Beton to jeden z najpopularniejszych materiałów budowlanych. Modyfikacja domieszkami i dodatkami wpływa na jego trwałość. Jedną z odpowiedzi betonu na działanie środowiska zewnętrznego jest biodeterioracja, tzn. niszczenie materiału spowodowane obecnością mikroorganizmów oraz ich produktów metabolizmu.
Współczesna inżynieria materiałów budowlanych ma na celu opracowanie materiałów o podwyższonej trwałości, których zastosowanie zmniejszyłoby częstotliwość niezbędnych napraw konstrukcji betonowych. Poszukuje się również rozwiązań materiałowych i technologicznych, które ułatwiłyby sam proces naprawy. Zarówno stosowane już materiały naprawcze, jak i koncepcje nowych materiałów zdolnych do samonaprawy oparte są na kompozytach cementowo-polimerowych. Polimery należą do materiałów odpornych na czynniki chemiczne, jednak ich odporność mikrobiologiczna jest różna. Na przykład wszystkie poliolefiny mogą sprzyjać wzrostowi grzybów, jeśli zawierają oligomery o krótkim łańcuchu o masie cząsteczkowej poniżej 500. Dla poliestrów próg degradacji mikrobiologicznej ma masę cząsteczkową 60 000. W ostatnich latach wykazano, że poliuretany zawierające poliestry są bardziej podatne na degradację mikrobiologiczną niż polieteropoliuretany [1, 2].
Fot. © Janusz – stock.adobe.com
Prowadzone badania i literatura [3, 4, 5] dotyczące korozji materiałów z modyfikatorami polimerowymi stymulowanej przez mikroorganizmy są niejednoznaczne, a nawet sprzeczne. Wykazano w nich korzystną rolę polimerów, polegającą głównie na doszczelnianiu struktury tworzyw [6], jak też zwiększony rozwój biokorozji związanej z materiałem organicznym jako źródłem pożywienia zwłaszcza grzybów i grzybów pleśni zasiedlających tworzywa w sprzyjających warunkach (wysoka wilgotność, temperatura). Wiele konstrukcji betonowych narażonych jest na działanie mikroorganizmów. Należą do nich konstrukcje podziemne, systemy kanalizacyjne, konstrukcje morskie i systemy oczyszczania ścieków oraz konstrukcje naziemne [7]. Procesy niszczenia materiałów, stymulowane aktywnością organizmów, definiowane są jako biodeterioracja. Biodeterioracja została zdefiniowana jako: „każda niepożądana zmiana właściwości materiału spowodowana czynnościami życiowymi organizmów” oraz „proces, w którym czynniki biologiczne (tj. żywe organizmy) są przyczyną strukturalnego obniżenia jakości lub wartości” [8]. Zwykle jest określana jako korozja wzbudzona przez mikroorganizmy.
Zobacz:
Pręty do zbrojenia betonu z nowej stali B600B
Domieszki chemiczne do betonów
Technologia betonów o podwyższonej szczelności
Mechanizmy korozji biologicznej
Mechanizmy zniszczenia w biodeterioracji zostały sklasyfikowane w czterech grupach. Do pierwszego typu mechanizmu należą procesy mechaniczne, w których materiał ulega uszkodzeniu w wyniku bezpośredniego działania organizmu. Przykładem są uszkodzenia kabli elektrycznych, spowodowane przez owady, gryzonie lub rośliny. Drugi typ wyznaczają procesy chemicznej asymilacyjnej biodeterioracji, które występują, gdy materiał jest degradowany z powodu swojej wartości odżywczej. Typowym przykładem jest rozkład celulozy przez mikroorganizmy celulolityczne. Ten rodzaj procesów występuje najczęściej. Wymienne nazwy to biodegradacja lub rozkład enzymatyczny. Trzeci rodzaj mechanizmu związany jest z chemiczną dysymilacyjną biodeterioracją, która występuje, gdy metabolity mikroorganizmów uszkadzają materiał, powodując zjawisko korozji chemicznej, pigmentację lub wydzielenie toksycznych metabolitów do materiału. Najlepszym przykładem jest mikrobiologiczna korozja betonu i metali. Synonimami tej korozji jest biodeterioracja, korozja biologiczna i biokorozja. Ostatni rodzaj mechanizmu związany jest z obrastaniem powierzchni materiałów przez organizmy żywe, tzw. biofouling. Występuje, gdy sama obecność mikroorganizmu lub jego wydzieliny stają się niepożądane dla materiału i jego właściwości. Przykładem jest wytwarzanie biofilmu, a skutkiem obrastanie powierzchni kadłubów statków przez zróżnicowaną grupę organizmów morskich [9]. W przypadku grzybów strzępkowych lub bakterii działających jako czynniki korozyjne na materiały techniczne ważną rolę odgrywają dwa mechanizmy, a mianowicie: biologiczny rozkład oraz korozja wzbudzona przez mikroorganizmy. Rodzaj mechanizmu uzależniony jest od składu materiału technicznego (tab.) [10]. Generalnie materiały zawierające związki organiczne ulegają rozkładowi enzymatycznemu. Natomiast pozostałe (o składzie mineralnym, nieorganicznym) ulegają korozji wzbudzonej przez mikroorganizmy i ewentualnemu obrastaniu powierzchni.
Tab. Wybrane materiały techniczne, które ulegają rozkładowi lub korozji mikrobiologicznej [10]
Biodeterioracja tworzyw cementowych
Nowy/świeży beton ma bardzo wysoki zasadowy odczyn (pH 11–12), co zapewnia mu naturalną ochronę przed korozją spowodowaną rozwojem drobnoustrojów. Taki poziom jest wynikiem powstawania w trakcie hydratacji krzemianów w spoiwie cementowym, wodorotlenku wapnia (Ca(OH)2). Z jednej strony tworzący się wodorotlenek nadaje trwałość tworzywom cementowym, jednak z drugiej jest najbardziej reaktywnym składnikiem, od którego rozpoczyna się większość korozji betonu. Z biegiem czasu zachodzi zobojętnianie powierzchni betonu w wyniku karbonatyzacji oraz naturalne starzenie się tworzyw mineralnych. Następuje osadzanie się zanieczyszczeń na powierzchni, działanie erozyjne wody, tarcie elementów konstrukcyjnych z innymi materiałami doprowadzające do zwiększenia chropowatości powierzchni betonu [11], a to tworzy miejsca/nisze, w których mogą się rozwijać mikroorganizmy. Może dochodzić do rozwoju mikroorganizmów pierwotnych (bakterii autotroficznych). Kiedy pH obniży się do obojętnego, tworzą się wówczas warunki do dalszej kolonizacji drobnoustrojów przez organizmy neutrofilne i/lub kwasolubne. Sprzyja to rozwojowi czynników heterotroficznych, takich jak grzyby strzępkowe [12, 13]. Dokładając do tego dostępność wilgoci i składników odżywczych, rozpoczyna się kolonizacja drobnoustrojów na powierzchniach betonowych. Gdy mikroorganizmy osiedlą się na powierzchni, tworzą biofilm [14], po którym następuje biodegradacja chemiczna betonu. Biodeterioracja betonu spowodowana jest głównie przez bakterie, grzyby, szczególnie strzępkowe, glony i porosty [15]. Biodeterioracja konstrukcji betonowych wywołana jest przez mikroorganizmy rozwijające się w pobliżu materiałów na bazie spoiwa cementowego. Na powierzchni samego betonu mikroorganizmy nie są w stanie się rozwijać. Chyba że są one pokryte powłokami organicznymi, typu farba, tapeta itp. lub zanieczyszczeniami lub po zobojętnieniu pH powierzchni. Powierzchnie betonowe niszczone są przez samą obecność mikroorganizmów, a także przez wydzielanie produktów ich metabolizmu. Produkty metabolizmu, tzn. biogenne kwasy organiczne (octowy, mlekowy, masłowy itp.), tlenek węgla (IV), oraz kwas nieorganiczny (np. siarkowodorowy) są wyjątkowo korozyjne w stosunku do betonu.
Wiele czynników wpływa na rozwój mikroorganizmów. Należą do nich:
- podwyższona wilgotność względna, 60–98%,
- temperatura otoczenia około 25–30°C,
- długie cykle nawilżania i suszenia,
- długie cykle zamrażania i rozmrażania,
- wysokie stężenie dwutlenku węgla (np. karbonatyzacja w atmosferze miejskiej),
- wysokie stężenie jonów chlorkowych lub innych soli (np. środowiska morskie),
- wysokie stężenia siarczanów,
- małe ilości kwasów (np. rury kanalizacyjne lub oczyszczalnie ścieków).
Skutki biodeterioracji
Mikroorganizmy mogą wnikać do wnętrza matrycy betonowej, nawet jeśli w betonie nie ma widocznych pęknięć [16]. Najczęstszym mechanizmem ich wnikania są mikropęknięcia lub pory w betonie. Wiele mikroorganizmów, takich jak grzyby, np. Cladosporium, i ich części budowy, takie jak grzybnie czy strzępki, bakterie, m.in. promieniowce, Thiobacillus, glony, a nawet pierwotniaki wnikają do wnętrza betonowej matrycy. Konsekwencje występowania mikroorganizmów w mikrostrukturze są różne. Ich obecność oraz działalność produktów metabolizmu zwiększa porowatość betonu, co z kolei może zmieniać dyfuzyjność betonu [16]. Wyższa porowatość może prowadzić do większego zużycia/zniszczenia powierzchni. Beton od powierzchni może być rozpuszczany w wyniku reakcji chemicznych między produktami metabolizmu mikroorganizmów a składnikami betonu. Kolejnym skutkiem wynikającym z działalności produktów metabolizmu jest zmniejszenie grubości otuliny zbrojenia. Wyższa dyfuzyjność i zmniejszona otulina zbrojenia mogą ułatwić korozję zbrojenia.
Biowrażliwość materiałów budowlanych
Podatność materiału na kolonizację przez mikroorganizmy opiera się na jego swoistych właściwościach. Zostały one zdefiniowane jako biowrażliwość, czyli podatność na kolonizację biologiczną [17]. Można wyróżnić trzy grupy: pierwotną biowrażliwość, spowodowaną wewnętrzną budową materiału; drugorzędną (wtórną), spowodowaną zdolnością materiału zmienionego z czasem przez czynniki fizyczne i chemiczne; trzeciorzędną biowrażliwość, która jest czynnikiem biologicznej kolonizacji materiału zmienionego przez ludzką rękę (np. po środkach ochronnych lub konserwacji) [18]. Każda z tych grup może razem lub osobno wywoływać na biodegradację mineralnych materiałów budowlanych. Mineralne materiały i tworzywa budowlane początkowo są trudne do zasiedlenia przez drobnoustroje ze względu na odczyn powierzchni, jednak z czasem zostają zasiedlone przez biologiczne czynniki korodujące.
dr hab. inż. Elżbieta Stanaszek-Tomal, prof. PK
Wydział Inżynierii Lądowej, Politechnika Krakowska
Bibliografia
1. R. W. Lenz, Biodegradable Polymers [w:] „Advances in polymer science”, Springer-Verlag, Vol. 107, Berlin 1993.
2. R. Narayan, Biodegradation of polymeric materials (anthropogenic macromolecules) during composting [w:] Hoitinik H.A.J., Keener H.M. (eds.), Science and Engineering of Composting: Design, Environmental, Microbiological and Utilization Aspects, Renaissance Publishers, Washington 1993.
3. E. Stanaszek-Tomal, Korozja biologiczna kompozytów z matrycą mineralną, Wyd. PK, Kraków, 2020.
4. M. Fiertak, E. Stanaszek-Tomal, Biological corrosion of polymer-modified cement bound materials exposed to activated sludge in sewage treatment plants, Procedia Engineering 65(2), 2013.
5. F. Gu Jid Fordb, N.S. Berke, R. Mitchell, Biodeterioration of concrete by the fungus Fusarium, International Biodeterioration and Biodegradation 41(2), 1998.
6. R. P. George, S. Ramya, D. Ramachandran, U. Kamachi Mudali, Studies on Biodegradation of normal concrete surfaces by fungus Fusarium sp., „Cement and Concrete Research”, 47(2)/2013.
7. E. Vincke, N. Boon, W. Verstraete, Analysis of the microbial communities on corroded concrete sewer pipes-a case study, Appl Microbiol Biotechnol 57, 2001.
8. A. H. Rose, Microbial Biodeterioration, Economic Microbiology 6. Academic Press, London. 1981.
9. B. Zyska, Rozkład i korozja mikrobiologiczna materiałów technicznych, I Ogólnokrajowa Konferencja Naukowa „Rozkład i korozja mikrobiologiczna materiałów technicznych”, Politechnika Łódzka, Łódź 2000.
10. B. Gutarowska, Niszczenie materiałów technicznych przez drobnoustroje, LAB Laboratoria, Aparatura, Badania, R. 18, nr 2/2013.
11. M. Ribas-Silva, Study of biological degradation applied to concrete, Proc., Transactions of 13th Int. Conf. on Structural Mechanics in Reactor Technology-SMiRT, Univ. Federal do Rio Grande do Sul, Porto Alegre, Brazil, 1995.
12. M.Falkiewicz-Dulik, K. Janda, G. Wypych, Handbook of material biodegradation, biodeterioration, and biostabilization, ChemTec Publishing, Toronto 2010.
13. Th.Warscheid, J. Braams, Biodeterioration of stone: a review, „International Biodeterioration & Biodegradation”, nr 46/2000.
14. W.S. Domingo, R.P. Revetta, B. Iker, V. Gomez-Alvarez, J. Garcia, Sullivan, J. Weast, Molecular survey of concrete sewer biofilm microbial communities, „Biofoluing”, 27/2011.
15. R. Javaherdashti, M. Setareh, Evaluation of sessile microorganisms in pipelines and cooling towers of some Iranian industries, J Mater Eng Perform 15, 2006.
16. M. Sanchez-Silva, D. Rosowsky, Biodeterioration of construction materials: state of the art and future challenges, J Mater Civil Eng 20, 2008.
17. A.A. Gorbushina, D.V. Vlasov, Biodiversity of rock dwelling poikilotroph fungal communities with decreasing nutrient content of the habitat, Sixty International Mycological Congress, Jerusalem, 1998.
18. Th. Tran, A. Govin, R. Guyonnet, P. Grosseau, Ch. Lors et al., Influence of the intrinsic characteristics of mortars on biofouling by Klebsormidium flaccidum, „International Biodeterioration & Biodegradation”, Vol. 70, 2012.
Polecamy: Produkty budowlane
