Повышение стойкости конструкций зданий и сооружений к биологически агрессивным средам

ПОВЫШЕНИЕ СТОИКОСТИ КОНСТРУКЦИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ К БИОЛОГИЧЕСКИ АГРЕССИВНЫМ СРЕДАМ

В. Т. Ерофеев, В. Ф. Смирнов, Е. В. Завалишин,

Е. А. Морозов, О. Н. Смирнова

Целью настоящей работы являются экспериментально-теоретическое исследование биологического сопротивления композитов на основе жидкого стекла, обоснование приемов и методов получения биологически стойких материалов для изготовления защитных покрытий и строительных изделий, повышение биостойкости грунтовых оснований, каменных и бетонных ограждающих конструкций зданий и сооружений посредством пропитки их поровой структуры.

При проектировании зданий и сооружений, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивных сред, большое внимание уделяется выбору строительных материалов и изделий, которые должны быть долговечными в конкретных условиях эксплуатации. Для изготовления материалов и конструкций зданий, работающих в агрессивных средах, как отечественными, так и зарубежными специалистами рекомендуется применение полимербетонов на основе различных связующих. Однако полимербетоны являются относительно дорогостоящими материалами. В этом отношении перспективны силикатные и поли-мерсиликатные бетоны, стоимость которых в

2—3 раза ниже стоимости полимербетонов. Строительная практика показывает, что композиционные материалы на основе жидкого стекла имеют достаточно высокую долговечность при эксплуатации в кислотосодержащих средах. Это позволяет использовать их для изготовления антикоррозионных покрытий, укладки кислотостойких полов и т. д. [11; 15]. Композиции на основе жидкого стекла находят также применение при укреплении грунтов, пропитке поверхностных слоев бетонных и железобетонных изделий [1; 12].

В последнее время актуальны вопросы повышения биологической стойкости различных материалов. Анализ работ отечественных и зарубежных авторов показывает, что биоразрушениям подвержены практически все материалы: металлические, каменные, бетонные и т. д. [2; 3; 4]. Биоразрушения вызываются как макроорганизмами — животными, птицами, насекомыми, так и микроорганизма-

ми — бактериями, грибами, актиномицетами. Данные литературы свидетельствуют, что более 40 % общего объема биоразрушений связано с деятельностью микроорганизмов. При этом наибольшее повреждающее воздействие на промышленные и строительные материалы оказывают микроскопические грибы. Их высокая деструктирующая активность обусловлена способностью адаптироваться к материалам различной химической природы, что связано прежде всего с наличием у них хорошо развитого мощного и мобильного ферментного комплекса.

Применение композиционных материалов на основе жидкого стекла в зданиях и сооружениях, где возможны процессы биоразрушения, требует проведения комплексных исследований процессов взаимодействия композитов с биологическими средами.

Известно, что при воздействии микроорганизмов разрушительные процессы, как правило, начинаются с поверхности материала. Поэтому важное практическое значение для количественной оценки биодеградации композитов имеют исследования, направленные на обоснование модели биодеградации, установление границы фронта продвижения агрессивной среды и выявление изменений физико-механических свойств на поверхности материала.

С целью установления модели биодеградации и определения зависимостей изменения физико-механических свойств композитов на основе жидкого стекла от действия биологически агрессивной среды выполнены экспериментальные исследования. В качес-

Таблица 1

Результаты эксперимента по испытанию композитов в среде гриба Aspergillus niger

№ состава Состав композита Оценка роста грибов, баллы Характеристика по ГОСТ

1 Жидкое стекло — 100; кремнефтористый натрий — 20; мел — 400 4 Негрибостоек

2 Жидкое стекло — 100; кремнефтористый натрий — 20; кварцевый песок крупностью 0,14—0,315 мм — 150 4 Негрибостоек

3 Жидкое стекло — 100; кремнефтористый натрий — 15; мел — 400 4 Негрибостоек

4 Жидкое стекло — 100; кремнефтористый натрий — 20; древесные опилки — 20 5 Негрибостоек

5 Жидкое стекло — 100; кремнефтористый натрий — 20; диатомит — 40 4 Негрибостоек

тве вяжущего при изготовлении композитов использовалось натриевое жидкое стекло с силикатным модулем М 2,88 и плотностью 1,42 г / см3. Отвердителем служил кремнефтористый натрий. Рассматривались составы с различными наполнителями, в качестве которых применялись кварцевый песок, диатомит, мел, древесные опилки. Образцы для испытаний были изготовлены в виде кубиков с размером ребра 2 см. В качестве агрессивной использовалась среда гриба Aspergillus niger. Образцы в среде выдерживали в течение 90 сут, затем извлекали и послойно определяли физико-механические характеристики. При выполнении исследований в качестве

контролируемых характеристик рассматривалось изменение массосодержания образцов, а также показателей модуля деформации, несущей способности и твердости по сечению образцов. Результаты исследований приведены в табл. 1 и на рис. 1—4.

Анализ графиков позволяет рассматривать биодеградацию по поперечному сечению изделий с использованием нелинейной модели в виде степенной функции. Тогда деградаци-онная функция, выраженная через начальный модуль деформации и структурный показатель материала «, будет иметь вид [3; 13]:

п

Еп п +1

D(N)-

іД

-

100

й

Cl

Ф

Ч

О

и

о

и

о

(5

2

80

60

40

20

92,12

94.15

98,22

96,2

72,33

Состав № 1

Состав № 2

Состав № 3

Состав № 4

Состав № 5

Рисунок 1

Изменение массосодержания композитов на основе жидкого стекла после выдерживания в среде гриба Aspergillus niger

где Еа — модуль деформации при глубине проникновения агрессивной среды на величину а\ Е0 — начальный модуль деформации.

’

.

о

Относительная глубина среза

Рисунок 2 Зависимость изменения модуля деформации композитов на основе жидкого стекла по сечениям от их видового состава и выдерживания в среде гриба Aspergillus niger:

Состав № 1, А Состав № 2, С Состав № 3, о Состав № 4, х Состав № 5

Относительная глубина среза

Рисунок 3 Зависимость изменения несущей способности композитов на основе жидкого стекла по сечениям от их видового состава и выдерживания в среде гриба Aspergillus niger:

Состав № 1, А Состав № 2, С Состав № 3,

о Состав № 4, х Состав № 5

Показатель механизма деградации n определяется по результатам экспериментальных данных, после чего проводится анализ деградации материала под действием агрессивной среды. Этот показатель может использоваться для прогнозирования поведения элементов

Относительная глубина среза

Рисунок 4 Зависимость изменения твердости композитов на основе жидкого стекла по сечениям от их видового состава и выдерживания в среде гриба Aspergillus niger:  Состав № 1,

А Состав № 2, С Состав № 3, о Состав № 4, х Состав № 5

любых размеров и оценки срока службы конструкции.

Одним из основных показателей, неблагоприятно влияющих на биологическую стойкость материалов, является их пористость. Благодаря наличию большого количества открытых пор микроскопические грибы могут беспрепятственно проникать в композиты на достаточно большую глубину [8; 9]. Следовательно, уменьшая пористость, можно повысить долговечность композитов на основе жидкого стекла при воздействии биологических сред. Уплотнение структуры композитов на основе жидкого стекла возможно путем введения в их состав различных органических добавок, в частности, фурилового спирта в количестве

3—5 % от массы жидкого стекла. Причем при взаимодействии с кислотами (в нашем случае с кремниевой) органические добавки поли-меризуются, что приводит к еще большему уплотнению жидкостекольных композитов.

Создание плотных жидкостекольных композитов достигается за счет оптимизации состава с учетом различных структурообразующих факторов. Значительное влияние на их свойства оказывает отвердитель, в качестве которого могут применяться различные соединения. Согласно литературным данным наиболее плотная структура композита получается при перемешивании 15—18 мас. ч. кремнефтористого натрия и 100 мас. ч. жидкого стекла [11]. При взаимодействии с жидким стеклом кремнефтористый натрий выде-

Таблица 2

Влияние кремнефтористого натрия на биостойкость жидкостекольных композитов

Количество отвердителя, мас. ч. Оценка роста грибов, баллы Характеристика по ГОСТ

метод 1 метод 3

15 0 2 Грибостоек

16 0 2 Грибостоек

17 0 2 Грибостоек

18 0 2 Грибостоек

19 0 1 Фунгициден

20 0 0; £ = 5 Фунгициден

ляет при разложении кремниевую кислоту, которая заметно уплотняет структуру композита, понижает пористость. При выделении же кислоты изменяется рН среды. Известно, что микроорганизмы развиваются только при определенных значениях рН среды. Очевидно, что благодаря изменению ее кислотности можно также повысить биостойкость жидкостекольных композитов. Этого можно добиться и путем введения добавок, имеющих фунгицидные свойства. Такими добавками могут являться соли тяжелых металлов (медный купорос, перманганат калия и др.). В этом случае выделяющийся при взаимодействии с жидким стеклом и кремнефтористым натрием катион металла будет отрицательно влиять на жизнедеятельность микроорганизмов.

Повышения долговечности готовых пористых материалов и изделий можно достигнуть путем пропитки их жидкостекольными композициями, отверждаемыми непосредственно в теле материала. После пропитки материалов и изделий жидкостекольными композициями доступ микроорганизмов в глубину структуры будет закрыт вследствие заполненности пор пропиточным составом. Использование для пропитки фунгицидных составов, наряду с повышением плотности структуры материалов, позволяет повысить биологическое сопротивление существующих и вновь возводимых зданий и сооружений.

В отечественной и зарубежной практике наиболее часто применяемым отвердителем жидкого стекла является кремнефтористый натрий. Его особенность заключается в том, что он не только взаимодействует со щелочью, понижая ее содержание, но и выделяет при разложении кремневую кислоту, которая

заметно уплотняет твердеющую систему, понижая пористость. К тому же он обладает хорошим фунгицидным действием [10].

Известно, что при подкислении среды (уменьшении рН) жизнедеятельность значительного количества видов микроорганизмов прекращается. При выделении кремниевой кислоты среда становится более кислой, что, очевидно, может оказать влияние на рост и размножение микроорганизмов. Из этого можно сделать вывод о том, что биостойкость жидкостекольных композитов можно регулировать с помощью изменения рН среды в зависимости от вида биодеструктора того или иного материала.

Согласно литературным данным, оптимальная концентрация кремнефтористого натрия для получения плотных, водостойких и кислотостойких материалов составляет примерно 15 % от массы жидкого стекла [11]. С целью проверки теоретических предположений о возможности повышения биостойкости жидкостекольных композитов за счет регулирования количественного содержания кремнефтористого натрия проведены исследования составов, в которых его содержание варьировалось в пределах от 15 до 20 мас. ч. на 100 мас. ч. жидкого стекла. Наполнителем служил кварцевый песок с удельной поверхностью 600 см2 / г. Количество наполнителя принималось во всех составах 150 мас. ч. на 100 мас. ч. вяжущего. Образцы изготавливались в виде балочек размером 1 х 1 х 3 см. Результаты испытаний приведены в табл. 2.

Приведенные данные свидетельствуют, что при увеличении содержания в составах композитов кремнефтористого натрия до 19 мас. ч. на 100 мас. ч. вяжущего жидкостекольные материалы становятся фунгицидными.

Таблица 3

Влияние вида и количества модифицирующей добавки на биостойкость жидкостекольных композитов

Количество отвердителя, мас. ч. Вид добавки Оценка роста грибов, баллы Характеристика по ГОСТ

метод 1 метод 3

5 Алюминиевая пудра 0 0; R = 4 Фунгициден

5 Сульфат меди 0 0; R = 15 Фунгициден

5 Поташ 0 4 Грибостоек

5 Перманганат калия 0 0; R = 8 Фунгициден

5 Цинковые белила 3 4 Негрибостоек

5 ПВАЭ 3 3 Негрибостоек

5 Аммиачная селитра 0 3 Грибостоек

Оценка биологического сопротивления композитов на основе жидкого стекла показала, что некоторые составы являются грибостойкими, но не фунгицидными. Поэтому в зданиях с биологически активными средами строительные материалы и изделия должны быть защищены от биоповреждений. Отечественными и зарубежными исследователями разработаны различные методы защиты. Они могут быть временно применяемыми и постоянно действующими [3; 5; 6]. К первым относятся некоторые профилактические мероприятия, например проветривание помещений; физические методы обеззараживания, например различные облучения; биотехнологические, например использование неопасных микроорганизмов для подавления опасных. Временные методы борьбы с биоповреждениями могут применяться периодически, при повышенной опасности возникновения биокоррозии (при транспортировке или хранении при повышенной влажности в осенний или весенний сезон, при сезонных колебаниях в размножении, развитии и миграции живых организмов). К постоянно действующим методам защиты от биоповреждений относятся конструктивные и некоторые профилактические мероприятия, например поддержание безопасного температурно-влажностного режима; химические методы, например внесение в состав материала методом пропитки или непосредственного смешивания фунгицидных добавок, а также обеззараживание фунгицидами технологических сред, восприимчивых к возникновению и размножению микроорганизмов.

С целью экспериментального исследования влияния фунгицидных добавок на биосопротивление композитов на основе жидкого стекла рассмотрены различные добавки неорганической природы. Нами установлено, что введение в состав жидкостекольных композитов сульфата меди, перманганата калия и алюминиевой пудры делает их фунгицидными. В качестве наполнителя в составах применялся кварцевый песок в количестве 150 мас. ч. на 100 мас. ч. жидкого стекла. Количество отвердителя было постоянным во всех составах — 15 мас. ч. на 100 мас. ч. вяжущего. Результаты исследований приведены в табл. 3.

Анализ данных табл. 3 подтверждает тот факт, что введение в композиты модифицирующих добавок, содержащих соли тяжелых металлов, позволяет получать фунгицидные составы. В то же время поливинилацетат-ная эмульсия и цинковые белила (5 мас. ч. на 100 мас. ч. жидкого стекла) не повышают биологическую стойкость жидкостекольных композитов.

Многолетние исследования в области биологической стойкости композиционных строительных материалов свидетельствуют о том, что из большого многообразия микроскопических организмов наибольшее разрушающее воздействие на промышленные и строительные материалы, изделия и конструкции оказывают мицелиальные грибы Aspergillus niger и Pénicillium chrysogenum. Исходя из этого нами была проведена оценка биостойкости композитов на основе жидкого стекла в условиях воздействия данных видов грибов.

fü . I У iü .

I I °- =1

1= <0

4J О S С

x -

ф о: Э s

о с;

X flj I- и

(С

X

я

S

О.

01

с

X

ф

Содержание КФН, мае. ч.

Содержание КФН, мае. ч.

Рисунок 5

Зависимость изменения обрастаемости при испытании по методу 3 (в баллах) композитов на основе жидкого стекла, выдержанных в средах грибов Aspergillus niger (---) и Pénicillium chrysogenum (— — ) от содержания компонентов

Подбор фунгицидных составов осуществлялся с применением методов математического планирования экспериментов. Варьируемыми факторами были содержание кремнефтористого натрия и отношение медный купорос / поташ и перманганат калия / поташ. Результаты исследований приведены на рис. 5.

Как видно из графиков, композиты на основе жидкого стекла с добавкой медного купороса и поташа фунгицидны при действии гриба Penicillium chrysogenum, когда содержание данных добавок составляет 2,5 / 2,5 мас. ч. на 20 мас. ч. кремнефтористого натрия и 100 мас. ч. жидкого стекла. Композиты с добавкой перманганата калия и поташа фунги-цидны при действии гриба Aspergillus niger при их содержании в пределах от 5 / 0 мас. ч. на 15 мас. ч. отвердителя и 100 мас. ч. вяжущего до 0 / 5 мас. ч. на 20 мас. ч. отвердите-ля и 100 мас. ч. вяжущего.

Пропитка грунтов с целью их закрепления является широко применяемым технологическим процессом в области строительного производства. Среди различных способов закрепления грунтов значительное место занимают методы силикатизации. С целью исследования поведения грунтов с пропитанной структурой и без пропитки были проведены исследования образцов в стандартной биологической среде. Изучался песок фракций 0,14—0,315 и 0,63—1,25 мм. В качестве пропиточной композиции применяли смесь жидкого стекла с кремнефтористым натрием. Количество кремнефтористого натрия было принято равным 20 мас. ч. на 100 мас. ч. вяжущего. Песчаный грунт пофракционно закладывался в формы размером 1 х 1 х 3 см, затем осуществлялась пропитка. Далее получившиеся образцы испытывали в средах микроскопических грибов. Результаты испытаний приведены в табл. 4.

Таблица 4

Влияние пропитки песчаных грунтов различного зернового состава на биостойкость

Вид грунта Оценка роста грибов, баллы Характеристика по ГОСТ

метод 1 метод 3

Песок крупностью 0,63—1,25 мм 0 0; R = 3 Фунгициден

Песок крупностью 0,14—0,32 мм 0 0; R = 15 Фунгициден

Анализируя данные таблицы, можно сделать вывод: песчаные грунты становятся фунгицидными при пропитке жидкостекольными композициями.

Стойкость цементных композитов в условиях воздействия биологических сред во многом определяется пористостью материалов. При ее увеличении повышается проницаемость строительных материалов для микроорганизмов. В результате снижается прочность композитов [3]. Факт уменьшения их прочности с повышением или понижением содержания воды по сравнению с оптимальным уровнем объясняется увеличением площади поражаемой поверхности материала продуктами метаболизма грибов у более пористых материалов. Для улучшения физико-механических свойств и повышения долговечности материалов и изделий используется пропитка их поровой структуры различными вяжущими [1]. Эффективность пропитки может повышаться при одновременном улучшении биозащитных свойств строительных изделий.

С целью определения биостойкости цементно-песчаных растворов, пропитанных жидкостекольными композициями, нами были проведены исследования, в которых сравнивались два вида составов: цементно-песчаный раствор, пропитанный жидкостекольной композицией, и непропитанный. Образцы цементно-песчаного раствора выполнялись в виде балочек размером 1 х 1 х 3 см. Пропитка осуществлялась без применения давления. Образцы закладывались в емкость с пропиточной смесью и выдерживались в течение

1 ч, после чего испытывались в средах микроскопических грибов. Результаты испытаний образцов приведены в табл. 5.

Из результатов, представленных в таблице, видно, что цементно-песчаные композиты после пропитки становятся фунгицидными.

Структура строительных материалов и изделий, изготовленных путем автоклавной обработки или обжига, складывается уже в процессе приготовления и в дальнейшем существенно не изменяется. При этом в готовых изделиях и конструкциях остается множество пор (до 26—30 %) [1]. Это обусловливает понижение некоторых показателей, в частности долговечности и биостойкости материалов. Радикальным способом уменьшения пористости, улучшения структуры, физико-механических показателей, повышения долговечности и биостойкости является пропитка готовых изделий жидкостекольными композициями с последующей их полимеризацией в теле материала. В этом случае его характеристики определяются свойствами как исходного материала, так и пропиточного состава.

С целью изучения биостойкости кирпичных ограждающих конструкций был проведен эксперимент, в котором сравнивались два вида материалов: кирпич глиняный обыкновенный и кирпич силикатный, не пропитанные жидкостекольной композицией, и пропитанные. Для проведения такого эксперимента нами были изготовлены образцы размером 1 х 1 х 3 см. Образцы погружались в жидкостекольный состав и пропитывались без применения давления в течение 1 ч. Далее пропитанные и контрольные образцы испытывались в средах микроскопических грибов. Результаты испытаний приведены в табл. 6.

Анализируя результаты таблицы, можно сделать вывод о том, что образцы, пропитанные жидкостекольной композицией, становятся грибостойкими.

В современном строительстве широко используют различные виды теплоизоляционных бетонов, которые можно разделить на две большие группы — легкие бетоны на пористых заполнителях и ячеистые. Путем пропитки таких бетонов мономером с последующим

Таблица 5

Биостойкость цементно-песчаного раствора, пропитанного жидкостекольной композицией, и непропитанного

Вид материала Оценка роста грибов, баллы Характеристика по ГОСТ

метод 1 метод 3

Непропитанный 2 5 Грибостоек

Пропитанный 0 1 Фунгициден

Таблица 6

Биостойкость кирпича глиняного обыкновенного и силикатного

Кирпич Вид материала Оценка роста грибов, баллы Характеристика по ГОСТ

метод 1 метод 3

Глиняный Непропитанный 3 5 Негрибостоек

Пропитанный 0 3 Грибостоек

Силикатный Непропитанный 3 5 Негрибостоек

Пропитанный 0 3 Грибостоек

Таблица 7

Биостойкость теплоизоляиионных составов на основе газосиликата

Вид материала Оценка роста грибов, баллы Характеристика по ГОСТ

метод 1 метод 3

Непропитанный 3 5 Негрибостоек

Пропитанный 0 2 Грибостоек

его отверждением в порах можно получить различные виды легких бетонополимеров [1]. Для пропитки теплоизоляционных материалов могут использоваться различные составы: для материалов с крупными порами — более вязкие, для материалов с мелкими порами — составы малой вязкости. Пропитывающий состав может заполнять поры различных размеров или удерживаться только порами определенного размера. В зависимости от структуры материала и вида пропитывающего состава можно получать различные структуры бето-нополимеров и, соответственно, влиять на их свойства.

Пропитывающие составы имеют невысокую среднюю плотность, что способствует небольшому увеличению средней плотности материала при заметном изменении свойств,

в частности долговечности и непроницаемости. Значительный эффект может быть получен путем поверхностной пропитки пористых материалов, которая защищает последние от различных биологически агрессивных сред.

В данном эксперименте в качестве теплоизоляционного материала использовались образцы на основе газосиликата, которые пропитывались жидкостекольной композицией. Как и в предыдущих экспериментах, образцы готовились в виде балочек размером 1 х 1 х 3 см. Результаты испытаний образцов приведены в табл. 7.

Анализ результатов свидетельствует о том, что пропитка теплоизоляционных образцов на основе газосиликата способствует увеличению их биологической стойкости. Образцы становятся грибостойкими.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Баженов Ю. М. Бетонополимеры / Ю. М. Баженов. — М. : Стройиздат, 1983. — 472 с.

2. Билай В. И. Грибы, вызывающие коррозию / В. И. Билай, Э. З. Коваль // Биологические повреждения строительных и промышленных материалов. — Киев, 1978. — С. 19—21.

3. Биологическое сопротивление материалов / В. И. Соломатов, В. Т. Ерофеев, В. Ф. Смирнов [и др.]. — Саранск : Изд-во Мордов. ун-та, 2001. — 196 с.

4. Биоповреждения в строительстве / Ф. М. Иванов, С. Н. Горшин, Дж. Уайт [и др.] ; под ред. Ф. М. Иванова, С. Н. Горшина. — М. : Стройиздат, 1984. — 320 с.

5. Биоповреждения : учеб. пособие для биолог. спец. вузов / под ред. В. Ф. Ильичева. — М. : Высш. школа, 1987. — 352 с.

6. Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений : справ. : в 2 т. / под ред. А. А. Герасименко. — М. : Машиностроение, 1987.

7. Защита строительных конструкций и технологического оборудования от коррозии : справ. строителя / под ред. А. М. Орлова. — М. : Стройиздат, 1988. — 256 с.

8. Инфицирование капиллярно-пористых материалов микроорганизмами УУ А. М. Рожанская,

В. В. Гончаров, Т. В. Теплицкая, Е. И. Андреюк У Докл. АН СССР. — 1988. — Т. 12. — С. 60—62.

9. Каневская И. Г. Биологическое повреждение промышленных материалов У И. Г. Каневская. — Л. :

Наука, 1984. — 230 с.

10. Корнеев В. И. Жидкое и растворимое стекло У В. И. Корнеев, В. В. Данилов. — СПб. : Стройиздат, 1996. — 216 с.

11. Патуроев В. В. Мастики, полимербетоны, полимерсиликаты У В. В. Патуроев, И. Е. Путляев. — М. : Стройиздат, 1975. — 223 с.

12. Ржаницын Б. А. Химическое закрепление грунтов в строительстве У Б. А. Ржаницын. — М. : Стройиздат, 1986. — 264 с.

13. Соломатов В. И. Химическое сопротивление композиционных строительных материалов ¡ В. И. Соломатов, В. П. Селяев. — М. : Стройиздат, 1987. — 264 с.

14. Соломатов В. И. Строительные биотехнологии и биокомпозиты У В. И. Соломатов, В. Д. Черкасов, В. Т. Ерофеев. — М. : Изд-во МИИТ, 1998. — 166 с.

15. Субботкин М. И. Кислотоупорные бетоны и растворы У М. И. Субб откин, Ю. С. Курицына. М. :

Стройиздат, 1967.

Поступила 16.09.08.