CZ2008791A3

CZ2008791A3 - Method of deetrmnining concrete biodegradation using chemoorganotrophic microorganisms.

Info

Publication number: CZ2008791A3
Application number: CZ20080791A
Authority: CZ
Inventors: Wasserbauer@Richard; Loušová@Ivana
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta stavební
Priority date: 2008-12-08
Filing date: 2008-12-08
Publication date: 2010-06-16
Also published as: CZ304788B6

Abstract

Metoda pro stanovení biodegradace betonu chemoorganotrofními bakteriemi, kde se vzorky betonu uloží do kontrolního prostredí, které sestává z bezuhlíkatého minerálního roztoku a do prostredí infikovaného chemoorganotrofními bakteriemi, které sestává z bezuhlíkatého minerálního roztoku s prídavkem pudního výluhu pripraveného z kompostové zeme nebo z pudy, v jejíž blízkosti se nachází analyzovaná konstrukce betonu, který musí obsahovat minimálne 10.sup.6.n. mikroorganizmu v 1 ml výluhu, pricemž v prubehu minimálne 5ti a maximálne 7 dnu se merí každý den oproti kontrolním vzorkum koncentrace Ca.sup.2+.n. doplnená o pH prostredí a z namerených hodnot se stanoví odolnost vzorku betonu.A method for determining the biodegradation of concrete by chemoorganotrophic bacteria, where concrete samples are placed in a control environment consisting of carbon-free mineral solution and into an environment infected with chemoorganotrophic bacteria, which consists of a carbon-free mineral solution with the addition of soil extract prepared from the compost ground or soil in which there is an analysis of the concrete, which must contain at least 10.sup.6.n. of the microorganism in 1 ml of leachate, whereby the concentration of Ca.sup.2 + .n. supplemented with pH of the environment and the resistance of the concrete sample is determined from the measured values.

Description

Metoda pro stanovení biodegradace betonu chemoorganotrofními mikroorganizmyMethod for the determination of concrete biodegradation by chemoorganotrophic microorganisms

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká způsobu rychlého stanovení biodegradability betonů, případně dalších stavebních materiálů (opuky, pískovce, vápence) chemoorganotrofními mikroorganizmy.The invention relates to a method for the rapid determination of the biodegradability of concretes and possibly other building materials (marl, sandstone, limestone) by chemoorganotrophic microorganisms.

Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION

Dosud používané metody se zabývají především síranovou korozí, která byla z hlediska poškození betonových konstrukcí účinkem přírodních a průmyslových odpadních vod studována velmi intenzivně. V tomto směru byla vypracována řada zkušebních metod např. ASTM Cl013 (1989) urychlený test síranem sodným, případně hořečnatým, dále urychlený test s kyselinou sírovou. Tyto metody jsou schopny popsat míru znehodnocení betonu v jednotlivých agresivních prostředích.The methods used so far mainly deal with sulphate corrosion, which was studied very intensively in terms of damage to concrete structures due to natural and industrial wastewater. In this respect, a number of test methods have been developed, eg ASTM Cl013 (1989) accelerated test with sodium or magnesium sulfate, as well as an accelerated test with sulfuric acid. These methods are able to describe the degree of concrete degradation in individual aggressive environments.

Odolnost různých typů betonu byla sledována také s ohledem na vliv mikroorganizmů. I v tomto směru byly studovány především sirné bakterie a byla vyvinuta řada různých fermentorů, ve kterých byl sledován průběh biokoroze na různých typech betonových skruži kanalizačních kolektorů, většinou v závislosti na Čase. V poslední době se však ukazuje, že korozní aktivita simých bakterií se u betonových konstrukcí (nikoliv u kanalizačních kolektorů) spíše přeceňovala. Korozní změny jsou zřejmě ovlivněny především přímou transformací oxidu siřičitého na H2SO4 a nikoliv výlučně korozní aktivitou simých bakterií. Thionové bakterie jsou však i nadále nacházeny na betonových objektech, ale ve společenstvu řady dalších mikrobů (bakterie desulfurikační, denitrifikační, nitrifikační, amonizační), ve kterém většinou nehrají dominantní roli.The resistance of various types of concrete was also monitored with regard to the influence of microorganisms. Again, sulfur bacteria were studied and a number of different fermenters were developed, in which the course of biocorrosion was monitored on various types of concrete rings of sewer collectors, mostly in dependence on time. Recently, however, it has been shown that the corrosion activity of simé bacteria has been overestimated in concrete structures (not in sewage collectors). Corrosion changes are probably influenced mainly by the direct transformation of sulfur dioxide to H2SO4 and not exclusively by the corrosive activity of simulated bacteria. Thion bacteria, however, continue to be found on concrete structures, but in the community of a number of other microbes (bacteria desulfurizing, denitrifying, nitrifying, ammonizing), in which they mostly do not play a dominant role.

Studium biodegradace v fermentorech však ztrácí smysl v případě, že má být stanovena rezistence betonu v půdě, či v atmosférických podmínkách. Zde se uplatňuji chemoorganotroíní mikroorganizmy, které se na povrchových nerovnostech vlhkého betonu rozvíjí na částečkách země, špíny a prachu. Metodika, která by jednoduchým způsobem a bez náročných analytických operací postihla korozní vliv těchto organizmů, nebyla dosud zpracována, i když synergický vliv chemoorganotrofních bakterií na síranovou korozi je znám • · ·· • · «· • · · ·» ·*9« a v příslušných publikacích opakovaně zmiňován.However, the study of biodegradation in fermenters is meaningless if the resistance of the concrete in soil or atmospheric conditions is to be determined. Chemoorganotropic microorganisms, which develop on the surface irregularities of wet concrete, develop on the ground, dirt and dust particles. A methodology that would easily affect the corrosive effect of these organisms in a simple way and without any complex analytical operations has not been developed yet, although the synergistic effect of chemoorganotrophic bacteria on sulphate corrosion is known. in relevant publications repeatedly mentioned.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nedostatky jsou odstraněny metodou pro stanovení biodegradace betonu chemoorganotrofními mikroorganizmy podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že se vzorky betonu uloží do kontrolního prostředí, které sestává z bezuhlíkatého minerálního roztoku a do prostředí infikovaného chemoorganotrofními bakteriemi, které sestává z bezuhlíkatého minerálního roztoku s přídavkem půdního výluhu připraveného z kompostové země nebo z půdy, v jejíž blízkosti se nachází analyzovaná konstrukce betonu, který musí obsahovat minimálně 10⁶ mikroorganizmů v lml výluhu, přičemž v průběhu minimálně 5ti a maximálně 7 dnů se měří každý den oproti kontrolním vzorkům koncentrace Ca doplněná o pH prostředí a z naměřených hodnot se stanoví odolnost vzorků betonu.The above drawbacks are overcome by the method for determining the biodegradation of concrete by chemoorganotrophic microorganisms according to the invention, which consists in placing the concrete samples in a control medium consisting of a carbon-free mineral solution and in a medium infected with chemoorganotrophic bacteria. addition of soil extract prepared from compost ground or from soil in the vicinity of the analyzed concrete structure, which must contain a minimum of 10 ⁶ microorganisms in 1 ml of leachate, with daily measurements over a minimum of 5 and a maximum of 7 days o The pH of the environment and the measured values determine the resistance of the concrete samples.

Vzorky betonu se s výhodou uloží do kontrolního prostředí, které sestává z bezuhlíkatého minerálního roztoku chráněného přídavkem Ajatinu a do prostředí infikovaného chemoorganotrofními bakteriemi, které sestává z bezuhlíkatého minerálního roztoku s jednorázovým přídavkem 0,005% hmotn. peptonu, vztaženo na 100 ml minerálního roztoku a s přídavkem půdního výluhu připraveného z kompostové země nebo z půdy, v jejíž blízkosti se nachází analyzovaná konstrukce betonu, který musí obsahovat minimálně 10⁶mikroorganizmů v lml výluhu, v množství 1 ml výluhu, vztaženo na každých 100 ml minerálního roztoku, a s každodenními přídavky 0,02% hmotn. glukózy vztaženo na 100 ml minerálního roztoku a přičemž v průběhu minimálně 5ti a maximálně 7 dnů se měří každý den oproti kontrolnímu prostředí, koncentrace Ca²⁺doplněná o pH prostředí infikovaného chemoorganotrofhími bakteriemi a z naměřených hodnot se stanoví odolnost vzorků betonu tak, že pokud koncentrace Ca²⁺ překročí u infikovaného prostředí, oproti kontrolnímu prostředí 10 % a pH infikovaného prostředí poklesne víc než o dva stupně, je daný beton neodolný proti biologické korozi působené chemoorganotrofními bakteriemi.The concrete samples are preferably placed in a control medium consisting of a carbonate-free mineral solution protected by the addition of Ajatin and in a medium infected with chemoorganotrophic bacteria, which consists of a carbon-free mineral solution with a single addition of 0.005% by weight. peptone, based on 100 ml of mineral solution and with the addition of a soil extract prepared from compost ground or from soil in the vicinity of the concrete structure to be analyzed, which must contain at least 10 ⁶ microorganisms per ml of extract, in 1 ml extract per 100 ml of mineral solution, and with daily additions of 0.02 wt. of glucose based on 100 ml of mineral solution and, during a minimum of 5 and a maximum of 7 days, the Ca ²⁺ concentration, supplemented by the pH of the environment infected with chemoorganotrophic bacteria, is measured every day against the control medium. ²⁺ exceeds the infected environment, compared to the control environment by 10% and the pH of the infected environment drops more than two degrees, the concrete is resistant to biological corrosion caused by chemoorganotrophic bacteria.

Bezuhlíkatý minerální roztok obsahuje KH2PO4 0,lg, K2HPO4 0,1 g, MgSCL 0,3g, 0,5g, FeSCL stopy, ve 1000 ml destilované vody, a je upraven 0,1Ν KOH na pH 7,5.The carbon-free mineral solution contains KH2PO4 0.1g, K2HPO4 0.1g, MgSCL 0.3g, 0.5g, FeSCL trace, in 1000 ml distilled water, and is adjusted to pH 7.5 with 0.1Ν KOH.

Vynález se opírá o poznatek, podle kterého chemoorganotrofní bakterie působí kyselinovou korozi, která je známá, jak v chemických provozech, tak i v zemědělství. Ve vlhkých betonových konstrukcích bakterie vytváří kyselinu octovou, mravenčí, propionovou, citrónovou, glukonovou, šťavelovou a řadu dalších kyselin trikarbonového cyklu. Protože kyseliny reagují především s Ca(OH)₂ a posléze i s hydrosilikáty a hydroalumináty Ca za vzniku vápenných solí, je zřejmé, že rychlost koroze betonu bude záviset zejména na rozpustnosti těchto Ca solí a na chování vrstvy vzniklých korozních produktů. Koroze postupuje tím rychleji, čím jsou vznikající reakční produkty rozpustnější a čím rychleji jsou při kondenzaci vodní páry z hmoty betonu vymývány.The invention is based on the finding that chemoorganotrophic bacteria cause acid corrosion, which is known both in chemical plants and in agriculture. In damp concrete structures, bacteria form acetic, formic, propionic, citric, gluconic, oxalic and many other tricarbon acids. Since acids react primarily with Ca (OH) ₂ and later with Ca hydrosilicates and hydroaluminates to form calcium salts, it is clear that the corrosion rate of concrete will depend mainly on the solubility of these Ca salts and on the layer behavior of the resulting corrosion products. The corrosion progresses faster the more soluble the reaction products formed and the faster they are washed out of the concrete mass during the condensation of water vapor.

Způsob provedení metody je patrný z následujícího příkladu.The method is shown in the following example.

Příklad provedeníExemplary embodiment

Velikost vzorků betonu se řídí velikosti zkušebních nádob. Doporučují se rozměry 50x50x50 mm až lOOxlOOxlOOmm, avšak je možné použít i další (větší) rozměry zkušebních vzorků. Podstatné je, že jak kontrolní, tak zkušební vzorky musí být stejné, rovněž tak zkušební nádoby a objem kontrolního a zkušebního, infikovaného prostředí, ve kterém musí být vzorky zcela ponořeny. Poměr objemu zkušebních vzorků k objemu prostředí by měl být 1:10.The size of the concrete samples depends on the size of the test vessels. 50x50x50mm to 100x100x100x100mm are recommended, but other (larger) test specimen sizes may be used. Essentially, both control and test specimens must be the same as well as the test vessels and the volume of the control and test, infected environment in which the specimens must be fully immersed. The ratio of test volume to volume should be 1:10.

Stárnutí čerstvých vzorků betonu (snížení pH výluhu betonu na 8) se provede varem s 2N HC1 nebo několikanásobnou expozicí betonu v autoklávu při teplotě 120 °C po dobu minimálně 2 hodin. Pokud se zkouší vzorky , které již byly exponované na stavbě v půdních podmínkách, či v atmosféře, není většinou dodatečné stárnutí nutné. Doporučuje se však před zkouškou vždy ověřit pH vodného výluhu betonu, které nesmí být vyšší než 8.Aging of fresh concrete samples (lowering the pH of the concrete leach to 8) is done by boiling with 2N HCl or multiple exposure of the concrete in an autoclave at 120 ° C for at least 2 hours. If samples that have already been exposed to the site under soil or atmosphere conditions are tested, an additional aging is usually not necessary. However, it is recommended that the pH of the aqueous leachate of the concrete should not be higher than 8 before testing.

Půdní výluh pro zaočkování zkušebního prostředí infikovaného chemoorganotrofními bakteriemi se připraví buď z kompostové země, pokud zkouška probíhá u nově vyvinutých betonů nebo z půdy, v jejíž blízkosti se nachází analyzovaná konstrukce. Pro přípravu půdního výluhu se použije zem upravená sítem na velikost zrna 2 mm. Na 100 ml H₂O destilované vody se naváží lg upravené země. Po rozmícháni se suspenze nechá usadit a přefiltruje přes skleněný filtrační kelímek s fritou, velikost 2 až 3. U chudých a písčitých půd se pod fluorescenčním mikroskopem odhadne množství bakterií v 1 ml výluhu. Pro rozlišení živých a mrtvých bakterií se použije roztok akridinové oranže (ředění 1: 10 000), živé mikroby světélkují zeleně.U kompostové země, omice a travnatých půd tato příprava odpadá.The soil extract for inoculation of the test medium infected with chemoorganotrophic bacteria shall be prepared either from compost ground, if the test is carried out on newly developed concretes or from soil adjacent to the structure to be analyzed. For the preparation of the soil extract, sieve ground to a grain size of 2 mm is used. For 100 ml of H ₂ O distilled water are weighed Ig treated ground. After mixing, the suspension is allowed to settle and filtered through a sintered glass crucible, size 2 to 3. For poor and sandy soils, the amount of bacteria in 1 ml of extract is estimated under a fluorescent microscope. Acridine orange solution (1: 10,000 dilution) is used to differentiate live and dead bacteria, the live microbes fluoresce green. For composting ground, omice and grass soils, this preparation is not required.

Jako kontrolní prostředí se použije následující bezuhlíkatý minerální roztok :The following carbon-free mineral solution is used as the control medium:

KH₂PO₄ 0,1 g, K₂HPO₄ 0,lg, MgSO₄ 0,3g, (NH₄)₂SO₄ 0,5g, FeSO₄ stopy, destilovaná • φ · * φ*KH ₂ PO ₄ 0.1 g, K ₂ HPO ₄ 0, 1g, MgSO ₄ 0.3g, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ 0.5g, FeSO ₄ feet, distilled • φ · * φ *

voda lOOOml, na pH 7,5 se půda upraví O,1N KOH. Jeho sterilita se udržuje přídavkem Ajatinu.water is 100 ml, pH 7.5 is adjusted with 0.1N KOH. Its sterility is maintained by the addition of Ajatin.

Zaočkování celé zkušební sestavy (nádoby, vzorky, prostředí) infikované chemoorganotrofhími bakteriemi se provede v závislosti na objemu prostředí. Na 100 ml prostředí se použije 1 ml půdního výluhu. Současně se přidá 0,02% hmotn. glukosy a 0,005% hmotn. peptonu jako startér růstu. Kontrolní prostředí se neinokuluje, nepřidává se pepton ani glukosa, sterilita se udržuje přídavkem Ajatinu. Přídavek glukosy u zkušební sestavy imituje snadno přístupný zdroj uhlíku.Inoculation of the entire test kit (containers, samples, environment) infected with chemoorganotrophic bacteria is performed depending on the volume of the medium. Use 1 ml of soil extract per 100 ml medium. 0.02 wt. % glucose and 0.005 wt. peptone as a starter for growth. Control medium is not inoculated, peptone and glucose are not added, and sterility is maintained by addition of Ajatin. The addition of glucose to the test kit imitates an easily accessible carbon source.

Obě sestavy, kontrolní a zkušební se umístí do termostatu. Teplota kultivace 27 ± 2°C, doba zkoušky 5 až 7 dnů. V průběhu zkoušky se do prostředí zkušební sestavy každý den přidá 0,02% hmotn. glukosy. Další inokulace se neprovádí.Both control and test assemblies are placed in the thermostat. Culture temperature 27 ± 2 ° C, test time 5 to 7 days. During the test, 0.02 wt. glucose. No further inoculation is performed.

V průběhu celé expozice se každý den měří buď iontově selektivními elektrodami nebo kolorimetricky koncentrace Ca v obou prostředích. Současně se stanoví potenciometricky také pH prostředí. Pokud koncentrace Ca²⁺ překročí u infikovaných oproti kontrolním vzorkům 10% a pH prostředí poklesne víc než o dva stupně, je daný beton neodolný proti biologické korozi působené chemoorganotrofními bakteriemi.Throughout the entire exposure, either ion-selective electrodes or colorimetric Ca concentrations in both environments are measured daily. At the same time, the pH of the medium is determined potentiometrically. If the Ca ²⁺ concentration in infected subjects exceeds 10% compared to control samples and the pH of the environment drops more than two degrees, the concrete is resistant to biological corrosion caused by chemoorganotrophic bacteria.

Uvedený zkušební postup je snadno aplikovatelný i na další anorganické stavební materiály, zejména na pískovce, vápence a opuky.The test procedure is readily applicable to other inorganic building materials, in particular sandstone, limestone and marlwood.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Metoda pro stanovení biodegradace betonu chemoorganotrofhími mikroorganizmy podle vynálezu je využitelná i na další anorganické stavební materiály, zejména na pískovce, vápence a opuky. Je využitelná především ve stavebnictví.The method for determining the biodegradation of concrete by the chemoorganotrophic microorganisms of the invention is also applicable to other inorganic building materials, in particular sandstone, limestone and marlwood. It is particularly useful in the construction industry.

Claims

PATENT CLAIMS

Method for determining the biodegradation of concrete by chemoorganotrophic bacteria, characterized in that the concrete samples are placed in a control medium consisting of a carbon-free mineral solution and in a medium infected with chemoorganotropic bacteria consisting of a non-carbonated mineral solution with soil leachate prepared from compost ground; from soil in the vicinity of which is analyzed concrete structure, which must contain at least 10 ⁶ microorganisms in 1 ml leachate, where during a minimum of 5 and a maximum of 7 days every day compared to control samples Ca ²⁺ supplemented with environmental pH and measured values the resistance of concrete samples is determined.

Method according to claim 1, characterized in that the concrete samples are placed in a control medium consisting of a carbon-free mineral solution according to claim 2 protected by the addition of Ajatin and in a medium infected with chemoorganotrophic bacteria consisting of a carbon-free mineral solution with 0.02% daily additions. % by weight, glucose and a single addition of 0.005 wt. peptone, based on 100 ml of mineral solution and with the addition of 1 ml of soil extract per 100 ml of mineral solution prepared from compost ground or from soil in the vicinity of the analyzed concrete structure, which must contain at least 10 ⁶ microorganisms per ml of leachate; a minimum of 5 days and a maximum of 7 days is measured every day against control sterile Ca ²⁺ samples supplemented with the pH of the environment and the measured values determine the resistance of concrete samples so that if the Ca ²⁺ concentration exceeds infected, 10% and pH media drops more than two degrees, the concrete is resistant to biological corrosion caused by chemoorganotrophic bacteria.

Method according to claims 1 and 2, characterized in that the carbon-free mineral solution contains KH ₂ PO ₄ 0.1 g, K ₂ HPO ₄ 0.1 g, MgSO ₄ 0.3g, (NH ₄ ) ₂ SO ₄ 0.5g FeSO ₄ feet, in 1000 ml of distilled water, and is adjusted to pH 7.5 with 0.1Ν KOH.

Use of the method according to claims 1 to 3 for inorganic building materials, in particular on sandstones, limestone and marlstones.