Μελέτη της προστασίας των υλικών κατασκευής αγωγών αποχετευτικών δικτύων από τη διάβρωση με την εφαρμογή καινοτόμων υλικών επίστρωσης ενώσεων μαγνησίου.
Authors: Μεραχτσάκη Δόμνα 
Published: July 2022

Η σωστή λειτουργία του δικτύου αποχέτευσης αποτελεί σημαντικό μέλημα της αστικής κοινωνίας, καθώς παίζει βασικό ρόλο στη διατήρηση των συνθηκών υγιεινής μεταφέροντας τα παραγόμενα αστικά απόβλητα μακριά από τις κατοικημένες περιοχές προς τις εγκαταστάσεις επεξεργασίας των λυμάτων. Ωστόσο, το διαβρωτικό περιβάλλον που επικρατεί μέσα στους περισσότερους αγωγούς μεταφοράς υγρών αποβλήτων, μπορεί να οδηγήσει σε σοβαρή φθορά τους και τελικά σε καταστροφή των αγωγών, δημιουργώντας πολλά προβλήματα, τόσο ασφάλειας της υγείας, όσο και οικονομικά (επισκευή ή αντικατάστασή τους). Σημαντικό ρόλο στο θέμα της καταστροφής των αγωγών παίζει η Μικροβιολογικά Επηρεασμένη Διάβρωση, η οποία αποτελεί το είδος της διάβρωσης, που οφείλεται στις βιολογικές διεργασίες των μικροοργανισμών, που αναπτύσσονται στο εσωτερικό των αγωγών, και είναι υπεύθυνη κυρίως για την φθορά του σκυροδέματος, το οποίο είναι το βασικό δομικό υλικό κατασκευής των αγωγών (ιδίως μεγάλης διαμέτρου) του αποχετευτικού δικτύου. Οι μέθοδοι προστασίας του δικτύου μεταφοράς υγρών αποβλήτων διαφέρουν ανάλογα με το σύστημα αποχέτευσης και με την εμπειρία που διαθέτει η κάθε εταιρεία διαχείρισης αποβλήτων. Η χρήση προστατευτικών κατάλληλων επιστρωμάτων που εφαρμόζονται στην εσωτερική επιφάνεια των αγωγών αποτελεί μια σχετικά οικονομική μέθοδος πρόληψης ή/και αντιμετώπισης των προβλημάτων που μπορεί να δημιουργήσει η μικροβιολογική διάβρωση.Ο στόχος της παρούσας διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη επιστρωμάτων τα οποία στηρίζονται στο οξείδιο και στο υδροξείδιο του μαγνησίου ως προστατευτικά επιστρώματα για επιφάνειες σκυροδέματος, ενάντια στην διάβρωσή τους από το θειικό οξύ που παράγεται βιογενώς από τους μικροοργανισμούς, καθώς και ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών των υλικών τα οποία μπορούν να προσδώσουν τη βέλτιστη αντιδιαβρωτική ικανότητα. Ο μηχανισμός προστασίας των επιστρωμάτων αυτών βασίζεται κυρίως στην αυξημένη αλκαλικότητά τους οπότε παρεμποδίζεται η ανάπτυξη των μικροοργανισμών, καθώς και στην ικανότητά τους να αντιδρούν με το θειικό οξύ, εξουδετερώνοντας το, οπότε αποφεύγεται ο σχηματισμός ανεπιθύμητων παραπροϊόντων (π.χ. γύψος).Αρχικά, πραγματοποιήθηκαν προκαταρκτικές δοκιμές ώστε να γίνει η επιλογή της κατάλληλης μεθοδολογίας, όσον αφορά την ενίσχυση της συγκολλητικότητας των επιστρωμάτων, την εφαρμογή τους στα υποστρώματα (σκυρόδεμα, χάλυβας), την εφαρμογή κατάλληλης δοκιμής διάβρωσης και τέλος την αξιολόγηση της προστατευτικής ικανότητας των επιστρωμάτων. Το οξείδιο του μαγνησίου και η μεθυλοκυτταρίνη χρησιμοποιήθηκαν κατά τη σύνθεση των επιστρωμάτων ως πρόσθετα συγκόλλησης, καθώς οι προκαταρτικές δοκιμές έδειξαν ότι μπορούν να ενισχύσουν την συγκόλληση των επιστρωμάτων υδροξειδίου του μαγνησίου (τα οποία παρουσιάζουν μηδενική συγκόλληση) στο υπόστρωμα σκυροδέματος. Με βάση τα προκαταρκτικά πειράματα, τα επιστρώματα θα εφαρμόζονται στο υπόστρωμα με τη χρήση σπάτουλας, καθώς με τον τρόπο αυτό μπορεί να ελέγχεται η ποσότητα του επιστρώματος που εφαρμόζεται και παράλληλα θα υπάρχουν μικρότερες απώλειες υλικού επίστρωσης, σε σύγκριση για παράδειγμα με την εφαρμογή επιστρώματος με πινέλο, όπου μια μεγάλη ποσότητα υλικού επίστρωσης παγιδεύεται στις τρίχες του. Επιπλέον, η εφαρμογή επιστρώματος σε νωτισμένο υπόστρωμα σκυροδέματος, φάνηκε να βελτιώνει την συγκολλητικότητα του υλικού επίστρωσης, για το λόγο αυτό το υπόστρωμα θα διαβρέχεται πριν την εφαρμογή επιστρώματος. Στη συνέχεια, με βάση την αξιολόγηση επιλεγμένων δοκιμών διάβρωσης, η δοκιμή ψεκασμών με διάλυμα θειικού οξέος επιλέχθηκε ως η δοκιμή διάβρωσης που προσομοιάζει καλύτερα στις συνθήκες που επικρατούν μέσα σε έναν αγωγό και καθορίστηκαν οι κατάλληλες συνθήκες εφαρμογής. Συγκεκριμένα, θα εφαρμοστούν δύο επιταχυνόμενες δοκιμές ψεκασμού: α) με τη χρήση συσκευής χειρός χρησιμοποιώντας σχετικά αυξημένη συγκέντρωση θειικού οξέος (4 Μ), και β) με τη χρήση θαλάμου ψεκασμού με μικρότερη συγκέντρωση θειικού οξέος (0.2 Μ). Επιπλέον, για την αξιολόγηση της αντιδιαβρωτικής ικανότητας των υλικών έγινε επιλογή συγκεκριμένων μεθόδων με βάση την αντίστοιχη βιβλιογραφία και τα χαρακτηριστικά των υλικών. Για παράδειγμα, η τάση των υλικών αυτών να «μαλακώνουν» κατά την επαφή τους με το νερό, δεν επιτρέπει τη χρήση ορισμένων μεθόδων αξιολόγησης, όπως η τριχοειδής υδαταπορρόφηση. Οι μέθοδοι που επιλέχθηκαν στην παρούσα διδακτορική διατριβή είναι η καταγραφή των τιμών του επιφανειακού pH, η μεταβολή της μάζας του επιστρώματος, η μεταβολή του πάχους των επιστρωμάτων, η μεταβολή της επιφανειακής σκληρότητας και τραχύτητας του σκυροδέματος, και η περίθλαση ακτίνων Χ, που εφαρμόστηκε για τον έλεγχο σχηματισμού της γύψου (το κύριο προϊόν διάβρωσης του σκυροδέματος από την επίδραση του θειικού οξέος), πριν και μετά τις δοκιμές διάβρωσης.Στη συνέχεια, συντέθηκε η πρώτη σειρά επιστρωμάτων με συνδυασμό οξειδίου και υδροξειδίου του μαγνησίου, με τη χρήση του πρώτου ως ενισχυτικό συγκόλλησης αλλά και ως δραστικό συστατικό (αλκαλική ένωση), αφού αντιδρά με το θειικό οξύ. Τα επιστρώματα συντέθηκαν με διαφορετικές αναλογίες οξειδίου και υδροξειδίου του μαγνησίου (100:0, 80:20, 60:40 και 40:60, αντίστοιχα) και εφαρμόστηκαν σε κατάλληλα δοκίμια σκυροδέματος. Για λόγους σύγκρισης, μη-επιστρωμένα δοκίμια σκυροδέματος υποβλήθηκαν επίσης σε δοκιμές διάβρωσης. Από τα αποτελέσματα, προέκυψε ότι η αύξηση του ποσοστού του υδροξειδίου του μαγνησίου οδηγεί σε μείωση της συγκολλητικότητας των επιστρωμάτων στο σκυρόδεμα, ενώ δεν παίζει σημαντικό ρόλο στην αντιδιαβρωτική τους συμπεριφορά, καθώς οι διαφορές στον τελικό σχηματισμό γύψου είναι μικρές και για τα τέσσερα επιστρώματα που εξετάστηκαν. Ωστόσο, όλα τα επιστρώματα διατηρούν αυξημένη (αλκαλική) την επιφανειακή τιμή pH καθόλη την διάρκεια των δοκιμών ψεκασμού, που είναι πολύ σημαντικό χαρακτηριστικό για την παρεμπόδιση της ανάπτυξης των μικροοργανισμών. Με βάση τα αποτελέσματα, τα επιστρώματα συνδυασμού οξειδίου και υδροξειδίου του μαγνησίου φαίνεται να προστατεύουν ικανοποιητικά το υπόστρωμα σκυροδέματος, με βασικά μειονεκτήματά τους όμως την γρήγορη στερεοποίηση των πολφών (αιωρήματα μεγάλης συγκέντρωσης στερεών, 57.5% wt. στερεά) επίστρωσης και την χαμηλότερη συγκολλητικότητά τους σε σχέση με τα επιστρώματα που μελετήθηκαν στη συνέχεια.Η δεύτερη σειρά επιστρωμάτων αποτελείται από επιστρώματα που στηρίζονται σε υδροξείδια του μαγνησίου με διαφορετικά (φυσικοχημικά) χαρακτηριστικά, όσον αφορά την καθαρότητα τους, την ειδική τους επιφάνεια και την κατανομή μεγέθους των σωματιδίων τους, με την προσθήκη μεθυλοκυτταρίνης, ως ενισχυτικό συγκόλλησης. Ο στόχος ήταν να προκύψουν συμπεράσματα σχετικά με τα χαρακτηριστικά που οδηγούν σε βέλτιστες αντιδιαβρωτικές ιδιότητες των επιστρωμάτων. Κατά τις δοκιμές διάβρωσης σε θάλαμο ψεκασμού, πραγματοποιήθηκαν δοκιμές με δύο σειρές δοκιμίων: α) δοκίμια με ξηρά επιστρώματα (στέγνωσαν για 3 ημέρες σε συνθήκες εργαστηρίου) και β) δοκίμια με υγρά επιστρώματα (στέγνωσαν για 1 ώρα σε συνθήκες εργαστηρίου), ώστε να εξεταστεί η επίδραση της υγρασίας των επιστρωμάτων στην απόδοσή τους. Με βάση τα αποτελέσματα, η βέλτιστη αντιδιαβρωτική συμπεριφορά των επιστρωμάτων εξαρτάται από τον κατάλληλο συνδυασμό των ιδιοτήτων τους. Η μεγαλύτερη καθαρότητα που αντιστοιχεί και σε μεγαλύτερη δραστικότητα του αρχικού συστατικού (καυστική μαγνησία), από το οποίο προκύπτουν οι σκόνες των διαφόρων υδροξειδίων του μαγνησίου που εξετάστηκαν, φαίνεται να ευνοεί σημαντικά την προστατευτική ικανότητα των επιστρωμάτων. Επιστρώματα που προέρχονται από υλικά αυξημένης καθαρότητας διατηρούν για περισσότερο χρόνο τις αλκαλικές τιμές του επιφανειακού pH, κατά τη διάρκεια των δοκιμών ψεκασμού. Όσον αφορά την κατανομή μεγέθους σωματιδίων, προκύπτει ότι το αυξημένο μέγεθος σωματιδίων δεν ευνοεί την δραστικότητα των επιστρωμάτων και άρα μειώνει την προστασία που προσφέρουν αυτά. Η επίδραση αυτή γίνεται φανερή και από τον μειωμένο σχηματισμό θειικού μαγνησίου (εξαϋδρίτης), MgSO4 (προϊόν αντίδρασης του επιστρώματος με το θειικό οξύ που ψεκάζεται), καθώς και από τις χαμηλότερες τιμές του επιφανειακού pH. Η ειδική επιφάνεια των υλικών δε φαίνεται να παίζει ιδιαίτερο ρόλο στις αντιδιαβρωτικές τους ιδιότητες, παρά μόνο στην αντοχή των επιστρωμάτων σε εφελκυσμό (συγκολλητικότητα στο σκυρόδεμα). Όλα τα επιστρωμένα δοκίμια σκυροδέματος παρουσίασαν μηδενικό σχηματισμό γύψου κατά τη δοκιμή ψεκασμού σε θάλαμο ψεκασμού, γεγονός που επιβεβαιώνει ότι τα επιστρώματα με βάση το υδροξείδιο του μαγνησίου μπορούν να προστατεύσουν το υπόστρωμα σκυροδέματος.Με βάση τα συμπεράσματα που προέκυψαν από την αξιολόγηση των επιστρωμάτων υδροξειδίου του μαγνησίου επιλέχθηκε ένα υλικό (M2m) που συγκέντρωνε τις επιθυμητές ιδιότητες, ώστε να ερευνηθεί η προστασία που μπορεί να παρέχει σε υπόστρωμα σκυροδέματος από το θειικό οξύ. Το επίστρωμα αυτό εξετάστηκε με την ίδια μεθοδολογία που εξετάστηκαν και τα υπόλοιπα επιστρώματα. Ωστόσο, αξιολογήθηκε επίσης για την προστατευτική του ικανότητα και με μια δοκιμή ψεκασμού μεγάλης διάρκειας (4 μήνες/128 ημέρες) με τη χρήση διαλύματος θειικού οξέος μικρότερης συγκέντρωσης (0.1 Μ). Τα αποτελέσματα έδειξαν ότι το συγκεκριμένο επίστρωμα εμφανίζει ικανοποιητικές επιδόσεις, με εξαίρεση τον χαμηλό σχηματισμό εξαϋδρίτη (που αντιστοιχεί σε χαμηλότερη δραστικότητα), παρά το σχετικά μικρό μέγεθος των σωματιδίων του. Παρόλα αυτά, το επίστρωμα διατηρεί αυξημένες τιμές επιφανειακού pH και δεν παρατηρείται ο ανεπιθύμητος σχηματισμός γύψου κατά τη δοκιμή σε θάλαμο ψεκασμού. Η δοκιμή μεγάλης διάρκειας έδειξε ότι το επίστρωμα μπορεί να προστατεύσει το σκυρόδεμα για μεγάλο χρονικό διάστημα (88 ημέρες από το σύνολο των 128 ημερών), διατηρώντας επαρκώς αλκαλικό το επιφανειακό pH, ενώ ο σχηματισμός της γύψου ξεκίνησε να παρατηρείται μετά το 68.7% του υπολογιζόμενου θεωρητικού χρόνου (128 ημέρες). Τέλος, με βάση τη βιβλιογραφία και τα πειραματικά αποτελέσματα έγινε εκτίμηση της διάρκειας ζωής του επιστρώματος σε συνθήκες που συνήθως συναντώνται σε πραγματικό δίκτυο αποχέτευσης, και προέκυψε, ότι το επίστρωμα μπορεί να προστατεύσει το σκυρόδεμα για διάρκεια 9-28 μηνών ανάλογα με τις συνθήκες που επικρατούν σε κάθε δίκτυο (λιγότερο ή περισσότερο δυσμενείς, αντίστοιχα).Τα πειραματικά αποτελέσματα των επιστρωμάτων με βάση το υδροξείδιο του μαγνησίου, καθώς και του επιστρώματος που είναι 100% οξείδιο του μαγνησίου, χρησιμοποιήθηκαν στην εφαρμογή της μεθόδου πολλαπλών κριτηρίων PROMETHEE, ώστε να προκύψει η κατάταξη των επιστρωμάτων, σύμφωνα με την αποτελεσματικότητά τους για την προστασία του σκυροδέματος από τη διάβρωση. Συνολικά εξετάστηκαν τρία σενάρια: α) ψεκασμός με συσκευή χειρός, β) ψεκασμός σε θάλαμο ψεκασμού σε ξηρά επιστρώματα και γ) ψεκασμός σε θάλαμο ψεκασμού σε υγρά επιστρώματα. Στο τέλος πραγματοποιήθηκε η κατάταξη των επιστρωμάτων με βάση την επίδοσή τους για το σύνολο των σεναρίων. Ως κριτήρια σύγκρισης επιλέχθηκαν η αντοχή σε εφελκυσμό, το ποσοστό της αστοχίας συγκόλλησης Β (αστοχία συνεκτικότητας του επιστρώματος), η επιφανειακή τιμή του pH, η μεταβολή της μάζας του επιστρώματος, η επιφανειακή σκληρότητα και τραχύτητα του σκυροδέματος, ο σχηματισμός της γύψου και η μεταβολή του πάχους των επιστρωμάτων. Με βάση τα αποτελέσματα συνδυασμού των σεναρίων το βέλτιστο υλικό που εξετάστηκε προηγουμένως περιλαμβάνεται μεταξύ των τεσσάρων καλύτερων επιστρωμάτων. Ωστόσο, άλλα επιστρώματα φαίνεται να παρουσιάζουν καλύτερη θέση στην τελική κατάταξη, γεγονός που δείχνει ότι ο συνδυασμός μεγάλης καθαρότητας και μεσαίου μεγέθους σωματιδίων οδηγούν σε καλύτερα αντιδιαβρωτικά χαρακτηριστικά, σε σχέση με το μικρό μέγεθος σωματιδίων που έχει το υλικό που επιλέχθηκε ως βέλτιστο.Τέλος, ένα μικρότερο κομμάτι της διδακτορικής διατριβής αφορά την μελέτη ορισμένων επιστρωμάτων (όλα τα επιστρώματα υδροξειδίου του μαγνησίου, καθώς και το επίστρωμα του οξειδίου του μαγνησίου), όταν εφαρμόστηκαν σε μεταλλικά υποστρώματα, καθώς λίγοι αγωγοί μεταφοράς υγρών αποβλήτων (σε εκτιμώμενο ποσοστό 10% περίπου), ιδίως αυτοί μικρότερης διαμέτρου, είναι μεταλλικοί. Κατά τη μελέτη αυτή χρησιμοποιήθηκαν υποστρώματα ανοξείδωτου χάλυβα 316 και χάλυβα θερμής έλασης (hot-rolled mild steel), και υποβλήθηκαν σε δοκιμές ψεκασμού θειικού οξέος, τόσο επιστρωμένα όσο και μη-επιστρωμένα. Η αξιολόγηση της προστατευτικής ικανότητας των επιστρωμάτων έγινε με την καταγραφή της μεταβολής της μάζας των δοκιμίων, καθώς και με τη χρήση της ηλεκτροχημικής φασματοσκοπίας εμπέδησης. Από τα αποτελέσματα προέκυψε ότι ορισμένα επιστρώματα μπορούν να προστατεύσουν επίσης ικανοποιητικά και τις μεταλλικές επιφάνειες που μπορεί να υπάρχουν μέσα σε έναν αγωγό μεταφοράς υγρών αποβλήτων. Ωστόσο, στο θέμα αυτό απαιτείται επιπλέον έρευνα, ώστε να προκύψουν ασφαλέστερα αποτελέσματα.