Биологическое поражение кирпичной кладки

Обновлено: 17.05.2024

Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Бессонов И.В., Баранов В.С., Баранов В.В., Князева В.П., Ельчищева Т.Ф.

Определены факторы, приводящие к образованию высолов на кирпичных слоистых наружных стенах зданий. Установлены виды солей, составляющих высолы . Выявлено, что для недопущения формирования высолов и возникновения биоповреждений кладки материалы следует подбирать с учетом сбалансированности химического состава и капиллярно-пористых свойств. Это позволяет предотвратить метастабильность системы в целом при сочетании материалов и их увлажнении.Установлено предпочтительное использование для кладки сложного раствора состава песок известь -цемент с развитой капиллярно-пористой структурой по отношению к кирпичу или известково-песчаного раствора с заполнителем из тонкомолотого песка. Разработаны предложения по устранению высолов методом смывки составом на основе полифункциональных кислот с последующей обработкой поверхности кладки кремнийорганическими гидрофобизаторами для недопущения повторного солеобразования.The factors leading to the formation of efflorescence on brick layered exterior walls of the building. The types of salts, efflorescence components. Revealedthat the prevention of the formation of efflorescence and biodegradation of masonry materials should be selected taking into account the balance between thechemical composition and properties of capillary-porous. This avoids the metastability of the system as a whole by combiningmaterials and moisture. Set thepreferred use for the solution of complex masonry sand-lime-cement developed capillaryporous structure with respect to the brick or limesand mortar with afiller of from fine sand. Proposals to eliminate efflorescence wash composition method based on polyfunctional acids followed by treatment with silicone masonrysurface repellents to prevent the recurrence of salt formation.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий»

Научно-технический и производственный журнал

И.В. БЕССОНОВ1, канд. техн. наук, В.С. БАРАНОВ2, инженер-механик (генеральный директор), В.В. БАРАНОВ2, юрист, В.П. КНЯЗЕВА3, канд. техн. наук, Т.Ф. ЕЛЬЧиЩЕВА4, канд. техн. наук

1 Научно-исследовательский институт строительной физики РААСН (127238, Москва, Локомотивный пр., 21) 2 ООО «НПФ «СТРОЙМОСТ» (Москва, ул. Буракова, 27, к. 2) 3 Московский архитектурный институт (107031, Москва, ул. Рождественка, 11/4, к. 1, стр. 4) 4 Тамбовский государственный технический университет (392000, г. Тамбов, ул. Советская, 106)

Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий

Определены факторы, приводящие к образованию высолов на кирпичных слоистых, наружных стенах зданий. Установлены виды солей, составляющих высолы. Выявлено, что для недопущения формирования высолов и возникновения биоповреждений кладки материалы следует подбирать с учетом сбалансированности химического состава и капиллярно-пористых свойств. Это позволяет предотвратить метастабильность системы в целом при сочетании материалов и их увлажнении. Установлено предпочтительное использование для кладки сложного раствора состава песок - известь - цемент с развитой капиллярно-пористой структурой по отношению к кирпичу или известково-песчаного раствора с заполнителем из тонкомолотого песка. Разработаны предложения по устранению высолов методом смывки составом на основе полифункциональных кислот с последующей обработкой поверхности кладки кремнийорганическими гидрофобизаторами для недопущения повторного солеобразования.

Ключевые слова: высолы, гигроскопические соли, кирпичная кладка, метастабильная система, эмерджентность.

I.V. BESSONOV1, Candidate of Sciences, V.S. BARANOV2, Engineer-Mechanic (General Director), V.V. BARANOV2, Lower, V. P. KNYAZEVA3, Candidate of Sciences, T.F. ELCHISHCHEVA4, Candidate of Sciences. 1 Research Institute of Building Physics of RAABS (21, Lokomotivniy Driveway, Moscow, 127238, Russian Federation) 2 ООО «NPF «STROYMOST» (27/2, Burakova Street, Moscow, Russian Federation) 3 Moscow Architectural Institute (The State Academy) (11/4, Rogdestvenka Street, Moscow, 107031, Russian Federation ) 4 Tambov State Technical University (106 Sovetskya Street, Tambov, 392000, Russian Federation)

Reasons and Eliminate Efflorescence on the Brick Walls of Buildings

The factors leading to the formation of efflorescence on brick layered exterior walls of the building. The types of salts, efflorescence components. Revealed that the prevention of the formation of efflorescence and biodegradation of masonry materials should be selected taking into account the balance between the chemical composition and properties of capillary-porous. This avoids the metastability of the system as a whole by combining materials and moisture. Set the preferred use for the solution of complex masonry sand-lime-cement developed capillary- porous structure with respect to the brick or lime- sand mortar with a filler of from fine sand. Proposals to eliminate efflorescence wash composition method based on polyfunctional acids followed by treatment with silicone masonry surface repellents to prevent the recurrence of salt formation.

Keywords: efflorescence, hygroscopic salts, brickwork, metastable system emergence.

Изменение внешнего вида и разрушение облицовочного кирпича в кладке часто связаны с воздействием гигроскопических солей [1], которые ухудшают эксплуатационные и архитектурно-художественные качества зданий и снижают морозостойкость и долговечность стен 4.

В строительстве высолы [6] делятся на первичные и вторичные. Первичные проявляются на стадии твердения бетона и кладочного раствора: капилляры свежего раствора заполнены водным раствором продуктов гидратации цемента, главным образом гидроксидом кальция Са(ОН)2, который в процессе образования цементного камня реагирует с углекислым газом воздуха, карбонизируется, и поры и капилляры заполняются карбонатом кальция СаСО3. При твердении раствора происходит массоперенос Са(ОН)2 наружу кладки. По пленке воды он распространяется по всей поверхности кладочных швов и кирпича, карбонизируется, а после высыхания воды образует несмываемый водой и дождем налет - высол. Это характерно и для кирпича, когда для его изготовления используется глина, не отвечающая нормам по содержанию солей [7].

Вторичные высолы образуются в процессе эксплуатации конструкций при старении бетона, раствора и кирпича под воздействием внешней среды и проявляются как общее или локальное осветление за счет пленки СаСО3 и др. солей. Обычно высолы образуются при нарушении нормального влажностного режима стен, что вызывает усиленный приток к ним влаги. Вносят свой вклад в образование высолов добавки по ГОСТ 24211-2003 «Добавки для бетонов. Общие технические требования»: ускоряющие или замедляющие схватывание смесей и твердение, противоморозные, пластифицирующие и др., а также доменные шлаки, зола-унос ТЭЦ и другие природные и искусственные химические добавки, вводимые для улучшения технологических свойств и снижения себестоимости бетонов [8, 9]. Интенсивность образования высолов зависит от количества влаги, пришедшей в жидкой фазе к поверхности, химического состава и концентрации солей в растворе и площади испарения. Итак, источники образования высолов на кирпичной кладке следующие:

Материалы и конструкции

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 1. Высоли в образцах стеновых материалов: а, б, в, г, д — пробы №№ 0, 1, 2, 3, 4 (увеличение 1200 х); е — проба № 5 (увеличение 300 х)

- растворимые соли в сырье (глине, песке, шамоте) и воде затворения до 0,9 г/л в сухих остатках водных вытяжек из кирпича;

- кладочные растворы, содержащие вяжущие (цемент, гипс, известь), заполнители (песок, шлак), воду затворения, противоморозные и технологические добавки. В портландцементе содержатся вещества, попадающие в вяжущее из сырьевых материалов: оксиды натрия, калия и серы ^а20, К20,

SO3 - до 0,5-1 мас. %), которые находятся в портланд-цементном клинкере в составе силикатов. При гидратации они образуют гидрокарбонаты Са(НС03)2, дающие при взаимодействии с углекислым газом воздуха СаС03. Кладка, сложенная на цементном растворе, имеет большее количество высолов, чем на известковом. Гипс Са^ЗО^ 2Н2О, содержит сульфат-ион, который реагирует с ионом натрия, содержащимся в полевом шпате Na2O•Al2O3•6SiO2, и образует водорастворимый сульфат натрия Na2SO4. Последний может образовываться и в результате обменной реакции между сульфатом кальция Са^04 и гидроксидом натрия NaOH, содержащимся в кирпиче и кладочном растворе. Затворение кладочного раствора жесткой или загрязненной промышленными отходами водой, введение противоморозных добавок для понижения температуры замерзания строительной смеси при зимних работах и ускорения сроков схватывания цемента также повышают общую засоленность кладки;

- влага, попадающая в стены в процессе их возведения. Количество влаги зависит от местных климатических и метеорологических условий, времени года, свойств, условий транспортирования и хранения строительных материалов. Влага вносится при применении разжиженных кладочных растворов и отсыревших материалов после ненадлежащего хранения. Керамический обожженный кирпич после изготовления имеет влажность до 1 мас. %, при хранении на открытом воздухе его средняя влажность повышается до 5-6, иногда до 10 мас. %. Затвердевший кладочный раствор влажностью до 20 мас. % занимает в кирпичной стене 25 об. %, и количество влаги, вносимой в стену в процессе строительства, составляет 4,5-5 мас. %. При повышении влажности кирпича начальная влажность кладки может достигать 19-21 мас. %;

- грунтовые и технологические воды с растворенными солями;

- атмосферная влага: в виде кислотных дождей, содержащая продукты сжигания воздуха при разрядах атмосферного электричества (оксиды азота, нитрат аммония N^N0^ и агрессивные примеси (в промышленных районах); в виде тумана, инея, образующаяся при конденсации водяного пара в приземной атмосфере (содержит аммиак, азотную и азотистую кислоты, серо- и хлорсодержащие соединения). Дождевая вода может поступать в стены, когда здание не подведено под крышу, при косых дождях и продолжительных ливнях.

Вследствие изменения температурного режима наружных стен происходит миграция солей по системе пор и капилляров кирпичной кладки, в результате которой на фасадах зданий появляются высолы. Последние снижают эстетические качества фасадов, портят городской пейзаж и являются индикаторами разрушительных процессов облицовки и конструкционного стенового материала. Разрушение вызывается развитием солевой коррозии от попеременного увлажнения и высыхания, приводящих к кристаллизации солей в порах материала. Часто соли выпадают с образованием многоводных кристаллогидратов, превышающих объем пор и оказывающих кристаллизационное давление больше предела прочности и разрушающее кирпич. Внешними признаками солевой коррозии лицевого кирпича является шелушение, трещины, крошение, вплоть до образо-

Рис. 2. Высолы на внутренней поверхности кладки

Рис. 3. Движение солей изнутри на наружную поверхность кладки через растворный шов

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

Научно-технический и производственный журнал

вания мелкого щебня. Солевая коррозия вызывает разрушение кирпичных зданий через 15-20 лет при среднем нормативном сроке службы 100-150 лет [6].

Натурные исследования заключались в определении характерных мест высаливания на стенах здания, фотофиксации засоленных участков фасадов и мест хранения строительных материалов. Отбор образцов, подготовка проб и проведение лабораторных исследований осуществлялись: по ГОСТ 9980.2-96, ГОСТ 22091-84, ГОСТ 21472-81 (СТ СЭВ 1145-78); общепринятым методикам работ на сканирующем электронном микроскопе с химическим анализатором Stereoscan 600 (Cambridge Instrument, Великобритания) и рентгеноструктурном дифрактометре; методами индикаторного анализа по системе MERCK и качественного и количественного анализа сульфатов, нитратов и хлоридов в растворах водных вытяжек. Оборудование и методы использовались для экспрессного анализа микроструктуры, фазового и химического состава. Также исследовалась проба № 0 - кирпич с типичными высолами из кладки.

В результате натурных исследований установлено: вы-солы на лицевом кирпиче появились с наступлением положительных температур воздуха, их развитие происходит изнутри наружу по растворному шву. В лабораторных условиях получены рентгенограммы фазового анализа проб стеновых материалов и выделены следующие составляющие:

- проба № 0: Na2SO4, KCl, NaCl, агвит Ca(Fe,Mg)-(Si2O6), Mg - следы, Na6Mg2Cl, нортупит MgCO3Na2CO3NaCl, тихит N^Mg^CO^SOJ, Fe2O3 и Mg^;

- проба № 2: Fe2O3, полевой шпат (K[AlSi3O8]-Na[AlSi3O8]-Са[Al2Si2O8]), кристобалит (SiO2), MgO, Al2O3, шпинель (MgAl2O4), стеклофаза;

- проба № 5: портландцемент негидратированный, гематит Fe2O3, гетит (a-FeOOH), корунд Al2O3, слюда (R1(R2)3 [AlSi3O10](OH, F)2, где R1 = К, Na; R2 = Al, Mg, Fe, Li), SiO2, гипс3 (Ca2SO4-2H,p), полимерная добавка.

Результаты фазового анализа показали, что высолы на пробе № 0 представлены Na2SO4 (тенардитом) и СаСО3, проба № 5 содержала гипс Ca2SO4-2H,p.

Рис. 4. Высолы на облицовочном кирпиче

Результаты физико-химического анализа водной вытяжки свидетельствовали об образовании на поверхности кирпича Na2SO4. Метастабильными фазами являлись полевые шпаты и соединение магния - гетит.

Результаты испытаний фазового состава проб № 0; 2 и 5 показали, что система материалов кирпичной кладки не сбалансирована по химическому составу и любое увлажнение и высыхание стен будет сопровождаться миграцией солевых растворов в поровом пространстве материалов, их фазовыми превращениями по схеме раствор соли^кристалли-ческая соль, что может привести к физико-химическим процессам коррозии стеновых материалов.

На рис. 1-6 представлены микроструктуры проб материалов. Пробы кирпича по микроструктуре подобны между собой. Проба № 0 отличалась повышенным содержанием CaO. Метастабильной фазой кладочного раствора являлся гипс, его кристаллизация видна на рис. 1, д. Минераловатные плиты (проба № 7) содержали метастабильную натриевую составляющую, что также определяло образование высолов.

Противоморозная добавка включала нитраты в количестве до 500 мг/л в пересчете на NO3-, что увеличивало возможность образования карбонатов.

Количественные показатели соединений указывают на метастабильность системы и придают системе конгломерата свойство эмерджентности (от англ. emergence - возникновение, появление нового), появление у системы особых свойств, не присущих составляющим ее элементам. При определенных физико-химических и влажностных условиях эти соединения могут вступать в реакции обмена и образовывать высолы.

Метастабильной фазой кладочного раствора является гипс, минераловатных плит натриевая составляющая, противоморозная добавка включает нитраты. Высолы представлены в основном сульфатами натрия и карбонатами кальция, которые образуются в результате физико-химического взаимодействия растворной составляющей с

Водопоглощение и паропроницаемость керамического кирпича

Вид обработки кирпича w, мас.% 1, мг/(мчПа)

за 24 ч за 48 ч за 96 ч

Без гидрофобизатора 7,1 7,6 8,3 0,17

С гидрофобизатором 3 3,8 4,8 0,15

Материалы и конструкции

Научно-технический и производственный журнал

Рис. 5. Фрагменты фасадов здания: слева — нижний этаж после обработки; справа — верхний этаж без обработки

кирпичом. Наличие Na2O и МдО в минераловатных плитах при контакте с раствором и кирпичом дает потенциальную возможность образования нерастворимых солей. Противо-морозная добавка не способствует образованию высолов (в ее составе преимущественно нитраты кальция, смешанные соли), но существенно увеличивает сорбционные свойства кладочного раствора и кирпича, что облегчает миграцию солей на лицевую поверхность кладки. При увлажнении стен возможны физико-химические процессы коррозионного повреждения отделочных и конструкционных материалов. Обнаруженные растворимые соли гигроскопичны, что затрудняет сушку стен и снижает эффективность теплоизоляции.

Наличие кристаллогидратов способствует развитию коррозионных процессов по физико-химическому механизму со значительным увеличением объема новообразований при попеременном увлажнении и высыхании кирпичной кладки. Большое содержание хорошо растворимой соли - тенардита, образующей кристаллогидрат Na2SO4•10H2O, отрицательно влияет на прочность материала вследствие кристаллизационного давления, возникновения нагрузок на разрыв и образования трещин. Несбалансированность системы приводит к образованию высолов и во внутренней части кирпичной кладки (рис. 2) и распространению солей через растворный шов на ее лицевую поверхность (рис. 3, 4).

i Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

В зданиях с высолами поддержание экологически комфортной среды проживания без предварительной санации и высушивания до равновесной влажности 2-3 мас. % пе-

ред началом отделочных работ осложняется по показателям тепловлажностного режима в помещениях и биозагрязнения воздуха при оштукатуривании стен изнутри, возможна активизация биохимического разрушения вследствие присутствия азотсодержащих загрязнителей в кирпичной кладке, развитие биоповреждений отделочных и конструкционных материалов.

Для удаления высолов с кирпича традиционно применяются: механический способ, смывка синтетическими моющими средствами и ПАВ, обработка водными растворами соляной кислоты HCl. Первые два неэффективны, последняя обладает мощным разрушительным действием: в толще раствора образуется хлорид натрия NaCl, который, даже будучи нейтрализован раствором NaOH, разрушает контактные слои между цементным камнем и заполнителем, уменьшает прочность и резко увеличивает проницаемость раствора.

Минимальным разрушающим эффектом обладают очистители высолов с кирпича и других облицовочных материалов, изготовленные на основе кислот неминерального происхождения и полимерных добавок. Эффективность очистителей различных составов выявлялась в лабораторных условиях путем экспериментов по удалению солей с поверхности кирпича. В результате был выбран очиститель с рН 1-2 и плотностью 1,05 г/см3, представляющий водный раствор комплексов одноосновных и двухосновных полифункциональных кислот и модифицирующих добавок.

В натурных условиях эффективность очистителя апробировалась на участке фасада площадью 25 м2. Наросты, осыпающиеся частицы и пыль солей удалялись механически. Поверхность стены с высолами обрабатывалась очистителем кистью до растворения солей (исчезновения белого налета).

Важным достоинством примененных на объекте очистителя и гидрофобизатора является отсутствие в их составе токсичных органических растворителей и раздражающего запаха. Составы не оказывают вредного воздействия на человека и окружающую среду и разрешены для использования в строительстве, в том числе пищевых предприятий, бассейнов и резервуаров с питьевой водой. Предложенная система профилактических мероприятий по предупреждению развития коррозии стеновых материалов включает антисолевую обработку поверхности с последующей гидро-фобизацией кремнийорганическими составами.

При проектировании слоистых наружных ограждающих конструкций для недопущения высолов и биоповреждений материалы, используемые в кирпичной кладке, сле-

Научно-технический и производственный журнал

дует подбирать с учетом сбалансированности химического состава и капиллярно-пористых свойств системы в целом для предотвращения метастабильности при сочетании материалов и их увлажнении.

Хранение кирпича на строительной площадке должно обеспечивать защиту от атмосферной влаги. Переувлажненный кирпич и разжиженный раствор увеличивают общую начальную влажность кладки, что создает условия для активной миграции солей в системе.

Для кладки следует использовать сложный раствор (песок, известь, цемент) с развитой капиллярно-пористой структурой по отношению к кирпичу, что снижает вероятность вытеснения солей в кирпич, либо известково-песчаный раствор с заполнителем из тонкомолотого песка (аморфный кремнезем SiO2, что обеспечивает химическое связывание СаО в растворной части).

Для удаления высолов и предупреждения развития коррозии предлагается использование технологии смывки составом на основе смеси полифункциональных кислот с последующей обработкой поверхности кремнийорганически-ми гидрофобизаторами. До и после проведения работ по удалению солей в течение годового цикла эксплуатации следует проводить периодические инструментально-визуальные обследования состояния стен с отслеживанием динамики процесса в связи с возможным появлением микротрещин на лицевом кирпиче. Дополнительными являются мероприятия по санированию стен, которые включают: высушивание ограждающих конструкций и в случае усиления эффекта высаливания проведение антисолевой обработки поврежденных поверхностей; контроль за влажностью и засоленностью стен перед их отделкой; применение сухих отделочных систем без покрытий на полимерной основе.

1. Kimbal J. Basley. Masonry Facade Stress Failures// The Construction Specifier. 1998. Vol. 51. No. 2.

2. Krogh H., Hansen K. Collection and use of environmental data on building materials // Second International Conference on Buildings and Environment. Paris. 1997, pp. 149-156.

4. Чумаченко Н.Г., Мироненко Е.В. Влияние кладочных растворов на высолообразование в кирпичных зданиях // Технологии, материалы, конструкции в строительстве. 2003. № 4. С. 65-73.

5. Изотов В.С., Соколова Ю.А. Химические добавки для модификации бетона. М.: Казанский ГАСУ: Издательство «Палеотип», 2006. 244 с.

6. Инчик В.В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен. СПб.: СПбГАСУ. 1998. 324 с.

8. Калашников В.И., Махамбетова К.Н. Коррозионная стойкость цементно-песчаных растворов в агрессивной среде // Строительные материалы. 2010. № 11. С. 12-13.

9. Краснова Т.А., Бороуля Н.И. Влияние противоморозных добавок на свойства бетона // Технологии бетонов. 2011. № 11-12. С. 22-24.

Намокание кирпичной кладки в основании здания

В результате обследования зданий, выявлено, что намокание кирпичной кладки в основании здания, (не путать с капиллярным подъемом влаги), возникает в результате отсутствия организованного водоотвода с кровли здания и как следствие атмосферных осадков с кровли, которые попадают на отмостку здания.

Механизмы биоповреждений строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений

В настоящее время огромное количество людей на планете проживает в городах, проводя большую часть своей жизни в различных помещениях, строениях. Сами того не подозревая, они оказываются под угрозой экологической проблемы — биоповреждения конструкций, зданий и сооружений. Разрушение кирпичной кладки, ухудшение эксплуатационных характеристик строительных материалов, ухудшение внешнего вида зданий и сооружений — все это вызвано деятельностью биодеструкторов [3]. К ним относятся: грибы, мхи, бактерии, водоросли, микроорганизмы. [2] В результате их деятельности поврежденные сооружения становятся опасными для пребывания в них человека. Люди могут получать травмы различной тяжести по причине обрушения, обвала конструкций и элементов [2]. Помимо этого, продолжительное нахождение человека в пораженной биодеструкторами среде может вызывать инфекционные заболевания, аллергии. Около 60 % микробов являются опасными для людей. [2]

Сейчас этому вопросу уделяется все больше внимания, и в некоторых городах созданы документы, в которых описаны мероприятия для защиты зданий и сооружений от пагубного воздействия биодеструкторов. В пример можно привести город Санкт-Петербург с его очень влажным климатом и РВСН 20–01–2006 «Защита строительных конструкций зданий и сооружений от агрессивных химических и биологических воздействий окружающей среды». В этом нормативном документе описаны степени агрессивности среды, методы защиты строительных конструкций, способы ликвидации последствий деятельности биодеструкторов и многое другое. [1] Помимо всего этого, там описаны виды биоповреждения. Они приведены в таблице 1.

Виды биоповреждения строительных материалов микроорганизмами

Виды повреждения строительного материала микроорганизмами

Описание повреждения

Пример

Использование микроорганизмами ингредиентов материала в качестве питательного субстрата

Повреждение древесины, полимерных и органосодержащих материалов

Воздействие продуктов жизнедеятельности микроорганизмов на диэлектрические материалы и металлы в токонепроводящих средах

Повреждение стекла, керамики, цемента.

Воздействие продуктов жизнедеятельности микроорганизмов на металлы в токопроводящих средах

Коррозия арматуры, металлических труб и балок.

Образование биопленок на поверхности материала, проникновение микроорганизмов в трещины и микротрещины, накопление (увеличение) биомассы.

Разрушение кирпичной кладки, бетона, камня, древесины.

Комплексное воздействие микроорганизмов, их сообществ и продуктов их жизнедеятельности на строительные материалы

Разрушение натуральных камней, штукатурных и отделочных слоев, железобетона, деревянных конструкций.

Известно, что заражение материала конструкций начинается с поселения на них микроорганизмов, которые в результате своей жизнедеятельности могут выделять различные ферменты и кислоты. [2] Через некоторое время эти выделения могут служить питательной средой для других микроорганизмов. Таким образом происходит видовое накопление на поверхности материала. В свою очередь, в результате взаимодействия метаболитов (кислот, ферментов) с материалом происходит химическая коррозия, которая приводит к разрушению. Также известно, что многие строительные конструкции и материалы имеют пористую структуру, а при обследовании зараженных зданий и сооружений помимо бактерий очень часто встречаются микромицеты, которые мицелиями проникают глубоко в материал. [2] Очевидно, что в следствии накопления биомассы грибами, она должна оказывать давление на стенки и тем самым разрушать структуру.

Чтобы наглядно увидеть, как происходит разрушение, был проведен эксперимент.

Был взяты образцы известковой штукатурки и помещены в растворы лимонной, щавелевой, янтарной, яблочной кислот разной концентрации. В результате эксперимента на некоторых образцах был замечен рост кристаллов солей. Один из образцов изображен на рисунках 1 и 2.

Рис. 1. Образец штукатурки в 5 % растворе янтарной кислоты в начале эксперимента.

Рис. 2. Образец штукатурки в 5 % растворе янтарной кислоты через неделю.

Видно, что весь образец пронизан копьевидными кристаллами солей, которые оказывают расклинивающее воздействие внутри материала. Далее через некоторое время образцы были извлечены и высушены. При механическом воздействии на образец, приведенный на рисунках 1 и 2, он рассыпался, крошился и демонстрировал более низкие прочностные характеристики по сравнению с образцами, которые не подвергались воздействию кислот. В результате можно сделать вывод о том, что помимо химической коррозии существует механическая, вызванная расклинивающим действием роста кристаллов.

А для того, чтобы проверить гипотезу о расклинивающем эффекте роста биомассы микромицетов была создана установка, приближенно моделирующая трещину в материале. Наглядное изображение ее устройства приведено на рисунке 3.

Рис. 3. Установка для измерения расклинивающего воздействия

На одну половинку чашки Петри наливалась агаризированная питательная среда, в которую заселялась культура грибов. Для эксперимента был выбран род Cladosporium. Эта культура была выбрана исходя из того, что при росте образует обильную пышную массу и часто встречается при обследовании биоповрежденных зданий и сооружений. [2] Далее после заселения часть чашки помешалась на винты, закрепленные на пластине, на которой находились весы с точностью 0,01г. Вся конструкция помещалась в целлофановый пакет вместе с мокрой ветошью для создания влажного климата. В ходе эксперимента температура колебалась в пределах от 23 до 24.5С°. Влажность колебалась в пределах от 72 до 88 %. Измерения проводились с помощью термогигрометра Trotec T-250. Далее давалось некоторое время для того, чтобы культура начала минимально разрастаться. После того, как это было замечено, чашка опускалась до весов, оставляя очень узкий зазор между уровнем нароста массы и рабочей пластины весов. И все вновь убиралось в пакет. В течение определенного промежутка времени поддерживалась влажность и контролировался рост грибов. После накопления биомассы с помощью весов определялась масса, которой грибы расклинили моделируемую щель. Она составила 0,85г. После разбора установки также по образованному отпечатку на рабочей поверхности весов высчитывалась площадь касания. Она составила 9,95 мм 2 . Имея эти данные можно рассчитать давление, оказанное грибами на весы. Оно оказалось равным 837,8 Па. Важно отметить, что при проведении эксперимента в целях получения значений на весах с указанной выше точностью, щель была смоделирована большего размера, чем может встретиться в жизни. Также не была в полной мере воссоздана равномерная вентиляция и обеспечение влажности на протяжении всей площади моделируемой щели. В жизни зараженный материал обладает порами, которые могут обеспечить доставку кислорода и поддерживать уровень влаги в любой точке. Но это не отменяет факт того, что в результате эксперимента было подтверждено расклинивающее воздействие, вызванное накоплением биомассы.

После проведения экспериментов было доказано, что существует два вида механического разрушения строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений. Поэтому в документ РВСН 20–01–2006 «Защита строительных конструкций зданий и сооружений от агрессивных химических и биологических воздействий окружающей среды» рекомендуется внести дополнения в таблицу классификации видов биоповреждения строительных материалов микроорганизмами в виде разделения механического разрушения на два типа: рост биомассы в трещинах, микротрещинах и расклинивающее воздействие солей, образованных в результате взаимодействия органических кислот с материалом.

Биодеструкция строительных материалов. Влияние органических кислот, выделяемых грибами

Биодеструкция — особый вид разрушения материалов, связанный с воздействием живых организмов или продуктов их жизнедеятельности, способных вызвать потерю основных свойств или разрушение строительных материалов. В зону повреждения, а в некоторых случаях и полного разрушения этими организмами попадают фактически все строительные материалы в том числе: кирпич, металл, природный камень, древесина, штукатурка, бетон, известь и другие материалы. Некоторые виды бактерий, адсорбируясь на поверхности твердых тел способны разрушить даже стекло [1].

В их состав строительных материалов могут входить гипс, известь, гранит (в виде щебня), цемент, песок и др. Наибольшей степенью органического заражения биодеструкторами обладают песок и щебень. Микроорганизмы могут обладать очень высокой деструктивной активностью из-за своих физиологических, морфологических и генетических особенностей. В тоже время, благодаря своим микроскопическим размерам и большой скоростью размножения, споры грибов могут проникнуть в микропоры, через грунтовые воды или путем сорбции из воздушной среды, даже самых плотных строительных материалов. Грибы, в условиях благоприятных для существования, способны в течение длительного периода времени, прорастать и оказывать тем самым сильнейшее воздействие на любой строительный материал [6,18].

Значительная часть строительные материалы обладают достаточно высокой пористостью, чем крупнее поры, тем больше в них удерживается влаги, с помощью которой споры грибов могут проникать в глубь микротрещин, и органической пыли, являющейся источником питания микроорганизмов. Оба эти фактора необходимые для микроорганизмов являются условиями их роста. Процесс разрушения материалов начинается уже тогда, когда происходит постоянное давление на стенки материалов из-за роста биомассы — механического разрушения разрастающимся мицелием.

В процессе жизнедеятельности биодеструкторы воздействуют на материалы окислительно-восстановительными и гидролитическими ферментами и выделяют ряд органических кислот — щавелевая, янтарная, яблочная, лимонная, молочная, фумаровая, уксусная, глюконовая, глицериновая кислоты [3]. Процессы образования грибами вышеуказанных кислот хорошо изучены [9, 10, 12–15].

Воздействие органических кислот, на материалы, используемые в строительстве, отмечается как особо сильное и агрессивное, при это отмечена глубокая и достаточно быстрая деструкция материалов, как органических, так и неорганических.

Отличительной чертой этого вида разрушений строительных материалов является то, что помимо агрессивного воздействия самой кислоты на материалы, можно наблюдать образование высолов, в результате взаимодействия органических кислот с материалом. Процесс разрушения кирпичной кладки солями неорганических кислот хорошо изучен и описан в труде Инчика В. В. «Высолы и солевая коррозия кирпичных стен», 2000. Работа посвящена углубленному изучению физико-химических процессов, связанных с образованием высолов на кирпичной стене и развитием солевой коррозии кирпичной кладки, освещены очень важные вопросы, связанные с кристаллизационным давлением в порах компонентов кладки и агрессивным воздействием растворимых соединений на прочность кирпича и кладочного раствора.

Немало важным аспектом образования высолов на строительных материалах отмечены влажностно-температурные условия окружающей среды [2]. Эти же условия характерны для благоприятного роста биодеструкторов. В таком случае, можно предположить, что при определенных значениях температуры и влажности среды, возможно наблюдение непрерывного роста грибов — выделение ими метаболитов реакций, в частности органических кислот, которые при тех же условиях способствуют кристаллизации, образуя высолы, а также, с учетом проникновения спор грибов в невидимое глазу поровое пространство, кристаллизация может происходить как на поверхности, так и внутри строительных материалов.

В большинстве случаев известная на данный момент литература описывает образование солей, имеющих неорганическую природу, то есть образованные анионами неорганических кислот. Иными словами, образование солей, происходящее из-за явления увлажнения строительных конструкций, которая происходит в результате увлажнения от погодных условий или грунтовых вод [8, 11], в пористой структуре строительных материалов, вымывание растворимых солей и повторную кристаллизацию этих солей уже непосредственно в пористой структуре или на поверхности материала.

В то же время, если говорить об изучении механизма деструкции строительных материалов органическими кислотами, которые являются продуктами метаболизма грибов, следует констатировать, что механизм совершенно не изучен. Некоторые ученые согласны с мнением о том, что определенные микроорганизмы наносят вред, приводящий к «биокоррозии». Однако, наиболее изучены разрушения строительных материалов неорганическими кислотами: азотная и серная, которые выделяются в результате жизнедеятельности нитрифицирующих, тионовых, железо- и других бактерий [5, 17],

Как и говорилось ранее, органические кислоты обладают повышенной агрессивностью, к тому же доказана способность этих веществ более быстро, по сравнению с неорганическими кислотами, вымывать минералы из материала [4, 16, 19], при этом наблюдается формирование стабильных металлорганических комплексов и хелатов. Отмечено так же, что изолированные из строительного камня грибы, продуцируют кислоты, резко ускоряющие процесс деструкции. Такими кислотами были щавелевая и лимонная [7, 18].

Все сказанное свидетельствует о разрушающем воздействии грибов и продуцируемых ими метаболитов на строительные материалы. В большей степени стоит акцентировать внимание на агрессивном воздействии органических кислот. Одним из шагов, на пути решения данного вопроса является правильная оценка ущерба, причиненного вследствие их воздействия, а также разработка самих критериев оценивания. Исследование описанных выше процессов поможет ликвидировать последствия биоповреждений, исключить экологическую опасность и уменьшить экономические затраты.

Обзор статьи

Микробная деструкция и солевая коррозия кирпичной кладки

691.421.001.4

Аннотация:

Дана характеристика тионовых и нитрифицирующих бактерий, приводящих к развитию биодеструкционных процессов кирпичной кладки; проведен микробиологический анализ образцов разрушенных строительных материалов - кирпича и кладочного раствора; определен объем открытых пор материалов, подвергшихся разрушению деструкцией; описаны химические процессы, происходящие в результате воздействия продуктов метаболизма микробов на строительные материалы, приводящие к их разрушению.

Список цитируемой литературы:

Андреюк Е. И., Козлова И. А., Коптева Ж. П. Микробная коррозия подземных сооружений // Биоповреждения и биокоррозия в строительстве: материалы 2-й Междунар. науч.-техн. конф. Саранск, 2006. С. 79-99
Андреюк Е. И., Билай В. И., Коваль Э. З., Козлова И. А. Микробная коррозия и ее возбудители. Киев: Наукова думка, 1980. 287 с
Анисимов А. А., Александрова И. Ф. О биохимических механизмах действия фунгицидов // Биоповреждения в промышленности. Горький, 1983. С. 7-17
Биоповреждения в строительстве / под ред. Ф. М. Иванова, С. Н. Горшина. М.: Стройиздат, 1984. 320 с
Биоповреждения и биокоррозия в строительстве: материалы Междунар. науч.-техн. конф. / редкол.: Н. И. Карпенко, В. Т. Ерофеев, В. Ф. Смирнов и др. Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2004. 255 с
Громов Б. В. Строение бактерий. Л.: Изд-во ЛГУ, 1985. 190 с
Защита от коррозии старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений: справочник. В 2 т. / под ред. А. А. Герасименко. М.: Машиностроение, 1987. Т. I. 688 с. Т. II. 784 с
Инчик В. В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен. СПб.: СПбГАСУ, 1998. 324 с
Исаченко Б. Л. Избранные труды: В 2 т. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1951. Т. I. 410 с
Лугаускас А. Ю., Микульскене А. И., Шляужене Д. Ю. Каталог микромицетов-биодеструкторов полимерных материалов. Биологические повреждения. М.: Наука, 1987. 344 с
Минас А. И. Результаты изучения солевой формы физической коррозии строительных материалов // Сб. тр. Казахского филиала Академии строительства и архитектуры СССР. 1960. № 2 (4). С. 14-19
Рубан Е. Л., Коваль Э. З. и др. Физиология и биохимия нитрифицирующих микроорганизмов. Киев: Наукова думка, 1980. 274 с
Чуйко А. В. Органогенная коррозия строительных материалов и конструкций. 2-е изд. Саратов: СПИ, 1976. 79 с
Бочаров Б. В. Химическая защита строительных материалов от биологических повреждений // Биоповреждения в строительстве. М.: Стройиздат, 1984. С. 35-47

кирпичная кладка
солевая коррозия
деструкция
метаболизм
литотропные бактерии
тионовые бактерии
нитрифицирующие бактерии
ртутная порометрия
биохимический анализ
поровая структура
эрозионная коррозия
высолы
кристаллогидраты
мирабилит
алуноген
алуминит
таумасит
натровые квасцы
белит
masonry
salt corrosion
deterioration
metabolism
lithothropic bacteria
thionic bacteria
nitrifying bacteria
mercury injection
biochemical analysis
pore structure
erosion corrosion
efflorescence
crystalline hydrates
mirabilite
keramohalite
aluminite
thaumasite
sodium alum
belit

Полный текст (файл):

Авторы:

Инчик В. В. Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет

Дефекты каменных конструкций

Дефекты каменных конструкций зданий и сооружений классифицируются по следующим основным видам:

деформации стен (прогибы, отклонения от вертикали);
сколы, раковины, выбоины и другие нарушения сплошности кладки;
увлажнение кладки стен, выветривание и вымывание раствора;
повреждение защитных и отделочных слоев;
разрушение несущего слоя стен и столбов.

Основными причинами возникновения дефектов каменных конструкций являются:

ошибки проектирования (неправильный учет нагрузок, неудачное решение узлов сопряжения, потеря устойчивости из-за недостаточного количества связей, неучтенный эксцентриситет, неполная информация по инженерно-геологической оценке грунтов основания);
низкое качество материала (искривление граней камней, отклонения в размерах, низкая прочность и морозостойкость);
низкое качество выполнения работ (нарушение горизонтальности, толщины и правил перевязки швов, отклонения несущих стен и столбов от вертикали, нарушение анкеровки);
неудовлетворительные условия эксплуатации (замачивание и увлажнение, агрессивное воздействие окружающей среды);
неравномерные осадки фундаментов стен и столбов при недооценке инженерно-геологических условий, нарушении правил производства земляных работ, авариях коммунальных сетей водопровода и канализации, нарушении водоотвода от зданий и сооружений;
отсутствие или нарушение гидроизоляции стен;
отсутствие или разрушение карнизов и водосточных труб.

Наиболее характерные признаки наличия дефектов каменных конструкций, места и причины их появления, а также возможные последствия приведены ниже.

Читайте также:

Биологическое поражение кирпичной кладки

Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Аннотация научной статьи по технологиям материалов, автор научной работы — Бессонов И.В., Баранов В.С., Баранов В.В., Князева В.П., Ельчищева Т.Ф.

Похожие темы научных работ по технологиям материалов , автор научной работы — Бессонов И.В., Баранов В.С., Баранов В.В., Князева В.П., Ельчищева Т.Ф.

Текст научной работы на тему «Причины появления и способы устранения высолов на кирпичных стенах зданий»

Намокание кирпичной кладки в основании здания

Рекомендации по устранению дефекта

Механизмы биоповреждений строительных материалов, конструкций, зданий и сооружений

Биодеструкция строительных материалов. Влияние органических кислот, выделяемых грибами

Обзор статьи

Микробная деструкция и солевая коррозия кирпичной кладки

Аннотация:

Список цитируемой литературы:

Полный текст (файл):

Авторы:

Дефекты каменных конструкций