенного гумусаили системы органического вещества.

Современное человечество создает новые типы пространств, которые могутбыть не только наземными или подводными, но и подземными (шахты, тоннели,бункеры, метрополитены). Свободная площадь этих пространств не может остатьсябезжизненной и на обширные поверхности устремляются бактерии, грибы и низшиерастения. В связи с этим в субаэральных условиях подземных пространств (хотягазовый режим здесь отличен от такового на поверхности земли) можнотеоретически ожидать проявления каких-либо форм гумусообразования. Ведь дляосвоения зачастую бедных минеральных субстратов необходимы сильные агентывыветривания. Понятно, что масштабы формирования ГК и ФК должны быть несравнимоменьше, чем в наземных экосистемах с доминированием высших растений, но этипроцессы протекают и должны быть исследованы в целях полного прогнозаустойчивости строительных конструкций наземных и подземных сооружений.

Геологическая особенность грунтов вСанкт-Петербурге обусловлена тем, что значительная ее часть является древнимдном нынешнего Финского залива. Поэтому на глубинах 30–60 м в грунте вполнемогут быть органические прослойки растительного происхождения. Трансформацияорганического вещества в этих зонах существенно заторможена низкимитемпературами под землей. Прокладка тоннелей в таких грунтах неизбежно, с однойстороны, оказывает отепляющий эффект на прилегающие к тоннелям грунты, а сдругой — приводит к локальной аэрации этих грунтов. Таким образом, в результатепрокладки тоннелей может быть запущен процесс активизации трансформационныхпроцессов органического вещества (гумуса) в прилегающих к ним грунтах.Косвенное подтверждение этого предположения было получено при обнаружении втоннеле на глубине около 40 м грунта, просочившегося из-под обделки тоннеля.Этот грунт характеризовался большим количеством слизеподобных пленок и пузырей(рис. 1, 2).

Рис.1.Просачивание грунта из-под обделки тоннеля

Рис. 2. Слизь и пузыри в грунте, просочившемся из-подобделки тоннеля

Результаты исследования поврежденныхповерхностей тюбингов одного из тоннелей Санкт-Петербургского метрополитена показали,что разрушение бетона в этих тоннелях происходит не только в результате прямоголитолитического воздействия микроорганизмов за счет выделения иминизкомолекулярных органических и неорганических кислот, продуктов распадаклеток, но и за счет гумусовых кислот, аккумулирующихся в поровом пространствебетона. Смесь гумусовых кислот, выделенная из частично разрушенных образцовбетона представляет собой светлый раствор, разделяющийся при нагревании до t=80°C и подкислениижидкости до pH1,5–2,0. Такимобразом, было установлено, что в исследованных образцах бетона присутствуют ГКи ФК. ГК характеризуются либо светло-серой, либо оранжево-красной окраскойраствора, ФК — светло-желтой. От ГК и ФК наземного происхождения изученныеобразцы гумусовых кислот из бетона отличаются достоверно более низкимсодержанием углерода и существенно более высокой гидрогенизацией молекул.Содержание азота в изученных образцах поврежденного бетона примерно в 2 разаниже, чем в наземных аналогах гумусовых кислот.

Помимо причин появления гумусового вещества вподземных бетонных сооружениях, описанных выше, возможно еще одна — попаданиегумуса в бетон с загрязненными органическими веществами песком и щебнем.

Итак, в подземном пространстве при отсутствиивысших растений могут формироваться ГК и ФК.

Дальнейшее изучение воздействия гумусовых кислотна подземные бетонные конструкции будут включать в себя:

1. Изучение состава, структурных особенностей ГКи ФК и роли кислых функциональных групп этих органических веществ в разрушении минеральныхсубстратов.

2. Изучение миграционной способности гумусовыхкислот в бетонах, их растворимости и химической агрессивности к субстратам сповышенным содержанием железа и кальция (с этими элементами ГК и ФК имеютвыраженное химическое сродство),

3. Оценка количества CO2, выделяющегося при жизнедеятельностимикроорганизмов, трансформации постмортальных остатков организмов, а также привоздействии гумусовых кислот на бетон.

Последний пункт имеет весьма большое значение,поскольку на нескольких участках тоннелей мы столкнулись с выносами оченьбольшого количества карбоната кальция (рис.3, 4). Основной вопрос — откуда берется такое большое количествоуглекислоты?

Рис.3.Карбонат кальция в лотке между шпал

Рис.4.Толстый слой карбоната кальция на стенке тоннеля

Биологическая активность субстрата (в нашемслучае это образцы грунтов и поврежденного бетона) проявляется в первую очередьв «дыхании» субстрата, а именно — в количественном выделении углекислого газа.В основном углекислый газ выделяется за счет собственно дыхания микроорганизмови разложения органического вещества этими микроорганизмами. Свой вклад могутвносить и абиогенные процессы. Разделить первые два типа (механизма) дыханияпочти невозможно методически и методологически. Отделить эти два типа образованияуглекислого газа от абиогенного типа возможно теоретически, но сложно практически.Поэтому по уровню эмиссии углекислого газа обычно судят суммарно об активностидыхания микроорганизмов и об интенсивности минерализации органическоговещества, под воздействием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов иабиогенных процессов. В нашем случае было установлено, что основной вклад вобразование углекислого газа без сомнения вносят первые два механизма.

Общая схема образования карбоната кальция, связанного с повреждениембетона за счет жизнедеятельности микроорганизмов и трансформационных процессовв гумусе (органическом веществе) подземного пространства может бытьпредставлена так, как показано на рис. 5.При составлении схемы были учтены данные работ [1, 2] и собственныеисследования [3].

Рис.5.Схема образования карбоната кальция в бетонных подземных конструкциях врезультате жизнедеятельности микроорганизмов и преобразования органическихвеществ в грунте

Литература:

1. Князева В. П. Экология. Основы реставрации. — М.: Архитектура-С, 2005.

2. Инчик В. В. Биодеструкция железобетона // Строительство и реконструкция.— 2005. — № 6 (85). — С. 16.

3. Saint-Petersburg tunnels//Abstracts of 11th Nordic-Baltic Symposium of International Humic SubstancesSociety. — Joensuu, 2007. — P. 59.