Вопросы безопасного использования современных цементных материалов в практике питьевого водоснабжения

Введение. В настоящее время значительные изменения претерпевают технологии подготовки цементных смесей и бетона, в их состав вводят новые компоненты, поскольку традиционные материалы не в полной мере удовлетворяют требованиям строительства гидротехнических сооружений, в том числе внутреннего покрытия труб и резервуаров для питьевой воды. Однако помимо улучшения характеристик цементных смесей добавки могут оказывать негативное влияние на окружающую среду и здоровье человека, вымываясь из цемента в питьевую воду. Определение лишь основных компонентов, указанных в «Единых санитарно-эпидемиологических и гигиенических требованиях к товарам, подлежащим санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю)»¹ (далее — Единые требования), при проведении гигиенической оценки не даёт полной информации о химической безопасности цементных материалов.

Материалы и методы. Выполнено исследование одиннадцати образцов цементных смесей, изготовленных различными производителями для ремонта железобетонных изделий и конструкций общестроительного и специального назначения, в том числе контактирующих с питьевой водой, а также применяемых для санации внутренних поверхностей стальных трубопроводов (включая системы горячего водоснабжения) и ремонтно-восстановительных работ. Оценка образцов выполнена с учётом Единых требований, дополнительно определены показатели, не являющиеся обязательными для оценки данных материалов.

Результаты. Гигиеническая оценка цементных смесей показала, что в некоторых вытяжках присутствовал литий в концентрации от 20 до 0,18 мг/л – максимальное превышение составило 666 раз по отношению к предельно допустимой концентрации (0,03 мг/л). Также в двух образцах отмечено незначительное превышение допустимой концентрации хрома — 0,065и 0,09 мг/л (ПДК = 0,05). В водных вытяжках обнаружены железо и цинк в незначительных концентрациях, в одном из образцов наблюдалось превышение концентрации марганца в 2 раза. В одной водной вытяжке присутствовали силикаты в концентрации 34,24 мг/л, что превышает их допустимые уровни в питьевой воде. Также при анализе идентифицирован ряд органических соединений, относящихся к кислородсодержащим (спирты, производные фенола, кетоны, эфиры, фталаты), для большей части которых ПДК не установлены.

Ограничения исследования. Исследование проведено на одиннадцати образцах цементных смесей при стандартных условиях: настаивании в модельных средах в течение 30 сут при комнатной температуре в соотношении: 1 см² поверхности образца к 1 см³ воды. Отбор проб проводили на 1-е, 3-и, 5-е, 10-е, 20-е и 30-е сутки исследований без смены тестовой воды. Аналогичные исследования необходимо провести в условиях эксперимента, приближенных к условиям эксплуатации данных материалов.

Заключение. Оценивая эффективность миграции из цементно-связанных материалов, необходимо учитывать их капиллярно-пористую структуру и способность со временем улучшать свойства покрытия за счёт преобразования гидроксида кальция, присутствующего в недавно нанесённом покрытии, в более плотный гидрокарбонат кальция. Миграцию химических веществ из цементно-связанных материалов необходимо оценивать с учётом конкретных условий их применения в практике питьевого водоснабжения, а оценку вносимых добавок проводить на тестовых цементных образцах, так как теоретически невозможно рассчитать скорость миграции компонентов из готового материала.

Соблюдение этических стандартов. Исследование не требует заключения комитета по биомедицинской этике.

Участие авторов:
Алексеева А.В. — концепция и дизайн исследования, написание текста, сбор материала и обработка данных, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи;
Савостикова О.Н. — концепция и дизайн исследования, написание текста, сбор материала и обработка данных, редактирование, утверждение окончательного варианта статьи, ответственность за целостность всех частей статьи.

Конфликт интересов. Авторы декларируют отсутствие явных и потенциальных конфликтов интересов в связи с публикацией данной статьи.

Финансирование. Исследования проводились в рамках государственного задания по теме «Совершенствование государственной системы контроля и обеспечения химической безопасности окружающей среды для здоровья населения с учётом процессов трансформации веществ» в ФГБУ «ЦСП» ФМБА России.

Поступила: 27.10.2022 / Принята к печати: 08.12.2022 / Опубликована: 12.01.2023

¹ Единые санитарно-эпидемиологические и гигиенические требования к продукции (товарам), подлежащей санитарно-эпидемиологическому надзору (контролю). Утверждены решением Комиссии Таможенного союза от 28 мая 2010 г. № 299.

1. Сайгашова Е.Е. Особенности бетонов для строительства гидротехнических сооружений. Вестник Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова. 2017; (20): 41-3

2. Heniegal A.M., El Salam Maaty A.A., Agwa I.S. Simulation of the behavior of pressurized underwater concrete. Alex. Eng. J. 2015; 54(2): 183-95. https://doi.org/10.1016/j.aej.2015.03.017

3. Horszczaruk E., Brzozowski P. Bond strength of underwater repair concretes under hydrostatic pressure. Constr. Build. Mater. 2014; 72: 167-73. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.08.020

4. Lee T., Lee J., Jeong J., Jeong J. Improving marine concrete performance based on multiple criteria using early Portland cement and chemical superplasticizer admixture. Materials (Basel). 2021; 14(17): 4903. https://doi.org/10.3390/ma14174903

5. Gojević A., Ducman V., Netinger Grubeša I., Baričević A., Banjad Pečur I. The effect of crystalline waterproofing admixtures on the self-healing and permeability of concrete. Materials (Basel). 2021; 14(8): 1860. https://doi.org/10.3390/ma14081860

6. Hassan A.A., Hashemi M., Hossein K.M. The effect of metakaolin and microsilicon on the durability of self-compacting concrete. Cem. Concr.Compositions. 2012; 34: 801-7. https://doi.org/10.1016/j.cemconcomp.2012.02.013

7. Osman K.M., Taher F.M., Abd EL-Tawab A., Faried A.S. Role of different microorganisms on the mechanical characteristics, self-healing efficiency, and corrosion protection of concrete under different curing conditions. J. Build. Eng. 2021; 41: 102414. https://doi.org/10.1016/j.jobe.2021.102414

8. Perez C., Lors C., Floquet P., Erable B. Biodeterioration kinetics and microbial community organization on surface of cementitious materials exposed to anaerobic digestion conditions. J. Environ. Chem. Eng. 2021; 9(4): 105334. https://doi.org/10.1016/j.jece.2021.105334

9. Sikora P., Cendrowski K., Markowska-Szczupak A., Horszczaruk E., Mijowska E. The effects of silica/titania nanocomposite on the mechanical and bactericidal properties of cement mortars. Constr. Build. Mater. 2017; 150: 738-46. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2017.06.054

10. Jain J., Neithalath N. Analysis of calcium leaching behavior of plain and modified cement pastes in pure water. Cem. Concr.Compos. 2009; 31(3): 176-85.

11. Müller W.E.G., Tolba E., Wang S., Li Q., Neufurth M., Ackermann M., et al. Transformation of construction cement to a self-healing hybrid binder.Int. J. Mol. Sci. 2019; 20(12): 2948. https://doi.org/10.3390/ijms20122948

12. Смирнягина Н.Н., Цыренов Б.О., Урханова Л.А. Термодинамическое моделирование процессов гидратации портландцемента в присутствии углеродного наномодификатора. Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2018; (2-3): 39-44. https://doi.org/10.18101/2306-2363-2018-2-3-39-44

13. Шведова М.А., Артамонова О.В., Останкова И.В. Эффективность модифицирования цементных систем нанодобавкой на основе SiO2 и суперпластификатора. Вестник Инженерной школы Дальневосточного федерального университета. 2021; (3): 83-93. https://doi.org/10.24866/2227-6858/2021-3-10

14. Кудяков А.И., Симакова А.С., Стешенко А.Б. Цементные композиции с комплексными модифицирующими добавками на основе водного раствора глиоксаля. Вестник Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии. 2021; 18(6): 760-71. https://doi.org/10.26518/2071-7296-2021-18-6-760-771

15. Akhmetov D.A., Pukharenko Y.V., Vatin N.I., Akhazhanov S.B., Akhmetov A.R., Jetpisbayeva A.Z., et al. The effect of low-modulus plastic fiber on the physical and technical characteristics of modified heavy concretes based on polycarboxylates and microsilica. Materials (Basel). 2022; 15(7): 2648. https://doi.org/10.3390/ma15072648

16. Statkauskas M., Grinys A., Vaičiukynienė D. Investigation of concrete shrinkage reducing additives. Materials (Basel). 2022; 15(9): 3407. https://doi.org/10.3390/ma15093407

17. Grzesiak S., Pahn M., Schultz-Cornelius M., Harenberg S., Hahn C. Influence of fiber addition on the properties of high-performance concrete. Materials (Basel). 2021; 14(13): 3736. https://doi.org/10.3390/ma14133736

18. Fan J., Li G., Deng S., Deng C., Wang Z., Zhang Z. Effect of carbon nanotube and styrene-acrylic emulsion additives on microstructure and mechanical characteristics of cement paste. Materials (Basel). 2020; 13(12): 2807. https://doi.org/10.3390/ma13122807

19. Blazy J., Drobiec Ł., Wolka P. Flexural tensile strength of concrete with synthetic fibers. Materials (Basel). 2021; 14(16): 4428. https://doi.org/10.3390/ma14164428

20. Du H., Du S., Liu X. Strength characteristics of concrete with nanosilicon. Constr. Build. Mater. 2014; 73: 705-12. https://doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2014.10.014

21. De Belle N., Sutsos M., Grunt E. Properties of fresh and hardened concrete containing additional binders. Report of the RILEM 238-SCM Technical Committee, Working Group 4. Berlin/Heidelberg, Germany: Springer; 2018.

22. Grzesiak S., Pahn M., Schultz-Cornelius M., Harenberg S., Hahn C. Influence of fiber addition on the properties of high-performance concrete. Materials (Basel). 2021; 14(13): 3736. https://doi.org/10.3390/ma14133736

23. Saedi A., Jamshidi-Zanjani A., Darban A.K. A review of additives used in the cemented paste tailings: Environmental aspects and application. J. Environ. Manage. 2021; 289: 112501. https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2021.112501

24. Wojtasik B., Zbawicka M., Grabarczyk L., Juzwa W. Flow cytometric approach to evaluate the impact of hydro-technical concrete compounds’ release to the freshwater microbiome. Environ. Monit. Assess. 2021; 193(11): 698. https://doi.org/10.1007/s10661-021-09481-5

25. Król A. Mechanisms accompanying chromium release from concrete. Materials (Basel). 2020; 13(8): 1891. https://doi.org/10.3390/ma13081891

26. Р 1.2.3156-13. Оценка токсичности и опасности химических веществ и их смесей для здоровья человека. М.; 2014

27. Liu Y., Tian Y., Zhang R., Guo H., Zhao W., Huang J. Corrosion behavior and mechanism of ductile iron with different degrees of deterioration of cement mortar lining in reclaimed water pipelines. RSC Adv. 2020; 10(65): 39627-39. https://doi.org/10.1039/d0ra08042j

28. Wee T.H., Zhu J., Chua H.T. Resistance of blended cement pastes to leaching in distilled water at ambient and higher temperatures. ACI Mater. J. 2001; 98(2): 184-93.

29. Алексеева А.В., Савостикова О.Н., Мамонов Р.А. Сравнительный анализ методов оценки возможности применения полимерных материалов в питьевом водоснабжении, закрепленных в законодательствах России и Германии. Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. 2019; (10-2): 263-7.

30. Алексеева А.В., Савостикова О.Н. Гигиеническая оценка полиуретановых покрытий в практике питьевого водоснабжения. Гигиена и санитария. 2022; 101(5): 487-92.

31. Алексеева А.В., Савостикова О.Н. Методические подходы к повышению надежности оценки факторов риска здоровью при использовании полимерных материалов в системе питьевого водоснабжения. Анализ риска здоровью. 2022; (2): 38-47.