خوردگی میکروبیولوژیکی بتن

در حال حاضر مشخص شده است که فعالیت میکروبی در خوردگی بتن در وضعیت های گوناگون، تاثیرگذار می باشد. این وضعیت های گوناگون عبارتند از:

• سیستم های فاضلاب
• سیستم های تصفیه آب آشامیدنی و فاضلاب
• سازه های های کشاورزی (انبارهای کود و slurry، سیلوها)
• مخازن نگهداری روغن، برج های خنک کننده و تاسیسات هیدرولیکی دیگر
• تونل ها و پی های بتنی

در این مقاله از کلینیک بتن ایران شما با خوردگی میکروبیولوژیکی بتن آشنا خواهید شد.

سازه های بتنی ممکن است به طور غیرمستقیم از طریق بالا آمدگی یا تورم خاک در نتیجه فعالیت میکروبی در خاک های پایریتی، تحت تاثیر قرار گیرند. همچنین ممکن است که تخریب بیولوژیکی، پایداری بلندمدت سیستم های با مبنای سیمانی مورد استفاده در یکپارچه سازی ضایات رادیواکتیو سطح پایین و نیز سیستم های مورد استفاده در ذخیره سازی ضایعات رادیواکتیو سطح بالا را تحت تاثیر قرار دهد.

نشان داده شده است که میکرو ارگانیسم های مختلفی در خوردگی بتن، شرکت دارند. موارد مرسوم مربوط به این فرآیند عبارتند از باکتری های هوازی اکسیدکننده گوگرد (SOBs) که قبلا به نام «تیوباسیلی» شناخته می شدند. این باکتری ها خود تغذیه هستند، یعنی از CO₂ به عنوان منبع کربنی خود استفاده می کنند و انرژی خود را از طریق اکسید نمودن حالت های کاهش یافته گوگرد موجود، مثلا در خاک های شامل مواد معدنی گوگردی و فاضلاب، تامین می نمایند.

در ابتدا pH بتن بسیار بالاتر از آن است که این باکتری ها بتوانند در آن رشد نمایند، اما کربناسیون موجب کاهش pH تا حدود 9 می گردد که امکان رشد برخی گونه ها مانند «تیوباسیلوس تیوپاروس» را فراهم می ماید. اکسیداسیون شیمیایی سولفیدها، منجر به تشکیل مثلا گوگرد، تیوسولفات و سولفیت و همچنین مقدار کمی اسید سولفوریک می گردد. توالی گونه های مختلف باکتری هایی که در pHهای مختلفی فعال هستند، به موجب تبدیل این حالت های مختلف گوگرد به اسید سولفوریک می گردد. گونه های اسید و فیلیک، اسیدیتیو باسیلوس (تیوباسیلوس قبلی) یوکسیدانس و اسیدیتیو باسیلوس (تیوباسیلوس قبلی) فروکسیدانس، شروع به فعل شدن نموده و اسید سولفوریک را تا 10> pH تولید می نمایند، یعنی شرایطی که باکتری های دیگر، نمی توانند به زندگی ادامه دهند. به علاوه، اسیدیتیو باسیلوس فروکسیدانس می تواند هر Fe²⁺ مثلا موجود در خاک پایریت را به Fe³⁺ اکسید نماید.

خوردگی میکروبیولوژیکی بتن

Fe³⁺ تولید شده، سولفیدهایی مانند پایریت را هر چه بیشتر اکسید نموده و اسید سولفوریک بیشتری تولید شده و شرایط با خاصیت اسیدی بالا ایجاد می گردد. ابتدا، گچ به عنوان یک محصول خوردگی بر روی سطح بتن ظاهر شده و اترینگایت در زیر سطح، یعنی جایی که pH چندان پایین نیست، تشکیل می شود. این تغییرات منجر به افزایش تخلخل و ترک خوردگی می گردد. مکانیزم واقعی حمله به بتن، با توجه به شرایط مختلف، متفاوت می باشد. به عنوان مثال در مجاری فاضلاب، اسید سولفوریک و اسید وفیلیک SOBs، از خارج به داخل سطح بتن نفوذ می کنند. خاصیت اسیدی زیاد (2> pH) و از بین رفتن مداوم لایه سطحی سرانجام موجب از هم پاشیدگی بتن می گردد.

میکرو ارگانیسم های بسیار دیگری ممکن است در خوردگی بتن دخیل باشند و تکنولوژی های پیشرفته برمبنای DNA کمک بسیاری به شناسایی تعداد زیادی از میکروب ها نموده اند که قبلا شناخته نشده بودند. گونه های دیگر تغذیه از باکتری ها (آنهایی که انرژی خود را از طریق رشد کردن بر روی اجزاء کربنی لی به دست می آورند) معمولا در ارتباط با گونه های خود تغذیه، SOBs، یافت شده اند.

نشان داده شده است که SOB ها، اسیدهای آلی را دفع می کنند که از رشد خودشان جلوگیری می نماید. باکتری های دیگر تغذیه احتمالا این اسیدها را با مصرف نها به عنوان منابع کربن، از بین برده و در نتیجه امکان رشد بیشتر SOB ها را فراهم می آورند. به این ترتیب، این دو نوع ارگانیسم به بقاء یکدیگر کمک می کنند. میکرو ارگانیسم های دیگری که به عنوان عوامل تاثیرگذار مستقیم بر فرآیند خوردگی شناخته شده اند عبارتند از باکتری های تولید کننده نیتروژن، مانند گونه های نیتروساموناس و نیتروباکتر، که اسید نیتریک تولید نموده و برخی قارچ ها که ممکن است در اکسیداسیون سولفیدها شرکت نموده یا با تولید اسیدهای آلی، به داخل بتن و یا یون های مجتمع Ca²⁺ نفوذ نمایند.

معمول ترین نوع خوردگی میکروبیولوژیکی (MIC) بتن در سیستم های فاضلابی است که شامل لوله های بتنی و پوشش های آدو رو می باشد (شکل 4-4).

شکل 4-4- خوردگی میکروبیولوژیکی در یک لوله فاضلاب پیش ساخته

در سال 1900، مشکلات و مسائل مربوط به خوردگی بتن و ملات در محل تلاقی دو مجرای فاضلاب در لوس آنجلس، تشریح گردید. پس از آن، موارد بسیاری از سراسر جهان گزارش شده است (شهرهای آمریکا، آفریقای جنوبی، استرالیا، هند، خاورمیانه، اروپا و ژاپن). این مشکل در بالای سطح فاضلاب در لوله هایی که کاملا پر نمی باشند، به خصوص در بالای مجاری فاضلاب، ایجاد می گردد. ترکیبات آلی گوگرد و سولفات هایی که در فاضلاب خانگی، ضایعات صنعتی و یا آب دریا وجود دارند، تحت تاثیر فعالیت باکتری هایی واقع می شوند که اساسا در لجن فاضلاب و رسوبات گلی و لجن مانند زیر آب بر روی دیواره های مجاری فاضلاب قرار دارند.

فاضلاب از نظر مواد مغذی که به عنوان منابع کربن و نیتروژن عمل می کنند، غنی می باشد. باکتری های بسیاری وجود دارند که از ترکیبات آلی گوگرد، به صورت بی هوازی، سولفید هیدروژن تولید می کنند. باکتری های کاهش دهنده سولفات (SRBs)، مانند «وسولفو ویبریو و سولفوریرانس»، حتی تحت شرایط بی هوازی و تقریبا خنثی در فاضلاب، با تبدیل سولفات ها به سولفید هیدروژن، به زندگی خود ادامه می د��ند. مقادیر بیشتری نیز با ماندن فاضلاب برای مدت های طولانی تر و دماهای بالاتر، تولید می شوند (که از جمله مشکلات در آب و هوای گرم می باشد). سولفید هیدروژن عموما تاثیر قابل ملاحظه ای بر بتن های قرار گرفته در داخل آب ندارد.

اما این ماده فرار بوده و در هوای بالای فاضلاب پخش می شود، خصوصا در شرایطی که جریان مغشوش فاضلاب وجود داشته باشد. در اینجا، سولفید هیدروژن در رطوبت تراکم یافته برسطح بتن حل شده و با اکسیژن موجود در هوا، واکنش می دهد. در نتیجه، گوگرد و دیگر ترکیبات تولید شده، توسط انواع باکتری های اکسید کننده گوگرد، همانگونه که تشریح گردید، به اسید سولفوریک تبدیل می شوند. به این ترتیب، خوردگی در بالای خط آب اتفاق می افتد.

اگرچه که عوامل تجمع گوگرد و خوردگی بتن بسیار پیچیده می باشند، اما مدل های تجربی برای نرخ خوردگی بتن در مجاری فاضلاب، ایجاد شده اند. این فرآیند را می توان به چندین مرحله تقسیم نمود:

• نرخ تشکیل سولفید در فاضلاب
• جریان H₂S از فاضلاب به داخل هوا و پس از آن از هوا به داخل رطوبت موجود بر سطح بتن قرار گرفته در محیط
• نرخ تبدیل H₂S به H₂SO₄ توسط SOBهای موجود در رطوبت روی سطح بتن قرار گرفته در محیط
• نرخ واکنش اسید با بتن

براساس تحقیقات انجام شده در بخش بهداشت شهر لوس آنجلس، پومری و همکاران، مدلی را برای پیش بینی تجمع گوگرد در لوله های فاضلاب نیمه پر ایجاد نموده اند که به یکی از پرکاربردترین مدل ها تبدیل شده است. آنها فرض نمودند که غلظت سولفات در فاضلاب بالا و نامحدود بوده، غلظت اکسیژن پایین بوده و لایه لجن کاملا فعال می باشند. در این صورت می توان پیش بینی هایی را درباره جریان H₂S از فاضلاب، تحت شرایط معمولی جریان، به داخل هوا و پس از آن به داخل رطوبت موجود بر روی سطح بتن واقع در محیط، انجام داد:

(4-13)    Ø_SW=0.7(su)^3/8j[DS] (b/P^U+0022)

که Ø_SW متوسط جریان H₂S به سمت بتن (gm^-2h^-1)، S شیب مجرای فاضلاب (m/100m)، u سرعت متوسط در مجرای فاضلاب (ms^-1)، j نسبت H₂S جدا شده (که به pH بستگی دارد)، [DS] غلظت سولفید محلول (mgl^-1)، b عرض سطح جریان فاضلاب (m) و P^U+0022 محیط پیرامون دیواره بتنی در معرض محیط قرار گرفته (m)، می باشد. با فرض آنکه مقدار کمی H₂S از مجرای فاضلاب رها شده و H₂S که به سطح بتن می رسد، به طور موثری از طریق SOBهای موجود در رطوبت موجود بر روی سطح، به H₂SO₄ تبدیل می شود، سرعت واکنش اسید، با بتن تحت شرایط حالت پایدار، به صورت زیر پیش بینی می شود:

(4-14)   C=11.5kØ_SW(1/A)

که C سرعت (نرخ) متوسط خوردگی بتن (mmy^-1)، k ضریب بازدهی واکنش اسید (که از 1، برای تشکیل آهسته اسید، تا 3/0 برای تولید سریع اسید، متغیر می باشد) و A میزان قلیایی بودن بتن (که به صورت جرم معادل CaCO₃ در جرم بتن تعریف می شود) می باشد. این مدلی است که برای پیش بینی نرخ خوردگی، بسیار معمول می باشد، اما برای انجام پیش بینی های بهتر و منطقی تر عمر سرویس بتن مجاری فاضلاب، تحقیقات بیشتری مورد نیاز می باشد.

مطالب مرتبط با این مقاله را در این بخش از کلینیک بتن دنبال نمایید
روان کننده بتن چیست؟
آزمایش اسلامپ بتن چیست
اسلب بتنی یا دال بتنی چیست

روش های مختلفی برای کنترل خوردگی بیولوژیکی سیستم های فاضلاب، پیشنها شده است و راهنمایی جهت استفاده از بتن در ساخت مجاری فاضلاب، تهیه شده است. تعدادی از روکش ها و پوشش های استفاده شده مانند پوشش های PVC، در حفاظت بلند مدت از بتن، موفق بوده اند. کاهش مقدار سولفید فاضلاب، مهم ترین عامل در جلوگیری از تولید اسید و در نتیجه خوردگی می باشد. مجاری فاضلاب جدید به گونه ای طراحی می شوند که اغتشاش جریان را کاهش داده، مدت زمان نگهداری فاضلاب را محدود ساخته و سرعت های جریان مناسبی را برای هوادهی فاضلاب داشته باشند تا SOBها را غیرفعال نموده و ته نشینی لجن را کاهش دهند.

تهویه مجاری فاضلاب ممکن است به هوادهی فاضلاب کمک نماید، اما احتمالا عملکرد آن از طریق کاهش رطوبت سطح بتن بالای فاضلاب، می باشد. فعالیت های بسیاری جهت کاهش تولید H₂S از فاضلاب صورت گرفته است که از طریق افزودن مواد قلیایی و یا خنثی نمودن اسید موجود بر روی تاج مجاری فاضلاب جهت غیرفعال نمودن SOBها از طریق پاشیدن Mg(OH)₂، انجام می شود. حذف سولفات ها از فاضلاب و یا جلوگیری از تجمع آنها می تواند از روش های زیر صورت گیرد:

1. کاهش مقدار گوگرد در آبگذرهای صنعتی.
2. تخلیه آب با فشار بالا 1 با دبی زیاد به صورت دوره ای به منظور حذف رسوبات.
3. اکسیداسیون سولفات ها و جلوگیری از SRBها از طریق هوادهی با هوای فشرده یا اکسیژن خالص یا افزودن مواد شیمیایی مانند پروکسید هیدروژن یا کلرین.
4. افزودن فلزات سنگین جهت تسریع سولفیدها و جلوگیری از فعالیت SRBها.

در واقع، اینگونه تصور می شود که موج جدیدی از مشکلات خوردگی سیستم های فاضلاب که در دهه 1980 در آمریکا به وجود آمد، ناشی از محدودیت هایی بود که در دهه 1970 در مورد ضایعات سمی اعمال گردید که قابل تخلیه به داخل مجاری فاضلاب بودند. این محدودیت ها منجر به کاهش عمده ای در ورود مقادیر فلزات سنگین و سیانید به داخل سیستم فاضلاب و در نتیجه جلوگیری از تولید SOBها و حذف کمتر مقادیر سولفیدها، گردید.

فرآیند مشابهی از خوردگی بیولوژیکی بتن در سیستم های دیگری که شامل ذخیره سازی و یا انتقال لجن ها می باشند، اتفاق می افتد، مانند انبارهای کود و دوغاب و تاسیسات تصفیه فاضلاب. در این موارد، H₂SO₄ تولید شده موجب تخریب بتن می شود که این فرآیند از طریق حل یون های Ca²⁺ توسط اسید، صورت می گیرد. این همان حالتی است که تصور می شود در مخازن بتنی نگهداری روغن نیز وجود دارد که در آنها، دماهای بالای روغن، حمله شیمیایی و باکتریایی را تشدید می نماید. مکانیزم متفاوت دیگری نیز برای شرایطی که pH بتن بالا باقی می ماند، مانند تاسیسات ویژه هیدرولیکی، پیشنهاد شده است.

اگر چه در اینجا، مقدار مواد مغذی بسیار کمتر از فاضلاب می باشد، اما باکتری هایی وجود دارند که می توانند مولکول های آلی پیچیده را که ممکن است به عنوان مواد افزودنی در بتن وجود داشته باشند، تجزیه نمایند؛ برخی دیگر نیز می توانند CO₂ را تثبیت نمایند. بنابراین، منابع کربن برای SRBهایی فراهم می گردد که می توانند هرگونه سولفات موجود را تحت شرایط بی هوازی، به H₂S کاهش دهند. در نواحی هوازی، SOBها عمل تبدیل H₂S را انجام می دهند. اسید نیتریک توسط باکتری های تولید کننده نیتروژن و اسیدهای آلی توسط انواع باکتری ها، تولید می شوند.

فعالیت بیولوژیکی همچنین در تخریب شیمیایی سازه های بتنی قرار گرفته در سنگ ها و یا خاک های پایریتی، وجود دارد. اگر چه کانی های سولفید مانند پایریت (FeS₂) تحت شرایط بی هوازی پایدار یم باشند، اما هنگامی که خاک های پایریتی دچار دست خوردگی شده و در نتیجه هوا به داخل آنها نفوذ می کند، مثلا هنگام فعالیت های ساخت و ساز، پایریت دچار اکسیداسیون شیمیایی آرامی می شود که نتیجه ان، ، تولید سولفات آهن و اسید سولفوریک می باشد:

(4-15)   2FeS₂+2H₂O+7O₂=2FeSO₄+2H₂SO₄

در حضور هوا، آب و باکتری های اکسیدکننده گوگرد مانند «اسیدیتیو باسیلوس فروکسیدانس»، پایریت به سرعت به اسید سولفوریک و سولفات های آهن اکسید می شود:

(4-16) 4FeSO₄+O₂+2H₂SO₄=2Fe₂(SO₄)₃+2H₂O

(4-17) 7Fe(SO₄)₃+FeS₂+8H₂O=15FeSO₄+8H₂SO₄

هر دو مورد اسید و سولفات تولید شده می توانند بر خاک و نیز هر سازه بتنی موجود در آن، تاثیر بگذارند. شکل جالب توجهی از خوردگی میکروبیولوژیکی بتن مربوط می شود به از هم پاشیدگی شمع های بتنی عمل کننده به عنوان پی های یک واحد اداری، کهدر آمریکا روی داده است. در این مورد، بتن از خارج به داخل شروع به تخریب شدن نمود و مشخص گردید که تنها بتن های در تماسط با رسوبات دریایی anoxic ویژه با مقادیر زیاد مواد آلی، تحت تاثیر قرار گرفته اند، به گونه ای که بتن های در تماس با آب دریا، ماسه یا لای، شامل مواد آلی کم، به هیچ وجه تحت تاثیر واقع نشده اند.

رسوبات دارای مقدار آهن کم و مقدار سولفات متوسطی بودند. این رسوبات، سطح فعلیت بالایی از باکتری های بی هوازی کاهنده سولفات، یعنی «دسولفویبریو» و «کلوستریدیوم» را از خود نشان دادند. تحت چنین شرایطی، به نظر می رید که SRBها ممکن است ترجیحا از Fe³⁺ به عنوان یک عامل اکسیدکننده، استفاده نمایند. از آنجا که مقدار Fe³⁺ کافی در رسوبات مجاور وجود نداشت، اینگونه پیشنهاد شد که باکتری ها ممکن است Fe³⁺ را در خمیر سیمان سخت شده در پی ها، از بین برده باشند که این امر موجب افزایش آسیب پذیری نسبتب ه حمله سولفات ها می گردد. درنتیجه اینگونه پیشنهاد شد که تخریب بتن، نتیجه حذف میکروبیولوژیکی و همچنین حمله سولفات می باشد.

شکل 4-5- سیلوی بتنی گسیخته شده که اثرات حمله اسیدی را نشان می دهد

آسیب جدی و فرو ریختن سیلوهای بتنی در نتیجه تولید میکروبیولوژیکی اسیدهای آلی تحت شرایط بی هوازی، اتفاق افتاده است (شکل 4-5). سیلوها در کشاورزی به منظور ذخیره سازی غلات یا محصولات غذایی مرطوب تخمیر شده (silage)، مورد استفاده قرار می گیرند.خصوصا تشکیل silage منجر به تولید اسید قابل ملاحظه ای می شود. این فرآیند که «انبار کردن در شرایط بدون هوا» نامیده می شود، در چند مرحله صورت می گیرد. پس از قرار دادن محصولات در سیلو، یک مرحله کوتاه اولیه وجود دارد که در آن میکرواٌرگانیسم های هوازی مختلفی مانند مخمرها و انتروباکتری ها، اکسیژن موجود را مصرف می نمایند.

سپس فرآیند انبار بدون هوا (انسیلیج) وارد مرحله بی هوازی می شود که ممکن است طی چند روز و یا شاید چند هفته کامل شود، و پس از آن تغییرات نسبا کمی اتفاق می افتدو غالب باکتری های موجود در مرحله بی هوازی، باکتری های اسید لاکتیک می باشند که کربوهیدرات های محلول در آب موجود در انبار علوفه را تخمیر نموده و اسید لاکتیک و مقدار کمی نیز استیک تولید می نمایند. تخمیر موفق علوفه، موجب افت سریع pH تا حدود 5-5/3 می شود که این پدیده تا حد زیادی بر اثر تشکیل اسید لاکتیک می باشد.

آبگذرهای خاکی می ��وانند pHهایی تا حد پایین 5/3 داشته باشند. چنین pHهای پایینی همراه با قابلیت حل نمک های کلسیم تشکیل شده در واکنش میان بتن و اسیدهای آلی، می تواند اثر شدیدی بر دیواره ها و کف های خاکی داشته باشد. بهبود مقاومت در برابر حمله اسیدهای علوفه به بتن، با استفاده از نسبت های مناسب آب به سیمان و استفاده تا 30 درصد وزنی سیمان از خاکستر بادی در مخلوط های بتن یا ترمیم بتن سخت شده با پوشش های مختلفی مانند رزین پلی یورتان یا اپوکسی، انجام شده است.

مطالعات صورت گرفته بر روی تخریب مواد سیمانی مورد استفاده در دفع ضایعات هسته ای، عموما براساس این فرض استوارند که فرآیندها به طور خاص فیزیکی- شیمیایی می باشند، زیرا واقع پنداری اینکه حمله میکروبی ممکن است قابل ملاحظه باشد، دیدگاه نسبتا جدیدی می باشد. با این وجود، میکرواٌرگانیسم های شناخته شده در حمله به بتن و آنهایی که معمولا در خاک ها یافت می شوند مانند خاک محل های دفع ضایعات هسته ای سطح پایین، عبارتند از SOBها، بسیاری از باکتری های دیگر تغذیه و قارچ ها.

آزمایشات تسریع شده به منظور مشاهده اثر SOBهای اسیدوفیلیک مانند اسیدیتیو باسیلوس تیوکسیدانس، بر روی حالت های شبیه سازی شده ضایعات رادیواکتیو با مبنای سیمانی، صورت گرفته است. استفاده از زیست پوشش ها بر روی سطوح و نیز کاهش pH، منجر به حل یون های Ca²⁺ و تخریب مواد سیمانی گردید. همچنین نشان داده شده است که SOBهای نوتروفیلیک موجب تخریب سریع نمونه های سیمانی سخت شده حاوی یون های CS⁺ و Sr²⁺ و نیز شسته شدن یون های CS⁺ و Sr²⁺ و کمی افت Si می شوند. مشکل حمله میکروبی ممکن است در مورد مواد با مبنای سیمانی مورد استفاده در مخازن ضایعات هسته سطح بالا نیز، وجود داشته باشد، چرا که انواع قابل ملاحظه ای از میکرواٌرگانیسم ها در اعماق بیشتر از km1، یافت شده اند. می توان گفت ایجاد مدل های مربوط حرکت شناسی تخریب میکروبی حالت های ضایعات با مبنای سیمانی، هنوز در اوایل راه خود قرار دارد.

نتیجه گیری

یک دیدگاه نسبتا کلی از حوزه های اصلی دوام بتن به طور خلاصه ارائه گردید که به توانایی خمیر سیمان سخت دشه جهت مقاومت در برابر حالت های معمول آسیب های شیمیایی و میکروبیولوژیکی بستگی دارد. یکی از این موارد به طور به خصوص، مربوط به بتن ساخته شده با سیمان های آلومینا کلسیم می باشد (که به سیمان های با آلومینای بالا نیز معروف می باشد). این سیمان ها از زمان به وجود آمدن در فرانسه از یک قرن گذشته تاکنون، تاریخچه پر فراز و نشیبی را داشته اند. در آن زمان، این سیمان ها در اصل، در پاسخ به نیاز به سیمان هایی با مقاومت بالا در برابر سولفات، تولید شدند.

مشکلاتی که بعدها، در نتیجه تغییر شکل های فازی تدریجی (معروف به «دگرگونی») سیمان هیدراته شده، به وجود آمد که می توانست خواص مکانیکی آن را تضعیف نماید، منجر به ممنوعیت موثری در رابطه با کاربردهای سازه ای آن در انگلستان در اواسط دهه 1970 گردید. از آن به بعد، تحقیقات بسیاری در ارتباط با ماهیت و خواص این مواد و نیز ارزیابی های مجددی توسط انجمن بتن انگلستان در زمینه امکان بکارگیری این مواد در ساخت و ساز، صورت گرفت. اخیرا نیز بازنگری ها و بررسی هایی درباره سیمان های آلومینات کلسیم، منتشر شده و این موضوعات، محور برخی کنفرانس های ین المللی اخیر بوده است.