SKADER PÅ BETONGKONSTRUKSJONER I GJØSELKJELLERE

Transkript

1 Side 1 av 6 BRUK AV MIKROKALK I GJØDSELKJELLERE/-BINGER FOR HEVING AV PH/REDUKSJON AV H2S-GASS OG REDUSERTE BETONGSKADER Rapporten tar utgangspunkt i undersøkelser gjort av bla. NLH og Sintef, og deres dokumentasjon av skader på gjødselkjellere. Diss skadene er beregnet til 5 milliarder kroner for hele Norge. Rapporten er skrevet på oppdrag for Franzefoss Kalk AS av Øyvind Tryland/Kjemi Konsult. Fullstendig rapport kan fås ved henvendelse til Franzefoss Kalk AS. Ved en svak ph-heving i husdyrgjødsel med Mikrokalk, som består at finfordelt kalsiumkarbonat, vil man kunne redusere mengden hydrogensulfid som avgis til luftrommet over gjødselen. Dette skyldes at mengden molekylært hydrogensulfid som finnes i gjødselen omdannes til hydrogensulfidion (HS - ) ved ph-økning i den vandige løsningen. Dette reduserer muligheten for at hydrogensulfid skal adsorberes i fuktighet på tak og dragere, hvilket betyr redusert risiko for kjemisk angrep av svovelsyre på betong. Videre vil det være mindre risiko for oppløsning av jern i armering og dragere på grunn av korrosjon. Foruten å redusere skader på bygningskonstruksjoner vil tilsetningen av det finkornede kalksteinsmelet også kunne redusere mengden av luktstoffer som avgis fra gjødselen. Som forebyggende tiltak for å unngå skader på betong, dragere og armering, anbefales det å tilsette 1 % Mikrokalk til husdyrgjødsel. Tilsetningen bør foregå ukentlig ved manuell dosering fra sekk. INNHOLD SKADER PÅ BETONGKONSTRUKSJONER I GJØSELKJELLERE 1 UTVIKLING AV HYDROGENSULFID I GJØDSELKJELLERE 2 Betydningen av hydrogensulfid (H 2 S) for gjødselkjellere... 2 Hvordan hydrogensulfid dannes i gjødsel; Mikrobiologiske reaksjoner 2 Utvikling av hydrogensulfid som funksjon av ph i gjødselkjellere 2 SKADER I GJØDSELKJELLE PGA. HYDROGENSULFID... 3 Betongskader... 3 Korrosjon av metaller/armering mv Effekten av ph-hevning over tid... 4 PH I GJØDSEL SOM FUNKSJON AV TILSETNING AV MIKROKALK 4 ph-heving... 4 Tilsetning av Mikrokalk for å heve ph... 5 OPPSUMMERING/KONKLUSJONER... 5 HENVISNINGER... 5 SKADER PÅ BETONGKONSTRUKSJONER I GJØSELKJELLERE Rapporten baserer seg på undersøkelser som påviser at det er store skader på gjødselkjellere og i ekstreme tilfeller har vegger og tak falt ned. Skader kan dels tilskrives dårlig utførelse, men det er også påvist betydelige skader på betong og korrosjon av armering. Undersøkelene av betongskader er sammenstilt i rapporten Betong i landbruket. Et samlingsprosjekt for økt kvalitet og sikkerhet i landbruksbygg. Bla. blir det her skrevet: Det er med økende bekymring registrert mange og alvorlige skader på betongkonstruksjoner i landbruket. Skadene er til dels omfattende og forekommer både på eldre og på relativt nye konstruksjoner. Plutselige brudd med betydelige skader på husdyr, bygninger og miljø har forekommet. I Midt-Norge ble 281 gjødselkjellere fordelt på 233 bruk undersøkt og registrert i I ca 10 % av

2 Side 2 av 6 kjellerne var skadene så alvorlige at det ble anbefalt å forsterke deler av konstruksjonen. For hele landet er kostnadene estimert til å være 5 milliarder kroner. Skadene som er funnet i gjødselkjellerne tilsier at det må gjøres noe raskt for å ta de største skadene. Skadene på dekker skyldes kjemisk nedbryting av betong og korrosjon på armering. Skadene på vegger skyldes manglende forankring av armering På bakgrunn av opplysningene fra disse undersøkelsene oppsto idéen om tilsetting av kalksteinsmel til gjødselen med sikte på å heve ph og derved redusere betongskader på bygninger. Det er her antatt at hydrogensulfid er hovedårsaken til betongskader. Undersøkelsene /Berge 2000/ viser at mengden av H 2 S som er påvist i luften har vært relativt lavt når gjødselen får ligge i ro, men ved omrøring i gjødselen har man målt en betydelig økning. Noe av det samme er tilfellet for ammoniakk. Ved ph heving i gjødselen vil man kunne redusere mengden hydrogensulfid i både gjødselen og i luftrommet over. Videre kan kalkstein til husdyrgjødselen kunne ha andre positive virkninger som redusert lukt, bedre inneklima etc. UTVIKLING AV HYDROGENSULFID I GJØDSELKJELLERE Betydningen av hydrogensulfid (H 2 S) for gjødselkjellere Det er grunn for å anta at det hovedsakelig er hydrogensulfid som forårsaker skader på betong og armering i gjødselkjellere fordi H 2 S omdannes av mikroorganismer til svovelsyre som løser opp betong/gjør den porøs og blottlegger armering. Nitrifisering av ammonium til nitrat/salpetersyre kan imidlertid også være av betydning. I et luftrom som har høy fuktighet, som en gjødselkjeller, vil det hovedsakelig kondenseres vann/fuktighet på steder med relativt stor temperaturforskjell mellom luft og betongoverflate. Tak i gjødselrom og områder høyt oppe på vegger vil være blant de utsatte områder for kondens. Ettersom H 2 S har en størst løselighet i kaldt vann vil områder med kondens ha en tendens til å inneholde mer løst H 2 S enn gjødselen hvor hydrogensulfiden ble generert. Dette betyr at betongflater i gjødselrom med kondens/fuktighet er særlig utsatt for skader i forhold til områder der betongflaten har en høyere temperatur. Derfor vil det være av vesentlig betydning å redusere innholdet av H 2 S i både luften over gjødselen og i selve gjødselen. Hvordan hydrogensulfid dannes i gjødsel; Mikrobiologiske reaksjoner Blautgjødsel vil normalt inneholde sulfat samt noe organisk bundet svovel og disse S-forbindelsene kan ved mikrobiologiske prosesser omdannes til hydrogensulfid (H 2 S). Omsetningen av organisk stoff blir primært foretatt av heterotrofe aerobe bakterier som forbruker organisk stoff og oksygen. Denne omsetningen forårsaker anaerobe (oksygenfrie) tilstander når oksygenet i vannet er brukt opp av mikroorganismene. Under fravær av oksygen i vannet/gjødelen vil såkalte fakultativt anaerobe bakterier fortsette omsetningen og disse mikroorganismene bruker fortrinnsvis oksygen bundet i form av nitrat, men de strengt anaerobe bakterier kan kun bruke oksygen bundet som sulfat. Dersom både oksygen og nitrat mangler i vannet/gjødselen vil sulfat brukes til å omsette det organiske stoffet, og mikroorganismene betegnes som sulfatreduserende bakterier. Dannelsen av hydrogensulfid (H 2 S) skjer i en biofilm/slimlag bestående av et tynt anaerobt sulfidproduserende sjikt. Hydrogensulfid er en fargeløs, brennbar og svært giftig gass. Lukten er karakteristisk og minner om lukten av råtne egg. Gassen er moderat løselig i vann og vannet tar opp mer H 2 S ved synkende temperatur. Utvikling av hydrogensulfid som funksjon av ph i gjødselkjellere Gjødsel har en ph i nærheten av 7, men ved lagring vil ph sannsynligvis endres noe pga. biokjemiske prosesser. Dette fordi frigivelse av hydrogensulfid og ammoniakk fra gjødselen til luften i prinsippet vil være prosesser som bidrar til å heve gjødselens ph noe, men det er ikke funnet noen undersøkelser som støtter dette. Ved lagring av husdyrgjødsel i kummer/gjødselkjeller vil man også kunne få en viss utløsning av alkaliske stoffer fra betongen og dette kan også bidra til at det kan skje en svak alkalisering og ph-heving i gjødselen. Innen drikkevannforsyning har man erfart at nylagte sementbaserte rør har ført til meget høy ph på grunn av utløsning av alkaliske stoffer fra røret. I praksis er en utløsning av

3 Side 3 av 6 alkaliske stoffer starten på en nedbrytning av betongen og denne nedbrytningen kan reduseres ved tilsetning av alkaliske stoffer i væsken. Det er en nær sammenheng mellom ph og fordelingen av sulfider som kan dannes. Ved ph < 7 vil H 2 S dominere og noe vil være løst i gjødselen mens en viss del frigis til luften i rommet over gjødselen. Ved en ph i gjødselen på 7,0 vil en ph-heving på bare 0,5 ph-enheter føre til en stor senkning av andelen H 2 S og tilsvarende økning av HS -. En svak alkalisering av gjødselen kan derfor ha ganske stor innvirkning på mengden H 2 S som befinner seg i gjødselen og mengden som frigis til luftrommet over. Innholdet av H 2 S i luften vil foruten gjødselens ph, også avhenge av evt. omrøring i gjødselen, temperaturforhold og om det er noen form for ventilasjon av kjellerrommet over gjødselen. I praksis er det liten eller ingen systematisk ventilasjon eller utluftning av gjødselgasser fra luftrommet, og dette er sannsynligvis en viktig grunn til at man har opplevd store skader på gjødselkjellere. Transporten av H 2 S fra gjødsel til luft avhenger av forhold som H 2 S -konsentrasjonen i gjødselen og temperatur. Stor temperaturforskjell mellom luften i gjødselkjeller og vegg/gulvdekke vil medføre kondens og adsorpsjon av H 2 S i kondensvann og betongoverflate hvor fuktighet kondenseres vil være utsatt for skade. Mengden av H 2 S som transporteres fra væsken til luftrommet pr. m2 overflate og pr. time avhenger av H 2 S konsentrasjon i væsken og H 2 S innhold i luften. Gjødselens viskositet og eventuelt skorpe/belegg på gjødseloverflaten kan også påvirke mengdene av gjødselgasser som frigis til luften. Transport av H 2 S fra gjødselen til overflaten skjer sakte i gjødsel som ligger stille, derfor er H 2 S innholdet i luften over gjødselen lite så lenge gjødseloverflaten er urørt. Vanligvis viser målinger mindre enn 1 ppm hydrogensulfid i fjøset og noe mer i gjødselkjelleren. Dette kan imidlertid øke til flere hundre ppm og opptil 1000 ppm etter sterk omrøring av gjødselen. Slike konsentrasjoner kan gi helseskader og det forekommer årlig tap av dyr pga. giftig gass som stiger opp fra gjødselkjelleren. SKADER I GJØDSELKJELLE PGA. HYDROGENSULFID Betongskader En del av hydrogensulfiden som dannes i gjødselen frigis til luftrommet over. Mengden som frigis øker ved omrøring som nevnt foran. På den fuktige betongflaten vil svoveloksyderende bakterier være til stede (Thiobacilus thiooxidans). Disse mikroorganismene produserer svovelsyre (H 2 SO 4 ) ved aerob oksydasjon av H 2 S. Ved kontakt med svovelsyre vil betongen bli porøs, smuldre opp ved at det dannes gips (kalsiumsulfat). Med tiden kan armeringen bli blottlagt på områder ved liten betongoverdekning og derved føre til alvorlige skader. Eventuell temperaturgradient mellom gjødsel og tak eller yttervegg av betong vil skape en nedadrettet luftstrøm langs veggen. Dette medfører en oppadrettet strøm ved midten av rommet. Hvis det er slike svake luftstrømmer i gjødselkjelleren vil det kunne forårsake størst H 2 S konsentrasjon i taket der det er en oppadstigende strøm av H 2 S -gass. Fuktighet på betongflaten er av avgjørende betydning for at de svovelsyreproduserende bakteriene skal være til stede. Vanligvis vil ikke fuktighet være en begrensende faktor ettersom det i praksis nesten ikke er ventilasjon av gjødselkjellere. Kondens vil hovedsakelig finnes på relativt kalde og uisolerte yttervegger og tak. Overgangen mellom væske/gjødselen og luft ved vegger vil også være område som er utsatt for betongskade. Det skyldes at i området like over gjødselen vil H 2 S innholdet være litt større enn ellers i luftrommet. Mengden syre som dannes vil være relativt liten sett i forhold til gjødselens evne til phendring og gjødselens ph vil ikke endres vesentlig pga. de syreproduserende bakterier som også vil finnes i gjødselen. Korrosjon av metaller/armering mv. Fuktighet og hydrogensulfid skaper et svært korrosivt miljø for armeringsjern som kan føre til groptæring ved at svovelsyre angriper metallet eller pga. elektokjemiske prosesser hvis det er oksygen

4 Side 4 av 6 til stede (hvilket det vil være i luftrommet over gjødselen). Jern og stål kan også korroere under under anaerobe forhold når det ikke er tilgang på oksygen (anaerob metallkorrosjon). Av de vanlig metaller/legeringer er aluminium og rustfritt stål med høyt nikkelinnhold forholdsvis resistente overfor hydrogensulfid. Rustfritt stål er utsatt for stress corrosion cracking i nærvær av fuktighet og H 2 S /Aga, 1985/. Ved høye temperaturer kan groptæring (pitting) forekomme på rustfritt stål og Al-legeringer. Risikoen for pitting øker ved nærvær av klorider. Undersøkelse viser at armeringskorrosjon er den dominerende skaden. Korrosjon av jernet i armeringen gir rustsprengning av overdekningen. Dragere er mest utsatt og større eller mindre rustangrep er funnet i hver tredje gjødselkjeller /Berge 2000/. Effekten av ph-hevning over tid En svak heving av gjødselens ph ved tilsetning av alkaliske materiale (Mikrokalk) vil redusere sannsynligheten for at det dannes hydrogensulfid i selve gjødselen og at det frigis H 2 S til luftrommet over. En ph-heving fra f. eks. 7,0 til 7,5 vil medføre at andelen H 2 S avtar og det dannes mer HS - som vil finnes på ionisk form og oppløst i gjødselen. Dette gjør at ved alkalisering kan man redusere mengden H 2 S -holdig gass i luftrommet og det innebærer at jernarmering, dragere og betong i tak vil være mindre utsatt for angrep av svovelsyre. Ved en regelmessig tilsetning av alkaliseringsmiddel i gjødselkjelleren gjennom høsten, vinteren og våren vil man kunne oppnå en beskyttelse mot fremtidige betongskader samtidig som man får redusert lukt. Betongen er i utgangspunktet et alkalisk materiale som nedbrytes med tiden når den utsettes for syreangrep. Karbondioksyd i luften, som fører til karbonatisering av betong, er også en svak syre som fører til at betongen nedbrytes. På grunnlag av kjemiske reaksjoner vil tilsetninger av vanlige alkaliske stoffer som bidrar til å heve ph i gjødselen føre til økt levetid av betongen. I relativt tette gjødselkjellere med liten luftgjennomstrmning vil imidlertid hydrogensulfid være langt mer skadelig enn karbondioksyd fordi hydrogensulfiden fører til at det dannes en sterk syre søm løser opp betongen. Samtidig vil hydrogensulfid føre til en relativt hurtig korrosjon av jern i armering og dragere. PH I GJØDSEL SOM FUNKSJON AV TILSETNING AV MIKROKALK ph-heving Mikrokalk er et finkornet kalksteinspulver bestående av 98,5 % kalsiumkarbonat og 0,8 % magnesiumkarbonat. Produktet VK 50 har en svært fin korngradering med > 90 % i området 1-50 µm. Volumvekt er 1.0 kg/dm 3. ph-verdi er 9,4 /Franzefoss VHB /. Løseligheten av kalksteinsmelet i en vandig løsning vil være hurtig sammenlignet mer en mer grovkornet kalkstein. Løseligheten avhenger også av løsningens ph ved at partiklene går hurtigere i løsning i svakt surt vann (ph 4-6) enn i vann med nær nøytral ph (ph 6-8). Maksimal ph i rent vann vil ifølge opplysningen ovenfor være ph 9,4 i en mettet løsning. Ved oppløsning av kalkstein i vann dannes bikarbonat (HCO 3 - ) og hydroksylioner (OH - ) hvilket hever vannets ph og man får nøytralisert eventuelle syrer som svovelsyre (sterk syre -fullstendig dissosiert ved nøytral ph) og hydrogensulfid (svak syre som er delvis dissosiert ved nøytral ph). I tillegg til svovelsyre og hydrogensulfid kan det være organiske syrer og ammonium i gjødselen som nøytraliseres ved tilsetningen av Mikrokalk. Ammonium (NH 4 + ) i gjødselen omdannes dels til ammoniakk. På tilsvarende måte som for hydrogensulfid vil ammoniakk på molekylær form foreligge oppløst i væsken og en viss andel vil frigis til luften over. I motsetning til hydrogensulfid vil ammoniakk i økende grad avgis til luften ved sterk ph-heving. En ph-heving fra 7,0 til 7,5-8,0 vil imidlertid ha liten innvirkning på fordelingen av ammonium/ammoniakk i temperaturer området 0-20 C.

5 Side 5 av 6 I tillegg til de nevnte reaksjonene vil mengden av luktstoffer som regel reduseres ved ph-heving eller en kalktilsetning. Tilsetning av Mikrokalk for å heve ph Det ansees som mulig å heve ph ca 0,5 ph-enheter ved tilsetning av Mikrokalk til gjødselen. Noen større ph-heving er ikke sannsynlig fordi Mikrokalk vil løses langsomt og gjødselen antas å ha en relativt stor bufferkapasitet, dvs. evne til å motstå ph-endring ved tilsetning av alkaliske eller sure stoffer. For å unngå eller redusere H 2 S -utvikling fra gjødselen anbefales en tilsetning på 1-2 % (vektsprosent) Mikrokalk regnet i forhold til mengden husdyrgjødsel som produseres. Ved de fleste gårdsbruk vil tilsetningen enklest kunne foregå ved manuell dosering direkte fra sekk (25 kg eller 40 kg). Ved spesielt store gårdsbruk kan det være aktuelt å installere et eget doseringsanlegg og bruke Mikrokalk levert i storsekk. Det vil være nødvendig med hyppig tilsetning (daglig/ukentlig). Det er neppe aktuelt å installere omrører for det innebærer ekstra kostnader og kan dessuten skape luktulemper i en startfase. EFFEKTER PÅ NITROGEN PGA. MIKROKALKTILSETNING Generelt vil tilsetning av Mikrokalk ikke ha vesentlig innvirkning på nitrogenforbindelser i gjødselen. Det forutsettes at ph ikke kommer særlig høyere enn ph 8 ved en slik tilsetning. Men ved bruk av andre og mer alkaliske stoffer som brent kalk (CaO) vil ph i gjødelen kunne økes såvidt mye (ph > 9) at det i vesentlig grad påvirker mengdene ammoniakk og ammonium. OPPSUMMERING/KONKLUSJONER Det er påvist store skader på armering og betong i gjødselkjellere på norske gårdsbruk gjennom undersøkelser utført bl.a. av NLH og SINTEF, og det er planlagt oppfølgende arbeider. Gjennom kontakt med fagfolk og litteraturstudier er ikke alkalisering eller ph-heving av gjødselen presentert som et kjent tiltak for å redusere skadene på armering og betong. Ved svak ph-heving i husdyrgjødsel med Mikrokalk, som består at finfordelt kalsiumkarbonat, vil man kunne redusere mengden hydrogensulfid som avgis til luftrommet over gjødselen. Dette skyldes at mengden molekylært hydrogensulfid som finnes i gjødselen omdannes til hydrogensulfidion (HS - ) ved ph-økning i den vandige løsningen. En moderat tilsetning, f. eks. 1 % Mikrokalk til husdyrgjødsel, vil sannsynligvis bare føre til en svak phøkning i gjødselen. Ved en økning på 0,5 ph-enheter fra 7,0 til 7,5 vil det være en minskning i mengden H 2 S i gjødselen og derved også i luften over. Dette reduserer muligheten for at hydrogensulfid skal adsorberes i fuktighet på tak og dragere, hvilket betyr redusert risiko for kjemisk angrep av svovelsyre på betong. Videre vil det være mindre risiko for oppløsning av jern i armering og dragere på grunn av korrosjon. Foruten å redusere skader på bygningskonstruksjoner vil tilsetningen av det finkornede kalksteinsmelet også kunne redusere mengden av luktstoffer som avgis fra gjødselen. Som forebyggende tiltak for å unngå skader på betong, dragere og armering, anbefales det å tilsette 1 % Mikrokalk til husdyrgjødsel. Tilsetningen bør foregå ukentlig ved manuell dosering fra sekk. HENVISNINGER Aga, 1985 Gas Handbook. Almqvist & Wiksell Tryckeri AB, Uppsala

6 Side 6 av 6 Aassved Hansen, Einar Berge, Egil Sluttrapport Fase 1 fra prosjektet: Betong i landbruket. Et samlingsprosjekt for økt kvalitet og sikkerhet i landbruksbygg. SINTEF Bygg og miljøteknikk STF22 A00726 Skader på betong i gjødselkjellere. Hefte 111/00 fra NLH, Inst. for tekniske fag, 46 sider. Franzefoss mai Produktinformasjon. Kalkstein VK-malt. VHB Morken, John Meddelelse mai 01 Tveitnes, Steinar Stumm W. & J.J Morgan Uhlig, Herbert H., 1958 Biokalk som tils etningsmiddel til husdyrgjødsel. Gjødsel og kalkverknad. NLH, Inst. for jord- og vannfag. Rapport nr. 2/2001 (l.nr. 92) 42 sider. Aquatic Chemistry, Wiley-Interscience. Corrosion Handbook. John Wiley & Sons