Повышение долговечности и экологической безопасности зданий и сооружений в условиях воздействия агрессивных, в том числе биологически активных сред

| 08 Сентября 2011

Наиболее активными коррозионными агентами являются тионовые и нитрифицирующие бактерии, создающие кислые агрессивные среды, а также сульфатредуцирующие бактерии, образующие коррозионно-активные метаболиты (NH3, CO2, H2S, органические и минеральные кислоты). Кроме того, в процессе биоповреждения различных материалов могут участвовать и такие группы бактерий, как железобактерии, аммонифицирующие, нитрифицирующие, денифитрифицирующие, водородоокисляющие, углеводородоокисляющие, целлюлозоразрушающие и т. д. [1;2].

Тионовые и нитрифицирующие бактерии, а также железобактерии являются возбудителями аэробной коррозии, которая наблюдается в тех случаях, когда имеется достаточное количество свободного или растворенного в воде кислорода. Аэробной коррозии подвержены водосточные бетонные и водопроводные стальные трубы, насосы и различное оборудование в шахтах, стальные конструкции подземных сооружений, каменные и бетонные сооружения и т. д.

В результате жизнедеятельности тионовых и нитрифицирующих бактерий создаются агрессивные коррозионные среды за счет накопления серной и азотной кислот – конечных продуктов их метаболизма. Тионовые бактерии ответственны за окисление различных восстановленных соединений серы. Исследованиями отечественных и зарубежных микробиологов доказано, что основная роль в окислении широкого круга соединений серы до сульфатов принадлежит представителям рода Thiobacillus.

Обследование состояния большого числа сооружений биоочистки показывает значительное разрушение железобетонных конструкций. Повреждения отмечены в виде пониженной прочности и полной деструкции бетона в поверхностном слое, повышенного водопоглощения, снижения рН жидкой фазы.

Биоповреждение канализационных труб самотечных коллекторов происходит при наличии в сточных водах сероводорода. На поверхности бетона в подводной части образуется биопленка, в составе которой существует множество микроорганизмов. Одни из них – тионовые бактерии используя белки и сульфаты из состава сточных вод, в анаэробных условиях выделяют сероводород. Сероводород частично растворяется в воде, частично выделяется в воздушное пространство. Наличие сероводорода, кислорода, влаги и положительной температуры создает благоприятные условия для развития сульфатредуцирующих бактерий, продуктом жизнедеятельности которых является серная кислота, при этом рН может понижаться до 1. Кислота химически реагирует с цементным камнем бетона, полностью разрушая его [3].

Деятельность нитрифицирующих бактерий чаще всего приводит к разрушению пористых строительных материалов, состоящих из неорганических соединений кальция, кремния и алюминия. Эти бактерии окисляют аммиак, имеющийся в воздухе или воде, до нитратов или азотной кислоты, которые, взаимодействуя с карбонатом кальция, превращают последний в растворимую форму Са(NО3)2. Образующийся азотнокислый кальций легко выщелачивается из цементного камня, снижая сцепление между частицами песка.

Участие железобактерий (Leptolhrix, Crenothrix, Gallionella, Siderocapsa, Ochrobium, Sideropliilluin и др.) в коррозийном процессе является причиной возникновения дифференцированно аэрируемых ячеек. Эти бактерии образуют на внутренней поверхности водопроводных труб слизистые скопления – участки металла, которые плохо аэрируются и действуют как анод, в то время как вентилируемые участки имеют более высокий потенциал и действуют как катод. В анодной зоне металлическое железо растворяется в соответствии с уравнением Fe —> Fe2+ + 2е, то есть начинается процесс коррозии [1].

В настоящее время в Москве выполняется большой объем работ по строительству и реконструкции жилых и общественных зданий. Отдельные конструкции зданий, такие как стены и перекрытия подвалов, сантехнические кабины, помещения с влажными средами, а также здания, длительное время находившиеся в стадии строительства без консервации или с поврежденной кровлей, подвергаются воздействию биологически активных агрессивных сред, что приводит их к преждевременному разрушению.

Помимо технического существует экологический аспект проблемы. Обрастание конструкций микроскопическими грибами, размножение в пористом строительном материале бактерий ухудшает гигиенические условия в помещениях. Бактерии и споры грибов, вещества, выделяемые бактериями и грибами, могут вызывать серьезные заболевания людей, проживающих или работающих в зараженных помещениях, в частности, развиваются аллергические заболевания и заболевания дыхательных путей, особенно у детей. Некоторые из выделяемых микроорганизмами веществ относятся к числу опасных токсинов.

Обследованиями строительных конструкций в г. Москве обнаружено большое число зданий и сооружений, в которых стены и перекрытия поражены грибами. В число зданий с неблагоприятной экологической обстановкой входят как жилые, так и общественные и производственные здания. Аналогичная ситуация наблюдается не только в Москве, но и в других городах России (Владивосток, Якутск и др.).

Отечественная и зарубежная статистика показывает, что из микроорганизмов наибольшее повреждающее воздействие на промышленные и строительные материалы оказывает микроскопические грибы [1,2], высокая деструктирующая активность которых обусловлена способностью адаптироваться к материалам различной химической природы.

Большинство грибов, вызывающих повреждение и коррозию, обладают огромной энергией размножения. Многие из них размножаются спорами (конидиями), образующимися в количестве, исчисляемом сотнями тысяч и миллионами на малую поверхность субстрата. Споры способны распространяться потоком воздуха, оседать на частицах органической и минеральной пыли, а затем на различных поверхностях. При малых размерах (до 10 мкм) споры весьма устойчивы и длительное время могут сохранять жизнеспособность в неблагоприятных условиях.

На рост грибов и их физиологическую активность влияют многие факторы внешней среды: температура, кислотность, степень аэрирования, свет, влажность, давление и др. Основным же фактором, способствующим развитию грибов на материале или конструкции, служит вода. Ее содержание в материале является одним из решающих факторов предельного накопления биомассы и скорости роста на строительном материале. Грибы начинают развиваться при влажности свыше 75%. Оптимальная влажность для грибов – 90% и выше. Большое значение для роста грибов на конструкциях и изделиях имеет наличие влаги на поверхности субстрата. Если материал имеет незначительную влажность, то сначала появляются менее требовательные к влажности грибы, а уже затем – более влаголюбивые виды или грибы, для которых первые микромицеты являются питательной средой. Влага может вноситься за счет самих микробных клеток, которые содержат ее 80% и более.

Рост отдельных видов грибов могут стимулировать воздушные среды, содержащие аммиак, углекислый и сернистый газ, органические соединения.

Повреждение грибами начинается, как правило, с небольших участков. Особенно благоприятны для роста микромицетов условия повышенной влажности и затрудненного воздухообмена, нередко создающиеся при эксплуатации различного оборудования в закрытых помещениях. В этом случае рост грибов не прекращается до полного исчерпания источника питания, после чего погибшая колония служит источником питания для других микроорганизмов.

Усиленное внимание к проблеме биоразрушений зданий и сооружений, приборов и аппаратов обусловлено громадным ущербом, наносимым биологически активными средами. Этот ущерб продолжает возрастать по мере накопления человеком запасов материалов и изделий. В настоящее время практически все технологические материалы и изделия способны подвергаться биологической коррозии. В строительстве и в промышленности строительных материалов проблема защиты материалов и изделий от биодеградантов особенно актуальна.

Бактерии развиваются при наличии жидких сред, то есть на материалах, достаточно увлажненных или погруженных в жидкость, что характерно, например, для градирен, коллекторов, трубопроводов и т. д. При недостатке влаги развитие бактерий подавляется, и они уступают место грибам, которые также развиваются при влажности выше 75%.

Микроскопические грибы играют значительную роль в разрушениях на предприятиях пищевой, химической, медицинской, микробиологической промышленности, а также в сельскохозяйственных, транспортных, гидротехнических зданиях и сооружениях, где для их развития и размножения создаются благоприятные условия. Поражению микроорганизмами подвержены также жилые и общественные здания, так как мельчайшие частицы органического вещества почвы, растений, животных, служащие грибам питательным субстратом и практически всегда присутствующие в воздухе, оседают на поверхность конструкций.

Поражения наблюдаются как в старых, так и в новых постройках. Эксперименты по изучению поведения материалов в условиях воздействия микроорганизмов и натурные обследования зданий и сооружений свидетельствует о снижении прочности бетона, разрушении бетонных и кирпичных конструкций, отслаивании штукатурных покрытий, обесцвечивании или образовании пигментных пятен на лакокрасочных покрытиях, растворении стекла, разбухании шпатлевок.

При этом процессы биоразрушений прогрессируют с каждым годом. Выборочное обследование зданий и сооружений различного назначения в Москве, Санкт-Петербурге, Владивостоке, Якутске и других городах показало, что большое их количество поражено различными микроорганизмами.

Процесс воздействия плесневых грибов на силикатные материалы может быть химическим и механическим [4]. Химическое разрушение связано с воздействием на бетон продуктов жизнедеятельности грибов [5; 6]. Такие органические кислоты, как уксусная, лимонная, молочная, муравьиная, могут накапливаться плесневыми грибами в большом количестве. Эти кислоты могут образовывать с силикатами цементного камня растворимые комплексные соединения.

Механическое разрушение связано с ростом биомассы грибов и внедрением их в поры раствора или бетона [7]. Кроме плесневых грибов механическую коррозию бетонных конструкций вызывают дереворазрушающие грибы, такие как Serpula lacrimans, Poria vaporaria. Мицелий грибов развивается на поверхности материала, однако, разрастясь, может глубоко проникать в поры бетона в поисках новых источников питания. Дереворазрушающие грибы в зоне непосредственного контакта с бетоном создают условия для образования растворимых в воде солей, таких как ацетат и формиат кальция и др., что в конечном итоге снижает механическую прочность бетона [4].

В последние годы появилось достаточно много сведений, свидетельствующих о разрушительном действии на бетонные и железобетонные конструкции микроорганизмов в условиях техногенных сред. Причем поражением микроорганизмами охвачены здания и сооружения практически всех отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Биоразрушение конструкций зданий жилого и общественного назначения вызывает снижение уровня здоровья людей, происходит потеря их трудоспособности за счет ухудшения городской среды обитания. Микробы, содержащиеся в строительных конструкциях, в отделочных и защитных материалах, могут оседать на коже или попадать через легкие в кровь, а также с пищей в организм человека. Финскими специалистами подсчитано, что на лечение одного больного с аллергическим заболеванием затрачивается около 3400 долларов в год. Риск возникновения и развития биоповреждений должен быть исключен на самой ранней стадии, то есть при проектировании строительных изделий и конструкций. Долговечную эксплуатацию зданий и сооружений в условиях воздействия биологически активных сред можно обеспечить только при знании процессов биодеградации.

Изучение работ отечественных и зарубежных авторов в области биотехнологии позволило обобщить основные методы борьбы с биоповреждениями строительных материалов и изделий. Они могут быть временно применяемыми и длительными. Чтобы правильно и эффективно применять те или иные методы защиты материалов и конструкций, необходимо знать видовой состав специфических возбудителей биоповреждений в различных условиях эксплуатации. Существуют различные методы обнаружения и выделения микроорганизмов, которые обобщены в работах [8; 9].

Микробиологи считают, что к настоящему времени изучено не более 1/10 части существующих в природе бактерий. Процессы взаимодействия микроорганизмов со строительными материалами чрезвычайно сложны и многообразны. Число видов микроорганизмов, способных оказывать негативное воздействие на строительные материалы, исчисляется сотнями. Не полностью изученные механизмы взаимодействия со строительными материалами, высокая приспособляемость микроорганизмов к изменяющейся окружающей среде делают проблему защиты строительных материалов и конструкций весьма сложной и актуальной.

Совместно с микробиологами выполнены исследования по определению видового состава специфических возбудителей биоповреждений в различных условиях эксплуатации. При обследовании ряда старых жилых домов было установлено заражение микроорганизмами стен в подвальной части здания. Микологический анализ показал наличие грибов, относящихся к родам: Penicillium, Fusarium, Rhizopus, Mucor, Trixoderma, Cladosporium, Scopulariopus.

Одним из наиболее эффективных и длительно действующих способов защиты строительных материалов и конструкций от поражений микроорганизмами является применение биоцидных соединений [10]. Последние вводятся в состав материала в процессе его изготовления или методом пропитки. Кроме того, на поверхность материалов и изделий, подверженных микробному поражению, наносят биоцидные лакокрасочные и клеящие покрытия.

На основании полученных результатов разработаны основные методы борьбы с биоповреждениями.

Одним из наиболее эффективных и длительно действующих способов защиты строительных материалов и конструкций от поражений микроорганизмами является применение биоцидных препаратов. Проверен целый ряд биоцидных препаратов для подавления роста грибов на поверхности строительных конструкций. Выявлены наиболее эффективные биоцидные препараты.

Выполненные исследования по оценке эффективности биоцидных добавок при введении в состав раствора или бетона показали, что при содержании их в количестве 2% от массы цемента развитие микроорганизмов в растворе или бетоне полностью прекращается.

Полученные результаты позволили рекомендовать добавку для опытного применения в жилых помещениях, помещениях медицинских учреждений, в зданиях пищевой промышленности.

На основании выполненных лабораторных исследований, опытной проверки на натурных объектах разработаны рекомендации по изготовлению и применению сухих биоцидных смесей. Приготовление смесей выполняется обычными методами по обычной технологии в зависимости от назначения смеси (штукатурная, кладочная и т. п.). Могут быть использованы готовые сухие смеси на основе портландцемента. Особенностью является введение в смесь при ее затворении раствора биоцидной добавки. Готовая смесь отличается повышенной связностью и тиксотропностью. Добавка практически не влияет на сроки схватывания готовой смеси и на прочность затвердевшего бетона и строительного раствора. Не снижает их морозостойкости.

Сухие бицидные смеси могут быть использованы как для нового строительства, так и для реконструкции жилых и общественных зданий.

Для предупреждения увлажнения строительных конструкций и исключения условий развития микроорганизмов выполнены исследования новых гидроизоляционных и защитных материалов Силор, УТК-М, Консолид, ВУК и др. Материалы включены в московские городские строительные нормы МГСН 2.08-01 «Защита от коррозии бетонных и железобетонных конструкций жилых и общественных зданий и МГСН 2.09-03 «Защита от коррозии бетонных и железобетонных транспортных сооружений», ГОСТ 31384 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии. Общие технические требования», СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» – актуализированная версия.

Дальнейший прогресс в области повышения биологической защиты жилых и общественных зданий видится в создании на предприятиях, изготавливающих бетонные и железобетонные конструкции, условий для налаживания тесных контактов между инженерно-техническими работниками, биологами, химиками, медиками и другими специалистами, занятыми исследованиями в области биокоррозии материалов, проектированием приборов, аппаратов, изделий, зданий и сооружений; в повышении научной квалификации инженерно-технических работников промышленных, строительных, сельскохозяйственных и других отраслей в области биодеградации и биосопротивления материалов; организации обследования зданий городов, проведении экспертиз и анализа результатов. Учитывая значительный ущерб, наносимый коррозионными, в том числе биологическими разрушениями зданиям и сооружениям, несущими угрозу здоровью и жизни людей, необходимо приступить к разработке программы противодействия биоразрушению городов; готовить квалифицированных специалистов, способных управлять биохимическими и коррозионными процессами в строительстве, с тем чтобы обеспечивать должную защиту и безопасность зданий и сооружений.