Без сомнения, бетон остается ключевым строительным материалом на протяжении последних двух столетий. Он характеризуется высокой прочностью, широким спектром применения, простотой в использовании и относительно высокой стоимостью. Примерно 70% зданий, возведенных в послевоенный период, были построены с использованием бетона. В сфере строительства водоочистных и водоотводящих систем бетон также занимает центральное место, поскольку современные инженерные сооружения практически невозможно возвести без его применения.
В настоящее время одним из главных приоритетов для местных властей является обслуживание и защита новых сооружений. Эта область требует тщательного планирования и целенаправленных действий. Инвестиции и защита бетона от кислотной коррозии должны основываться на самых современных технологиях и экспертных оценках.
Экономическая целесообразность защиты бетона от кислотной коррозии
Учитывая значительные расходы на ремонт бетона, поврежденного газовой коррозией, инвестиции в надежную защиту бетона имеют прямое экономическое обоснование. В закрытых системах очистки сточных вод требуется защита только верхних зон (над уровнем сточных вод), а не всей поверхности емкостей.
Стоимость полимер-силикатной системы для защиты бетона от кислотной коррозии составляет всего около 1% от общей стоимости строительства нового очистного сооружения. Нанесение защитной системы после ввода сооружений в эксплуатацию значительно дороже, чем ее интеграция на этапе строительства. Это связано с необходимостью остановки рабочих циклов и использованием резервных методов очистки или транспортировки сточных вод.
Причины разрушения бетона при кислотной коррозии
Высокая степень индустриализации, более экономное использование воды, а также новые методы очистки предъявляют повышенные требования к прочности бетона. Прочный бетон способен выдерживать высокие механические и температурные нагрузки, но, будучи щелочным материалом, имеет пределы прочности при контакте с кислыми средами. Критическим уровнем pH для незащищенного бетона считается 5.
Городские непромышленные сточные воды, поступающие на водоочистные сооружения с pH 6,5-7, согласно действующим нормам, не представляют опасности для бетона и кирпича. Это означает, что первичной атаки со стороны сточных вод не происходит. Однако, поскольку стоки проходят различные стадии обработки и очистки, существует опасность вторичной атаки из-за концентрации токсинов, образующихся в результате биологических процессов, которые фактически приводят к разрушению бетона. В случае бытовых стоков органические вещества, образующиеся в процессе биологической очистки, трансформируются в биомассу в виде углекислого газа (CO2) и сероводорода (H2S) по отдельности.
CO2, газ, который естественным образом содержится в нашей атмосфере в количестве 0,03%, является катализатором гораздо более опасного процесса — карбонизации бетона, хотя стоит отметить, что этот процесс не происходит во влажной среде водоочистных сооружений. H2S, подобно CO2, также не является очень агрессивным газом по отношению к бетону, но является причиной неприятного запаха.
Порог, при котором мы начинаем ощущать запах, составляет всего 0,1 ppm (частей на миллион). При показателе от 1 до 10 ppm запах считается неприятным. Когда концентрация H2S достигает 0,1%, судороги и потеря сознания становятся опасными для человека. Для минимизации неприятного и вредного воздействия сероводорода необходимо герметично изолировать соответствующие стадии очистки. В результате структурных изменений сточных вод в процессе очистки развивается вторичная атака на бетон над уровнем стоков, так называемая газовая атака. В этих процессах микробная оксидация тиобактериями превращает H2S в гораздо более концентрированную серную кислоту (H2SO4). В течение всего нескольких месяцев это неизбежно приведет к снижению уровня pH до 1-2,5. H2SO4 является высокоагрессивной кислотой по отношению к структуре бетона. Кроме того, кислотная атака происходит двумя путями: с одной стороны, она оказывает растворяющее действие (цементная паста просто растворяется), с другой стороны, как мелкодисперсная атака твердыми частицами отходов нашей жизнедеятельности, которые образуют тонкий слой на поверхности бетона. Проникновение таких кристаллов внутрь бетона разрушает его изнутри. Как следствие, появляются трещины, и разрушение бетона значительно ускоряется.
Наиболее эффективный вид защитного покрытия против газовой атаки
Под воздействием всех вышеописанных условий незащищенный бетон очень быстро разрушается. Какие материалы подходят для защиты бетона от кислотной коррозии — безопасные для здоровья и окружающей среды, кислотоустойчивые при pH=1 и ниже, обладающие безупречной адгезией к бетону в постоянно влажных условиях, прочные к механическим нагрузкам? Недавние исследования показали, что органические покрытия (эпоксиды и полиуретаны) обеспечивают достаточно надежную защиту бетона от кислых сред, но на этом их преимущества заканчиваются. Текущие результаты исследований на водоочистных сооружениях показали, что органические покрытия не обладают диффузией водяного пара (не «дышат») и по этой причине обречены на потерю адгезии к бетону. Это 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. Многие водоочистные сооружения столкнулись с подобными явлениями. Органические покрытия очень чувствительны к влажности бетона (для эпоксида 0,6% и для полиуретана 0,4%), что делает невозможным их использование для санации старых, поврежденных бетонов, находящихся в постоянно влажном состоянии. Современные нормы Германии (ZTV-W), регулирующие меры по ремонту бетона, запрещают использование органических материалов для конструкций, эксплуатирующихся во влажных условиях. Аналогичные принципы применимы и к санитарно-инженерному строительству. Еще один серьезный недостаток органики — их слабая устойчивость к механическим нагрузкам и абразии бетона.
Как действуют минеральные защитные системы и почему они пропускают пары H2O
Минеральные системы на цементной основе, не содержащие C3A (трехкальциевого алюмината), которые обладают диффузией водяного пара («дышат»), гарантируют прочную адгезию к бетону. Таким образом устраняется главная причина разрушения защитного покрытия — потеря плотного сцепления между самим бетоном и защитным материалом. В то же время, помимо способности «дышать», полимерсиликаты высокоустойчивы к газовой атаке при pH < 3,5 на водоочистных и водоотводящих коллекторах, где они успешно применяются уже более 10 лет.
Полимер-силикат (образцы до воздействия газовой атаки без цемента) содержит аморфный силиконовый гель, который образует прочную, водонепроницаемую, кислотоустойчивую матрицу, а также обеспечивает прочную адгезию к бетону и обладает диффузией H2O. Полимер-силикат высокоустойчив к механическим воздействиям в течение длительного времени.
Метод нанесения полимер-силикатов
Полимер-силикат состоит из порошкового и жидкого компонентов, которые смешиваются в необходимой пропорции. Наносится как вручную, так и механическим способом на предварительно загрунтованную поверхность. Поверхность может быть достаточно влажной во время нанесения. Очень важно наносить требуемый слой покрытия толщиной не менее 8 мм. Это обеспечивает необходимую прочность и плотность защитного покрытия против жидких сред.
Через 7 дней система набирает необходимую прочность и полностью готова к эксплуатации. Использование этой системы на очистных сооружениях исследовалось на протяжении более 10 лет и полностью подтвердило ее впечатляющую и длительную эффективность. Материал полимер-силикат легко справляется с кислотной агрессией при pH = 1 в течение десятилетий при условии правильного нанесения. Этот факт был задокументирован несколькими независимыми институтами.
