The influence of drinking water composition on leaching of cement-based pipes

Cement is widely used in many applications, including in drinking water production and distribution. Under many conditions, cement is a durable long-lasting material. However, cement can also degrade when in contact with water for long periods, as a result of diffusion of cement components from the solid phase to the water phase. This process is known as leaching. In the long-term, leaching can result in substantial deterioration of cement-containing structures, such that failure occurs.
Leaching can be described by three processes, (1) the dissolution of the mineral of interest from the solid phase to the water phase, (2) the diffusion of the dissolved mineral in the inner to outer pores and (3) the transfer of the dissolved mineral out of the system (Richardson et al., 2002). In the case of cement leaching, the first step is the dissolution of cement minerals from the cement paste to the pore water (Figure 1 – 2), followed by the diffusion of the dissolved cement mineral from the inner pore water to the outer edge of the cement paste (in our case the inner pipe wall), which is in contact with the drinking water (Figure 1 – 3). Once the dissolved mineral has reached the inner pipe wall it is removed from the system by the diffusion into the passing drinking water (Figure 1 – 4).

In cementhoudende drinkwaterleidingen is een belangrijke wettelijke eis voor de chemische samenstelling van drinkwater dat de verzadigingsindex (SI) van calciet hoger is dan -0,2. Deze parameter is opgenomen om de uitloging van asbestcement en andere cementhoudende leidingen te beperken. Uitloging van cementhoudende leidingen leidt tot verzwakking, wat kan resulteren in leidingbreuken. Een typische aanpak om dit te verhelpen is drinkwater te produceren dat voldoende verzadigd is met calciumcarbonaat, waardoor op de binnenwanden van de leidingen een laag calciumcarbonaatneerslag ontstaat die de uitloging uit de wand blokkeert en bescherming biedt tegen aantasting. De effectiviteit van de SI als maatgevende indicator is echter niet eenduidig, omdat de vorming van de beschermende laag complex is, afhankelijk is van de volledige drinkwatersamenstelling en niet alle lagen evenveel bescherming bieden tegen uitloging.
In dit project is de chemische degradatie van asbestcement drinkwaterleidingen gesimuleerd met een chemische speciatiesoftware (PHREEQC) via de python programmeertaal (PhreeqPython). Het toegepaste model bestaat uit twee stappen. In de eerst stap wordt het chemisch evenwicht tussen buiswand en water bepaald, terwijl in de tweede stap de diffusie door de buiswand wordt gemodelleerd. De correcte toepassing van het evenwichtsmodel werd onafhankelijk van het diffusiemodel geverifieerd door het resultaat ervan te vergelijken met literatuurwaarden voor verschillende initiële watersamenstellingen. Het diffusiemodel combineert het chemisch evenwichtsmodel met terugkoppeling van de chemische afbraak naar de bijbehorende fysische veranderingen in het cement (bv. porositeit) om het uitloogproces kwantitatief te voorspellen voor een gegeven watersamenstelling. Het diffusiemodel werd gevalideerd met experimenten uit de literatuur voor twee watersamenstellingen en verschillende water-cement verhoudingen. Uit de eerst resultaten blijkt dat het model gevoelig is voor de initiële water/cementverhouding en daarom is een meer gedetailleerde gevoeligheidsanalyse noodzakelijk en reeds
gepland voor een vervolgproject. De resultaten waren echter voldoende om met het model een eerste indicatie te kunnen geven van de effecten van verschillende watersamenstellingen op uitloging.