O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etontechnologiecement 1999 7Biogene zwavelzuuraantasting iseen kenmerkend schadefeno-meen voor cementgebonden rio-leringsbuizen. Het meest alge-meen bekende schadegeval is deaantasting van de rioleringsbuisna de uitmonding van een pers-leiding in een gravitaire leiding.Een verandering in de beleids-voering van het afvalwater methemelwater, zoals het afkoppe-len van beken en grachten, hetverzamelen van afvalwater entransporteren over langereafstanden, zal echter mogelijk inde toekomst leiden tot eenzwaardere aantasting of tot ande-re locaties van aantasting tengevolge van het minder verdundzijn van het afvalwater. Dit kanweer een hoger gehalte aanonder meer sulfaten, nutri?ntenen mogelijk ook een hogere tem-peratuur tot gevolg hebben. Dezeparameters spelen een belangrij-ke rol in het aantastingsproces.H e t s c h a d e m e c h a n i s m eHet schademechanisme bij bio-gene zwavelzuuraantasting (fig. 1)is vrij goed gekend [1,2, 3]. Het isopgebouwd uit een reeks proces-sen waarbij geoxideerde zwavel-verbindingen, aanwezig in hetafvalwater, door verschillendebacteri?n worden omgezet totzwavelzuur op het oppervlak vanhet cementgebonden materiaal.Dit zwavelzuur tast de cement-steen aan, waardoor het materiaalzijn sterkte en samenhang ver-liest. Vier processen kunnenworden onderscheiden:- omzetting van zwavelver-bindingen in het rioolwaternaar sulfiden door ana?robebacteri?n;- ontgassing van het rioolwater,waarbij de overdracht plaats-heeft van de sulfideverbin-dingen die in het water zijnopgelost naar gasvorm in derioolatmosfeer;- omzetting van de sulfidennaar zwavelzuur door a?robebacteri?n, die zich op de voch-tige wanden van de buis bovenhet gemiddelde waterpeilbevinden;- aantasting van de cementsteendoor het geconcentreerde zwa-velzuur bij een pH-waarde diebeneden 1 kan dalen.Verschillendeparameterszijnvanbelang bij dit proces. Een over-zicht wordt hierna gegeven.Stap 1: Reductie van sulfatennaar sulfidenDe eerste stap betreft de reductievan sulfaten, die in het afvalwateraanwezigzijn,naarsulfiden.Dezereductie heeft onder ana?robeomstandigheden plaats in deslijmlaag die zich hoofdzakelijkonder water op de wand van hetriool bevindt. Om de reductie vansulfaten naar sulfiden mogelijk temaken, moeten enkele voorwaar-den vervuld zijn. Allereerst is eenana?robe omgeving van belangom een re-oxidatie te vermijden.Daarnaast moeten sulfaten ennutri?nten, noodzakelijk voor deBiogene zwavelzuuraantastingir.A.Beeldens, Katholieke Universiteit Leuven, Departement BurgerlijkeBouwkunde, Laboratorium ReyntjensBiogene zwavelzuuraantasting (BZA) is een schadefenomeen dat zich voor-namelijk voordoet in rioleringen bestaande uit cementgebonden buizen. Eenbekend fenomeen in dit kader is de aantasting aan de overgang van een pers-leiding in een gravitaire (vrij verval) leiding. Om corrosie ten gevolge van bio-geen zwavelzuur te vermijden, moeten aan het einde van een persleidingmaatregelen worden genomen. De vraag blijft evenwel hoe: moeten allecementgebonden buizen in deze `gevaarlijke' zone worden vermeden of kaneen beroep worden gedaan op zogenoemde `verbeterde' cementbetonbuizendoor bijvoorbeeld polymeermodificatie? Alvorens deze mogelijkheid uiteen tezetten wordt zeer summier het probleem van biogene zwavelzuuraantastinguitgelegd en worden de verschillende stappen met de daarbij horende para-meters uiteengezet. Tevens wordt kort een re?el schadegeval onder de loepgenomen.1 | Principeschets van BZAAan de totstandkoming van dit artikel is meegewerkt door:J. Monteny, L.Taerwe, Universiteit Gent, Departement Burgerlijke Bouwkunde,Laboratorium Magnel voor betononderzoek. E. Vincke, W. Verstraete, Universiteit Gent,Faculteit Landbouwkundige en toegepaste biologische wetenschappen, Laboratoriumvoor microbi?le ecologie en technologie. N. De Belie, Katholieke Universiteit Leuven,Faculteit Landbouwkundige en toegepaste biologische wetenschappen, DepartementAgrotechniek en -economie. D. Van Gemert, Katholieke Universiteit Leuven,Departement Burgerlijke Bouwkunde, Laboratorium Reyntjens.70O n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etontechnologiecement 1999 7 71groei van de bacteri?n, in het af-valwater aanwezig zijn. De ana?-robie van het afvalwater wordthoofdzakelijk bepaald door hetgehalte aan zuurstof in het afval-water, de beluchting van het riool,de temperatuur, de stroomsnel-heid van het afvalwater en de ver-blijftijd van het water in het riool.Stap 2: Ontgassing van het riool-water naar de rioolatmosfeerZodra de sulfiden in de slijmlaagonder water gevormd zijn, zullenzijovergaannaarhetafvalwaterinde vorm van waterstofsulfide(H2S). Afhankelijk van de pH vanhet afvalwater zal het H2S voor-komen in ge?oniseerde vorm HS?of in niet-ge?oniseerde vorm H2S.Alleen het niet-ge?oniseerde H2Skan naar de rioolatmosfeer ont-snappen. Deze overgang is op-nieuw afhankelijk van de tempe-ratuur van het afvalwater, destroomsnelheid en het gehalteaan sulfiden, maar tevens ook vande grootte van het overgangsop-pervlak water-gasfase, van devorm van de rioolbuis en vande stroomsnelheid van het afval-water, waarbij hevige turbulentieeen grote ontgassing tot gevolgheeft.Stap 3: Re-oxidatie van de sulfidentot zwavelzuurHet waterstofsulfidegas aanwe-zig in de rioolatmosfeer wordt opzijn beurt opnieuw geoxideerd totzwavelzuur (H2SO4) door a?robebacteri?n die zich in de condens-laag op de buiswand boven hetgemiddelde waterniveau bevin-den. Door de vorming van hetzwavelzuur zal de pH-waarde vanhetcondenswaterzeersterkdalenen zal bijgevolg de cementsteenaan zeer sterke erosie wordenblootgesteld. Afhankelijk van depH-waarde van het condenswaterkomt een verschillend type bacte-rie voor. Bij pH-waarden lagerdan 5 is Thiobacillus thiooxidansactief. Deze bacterie groeit enwerkt optimaal bij pH-waardentussen1en2enoverleeftzelfsnogbij pH-waarden gelijk aan 0,1 [4].Stap 4: Aantasting van decementsteenDeuiteindelijkeaantastingvandecementsteen heeft plaats door uit-loging, ionenuitwisseling of dooreen zwelreactie. De meest voor-komende zwelreactie is de vor-ming van ettringiet, waarbij C3Awordt gebonden met het sulfaatter vorming van staafvormigekristallen.Deverbindingenbevat-ten tot 32 moleculen water, wateen grote volumetoename metzich brengt. Een andere vorm vanaantastingisdevormingvangips-kristallen (CaSO4). Ook de vor-mingvanCa(OH)2kristallenkomtvoor bij BZA.Hierdoor lost het Caop uit de cementsteen, waardoorhet beton zijn sterkte en samen-hangverliest.Uitonderzoekblijktdat deze laatste vormen van aan-tasting niet kunnen worden ver-meden door het gebruik van eencement met een laag C3A gehalte,wat wel een oplossing biedt tegende vorming van ettringiet.L a b o r a t o r i u m o n d e r z o e kAlvorens in te gaan op de invloedvan polymeermodificatie op deeigenschappen en de structuurvan mortel of beton, wordt eenkort overzicht gegeven van deproeven om de duurzaamheidvan beton tegen BZA te testen.Algemeen kunnen de proevenworden opgedeeld in drie groe-pen: chemische testen, simula-tietesten en in-situ-testen [5].De chemische weerstand vanbeton kan worden getest op tweemanieren. Allereerst kan hetmateriaal worden blootgesteldaan een realistische concentratievan agressieve zuren of zouten,waarbij de schade wordt opgeme-ten aan de hand van gewichts-verandering, volumeveranderingof sterkteverandering. Een extra-polatie van de resultaten naar lan-gere blootstellingstijden is nodig.Daarnaast kan de duurzaamheidvan het materiaal ook wordengetest aan de hand van versneldecorrosietesten. Hiervoor bestaanverschillende mogelijkheden, zo-als een verhoging van de concen-tratie van het zuur of het zout inde oplossing, een verhoging vande temperatuur, aanpassing vande vorm van het proefstuk om tekomen tot een groter blootgesteldoppervlak, toepassen van bevoch-tigings- en drogingscycli, waar-door het kristallisatie-effect ver-groot wordt, of een combinatievan deze methodes. Door het toe-passen van een versnelde corro-sietest kan de volledige levens-duur van het materiaal wordenbepaald.Chemische testenChemische testen bestaan voor-namelijk uit gedeeltelijke of volle-digeonderdompelingstesten.Bio-gene zwavelzuuraantasting kanechter niet volledig door dezeonderdompelingstesten wordengesimuleerd. Een zeer belangrijkaspect van het aantastingsmecha-nisme, namelijk de aanwezigheidvan bacteri?n, ontbreekt in dezeopstelling. Door de onderdompe-lingsproeven wordt schade voor-namelijk veroorzaakt door kristal-groei, in het bijzonder wanneerdrogings- en bevochtigingscycliworden toegepast. Bij deze proe-venvertonendeproefstukkenaan-gemaakt met HSR-cement (hoogsulfaatbestendig) vaak goede re-sultaten, door het lage gehalte aanC3A en daardoor beperkte ettrin-gietvorming. Simulatieproevenen in-situ proeven tonen echteraan dat ook HSR-cement onder-hevig is aan BZA, waarbij het Cauit de cementsteen oplost tervorming van gips- (CaSO4) of cal-2 | SEM-beeld van eenge?tst proefstuk met 10%acryl polymeeremulsieO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etontechnologiecement 1999 772ciumhydroxidekristallen [Ca(OH)2].De invloed van de bacteri?n is bij-gevolg niet te verwaarlozen.SimulatietestenSimulatietesten worden veelal uit-gevoerd in een simulatiekamer,waarbij de re?le rioolatmosfeerwordt nagebootst. Het meest be-kend zijn de testen die aan de uni-versiteit van Hamburg werdenuitgevoerd. Het voordeel vansimulatietesten is dat de invloedvan verschillende parameters vrijnauwkeurig kan worden nage-gaan. Een nadeel is echter delange duur van de proeven.In-situ-testenEen derde type testen zijn in-situtesten,waarproefstukkeninBZA-gevoelige delen van de rioleringworden geplaatst. Deze testengeven de werkelijke aantastingweer, maar kunnen niet wordenversneld. Een grote extrapolatie isnodig om de werkelijke levens-duur van het materiaal te bepalen.Andere mogelijkheden ter bepa-ling van de duurzaamheid van hetmateriaal in de aanwezigheid vanbacteri?n worden onderzocht. Zoworden veelbelovende resultatengeboekt met de methode waarbijeen pasta op het materiaal wordtaangebracht of het proefstuk ineenbacteriesuspensiewordtonder-gedompeld. Deze pasta bevatnaast bacteri?n ook nutri?nten ensulfiden. Bacteri?n zijn verant-woordelijk voor de omzetting vansulfiden naar zwavelzuur.In het project worden bestaandeen nieuw ontwikkelde testmetho-des vergeleken en aangepast omzo te komen tot representatieveresultaten voor biogene zwavel-zuuraantasting binnen een be-perkte tijdsspanne.P o l y m e e r m o d i f i c a t i eModificatie met polymeren biedteen mogelijkheid om zowel demechanische eigenschappen, inhetbijzonderdetreksterkte,alsdeduurzaamheid te verbeteren zon-der dat noemenswaardige veran-deringen in het productieprocesmoeten worden doorgevoerd.De invloed van polymeermodifi-catie is tweeledig: enerzijds wor-den de microscheuren overbrugddoor polymeerfilm (foto 2) en ont-staat een sterkere binding tussende cementhydraten en de granu-laten; anderzijds zal door toevoe-ging van polymeren de groottevan de pori?n afnemen, wat eenpositieve invloed heeft op deduurzaamheid van het materiaal.Tevens blijken sommige poly-meren de kristalgroei van decementhydraten te verminderen,zodanig dat een meer amorfestructuur wordt verkregen, wat desterkte van het materiaal ver-hoogt. Het belang en de invloedvan de minimale filmvormings-temperatuur (MFFT) is nog nietondubbelzinnig bepaald. Onder-zoeknaardeinvloedvandeMFFTop de eigenschappen en de struc-tuur van gemodificeerde mortelen beton is lopende [6].De proeven die tot op heden zijnuitgevoerd ter bepaling van deduurzaamheid van polymeer-gemodificeerde mortel of betontegen biogene zwavelzuuraantas-ting, toonden aan dat polymeer-modificatie inderdaad de struc-tuur van het materiaal wijzigt,waarbij verminderde kristalgroei,zowel bij niet-aangetast als bijaangetastmateriaalmerkbaarwas.Het proefprogramma is echternog niet ver genoeg gevorderd omduidelijke resultaten weer tegeven.R e ? e l s c h a d e g e v a l :c o l l e c t o r O o s t e n d eEen kenmerkend schadegeval isde collector, vertrekkende van hetpompstation van Raversijde inOostende, gelegen aan de Belgi-sche kust (fig. 3). In het pompsta-tion komen onder meer tweepersleidingenaan,dieovereenaf-stand van 5 km het afvalwatervervoeren van de nabijgelegenbadplaats Middelkerke. Na hetpompstation komt het waterterecht in een collector (? 1 m).Deze collector maakt na 50 m eenbocht van 90? en loopt vervolgensparallel met de straat over eenafstand van 300 m. Omwille vanoverbelasting van de verdergele-gen buis is op die plaats eennieuweaansluitinggemaaktondereen hoek van 90?.De collector is gedurende twintigjaar in dienst, de nieuwe buisgedurende ??n jaar. Ter hoogte3 | Situering gravitaireleiding4 | Schadebeeld rioleringsbuis onmiddellijk na pompstationO n d e r z o e k & t e c h n o l o g i eB etontechnologiecement 1999 7 73van de eerste bocht is schadeopgemeten tot 20 mm voorbij dewapening(aantastingsdiepte:40?50mm).Terhoogtevandegemid-delde waterhoogte is de wapeningvolledig blootgelegd en zijn deaangetaste delen weggespoeld.Bovenaan de buis is het aange-taste beton terug te vinden in devorm van een witte pasta, die opeenvoudigewijzekanwordenver-wijderd. Het beton heeft over deaangetaste diepte volledig zijnsterkte en samenhang verloren(foto 4).Denieuwebuisvertoontnoggeenaantasting.Welisdeaantastinginde nieuwe betonnen inspectieputreeds over enkele mm gevorderd.Op deze plaats is ook de aantas-ting aan de oude buis (foto 5), diein de inspectieput uitmondt,groter dan bijvoorbeeld op 150 mv??r de inspectieput. Dit is tewijten aan de turbulentie dieoptreedt ter hoogte van de bochtvan 90?. Dit wijst erop dat zeker inhet geval dat turbulentie aan-wezig is, extra maatregelen tegenBZA moeten worden genomen,zelfs op een afstand verder dan200 m voorbij het uitmonden vaneen persleiding.B e s l u i tBiogene zwavelzuuraantasting iseen schadefenomeen dat zichvoordoetbijcementgebondenrio-leringsbuizen. Doordeinwerkingvan ana?robe en a?robe bacteri?nworden geoxideerde zwavelver-bindingen omgezet tot zwavel-zuur in de condenslaag op debetonnen buis boven de gemid-delde waterhoogte. Uit reeds ge-voerde onderzoeken blijkt hetgebruik van sulfaatbestendigecementen niet voldoende te zijnom de aantasting tegen te gaan.De inwerking van de bacteri?nspeelt hierbij een belangrijke rol.In een interuniversitair project,lopende aan de universiteitenvan Leuven en Gent, wordt onder-zocht of het gebruik van poly-meergemodificeerdbetonalsbuis-materiaal een oplossing kanbieden tegen BZA. Door de aan-wezigheid van polymeerfilm encementhydraten worden eendichtere structuur en een betereduurzaamheid verkregen.De studie van re?le schade-gevallen toont aan dat BZA zichin de huidige situatie voorname-lijk voordoet na de uitmondingvan persleidingen of volledig ge-vulde leidingen in gravitaire,deels gevulde leidingen. Hieraanis de aanwezigheid van turbulen-tie debet. Zelfs op een langereafstand(300m)nahetuitmondenvan de persleidingen moetenvoorzorgen worden genomen omaantasting te vermijden, in hetbijzonder op plaatsen waar turbu-lentie aanwezig is. sL i t e r a t u u r1. Pomeroy, R.D., The problemof hydrogen sulphide insewers. John Taylor & Sons,London, 1976.2. Polder, R.B., J.F.M.Haasse,Sulfidevorming in perslei-dingen. H2O (21), 1988 nr.183. Polder, R.B., J.F.M.Haasse,A.C.A. van Mechelen, Sulfide-vorming in persleidingen.TNO-rapport 61.4.3010, 1989.4. Vincke E., J.Monteny, A.Beel-dens, N.De Belie, L.Taerwe,D.Van Gemert, W.Verstraete,Recent developments in theresearch on biogenic sulfuricacid attack of concrete. Lens,P. & Pull, L.H. (eds.). Biotech-nological Treatment ofSulphur Pollution. IAWQ(International Association ofwater quality), The Nether-lands.5. Monteny, J., E.Vincke, A.Beel-dens, N.De Belie, L.Taerwe,W.Verstraete, D.Van Gemert,Chemical, microbiological andin situ test methods for bioge-nic sulfuric acid corrosion ofconcrete. Cement and ConcreteResearch. Ingediend voorpublicatie.6. Beeldens, A., J.Monteny,E.Vincke, N.De Belie, Influ-ence of polymer type on thestructure of polymer modifiedcement mortar. Proceedingsof the 21st InternationalConference on cement micro-scopy (CDROM), Las Vegas,1999.D a n k b e t u i g i n gDit onderzoek loopt in het kadervan een project gesteund door hetFonds voor WetenschappelijkOnderzoek. Dit project is gestartin januari 1998 voor een periodevan vier jaar. De auteurs wensenhet F.W.O. te danken voor desteun. Dr.ir.N.De Belie wenst hetF.W.O. te danken voor haarpostdoctoralebeurs.Ir.J.Montenydankt het I.W.T. voor de steun.5 | Schadebeeld oude rioleringsbuis bij aansluiting nieuwe buis