混凝土微生物腐蝕防治研究現(xiàn)狀和展望
關(guān)鍵詞:混凝土; 微生物腐蝕; 防治措施; 研究現(xiàn)狀
0 引 言
微生物腐蝕導(dǎo)致混凝土表面污損、表層疏松、砂漿脫落、骨料外露,嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生開裂和鋼筋銹蝕, 使污水處理設(shè)施服役壽命縮短,這不僅影響城市的整體功能, 而且還導(dǎo)致嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。據(jù)統(tǒng)計(jì)[1] ,德國建筑材料的破壞中微生物腐蝕所占份額約為10% ~20%, 20 世紀(jì)70 年代,僅漢堡市污水管道系統(tǒng)因微生物腐蝕造成的維修費(fèi)用就高達(dá)5 000 萬馬克。美國洛杉磯市一條總長1 900 km 的混凝土污水管道,其中208 km 已遭到微生物腐蝕破壞, 修復(fù)費(fèi)用高達(dá)4 億美元。而全美現(xiàn)有8. 0 ×105 km 的混凝土污水管道需要修復(fù)或完全更換。《中國工業(yè)與自然環(huán)境腐蝕問題調(diào)查與對(duì)策》的調(diào)研結(jié)果表明[2] ,腐蝕給我國國民經(jīng)濟(jì)造成的年損失高達(dá)4 979 億元以上,材料的自然環(huán)境腐蝕占總損失的80% 以上,大多是自然環(huán)境中化學(xué)、物理和微生物等多種因素共同作用的結(jié)果。對(duì)國內(nèi)污水處理設(shè)施的調(diào)研結(jié)果發(fā)現(xiàn)[3] ,由于缺乏足夠的認(rèn)識(shí)和有效的防治措施,現(xiàn)有大量污水處理設(shè)施已遭到嚴(yán)重的腐蝕破壞,無法達(dá)到設(shè)計(jì)使用年限,一些新投入運(yùn)行的污水處理工程,短期內(nèi)也已產(chǎn)生明顯的腐蝕現(xiàn)象。
歐美國家很早就對(duì)混凝土的微生物腐蝕問題給予了足夠重視,而國內(nèi)這方面的研究相對(duì)較少。
1 腐蝕機(jī)理
1945 年,C. Parker[4] 發(fā)現(xiàn),污水環(huán)境下混凝土的失效與微生物的新陳代謝作用有關(guān),硫氧化菌、硫桿菌和噬砼菌3種細(xì)菌的生存代謝生成生物硫酸導(dǎo)致混凝土腐蝕,通過分析提出了混凝土微生物腐蝕的作用機(jī)理[5] :在厭氧環(huán)境下,硫酸鹽還原細(xì)菌將管道底部硫酸鹽或有機(jī)硫還原為H2 S, H2 S進(jìn)入管道未充水空間;在好氧環(huán)境下,硫氧化細(xì)菌將其氧化為生物硫酸,硫酸滲入混凝土,與混凝土中Ca (OH) 2反應(yīng)生成石膏, 由此導(dǎo)致水泥水化物(CSH)分解,生成不溶性且無膠結(jié)作用的SiO2 膠體,石膏則與混凝土中C3A 的水化物進(jìn)一步反應(yīng)生成鈣礬石,鈣礬石生成時(shí)伴隨體積膨脹,導(dǎo)致混凝土開裂,從而加劇混凝土管壁的腐蝕破壞。因此,只有在好氧環(huán)境下, H2S被硫氧化細(xì)菌氧化為生物硫酸,才會(huì)對(duì)混凝土產(chǎn)生強(qiáng)烈的腐蝕作用。
近年來研究發(fā)現(xiàn):污水中混凝土的腐蝕與許多微生物菌種的生存代謝有關(guān),硝化細(xì)菌能夠通過對(duì)胺的硝化作用生成硝酸,同樣會(huì)導(dǎo)致CSH 分解破壞,使混凝土遭受酸腐蝕[6] ;污水中有多種硫氧化細(xì)菌存在,按其適宜生長的環(huán)境可分為嗜中性硫氧化細(xì)菌(NOSM )和嗜酸性硫氧化細(xì)菌(AOSM )兩大類,嗜中菌能夠在較高pH 值環(huán)境下生長,使混凝土表面pH 值降至4~5, 此時(shí),嗜酸菌以嗜中菌的代謝產(chǎn)物作為營養(yǎng)物質(zhì),大量繁殖產(chǎn)酸,進(jìn)一步降低pH 值使混凝土遭受嚴(yán)重腐蝕[7] ;嗜中性硫氧化細(xì)菌只在混凝土表面大量生長繁殖,而嗜酸性硫氧化細(xì)菌則能與代謝生成的生物硫酸一起滲入混凝土,并進(jìn)一步代謝產(chǎn)酸使混凝土內(nèi)部遭受腐蝕[8] ; 污水中的異氧真菌能夠在很寬的pH 值范圍內(nèi)分解有機(jī)含硫物質(zhì),為硫氧化細(xì)菌生長提供營養(yǎng),加速其產(chǎn)酸代謝,從而加快腐蝕進(jìn)程[9] ;即使在厭氧條件下,混凝土也會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重腐蝕[10] ,這可能與厭氧微生物代謝生成的草酸、乙酸、丙酸等有機(jī)酸以及碳酸有關(guān)[11] ,其腐蝕機(jī)理可能在于有機(jī)酸與鈣離子形成可溶性螯合物,導(dǎo)致CSH 的分解,并喪失膠結(jié)能力[12 ] 。
生物酸對(duì)混凝土的腐蝕不同于純酸。微生物需在混凝土表面附著,然后進(jìn)行繁殖代謝形成生物膜,進(jìn)而對(duì)混凝土產(chǎn)生腐蝕。生物膜的形成與細(xì)菌種類、混凝土材料組成和表面特性、溶液化學(xué)性質(zhì)等因素有關(guān),膜中pH 值、微生物的種類和數(shù)量因環(huán)境不同而有差異,生物膜控制傳質(zhì)過程,對(duì)微生物腐蝕進(jìn)程產(chǎn)生影響[13 ] 。當(dāng)前,混凝土表面生物膜對(duì)腐蝕動(dòng)力學(xué)的影響尚缺乏研究,但嗜酸性的微生物可在混凝土生物膜內(nèi)保持活性并大量繁殖[14] ,材料表面生物膜對(duì)膜內(nèi)微生物具有保護(hù)作用[ 15 ] 。因此,生物膜對(duì)混凝土的微生物腐蝕具有重要影響,生物酸對(duì)混凝土的腐蝕作用遠(yuǎn)大于化學(xué)純酸,生物膜內(nèi)微生物的高度繁殖代謝及向混凝土內(nèi)部穴居,使混凝土內(nèi)部直接遭受腐蝕[16 ] 。
2 防治措施
目前,混凝土微生物腐蝕防治措施的研究建立在對(duì)腐蝕機(jī)理基本認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上,即硫氧化細(xì)菌將H2 S氧化為生物硫酸是混凝土遭受腐蝕的主要原因。理論上提高膠凝材料的抗硫酸侵蝕性能、控制腐蝕傳質(zhì)過程、抑制或減少生物硫酸的生成都能緩解混凝土的微生物腐蝕。因此,防治措施主要包括混凝土改性、表面涂層保護(hù)和生物滅殺技術(shù)3大類。
2. 1 混凝土改性
混凝土改性包括提高混凝土抗酸、抗?jié)B和抗裂性能。提高混凝土抗酸性能的主要目的是改變膠凝材料的組成和結(jié)構(gòu),增強(qiáng)混凝土的抗中性化性能或減緩酸腐蝕進(jìn)程。提高混凝土的抗?jié)B性能主要目的在于防止生物硫酸向混凝土內(nèi)部的滲透,從而延緩混凝土的中性化和強(qiáng)度的衰減。提高混凝土的抗裂性能主要目的在于控制微生物腐蝕產(chǎn)物鈣礬石膨脹所導(dǎo)致的裂縫擴(kuò)展,從而延緩腐蝕介質(zhì)和產(chǎn)物在混凝土內(nèi)部的傳質(zhì)過程,降低混凝土的失效速度。
2. 1. 1 膠凝材料選擇
膠凝材料選擇包括水泥品種選擇和礦物摻合料的選用。采用不同的膠凝材料,水化物的組成結(jié)構(gòu)不同,腐蝕產(chǎn)物和混凝土抗?jié)B性將發(fā)生變化,導(dǎo)致混凝土抗酸性能的差異,此外,混凝土的抗酸性能還與酸的種類有關(guān)。
對(duì)硝酸和醋酸溶液作為腐蝕介質(zhì)的研究表明[17] ,不同類型膠凝材料抗酸性為:粉煤灰2石灰膠凝材料>堿礦渣>硅酸鹽>高鋁+石膏+石灰混合物,其原因在于CSH 的酸腐蝕產(chǎn)物不溶性SiO2 膠體覆蓋于未腐蝕部分表面,對(duì)進(jìn)一步的腐蝕具有減緩作用,而鈣礬石則在酸中很快溶解,不具備減緩能力。低Ca /Si 比的CSH 分解后形成更密實(shí)的不溶性SiO2 膠體,因此表現(xiàn)出更好的抗酸性能。但所有膠凝材料都根本無法抵御醋酸的腐蝕,這可能與有機(jī)酸較強(qiáng)的緩沖作用有關(guān)。
混凝土中摻加硅粉、粉煤灰和礦粉等礦粉摻合料時(shí),可降低CSH 的Ca /Si 比,同時(shí)火山灰反應(yīng)消耗了Ca (OH) 2,減少了石膏的生成量,從而可減少鈣礬石生成導(dǎo)致的膨脹破壞,而火山灰反應(yīng)產(chǎn)生的界面效應(yīng)則改善了骨料2水泥石界面過渡區(qū),提高了混凝土的抗?jié)B性能。因此摻加礦物摻合料的混凝土理論上應(yīng)具有較強(qiáng)的抗微生物腐蝕性能,美國、日本都有類似的專利技術(shù)報(bào)道[18 ] 。但以稀硫酸(2% ~3% )為介質(zhì)的腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明[19] ,硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥+硅粉、硅酸鹽水泥+粉煤灰、抗硫酸鹽硅酸鹽水泥4者的抗硫酸腐蝕性能并無顯著差別,抗硫酸鋁酸鹽水泥則表現(xiàn)出顯著的耐腐蝕性能。硝酸和磷酸介質(zhì)的腐蝕試驗(yàn)也證實(shí),摻加硅粉對(duì)提高混凝土抗酸性能十分有限[20,21] ,腐蝕產(chǎn)物的抗?jié)B性比混凝土本身的抗?jié)B性能更為重要,腐蝕產(chǎn)物不溶性SiO2 膠體的抗?jié)B性還不能提供有效的保護(hù)。因此,通過摻加礦物摻合料改善水化物的組成結(jié)構(gòu)還不足以顯著提高混凝土的抗酸性能。
考慮到生物硫酸腐蝕與化學(xué)硫酸腐蝕的差別, 研究應(yīng)在實(shí)際污水中進(jìn)行,目前這方面研究成果較少,H. Saricimen[19] 的研究證實(shí)了抗硫酸鋁酸鹽水泥具有最佳性能,但與硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥+ 硅粉、硅酸鹽水泥+粉煤灰相比優(yōu)勢似乎并不顯著,在兩年的現(xiàn)場試驗(yàn)中所有試件都遭到輕微侵蝕。而國內(nèi)進(jìn)行的現(xiàn)場污水腐蝕試驗(yàn)卻發(fā)現(xiàn),硅酸鹽水泥、硅酸鹽水泥+硅粉、堿礦渣水泥實(shí)際上都無法有效緩解微生物的腐蝕,浸泡1年,各試件腐蝕嚴(yán)重,強(qiáng)度損失情況幾乎相同。產(chǎn)生差別的原因可能在于污水微生物環(huán)境不同。
聚合物能夠在混凝土中形成穿插的三維網(wǎng)絡(luò), 阻止大晶體的生成和微裂紋的發(fā)展,從而改善了骨料的界面過渡區(qū),提高了混凝土的密實(shí)度和抗?jié)B性,因而能夠增強(qiáng)混凝土的抗酸性能[ 22 ] 。硫酸浸泡試驗(yàn)證實(shí)了聚合物改性的有效性,但不同聚合物改性效果存在差異[23] ,聚苯乙烯2丙烯酸樹脂能夠顯著提高混凝土的抗硫酸腐蝕性能,聚乙烯樹脂可略微增加,聚苯乙烯2丁二烯樹脂、聚丙烯酸樹脂則降低混凝土的抗硫酸腐蝕性能,可能與改性后混凝土的細(xì)觀結(jié)構(gòu)差別有關(guān)。也有研究表明[24] ,聚醋酸乙烯樹脂是最佳改性樹脂,而與水玻璃復(fù)合改性時(shí),更能顯著提高混凝土的抗硫酸侵蝕性能。
在模擬污水和現(xiàn)場污水環(huán)境下,聚苯乙烯2丙烯酸樹脂僅能夠略微提高混凝土的抗微生物腐蝕性能,聚苯乙烯2丁二烯樹脂和聚乙烯沒有效果,而聚丙烯酸樹脂則降低了抗微生物腐蝕性能[25 ] 。因此,以聚合物改性提高密實(shí)度和抗?jié)B性,還不能有效減緩混凝土的微生物腐蝕。
2. 1. 3 纖維增強(qiáng)
鈣礬石產(chǎn)生的體積膨脹以及混凝土收縮導(dǎo)致的開裂會(huì)加劇混凝土腐蝕。作為輔助手段,纖維增強(qiáng)能有效控制混凝土的開裂,在一定程度上能夠提高其抗微生物腐蝕性能,因此被廣泛采用。但鋼纖維在混凝土中性化后,存在銹蝕、膨脹,喪失粘接等問題;而玻璃纖維存在耐堿性問題。相比,有機(jī)纖維不會(huì)產(chǎn)生銹蝕,與混凝土粘接性好,其在污水環(huán)境下獲得驗(yàn)證,但研究同時(shí)發(fā)現(xiàn),有機(jī)纖維在微生物環(huán)境中存在降解,可能會(huì)影響混凝土長期的耐腐蝕性能[ 26 ] 。
2. 2 表面涂層保護(hù)
防治混凝土微生物腐蝕的涂層保護(hù)措施分為兩類,一類為惰性涂層,具有耐腐、抗?jié)B、抗裂功能。另一類為功能涂層,具有酸中和或抑菌、殺菌功能。
惰性涂層能隔絕混凝土與生物硫酸的接觸,從而避免遭受腐蝕。通常采用耐酸的有機(jī)樹脂,如環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、丙烯酸樹脂、聚氯乙烯、聚乙烯以及瀝青等,在國外專利中有大量報(bào)道。其他惰性涂層有樹脂改性砂漿以及水玻璃涂層等。為防止涂層開裂,多采用纖維增強(qiáng),其中環(huán)氧涂層可采用聚硫化物改性,增強(qiáng)其粘接和柔韌性[27] ,也有采用環(huán)氧樹脂、聚氨酯泡沫底層,聚氯乙烯、聚乙烯面層形成復(fù)合涂層的研究報(bào)道[ 28 ] 。
功能涂層主要目的是中和生物硫酸或者抑制生物硫酸的生成,以避免混凝土遭受腐蝕。中和性能涂層實(shí)際上是一種犧牲保護(hù)措施,即在混凝土表面形成一層堿性材料保護(hù)層,用于中和生物硫酸, 并提高混凝土表面pH 值,從而抑制硫氧化細(xì)菌的繁殖,這種涂層只能用于可更換的場合,常用的堿性材料有碳酸鈉、氧化鈣,采用氧化鎂、氫氧化鎂效果更佳[29 ] 。殺菌功能涂層是微生物滅殺技術(shù)的具體應(yīng)用,是以無機(jī)或有機(jī)膠凝材料為載體,摻加殺菌劑,在混凝土表面形成一層具有殺菌、抑制生物硫酸產(chǎn)生的涂層。此外,硫磺砂漿涂層具有高強(qiáng)耐磨、耐酸,可抑制硫氧化細(xì)菌的繁殖,并已獲得實(shí)際應(yīng)用[1] 。
2. 3 微生物滅殺技術(shù)
根據(jù)混凝土微生物腐蝕作用機(jī)理,阻止微生物在混凝土表面和內(nèi)部的生長,直接抑制或減少生物硫酸的生成,是控制混凝土微生物腐蝕最有效的措施,因此,微生物滅殺技術(shù)是近年來混凝土微生物腐蝕防治研究中最活躍的領(lǐng)域。
殺菌劑指具有滅殺微生物或抑制微生物繁殖功能的試劑。常見的生物殺菌劑分為兩類:氧化型殺菌劑,如氯氣、溴及其衍生物、臭氧和過氧化氫等;非氧化型,如戊二醛、季胺鹽化合物、噻唑基化合物和亞甲基二硫氰酸鹽等[30 ] 。
混凝土微生物腐蝕的防治主要采用非氧化型殺菌劑,它們可結(jié)合硫氧化細(xì)菌生存代謝所需的酶,從而起到殺滅或抑制其繁殖的作用。目前,國外專利報(bào)道用于混凝土的殺菌劑有:鹵代化合物、季胺鹽化合物、雜環(huán)胺、碘代炔丙基化合物、(銅、鋅、鉛、鎳)金屬氧化物、(銅、鋅、鉛、錳、鎳)酞菁、鎢粉或鎢的化合物、銀鹽、有機(jī)錫等。前蘇聯(lián)也有硝酸銀、烷基氮苯溴化物、季胺鹽、有機(jī)錫等用作混凝土殺菌劑的研究報(bào)道[31 ] 。殺菌劑應(yīng)用時(shí),或以膠凝材料為載體在混凝土表面形成功能性保護(hù)涂層,或者作為防腐蝕的功能組分經(jīng)預(yù)分散后直接摻入混凝土中,其中液體殺菌劑可采用載體如沸石吸附后制成粉劑使用。
殺菌劑的適用性與其殺菌功效、溶解性能、顯效摻量以及對(duì)混凝土性能的影響有關(guān)。水溶性殺菌劑易溶出消耗,缺乏長效性;重金屬離子可能造成水污染;某些金屬氧化物不溶于水,但可能溶于硫酸,因此都存在一定缺陷。而金屬鎳化合物、金屬鎢化合物及金屬酞菁具有摻量少、分散性好、不易被硫酸洗提的特點(diǎn)[32,33] ,是高效的防混凝土微生物腐蝕殺菌劑,前兩者在日本已形成市售產(chǎn)品。不同殺菌劑對(duì)不同的硫氧化細(xì)菌具有選擇性,同時(shí)作用效果受pH 值的影響。鎳化合物適用于中性環(huán)境,而鎢化合物在酸性環(huán)境具有效果,因此,以鎳酞菁與鎢粉或其化合物復(fù)合可使混凝土獲得優(yōu)異的抗微生物腐蝕性能[34 ] 。
使用殺菌劑會(huì)導(dǎo)致成本增高,某些工業(yè)廢棄物如用畢的銀催化劑可作潛在的替代品[ 35 ] 。最近, 專利報(bào)道了將某些桿菌引入混凝土,利用其代謝生成殺菌劑,抑制硫酸鹽還原細(xì)菌生長的腐蝕防治技術(shù)[ 36 ] 。此外,研究發(fā)現(xiàn)[37] ,常用的混凝土早強(qiáng)劑甲酸鈣,能有效抑制硫氧化細(xì)菌和嗜酸鐵氧化細(xì)菌的繁殖,并且甲酸鈣也參與了混凝土的微生物腐蝕過程。
3 問題和展望
盡管混凝土微生物腐蝕控制措施已有大量研究成果,但從研究方法和效果看,目前仍存在以下問題。
首先,混凝土的微生物腐蝕存在復(fù)雜的機(jī)理。近年來的研究已證實(shí),微生物腐蝕遠(yuǎn)比一般化學(xué)硫酸腐蝕強(qiáng)烈,且有硫細(xì)菌以外的多種細(xì)菌參與;即使在厭氧環(huán)境下,微生物對(duì)混凝土也具有強(qiáng)烈的腐蝕作用。而現(xiàn)有的大量研究都采用無機(jī)硫酸作為腐蝕介質(zhì),或者只考慮硫細(xì)菌的作用制備腐蝕培養(yǎng)液,都不能反映污水微生物環(huán)境的實(shí)際情況。因此,應(yīng)加強(qiáng)實(shí)際污水微生物環(huán)境下的研究,或用它作為防治措施有效性的最終驗(yàn)證。
其次,從實(shí)際效果看,混凝土改性和惰性保護(hù)層都是被動(dòng)措施,只是通過控制動(dòng)力學(xué)過程以延緩腐蝕。單純的改性并不能顯著緩解混凝土的腐蝕過程,無法滿足實(shí)際工程使用壽命的要求。惰性涂層則存在點(diǎn)蝕、開裂、脫落和易磨損破壞等缺陷,同時(shí)增加了施工的復(fù)雜性。
建立在微生物腐蝕作用機(jī)理基礎(chǔ)上的殺菌劑的應(yīng)用是主動(dòng)措施,短期內(nèi)對(duì)控制混凝土的微生物腐蝕十分有效。但以功能涂層方式使用時(shí),殺菌劑凈含量和長期留存率低,且存在與惰性涂層類似的缺陷,難以保證混凝土的長期性能;而作為功能組分摻入混凝土中時(shí),其種類、摻量選擇以及對(duì)混凝土其他性能的影響仍缺乏系統(tǒng)研究。此外,不同殺菌劑對(duì)細(xì)菌種類具有選擇性,功效受pH 值影響。
當(dāng)前,大量的工程迫切需要高效、安全、易實(shí)施的混凝土微生物腐蝕防治措施??梢灶A(yù)見,以混凝土組成優(yōu)化為輔助措施,進(jìn)一步研究混凝土材料組成、結(jié)構(gòu)與耐微生物腐蝕性能之間的關(guān)系,建立微生物腐蝕環(huán)境下的混凝土配比設(shè)計(jì)規(guī)范,采用主動(dòng)控制措施,將殺菌劑納入混凝土外加劑范疇,開發(fā)功效好、留存率高、摻量低,或者低成本、高摻量且不影響混凝土自身性能的混凝土專用殺菌劑,并建立相應(yīng)的應(yīng)用技術(shù)體系和標(biāo)準(zhǔn),以滿足工程的需要,是未來混凝土微生物腐蝕防治措施研究發(fā)展的方向。
混凝土是使用最廣泛的建筑材料,微生物腐蝕導(dǎo)致的混凝土結(jié)構(gòu)失效問題日益嚴(yán)重,所造成的經(jīng)濟(jì)損失已引起世界范圍的普遍關(guān)注。當(dāng)前,我國城市化進(jìn)程不斷加快,需配套大量市政排污工程,開展混凝土微生物腐蝕與防治技術(shù)領(lǐng)域的研究,具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。
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