Sanace chemicky zatížených kanalizačních objektů

1. Úvod

Cílem tohoto příspěvku je především na konkrétních příkladech ukázat možné situace při sanacích objektů kanalizačních sítí ve složitých podmínkách center historických měst. Upozornit na některá rizika spojená s degradací stavebních konstrukcí biogenní korozí a ukázat některé možné způsoby řešení. Postupně vás seznámíme jak s příčinami a důsledky biogenní koroze stavebních konstrukcí stok, s místem realizace tohoto projektu, kterým je historické centrum Krakova, tak s i navrženým a realizovaným způsobem konstrukčního řešení.

2. Biogenní koroze

Na jedné straně oceňujeme schopnost mikroorganismu degradovat určité látky, na straně druhé býváme překvapeni, jak některé z nich dokážou svou činností postupně likvidovat celé konstrukce. Něco na tom přísloví o dobrém sluhovi, ale zlém pánu, je...

Biodeteriorace jsou biologické procesy, při nichž dochází k narušení přirozené struktury nejrůznějších materiálů, dochází k jejich dalšímu znehodnocení, vede k zhoršení jejich funkčních vlastností i vzhledu. Můžeme tedy konstatovat, že biodeteriorace je opakem biodegradace. Jejím typickým projevem je biokoroze.

Biokoroze se u materiálů projevuje buď fyzikálně, nebo chemicky. Mechanicky je materiál poškozován v důsledku přímé aktivity organismů, jejich pohybem nebo růstem. Chemické poškození je možné rozdělit na asimilační a disimilační. Chemická asimilační biodeterioraci je pro běžné stavby běžnější, materiál je pro biodeteriogeny potravou. My se zaměříme na chemické disimalační poškození, které nastává, když je materiál poškozován produkty metabolismu (např. organickými kyselinami či oxidem uhličitým).

Tady jsou naši protihráči. Malé, ale za určitých podmínek až neskutečně agresivní, nitrifikační, sirné a desulfurikační bakterie.

Profesor Richard Wasserbauer ve své práci (viz Literatura) uvádí, že nitrifikační bakterie kromě jiného způsobují vyluhování vápenaté složky stavebního kamene, ten se pak stává poréznějším a postupně ztrácí soudržnost. K tomuto procesu dochází v důsledku dvoufázového průběhu nitrifikace. V prvním stupni se amoniakální dusík oxiduje na dusitany pomocí bakterií rodů Nitrosomonas, Nitrosobolus, Nitrosospira a Nitrosovibrio. Ve druhém jsou vzniklé dusitany oxidovány na dusičnany mikroorganismy Nitrobacter. Vzniklé kyseliny pak reagují s vápenatými složkami stavebních materiálů za vzniku dusitanu nebo dusičnanu vápenatého. Zdrojem dusíku může být amoniak v dešťové vodě, v odpadních vodách, v organických zbytcích apod.

Sirné bakterie jsou významnými škůdci betonu i stavebního kamene. Sirné bakterie jsou aerobní, a proto se většinou nacházejí v povrchových vrstvách materiálu. Tyto bakterie postupně oxidují síru v nižším oxidačním stupni na kyselinu sírovou. Vzniklá kyselina sírová může reagovat se složkami betonu za vzniku síranů, což se projevuje nejprve jako krusta na povrchu stavebních prvků (betonu, kamene apod.). Sírany jsou dále vodou transportovány do pórů a tam při rekrystalizaci vytváří expanzní tlaky, které mají za následek destrukci materiálu. Sirné bakterie vegetují na anorganických substrátech, vyskytují se v půdě, ve vodě a všude tam, kde je dostatečná vlhkost a přítomnost zdrojů síry.

Desulfurikační bakterie pak redukují sloučeniny obsahující síru ve vyšším oxidačním stupni až na sulfan. Kyslík, který při tom získají, využívají pro svůj růst. Jejich korozní aktivita spočívá v přísunu sirných sloučenin pro další oxidaci sirnými bakteriemi. Cyklus účinků síry znázorněn na následujícím obrázku č. 1.

Obrázek 1.: Cyklus účinků síry v kanalizačním prostředí

Trochu srozumitelněji by to šlo shrnout tak, že biokorozi betonových (rozuměj i cementových) materiálů tedy způsobují jak sulfát oxidující bakterie rodu Thiobacillus, které produkují kyselinu sírovou, tak sulfát redukující bakterie rodu Desulfovibrio a Desulfotomaculum, které naopak redukují sírany na sirovodík. Uvedené bakterie jsou součástí přirozeného koloběhu síry, na kterém se podílejí zejména disimilačně. Avšak jedním z negativních vlivů tohoto procesu je už zmíněná biokoroze betonu, ale také všech ostatních prvků a materiálů. To, co dokáže agresivní kyselé prostředí s materiálem s cementovou matrací nejlépe ilustruje přiložený obrázek č. 2.

Obrázek 2.: Trvanlivost vzorků běžného cementového kompozitu byla testována v 5% roztoku HCl a 5% roztoku H₂SO₄

3. Místo projektu

Místem řešení bylo historické město Krakov. První informace o kanalizační síti pochází ze čtrnáctého století. V současnosti se kanalizační síť města skládá ze dvou hlavních systémů, které mají vlastní čistírny odpadních vod. První systém slouží asi 500 tisícům obyvatelům a druhý asi 250 tisícům obyvatel. Oba hlavní systémy pracují jako gravitační. V oblastech, kde gravitační odvod odpadních vod do centrálního systému není možný, existují místní kanalizační systémy s místními čistírnami odpadních vod. Délka kanalizační sítě s přípojkami činí dnes téměř 1870 km, dvě hlavní čistírny odpadních vod, šest čistíren lokálních, sedmdesát pět přečerpávacích stanic.

Obrázek 3.: Orientační mapa řešených oblastí

V rámci projektu rekonstrukce bylo třeba obnovit 54 km kanalizačních systémů. Renovace takto rozsáhlé sítě v historickém městě, s hustě zástavbou a silnou dopravní infrastrukturou byla na jedné straně nezbytnou nutností a na straně druhé velkou technickou výzvou. Mezi hlavní problémy, které musel projekt, jako celek řešit, patřily netěsnosti stávajících kanalizačních potrubí a stok, netěsné přípojky, porosty kořenů, sedimentace, a znečištění (a z toho vyplývající nedostatečný anebo omezený výkon), porušení konstrukcí korozí a chemickým zatížením (biokoroze), praskliny (strukturální poškození), zhroucení části úseků.

Zvláštním úkolem pak bylo řešení sanace konstrukcí soutokových, přečerpávacích, akumulačních, retenčních a uklidňovacích komor. Problém s výraznou biokorozí na celé stávající stokové síti je způsoben omezením odvětrání příslušné větve stoky na povrch. V minulosti bylo historické odvětrání uzavřeno, aby se možný zápach nešířil do centra města. Toto inženýrsky zcela necitlivé opatření mělo za důsledek nárůst vlhkosti a snížení výměny vzduchu. K negativním vlivům, jako je stoupající vlhkost a koncentrace plynů, je nutné přičíst i vznik mechanicky generovaného aerosolu, který vzniká a koncentruje se právě v objektech komor.

Důsledkem všech negativních vlivů je nárůst biokoroze na neomývaných površích konstrukce kanalizačního objektu (svislé stěny, stropy). Jako řešení byl původně navržen celoplošný obklad těchto povrchů obkladem prvků z taveného čediče. Ty samy o sobě vykazují velmi vysokou odolnost agresivnímu prostředí (na stěnách dochází z výše uvedených procesů ke vzniku kyseliny sírové H₂SO₄). Zároveň se ale jedná o prvky (dlaždice a tvarovky) které jsou velmi hladké. Může tak snadno docházet na jejich povrchu k vysrážení (ze vzdušné vlhkosti, z aerosolu) a následnému transportu vysrážené kapaliny po těchto dlaždicích do spár a detailů. Zde by pak mohla při standartním řešení (použití spárovací hmoty s cementovou matricí, která má vyšší nasákavost než čedičový prvek) narůstat koncentrace agresivních látek a v její důsledku by mohlo docházet k významnému napadání těchto spár.

Řešení, která se v té chvíli nabízela, byla relativně jednoduchá a jejich účinek byl snadno předpověditelný. Obnovení původního odvětrání sítě, anebo omezeně umožnit odvětrání konkrétních kanalizačních objektů ohrožených vyšší expozicí zátěže (viz: komory, stanice, šachty apod.). Naplánovat a provádět pravidelnou údržbu těchto objektů tak, aby docházelo k omývání vzdušních líců (neomývaných částí) konstrukcí a tím snižování koncentrace agresivních látek. A v neposlední řadě použití nových materiálů pro spárování čedičových prvků, které dokáží uzavřít spáru a tím omezí možnost vnikání agresivních látek do konstrukce. Spolu s čedičovým obkladem vytvoří vysoce odolnou a kompaktní ochranu objektu. To vše za podmínky nutnosti instalace těchto materiálů in situ (na stavbě) v prostředí s vysokou vlhkosti. Tento soubor opatření se ukázal jako správný, i když opatření spočívající v lepším odvětrání sítě byla realizována jen omezeně a lokálně.

4. Použité materiály prvky z taveného čediče

Ve snaze předcházet poruchám stok se došlo k závěru, že nejúčelnější řešení bude takové, které bude minimalizovat počet spár v části dna stoky a pro které se použije stavební materiál s co možná nejdelší životností. Pro své klíčové parametry spočívající mimo jiné ve vysoké odolnosti proti abrasivním účinkům suspendovaných a po dně sunutých anorganických materiálů a praktická netečnost proti agresivnímu působení látek obsažených v odpadních vodách byly vybrány právě prvky z taveného čediče. Proto tak pro použití v kanalizacích, vyvinul jejich výrobce ve spolupráci s odborníky výrobky, které slouží k výstavbě, ale i rekonstrukci stokových sítí a objektů.

Taveným čedičem, resp. výrobky z tohoto materiálu rozumíme odlitky vyrobené roztavením, opětovným vytvarováním a vychlazením vhodných přírodních hornin, zejména pak olivinických čedičů. Pod tímto označením se vyrábí široký sortiment dlaždic, trub, tvarovek a dalších speciálních odlitků.

Všeobecně lze říci, že tavený čedič má pěti až dvacetinásobně vyšší otěruvzdornost než speciální legované litiny a ocele, vysokou chemickou odolnost, nulovou nasákavost, vynikající mrazuvzdornost i další mechanické parametry.

Stokové žlaby, bočnice, kruhové segmenty, dlaždice a další tvarovky minimalizují abrasivní účinky průtoku odpadních vod, transportují anorganické částice různé velikosti, zejména u dna stoky. Současně mají výrazně menší počet i délku podélných ložných i styčných spár oproti cihelnému zdivu. Proto nehrozí nebezpečí vymílání spár, pronikání odpadní vody do zdiva a za rub vyzdívky, jak se tomu stává u běžného cihelného zdiva stok. Pro sanaci objektů komor a přečerpávacích stanic byly použity standartní kanalizační prvky pro dna a horizontální plochy. Pro vertikální plochy stěn a plochy stropů byly použity čedičové tvarovky s možností mechanického kotvení.

Standardní skladba vertikální stěny tak spočívala v opravě betonového podkladu speciální sanační maltou dle EN 1504-3 se speciální výztuží. Malta byla nanášena tak, aby nedocházelo k zachycování vzduchu pod materiálem. Po nahození malty na povrch opravovaného betonu zednickou lžící maltu se vrstva zapracovala do pórů a nerovností pomocí plochého štětce s kratšími štětinami. Důkladné přilnutí první vrstvy v celé ploše je základní podmínkou dosažení vysoké výsledné přídržnosti. Vrstva byla doplněna na projektovanou tloušťku vhodnou technikou nahazování a natahování tak, aby se nevytvářela nevyplněná místa. Úprava povrchu opravy byla provedena polystyrénovým hladítkem.

Na takto vyrovnaný a připravený podklad byly bezdutinově nalepeny čedičové tvarovky. Lepící hmota byla nanášena tak, aby nedocházelo k zachycování vzduchu pod materiálem. Malta byla nanesena na připravený povrch zednickou lžící v požadované tloušťce od 5 mm do 40 mm. Do takto připraveného maltového lože byla položena tvarovka z taveného čediče a poklepem gumovým kladívkem usazena do konečné polohy. Mezi jednotlivými prvky byly dodržovány předepsané spáry 5–7 mm. Tvarovka byla po počátečním náběhu pevnosti lepící malty mechanicky zakotvena. Spárování prvků se provádělo po počátečním náběhu pevnosti maltového lože.

Zamíchaná speciální spárovací hmota byla nanášena do spár diagonálně gumovou stěrkou. Spáry byly zcela vyplněny spárovací hmotou. Po prvním zavadnutí spárovací hmoty byl povrch omyt čistou vodou a spáry uhlazeny vlhkou houbou. Pro vytvoření dokonalého povrchu, spárovací hmota opět zavadla a následně bylo provedené finální umytí a vyhlazení spáry. Pohyb mycí houby vždy směřoval šikmo ke spárám a houba se musela dostatečně vlhčit. Vytvrzení spárování proběhlo do 24 hodin, plné vyzrání do 96 hodin od aplikace.

Obrázek 4.: Příklad rozpracované skladby stěny

Obrázek 5.: Spárování konstrukce komory

5. Použité materiály ukládání, lepení a spárování

Standardně se využívají pro ukládání, lepení a kotvení čedičových prvků materiály na bázi speciálních polymercentových směsí. Pro použití v prostředí kanalizačních objektů pak doporučujeme materiály, které vykazují řadu dalších parametrů odolností ve srovnání s běžnými stavebními lepidly a hmotami. Z dlouhodobého výzkumu v této oblasti vyplynuly zobecněné podmínky pro konstrukci těchto speciálních PCC směsí.

Prvními jsou mechanické vlastnosti. Pevnost v tlaku, pevnost v tahu za ohybu vyjadřují mechanickou odolnost lepidla a obvykle jsou udávány v závislostech na čase. Závislost nárůstů hodnot pevností v čase určuje charakter lepidla a možnosti jeho použití, jinými slovy umožnit správnou instalaci prvků před zavadnutím a následným náběhem pevností. Zpracovatelnost zase sleduje schopnost zpracovávat materiál po určitou dobu bez ztráty jeho vlastností. Je třeba, aby byl materiál dostatečně plastický (dobře se zpracovával zednicky) ale zároveň dostatečně tixotropní (bylo ho možné nanášet nejen na vodorovné, ale i na svislé povrchy), a aby materiál udržoval tvar připraveného maltového lože. Smršťování hmoty v průběhu tuhnutí a zrání výrazně ovlivňuje její další vlastnosti (pevnosti, odolnosti, nasákavost, mrazuvzdornost apod.) proto musí být volné smrštění malty sledováno a ověřováno. Klíčovou hodnotou pro tyto speciální hmoty je přídržnost k podkladu (betonovému) a přídržnost k vlastnímu čedičovému prvku (a to pro všechny kombinace uložení (normální, ve vodě, tepelné stárnutí apod.). Ze základních požadovaných parametrů zbývá již jen vodotěsnost a nasákavost, a s nimi spojená mrazuvzdornost a odolnost působení chemických látek, teplotní roztažnost a v neposlední řadě parametr modulu pružnosti. Jak z výčtu sami vidíte není toho málo, co je třeba u takových materiálů sledovat.

Přesto to v prostředí s aktivní biokorozí nemusí stačit. Při konkrétních měřeních v prostředí přečerpávacích stanic a uklidňovacích šachet jsme naměřili na povrchu vzdušního líce těchto konstrukcí koncentraci kyselého prostředí dosahujícího pH až 1,0. Takové hodnoty jsou nad síly i vysoce modifikovaných PCC směsí. Bylo proto nutné přistoupit k návrhu úpravy technologie ukládání čedičových prvků a k ochraně konstrukce využít odolnější kompozity.

Pro vlastní uložení čedičových prvků byla využita původní technologie ukládání čedičových prvků do speciální kompatibilní PCC směsi. Tak aby došlo jak k vyrovnání připraveného betonového podkladu, tak k řádnému ukotvení prvku. Ve druhém kroku bylo nutné dokonale uzavřít všechny spáry tak, aby byla konstrukce co nejlépe chráněna.

Návrh limitují podmínky instalace, ve všech objektech je relativně vysoká vlhkost a není reálně možné zajistit vysušení těchto spár a detailů. Formulovaly jsme proto speciální hmoty na bázi epoxydových pryskyřic kompatibilních s vodou.

Epoxidové pryskyřice jsou polymerní syntetické sloučeniny, které obsahují oxiranové (epoxidové, ethylenoxidové) jednotky ve strukturní molekule. Epoxidová skupina neboli epoxid, je cyklický ether se třemi atomy v kruhu. Díky tomu, že tyto atomy tvoří téměř rovnostranný trojúhelník, je molekula epoxidu energeticky bohatá, a tím velice reaktivní. Vysoká reaktivita pryskyřic, jako i chemická odolnost, nízké smrštění při vytvrzovaní, a především vysoká přilnavost k mnoha materiálům nás vedla k využití této suroviny.

Správně vytvrzené epoxidové pryskyřice totiž vykazují vlastnosti, které jsou pro navržené použití žádoucí. Jsou to především: Chemická odolnost – díky přítomnosti C–C vazeb je pryskyřice a tím i finální směs odolná vůči zásadám a zředěným roztokům kyselin (odolnost stoupá s délkou řetězce a stupněm zesítění), Malá smrštivost směsi při vytvrzení – smrštivost pryskyřic ovlivňuje typ vybraného tvrdidla, Pryskyřice vykazují dobrou adhezi k většině materiálů podkladu, k prvkům z taveného čediče a vysokou mechanickou pevnost.

Základem kompozitního materiálu je matrice neboli pojivo (spojitá fáze systému), do které se přidává nespojitá fáze, kterou představuje plnivo nebo výztuž. Druh částic, jejich velikost a distribuce ovlivňují výrazným způsobem vlastnosti kompozitního materiálu. Trend v oblasti zlepšování vlastností směřuje k vývoji tzv. hybridních kompozitních materiálů. Mezi hybridní kompozity patří právě materiály, u kterých jedna matrice obsahuje různé typy plniva, obsahuje směs vláknového a částicového plniva.

Vznikl tak zcela nový systém spárovací hmoty na epoxidové vodní bázi bez rozpouštědel a emisí těkavých látek. Systém, který úspěšně vyřešil většinu požadavků tohoto projektu. Nová spárovací hmota nabídla snadnou přípravu a aplikaci, a to i na vlhký podklad, následnou velmi dobrou čistitelnost (vytvoří se uzavřený hladký povrch), hmota vykazuje vysokou mechanickou odolnost, po vytvrzení je neporézní a tím i nenasákavá disponuje vysokou chemickou a biologickou odolností (zejména pak odolností na kyselé prostředí). Pro ilustraci zde uvádíme několik klíčových parametrů:

6. Odběr vzorku odpadních vod při průzkumu

Při provádění průzkumu v kanalizaci v místě aplikace byly provedeny po 12 měsících od provádění odběry materiálu ze stěn stoky včetně vzorků odpadní vody. Bylo zjištěno, že kvůli velmi špatné ventilaci dochází v tomto kanalizačním systému k hromadění sulfanu (H₂S) a k jeho kondenzaci na stěnách stok, kde dochází kvůli bakteriálnímu působení k vylučování kyseliny sírové (H₂SO₄), místy ve vysokých koncentracích. V rámci rozboru odpadní vody byly nalezeny také komplexní organické sloučeniny, mezi které se řadí například i kyselina octová, jedna z nejagresivnějších kyselin, jejíž působení má již v nízkých koncentracích zásadní vliv na trvanlivost většiny epoxidových pryskyřic. Při kombinaci těchto negativních vlivů záleží v maximální míře na korektnosti provedení stavebních prací. V závislosti na kvalitě provedení je výrazně ovlivněna životnost celého systému.

Závěr

Současné možnosti moderních stavebních materiálů a technologií jsou obrovské. S každým dalším dnem jejich vývoje se navíc otevírají nové a nové možnosti. Dokážeme chránit konstrukci mnohem lépe, postupovat rychleji, nemusíme se tolik omezovat v našich rozhodnutích a přáních. Přesto bývá moudré nezapomínat na zkušenosti generací našich předků a vždy se snažit najít tu nejefektivnější variantu řešení.

Literatura:

1. WASSERBAUER, Richard. Biologické znehodnocení staveb. Praha: ARCH, 2000. ISBN 80-86165-30-2.
2. JAKUBÍK, A.; HERMANN, R. Sanace chemicky zatížených kanalizačních objektů. In Sborník recenzovaných přednášek 28. mezinárodního sympozia SANACE 2019. 2019. s. 51–60. ISBN 978-80-214-5749-2.