W artykule opisano wpływ zmian jakościowych i ilościowych ścieków komunalnych na ich agresywność chemiczną w stosunku do betonowych konstrukcji i budowli w obrębie infrastruktury sektora gospodarki wodno-ściekowej i ich reperkusje odnośnie wytycznych w zakresie kryteriów wyboru stosowanych do materiałów ochrony powłokowej tych konstrukcji.
Ogólny zarys zagadnienia nieuwzględniający zmian składu ścieków jakie wystąpiły w latach 1990–2010.
Środowisko panujące w kanałach i zbiornikach oczyszczalni ścieków jest skrajnie trudne i destrukcyjne dla betonowych budowli i konstrukcji ze względu na kilka różnych czynników niszczących i korozyjnych.
Po pierwsze, mamy w tym środowisku do czynienia z silnymi przepływami wody i zawieszonymi w jej masie drobnymi ciałami stałymi, które ocierając podczas przepływu o powierzchnie ścian i dna zbiorników czy kanałów wywołują silną abrazję1, a dodatkowo w wyniku kawitacji2 zachodzi destrukcyjne zjawisko implozji3, które powoduje powierzchniowe uszkodzenia struktury betonu.
Równolegle, w wyniku zmian temperatury (zwłaszcza w komorach fermentacyjnych i bioreaktorach) betonowe ściany zbiorników w związku z stosunkowo wysokim współczynnikiem rozszerzalności i odwrotnie kurczliwości termicznej poddawane są silnym naprężeniom, co skutkuje powstawaniem drobnych rys i pęknięć, a w ekstremalnych warunkach może skutkować powstawaniem rys w całej objętości elementu betonowego, prowadząc do obniżenia jego trwałości i skrócenia okresu użytkowania.
Zjawiska te zachodzą w środowisku wysoce agresywnym chemicznie, co powoduje powiększanie się tych wszystkich drobnych uszkodzeń mechanicznych w wyniku procesów korozyjnych.
Złożony skład chemiczny ścieków zawierający różnego rodzaju kwasy organiczne i tłuszczowe staje się wysoce agresywny wraz z przebiegiem procesów ich oczyszczania, gdy podczas rozkładu masy organicznej w ściekach przez bakterie beztlenowe żyjące pod powierzchnią ścieków wytwarzane są duże ilości siarkowodoru jako produkt uboczny procesu przemiany materii bakterii zjadających masę organiczną. Gdy siarkowodór ten przedostaje się do strefy gazowej powyżej lustra ścieków, żyjące tam bakterie tlenowe utleniają w nim siarkę, konwertując go do postaci biogennego kwasu siarkowego (rys. 1), który osiadając na powierzchniach konstrukcji betonowych zbiorników implikuje bardzo kwaśne środowisko na poziomie pH 3 lub nawet 2. Niestety, tak kwaśne środowisko powoduje korozję zarówno betonu jak i prętów stalowego zbrojenia.

Opisany powyżej stan faktyczny, odpowiadający stanowi wiedzy w tym zakresie w latach 90. ubiegłego stulecia, odzwierciedlał wytyczne w zakresie wymagań stosowania odpowiednich w tamtych czasach zabezpieczeń powłokowych konstrukcji betonowych w obrębie infrastruktury gospodarki wodno-ściekowej w Europie, celem przedłużenia ich trwałości i bezpiecznego okresu użytkowania.
Do wstępnej oceny przydatności poszczególnych materiałów powłokowych można posługiwać się badaniami laboratoryjnymi, mającymi na celu sprawdzenie parametrów wytrzymałościowych badanych materiałów w zasymulowanych warunkach środowiskowych odpowiadających tym realnym.
Z początkiem lat 90. zastały przeprowadzone szeroko zakrojone na skalę Europy badania odporności różnych typów technologii zabezpieczeń powierzchniowych betonu w sektorze gospodarki wodno-ściekowej, gdzie dla celów wstępnej oceny przydatności tych materiałów wykorzystano badania laboratoryjne z zasymulowaniem warunków środowiskowych odpowiadających tym realnym. Wnioski z przeprowadzonych badań zostały przedstawione w publikacji J. A. Redner, R. P. Hsi i E. J. Esfandi – Evaluating coatings for concrete in wastewater facilities: An update” [JPCL, grudzień 1994 r.]. Analiza badań laboratoryjnych przedstawiona w tej publikacji wykazała, że na badane 71 różnych materiałów, test ten przeszło pomyślnie tylko 21.
Co ciekawe, powłoki polimocznikowe zaliczyły ten trudny test. A takie materiały jak winyloester (którego odporność chemiczna zdaje się przewyższać odporność polimoczników) nie zdały egzaminu w tych warunkach.
Podczas tych testów nie była jednak badana bezkrytycznie tylko odporność chemiczna materiałów, ale również wpływ oddziaływania agresji chemicznej na inne ich parametry techniczne, takie jak sprężystość4 i zdolność przesklepiania rys lub przyczepność do podłoża. Badanie odporności chemicznej podczas tej analizy uwzględniało oprócz kwasu siarkowego różne kwasy organiczne, w tym także kwasy tłuszczowe, jakie również występują w ściekach. Analiza przeprowadzona na podstawie wykonanych badań pokazuje jak bardzo agresywne i korozyjne jest to środowisko jeszcze przed uwzględnieniem zmian wpływających na znaczne zmiany w tym zakresie.
Na przełomie XX i XXI wieku zaszły pewne zmiany cywilizacyjne, które drastycznie zmieniły warunki środowiskowe, w tym w sektorze budownictwa. W wyniku rozdzielenia kanalizacji ściekowej od instalacji wody deszczowej i ograniczonego zużycia wody czystej w gospodarstwach domowych przez wprowadzenie wodooszczędnych zmywarek i pralek, perlatorów kranowych5 itp., ścieki uległy znacznemu zagęszczeniu (zwiększeniu zawartości masy organicznej), co spowodowało, że poziom siarkowodoru w ściekach z 10 ppm w początku lat 90. wzrósł (rys. 2) do drastycznie wysokiego, w przedziale 100÷300 ppm, a w przypadkach hermetyzowanych bioreaktorów6 nawet do poziomu 1000 ppm.

To zjawisko spowodowało wzrost populacji bakterii tlenowych w ściekach, co skutkuje zwiększoną koncentracją kwasu siarkowego i dalszym obniżeniem pH na powierzchni konstrukcji betonowych, z pH 3 do 1 lub nawet poniżej 1. Niestety, nie jest to zjawisko chwilowe, lecz utrzymuje się długotrwale, przyśpieszając mechanizmy korozyjne betonu (rys. 3).

Zjawisko to zostało szczegółowo opisane w publikacji N. Marleni, S. Gray, A. Sharma, S. Burn i N. Muttil – Impact of Water Source Management Practices in Residential Areas on Sewer Networks – A Review [Water Science and Technology, wyd. 65, nr 4, z 2012 r.].
Wobec powyższych zmian i wzrostu agresywności chemicznej w środowisku ścieków, dziś materiały do ochrony powłokowej konstrukcji betonowych, które w latach 90. były stosowane i dobrze znosiły te warunki, ulegają uszkodzeniom (rys. 4), jakie wcześniej nie były obserwowane ponieważ nie były one w chwili ich tworzenia przewidywane do zastosowania w tak wysoce agresywnym chemicznie środowisku, jakie występuje w ściekach obecnie.

Ciekawe wnioski na temat wytycznych dotyczących doboru materiałów do wykonywania powłok ochronnych w zmieniających się warunkach ekspozycji środowiskowej w oczyszczalniach ścieków przedstawia publikacja R. Nixona [Wastewater treatment plants: Coating selection guidelines for changing exposure conditions, JPCL, maj 2001 r.], której konkluzją jest stwierdzenie, że warunki środowiskowe w ściekach wywołują utratę elastyczności różnych materiałów, co podobnie jak przy zastosowaniu sztywnych materiałów, powoduje powstawanie w powłoce rys i pęknięć umożliwiających przenikanie substancjom korozyjnych pod powłokę i degradację konstrukcji betonowej w miejscach ich wtargnięcia.
W środowisku ściekowym, oprócz odporności chemicznej na standardowe kwasy organiczne, należy brać pod uwagę dodatkowe biogenne reakcje chemiczne, które są trudne do zasymulowania w warunkach laboratoryjnych.
Optymalną metodologię badań laboratoryjnych z uwzględnieniem tego czynnika stosowano podczas testów przeprowadzanych na Uniwersytecie w Duisburgu w Instytucie Fraunhofer do badania korozji biogennej.
Metoda badania opracowana przez Instytut Fraunhofer pozwala zasymulować warunki przyśpieszonej korozji przy udziale biogennego kwasu siarkowego.
Główne wnioski z badań korozji biogenicznej na Uniwersytecie w Duisburgu są następujące:
- Beton nie jest odporny na istniejące warunki środowiskowe w gospodarce wodno-ściekowej.
- Cementowo-polimerowe zaprawy naprawcze (nawet te siarczanoodporne) w długim okresie również nie są wystarczająco odporne.
- Nawet wysoka odporność chemiczna materiału nie oznacza automatycznie wystarczającej odporności na biogenne reakcje chemiczne.
- Odporność różnych materiałów na kwasy organiczne jest zwykle bardzo ograniczona.
- Nawet dobra lub bardzo dobra odporność chemiczna bez elastyczności i zdolności przesklepiania rys powłoki ochronnej to za mało.
- A wszystkie błędy w aplikacji skutkują nałożeniem niewystarczająco grubej warstwy powłoki, która nie zabezpiecza betonu przed korozją.
Pod względem chemicznym stosunkowo łatwo jest wytworzyć materiał o wysokiej odporności chemicznej, ponieważ za odporność chemiczną materiału odpowiada bezpośrednio gęstość sieciowania struktury molekularnej materiału (rys. 5), co można dość łatwo regulować, a im większa jest ta gęstość, tym wyższa jest odporność chemiczna [J. Banera, M. Maj, A. Ubysz – Powłoki polimocznikowe w budownictwie].

Jednak gęstość sieciowania wiązań chemicznych reguluje również elastyczność materiału i im większa jest ta gęstość, tym materiał staje się sztywniejszy, a jak wspomniano już wcześniej materiał do skutecznych zabezpieczeń powłokowych obok wysokiej odporności chemicznej musi być jednocześnie elastyczny i zdolny do przesklepiania rys, ponieważ trwałość zabezpieczeń powłokowych nie wynika z samej tylko odporności chemicznej materiału, z którego zostało ono wykonane. Jeżeli materiał ten będzie nawet najbardziej odporny chemicznie, lecz będzie stanowił sztywną powłokę bez zdolności do rozciągania się i przesklepiania rys, to zacznie pękać na rysach powstających w podłożu betonowym pod wpływem jego skurczu, pozwalając przenikać substancjom agresywnym chemicznie w miejscu pęknięć pod powłokę i miejscowo degradować konstrukcję betonową.
Niestety stworzenie materiału, który łączyłby te dwie cechy jest nie lada wyzwaniem.
Metodologia badania odporności chemicznej nie jest skomplikowana. Jest ona ściśle określona przez normę PN-EN 13529, opisującą trzy standardy, oznaczone klasami od I do III.
- Klasa I – to odporność na działanie substancji chemicznej na powierzchnię materiału bez dodatkowego ciśnienia przez okres 3 dni.
- Klasa II – to odporność na działanie substancji chemicznej na powierzchnię materiału również bez dodatkowego ciśnienia przez okres 28 dni.
- Klasa III – to odporność na działanie substancji chemicznej na powierzchnię materiału z dodatkowym ciśnieniem przez okres 28 dni.
Następnie jest badana utrata twardości Bucholz’a lub Shore’a badanego materiału i jeżeli nie zmniejsza się ona więcej niż o 50%, materiał ten jest uznawany za odporny na daną substancję.
Metodologia badania zdolności przesklepiania rys jest również określona przez normy, tym razem przez Normę PN-EN 1062-7, które rozgraniczają dwa typy zdolności przesklepiania rys:
- Statycznej, inaczej mówiąc zdolność przesklepiania rys z obciążeń statycznych, która jest określana klasami Ax (tab. 1), gdzie x określa zakres szerokości rozwarcia rysy w podłożu, którą badana powłoka jest w stanie przesklepić bez pęknięcia.

- Dynamicznej (przy cyklicznym rozszerzaniu się rys i ich ponownym zwężaniu z wielokrotnym powtarzaniem się tego zjawiska). W tym przypadku jest ona określana klasami Bx (tab. 2), gdzie prócz szerokości rozwarcia rysy w podłożu jest uwzględniana liczba cykli naprzemiennego rozszerzania i zwężania rysy oraz częstotliwość powtarzania tych cykli.

Oprócz właściwości użytkowych materiałów, już po ich związaniu bardzo ważne są również ich właściwości dotyczące warunków otoczenia podczas aplikacji. Musimy pamiętać, że prace związane z wykonywaniem powłok ochronnych w obiektach sektora gospodarki wodno-ściekowej są z reguły prowadzone w bardzo trudnych warunkach. W zamkniętych pomieszczeniach, które do czasu rozpoczęcia remontu były zanurzone w wodzie (wypełnione ściekami), a więc konstrukcje te są zazwyczaj mokre, a w powietrzu panuje wysoka wilgotność, zazwyczaj przekraczająca maksymalną dopuszczalną dla prawidłowego wiązania materiałów standardowych z żywic reaktywnych7, czas na wykonanie prac jest ograniczony, a używane materiały wymagają dobrej przyczepności do podłoży, które są mokre i zanieczyszczone.
To są bardzo ważne zagadnienia, ponieważ przy zastosowaniu tradycyjnych materiałów wymagane jest zapewnienie suchego i czystego podłoża, a uzyskanie takich warunków w tak trudnym środowisku jest czasochłonne i kosztowne.
Przy rozpatrywaniu zalecanych kryteriów przy wyborze odpowiedniej technologii powłok ochronnych należy zwracać uwagę zarówno na właściwości użytkowe, czyli parametry techniczne już związanych materiałów, jak również na ich właściwości robocze podczas aplikacji, takie jak te wymienione we wspomnianej już wcześniej publikacji R. Nixona z maja 2001 r.
Kryteria dotyczące właściwości użytkowych:
- Podwyższona długoterminowa odporność na kwas siarkowy (H2SO4.).
- Niska nasiąkliwość (kapilarna absorbcja wody).
- Odporność na biogenne reakcje chemiczne.
- Optymalna przyczepność do podłoża.
- Wysoka zdolność mostkowania rys (zarówno klasy A jak i B).
- Wysoka odporność chemiczna i mechaniczna (ścieranie i uderzenia).
Kryteria dotyczące stosowania:
- Tolerancja na wilgoć przy nakładaniu i utwardzaniu.
- Łatwość uzyskania ciągłej warstwy powłoki pozbawionej porów i perforacji.
- Całkowity czas utwardzania i ograniczenia dotyczące nakładania kolejnej warstwy.
- Możliwość nakładania produktu na powierzchniach pionowych i poziomych ponad głową bez zacieków.
Przyczepność do podłoża metalowego, ponieważ w niemal każdym zbiorniku betonowym w oczyszczalniach ścieków występują elementy stalowe jako wsporniki lub mocowania do montażu urządzeń technologicznych.
Jeżeli zbierzemy wszystkie dostępne na naszym rynku typy technologii ochrony powłokowej na jednym wykresie (rys. 6), na którym uwzględnimy zarówno odporność chemiczną jak również zdolność przesklepiania rys, to zauważymy, że wzrost elastyczności (zdolności z przesklepiania rys) na ogół zmniejsza odporność chemiczną tych materiałów i zależność ta przebiega przez wykres niemalże po linii prostej.

Jeżeli podzielimy te materiały na elastyczne i sztywne, jak również na bardziej i mniej odporne chemicznie, to tych jednocześnie elastycznych i odpornych chemicznie zostanie nam zaledwie kilka.
Jeżeli dołożymy do tego tolerancję na wilgotne podłoże podczas aplikacji, to zostanie nam tylko jedna technologia spełniająca te wszystkie wymagania, a mianowicie XOLUTEC.
Technologia XOLUTEC to elastomery nowej generacji, które dzięki zastosowaniu systemu wzajemnie przenikających się krzyżowo wiązań chemicznych łączą właściwości wymagane obecnie w środowisku ścieków, takie jak wysoka odporność chemiczna, bardzo dobra zdolność przesklepiania rys i dodatkowo wysoka tolerancja na wilgoć w podłożu podczas aplikacji.
XOLUTEC tworzy kombinację wszystkich właściwości wymaganych przy wyborze materiału do zastosowania w opisywanym właśnie środowisku ściekowym zgodnie z wymienionymi zaleceniami w publikowanych wytycznych przez R. Nixona:
- Po pierwsze wyróżnia ją wysoka odporność na kwas siarkowy i kwasy organiczne.
- Po drugie posiada wysoką zdolność przesklepiania rys, aż do 0,7 mm rozwarcia rysy.
- Dodatkowo posiada specyficzną odporność na korozję biologiczną wywołaną przez bakterie.
- Jest wysoce odporna na obciążenia mechaniczne, takie jak ścieranie i uderzanie, a także wywiązuje bardzo dużą przyczepność do podłoża betonowego.
- Charakteryzuje się bardzo niską nasiąkliwością, na poziomie 0,0005 kg/m2/h0,5, zgodnie z Normą PN–EN 1062-3, gdzie wymagane jest < 0,1 kg/m2/h0,5.
To jest tylko część właściwości dotyczących parametrów technicznych materiału po związaniu, czyli właściwości użytkowych. Druga część, dotycząca właściwości materiału podczas aplikacji, to:
- System posiada wysoką tolerancję na wilgotność podłoża podczas aplikacji i utwardzania (wymaga jedynie optycznej oceny bez konieczności badania wartości wilgoci resztkowej w betonie).
- Może być aplikowany za pomocą wałka lub maszynowo za pomocą natrysku, co pozwala wykonać ciągłą powłokę bez perforacji na pionowych powierzchniach ścian i na suficie.
- Ma krótki czas utwardzania nawet w niskich temperaturach i wysoką przyczepność do podłoży stalowych.
Wybór tej technologii pozwala skrócić czas potrzebny na przeprowadzenie prac renowacyjnych zbiornika w porównaniu z innymi materiałami, a tym samym zredukować koszty wynikające z przestoju, czyli wyłączenia zbiornika z eksploatacji, ponieważ dzięki wysokiej tolerancji na wilgotność podłoża nie ma konieczności czekania do jego całkowitego wyschnięcia, a dzięki możliwości aplikacji natryskowej i krótkiemu czasowi utwardzania się materiałów, całą aplikację systemu (tj. gruntowania i nakładania powłoki głównej) można wykonać zaledwie w ciągu 24 godzin, by po kolejnych 24 godzinach utwardzania napełnić już zbiornik wodą i przywrócić go do użytkowania. Dzięki temu zastosowanie technologii tego typu daje możliwość szybkiego przywrócenia remontowanego zbiornika do eksploatacji.
Wysoka tolerancja na wilgotność podłoża podczas aplikacji nie tylko skraca czas potrzebny na przeprowadzenie prac, ale również zmniejsza ryzyko delaminacji8 powłoki od podłoża w okresie późniejszego użytkowania, które jest bardzo wysokie przy stosowaniu standardowych materiałów w skrajnych warunkach wilgotnościowych.
Zastosowanie w takiej sytuacji materiałów powłokowych na bazie technologii XOLUTEC obniża ryzyko niepowodzenia inwestycji i ewentualnych poprawek po skończonej aplikacji, bez których nie można rozpocząć użytkowania wyremontowanego zbiornika.
Nie bez znaczenia jest również fakt, że związku z wyjątkową trwałością systemów powłokowych opartych na bazie chemicznej XOLUTEC, zastosowanie tego typu systemu w praktyce redukuje koszty eksploatacji, ograniczając konieczność napraw i wydłużając cykle okresów po między kolejnymi renowacjami.
Receptura bazy chemicznej oznaczonej nazwą XOLUTEC została opracowana specjalnie z myślą o przeznaczeniu do stosowania w materiałach i systemach do ochrony powłokowej konstrukcji betonowych w obrębie infrastruktury gospodarki wodno-ściekowej, uwzględniając aktualne warunki ekspozycji środowiskowej, a materiały na bazie tej technologii nadają się do zastosowań we wszystkich rodzajach zbiorników w oczyszczalniach ścieków, takich jak osadniki, zbiorniki fermentacji wstępnej, zlewnie, piaskowniki, przepompownie, bioreaktory czy zbiorniki zagęszczania osadów, ponieważ przy jej tworzeniu zostały uwzględnione wszystkie wymagania i zagrożenia wynikające z skrajnie trudnych warunków ekspozycji środowiskowej, jaka panuje w ściekach zgodnie z najnowszym i aktualnym stanem wiedzy, a trwałość materiałów na bazie technologii XOLUTEC potwierdzono w wielomiesięcznych testach przyśpieszonej korozji biogennej prowadzonych w Instytucie Fraunhofer w Duisburgu i w naturalnych warunkach ściekowych w wielu oczyszczalniach ścieków na całym świecie (rys. 7).



Przypisy
1 Abrazja [łac. abrasio – ‘zeskrobywanie’] – proces geologiczny, będący jednym z głównych czynników erozji, polegający na ścieraniu podłoża skalnego przez luźny materiał skalny (głazy, okruchy), ustawicznie przemieszczany przez prąd rzeczny, prądy wody.
2 Według Polskiej Normy, kawitacja jest zjawiskiem wywołanym zmiennym polem ciśnień cieczy, polegającym na tworzeniu się, powiększaniu i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern), zawierających parę danej cieczy, gaz lub mieszaninę parowo-gazową. Jest to zespół zjawisk w którym następuje zamiana wody w bąble pary wodnej,spowodowana miejscowym zmniejszeniem ciśnienia lub zwiększeniem temperatury.
3 Odwrotność eksplozji, czyli zapadanie, nagłe kurczenie się przestrzeni, powoduje wytworzenie niszczącej energii/fali uderzeniowej. Lokalne zmiany ciśnienia przekraczają ciśnienie płynu kilkaset razy i mogą powodować niszczenie dowolnego materiału.
4 Pojęcie sprężystości jest ścisłe w stosunku do materiałów konstrukcyjnych i jest najczęściej rozumiane jako odkształcenie wiązań międzyatomowych. Siła oddziaływuje na wiązania elektrostatyczne między atomami, powodując wzrost energii potencjalnej, a po odjęciu siły atomy te wracają do pierwotnego stanu równowagi. W przypadku materiałów uznawanych za tak zwane sprężyste, jak na przykład stal, odkształcenia te wynoszą do kilku dziesiątych procenta. W przypadku elastomerów natura tych odkształceń jest jednak odmienna. Odkształcenia wynikają z rozprostowywania zwartych łańcuchów makrocząsteczek. To prostowanie się łańcuchów nie jest związane ze wzajemnym przemieszczaniem się atomów, nie następuje więc „wydłużenie” wiązań między nimi. Wydłużanie materiału, spowodowane na przykład działaniem siły, prowadzi do zmniejszania się entropii. Towarzyszy Gdy siła przestanie działać, entropia wzrasta (materiał pobiera energię cieplną) i materiał przyjmuje pierwotną długość. Wydłużenia materiału mogą w tym przypadku być nawet wielokrotnościami wymiarów pierwotnych. Należy jednak zwrócić uwagę, że po odciążeniu większość materiałów wykazuje relatywnie duże odkształcenia trwałe i czas „powrotu” do pierwotnych wymiarów jest znacznie wolniejszy. Jest to efekt właściwości określanej jako lepkosprężystość.
5 Zamocowana na końcu wylewki baterii/kranu siatka o drobnych oczkach napowietrza wodę i dzięki temu ogranicza jej zużycie nawet o kilkadziesiąt procent. Na wypływającą z kranu wodę wywierane jest podciśnienie, dzięki któremu zasysane powietrze miesza się z nią, ograniczając jednocześnie jej ilość wypływającą z baterii przy niezmiennej sile strumienia wody.
6 Szczelne zadaszanie zbiorników celem złagodzenia uciążliwości wynikających z nieprzyjemnego zapachu unoszącego się do atmosfery siarkowodoru dla okolicznych mieszkańców.
7 Substancje o konsystencji płynnej, wytworzone na drodze polimeryzacji, polikondensacji lub poliaddycji, będące mieszaninami prepolimerów zawierających reaktywne grupy funkcyjne, które umożliwiają dalsze prowadzenie polireakcji bądź sieciowania skutkującego zmianą stanu skupienia w ciało stałe.
8 Odspajanie się powłoki od podłoża.
Janusz Banera
BASF – Master Builders Solutions, Dyrektor Techniczny
tel. +48 600 257 657 e-mail: janusz.banera@mbcc-group.com