Биоагрессивность и биокоррозия в грунтах

 

Биоагрессивностью грунтов называются особенности грунтов, обус­ловленные жизнедеятельностью биоты и приводящие к разрушению различ­ных материалов инженерных сооружений, взаимодействующих с ними. Био­агрессивность грунтов может подразделяться по отношению к разным видам разрушаемых материалов: биоагрессивность по отношению к металлам, бето­ну, деревянным конструкциям и т. д. Важным видом биоагрессивности грун­тов является биокоррозия металлов в грунтах.

Биоагрессивность грунтов по отношению к дереву обусловлена развитием в грунтах процессов гниения древесины. Этот процесс происходит в результа­те жизнедеятельности различных микроорганизмов, главным образом грибов и микроорганизмов, выделяющих ферменты и расщепляющих сложные орга­нические соединения древесины, клетчатку, переводя их в простые веще­ства — углекислоту, аммиак, воду, азотную, азотистую, серную и другие кис­лоты и газы. Процесс гниения дерева интенсивней происходит в аэробных условиях, поэтому в грунтах он обусловлен в основном аэробными организ­мами. Большая роль в разложении дерева в грунтах принадлежит гетеротроф­ным бактериям, которые могут быть как аэробными, так и анаэробными.

Биоагрессивность фунтов по отношению к дереву оценивают по скорости распада древесины в данном грунте (уд), определяемой соотношением

V, = Am/At, 

где Am — потеря массы образца древесины; At — интервал времени. Для оцен­ки уд несколько прямоугольных образцов дерева одинаковой формы и размера после взвешивания помещают в исследуемый фунт в естественных условиях. Затем через различные промежутки времени At образцы последовательно извлекают, промывают, взвешивают и определяют Am, после чего рассчи­тывают v.

По интенсивности разложения клетчатки (% за сезон) оценивается био­агрессивность грунта (табл. 13.4).

Биоафессивность грунтов по отношению к бетону обусловлена развитием в фунте биохимических реакций, создающих определенную агрессивность порового раствора — углекислую, магнезиальную или сульфатную. Углекислотная биоафессивность может быть обусловлена аэробными бактериями и фибами, выделяющими СО2, который, растворяясь в воде, образует уголь­ную кислоту. Углекислые воды разрушают карбонатную пленку бетонов и вызывают их коррозию.

Биокоррозией в грунтах называется процесс разрушения металлов вследствие биохимического взаимодействия их с биотическими компонента­ми грунта. Она обусловлена биологической агрессивностью грунтов по отно­шению к металлам.

Грунты, в том числе почвы, являются средой обитания разнообразных микро - и макроорганизмов (см. гл.6). Некоторые фуппы этих организмов вы­зывают интенсивную коррозию металлов. Если она вызвана микроорганизма­ми, то она называется микробиологической коррозией металлов.

Биокоррозия может развиваться как в анаэробных (без доступа воздуха), так и в аэробных условиях, поэтому различают анаэробную и аэробную био­коррозию. Наибольшее значение и распространение в грунтах имеет анаэроб­ная коррозия, приводящая к разрушению стальных и чугунных трубопрово­дов, заложенных в тяжелых глинистых грунтах, торфяных грунтах болот и т. д. Наиболее распространенный вид анаэ­робной коррозии связан с жизнедея­тельностью сульфатвосстанавливающих (или сульфатредуцируюгцих) бактерий, широко распространенных в различных почвах, пресных и соленых водах в при­сутствии небольшого количества орга­нических веществ. Сульфатвосстанавливающие бактерии чрезвычайно жизне­способны при значениях рН среды от 5 до 9. В более щелочных условиях проис­ходит их угнетение и гибель при пребывании в среде с рН = 9,5. Полагают, что 50% ущерба от биокоррозии трубопроводов в грунте вызвано именно де­ятельностью сульфатвосстанавливающих бактерий.

Разрушение металла в анаэробных условиях заключается в том, что бла­годаря жизнедеятельности микроорганизмов в среде, контактирующей с ме­таллом, сульфаты восстанавливаются и преобразуются в сероводород. Пос­ледний начинает взаимодействовать с железом, образуя сернистое железо. Согласно литературным данным, максимальное количество сернистого желе­за, образующегося в результате биокоррозии, составляет 1 /4 от общей массы прокорродировавшего металла, остальная часть железа переходит в гидрат закиси железа.

К анаэробным микроорганизмам, обусловливающим биокоррозию метал­лов, кроме сульфатвосстанавливающих, относятся также азотвосстанавливающие бактерии и метанообразующие бактерии. Однако в общем процессе кор­розии металлов они играют меньшую роль, чем сульфатвосстанавливающие.

Возбудителями аэробной биокоррозии могут быть тионовые бактерии, же­лезобактерии, нитрификаторы и другие организмы, продуцирующие корро­зионные метаболиты — в основном минеральные и органические кислоты.

Например, при строительстве кессонным способом Киевского метропо­литена в палеогеновых песках с высоким содержанием серы тионовые бакте­рии, содержащиеся в породе, при подаче кислорода стали интенсивно разви­ваться и подкислять среду, при этом образовались агрессивные кислые воды (величина рН снизилась до 0,5), обладающие высокой коррозионной актив­ностью по отношению к металлическим и бетонным конструкциям. Тионо­вые бактерии, кроме того, вызывают биокоррозию бетонных труб, оборудо­вания шахт и т. д. Развитие железобактерий в трубах электростанций и пить­евого водоснабжения приводит не только к их биокоррозии, но и закупорке микробными клетками и образуемыми окислами. Значительный ущерб раз­личные микроорганизмы наносят кабельным коммуникациям в грунте.

Серобактерии и железобактерии имеют наибольшее значение в грунтах из аэробных бактерий, влияющих на развитие биокоррозии металлов. Исходным материалом для развития серобактерий в фунтах является элементарная сера, а конечным продуктом микробиологического окисления — серная кислота. Наиболее благоприятны для серобактерий грунты с кислой средой, у кото­рых рН изменяется от 0 до 1. Концентрация серной кислоты, образующейся в результате их жизнедеятельности, достигает 10%. Поэтому фунты, содержа­щие серу или сернистые соединения, являются неблагоприятными по отно­шению к металлам, так как в них может развиваться сильная биокоррозия за счет жизнедеятельности серобактерий.

Железобактерии в результате жизнедеятельности накапливают железо, которое могут потреблять из водных поровых растворов грунта, контактирую­щих с металлами. В результате также происходит разрушение металла. Железо­бактерии окисляют закисные соединения железа в окисные и используют освобождающуюся при этом энергию на усвоение углерода из углекислого газа или карбонатов грунта. Окисление протекает по реакции

4Fe (НСО3)2 + 6Н2О + О2 = 4Fe (ОН)3 + 4Н2СО3 + 4СО2.

Среди железобактерий наиболее распространены палочковые Thiobacillus ferrooxidans, нитчатые бактерии из рода Leptothrix, спиральные Gallionella и др. Однако в целом биокоррозия металлов при участии аэробных бактерий имеет меньшее распространение, чем биокоррозия с участием анаэробных бактерий.

Таким образом, биотические свойства фунтов имеют весьма существен­ное значение в инженерно-геологических исследованиях. Вместе с тем следу­ет признать, что пока этот важный класс свойств фунтов изучен явно недо­статочно.