26.10.2008 14:17:30
Широкое применение бетонных ижелезобетонных конструкций при строительстве зданий и сооружений водоснабжения,водоотведения и водоочистки выдвигает на первый план проблему обеспечения ихдолговечности.
Указанные сооружения относятся кдолговременным и дорогостоящим сооружениям, которые должны служить не одномупоколению людей. Поэтому к ним практически не применимо понятие моральногоизноса. Рассмотрим некоторые сооружения систем водоснабжения и водоочистки.
Водопроводные станции.Железобетонные резервуары для очистки и хранения питьевой воды в составеводопроводных станций используются в нашей стране более 70 лет. Как правило,резервуары частично или полностью заглублены в землю. Сверху резервуарызащищены от размораживания слоем грунта толщиной около 1 м. Наиболее часто обследуемымисооружениями водопроводных станций являются отстойники и резервуары дляпитьевой воды. По санитарным нормам не допускается попадание в резервуарыгрунтовых вод. Утечка из резервуара воды в грунт способна повредить основаниесооружения.
Отстойникипредставляют собой 3-секционные 1-этажныесборно-монолитные емкостные сооружения глубиной около 5 м и предназначены дляобразования и хранения осадка, выделяющегося при введении в очищаемую водуспециальных реагентов-флокулянтов: сульфата алюминия и/или оксихлоридаалюминия. Часовая подача воды по отстойнику составляет около 800 м3. Средняяскорость потока в коридоре 0,007 м/с. Такой поток не оказывает разрушающегомеханического воздействия на железобетонные конструкции отстойника.
Резервуары для хранения питьевойводыпредставляют собойжелезобетонные сооружения из монолитного бетона глубиной около 5 м. Перекрытие плоское,безбалочное, опирается на сборные железобетонные колонны. Резервуары разделенына секции железобетонными перегородками.
Железобетонные конструкциирезервуаров в основной период эксплуатации подвергаются воздействию чистойводы, а в периоды профилактической очистки действию хлора, гипохлорита натрия идругих химических веществ. В зоне выше уровня воды конструкции постоянноподвергаются воздействию углекислого газа из воздуха.
По содержанию сульфатов,хлоридов и величине pHстепень воздействия воды на бетонные и железобетонные конструкции отстойников ирезервуаров для питьевой воды оценивается как неагрессивная.
Действие питьевой воды нажелезобетонные конструкции проявляется в виде следующих процессов:
— выщелачивание водой гидроксидакальция из состава цементного камня, вызывающее разуплотнение бетона вповерхностных слоях;
— взаимодействие растворенной вводе углекислоты с гидроксидом кальция из состава цементного камня собразованием растворимого бикарбоната кальция;
— взаимодействие хлора сщелочными компонентами цементного камня (гидроксидом, гидросиликатами игидроалюминатами кальция) с образованием в качестве конечного продукта хлоридакальция, что приводит к растворению цементного камня в поверхностном слоебетона, а при содержании хлоридов более 0,5 % от массы цемента в бетоневызывает коррозию стальной арматуры;
— карбонизация бетона углекислымгазом воздуха вызывает образование карбоната кальция. Переход гидроксидакальция в карбонат кальция сопровождается снижением величины pH с 12,5 до 8,8.Вследствие этого бетон утрачивает пассивирующее действие на стальную арматуру.В определенных условиях (при медленном выносе на поверхность раствореннойизвести) образующийся карбонат может заполнять трещины и поры бетона, уменьшаяего проницаемость для воды. Как было установлено обследованиями отстойников,глубина карбонизации бетона невелика. За 50–60 лет эксплуатации она недостигает поверхности арматуры, если толщина защитного слоя соответствуетпроектной.
В большинстве случаев внутренниеповерхности резервуаров имеют защитный слой, выполненный из торкретбетона.Обследования показывают, что за период эксплуатации до 50 лет торкретбетонразрушается на глубину около 10–15 мм. За разрушенным слоем торкретбетонанаходится размягченный слой бетона толщиной около 5 мм. При нормальной толщинезащитного слоя (15–20 мм) стальная арматура не имеет следов коррозии икоррозирует, если толщина защитного слоя уменьшена против проектной до 1–5 мм.За указанные сроки эксплуатации торкретбетон выполняет свою роль защитного«жертвенного» слоя и должен быть заменен новым.
Наибольшее деструктивноедействие на железобетонные конструкции отстойников и резервуаров для питьевойводы оказывает сквозная фильтрация воды в трещинах днища, стен и покрытия.Причиной образования трещин являются как температурные деформации отдельныхжелезобетонных элементов, так и деформации всего сооружения, вызванныенеравномерной осадкой грунта. Подвод растворенного кислорода, нейтрализациястенок трещин в бетоне (снижение pH) создают условия для образованиягальванической пары на поверхности арматуры с анодом в трещине. В этих условияхв трещине сталь растворяется, в то время как в прилежащем к трещине бетонесталь остается пассивной. В результате интенсивной коррозии наблюдается обрыварматуры в трещинах.
Накапливающийся на днеотстойников нерастворимый осадок может оказывать на бетон некоторое защитноедействие. Микроскопические частицы осадка при фильтрации воды могут заполнятьпоры бетона и трещины и уплотнять их.
Как правило, прочность бетона вуказанных конструкциях вследствие длительной гидратации цемента увеличивается ичасто превышает проектную в 3 раза и более. Это характерно для бетонасооружений, эксплуатирующихся в водной среде, особенно для бетонов старойпостройки, когда использовался цемент грубого помола с высокой потенциальнойвозможностью гидратации во времени.
Ремонтно-восстановительныеработы в отстойниках и резервуарах питьевой воды включают операции повосстановлению сечения стальной арматуры, заделке трещин с применением эластичныхматериалов, восстановлению защитного слоя бетона и защите железобетонныхконструкций от выщелачивающего воздействия воды — создание так называемого«жертвенного» слоя бетона.
Трубопроводы чистой воды.Одной из важнейших проблем водоснабжения является обеспечение надежной работытрубопроводных систем, являющихся основой жизнедеятельности любогопромышленного, жилищно-коммунального или сельскохозяйственного объекта.
Главной причинойнеудовлетворительного состояния трубопроводных систем подачи и распределенияводы является внутренняя коррозия металлических труб, которые в течениедесятилетий укладывались без каких-либо защитных покрытий.
Водоводы питьевой воды,выполненные из стальных труб, повреждаются вследствие электрохимическойкоррозии, развивающейся при контакте стали с водой. Со временем коррозия можетразвиваться вплоть до перфорации и разрыва трубы, вызванного давлением воды втрубе и давлением грунта снаружи.
В отечественной и зарубежнойпрактике применяется защита стальных водоводов цементно-песчаным раствором,наносимым на внутреннюю поверхность труб способом центробежного разбрызгиванияили торкретированием. Защитный цементно-песчаный слой в контакте с водой можетпостепенно разрушаться. Это связано с тем, что основной компонент цементногокамня — гидроксид кальция — способен растворяться в воде.
Полученные в НИИЖБэкспериментальные данные на установке, смонтированной из труб, защищенныхвнутри цементно-песчаным раствором состава Ц:П=1:1, показали, что толщинаразрушенного слоя цементно-песчаного раствора за 50 лет составит около 5 мм. Результаты получены длямодели, когда CaO полностью вымывается из каждого последующего слоя. Вдействительности снижение содержания кальция от наружного слоя вглубь растворапроисходит медленнее. С учетом этого полученные результаты следует увеличитьвдвое. Тогда расчетная глубина разрушения цементно-песчаного раствора составитза 50 лет около 10 мм,что примерно совпадает с результатами обследования железобетонных конструкцийрезервуаров для питьевой воды водопроводных станций.
Выполненные в НИИЖБ исследованияпозволяют оценить скорость коррозии 1-го вида (выщелачивание) в лабораторныхусловиях, однако перенос получаемых результатов на реальные трубопроводытребует учета ряда особенностей защитного покрытия, а также условий службыпоследнего. Обследования трубопроводов из стальных труб с защитой изцементно-песчаного раствора показали, что при деформации труб в период погрузкии перевозки, а также при укладке на недостаточно выровненное и уплотненное основание,возможно образование трещин в цементно-песчаном растворе. Трещины ширинойраскрытия до 0,1–0,2 мм вследствие продолжающейся гидратации цементазаполняются продуктами гидратации и закрываются. Более широкие трещины могутвызвать локальную коррозию стальной трубы.
Станции аэрациипредставляют собой огромный комплексзданий и очистных сооружений. Обычно на комплексах очистных сооруженийприменена технологическая схема очистки сточных вод, включающая сооружениямеханической очистки (решетки, песколовки, первичные отстойники) ибиологической очистки (аэротенки, вторичные отстойники). Из наиболееповреждаемых сооружений станций аэрации являются первичные и вторичныеотстойники, песколовки, каналы и аэротенки.
Отстойники первичные и вторичныепредставляют собой круглые железобетонные сооружения, заглубленные в грунте.Отстойники возвышаются над поверхностью грунта на 0,5–0,8 м. Обычно стеныотстойников выполняются из сборных железобетонных блоков, центральная часть —из монолитного железобетона. В первичных отстойниках происходит гравитационноеосаждение основной части взвешенных загрязнений сточных вод и флотацияплавающих веществ. Во вторичных отстойниках происходит отстаивание иловойсмеси, поступающей из аэротенков, и отделение активного ила от очищенной воды.
Аэротенки в плане представляютсобой прямоугольные железобетонные сооружения с перегородками, частичнозаглубленные в грунте. Сооружения сборно-монолитные с поперечнымидеформационными швами. Процесс очистки в аэротенках основан на биологическойдеструкции (окислении) растворенных и нерастворенных органических соединенийсаморегулирующимся консорциумом различных микроорганизмов (активным илом). Длясоздания оптимальных условий жизнедеятельности микроорганизмов активного ила иперемешивания образованной им с водой иловой смеси в аэротенки по аэрационнойсистеме подается сжатый воздух.
Основное агрессивное воздействиена железобетонные конструкций сооружений станций аэрации оказывает очищаемаявода, содержащая аммонийные соли, сульфаты, хлориды, сероводород, сульфиды инефтепродукты.
С точки зрения агрессивноговоздействия на бетон и железобетон концентрация названных соединений невелика.Согласно СНиП 2.03.11-85, хозяйственно-бытовые воды в указанных сооруженияхоцениваются как неагрессивные или слабоагрессивные по отношению к бетонужелезобетонных конструкций.
В условиях эксплуатацииотстойников, песколовок, каналов и аэротенков бетон подвергается повреждению засчет выщелачивания. Выщелачивание понижает содержание основных (щелочных)соединений в бетоне, снижению pH, что вызывает коррозию стальной арматуры.
Выщелачивание наиболее опасно втонкостенных конструкциях (перегородки аэротенков), когда составляющиецементного камня могут растворяться и вымываться водой.
Существенное влияние напротекание процессов выщелачивания оказывает химический состав очищаемой воды.Присутствие в воде солей, повышающих ионную силу раствора, увеличиваетвыщелачивание Ca(ОН)2.Присутствие в воде карбонатов и бикарбонатов снижает скорость выщелачивания, такжеее снижению способствует карбонизация бетона.
В большинстве случаев внутренниеповерхности отстойников, каналов и аэротенков имеют защитный слой, выполненныйиз торкретбетона. Обследования показывают, что за период эксплуатации до 30 летторкретбетон разрушается на глубину около 10–15 мм. При нормальной толщинезащитного слоя (15–20 мм) стальная арматура не имеет следов коррозии икоррозирует, если толщина защитного слоя уменьшена против проектной до 1–5 мм.
Наличие в аэрируемых стокахпузырьков воздуха, содержащих кислород и углекислый газ, большая скоростьомывания поверхности конструкций аэротенков водой потенциально создают условиядля возникновения процессов разрушения бетона и арматуры в подводной зонеаэротенков. Активная аэрация воды воздухом, вызывает ускоренную карбонизациюбетона, следствием чего является утрата бетоном защитного действия по отношениюк стали и развитие коррозии стальной арматуры.
Кроме того, сточные воды навходе в очистные сооружения характеризуются высоким показателем биологического(БПК5) и химического (ХПК) потребления кислорода, что может отрицательносказаться на стойкости бетона при условии развития в нем процессовмикробиологической коррозии.
Карбонизация бетона являетсяодной из наиболее распространенных причин коррозии железобетона в конструкцияхзданий и сооружений станций аэрации. Под карбонизацией понимают процессвзаимодействия бетона с углекислым тазом, в результате которого гидроксидкальция цементного камня вступает в химическое взаимодействие с углекислымгазом и образует карбонат кальция. Карбонизация сопровождается снижением pHжидкой фазы, разложением силикатов и алюминатов кальция, потерей пассивирующегодействия бетона по отношению к стальной арматуре, развитием коррозии последней,снижением несущей способности конструкции и иногда ее разрушением.
В среде с нормальной влажностьюпри воздействии углекислого газа происходит уплотнение бетона. Химическиманализом установлено, что в карбонат кальция в плотном бетоне переходит около60 % кальция из состава гидросиликатов и гидроалюминатов кальция. В болеепористом бетоне в карбонат кальция может быть связано из цементного камня до 80% кальция. Большая пористость бетона способствует лучшему доступу к реагирующейповерхности углекислого газа при меньшей степени уплотнения бетона карбонатом кальция.В средах с более высокой влажностью степень перерождения минералов цементногокамня увеличивается. При большом количестве воды облегчается растворениегидроксида кальция, вынос его в жидкой фазе в зону взаимодействия суглекислотой и кристаллизация карбоната кальция. В предельном случае — принасыщении бетона водой и возможности отвода продуктов коррозии наружу в жидкойфазе — наблюдается растворение цементного камня углекислотой с образованием востатке нерастворимых гелеобразных продуктов.
Климатические факторы активновлияют на скорость карбонизации бетона. К таким факторам относятся влажность итемпература воздуха, частота и интенсивность атмосферных осадков (дождь, роса),скорость и направление ветра, нагрев поверхности солнцем. Определенное значениеможет иметь микроклимат сооружения.
В работах НИИЖБ экспериментальнопоказано, что максимальная глубина карбонизации наблюдается при влажности средыоколо 50 %, при этом степень карбонизации (количество основных соединенийцементного камня, прореагировавших с углекислым газом) была невысокой. Приповышении влажности степень карбонизации увеличивается, а толщинакарбонизированного слоя уменьшается. Для протекания процесса карбонизациинеобходима вода, однако повышенное количество воды в бетоне делает его менеепроницаемым для углекислого газа.
Таким образом, в условияхэксплуатации конструкций зданий и сооружений станции аэрации основнымагрессивным газом является углекислый газ, а основной вид поврежденияжелезобетона в газовой среде станции аэрации — карбонизация защитного слоябетона и вызванная этим процессом коррозия стальной арматуры. В песколовкахагрессивное воздействие водной среды дополняется истирающим действием песка наповерхность железобетонных конструкций.
Основным способом защиты бетонаот карбонизации является понижение его проницаемости до уровня, оцениваемогомарками по водонепроницаемости W8 и более и устройство защитного слоя из торкретбетона.
Надземная (надводная) частьсооружений аэротенков, песколовок, каналов, отстойников подвергаетсявоздействию температуры и влаги окружающей среды, конденсата и атмосферныхосадков. В летнее время надземная часть подвергается воздействию солнечнойрадиации, увлажнению и высушиванию, в зимнее время — циклическому замораживаниюи оттаиванию. Кроме того, надземная часть указанных сооружений работает вусловиях капиллярного подсоса воды из грунта и сточных вод из сооружений.Обширные исследования бетона в различных температурных условиях показывают, чтопериодическое замораживание и оттаивание негативно влияет на прочность бетона.В этих условиях наиболее быстрое повреждение наступает, если бетон находится вводонасыщенном состоянии. Образование в бетоне трещин под воздействиеммеханических нагрузок, температурно-влажностных деформаций и других причин способствуетбыстрому насыщению бетона водой и ускоренному разрушению его в условияхзнакопеременных температур.
Большие градиенты температуры ивлажности в надземной зоне стен аэротенков, каналов и отстойников по отношениюк подводной зоне создают предпосылки к возникновению трещин в бетоне иразрушению швов между плитами стен вследствие температурных и усадочныхдеформаций. Для указанных сооружений характерно размораживание бетона вхолодный период года.
Бетон в надземной и надводнойчасти стен, перегородок, пешеходных мостиков конструкций аэротенков,песколовок, каналов и отстойников подвергается в водонасыщенном состояниипопеременному оттаиванию и замораживанию. В этом случае основной причиной поврежденийявляется недостаточная морозостойкость бетона. Несовершенство нормативной базы,недостатки проектирования, дефекты изготовления конструкций способствуютраннему повреждению конструкций.
В условиях эксплуатацииаэротенков, каналов и отстойников эффективным и сравнительно простым способомповышения морозостойкости бетона является применение воздухововлекающих добавокпри изготовлении бетонных смесей.
Коллекторы сточных вод.Проблема обеспечения коррозионной стойкости коллекторов сточных вод являетсяодной из наиболее сложных. В крупных городах ежегодно происходят аварии,вызванные обрушением железобетонных канализационных труб.
Степень агрессивного воздействиясреды коллекторов на бетонные и железобетонные конструкции может изменяться отслабой до сильной.
В лотковой части железобетонныеконструкции коллекторов подвергаются воздействию сточных вод и истирающемудействию осадков, особенно ливневой и совмещенной (ливневой ихозяйственно-бытовой) канализации. В верхней части — в подсводовом пространстве— бетон конструкций самотечных коллекторов подвергается воздействию агрессивнойгазовой среды. В последнее время получены настораживающие данные о разрушениибетона в результате воздействия агрессивной газовой среды в напорныхколлекторах сточных вод, периодически (в зависимости от объема сбрасываемойводы) работающих в самотечно-напорном режиме.
Хозяйственно-бытовые жидкиестоки различаются содержанием растворенных веществ, из которых наиболеезначимы: хлориды, сульфаты, растворенная углекислота, органические вещества. Жидкиестоки содержат в себе сложный комплекс микроорганизмов, в том числе бактерии,споры грибов, водоросли и другие. Результаты обследования многих общегородскихколлекторов сточных вод, полученные НИИЖБ и рядом других организаций,показывают, что хозяйственно-бытовые стоки являются слабоагрессивными илинеагрессивными по отношению к бетонам марок по водонепроницаемости W8 и выше.Существенного повреждения бетона хозяйственно-бытовыми стоками после различныхсроков эксплуатации коллекторов в зоне ниже среднего уровня воды ненаблюдается. В отдельных случаях на поверхности бетона образуется прочный(инкрустирующий) слой осадков сложного органо-минерального состава, защищающийбетон от повреждения.
Коррозионное воздействие можетвызывать содержащаяся в сточных водах углекислота, ускоряющая растворениецементного камня. При действии углекислоты карбонаты и гидроксид кальцияпереходят в хорошо растворимый бикарбонат кальция. При воздействии мягких водпроисходит выщелачивание кальция из цементного камня, размягчение и снижениепрочности бетона. Процесс растворения цементного камня в бетоне протекаетсравнительно медленно. Ориентировочная скорость процесса — 5–10 мм за 30–50лет. Для многих конструкций такая скорость коррозии не представляет опасности,но для канализационных коллекторов, особенно если проектируемый срокэксплуатации должен быть неограниченно большим, указанный вид коррозиинеобходимо учитывать.
Газовая среда коллектораформируется под воздействием сточных вод и микробиологических процессов,развивающихся в объеме сточных вод и слизистой биопленке, образующейся наповерхности железобетонных конструкций. По данным высокоточных измеренийгазовая среда, помимо сероводорода, содержит оксиды углерода, азота, серы,меркаптаны и другие газы. Согласно современным представлениям о коррозионныхпроцессах в бетоне, в агрессивных газовых средах коллекторов сточных водосновным негативным фактором является образование серной кислоты, продуцируемойаэробными тионовыми бактериями, использующими в своем жизненном циклесероводород. В свою очередь, сероводород производят анаэробные бактерии,содержащиеся в сточных водах, в слизистой биопленке на поверхности бетона и восадке. Сероводород образуется в условиях ограниченного содержания кислорода.Такие условия создаются в определенных слоях биопленки, в осадке, а также внапорных участках коллекторов, где содержание кислорода ввиду его потребления вбиологических процессах существенно понижено. Многочисленные обследованияколлекторов сточных вод показывают, что наибольшее выделение сероводороданаблюдается в местах, где сточные воды из напорных трубопроводов изливаются всамотечные участки, а также в перепадных шахтах. Выделению сероводородаспособствует накопление осадка в коллекторе. Другими причинами интенсивноговыделения сероводорода из сточных вод являются: подключение стоков, имеющихповышенную температуру и пониженное значение pH, а также стоков, загрязненныхотходами кожевенного производства, предприятий по переработке мяса, рыбы,заводов безалкогольных напитков.
Исследованиями отечественных изарубежных ученых установлено, что коррозия бетона в газовой среде коллекторовсточных вод развивается вследствие воздействия серной кислоты, продуцируемойаэробными тионовыми бактериями. Предполагается, что и другие кислые газы —оксиды углерода, серы, азота — должны влиять на коррозионное состояние бетона,однако количественно доля их воздействия в коррозии бетона коллекторов кнастоящему времени не выявлена. При химическом анализе продуктов коррозиибетона в газовой среде коллекторов определяют содержание сульфатов и сульфидов,которые имеют ограниченную растворимость (для сульфата кальция 2,1 г/л) и взначительной степени остаются в разрушенном бетоне. При малой растворимостивымывание их из бетона конденсатом происходит сравнительно медленно. Вобнаруженном количестве сульфатов нельзя выделить долю, образовавшуюся привоздействии на бетон оксидов серы. Нитраты и нитриты, образующиеся в бетоне привоздействии оксидов азота, являются хорошо растворимыми веществами и легковымываются из бетона. Поэтому существенного количества нитратов и нитритовкальция в бетоне химическим анализом не обнаруживается. В Германии быливыполнены в лабораторных условиях специальные исследования влияния меркаптановна коррозию бетона. Заметного влияния их на коррозионный процесс не обнаружено.
Паркером предложена следующаясхема коррозии бетона в сероводородной среде коллекторов сточных вод:
— анаэробные сульфатредуцирующиебактерии, находящиеся в сточной воде, биопленке и осадке образуют сероводород;
— сероводород растворяется всточной воде и затем выделяется в газовую среду коллектора;
— аэробные тионовые бактерии,имеющиеся в наружном слое бетона, окисляют сероводород и другие содержащие серусоединения до серной кислоты;
— серная кислота разрушаетбетон.
Согласно Паркеру, в коррозионномпроцессе принимают участие 3 вида тиобактерий. В начале процесса при pH=9–11развиваются автотрофы, синтезирующие из неорганических веществ необходимые дляжизни органические вещества. Далее при pH=5–9 развиваются Thiobacillus «X».Затем при pH < 5 развиваются Thiobacillus concretivorus (Thiobacillus thiooxidans), образующие серную кислоту.Дальнейшие исследования показали, что в коррозионном процессе в бетонныхколлекторах принимают участие и другие бактерии: аммонифицирующие,нитрифицирующие, а также грибы. При этом трибы разрушают пористые материалы какдавлением растущих гифов, так и химическим действием продуктовжизнедеятельности. В целом процесс коррозии бетона в коллекторах сточных воддостаточно сложен и обусловлен совместным воздействием воды, растворенных в нейхимических соединений, действием бактерий и грибов.
Наши наблюдения за состояниембетона в газовой среде коллекторов показывают, что процесс коррозии новыхконструкций из бетона проходит по крайней мере две стадии. Сначала, примерно втечение года, на поверхности бетона отсутствуют следы повреждения. В этотпериод происходит нейтрализация щелочных (основных) соединений цементного камнядиоксидом углерода и другими кислыми газами (первый период по Паркеру). Затем снейтрализацией наружного слоя возникают условия для поселения и развитиятионовых бактерий. Начинается разрушение бетона. Наружный нейтрализованный иразрушенный слой становится носителем бактерий.
Специальные исследования,выполненные Г. Я. Дроздом, показали, что в наружном слое содержится до 99 %всех проникших в бетон бактерий. Показано, что стойкость повышается суменьшением проницаемости (размера пор) бетона. В поры диаметром менее 30 мкмпроникание бактерий, размеры которых в основном составляет 0,5–20 мкм,затруднено. Размер тиобацилл составляет около 1 мкм.
Показано, что по мере удаленияот поверхности бетона количество аэробных бактерий уменьшается сильнее, чемколичество анаэробных. С уменьшением водоцементного отношения глубина прониканиямикроорганизмов в тело бетона уменьшается.
Выполненные НИИЖБ испытаниябетонов различной проницаемости (до W20) в газовой среде коллектора сточных водпоказали, что скорость коррозии с понижением проницаемости бетона замедляется,однако в сильноагрессивной среде остается достаточно большой.
Активность микроорганизмовзависит от температуры, вида субстрата, обеспеченности кислородом, величины pH.При изменении температуры от 15 до 25 °Cпри прочих оптимальных условиях активность бактерий увеличивается как минимум в2 раза.
Образование серной кислоты поддействием сероводородных бактерий оптимально протекает при температуре от 30 до37 °C, но уже притемпературе 18 °Cможет образовываться 6%-ная серная кислота.
Образование сероводорода илетучих органических соединений серы при микробиологическом разложении белка неустранимо. Однако подача кислорода в канализационные каналы сильно снижаетконцентрацию летучих соединений серы. По-видимому, достаточное количество кислородавызывает спонтанное окисление; имеющееся количество летучих соединений серыстановится недостаточным для тиобацилл и их популяция снижается. Малоесодержание кислорода в сточных водах и слабое падение канала вызывает отложениешлама и процесс десульфуризации, что вызывает образование сероводорода. Такимобразом, даже в разбавленных стоках от домов могут образовываться сульфиды. Сувеличением загрязнения стоков органическими веществами выделение сульфидовувеличивается.
Химическое превращениесоединений серы в сточных водах в больших количествах в основном происходит ванаэробной среде (в напорных трубопроводах, в осадках). Обнаружена прямая связьмежду содержанием летучих соединений серы и степенью коррозии. Содержаниесульфидов в воде менее связано со скоростью коррозии. Во всех случаях pHконденсата на поверхности конструкций является хорошим показателем коррозионнойопасности. Во всех исследованных случаях с увеличением количества сульфатовзначительно повышалось содержание сульфидов. В холодное время года притемпературе воды 8 °Cопасность коррозии в коллекторе сильно понижена. Кроме того,холодные сточные воды содержат больше кислорода. В летнее время не исключенатемпература воды более 20 °C. Придвижении воздуха над поверхностью сточной воды в самотечном коллекторепроисходит обмен газами вследствие турбулентности, поэтому в обычных условияхсодержание кислорода в стоках составляет 2–3 мг/л, при этом говорят о «свежих»стоках. При малой скорости потока содержание кислорода в воде меньше. Придополнительном поглощении кислорода осадками количество кислорода может быть <1мг/л, возможна восстановительная среда, которая благоприятствует образованиюсульфидов. В напорных трубопроводах, где поступление кислорода в сточную водуестественным путем невозможно, создаются анаэробные условия, которые зависят отпотребления стоками кислорода и длительности пребывания воды в трубопроводе.
Лабораторными исследованиями,выполненными в Гамбурге, установлено малое влияние на скорость коррозии бетона ибольшое — на скорость коррозии заполнителей в серной кислоте вида цемента.Потеря массы образцов, изготовленных на карбонатном заполнителе, была в 4 разаменьше, чем образцов на кварцитовом заполнителе. Потеря массы при pH=3 и 5 быласравнительно мала, тогда как при pH=1 она была значительной. Преимущество известнякабыло показано испытаниями в Южной Африке. Срок жизни бетонных труб из бетона сзаполнителем из известняка был в 3–5 раз больше, чем из бетона на кварцитовомзаполнителе. Подобное наблюдалось и в наших обследованиях коллекторов. Вразрушенном слое бетона зерна крупного заполнителя из карбонатных породразрушались значительно медленнее, чем цементный камень бетона. Замедленноеразрушение бетона на карбонатном заполнителе в растворах серной кислоты былопоказано и в лабораторных испытаниях, выполненных в НИИЖБ.
Thiobacillus thiooxidans являются бактериями,образующими серную кислоту. Сами бактерии стойки в серной кислоте концентрациисвыше 20 %. В каплях конденсата канализационных сооружений обнаружена сернаякислота концентрации до 7 %, что соответствует pH около 0,1. Важным условием дляразвития биогенной сернокислотной коррозии в канализационных системах являетсяналичие влаги на поверхности строительной конструкции, подвергающейся действиюсероводорода. Строительные конструкции, находящиеся постоянно в сухомсостоянии, не подвергаются биогенной сернокислотной коррозии, даже еслипостоянно имеется сероводород. Снижение влажности газовой среды коллекторапутем подачи в подсводовое пространство свежего воздуха существенно замедлитскорость коррозии бетона.
Наиболее эффективным способомзашиты от коррозии является исключение контакта строительных конструкцийколлектора с агрессивной средой и/или понижение степени агрессивноговоздействия среды на строительные конструкции. Принципиально это достигается двумямерами: понижение концентрации сероводорода в газовой среде коллектора иприменение химически стойких, непроницаемых изолирующих покрытий.
Учитывая трудности ремонтаколлекторов, находящихся в эксплуатации, и их высокую стоимость, целесообразноосновной характеристикой материалов, применяемых для антикоррозионной зашиты,считать способность оказывать длительное защитное действие на строительныеконструкции. При устройстве изолирующего покрытия должны быть использованыматериалы биостойкие, стойкие в среде сероводорода и серной кислоты, имеющиенизкую диффузионную проницаемость для серной кислоты.
Понижение концентрациисероводорода в газовой среде коллектора можно достигнуть путем дополнительнойочистки стоков, насыщения их кислородом, озоном, обработкой хлором и другимиреагентами, а также устройством вентиляции подсводового пространства и другимиконструктивными мероприятиями.
Трубопроводы и отстойникиливневых стоков(истирание, морозная деструкция). Отстойники ливневыхстоков представляют собой в плане прямоугольные железобетонныесборно-монолитные сооружения, частично заглубленные в землю.
Наши наблюдения показывают, чтов условиях эксплуатации отстойников и трубопроводов ливневых стоков бетонподвергается повреждению за счет выщелачивания и истирающего действия осадков.
Надземная (надводная) частьсооружений подвергается воздействию температуры и влаги окружающей среды,конденсата и атмосферных осадков. Кроме того, надземная часть указанныхсооружений работает в условиях капиллярного подсоса воды из грунта и ливневыхстоков из сооружений. В этих условиях периодическое замораживание и оттаиваниебетона, находящегося в водонасыщенном состоянии, быстро приводит к егоускоренному разрушению.
В этом случае основным способомобеспечения долговечности сооружения является повышение марки бетона поводонепроницаемости и морозостойкости.
Снегосплавные пунктыпредставляет собой сооружения, состоящие из системы заглубленных в грунтжелезобетонных бункеров, оборудованных сверху дробилками, предназначенными дляразрушения комьев снега и льда. Специальным насосом из коллектора подается теплая(около 18 °C) сточная вода.Образующаяся после таяния снега вода вместе со сточной водой, поданной дляплавления снега, через песколовки попадает в коллектор.
В результате обследованияколлекторов сточных вод, расположенных в различных районах Москвы,транспортирующих хозяйственно-бытовые воды и талые воды снегосплавных пунктовустановлено следующее.
Снегосплавные пунктыспособствуют повышению агрессивности сточных вод, так как, во-первых, в местахврезки труб от снегосплавных пунктов в коллекторы сточных вод создается высокаятурбулентность потока и, тем самым, ускоряется выход сероводорода в атмосферуколлектора, во-вторых, наличие противогололедных реагентов в тающем снеге способствуетповышению содержания ионов хлоридов в сточных водах, что при поврежденномзащитном слое бетона (наличие трещин, оголение арматурного каркаса) увеличиваетскорость процесса коррозии стальной арматуры.
В этом случае одним изэффективных способов ремонта участков врезки труб от снегосплавных пунктов вколлекторы сточных вод является применение защитных систем в виде двухконцентрических труб из полиэтилена с заполнением пространства между нимицементным составом.
В заключении следует отметить,что катастрофические последствия коррозионного разрушения сооруженийводоснабжения, водоотведения и водоочистки требуют масштабных решений проблемобеспечения их долговечности на этапах проектирования, строительства иэксплуатации.
Безопасная эксплуатация указанныхсооружений требует учета мировою опыта и проведения собственных масштабныхисследований с привлечением специалистов различных областей — химиков,технологов, конструкторов.
Стоимость защитных работсоставляет 1–3 % от стоимости сооружения, тогда как расходы наремонтно-восстановительные работы превышают стоимость профилактическихмероприятий в 4–5 раз. Для увеличения сроков службы сооружений, крометрадиционных мероприятий по повышению коррозионной стойкости бетона ижелезобетона, следует считать целесообразным разработку критериев длянормирования в стоках предельно допустимого содержания серосодержащихсоединений, организации постоянного мониторинга за состоянием сооруженийводоснабжения, водоотведения и водоочистки.