БИОЛОГИЧЕСКИЕ ПОВРЕЖДЕНИЯ КОНСТРУКЦИЙ

П

овреждения строительных материалов, протекающие под действием, в основном, микроорганизмов, называются биоповреждениями (биодеструкцией). Еще В. И. Вернадский подчеркивал весьма большую роль микроорганизмов в процессах, протекающих в биосфере. С другой стороны, биосфера с каждым годом насыщается все большим количеством самых разнообразных материалов. И если некоторые из них органично вписываются в биосферное пространство и не нарушают экологические связи, то другие отторгаются и подвергаются деструкции.

В настоящее время более 40–50 % общего объема регистрируемых в мире повреждений связано с деятельностью микроорганизмов, а в нефтяной промышленности более 77 % коррозионных потерь оборудования происходит в результате биокоррозии.

Микроорганизмы-биодеструкторы способны уничтожить буквально любые строительные материалы и конструкции. В подавляющем большинстве конструкций зданий и сооружений встречаются различные виды биоповреждений. Так, по исследованиям российских ученых 80–90 % домов центра Санкт-Петербурга поражены различными организмами: бактериями, простейшими, микроскопическими и другими грибами, водорослями, лишайниками и даже высшими растениями. Внутри многих зданий (в том числе в больницах, детских учреждениях) обсемененность помещений, например, микроскопическими грибами (микромицетами) превышает предельно допустимую норму в десятки, а то и сотни раз, если ориентироваться на нормативные документы Европейского союза.

Биоповреждения снижают уровень экологической безопасности строительных материалов, ухудшают их качество, приносят значительный экологический и экономический ущерб.

Для строительных материалов и конструкций биоповреждение является одним из основных факторов, определяющих скорость износа зданий и других инженерных сооружений (наряду с воздействием агрессивных газов, кислотных дождей, промерзанием, выветриванием и др.), который имеет ряд существенных особенностей:

– при сочетании определённых условий микроорганизмы могут ускорить процессы деструкции материалов в сотни и даже тысячи раз (!);

– микроорганизмы – деструкторы могут находиться в состоянии покоя в течение длительного времени, никак не проявляя себя;

– микроорганизмы переходят в активную фазу жизни, как правило, в некомфортных для человека условиях: при относительной влажности воздуха свыше 60 % и стен (конструкций) – свыше 5 %;

– микроорганизмы оказывают на строительные материалы как химическое, так и механическое воздействие;

– в сообществе одни микроорганизмы могут поддерживать жизнедеятельность других (в случае наступления для последних неблагоприятных условий);

– процессы биоповреждения угрожают не только зданиям и другим инженерным сооружениям, но и находящимся в них имуществу и людям;

– продукты жизнедеятельности и споры многих микробов, живущих в стенах и перекрытиях помещений, воздуховодах и в других конструкциях зданий, могут вызывать серьезные заболевания у людей.

Строительные материалы и конструкции подвергаются «нападению» со стороны бактерий, микроскопических грибов, водорослей, насекомых, грызунов и др. Так, например, активно разрушают древесину, некоторые полимерные и другие материалы и изделия термиты. Морские беспозвоночные, водоросли, лишайники, высшие растения способны вызывать коррозию и наносить другие повреждения. Однако наибольший объем биоповреждений строительных материалов связан с деятельностью микроорганизмов (бактерий, грибов, актиномицет или лучистых грибов и др.).

Практически все виды микроорганизмов, особенно в условиях, благоприятных для их роста, т. е. при повышенной влажности, температуре 24–30 ºС, темноте или рассеянном свете, спокойной среде без активного проветривания и затрудненном водообмене, вызывают биоповреждения строительных материалов.

Внешне биологические воздействия проявляются в виде грибковых налетов на оштукатуренных и окрашенных стенах, иногда непосредственно на бетонной поверхности, пигментных пятнах, обесцвечивании и т. д. И если на наружных стенах зданий в основном преобладают микроводоросли, лишайники и другие фотосинтезирующие организмы, а также некоторые виды бактерий, то внутри помещений под синтетическими обоями и на клеевой шпаклевке стен в основном развиваются плесневые грибы.

Существуют многочисленные данные о биологическом разрушении грибами поливинилхлоридного линолеума, а также о повреждениях теплоизоляционных материалов на минеральной основе с полимерными органическими наполнителями. Разбуханию, вспучиванию и другим повреждениям подвергаются не только естественные, но и синтетические строительные материалы. Некоторые микроорганизмы, например мицелиальные грибки, не в состоянии сразу проникнуть в плотную и пористую структуру цементных компонентов. Однако в условиях экологически загрязненной среды отмечена их значительная обрастаемость грибами.

Биоповреждения, вызванные различными микроорганизмами, значительно ухудшают не только товарный вид, но и физико-механические свойства материалов, а также негативно влияют на микроклимат в помещениях.

Специалисты насчитывают в природе более 100 тыс. видов грибов. Можно наметить две группы грибов, вызывающих биоповреждения. Первая – неспецифичные почвенные сапротрофы. Из них чаще всего встречаются виды родов Penicillium, Aspergillus, Trichodеrma, Alternaria rusarium (по убывающей значимости). Редко встречаются представители других родов. Вторая группа грибов состоит из специализированных микроорганизмов, возникших в процессе приспособительной эволюции к тем или иным материалам. К таковым относятся, например, Cladosporium resinae, развивающиеся на нефти и нефтепродуктах, грибы Aspergillus penicilloides живут на поверхности стекла.

Необходимые для развития микроорганизмов питательные органические вещества содержатся в заполнителях и химических добавках, применяемых для приготовления растворных смесей. Кроме того, органические вещества вносят в наружный слой конструкций при грунтовке и шпаклевке поверхности, а также с лакокрасочными материалами и клеем при наклейке обоев. Технологическая пыль из органических веществ, осаждаясь на поверхности конструкции, создает благоприятные условия для развития грибов и бактерий.

В отличие от микроскопических грибов и других микроорганизмов воздействие бактерий внешне может не проявляться, однако влияние их на физические свойства и химический состав не менее значителен, что может приводить к развитию биокоррозии. Биокоррозионному разрушению подвержены металлы, бетон, древесина, полимерные материалы с низкой биостойкостью пластификаторов и накопителей и т. д. На поверхности корродируемого материала (металлические и неметаллические конструкции) под воздействием продуктов метаболизма микробов, а именно различных органических и неорганических кислот, происходят электрохимические реакции, и строительный материал деградирует, вплоть до полного разрушения.

Микроорганизмы взаимодействуют со всеми основными составляющими пористых строительных материалов. В помещениях комнатная температура и относительная влажность 60–70 % создают благоприятные условия для жизнедеятельности микроорганизмов. Небольшой удельный вес (0,5–0,003 г.) способствует их переносу в воздушных потоках на значительное расстояние.

return false">ссылка скрыта

Интенсивность взаимодействия материалов и биодеструкторов зависит не только от их природы, но и от условий контакта (скорости движения и напора жидких и газообразных сред, а также от температуры, силовых нагрузок – напряженного состояния материала конструкций). При благоприятных условиях микроорганизмы могут за несколько месяцев, даже недель, частично или полностью изменить внешний вид, механические и другие свойства строительных материалов и конструкций.

Выделяют два вида биокоррозии: анаэробную, которая протекает без доступа кислорода, т. е. в восстановительных условиях, и аэробную (в присутствии кислорода). Тионовые бактерии в аэробных условиях могут вызывать коррозию подземных сооружений. Железобактерии нередко выводят из строя систему стальных дренажных труб, закупоривая отверстия микробными клетками и образующимися оксидами железа. Сульфатовосстанавливающие бактерии коррозируют металлические конструкции в сырых помещениях.

Принято считать, что основную роль в разрушении строительных минеральных материалов играют автотрофные бактерии, которые способны получать необходимую энергию при окислении или восстановлении таких элементов и соединений, как сера, азот, железо, различные органические кислоты.

Основные типы бактерий и условия их жизнедеятельности представлены в таблице 7.1.

Таблица 7.1 Основные типы бактерий и условия их жизнедеятельности

Группа и тип микроорганизмов Соединения Продукт восстановления или окисления Условия жизнедеятельности
рН температура, ºС
опти-мальный допустимый оптимальная допустимая
Сульфато-окисляющие анаэробные Сульфаты, тиосульфаты, сульфиты, сера, гипосульфит Сероводород 6–7,5 5–9 25–35 55–65
Сероокисляю-щие аэробные Сера, сульфиты, тиосульфаты Серная кислота 2–4 5–9 28–30 18–37
Тиосульфато-окисляющие аэробные Тиосульфаты, сера Тиосульфат до серы, сера – до сульфата 7–9
Железобакте-рии аэробные Карбонат и бикарбонат железа, бикарбонат марганца Гидроокись железа 4–10 5–40
Микроаэрофильные Сера Тиосульфат 7–9 5–10

 

Между биологическим, химическим и механическим факторами, несомненно, существует тесная взаимосвязь. Трещины, появляющиеся в результате температурных напряжений и выветривания, облегчают химические процессы между каменным материалом и продуктами жизнедеятельности микроорганизмов. В свою очередь, биологические повреждения камня делают его более восприимчивым к действию химических и механических факторов и тем самым увеличивают интенсивность разрушений. Кроме того, грибы и лишайники, растущие на каменных материалах, способствуют задержанию пыли и грязи, источники которых весьма разнообразны.

Анализ и обобщение накопленного опыта позволили выдвинуть эколого-технологическую концепцию биоповреждений, согласно которой биоповреждения рассматриваются как реакция окружающей среды, биосферы на то новое, что вносит в нее деятельность человека. Строительные материалы и изделия, подвергаемые «нападению» микроорганизмов, рассматриваются как составная часть естественных биоценозов, вовлекаемых в общий круговорот веществ. Эколого-технологической эта проблема названа потому, что в биодеструктивном процессе всегда взаимодействуют два начала: с одной стороны, живой организм (или его сообщество), с другой – абиотический компонент, т. е. строительные материалы, изделия и конструкции.

В настоящее время трудно найти группу материалов, на которую живые организмы не оказывают разрушающего воздействия или, по меньшей мере, не изменяют их свойства и внешний вид.

Биомониторинг состояния ряда инженерных сооружений позволил выявить основные формы биоразрушения строительных материалов и конструкций:

– поверхностные корки на бетонных конструкциях и штукатурке, образованные продуктами химической коррозии и микроорганизмами; отслаивание таких корок сопровождается осыпанием материала и потерей прочности конструкций;

– поверхностные налеты и наслоение различной плотности и окраски (биопленки), сформированные колониями микроскопических грибов, водорослей и бактерий; они развиваются, преимущественно, в местах повышенного увлажнения бетонных конструкций и кирпичной кладки. Массовое развитие биопленок отмечено на бетонных плитах и перекрытиях в подвалах, в местах скопления органического вещества (протечки канализации, промстоки);

– крупные подвижные трещины, которые формируются в местах деформации бетонных конструкций, особенно в зонах стыков; в их глубине происходит активное развитие колоний микроорганизмов;

– микротрещины бетона, штукатурки, развитие которых сопровождается потерей фрагментов материала; наблюдаются на элементах конструкции практически повсеместно;

– биологическая коррозия бетона в зоне контакта с металлическими элементами (закладными деталями, арматурой). Этот процесс сопровождается ослаблением несущих конструкций (перекрытий и стен), в том числе в подвалах;

– повсеместное отслаивание и осыпание слоев побелки и штукатурки (на потолке и стенах), под которыми идет развитие колоний микроорганизмов;

– отслаивание красочного слоя, связанное с ростом и развитием колоний микроорганизмов на поверхности и в толще материала (под слоем краски и побелки);

– образование солевых налетов и отложений на различных бетонных конструкциях в подвалах и в других подземных сооружениях в виде налетов, крупных натеков, сталактитов или в виде рыхлой кристаллической массы;

– интенсивная биологическая коррозия (при участии бактерий и грибов), приводящая к расслаиванию поверхности металлических конструкций и потере их прочности;

– разрушение и деформация бетонного цоколя здания, связанная с активным развитием колоний грибов, бактерий, водорослей и мхов. Развитие биологического сообщества сопровождается потерей прочности и осыпанием стройматериала;

– разрушение кирпичной кладки в местах повышенного увлажнения с внешней стороны зданий. Наиболее интенсивно разрушение протекает в зоне стыка стен, примыкания кровли и под свесом, где скапливается влага и формируются подвижные трещины. Этот процесс связан с активным ростом бактерий и грибов, способствующих накоплению и удержанию влаги в строительном материале;

– разрушение кирпичной кладки внутри здания. Наиболее интенсивно деструкция проявляется в зоне оконных разъемов и на кирпичной стене у входов в помещения. Этот процесс сопровождается отслаиванием и осыпанием фрагментов кирпича.

При классификации биологических повреждений материалы подразделяют по морфологическим признакам и изменению свойств. К группе морфологических признаков проявления биоповреждений относят:

– обрастание поверхности мицелием грибов или колониями бактерий; появление окрашенных пятен; появление язв, каверн и трещин на поверхности материала;

– потеря части материала вследствие его повреждения, например грызунами, термитами, молью;

– изменение структуры или состояния материала, например расслоение водомасляных эмульсий под действием бактерий, желирование топлив;

– фибриляция волокнистых материалов-волокон, тканей, например шерсти, под действием микроорганизмов и др.

К группе признаков биоповреждений по изменению свойств материалов относят:

– изменение физико-механических свойств материалов, например потеря прочности древесины, резины, пластиков под действием микроорганизмов или их метаболитов; набухание резины, потея адгезии лакокрасочных покрытий;

– ухудшение электрофизических свойств, например снижение электроизоляционных свойств материалов;

– изменение оптических свойств, например опалесценция, и потеря прозрачности стекол оптических приборов, протравленных метаболитами грибов;

– изменение химических свойств материалов в результате окисления или гидролиза пластификаторов в пластиках, целлюлозы в древесине;

– изменение органолептических свойств, например появление дурного запаха при гниении смазочно-охлаждающих жидкостей или других материалов, появление слизи на твердых поверхностях и т. п.

Основные причины биоповреждений зданий и сооружений:

– повышенная влажность строительных материалов;

– наличие в составе строительных материалов веществ (прежде всего органических), являющихся питательной средой для биодеструкторов;

– высокая запыленность наружного воздуха и воздуха внутри помещений;

– загрязнение атмосферы такими газами, как и т. п.;

– повреждение поверхности строительных материалов под воздействием других негативных факторов (появление трещин, напряженное состояние конструкции и т. д.);

– загрязнение поверхности строительных материалов веществами, способствующими развитию биодеструкторов;

– антисанитарные условия в эксплуатируемых подсобных помещениях и на прилегающих территориях;

– использование материалов, зараженных биодеструкторами.

Повышенная влажность строительных материалов и конструкций, как правило, обусловлена:

– повышенной влажностью растворных смесей, а также связанной с использованием водных растворов при производстве работ;

– повышенной построечной влажностью, связанной с намоканием материалов в процессе строительства (дождь, снег);

– нарушением вертикальной и горизонтальной гидроизоляции;

– увлажнением благодаря капиллярным, диффузионным, осмотическим и электроосмотическим эффектами из-за превышения культурным слоем уровня вертикальной и горизонтальной гидроизоляции;

– нарушением целостности кровельного покрытия;

– протечками кровель и выпадением конденсата из-за нарушения тем-пературно-влажностного режима чердачных помещений;

– конденсацией водяных паров на поверхности и внутри стен и перекрытий из-за высокой относительной влажности воздуха, резкого перепада температур, наличия «мостиков» холода и других причин;

– конденсацией водяных паров в нижней части стены. Нижняя часть стены (20–30 см от уровня пола) имеет пониженное значение температуры за счет теплоотвода, обусловленного нижележащим грунтом, который в теплый период года всегда имеет температуру существенно ниже температуры окружающей среды;

– повреждением свесов, карнизов, поясов и других водоотводящих элементов на фасадах зданий;

– нарушением гидроизоляции, отсутствием уклонов на балконах, козырьках и других выступающих элементах;

– повышенной влажностью воздуха в помещениях из-за несоблюдения температурно-влажностного режима в помещениях;

– протечками водопроводных, канализационных и сетей отопления.

Главной причиной возникновения биодеструкции является повышенная влажность строительных материалов. Финские специалисты службы спасения имущества, занимающиеся экстренной просушкой зданий и помещений, пострадавших от протечки, подсчитали, что 70 % потерь при пожаре связано не с огнем, а с результатами его тушения, то есть с намоканием материалов. По данным анализа московских страховых компаний, ущерб, который выплачивается по страховке от пожаров, составляет 17 %, а по авариям систем водоснабжения – 38 %. Таким образом, основные страховые выплаты производятся из-за намокания строительных материалов, в результате чего происходит разрушение отделочных, фасадных слоев и даже самих несущих конструкций.

Среди основных факторов, приводящих к увлажнению зданий и помещений, как правило, утечки сантехнических узлов, протечки балконов, а также недобросовестное выполнение ремонтных работ. Еще одно весьма распространенное явление – капиллярный подсос. Он характеризуется появлением плесневелых грибов в первых этажах зданий, выносом солей из кирпичной кладки, что приводит, в итоге, к ее разрушению (соли воздействуют на нее не только физически, но и химически).

Строительные материалы могут ухудшать экологическую ситуацию в зданиях и сооружениях не только при выделении токсичных и радиоактивных веществ, но и способствуя росту микроорганизмов и других представителей биоты.

Питательной средой для биодеструкторов являются многие органические соединения, используемые в строительстве или при изготовлении строительных материалов, например, олифа, столярный клей, дерево и деревянные стружки, целлюлоза, а также материалы на основе нефтепродуктов, синтетических полимеров и т. п.

Пыль, как правило, содержит вещества, необходимые для развития различных микроорганизмов-деструкторов. Кроме того, вместе с пылью по воздуху распространяются споры грибов, бактерии, пыльца и семена растений.

Строительные материалы, в состав которых не входят вещества, благоприятные для жизнедеятельности микроорганизмов, могут подвергаться биоповреждениям в том случае, если на их поверхности имеются загрязнители, которые служат благоприятной средой для микробов. Те, в свою очередь, продуцируют вещества, химически агрессивные для материалов, а после появления микротрещин разрушают материал и механическим путем.

При оценке технического состояния конструкций с учетом биоповреждений степень биоповреждения строительных материалов и конструкций можно оценивать в соответствии с таблицей 7.2.

Таблица 7.2Определение степени биоповреждения строительных
конструкций, вызванных действием микробиодеструкторов