混凝土微生物腐蚀防治研究现状和展望

混凝土微生物腐蚀防治研究现状和展望

摘要：介绍了混凝土微生物腐蚀的危害，结合混凝土微生物腐蚀的作用机理，分析了国内外混凝土微生物腐蚀防治措施的研究现状和存在的问题，并展望了未来的发展趋势。

关键词：混凝土；微生物腐蚀；防治措施；研究现状

0引言

微生物腐蚀导致混凝土表面污损、表层疏松、砂浆脱落、骨料外露，严重时产生开裂和钢筋锈蚀，使污水处理设施服役寿命缩短，这不仅影响城市的整体功能，而且还导致严重的经济损失。据统计[1] ，德国建筑材料的破坏中微生物腐蚀所占份额约为10% ～20%，20 世纪70 年代，仅汉堡市污水管道系统因微生物腐蚀造成的维修费用就高达 5 000 万马克。美国洛杉矶市一条总长 1 900 km 的混凝土污水管道，其中208 km 已遭到微生物腐蚀破坏，修复费用高达4 亿美元。而全美现有8. 0 ×105 km 的混凝土污水管道需要修复或完全更换。《中国工业与自然环境腐蚀问题调查与对策》的调研结果表明[2] ，腐蚀给我国国民经济造成的年损失高达4 979 亿元以上，材料的自然环境腐蚀占总损失的80% 以上，大多是自然环境中化学、物理和微生物等多种因素共同作用的结果。对国内污水处理设施的调研结果发现[3] ，由于缺乏足够的认识和有效的防治措施，现有大量污水处理设施已遭到严重的腐蚀破坏，无法达到设计使用年限，一些新投入运行的污水处理工程，短期内也已产生明显的腐蚀现象。

欧美国家很早就对混凝土的微生物腐蚀问题给予了足够重视，而国内这方面的研究相对较少。

1腐蚀机理

1945 年，C. Parker[4] 发现，污水环境下混凝土的失效与微生物的新陈代谢作用有关，硫氧化菌、硫杆菌和噬砼菌3种细菌的生存代谢生成生物硫酸导致混凝土腐蚀，通过分析提出了混凝土微生物腐蚀的作用机理[5] :在厌氧环境下，硫酸盐还原细菌将管道底部硫酸盐或有机硫还原为H2 S，H2 S进入管道未充水空间；在好氧环境下，硫氧化细菌将其氧化为生物硫酸，硫酸渗入混凝土，与混凝土中Ca (OH) 2反应生成石膏，由此导致水泥水化物(CSH)分解，生成不溶性且

无胶结作用的SiO2 胶体，石膏则与混凝土中C3A 的水化物进一步反应生成钙矾石，钙矾石生成时伴随体积膨胀，导致混凝土开裂，从而加剧混凝土管壁的腐蚀破坏。因此，只有在好氧环境下，H2S被硫氧化细菌氧化为生物硫酸，才会对混凝土产生强烈的腐蚀作用。

近年来研究发现：污水中混凝土的腐蚀与许多微生物菌种的生存代谢有关，硝化细菌能够通过对胺的硝化作用生成硝酸，同样会导致CSH 分解破坏，使混凝土遭受酸腐蚀[6] ；污水中有多种硫氧化细菌存在，按其适宜生长的环境可分为嗜中性硫氧化细菌(NOSM )和嗜酸性硫氧化细菌(AOSM )两大类，嗜中菌能够在较高pH 值环境下生长，使混凝土表面pH 值降至4～5，此时，嗜酸菌以嗜中菌的代谢产物作为营养物质，大量繁殖产酸，进一步降低pH 值使混凝土遭受严重腐蚀[7] ；嗜中性硫氧化细菌只在混凝土表面大量生长繁殖，而嗜酸性硫氧化细菌则能与代谢生成的生物硫酸一起渗入混凝土，并进一步代谢产酸使混凝土内部遭受腐蚀[8] ；污水中的异氧真菌能够在很宽的pH 值范围内分解有机含硫物质，为硫氧化细菌生长提供营养，加速其产酸代谢，从而加快腐蚀进程[9] ；即使在厌氧条件下，混凝土也会产生严重腐蚀[10] ，这可能与厌氧微生物代谢生成的草酸、乙酸、丙酸等有机酸以及碳酸有关[11] ，其腐蚀机理可能在于有机酸与钙离子形成可溶性螯合物，导致CSH 的分解，并丧失胶结能力[12 ] 。

生物酸对混凝土的腐蚀不同于纯酸。微生物需在混凝土表面附着，然后进行繁殖代谢形成生物膜，进而对混凝土产生腐蚀。生物膜的形成与细菌种类、混凝土材料组成和表面特性、溶液化学性质等因素有关，膜中pH 值、微生物的种类和数量因环境不同而有差异，生物膜控制传质过程，对微生物腐蚀进程产生影响[13 ] 。当前，混凝土表面生物膜对腐蚀动力学的影响尚缺乏研究，但嗜酸性的微生物可在混凝土生物膜内保持活性并大量繁殖[14] ，材料表面生物膜对膜内微生物具有保护作用[ 15 ] 。因此，生物膜对混凝土的微生物腐蚀具有重要影响，生物酸对混凝土的腐蚀作用远大于化学纯酸，生物膜内微生物的高度繁殖代谢及向混凝土内部穴居，使混凝土内部直接遭受腐蚀[16 ] 。

2防治措施

目前，混凝土微生物腐蚀防治措施的研究建立在对腐蚀机理基本认识的基础

上，即硫氧化细菌将H2 S氧化为生物硫酸是混凝土遭受腐蚀的主要原因。理论上提高胶凝材料的抗硫酸侵蚀性能、控制腐蚀传质过程、抑制或减少生物硫酸的生成都能缓解混凝土的微生物腐蚀。因此，防治措施主要包括混凝土改性、表面涂层保护和生物灭杀技术3大类。

2. 1混凝土改性

混凝土改性包括提高混凝土抗酸、抗渗和抗裂性能。提高混凝土抗酸性能的主要目的是改变胶凝材料的组成和结构，增强混凝土的抗中性化性能或减缓酸腐蚀进程。提高混凝土的抗渗性能主要目的在于防止生物硫酸向混凝土内部的渗透，从而延缓混凝土的中性化和强度的衰减。提高混凝土的抗裂性能主要目的在于控制微生物腐蚀产物钙矾石膨胀所导致的裂缝扩展，从而延缓腐蚀介质和产物在混凝土内部的传质过程，降低混凝土的失效速度。

2. 1. 1 胶凝材料选择

胶凝材料选择包括水泥品种选择和矿物掺合料的选用。采用不同的胶凝材料，水化物的组成结构不同，腐蚀产物和混凝土抗渗性将发生变化，导致混凝土抗酸性能的差异，此外，混凝土的抗酸性能还与酸的种类有关。

对硝酸和醋酸溶液作为腐蚀介质的研究表明[17] ，不同类型胶凝材料抗酸性为:粉煤灰2石灰胶凝材料>碱矿渣>硅酸盐>高铝+石膏+石灰混合物，其原因在于CSH 的酸腐蚀产物不溶性SiO2 胶体覆盖于未腐蚀部分表面，对进一步的腐蚀具有减缓作用，而钙矾石则在酸中很快溶解，不具备减缓能力。低Ca /Si 比的CSH 分解后形成更密实的不溶性SiO2 胶体，因此表现出更好的抗酸性能。但所有胶凝材料都根本无法抵御醋酸的腐蚀，这可能与有机酸较强的缓冲作用有关。

混凝土中掺加硅粉、粉煤灰和矿粉等矿粉掺合料时，可降低CSH 的Ca /Si 比，同时火山灰反应消耗了Ca (OH) 2，减少了石膏的生成量，从而可减少钙矾石生成导致的膨胀破坏，而火山灰反应产生的界面效应则改善了骨料2水泥石界面过渡区，提高了混凝土的抗渗性能。因此掺加矿物掺合料的混凝土理论上应具有较强的抗微生物腐蚀性能，美国、日本都有类似的专利技术报道[18 ] 。但以稀硫酸(2% ～3% )为介质的腐蚀试验结果表明[19] ，硅酸盐水泥、硅酸盐水泥+硅粉、硅酸盐水泥+粉煤灰、抗硫酸盐硅酸盐水泥4者的抗硫酸腐蚀性能并无显