|
ГЛАВА 11.
АНТИКОРРОЗИОННЫЕ И ОГНЕЗАЩИТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
11.1. Химическая коррозия
Как показали опыт эксплуатации строительных конструкций и научные исследования, проводимые в этой области, их разрушение происходит в результате химической, физической и биологической коррозии. Причиной химической коррозии является взаимодействие строительных материалов с агрессивными средами. Продуктами реакции могут быть легкорастворимые вещества – действие кислот на бетон или кристаллические объемные соединения, вызывающие перенапряжение и растрескивание материала, – влияние солей на бетон, металл. Агрессивные среды, приводящие к потере прочности, могут быть в различном агрегатном состоянии: жидком, газообразном и твердом. В последних двух случаях агрессивность проявляется, как правило, только при повышенной влажности воздуха и наличии на поверхности материала тончайшего слоя воды. Растворение в монослое газообразных или твердых агрессивных сред приводит к образованию концентрированных растворов, механизм разрушения которых достаточно изучен.
Для снижения потерь за счет коррозии материала вопросы надежной защиты должны решаться при проектировании. Тогда при строительстве будут применять конструкции, например, металлические, с готовыми защитными покрытиями, выполненными в заводских условиях. Стоимость защиты металлоконструкции, выполняемой на заводе-изготовителе, ниже, чем в условиях строительно-монтажной площадки, а качество выше, так как производится по отработанной технологии на потоке и не зависит от температурно-влажностных условий наружного воздуха.
Кроме того, при транспортировке и хранении незащищенных металлических конструкций процесс коррозии развивается еще до начала их эксплуатации, что значительно осложняет последующую защиту [8].
Для обеспечения долговечности железобетонных конструкций необходимо максимально использовать возможности подбора состава этого сложного многокомпонентного материала. Причиной разрушения железобетонных конструкций, например, при действии хлорсодержащих сред, не опасных по отношению к бетону, является коррозия арматуры. Накопление объемных продуктов взаимодействия в контактном слое вызывает нарушение сцепления арматуры с бетоном и его отслоение. Процесс усугубляется, если агрессивные среды вызывают разрушение не только арматуры, но и самого бетона (сульфатная и кислотная коррозии). Поэтому для обеспечения проектной надежной работы железобетонных конструкций при жестких условиях эксплуатации (наличие агрессивных сред, температурный фактор) необходимо предусматривать применение стойкой арматуры, введение в бетонную смесь добавок ингибиторов коррозии стали, использование химически стойких вяжущих (связующих) и заполнителей, повышение плотности бетона за счет применения уплотняющих добавок и пластификаторов при одновременном снижении расхода воды.
В случае если эти мероприятия не дают желаемого результата, используют более трудоемкую и затратную вторичную защиту: окраску, обмазку, оклейку, облицовку химически стойкими материалами. Выбор антикоррозионной защиты в каждом конкретном случае определяется составом защищаемой поверхности, температурно-влажностными условиями эксплуатации, концентрацией, температурой и давлением агрессивной среды, наличием механических нагрузок [10, 15, 22].
Покрытие должно обладать высокой прочностью сцепления с поверхностью, быть стойким в условиях эксплуатации конструкции, газо- и водонепроницаемым. При защите от агрессивных сред используют, в основном, химически стойкие материалы барьерного типа. Так как такие изолирующие покрытия должны полностью исключить проникновение агрессивной среды к защищаемой поверхности, то эффект их действия определяется непроницаемостью самого материала и качеством выполняемых работ.
Установлено, что для каждого покрытия существует своя оптимальная толщина, увеличение которой приводит к таким отрицательным явлением, как перенапряжение, растрескивание и потеря защитной функции. В большей степени это относится к лакокрасочным составам, надежность работы которых определяется также шероховатостью и чистотой защищаемой поверхности. Окрасочная защита более эффективна для металлических и менее – для бетонных поверхностей, вследствие пористости и влажности бетона. Вода, скапливаясь под пленочным покрытием, ослабляет адгезию и вызывает его отслоение. Кроме того, пористая структура поверхности требует большего расхода красочного состава.
Лакокрасочные защитные покрытия имеют свои достоинства: стойкость, простоту выполнения, относительно низкую стоимость и недостатки: токсичность, пожаро- и взрывоопасность при использовании растворителей, многослойность, водо- и газопроницаемость и небольшую долговечность.
В зависимости от вида агрессивной среды для антикоррозионной защиты используют следующие лакокрасочные материалы: атмосферостойкие, водостойкие, химически стойкие, маслобензостойкие, термостойкие, электроизоляционные и т.д. К органическим красочным составам, в которых используют растворители, относят полиуретановые, эпоксидные, каучуковые и другие. Для повышения механической прочности и износостойкости лакокрасочные покрытия армируют стеклотканью, стеклосеткой, полипропиленовой и угольной тканью. Армированные покрытия применяют для усиления защиты мест сопряжения горизонтальных и вертикальных строительных конструкций, а также железобетонных емкостных сооружений.
Более надежную защиту металлических и железобетонных конструкций можно получить, используя однослойные мастичные или шпатлевочные полимерные и битумно-полимерные покрытия, толщина которых в зависимости от степени агрессивности среды составляет от 1 до 5 мм. Их основным недостатком является возможность появления усадочных трещин, приводящих к разрушению защитного слоя. Для уменьшения деформаций применяют дополнительное армирование стеклосеткой, вводят минеральные микронаполнители и полимерные добавки, повышающие эластичность покрытия.
К наливным композициям относят полимерсиликатные и полимерные растворы и бетоны. Полимерсиликатные получают на основе жидкого стекла с добавлением для повышения плотности и снижения проницаемости фурилового спирта. Для полимеррастворов и полимербетонов в качестве вяжущего (связующего) используют экпоксидные, полиэфирные и фурановые смолы.
Растворы применяют для стяжек в кислотостойких полах, прослоек в облицовках из химически стойких штучных материалов (ситалловых, шлакоситалловых, базальтовых литых, керамических плиток), для оштукатуривания стен, колонн, эксплуатируемых в условиях действия кислот, щелочей, растворов солей средней и сильной степени агрессивности.
С введением крупного заполнителя повышается прочность, снижаются ползучесть и усадка получаемых на основе полимербетонов несущих химически стойких конструкций (балки, колонны, плиты перекрытия и т.д.) и полов в цехах химических производств. При бетонировании крупногабаритных фундаментов под технологическое оборудование, эксплуатация которых связана с возможными технологическими проливами агрессивных сред, эффективно внутреннюю часть – ядро выполнять из обычного бетона, а внешний слой – из полимерного или полимерсиликатного бетона.
Применяемые при антикоррозионных работах полимерные листовые и плиточные материалы, а также рулонные материалы на основе битумов используют в качестве самостоятельных покрытий для защиты строительных конструкций, непроницаемых химически стойких подслоев в конструкциях полов, а также в качестве оклеечной наружной защитной гидроизоляции поверхности бетонных и железобетонных конструкций.
Выбор антикоррозионных материалов зависит от назначения конструкций и условий ее эксплуатации. Исходя из этого все железобетонные и бетонные конструкции можно разделить на две группы: первая – фундаменты зданий, полы, фундаменты под технологическое оборудование, на которые действуют жидкие агрессивные среды. В этом случае для вторичной защиты применяют штучные, листовые, мастичные, пленочные материалы, а также химически стойкие полимерсиликатные и полимерные растворы и бетоны.
Вторая группа – стены, колонны, перекрытия. На них агрессивные среды действуют в виде газообразных и пылевидных продуктов, поэтому в качестве антикоррозионных чаще применяют лакокрасочные покрытия.
При проведении антикоррозионных работ для повышения прочности сцепления металлоконструкции с защищающим покрытием проводят специальную подготовку поверхности, которая предусматривает очистку от ржавчины, окалины, жира.
Из существующих химической, термической и механической очисток чаще используют последнюю с использованием металлической дроби, кварцевого песка, подаваемых струей под давлением. Затем поверхность обрабатывают растворителем. Для исключения высокой запыленности можно применять гидропескоструйную очистку. Для ее совмещения с процессом обезжиривания и исключения коррозии металлов в суспензию вводят щелочи и ингибиторы.
В последние годы для защиты металлоконструкций все большее распространение получают нетоксичные лакокрасочные покрытия, например, цинкосиликатные. Основными компонентами составов являются силикаты щелочных металлов (натрия, калия, лития) и цинковая пыль, образующие на поверхности тонкую пленку с содержанием цинка 90 – 93 %. В России разработаны высокодисперсные металлические порошки, на основе которых получают защитные полиуретановые красочные составы: цинконаполненные (до 97 % цинка) – «Цинотан» и защитно-декоративные алюминиевые – «Алюмотан». Температурный интервал применения составляет от минус 60 до + 400 оС. Эти нетоксичные, быстросохнущие в естественных условиях композиции используют для защиты конструкций, работающих в условиях действия пресной, морской, минерализованной воды, нефти, нефтепродуктов (опоры ЛЭП, мосты, емкости). Аналогичные составы разработаны в Бельгии и Германии. В дальнейшем предполагается выпуск материалов с цинкосодержащим покрытием.
Отказаться от растворителей можно также за счет использования порошковых красок. Защитное покрытие при их использовании получают плазменным струйным напылением на защищаемую поверхность термореактивных смол и термопластичных полимеров.
Защита полимерными пленками листового металлопроката осуществляется бесклеевым способом путем наплавления под давлением готовой пленки на поверхность защищаемого металла с последующей термообработкой. В полученном материале – металлопласте, который используют для выполнения вентиляционных систем, емкостей для хранения агрессивных жидкостей сочетается высокая прочность металла с коррозионной стойкостью полимера.
При защите металлоконструкций на более длительный срок – 20 – 50 лет эксплуатации в условиях действия агрессивных сред применяют металлизационные покрытия, которые можно наносить как в заводских, так и в условиях строительной площадки. Нанесение покрытия производят электродуговыми или газопламенными металлизационными аппаратами, которые могут быть переносными и стационарными заводскими. Все виды металлизационных покрытий обозначают «Мет». Например: «Мет. А(99,5) 160» – покрытие алюминия с чистотой 99,5 %, толщиной 160 мкм; «Мет. Ц60 А160» – покрытие многослойное из цинка толщиной 60 мкм и алюминия – 160 мкм.
Степень агрессивности среды и применяемые антикоррозионные материалы представлены в табл. 11.1.
Таблица 11.1
Степень агрессивного воздействия и материалы, применяемые
для защиты строительных конструкций
|
Агрессивное
воздействие
|
Степень
агрессивности
|
Вид антикоррозионной защиты конструкций
|
|
железобетонных
|
металлических
|
|
Вода, растворы кислот, солей и щелочей концентрации до 10 мг/л, рН до 5
|
Слабоагрессивная
СлА
|
Первичная защита. Антикоррозионные лакокрасочные покрытия (массивные фундаменты). Мастичные битумно-полимерные покрытия толщиной 1-1,5 мм (тонкостенные конструкции)
|
Антикоррозионные лакокрасочные защитные покрытия
|
|
Окончание табл. 11.1
|
|
Органические растворители и масла. Водные растворы солей, кислот, щелочей концентрации до
5×104 мг/л, рН до 4
|
Среднеагрессивная СрА
|
Мастичные полимерные покрытия толщиной 1,0-1,5 мм (массивные фундаменты). Мастичные полимерные покрытия толщиной 1,5-2,5 мм. Монолитные из полимеррастворов (тонкостенные конструкции)
|
Антикоррозионные лакокрасочные защитные покрытия, металлонаполненные красочные полиуретановые
составы
|
|
Водные растворы солей, кислот, щелочей концентрации более 5×104
мг/л, рН менее 4
|
Сильноагрессивная СиА
|
Мастичные полимерные покрытия толщиной 1,5-2,5 мкм. Оклеечная битумная (массивные фундаменты), мастичные эпоксидные покрытия толщиной 2,5-5 мм. Оклеечные полимерные материалы. Полимерные покрытия, армированные стеклотканью
|
Антикоррозионные лакокрасочные защитные покрытия, металлонаполненные красочные полиуретановые составы. Металлизационные покрытия
|
11.2. Физическая коррозия
К физическим факторам, вызывающим разрушение строительных конструкций и сооружений, можно отнести действие электрического тока, радиационного излучения, огня (табл. 11.2).
Железобетонные и металлические конструкции электростанций, подстанций и линий электропередач, работа которых связана с источниками тока большой мощности и высокого напряжения, могут в процессе эксплуатации подвергаться действию электрического тока. В связи с неоднородностью материала конструкций по составу и особенно структуре возможно локальное накопление большого количества энергии, приводящее к возникновению электродугового разряда. Последнее приводит к пережогу арматуры, оплавлению и растрескиванию бетона и, как следствие, потере несущей способности железобетонной конструкции. При повышенной влажности воздуха возможна также электрохимическая коррозия металла, интенсифицированная действием электрического тока. Так как продукты коррозии железа в 2 – 2,5 раза превышают объем прокорродировавшего металла, то их скопление на контакте арматура – бетон вначале вызывает уплотнение контактного слоя за счет заполнения имеющихся пор и пустот. Впоследствии это приводит к росту растягивающих напряжений, появлению трещин и отслоению бетона от арматуры.
Таблица 11.2
Пожарно-технические показатели, определяемые для строительных материалов различного назначения
|
Наименование материалов,
их назначение
|
Пожарно-технические показатели
|
|
горючесть
|
воспламеняемость
|
распро-стране-ние пла-мени
|
токсичность
|
дымообразование
|
|
Материалы для изготовления окон
и фонарей
|
+
|
+
|
-
|
+
|
+
|
|
Материалы для пола с применением
органических вяжущих и заполнителей
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
|
Напольные покрытия
|
+
|
+
Г3, Г4
|
+
|
+
|
+
|
|
Кровельные, гидроизоляционные,
пароизоляционные материалы:
рулонные битумные на основе картона и беспокровные (пергамин, гидроизол)
|
+
|
+
Г3, Г4
|
+
|
-
|
+
|
|
рулонные битумные и битумно-полимерные на стекловолокнистой
основе
|
+
|
+
Г3, Г4
|
+
|
-
|
-
|
|
рулонные битумные и битумно-полимерные на полимерной основе
|
+
|
+
Г3, Г4
|
+
|
+
|
+
|
|
листовые полимерные
и металлополимерные
|
+
|
+
|
+
|
-
|
-
|
|
мастики кровельные
|
+
|
+
|
+
|
-
|
-
|
|
мастики гидроизоляционные
|
+
|
+
Г3, Г4
|
-
|
+
|
+
|
|
Шпатлевки (грунтовки) органические
и органоминеральные
|
+
|
+
Г3, Г4
|
-
|
+
|
-
|
|
Теплоизоляционные органические
материалы
|
+
|
+
|
+
|
+
|
+
|
|
Материалы, применяемые в качестве покровных слоев теплоизоляции
|
+
|
+
Г3, Г4
|
-
|
+
|
+
|
|
Отделочные материалы для внутренних и наружных работ
|
+
|
+
Г3, Г4
|
-
|
+
|
+
|
|
Облицовочные материалы и изделия: полимерные, бетонополимерные,
на основе древесины
|
+
+
|
+
Г3, Г4
+
|
-
-
|
+
-
|
+
-
|
|
Штучные материалы для устройства ограждающих конструкций с применением органических заполнителей
|
+
|
+
Г3, Г4
|
-
|
+
|
+
|
|
Огнезащищенная древесина
|
+
|
+
Г3, Г4
|
-
|
+
|
+
|
|
Изделия полимерные для системы
отопления и водоснабжения
|
+
|
+
|
-
|
-
|
-
|
Повысить стойкость железобетонных конструкций по отношению к действию электрического тока можно только путем снижения их электропроводности. Этого можно достичь за счет повышения плотности и однородности бетона, ввода в бетонную смесь специальных добавок, а также покрытием и пропиткой поверхности гидрофобными материалами, уменьшающими водопоглощение.
В связи с тем, что накопление электрической энергии связано с дефектами структуры прежде всего самого бетона, очень важно при бетонировании конструкций использовать оптимальные бетонные смеси по удобоукладываемости с низким водосодержанием за счет введения суперпластификаторов, исключающим расслоение бетонной смеси, возможность седиментационных явлений и образование открытых капиллярных пор, образуемых в результате испарения воды при твердении искусственного камня.
В качестве добавок, повышающих электросопротивление бетона
с 105 до 106 – 107 ом×м за счет резкого снижения водопоглощения, применяют кремнийорганические олигомеры до 1 % от массы цемента, парафин и битумную эмульсию до 5 %. Основной недостаток этих добавок, обеспечивающих бетону водооталкивающие свойства, снижение конечной прочности на 20 %. При дополнительной защите поверхности электросопротивление увеличивается до 1010
ом×м. В качестве покровных композиций используют материалы, обладающие хорошим сцеплением с бетоном, водонепроницаемостью, высокими диэлектрическими свойствами, достаточной прочностью и эластичностью. Ими могут быть битумные эмульсии, холодные и горячие битумные мастики, лакокрасочные составы на основе эпоксидных, перхлорвиниловых или комплексных эпоксидно-битумных, эпоксидно-стирольных связующих. Пропитку железобетонных конструкций и изделий проводят или петролатумом, продуктом переработки нефти, или мономерами по технологии получения бетонополимерных конструкций, предусматривающей их последующую выдержку в условиях повышенной температуры и давления.
Для защиты от электрокоррозии в железобетонных конструкциях предусматривают специальные электроизоляционные швы толщиной не менее 30 мм, выполняемые из мастичных битумных, рулонных, листовых и монолитных полимерных материалов.
В отделениях электролиза водных растворов солей на химических предприятиях фундаменты под оборудование выполняют из полимербетона, сталеполимербетона или неармированного бетона.
Радиационное излучение при действии на строительные конструкции вызывает разогрев материала и изменение структуры на микроуровне, приводящие в комплексе к частичной потере прочности. Обеспечить радиационную стойкость железобетонных конструкций можно только за счет первичных средств защиты: введения в бетонную смесь специальных водорастворимых добавок (хлористый литий, сернокислый кадмий) и сверхтяжелых заполнителей – железосодержащих и баритовых руд плотностью до 6000 кг/м3 [10].
При облучении металла нейтроны, проникая внутрь кристаллической решетки, искажают ее строение, образуя дефектные места, изменяют свойства. Так, ядерное облучение увеличивает прочность сталей на сжимающие нагрузки в 1,5 – 2 раза и уменьшает в той же степени пластичность и вязкость, т.е. делает ее более хрупкой. При облучении могут появиться атомы новых элементов в результате деления или захвата нейтрона ядром атома основного металла. При длительном облучении чистый металл может превратиться в сплав со своими специфическими свойствами.
В результате нейтронного облучения металл становится радиоактивным и опасным для здоровья человека.
Значительное влияние облучение оказывает на полимеры. Под действием ионизирующих излучений в них образуются различные активные промежуточные химические соединения: свободные радикалы, ионы, возбужденные молекулы, которые вызывают химические и структурные превращения, приводящие к изменению свойств материалов, в частности, реологических – внутреннего трения.
В последние годы большое внимание уделяют радиоактивности самих строительных материалов. В настоящее время это свойство, которое должно быть отражено в ГОСТах (СТБ), оценивают удельной эффективной активностью естественных радионуклидов – Бк/кг (Аэфф). В зависимости от условий эксплуатации показатель не должен превышать 370 Бк/кг для материалов, используемых в жилых и общественных зданиях, и 740 Бк/кг – в производственных сооружениях; для дорожных покрытий не более 740 Бк/кг вблизи населенных пунктов и не более 2800 Бк/кг в ненаселенной местности.
Исходя из условий эксплуатации зданий общественного назначения, промышленных объектов и особенно жилых наиболее значимым из перечисленных физических факторов, вызывающих интенсивное разрушение конструкций, является огонь.
По СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью. Огнестойкость определяет способность строительной конструкции сопротивляться действию огня при пожаре. Предел огнестойкости выражается временем в минутах с момента контакта с открытым пламенем до потери несущей способности – обрушения, появления сквозных трещин вследствие необратимых деформаций или повышения температуры поверхности, противоположной действию огня, до 220 оС, что свидетельствует о потере конструкцией теплоизоляционных свойств. Следовательно, предел огнестойкости устанавливают по времени наступления одного или нескольких нормируемых признаков предельного состояния: потеря несущей способности, потеря целостности и потеря теплоизолирующей способности [2, 21].
По пожарной опасности строительные конструкции подразделяют на непожароопасные (КО), малопожароопасные (К1), умереннопожароопасные (К2) и пожароопасные (К3). Свойства конструкций зависят от применяемых материалов, поэтому для строительных материалов определяют следующие пожарно-технические характеристики: горючесть, воспламеняемость, распространение пламени по поверхности, дымообразующая способность, токсичность при горении. Каждый из показателей подразделяют на классы: по интенсивности сильно-, средне- и слабо-; по горючести материалы могут быть негорючими – несгораемыми (НГ) и горючими (Г). В зависимости от интенсивности процесса существуют четыре группы горючести: слабогорючие (Г1) и умеренногорючие (Г2) – трудносгораемые, представляющие собой органоминеральные композиции, тлеющие, но не поддерживающие горение; нормальногорючие (Г3) и сильногорючие (Г4) – сгораемые органические материалы. С целью обеспечения пожарной безопасности строящихся объектов используемые материалы должны соответствовать определенному перечню пожарно-технических показателей (см. табл. 11.2).
Повысить огнестойкость строительных конструкций можно или за счет конструктивных мероприятий, или используя огнезащиту. К конструктивным относятся: удаление горючих материалов от источника нагревания на 30 – 40 см, возведение стен-брандмауэров в протяженных сооружениях (более 30 м) из такого негорючего материала, как керамический кирпич.
Для огнезащиты применяют добавки и пропиточные составы – антипирены, красочные и обмазочные материалы, рулонные и листовые огнестойкие изделия.
Пропитке подвергают древесину или изделия из нее (половые доски, паркет, оконные и дверные рамы и переплеты, подоконные доски, плиты ДСП, ДВП, арки, балки, фермы и т.д.), а также ковры и ткани, используемые для отделки стен.
В Республике Беларусь прошли сертификацию следующие составы: «ФАХ», «СПАД-0», «СПАД-10» и др. Путем обработки в автоклавах, горяче-холодных ваннах или нанесением на поверхность кистью получают древесину слабогорючую и слабовоспламеняемую.
Огнезащитными покрытиями изолируют как деревянные, так и металлические конструкции. Огнезащитные краски, вспучивающиеся и огнестойкие, толщиной 1 – 10 мм, кроме своей специальной функции придают декоративность поверхности. Окраску проводят по грунту валиком или набрызгом. Для повышения огнестойкости деревянных конструкций, ДВП, ДСП внутри помещения используют краски на жидком стекле: силикатно-глиняную, состоящую из жидкого стекла, молотого кирпича и глины; силикатно-перлитовую, включающую жидкое стекло, молотый вспученный перлит и волокна каолиновой ваты; силикатно-асбестовую, представляющую собой композицию из жидкого стекла, распушенного асбеста, талька и белил. При толщине покрытия 1 мм обеспечивается огнестойкость 30 – 45 мин.
Увеличение толщины покрытия до 40 мм, а, следовательно и повышение надежности защиты достигается за счет использования паст (мастик) при толщине до 20 мм и огнезащитных штукатурных растворов – более 20 мм.
В этих составах отсутствует кварцевый песок в связи с тем, что он перекристаллизуется при температуре 573 оС со значительным увеличением объема, приводящим к растрескиванию. Не применяют в огнезащитных составах и портландцемент, так как при температуре 550 оС продукт его гидратации – гидроокись кальция разлагается с образованием свободной окиси кальция (извести), которая под действием воды, используемой при тушении, гасится с увеличением объема и температуры.
Огнезащитные пасты и штукатурки, предел огнестойкости которых составляет 3 – 6 часов, готовят на жидком стекле, строительном гипсе, глиноземистом цементе, пуццолановом и шлакопортландцементе. В качестве заполнителей используют шлаки, золы, перлит, вермикулит, асбест, минеральные волокна.
Для внутренней отделки стен гражданских зданий применяют негорючие стекловолокнистые обои – белые и цветные, гладкие и рельефные.
Огнезащитную изоляцию из крупноразмерных изделий выполняют с использованием асбестосодержащих листов, минераловатных жестких плит с односторонним покрытием из фольги, минераловатных кровельных матов и плит, минераловатных рулонов с металлической сеткой, которые крепят к поверхности специальным фиксирующим клеем.
Для комбинированной защиты деревянных конструкций от огня и гниения применяют комплексные покрытия, например «БОПОД», содержащие антисептики и антипирены.
Виды физической коррозии приведены в табл. 11.3.
Таблица 11.3
Физическая коррозия строительных материалов, методы защиты
|
Виды физической коррозии
|
Показатели, определяющие стойкость материала
|
Методы защиты
|
|
Электрокоррозия
|
Химический состав
Электропроводность
Однородность состава
и структуры
|
Подбор химического состава. Повышение однородности материала, снижение его электропроводности. Защита и пропитка (бетон) полимерными материалами. Выполнение электроизоляционных швов (железобетонные конструкции)
|
|
Разрушение под действием радиационного излучения
|
Химический состав
Плотность материала
Способность поглощать радиационное излучение без
изменения микроструктуры
|
Подбор химического состава. Повышение плотности бетона за счет введения сверхтяжелых заполнителей, специальных добавок
|
|
Разрушение под действием огня
|
Химический состав
|
Подбор состава путем введения негорючих минеральных наполнителей и вяжущих (полимерные, органические, волокнистые). Конструктивные решения и защита поверхности пропиточными, лакокрасочными, обмазочными, рулонными и листовыми огнестойкими материалами
|
11.3. Биологическая коррозия
Биокоррозия представляет собой естественную реакцию окружающей среды на материалы, которые создает или использует человек. Внедряя искусственно созданные материалы, человек включает их в общий круговорот веществ, происходящий в биосфере, где все, что находится на земле, проходит свой путь от рождения до разложения.
Если бы этот процесс отсутствовал, то произошло бы «захламление» окружающей среды, которое привело бы к гибели не только человека, но и всего живого на земле. Решая вопрос биозащиты, как правило, за счет введения веществ, обеспечивающих экологический иммунитет материалу или изделию на период эксплуатации, человек внедряется в законы природы и не всегда с пользой для себя и биосферы. Примером может служить полиэтиленовая тара (пакеты, бутылки и т.д.), разложение которой в земле может произойти не ранее чем через 100 лет. Как мы видим вокруг, это уже создает опасность «захламления».
Микробиологическое разрушение материалов и конструкций возникает в результате воздействия различных бактерий, грибов, лишайников [4, 10].
Повсеместное распространение микроорганизмов обусловлено их разнообразием и способностью приспосабливаться к изменяющимся условиям среды и источникам питания.
Микробы подразделяют в зависимости от источника углеродного питания: неорганического (СО2, карбонаты) и органического и вида используемой для жизнедеятельности энергии: солнечного света или окислительно-восстановительных реакций. Клетку микроба по своей приспосабливаемости можно рассматривать как биологическую машину широкого спектра действия, которая по своим возможностям далеко превосходит технологические системы, сконструированные человеком. Микроорганизмы могут жить и развиваться в зависимости от вида при температуре 0 – 100 оС и щелочности среды от рН = 1 до рН = 11. Они способы образовывать специальные формы, покрытые плотной оболочкой, предназначенной для сохранения при кипячении и при отсутствии влаги. Воздействие микроорганизмов может быть прямым, когда материал является источником питания, и косвенным, если на материал действуют продукты их жизнедеятельности – органические кислоты.
Повышение влажности, температуры и загрязнение поверхности способствуют росту и развитию микроорганизмов на всевозможных материалах, вызывая их частичное или полное разрушение. Биоповреждению подвергаются полимерные материалы, лакокрасочные покрытия, древесина, природные и искусственные каменные материалы, стекло и металлы. При воздействии микроорганизмов на полимеры вследствие разрастания и заполнения микропустот в структуре, а также влияния продуктов жизнедеятельности изменяются цвет, структура, а при небольшой толщине – герметичность и прочность изделий и покрытий. Более 60 % используемых в строительстве полимерных материалов не обладают достаточной биостойкостью. В первую очередь это относится к распространенным материалам на основе полиэтилена, поливинилхлорида. Биостойкость полимерных материалов снижается в процессе их старения, поэтому эти два явления взаимосвязаны и стимулируют друг друга.
При повреждении лакокрасочного покрытия на основе полимерных связующих размножение микроорганизмом может происходить как на поверхности пленки, так и внутри нее. Последнее приводит к вздутию, отслоению и полному разрушению защитного слоя. Биостойкость покрытия зависит от состава подложки, свойств входящих компонентов, режимов сушки, условий и длительности эксплуатации. Биостойкость уменьшается в зависимости от применяемого пленкообразующего вещества (связующего) в следующем порядке: эпоксидные, полиуретановые, пентафталиевые, битумные, глифталиевые. Подвергаются воздействию микроорганизмов составы, содержащие олифу, костный клей, казеин, желатин, карбоксиметилцеллюлозу, поливинилацетат (ПВА), акриловые смолы. Поэтому недостаточно стойки применяемые водоэмульсионные и масляные краски.
Одно из важнейших условий получения стойких материалов и покрытий – введение в их состав компонентов, которые не являются источником питания. Это минеральные наполнители, не содержащие углерода: каолин, плавиковый шпат, слюда, ускорители и отвердители – известь, окись магния. Для защиты заведомо нестойких полимеров при их изготовлении или в процессе получения из них изделий или красочных составов необходимо вводить биоцидные добавки – соединения на основе цинка, меди, олова или кремнийорганические.
Наиболее опасны микроорганизмы для материалов, полученных на основе растительного сырья. Это изделия из древесины и ее отходов (ДВП, ДСП), льнокостры, соломы, камыша и т.д. Разрушаются деревянные полы, перегородки, элементы конструкций кровли. Процесс активизируется с повышением влажности, температуры и отсутствием вентиляции. При строительстве деревянных домов важно определить рациональную область используемых защитных средств. Взять, к примеру, лаги, детали погребков, нижние обвязки или полы по грунту в надворных постройках. Их защита должна проводиться пропиткой эффективными антисептиками, безвредными для животных и человека. Биоогнезащите комплексными составами подвергают, как правило, несущие конструкции и только огнезащите – внутренние двери, элементы лестничных клеток и чердаков. Наиболее эффективные для древесины антисептики содержат соединения фтора, хрома, бора или получены на основе углекислых аминов и анилидов.
Определенную специфику обработки имеют исторические памятники деревянного зодчества в силу своей ветхости и невозможности разборки. Для этих целей используют специальные технологии нанесения, например, непрерывного или многократного без просушки в интервалах быстрофиксирующегося органического состава, обладающего высокой проникающей способностью на глубину до 50 мм и обеспечивающего тем самым срок службы объектов от 30 до 50 лет.
Для таких неорганических природных и искусственных материалов, как каменные, керамические, бетон на неорганических вяжущих (гипс, известь, цемент), биоразрушения в основном связаны с действием продуктов жизнедеятельности микроорганизмов (бактерий, грибов) – органических и неорганических кислот; и в меньшей степени особых силикатных бактерий, способных разрушать силикатные материалы, используя их как источник энергии. Микроорганизмы, находясь на поверхности строительных конструкций, изделий через продукты своей жизнедеятельности взаимодействуют с материалом, образуя легкорастворимые или не обеспечивающие прочность соединения. Биоповреждения бетона относительно пористого материала, начинаются с поверхности и идут вглубь. Вопрос защиты бетонных и железобетонных конструкций, как и любых других, необходимо рассматривать в комплексе с санитарно-гигиеническими условиями их эксплуатации. Поэтому стены животноводческих помещений, цехов мясо-молочной, пищевой промышленности должны быть облицованы легко моющимися и дезинфицирующимися материалами. Наиболее надежную защиту от биокоррозии могут обеспечивать вводимые в состав материала биоцидные добавки, покрытие поверхности биоцидными пленкообразующими составами или пропитка поверхностного слоя биоцидными составами. При этом необходимо учитывать способность микроорганизмов приспосабливаться к применяемым добавкам. Примером могут служить ситаллы, представляющие собой частично закристаллизованные стекла, используемые в качестве кислотостойкого плиточного облицовочного материала. В их состав входят такие компоненты биоцидного свойства, как фосфаты, свинец, бор и другие. Однако несмотря на их присутствие эти материалы подвержены биоразрушению. Только введение соединений кобальта и меди до 1 % по массе позволило полностью защитить этот материал.
При воздействии микроорганизмов повреждаются также изделия из обычного стекла и оптические системы. При действии бактерий и грибов резко снижаются их оптические свойства. Стойкость изделий из минеральных расплавов определяется их составом. Так, силикатные стекла обладают высокой биостойкостью, для фосфатных потеря массы составляет от 0,4 % до полного разрушения. Не разрешается использовать во влажных теплых условиях и цинкосодержащие стекла. Повысить стойкость к биоразрушениям можно введением следующих добавок: оксидов лития, олова, свинца, молибдена.
Для защиты оптических стекол разработан метод нанесения на поверхность фунгицидного слоя, препятствующего прорастанию спор микроорганизмов в течение двух лет.
По отношению к металлам, из которых выполняют несущие алюминий- и железосодержащие конструкции, кровельные и отделочные материалы, микробиологическая коррозия может развиваться и усиливаться в результате двух основных процессов. Первый – создание агрессивной по отношению к металлу среды на его поверхности в результате накопления таких продуктов жизнедеятельности, как кислоты, сульфиды, аммиак. Второй – непосредственное участие микроорганизмов в одной или нескольких окислительно-восстановительных реакциях, вызывающих электрохимическую коррозию металла. Наиболее надежной защитой обладают лакокрасочные составы с биоцидными добавками, долговечность которых в значительной степени определяется тщательностью очистки поверхности изделий и конструкций.
Способность живых организмов синтезировать кремнезем или кальций, по мнению профессора Ф.М. Иванова, может быть в недалеком будущем использована при получении строительных материалов. Применяя биотехнологию по аналогии с процессами образования раковин моллюсками, можно целенаправленно создавать в поверхностном слое бетона защитное покрытие прямо в изделии, обладающее высокой плотностью, прочностью и атмосферостойкостью. Изучение физиологических процессов, приводящих к образованию карбонатных минералов в виде раковин, позволило бы смоделировать и воссоздать их в технике для получения конструкционных и отделочных материалов нового типа.
ИСПОЛЬЗУЕМАЯ НОРМАТИВНАЯ ЛИТЕРАТУРА
1. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии.
2. СНиП 3.04.01-87. Изоляционные и отделочные покрытия.
3. СНиП 3.04.03.-85. Защита строительных конструкций и сооружений от коррозии.
4. РДС 1.01.09-99. Система радиационного контроля сырья и готовой продукции предприятий Министерства архитектуры и строительства РБ.
5. СНБ 2.02.01-98. Пожарно-техническая классификация зданий, строительных конструкций и материалов.
6. Пособие П8-2000 к СНБ 5.01.01-99. Проектирование и устройство защиты подземных сооружений от грунтовых вод.
7. СТБ 1247-2000. Стойки железобетонные для опор линий электропередачи напряжением 0,38 кВ и от 6 до 10 кВ. Технические условия.
8. ГОСТ 30108-94. Материалы и изделия строительные. Определение удельной эффективной активности естественных радионуклидов.
9. ГОСТ 30244-94. Материалы строительные. Методы испытания на горючесть.
10. ГОСТ 30247.0-94. Конструкции строительные. Методы испытаний на огнестойкость. Общие требования.
11. ГОСТ 30402-96. Материалы строительные. Методы испытания на воспламеняемость.
12. ГОСТ 30444-97. Материалы строительные. Методы испытания на распространение пламени.
13. СНБ 2.02.01-98. Пожарно-техническая классификация зданий, строительных конструкций и материалов.
14. Пособие к СНиП 2.03.11-85. Электрокоррозия железобетонных конструкций. – М., Стройиздат, 1989.
|
Научная литература