Betong i vägtunnlar bryts ned oväntat snabbt

När havsvatten tränger in i betongen i vägtunnlar bildas en biofilm som bryter ned betongen. Det orsakar höga kostnader och risk för skador om sten och betong släpper från tunneltaket. I en ny studie avslöjar ett Chalmerslett forskarlag mekanismerna bakom nedbrytningen, och dess oväntat snabba förlopp.

När tunnlar för fordonstrafik dras genom berg sprayas väggar och tak med betong för att åstadkomma ett jämnt ytskikt och förhindra att stenar lossnar och faller ned på vägbanan. När tunnlarna omges av havsvatten, som exempelvis i Oslofjorden, uppstår ett välkänt och problematiskt fenomen: inträngande havsvatten för med sig bakterier som bildar kolonier – biofilm – på betongens yta. Bakterierna livnär sig på ämnen i betongen och angriper ytan som skadas och blir porös. I en aktuell vetenskaplig publicering bidrar forskarna med ny kunskap om de mikrobiologiska processerna bakom nedbrytningen – och att den går relativt fort:

 – Vi har gjort mätningar i Oslofjordtunneln sedan 2014 och vi kan se att bakterierna äter sig in uppemot en centimeter om året. Där det finns saltvatteninträngning kommer det att bildas biofilm, och betongen som är täckt av biofilmen kommer gradvis att lösas upp, säger Frank Persson, docent i molekylärbiologi och mikrobiell ekologi vid Chalmers institution för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik.

Påväxt av biofilm inte unikt för norska tunnlar
Sprutbetong har använts i vägtunnlar i större skala sedan 1990-talet, och sedan dess har forskare kunnat se denna påväxt av biofilm. Trots detta finns i nuläget väldigt få liknande studier av biokorrosion i undervattenstunnlar i marin miljö. Frank Persson och hans kollegor har undersökt Oslofjordtunneln i projekt kopplade till Trafikverkets norska motsvarighet Statens Vegvesen, men enligt forskarna uppstår fenomenet troligtvis i liknande miljöer även i Sverige.

Ny betong som sprutas på väggar och tak i tunnlar har högt pH-värde, men när betongen åldras uppstår en naturlig kemisk nedbrytning som gör att pH-värdet i betongen sjunker och gör miljön mer gästvänlig för bakterier. Bakterierna skyndar ytterligare på korrosionen i armeringen och nedbrytningen av betongen när de omsätter, eller livnär sig på, järn, mangan, svavel och kväve, och forskarna har sett att denna växelverkande nedbrytning lokalt kan gå relativt fort. Under extrema förhållanden kan bakterierna tränga in upp till 10 centimeter på fem år.

– Den här typen av biofilm är en rätt tydlig varningssignal. Man behöver övervaka vattenflödet och biofilmens utbredning och lokalisera lös och skadad betong för att vid behov spraya på ny, säger Britt-Marie Wilén, professor i miljö- och avloppsteknik vid Chalmers institution för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik.

Forskarna betonar att vägtunnlar, trots påväxt av biofilm, som regel är säkra och övervakas av norska myndigheter. Deras rekommendation, baserat på studierna, är att mäta pH-värdet i betongen kontinuerligt, undersöka grundvattenvattenflödet genom berget och att övervaka biofilmens utbredning. Grundvattenflödet påverkar tillväxten av biofilm, speciellt vid lägre flöden. pH-värdet i biofilmen är då lägre, vilket bidrar till hastigare nedbrytning av betongen än vid ett högre grundvattenflöde som neutraliserar syran i biofilmen.  

Den aktuella forskningen har alltså skett i Oslofjordstunneln i Norge, men motsvarande nedbrytning av betongen sker troligtvis även i tunnlar med inträngning av sötvatten, enligt Britt-Marie Wilén.

– Emellertid är problemet troligtvis större i miljöer där havsvatten tränger in, dels för att havsvatten är gynnsamt för bakterietillväxten, men också eftersom saltet påskyndar korrosionen i armeringen. Klimatförändringarna gör dessutom haven varmare, och med varmare vatten sjunker pH-värdet ytterligare, vilket skulle kunna öka hastigheten i korrosionen, säger hon.

Genom att kartlägga de mikrobiella samhällena i Oslofjordtunneln har Chalmersforskarna avslöjat nya, hittills okända mikroorganismer**. Nya tekniker för DNA-sekvensering och behandling av data har dessutom erbjudit helt nya möjligheter att tolka och förstå det man hittat. 

Mer om studien

Artikeln “Microbial acidification by N, S, Fe and Mn oxidation as a key mechanism for deterioration of subsea tunnel sprayed concrete” publicerades i Nature Scientific Reports.
Författarna är Sabina Karačić, Carolina Suarez, Per Hagelia*, Frank Persson, Oskar Modin, Paula Dalcin Martins och Britt-Marie Wilen. Försteförfattaren Sabina Karačić var vid tiden för studien doktorand på Chalmers, men är inte längre verksam vid institutionen.

*Numera pensionerad från Norskt Vegvesen

**Forskarna har under arbetets gång upptäckt Anammoxibacteraceae, en ny familj av anammoxbakterier, som omsätter kväve. Upptäckten ger ny information om hur kväve omsätts i naturen. Se tidigare vetenskaplig publicering.

För mer information, kontakta

Britt-Marie Wilén, professor, institutionen för arkitektur och samhällsbyggnadsteknik, Chalmers tekniska högskola.

031 772 21 53, britt-marie.wilen@chalmers.se

Bildtext till bilden i topp: Inträngande havsvatten för med sig bakterier som bildar kolonier – biofilm. Bakterierna angriper den betong som ska förhindra att stenar lossar från tunnelväggarna. Betongen blir porös och riskerar att brytas sönder. Biofilmen får sin markanta färg av rostande armering i sprutbetongen.

Foto: Chalmers tekniska högskola I Britt-Marie Wilén

________________

Chalmers tekniska högskola i Göteborg forskar och utbildar inom teknik och naturvetenskap på hög internationell nivå. Universitetet har 3 100 anställda, 10 000 studenter och utbildar ingenjörer, arkitekter och sjöbefäl.

Med vetenskaplig excellens som grund utvecklar Chalmers kompetens och tekniska lösningar för en hållbar värld. Genom globalt engagemang och entreprenörsanda skapar vi innovationskraft, i nära samarbete med övriga samhället. 

Chalmers grundades 1829 och har än idag samma motto: Avancez – framåt.

---

Det är tillåtet att ladda ner, sprida och använda bifogade bilder och illustrationer, om inget annat anges, för publiceringar i samband med Chalmers pressmeddelanden så länge Chalmers och fotograf/illustratör står med som upphovsperson där möjlighet ges. Det är tillåtet att beskära och justera i materialet för att anpassa format för publikation men det är ej tillåtet att omarbeta originalet på ett sådant sätt att det ändrar den ursprungliga innebörden. Materialet är avsett att användas i redaktionellt syfte. Kommersiell användning, som del i marknadsföring av varor och tjänster, är inte tillåten.

Vi vill att Chalmers och våra fotografer och illustratörer namnges i samband med publicering där det är möjligt enligt följande modell:

• Foto: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn
• Grafik/Illustration: Chalmers tekniska högskola| Förnamn Efternamn