ФОРМИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Дашко Р. Э.¹, Зайдуллина Л. М.²

¹Доктор геолого-минералогических наук, ²Аспирант, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный»

ФОРМИРОВАНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СРЕДЫ В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ РАЗРЕЗА ПОДЗЕМНОГО ПРОСТРАНСТВА САНКТ-ПЕТЕРБУРГА

Аннотация

В статье приведены особенности верхней части инженерно-геологического разреза подземного пространства Санкт-Петербурга, где проложены трубы системы водоотведения с учетом факторов загрязнения грунтов и подземных вод различными органическими и неорганическими соединениями природного и техногенного генезиса. Особо выделена деятельность подземной микробиоты по отношению к конструкционным материалам (бетон и металлы).

Ключевые слова: песчано-глинистые грунты, подземное пространство, загрязнение, подземные воды, микроорганизмы, конструкционные материалы, биокоррозия.

Dashko R. E.¹, Zaydullina L. M.²

¹Doctor in Geology and Mineralogy Sciences, ²Postgraduate student, National Mineral Resourses University «Mining»

FORMATION OF CORROSIVE ENVIRONMENT IN THE UPPER SECTION OF UNDERGROUND SPACE OF ST. PETERSBURG

Abstract

The article the features of the top of the engineering-geological section of the underground space of St. Petersburg, where the laid pipe water disposal system taking into account the factors of contamination of soils and groundwater with various organic and inorganic compounds of natural and anthropogenic origin are presented. The activities of the underground microbiota in relation to construction materials (concrete and metals) is highlighted.

Keywords: sandy-clayey soils, underground space, contamination, underground water, microorganisms, construction materials, biocorrosion.

Современные тенденции развития мегаполисов предполагают интенсивное освоение подземной среды с целью размещения коммуникаций различного назначения.

Подземное пространство Санкт-Петербурга представляет собой двухэтажное строение: фундамент и осадочный чехол. В разрезе последнего выделяют две толщи отложений – верхнюю и нижнюю.

В верхней толще подземного пространства Санкт-Петербурга были проложены системы водоотведения неглубокого заложения (обычно в зоне аэрации), водопроводные сети и теплоцентрали, а также канализационные коллекторы средней глубины заложения (60-70 годы XX века) [2].

Согласно архивным данным, в Санкт-Петербурге подземные трубопроводы начали укладывать еще при Петре I. Создавалась сеть водоотводных, укрепленных досками канав, проводимых вдоль улиц, в отдельных местах для стока воды прокладывались трубы.

В годы Первой мировой войны строились кирпичные и бетонные резервуары-коллекторы, бетонные трубы. Позже основным материалом для строительства канализационных труб служили чугун, сталь, керамика, имеющие различные сроки эксплуатации, не превышающие 50 лет. На сегодняшний день материал труб канализационных сетей и тоннельных коллекторов – в основном железобетон и бетон, реже черные металлы, при капитальном ремонте используются трубы из современных синтетических материалов. На основе постоянного контроля канализационных сетей, проводимого ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга», определено, что 1200 км сетей находятся в неудовлетворительном состоянии и требуют незамедлительного ремонта, из них 130 км признаны находящимися в критическом состоянии, т.е. необходима их срочная замена.

Региональная канализационная система в Санкт-Петербурге, пройденная в 1935 г. в пределах исторического центра на Васильевском острове, представляет собой, в основном, трубопроводы неглубокого заложения (h≤3 м), поэтому наибольший интерес для оценки эксплуатационной надежности инженерных коммуникаций представляют песчано-глинистые грунты верхней части разреза.

Обычно вмещающей средой систем водоотведения малой и средней глубины заложения служат относительно молодые четвертичные водонасыщенные песчано-глинистые отложения: техногенные грунты (tIV) – супеси и суглинки с включением строительного мусора, болотные отложения (торфа (bIV)), озерно-морские (литориновые, l,m IV) разности, представленные в основном мелкозернистыми/пылеватыми песками, реже супесями и суглинками [7]. Озерно-морские отложения подстилают озерно-ледниковые (lgIII) разности – суглинки и глины с прослоями песка пылеватого, на отдельных участках на дневную поверхность выходит морена осташковского горизонта (gIII) (Рис.1).

Рис. 1 – Схематический геолого-литологический разрез погребенной долины с элементами гидрогеологии [2]

В зависимости от глубины прокладки канализационных труб можно выделить несколько типовых разрезов (Рис.2): а - система пройдена в загрязненных техногенных грунтах, представленных песками и супесями с включением строительного мусора и органических остатков, подстилаемые озерно-морскими разностями, в верхней части которых присутствуют болотные отложения; б - трубопроводы заложены в озерно-морских водонасыщенных песках, перекрытых техногенными грунтами; в - инженерные коммуникации приурочены к озерно-морским песчано-глинистым отложениям, залегающим непосредственно под болотами.

Дисперсные грунты озерно-морского генезиса в историческом центре Санкт-Петербурга - водонасыщенные, слабые и неустойчивые разности, обогащены органическим веществом природного и техногенного генезиса и формируют высокую агрессивность подземной среды по отношению к материалам канализационных труб (бетон, железобетон, металлы и др.).

Рис. 2 – Типовые разрезы размещения канализационных труб в пределах исторического центра Санкт-Петербурга

Наибольшее значение для безопасного функционирования канализационных труб неглубокого заложения имеют подземные воды, прежде всего, грунтовый водоносный горизонт, поскольку его уровень залегает в пределах глубин от 0,1 до 3,5 м. Водоносный горизонт грунтовых вод на территории Санкт-Петербурга имеет региональное распространение, приурочен к грунтам техногенного генезиса (насыпным и намывным), современным отложениям болот, литориновым (озерно-морским) пескам и супесям, озерно-ледниковым разностям верхнечетвертичного возраста, а также развитым песчаным линзам лужской стадии оледенения. Относительным водоупором горизонта служат валунные суглинки лужской морены. Мощность водоносного горизонта может превышать 10 м и достигать 15-20 м [4].

На площади города водоносный горизонт повсеместно загрязнен за счет поступления контаминантов различной природы (жидкая фаза свалок, утечки из инженерных сетей, нефтяные углеводороды и др.). Минерализация воды на загрязненных территориях обычно более 1 г/дм³, в отдельных случаях может достигать 3-5 г/дм³. В химическом составе загрязненных грунтовых вод часто отмечается повышенное содержание хлоридов, сульфатов, аммония, органических компонентов, а также углекислоты, что необходимо учитывать при оценке их агрессивности по отношению к конструкционным материалам канализационных систем неглубокого заложения.

Кроме того, динамика формирования и изменения состава грунтовых вод и грунтов определяется не только хозяйственным освоением, но и природными факторами. Наличие болотных отложений в разрезе Санкт-Петербурга оказывает воздействие на подстилающие грунты, обогащая их органическими компонентами, а также микроорганизмами, которые могут генерировать газы: метан, азот, сероводород, водород, аммиак, диоксид углерода и др. Образование малорастворимых газов (метана и азота) создает условия для разуплотнения песчано-глинистых грунтов и перехода их в неустойчивое состояние. Растворимые газы (сероводород и ) формируют агрессивность водонасыщенной подземной среды по отношению к бетонам (только ) и черным металлам за счет подкисления вод.

Длительное загрязнение грунтовых вод и грунтов, присутствие природной органики в воде, а также поступление органических соединений техногенного генезиса способствует формированию анаэробных (восстановительных) условий в подземной среде, которые имеют большое значение для характера протекания электрохимической и биохимической коррозии. Следует отметить, что на большей части территории города величина Eh в грунтовых водах значительно ниже нуля и изменяется в широких пределах от -1 до -127 мВ (таб. 1).

Таблица 1 - Содержание некоторых компонентов в грунтовых водах островной части Санкт-Петербурга

Элементы	I	II	III	IV	V	VI
рН*	6,85-7,23	7,21-7,38	6,84-7,29	6,88-7,47	7,21-7,68	6,85-7,69
Еh, мВ*	(+68) – (- 55)	(-61)- (-93)	(+63)- (-105)	(-68)- (-107)	(+85)-(+17)	(-61)- (-127)
NH4+, мг/дм3	1.4-25,2	2,3-4,0	1,8-33,0	1,9-2,7	2,4-5,0	1,5-9,8
SO42-, мг/дм3	24,6-65,7	16,0-41,1	16,0-164,4	8,0-57,5	22,0-123,3	13,8-657,6
Cl-, мг/дм3	39,0-709,6	42,5-60,4	35,4-857,9	35,4-226,9	32,0-71,2	28,7-531,0
HCO3-, мг/дм3	122,0-1384,5	463,6-573,4	244,0-1723,0	183,0-427,0	97,6-488,1	158,6-1220,0
Минерали-зация, мг/дм3	577,1-2484,5	895,2-723,6	449,1-2780,4	418,4-897,8	361,2-956,9	482,8-2725,5
Перманга-натная окисляе-мость, мгО2/дм3	24,7-112,2	25,6-112,0	13,2-80,0	16,6-64,0	14,8-80,0	19,0-144,0
CO2 агр., мг/дм3	17,6-24,2	до 2,2	до 48,8	2,2-13,2	2,2-22,0	2,2-103,4
Нефтепро-дукты, мг/дм3	0,14	0,12-	0,04-0,92	0,12-0,26	0,07	0,08-0,91

Примечание: *значения рН и Еh – по результатам измерений в полевых условиях. Острова: I - Адмиралтейский; II - Коломенский; III - Васильевский, IV - Заячий, V - Петроградский, VI - Безымянный.

Важное значение при оценке влияния грунтовых вод на безопасность функционирования инженерных коммуникаций имеет размещение коллектора в определенной влажностной зоне в зависимости от положения уровня грунтовых вод (Рис.3).

Необходимость изучения такого аспекта связана с многочисленными авариями инженерных сетей в историческом центре. Наличие дефектов в трубопроводах приводит к повреждению асфальта на проезжей части улиц, разрыву трубопроводов. При размещении канализационных трубопроводов ниже уровня грунтовых вод в зоне постоянной влажности варьирование положения зеркала подземных вод не вызывает опасность появления растягивающих напряжений в трубах, способствующих образованию микро-, а впоследствии и макротрещин. Загрязнение грунтовых вод может происходить только за счет диффузионных процессов. В случае, если труба размещается выше уровня грунтовых вод может наблюдаться поступление канализационных стоков в грунтовые воды и грунты, что способствует их загрязнению. При сезонном или техногенном подтоплении, наоборот, грунтовые воды поступают в систему канализации, увеличивая гидравлическую нагрузку на сооружения.

Рис. 3 – Схематические разрезы размещения канализационных трубопроводов в различных влажностных зонах: а – в зоне аэрации (выше минимального уровня); б – в зоне колебания уровня грунтовых вод; в – ниже уровня грунтовых вод.

Помимо анализа агрессивного действия подземных вод необходимо в обязательном порядке оценивать роль микробной компоненты. Микробиота участвует в формировании химического состава грунтовых вод, повышая их коррозионную способность не только за счет генерации газов, но и значительного увеличения содержания органических и неорганических кислот, снижая величину рН до 5-4, редко ниже. Кроме того, возрастает содержание органических соединений, определяемых по величине перманганатной и бихроматной окисляемости (ХПК) за счет роста белковых соединений, живых и мертвых клеток микроорганизмов.

По данным современных микробиологических исследований биокоррозия вызывается различными физиологическими группами, родами и видами микроорганизмов, в том числе бактериями, грибами (микромицетами), актиномицетами, микроводорослями, а также продуктами их метаболизма, которые рассматриваются как основные агенты биохимического процесса.

В зависимости от окислительно-восстановительных и кислотно-щелочных условий возбудителями биокоррозии могут быть аэробные, анаэробные или факультативные формы микроорганизмов.

Особенно активно биокоррозия конструкционных материалов проявляется в анаэробной среде, что весьма актуально при рассмотрении устойчивости конструкционных материалов в подземной среде Санкт-Петербурга.

Исследованиями российских и зарубежных ученых установлено, что скорость развития биокоррозии может в 10 000 раз превышать скорость протекания химической коррозии и приводит к преждевременному разрушению и выходу из строя инженерных коммуникаций. Таким образом, микроорганизмы оказывают существенное влияние на характер протекания электрохимической коррозии (Рис.4).

Рис. 4 – Упрощенная схема микробной коррозии металлов [9]

По результатам микробиологических исследований в болотных отложениях отмечается зональность распределения микроорганизмов в зависимости от окислительно-восстановительных условий: от аэробных к глубокоанаэробным.

Наибольшее распространение в подземном пространстве Санкт-Петербурга получили факультативные и анаэробные формы микроорганизмов, среди которых выделяют денитрифицирующие, сульфатредуцирующие и аммонифицирующие бактерии [5].

Среди анаэробных форм микроорганизмов наиболее опасны по отношению к строительным материалам сульфатредуцирующие бактерии, восстанавливающие сульфаты до , который агрессивен по отношению к бетонам и металлам:

Сульфатредуцирующие бактерии способны ускорять ход электрохимических процессов металлов в несколько раз. Сероводород, продуцируемый сульфатредуцирующими бактериями, усиливает агрессивность среды и скорость коррозии в форме питтингов и утоньшения толщины металлических конструкций либо стенок трубопроводов.

Попадая в поры бетона, сероводород нейтрализует гидроксид кальция, а затем вступает во взаимодействие с кристаллогидратами цементных минералов с образованием кальциевых солей различной растворимости [6]. Наряду с сульфатредуцирующими бактериями агрессивное воздействие на подземные конструкции оказывают анаэробные уролитические бактерии, широко распространенные в канализационных стоках. В таких условиях устойчивость бетонов снижается за счет генерации растворимой соли , которая либо вымывается из бетона или кристаллизуется при высоких концентрациях, предопределяя развитие кристаллизационного давления.

В условиях загрязнения подземной среды канализационными стоками и хозяйственно-бытовыми отходами коррозионное воздействие на бетоны могут оказывать аммонифицирующие бактерии, перерабатывающие белки с последующим образованием аминокислот, которые в дальнейшем разлагаются с образованием аммиака (при pH>11–12).

В аэробной среде для металлических конструкций и бетонов наиболее опасны тионовые и нитрифицирующие бактерии, деятельность которых определяется продуцированием ими сильных минеральных кислот — серной и азотной (или азотистой), соответственно:

Для металлических конструкций опасны значения pH≤4, в бетонах под действием азотной кислоты наблюдается вынос гидрооксида кальция , а в присутствии серной кислоты — образование гидросульфоалюмината кальция — эттрингита («цементной бациллы»), что приводит к дезинтеграции бетонной конструкции.

Железоокисляющие бактерии, развивающиеся в аэробной среде, способны окислять двухвалентное железо до , которое, после вторичных реакций, превращается в ржавчину. Создаются неравномерно аэрируемые области на поверхности металла, вследствие чего возникает электрохимическая коррозия, где анодом представлены участки коррозии с бактериальной массой, а катодом — «чистые», хорошо аэрируемые участки. В конечном итоге образуются каверны («питтинги»), что особо актуально при эксплуатации подземных трубопроводов [6].

Физиологические группы бактерий, агрессивные по отношению к бетонным и металлическим конструкциям, могут функционировать в широком диапазоне кислотно-щелочных, окислительно-восстановительных и температурных условий (таб. 2). Особо опасными для бетонов являются силикатные бактерии, разрушающие основные цементные минералы.

Значительное место в биокоррозионных процессах занимают микромицеты, которые имеют превосходную адаптационную способность к окружающим условиям. Для них характерна широкая амплитуда изменчивости и различные мутации, приспособление к экстремальным условиям среды [1].

Таблица 2 - Жизнедеятельность некоторых бактерий в различных условиях эксплуатации конструкций [8]

Бактерии	Условия жизнедея-тельности		Продукты жизнедея-тельности	Среда обитания	Объекты коррозии
	pH	T, oC
Тионовые	2-9	18-37	Серная кислота	Аэробная	Металли-ческие конструкции, бетоны, строи-тельные растворы
Нитрифици-рующие	5,5-8,2	4-60	Азотная, азотистая кислоты и их соли
Сульфатреду-цирующие	5-9	2-65	Сероводород, сульфиды	Анаэроб-ная

Результаты обследования подземных коммуникаций, эксплуатируемых в центральной части города, подтверждают тот факт, что прогрессирующее разрушение бетонов, железобетонов и чугунов происходит в результате воздействия загрязненных и минерализованных подземных вод в условиях высокой микробной пораженности водонасыщенных грунтов [2, 3, 6, 7]. О характере этого разрушения можно судить по результатам анализа химического состава водных вытяжек, приготовленных из проб разрушенных конструкционных материалов и натечных форм (высолов, наростов, сталактитов и др.), образующихся на поверхности конструкции в результате выноса продуктов коррозии при подтоке фильтрующихся подземных вод (фото 1).

Фото 1 – Наросты и выносы с ржавым мокрым налетом (а); сталактит на ребре жесткости в тоннельных конструкциях (б)

Таким образом, коррозия, связанная с физико-химической активностью грунтов и деятельностью микроорганизмов, представляет особый интерес в современной практике проектирования, строительства и эксплуатации инженерных сооружений. Изучение коррозионной активности среды должно основываться на лабораторных и полевых исследованиях всех составляющих ее компонентов, что позволит избежать аварийных и предаварийных ситуаций, связанных с коррозионным повреждением строительных конструкций.

Общие нормативные требования по защите от коррозии бетонных, железобетонных и металлических конструкций содержатся в СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии». В РВСН 20-01-2006 «Защита строительных конструкций зданий и сооружений от агрессивных химических и биологических воздействий окружающей среды» даны рекомендации по предупреждению и ликвидации последствий биоповреждений строительных конструкций для условий подземного пространства Санкт-Петербурга [8].

Литература

1. Вернигорова В.Н., Королев Е.В., Еремкин А.И., Соколова Ю.А. Коррозия строительных материалов. Монография. - М.: Издательство «Палеотип», 2007. - 176 с.
2. Дашко Р.Э., Александрова О.Ю., Котюков П.В., Шидловская А.В. Особенности инженерно-геологических условий Санкт-Петербурга // Развитие городов и геотехническое строительство. - 2011.- №13. - c. 24-71.
3. Дашко Р.Э., Власов Д.Ю., Шидловская А.В. Геотехника и подземная микробиота: Институт «ПИ Геореконструкция» - СПб, 2014. - 280 с.
4. Дашко Р.Э., Карпова Я.А. К вопросу комплексного подхода инженерно-геологического и геотехнического обеспечения и оценки условий строительства и эксплуатации зданий и сооружений в Санкт-Петербурге. Труды Международной конференции по геотехнике Технического Комитета 207 ISSMGE, 2014.Т.2. - c. 197-207.
5. Дашко Р. Э., Котюков П. В. Исследование биоагрессивности подземной среды Санкт-Петербурга по отношению к конструкционным материалам транспортных тоннелей и фундаментов. Записки Горного института. – СПб, 2007. - Т.172. - c. 217-220.
6. Дашко Р.Э., Перевощикова Н.А. Формирование биоагрессивности подземной среды и ее влияние на конструкционные материалы // Грунтоведение, №1, 2012. – СПб: «Центр генетического грунтоведения». c. 33-37.
7. Дашко Р.Э., Шидловская А.В., Котюков П.В. Анализ и оценка гидрогеологических условий при обеспечении безопасности строительства и эксплуатации подземных транспортных сооружений в Санкт-Петербурге // Материалы 2-й международной конференции ГЕОЛОГИЯ КРУПНЫХ ГОРОДОВ, Санкт-Петербург, 2012.c. 22-23.
8. Региональные временные строительные нормы. Защита строительных конструкций, зданий и сооружений от агрессивных химических и биологических воздействий окружающей среды. РВСН 20-01-2006. СПб: Стройиздат, 2006. - 50 с.
9. Hector A. Videla. Microbially induced corrosion: an updated overview // International biodeterioration & biodegradation, 48. - 2001. - P. 176-201.

References

1. Vernigorova V.N., Korolev E.V., Eremkin A.I., Sokolova Ju.A. Korrozija stroitel'nyh materialov. Monografija. - M.: Izdatel'stvo «Paleotip», 2007. - 176 s.
2. Dashko R.Je., Aleksandrova O.Ju., Kotjukov P.V., Shidlovskaja A.V. Osobennosti inzhenerno-geologicheskih uslovij Sankt-Peterburga // Razvitie gorodov i geotehnicheskoe stroitel'stvo. - 2011. - №13. - s. 24-71.
3. Dashko R.Je., Vlasov D.Ju., Shidlovskaja A.V. Geotehnika i podzemnaja mikrobiota: Institut «PI Georekonstrukcija» - SPb, 2014. - 280 s.
4. Dashko R.Je., Karpova Ja.A. K voprosu kompleksnogo podhoda inzhenerno-geologicheskogo i geotehnicheskogo obespechenija i ocenki uslovij stroitel'stva i jekspluatacii zdanij i sooruzhenij v Sankt-Peterburge. Trudy Mezhdunarodnoj konferencii po geotehnike Tehnicheskogo Komiteta 207 ISSMGE, 2014. T.2. - s. 197-207.
5. Dashko R.Je., Kotjukov P.V. Issledovanie bioagressivnosti podzemnoj sredy Sankt-Peterburga po otnosheniju k konstrukcionnym materialam transportnyh tonnelej i fundamentov. Zapiski Gornogo instituta. – SPb, 2007. - T.172. - s. 217-220.
6. Dashko R.Je., Perevoshhikova N.A. Formirovanie bioagressivnosti podzemnoj sredy i ee vlijanie na konstrukcionnye materialy // Gruntovedenie, №1, 2012. – SPb: «Centr geneticheskogo gruntovedenija». s. 33-37.
7. Dashko R.Je., Shidlovskaja A.V., Kotjukov P.V. Analiz i ocenka gidrogeologicheskih uslovij pri obespechenii bezopasnosti stroitel'stva i jekspluatacii podzemnyh transportnyh sooruzhenij v Sankt-Peterburge // Materialy 2-j mezhdunarodnoj konferencii GEOLOGIJa KRUPNYH GORODOV, Sankt-Peterburg, 2012. s. 22-23.
8. Regional'nye vremennye stroitel'nye normy. Zashhita stroitel'nyh konstrukcij, zdanij i sooruzhenij ot agressivnyh himicheskih i biologicheskih vozdejstvij okruzhajushhej sredy. RVSN 20-01-2006. SPb: Strojizdat, 2006. - 50 s.
9. Hector A. Videla. Microbially induced corrosion: an updated overview // International biodeterioration & biodegradation, 48. - 2001. - P. 176-201.