短期和长期暴露于化学和微生物产生的硫酸后混凝土腐蚀的评估外文翻译资料

 2022-08-04 16:41:58

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短期和长期暴露于化学和微生物产生的硫酸后混凝土腐蚀的评估

摘要： 波特兰水泥基混凝土样品在微生物来源的H2SO 4(pH 1.3-2.4)和化学生成的H2SO4(pH 1.0和2.0)中孵育28天(短期)，以研究两种酸侵蚀之间的潜在差异。此外，在两个月、三个月和六个月的时间内进行了长期生物实验，以评估腐蚀行为。腐蚀通过视觉、物理和化学参数进行评估，包括激光烧蚀电感耦合等离子体质谱。28天的实验揭示了一种依赖于酸碱度的损害程度。基于腐蚀层中相似的元素分布，在生物和化学产生的H2SO4之间没有观察到明显的差异。在长期试验中，腐蚀主要取决于铝产生的硫酸根的量。氧化硫在不同的装置中变化。观察到降解和潜伏期之间没有线性关系。在所有装置中，石膏是主要的腐蚀产物，在腐蚀层内没有观察到微生物生长。

关键字：硫杆菌；混凝土；腐蚀；退化；激光烧蚀质谱

  1. 前言

混凝土是世界上最常用的建筑材料之一。它适用于各种基础设施的建设，如公路、桥梁、隧道、废水和污泥处理设施[1，2]。每年大约使用60亿吨混凝土[2]。当混凝土结构暴露在酸性环境中时，混凝土会发生劣化[3]。酸对混凝土的侵蚀极其多样，从有机酸(如乳酸或乙酸)上的气体污染物(如二氧化碳、二氧化硫)到无机酸(如盐酸或硫酸)[4–6]。因此，微生物产生的硫酸对混凝土的腐蚀，特别是在污水和废水处理系统中，是一个主要问题[7]，每年导致数十亿美元的经济损失[8]。生物硫酸(BSA)腐蚀显著降低了混凝土结构的寿命，从估计的100年降低到30–50年[9]。在严重的情况下，寿命甚至可以缩短到10年[9，10]。污水管中的BSA腐蚀是一个复杂的多阶段过程，涉及化学和微生物反应[11]。在第一步中，当污水由于流速缓慢而形成厌氧区时，硫/硫酸盐还原菌将硫酸盐还原成硫化氢(H2S)[12，13]。当H2S气体由于挥发而逸入下水道顶部空间，并溶解在下水道顶部的潮湿混凝土表面[12]，在那里它可以与氧气反应生成元素硫[11，14]。需氧硫氧化细菌(如嗜酸氧化硫硫杆菌)将硫元素和其他还原硫化合物(如S2O3-)代谢为硫酸(H2SO4)，最终导致混凝土变质[12，14]。

当硫酸与混凝土反应时，必须考虑两个主要方面:（1）与硫酸根离子的反应，（2）氢离子的作用[15]。第一步涉及混凝土中硫酸和氢氧化钙(Ca（OH)2)之间的反应，导致石膏(CaSO4·2H2O)的形成[14–16]。这种膨胀腐蚀产物导致混凝土体积增加1.2-2.2倍[11，13]。随后，石膏与铝酸钙水合物(C3A)反应形成钙矾石[14]。钙矾石的形成与比石膏形成更大的体积膨胀有关[13]，最终导致内部压力增加、混凝土结构开裂和弱化[18–20]。在酸性条件下(酸碱度le; 2.0)，石膏的沉淀占主导地位[21]。

先前的研究揭示了纯化学硫酸试验和包括微生物产生的硫酸在内的试验之间在混凝土腐蚀方面的巨大差异[11，13，17，22，23]。例如，蒙特尼等人[11，13]报告称，通过生产牛血清白蛋白，混凝土腐蚀程度更高。据推测，以孔隙率增加和高湿度为特征的软腐蚀层为微生物生长提供了极好的条件[13]。当细菌渗透到腐蚀层中时，腐蚀过程会加速，并且在未损坏的混凝土表面附近会产生硫酸。另一方面，奥卡比等人[12]表明在厚腐蚀层中，氧气和营养的可用性以及微生物的生长受到限制。

尽管以前已经对硫酸侵蚀水泥石和混凝土进行了大量研究，但对化学和微生物产生的硫酸的潜在差异知之甚少。因此，本研究的主要目的是分析化学和微生物产生的硫酸根在不同时间尺度下对硅酸盐水泥基混凝土的影响。氧化硫杆菌的生物实验能够产生约1.0的pH值，在28天、两个月、三个月和六个月内进行，以研究随时间推移的具体行为。氧化硫杆菌的硫酸产量通过测量酸碱度和硫酸盐来监控，以确保微生物的活性。化学实验在1.0和2.0两个恒定的酸碱度下进行了28天，以研究生物和化学硫酸对混凝土侵蚀的差异。在各自的时间段之后，通过不同参数的组合来评估混凝土腐蚀的程度，包括：（1）直接观察，（2)重量损失，（3)中和深度，(4)钙浸出，(5)激光烧蚀电感耦合等离子体质谱，(6)扫描电子显微镜结合能量色散X射线(EDX)分析。在之前的一项研究中，作者分析了化学和生物H2SO 4对硬化水泥浆体样品的侵蚀，已经使用了LAICP-MS[24]。在本研究中，该方法的适用性在混凝土中进行了测试，由于骨料的存在，混凝土比硬化水泥浆更复杂。

2.材料和方法

2.1混凝土试件

混凝土试件由德国斯图加特的BBQ Baudtechnik suuml;d GmbH amp; co . KG制备，如表1所述。使用了符合德国工业标准EN 197-1、NBN标准B12-108和德国工业标准1164的高炉渣水泥CEM Ⅲ/B 32.5 N-LH/SR，具有低水化热和高抗硫酸盐性。骨料是活性石灰石(碳酸钙)和惰性石英(二氧化硅)的混合物，最大粒径为16mm。所用混凝土成分的强度等级为C30/37，常用于建造污水处理设施，如污泥消化池。在生物和化学28天(“短期”)试验中，混凝土被切割成20times;20times;10 mm3个尺寸。长期实验使用边长为20mm的立方体。由于化学实验装置的原因，用于短期实验的较窄样品是必要的。所有混凝土样品在实验前都要称重。

2.2 氧化硫杆菌生物源硫酸实验

为分析微生物产生的硫酸对混凝土的影响，用氧化硫杆菌进行了不同时间尺度的批量实验。实验分28天、2个月、3个月和6个月进行，以评估随时间推移的具体行为。此外，28天实验的重点是在相同的暴露时间内将它们与纯化学硫酸实验联系起来。表2概述了生物实验、相应的非生物控制设置和分析参数。所有实验都在500毫升玻璃烧瓶(反应器)中进行，并如前所述进行[24](图1A)。每个反应器包含200毫升培养基(1.9mmlo/L NH4Cl，22.0mmlo/LKH2PO4，0.5mmlo/L MgCL2·6H2O、1.0mmlo/L Ca2Cl·2H2O和311.8mmlo/L S)和一个混凝土样品。称重样品，并用耐腐蚀金属丝(见图1B)固定在橡胶塞上。用紫外光对混凝土表面灭菌约18小时后，将样品浸入液体介质中四分之三。DSMZ(德国微生物和细胞培养物保藏中心)培养基35被用作培养基，因为它显示出良好的生长。氧化硫蛋白以前的研究[25，26]。此外，该培养基推荐用于培养嗜酸硫杆菌。在DSMZ旁边养基是根据DSMZ的说明制备的，其pH值为4.5，唯一的能源是元素硫。

为了接种液体培养基，使用了最初从污泥消化器的腐蚀混凝土壁中分离出的纯氧化硫杆菌[26]。反应器用穿孔橡胶塞封闭，以允许氧气进入，并另外用铝箔覆盖，以防止污染。氧化硫杆菌的最适酸碱度在2.0至3.5之间[27]。由于新混凝土的初始酸碱度为12–13[18，28]，培养基中的细菌生长被混凝土样品的添加所抑制。因此，所有反应器都在30℃和125转/分的温度下预培养，直到通过浊度和酸碱度的降低观察到微生物的生长。培养基的酸碱度用酸碱度电极定期测量(德国威尔海姆WTW有限公司)。在溶液的酸碱度降至2左右后，将混凝土样品加入溶液中，并在培养基中孵育28天(短期实验)、2个月、3个月和6个月(长期实验)。

为了给氧化硫杆菌提供最佳的营养条件并防止代谢物在溶液中积累的负面影响，实验以半连续的吸取和填充操作模式进行。因此，每周两次用新鲜培养基替换10%的液体培养基。取出的溶液储存在零下20℃下，用于后续的化学分析，如硫酸盐和钙。

2.2.1.短期试验(28天)

短期试验采用20 times; 20 times; 10 mm3混凝土试件，在5个平行装置中进行，反应堆1至5(R1–R5)，为期28天。在相同的条件下，建立了不含氧化硫杆菌的非生物对照，以研究培养基的影响。28天后，将混凝土样品从细菌溶液中取出，用密立根水(德国达姆施塔特默克密立根公司)洗涤，并在40℃下干燥。然后，测定混凝土样品的重量和中和深度。对样品进行拍照，并用电感耦合等离子体质谱法分析元素分布。

2.2.2.长期试验(两个月、三个月和六个月)

用20times;20times;20 mm3混凝土试件进行了62天(“两个月”)、93天(“三个月”)和187天(“六个月”)的长期试验。每种方法分为三组(R1-3)，包括第2.2.1节所述的非生物控制反应器。两个月和三个月的试验同时开始，因此使用了相同的接种剂由于六个月的实验是后来建立的，其他细菌培养用于接种。为了在整个实验阶段保持活性细菌群落，培养基在一定的时间间隔内完全被氧化硫杆菌预培养培养基(pH2左右，见第2.2节)替代。对于两个月和三个月的实验，溶液在42天后被交换。在这六个月中，该解决方案被更新了三次:在第38、83和125天。在相应的时间段(两个月、三个月和六个月)后，将混凝土样品从细菌溶液中取出，用密立根水(德国达姆施塔特默克密立根公司)洗涤，并在40℃下干燥直至重量恒定。随后，对样品进行拍照，并通过质量损失测定、中和深度测量和电感耦合等离子体质谱法分析混凝土腐蚀。此外，对两个月和六个月试验的混凝土样品进行了扫描电镜和EDX分析。

2.3.化学短期实验(28天)

在28天内进行化学短期实验，以比较生物和化学产生的硫酸的降解过程。因此，尺寸为20 times; 20 times; 10 mm3(这是该装置的最大可能尺寸)的混凝土样品，使用自动滴定仪暴露于恒定酸碱度为1.0和2.0的硫酸溶液中。对于每个设置(酸碱度1.0和2.0)，分析两个混凝土样品。样品在硫酸中的孵育遵循先前描述的程序[21，24]。称量每个混凝土样品，并将其放入一个特殊的样品架中，样品架位于一个装有150毫升硫酸的带盖烧杯中。用磁力搅拌棒连续搅拌溶液。测定每个样品位置的酸性溶液的酸碱度，并每10分钟通过滴定0.5 M硫酸和0.1 M硫酸来重新调节，以分别保持酸碱度为1.0和2.0。连续记录酸消耗量。由于烧杯的容量有限，每隔一定时间就要移除30ml腐蚀溶液。收集取出的溶液并在4℃下储存，直到测量出硫酸盐和钙。储存28天后，将混凝土样品从硫酸溶液中取出，并在40℃下干燥，直至重量稳定。随后，对样品进行拍照，并通过电感耦合等离子体质谱法评估损坏程度。表2提供了化学设置和分析参数的概述。

2.4.化学分析

2.4.1.硫酸盐和钙的测量

定期对生物源硫酸实验的培养基中的硫酸盐进行测量，以监测氧化硫杆菌潜在的硫酸产量。根据德国水、废水和污泥检验标准方法[29]，用液体离子交换色谱(ICS-1000离子色谱系统，美国迪奥内克斯公司)测定溶解的硫酸盐。

在化学硫酸实验中，硫酸盐是

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