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.

Таблица 1

Виды биоповреждения строительных материалов микроорганизмами

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.

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 мм². 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.

Выводы

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.

Литература:

1. РВСН 20–01–2006 Санкт-Петербург (ТСН-20–303–2006 Санкт-Петербург) Защита строительных конструкций, зданий и сооружений от агрессивных химических и биологических воздействий окружающей среды // Профессиональные справочные системы Тэхэксперт — электронный фонд правовой и нормативно-технической документации. URL: http://docs.cntd.ru/document/1200044525 (дата обращения: 26.05.2018).
2. Антонов В. Б., Беляков Н. А., Васильева Н. В., Елинов Н. П., Старцев С. А., Хурцилава О. Г., Щербо А. П. Биоповреждения больничных зданий и их влияние на здоровье человека. — СПб.: МАПО, 2008. — 232 с.
3. Ильичев В. Д. Биоповреждения. — М.: Высшая школа, 1987. — 352 с.