CC BY
50
экология
1
Ю.Н. Куликов, доцент, к.т.н.
Е.Ю. Куликова, доцент, к.т.н.
Московский государственный горный университет
БИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ - СКРЫТЫЙ ДЕФЕКТ КОНСТРУКЦИЙ ПОПЗЕМНЫХ СООРУЖЕНИЙ
Бетонные и железобетонные конструкции подземных сооружений подвергаются интенсивному воздействию внешней агрессивной среды. Степень агрессивного воздействия зависит не только от состава среды, в том числе влажности газовоздушной среды, но и от условий контакта, скорости движения и напора жидких сред, плотности прилегающих пород при действии подземных вод, температуры среды, силовых нагрузок - напряженного состояния материала конструкций и других факторов.
Следовательно, степень агрессивности среды определяется не только ее химическим составом, но и комплексом физических и физико-химических факторов, характеризующих условия контакта среды и сооружения, особенности процессов коррозии.
Так как несущие ограждающие конструкции подземных сооружений представлены, в основном, бетоном, железобетоном, а вмещающий породный массив всегда содержит агрессивные компоненты, то при взаимодействии элементов системы “подземное сооружение - массив горных пород” всегда возникает тот или иной вид коррозии. Долгое время рассматривали лишь электрохимическую, выщелачивающую, газовую, сульфатную, общекислотную коррозии бетона, железобетона и металлических частей подземных объектов. Так считалось, что разрушение, например, подземного газопровода происходит в результате электрохимической коррозии. При более внимательном рассмотрении обнаружи-
лось, что основные нарушения происходят в результате коррозии биологической, т е. разрушение металла в результате воздействия микроорганизмов. Породный массив уже сам по себе содержит продукты разложения, гниения и поэтому насыщен большим количеством разнообразных микроорганизмов и микробов. Подземные воды также содержат разнообразные агрессивные компоненты, провоцирующие развитие биокоррозии.
Биоповреждения - это реакция окружающей среды биосферы, на те новые материалы и изделия, которые вносит в нее человек. Конкретными “реагентами” биосферы являются практически все виды микроорганизмов (микробы, бактерии), низшие и высшие растения, грибы всех видов, насекомые.
В настоящее время большинство типов обделок подземных сооружений содержат в своем составе металлические элементы: арматуру, анкера, части несущих конструкций и т.п.
Коррозия металла под влиянием микроорганизмов начинается там, где на поверхности изделия есть органические загрязнения, на которых могут поселяться споры плесневых грибов. Коррозия может развиваться и там, где имеются контакты металла с неметаллом, способным быть пищей для грибов. При этом падает значение pH на поверхности металла, разрушается его пассивная пленка: происходит увеличение термодинамической возможности протекания анодного процесса.
Развитие микроорганизмов на поверхности частей строительных конструкций подземных сооружений, выходящих на земную поверхность, может осуществляться за счет продуктов атмосферной коррозии.
Грибостойкость металлических деталей определяется также структурой их поверхности: пористостью и шероховатостью. Удерживая на поверхности металлов влагу и выделяя органические кислоты, грибы способствуют усилению процессов коррозии металла. Продукты коррозии и споры грибов способствуют появлению электролитов на поверхности металлов, что приводит к развитию электрохимической коррозии. При наличии ничтожных количеств растворенного двухвалентного железа (а оно почти всегда присутствует в водных массах) начинают развиваться железобактерии. Они превращают двухвалентное железо в нерастворимую гидроокись, вследствие чего вода растворяет новые порции железа. Гидроокись переносится по всей системе, придавая воде ржаво-мутный вид. Особенно опасно развитие подобных процессов для инженерных коммуникаций, в частности, для водопроводов. Ржавчина откладывается в застойных зонах водопроводных систем, становясь пищей для других бактерий, продуктом жизнедеятельности которых является серная кислота, вызывающая интенсивную электрохимическую реакцию. Отложения существенно сужают сечения трубопроводов, что обусловливает необходимость остановки, прочистки и ремонта системы иногда уже через один-два года эксплуатации.
Примером биокоррозии стального трубопровода может служить развитие бактерий и разрушение металла на подземной системе оборотного водоснабжения Кременчугского нефтеперерабатывающего завода [53]. Уже на 30-е сутки общая численность бактерий на образцах стали марки Ст-3 достигала 17,3 млрд. кл/м2, количество сульфатоостанавли-
вающих - 5,95 млн. кл/м2. Преобладающей формой бактерий на всех испытуемых образцах были кокки, которые и являются основными разрушителями металлов. Между скоростью коррозии стали и общей численностью микроорганизмов существует прямая корреляция. В технической воде, богатой сульфатами, процесс десульфатации протекает весьма энергично и, за счет сульфатовосстанавливающих бактерий у поверхности пластин из стали марки Ст-3 скапливается около 1275 мг/л сероводорода.
Одним из способов инженерной защиты от проявления биокоррозии металла является применение ингибиторов и биоцидов. Так, ингибиторы АБФ-1 и АБФ-2 при дозе 100 мг/л снижают скорость коррозии на 94-96 % и заметно угнетают развитие микроорганизмов.
Применение деревянных конструкций для крепления подземных объектов постепенно утрачивает свое первоначальное значение из-за относительной трудоемкости и меньшей долговечности древесных конструкций по сравнению с бетонными, железобетонными и металлическими. Однако в ряде случаев дерево является наиболее приемлемым материалом, обеспечивающим хорошие экономические показатели. Деревянные конструкции при правильной эксплуатации могут служить неограниченно долго, однако фактический срок службы древесины в строительных конструкциях подземных сооружений оказывается весьма незначительным из-за биокоррозии.
Влажность древесины определяет в конечном итоге, будет ли материал разрушаться биологическими вредителями. Гниение древесины не может развиваться без наличия капельно-жидкой влаги. При влажности древесины ниже точки насыщения волокна (30 %) грибы не оказывают разрушающего влияния на данный материал. В реальных условиях эксплуатации деревянных конструкций в системе “подземное сооружение - массив горных пород” практически невозможно предо-
хранить их от воздействия атмосферных осадков, грунтовых вод, контактов с материалами повышенной влажности (сырой грунт, бетон), конденсационного увлажнения, эксплуатационных проливов и т.п.
Поскольку в практике подземного городского строительства не удается создать требуемые идеальные условия эксплуатации строительных конструкций из древесины, то единственной радикальной мерой борьбы против биокоррозии является химическая защита, т.е. отравление грибов путем введения специальных химических веществ - антисептиков. Наряду с антисептиками важнейшими средствами инженерной защиты для древесины являются антипирены - вещества, защищающие ее от возгорания, а также гид-рофобизаторы - вещества, спасающие ее от увлажнения.
Важнейшим условием работы строительных конструкций подземного сооружения является хорошая их изоляция, которую осуществляют битумными или другими материалами на основе полимеров.
До недавнего времени агрессивность грунта и, следовательно, вид изоляции определяли исходя из учета таких факторов, которые влияли на коррозию материала конструкций. К этим факторам, прежде всего, относится количество солей, кислот в грунте и влажность грунта. Однако в ряде случаев в “благонадежных” грунтах начиналась интенсивная коррозия изоляционных и строительных конструкций подземных сооружений.
В нарушенном строительными работами породном массиве условия для развития микроорганизмов более благоприятные, чем в материнском грунте: породная масса становится более рыхлой, что обеспечивает дополнительный доступ воздуха к несущим конструкциям, кроме того, повышается температура грунта за счет процессов тепломассообмена пород с вентиляционной струей
воздуха в подземном помещении. Это создает идеальные условия для развития бактерий, которые, интенсивно развиваясь, “поедают” материал изоляции. Так как подземные сооружения города сооружаются, в основном, в обводненных условиях, то фильтрационные процессы дают новый толчок для умножения и распространения микроорганизмов.
Микроорганизмы поражают полимерную гидроизоляцию выборочно: в первую очередь те ее компоненты, которые обусловливают эластичность, адгезию, поэтому изоляционное покрытие утрачивает гибкость, растрескивается, открывая дорогу электрохимической, углекислотной и другим видам коррозии материала обделки.
В зависимости от типа и функционального назначения подземного сооружения, ущерб, наносимый биокоррозией конструкциям подземных объектов может быть причинен не только с внешней стороны за счет разрушения гидроизоляции и материала обделки, но и внутренним частям подземных выработок. Так, микробы, характерные для фекальных масс, протекающих по канализационным коллекторам, могут не только служить источниками биологической коррозии внутренней стороны обделки коллекторных тоннелей, но и приводить к заражению среды обитания в результате выноса болезнетворных бактерий подземными водами в колодцы и водоемы населенных пунктов. Внутренняя биокоррозия подземных газо- и нефтепроводов обусловливается тионовыми бактериями, попадающими в трубы вместе с газами и нефтью из скважины. Эти бактерии окисляют серосодержащие соединения, имеющиеся в нефти, до серной кислоты, которая, в свою очередь, разъедает материал обделки.
Биоразрушение гидроизоляционных полимерных покрытий зависит от молекулярного состава полимера. Полимеры, макромолекулы которых представляют собой углеводородные цепочки
(полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен и т.п.) легко разрушаются; полимеры в макромолекулы которых часть атомов водорода замещена другими атомами и атомными группировками, являются более стойкими к биоповреждениям. Полимеры, макромолекулы которых наряду с атомами углерода содержат атомы кислорода, азота, являются еще более устойчивыми. Особенно стойкими являются полимеры, в цепи макромолекул которых атомов углерода нет вообще. Это кремнийорганические и элементоорганические полимеры, которые не только сами не подвергаются биокоррозии, но и служат защитным материалом для бионе-стойких полимеров.
Биологическая коррозия - это скрытый и опасный вид дефектов конструкций подземных сооружений, поэтому методы инженерной защиты подземных сооружений от внешних негативных факторов должны учитывать мероприятия, предотвращающие развитие микроорганизмов, угрожающих экологической безопасности системы “подземное со-
оружение - породный массив” и экосистемы в общем смысле. Эти мероприятия должны выбираться на основании следующих нормативных документов: ГОСТ 9.102-78 “ЕСЗКС. Воздействие биологических факторов на технические объекты”, ГОСТ 9.048-75 “ЕСЗКС. Изделия технические. Метод испытаний на устойчивость к воздействию плесневых грибов”, ГОСТ 9.049-75 “ЕСЗКС. Материалы полимерные. Методы испытаний на устойчивость к воздействию плесневых грибов”, ГОСТ 9.050-75 “ЕСЗКС. Покрытия лакокрасочные. Методы лабораторных испытаний на устойчивость к воздействию плесневых грибов”, а также на достижениях научно-технического прогресса в области создания средств защиты от коррозии и биоповреждений. В связи с неявным характером проявления биокоррозии строительных конструкций подземных объектов выбору мероприятия борьбы с этим явлением должна предшествовать тщательная диагностика дефектов.
