Geum.ru

Биодеструкция и биозащита строительных композитов

Вид материалаАвтореферат

Содержание


Основное содержание работы
В первой главе
Во второй главе
В третьей главе
В четвертой главе
Подобный материал:
1   2   3   4

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ



Во введении раскрывается актуальность проблемы, связанной с биоповреждениями в зданиях и сооружениях, и обосновывается необходимость проведения исследований по разработке биостойких строительных материалов, а также оценки экономического ущерба от биоповреждений и экономического эффекта мероприятий по защите от воздействия биологически активных сред.

В первой главе приведен обзор и анализ литературных данных. Изучению вопросов биоповреждений в строительстве посвящены работы отечественных и зарубежных авторов  Андреюк Е.И.. Анисимова А.А., Баженова Ю.М., Богатова А.Д., Герасименко А.А., Горленко М.В., Горшина С.Н., Ерофеева В.Т., Иванова Ф.М., Ильичева В.Ф., Каневской И.Г., Каравайко Г.И., Коваля Э. 3., Комохова П.Г., Кондращенко В.И., Лугаускаса А.Ю., Морозова Е.А., Орловского Ю.И., Пащенко А.А., Ревина В.В., Рожанской А. М., Рудакова А.К., Сидоренко А. И., Смирнова В.Ф., Тарасовой Н.А., Турковой 3.А., Федорцова А.П., Черкасова В.Д., Чуйко А.В., Благника Р., Кинга Б., Палмера Р., Робертса Г. и др.

Выделены основные биодеструкторы, оказывающие наибольшее разрушающее воздействие на материалы и изделия в зданиях и сооружениях (бактерии, мицелиальные грибы, актиномицеты), с выделением штаммов микроорганизмов. Проанализированы условия их развития и размножения. Показано, что биоразрушение материалов определяется их структурой и составом. Определены основные признаки проявления биоповреждений строительных материалов в зданиях и сооружениях и выявлены основные факторы, определяющие степень ускорения разрушительного воздействия микроорганизмов. Обобщены методы защиты от биоповреждений материалов, осуществляемые с помощью различных методов (физических, химических, биологических), позволяющих исключить размножение на строительных конструкциях и в воздушной среде патологически вредных микроорганизмов. Показана необходимость разработки и внедрения мер по предупреждению и ликвидации последствий биоповреждения различных материалов и конструкций. В промышленно развитых странах уже давно ведется учет потерь от всех видов коррозии, в том числе и от биокоррозии, а также разрабатываются и внедряются эффективные меры по противодействию процессам биоразрушения. В нашей стране такой учет, ведется в недостаточной степени и, соответственно, отсутствует оценка реального экономического ущерба от жизнедеятельности биодеструкторов. Поэтому возникла необходимость в установлении биодеградации строительных композитов, разработке способов биозащиты материалов, методики оценки потерь от биоповреждений оценке мероприятий по биозащите.

Во второй главе определяются цель и задачи исследований, приводятся характеристики применяемых материалов, описаны методы экспериментальных исследований.

В качестве связующих использовались портландцемент М 400 Д 20, полуводный гипс, эпоксидная смола марки ЭД-20, фурфуролацетоновый мономер марки ФАМ, натриевое жидкое стекло, полиэфирная смола марки ПН-1. Отвердителями эпоксидной смолы, фурфуролацетонового мономера, натриевого жидкого стекла и полиэфирной смолы служили соответственно: полиэтиленполиамин (ПЭПА), бензосульфокислота техническая, кремнефтористый натрий, перекись циклогексанона (ПЦОН-1) совместно с концентратом 2-этилгекса­ноата кобальта (УНК-2). В качестве наполнителя применялся диатомит Атемарского месторождения республики Мордовия, мелкого заполнителя – пески месторождений Мордовии с содержанием глинистых примесей до 5 % . Использованные материалы удовлетворяют требованиям соответствующих ГОСТ и ТУ.

При определении физико-технических свойств строительных материалов применялись современные физико-механические, физико-химические, биологические и математические методы исследований, регламентируемые действующими ГОСТами. При исследовании биостойкости применялась стандартная среда мицелиальных грибов, а также 2%-ный водный раствор серной кислоты (среда, моделирующая процессы биологической коррозии, происходящей при воздействии продуктов метаболизма бактерий) и смесь водных растворов лимонной кислоты (5%) и перекиси водорода (1,5%) (среда, моделирующая процессы биологической коррозии, происходящей при воздействии продуктов метаболизма мицелиальных грибов). Для исследования химической стойкости композиционных материалов в качестве агрессивных сред использовались вода, 10 %-ный раствор NaOH, 10 %-ный водный раствор H2SO4, Испытания проводились при нормальной температуре. Обработка результатов эксперимента производилась при помощи программных комплексов EXCEL, FACTOR.

В третьей главе исследованы процессы биоповреждения строительных композитов и произведено сравнение процессов биоразрушения с разрушениями, вызываемыми химическими средами.

При выполнении исследований в качестве композиционных материалов рассматривались составы на основе неорганических и органических связующих. Грибостойкость и фунгицидность строительных материалов определялись по методам 1 и 3 в стандартных тест-культурах микроскопических грибов согласно ГОСТ 9.049  91. (табл.1).

Таблица 1

Обрастаемость композитов в условиях воздействия мицелиальных грибов

№

состава

Вид вяжущего композита
Устойчивость к действию грибов, балл
Характеристика по ГОСТ

Метод 1
Метод 3

1
Строительный гипс
3
5
негрибостойкий

2
Портландцемент
2
5
грибостойкий

3
Жидкое стекло
1
4
грибостойкий

4
Эпоксидная смола
2
5
грибостойкий

5
Эпоксидная смола, модифицированная битумом

2

5

грибостойкий

6
Эпоксидная смола, модифицированная дибутилфталатом

2

5

грибостойкий

7
Фурановая смола
3
4
негрибостойкий

8
Полиэфирная смола
1
4
грибостойкий


При испытаниях как по методу 1, так и по методу 3, материалы обрастают мицелиальными грибами, причем грибостойкими свойствами обладают композиты на основе жидкого стекла, портландцемента, эпоксидной и полиэфирной смол, а материалы на основе гипса и фурановой смолы подвержены большему обрастанию. Все материалы являются не фунгицидными – при наличии питательных сред они интенсивно обрастают мицелиальными грибами и, как следствие, подвергаются разрушительному воздействию мицелиальных грибов.

Получены количественные зависимости изменения массосодержания и коэффициента стойкости композитов при выдерживании в средах до 12 месяцев. Для оценки степени влияния модельных биологических сред на разрушительные процессы, происходящие в строительных композитах, проведено сравнение с процессами разрушения в химически агрессивных средах (рис. 1).

Эпоксидные композиты

а) б)



Полиэфирные композиты

а) б)



Фурановые композиты

а) б)




Жидкостекольные композиты

а) б)




Цементные композиты

а) б)



Гипсовые композиты

а) б)



Рис. 1. Зависимость изменения массодержания (а) и коэффициента стойкости (б) композитов от длительности выдерживания в агрессивных средах (1 – вода, 2 – модельная среда метаболизма бактерий, 3 – модельная среда метаболизма мицелиальных грибов, 4 – водный раствор серной кислоты, 5 – водный раствор едкого натра).


Установлено, что разрушение полимерных и жидкостекольных композитов в модельных средах метаболитов микроскопических организмов проходит по диффузионному механизму, а у цементных и гипсовых материалов – по гетерогенному механизму. Об этом свидетельствуют кривые изменения массосодержания образцов при выдерживании в средах.

Установлено, что модельные среды метаболитов бактерий и мицелиальных грибов оказывают разрушающее влияние на материалы. Так, коэффициент стойкости образцов в среде метаболитов мицелиальных грибов после 12 месяцев испытаний составил: 0,35 (для эпоксидных), 0,54 (для эпоксидных с дибутилфталатом), 0,42 (для эпоксидных с нефтяным битумом), 0,56 (для полиэфирных), 0,21 (для фурановых), 0,08 (для жидкостекольных), 0,15 (для цементных), 0,05 (для гипсовых). За такое же время выдерживания в среде бактерий коэффициент стойкости композитов составил: 0,5 (для эпоксидных), 0,54 (для эпоксидных с дибутилфталатом), 0,34 (для эпоксидных с нефтяным битумом), 0,49 (для полиэфирных), 0,32 (для фурановых), 0,19 (для жидкостекольных), 0,23 (для цементных), 0,03 (для гипсовых). Сравнение показателей стойкости композитов в водных растворах кислот и щелочей, а также в воде и модельных биологических средах указывает на то, что биологическая среда также приводит к существенному понижению прочности материалов.

В четвертой главе рассмотрены вопросы разработки и исследования способов повышения биостойкости композиционных материалов и строительных изделий на их основе. Предложено повышение биостойкости осуществлять посредством пропитки пористой структуры материалов и изделий фунгицидными составами, введения фунгицидных соединений в составы материалов во время их приготовления, введения в составы заполнителей с модифицированной фунгицидами поверхностью и пористых наполнителей, содержащих в пористой структуре фунгицидные компоненты. В первом случае при проведении исследований цементные образцы формировались на основе портландцемента М400 и воды, количество которой брали из расчета обеспечения водоцементного отношения, равного 0,3. В качестве пропитывающих жидкостей рассматривали эпоксидные и жидкостекольные композиции с фунгицидными добавками. Жидкостекольная композиция включала в своем составе жидкое стекло и кремнефтористый натрий, количество которого бралось равным 20 мас. ч. на 100 мас. ч. вяжущего. При таком соотношении компонентов композиция обладает фунгицидными свойствами. В эпоксидные композиции вводились фунгицидные соединения различных видов - перманганат калия, медный купорос, фенол, паракрезол. Результаты исследований биостойкости показывают, что цементные композиты после пропитки жидкостекольной смесью становятся фунгицидными, а после пропитки составами из эпоксидной смолы и фунгицидных добавок становятся грибостойкими (табл. 2).

Таблица 2

Составы пропиточных композиций и обрастаемость бетонополимеров

в условиях воздействия мицелиальных грибов

№

состава
Натриевое жидкое стекло
Кремнефтористый натрий
Эпоксидная смола
Полиэтиленполиамин
Перманганат калия
Медный купорос
Фенол
Парокрезол
Обрастаемость в баллах по методу
Характеристика по ГОСТ

1
3

1
100
20


















0
R=5 mm
фунгицидный

2






100
10












3
4
негрибостойкий

3






100
10
1









3
4
негрибостойкий

4






100
10
3









2
4
грибостойкий

Продолжение таблицы 2

5






100
10
7









1
3
грибостойкий

6






100
10



1






2
4
грибостойкий

7






100
10



3






2
4
грибостойкий

8






100
10



7






2
3
грибостойкий

9






100
10






1



2
3
грибостойкий

10






100
10






3



1
2
грибостойкий

11






100
10






7



0
1
грибостойкий

12






100
10









1
1
4
грибостойкий

13






100
10









3
1
3
грибостойкий

14






100
10









7
1
2
грибостойкий

При разработке способов подавления обрастания материалов мицелиальными грибами с помощью фунгицидных добавок нами в состав материалов, изготовленных на основе гипсовых, цементных, жидкостекольных и полимерных связующих вводилась биоцидная добавка «Тефлекс», представляющая собой модифицированный комплекс сополимеров гуанидина (табл. 3).

Таблица 3

Обрастаемость композитов в условиях воздействия мицелиальных грибов

№

состава
Вид вяжущего композита
Содержание

добавки в мас. ч.
Устойчивость к действию грибов, балл
Характеристика по ГОСТ

Метод 1
Метод 3

1
2
3
4
5
6



1
Строительный гипс
0
3
5
негрибостойкий

3
3
4
негрибостойкий

7
0
3
грибостойкий

10
0
2
грибостойкий



2

Портландцемент
0
2
5
грибостойкий

3
2
4
грибостойкий

7
0
3
грибостойкий

10
0
1
грибостойкий



3

Жидкое стекло
0
0
3
грибостойкий

3
0
R 20
фунгицидный

7
0
R 30
фунгицидный

10
0
R 35
фунгицидный



4

Эпоксидная смола
0
2
5
грибостойкий

3
2
4
грибостойкий

7
0
3
грибостойкий

10
0
1
грибостойкий



5
Эпоксидная смола, модифицированная дибутилфталатом
0
2
5
грибостойкий

3
1
4
грибостойкий

7
0
2
грибостойкий

10
0
R 15mm
фунгицидный



6

Фурановая смола
0
3
4
негрибостойкий

3
3
3
негрибостойкий

7
0
2
грибостойкий

10
0
1
грибостойкий

Из результатов исследований следует, что при введении в составы цементного, гипсового, стеклощелочного, эпоксидного и фуранового бетонов добавки на основе соединений гуанидина в количестве, равном соответственно 10, 10, 3, 10 и 10 мас.ч. на 100 мас. частей вяжущего получены фунгицидные составы.

С целью повышения биостойкости бетонов также были проведены исследования по приданию фунгицидности поверхности заполнителей как основного по массе компонента бетонов. Модифицирование поверхности наполнителя осуществлялось посредством его смешивания с водными растворами, содержащими фунгицидные соединения и последующего выпаривания такого раствора и высушивания наполнителя. В качестве фунгицидных соединений рассматривали: перманганат калия, фенол, медный купорос.

Анализ данных таблицы 4 позволяет сделать вывод, что модифицирование поверхности кварцевого песка перманганатом калия и медным купоросом в количестве соответственно 2,5 и 5 массовых частей придает образцам грибостойкие свойства, а фенолом – фунгицидные.

Таблица 4

Составы и обрастаемость композитов мицелиальными грибами

№ состава
Содержание компонентов в составах, масс.ч.
Устойчивость к действию грибов, балл
Характеристика по ГОСТ

Заполнитель
Фунгицидные добавки

песок, фракция 0,16-0,315 мм
диатомит
перманганат калия
медный купорос
фенол

Метод 1
Метод 3

1
2
3
4
5
6
7
8
9

1






 
 
 
1
4
грибостойкий

2
300



 
 
 
2
5
грибостойкий

3






0,5
 
 
3
4
негрибостойкий

4






1
 
 
3
4
негрибостойкий

5






2,5
 
 
2
3
грибостойкий

6






5
 
 
1
2
грибостойкий

7
300



0,5
 
 
3
5
негрибостойкий

8
300



1
 
 
3
4
негрибостойкий

9
300



2,5
 
 
2
3
грибостойкий

10
300



5
 
 
2
2
грибостойкий

11






 
2
 
1
5
грибостойкий

12






 
4
 
1
4
грибостойкий

13






 
8
 
1
3
грибостойкий

14
300



 
2
 
3
5
негрибостойкий

15
300



 
4
 
2
4
грибостойкий

16
300



 
8
 
1
3
грибостойкий

17






 
 
0,5
0
4
грибостойкий

18






 
 
1
0
R 8,5mm
фунгицидный

19






 
 
2,5
0
R 9mm
фунгицидный

20






 
 
5
0
R 10mm
фунгицидный

21
300



 
 
0,5
0
3
грибостойкий

22
300



 
 
1
0
R 12,5mm
фунгицидный

Продолжение таблицы 4

1
2
3
4
5
6
7
8
9

23
300



 
 
2,5
0
R 12,5mm
фунгицидный

24
300



 
 
5
0
R 12,5mm
фунгицидный

25



100









1
5
грибостойкий

26



100
0,5






1
5
грибостойкий

27



100
1






1
5
грибостойкий

28



100
2,5






1
3
грибостойкий

29



100
5






1
2
грибостойкий

30



100



2



1
5
грибостойкий

31



100



4



1
3
грибостойкий

32



100



8



1
2
грибостойкий

33



100






0,5
0
R 1-3 mm
фунгицидный

34



100






1
0
R 12mm
фунгицидный




























35



100






2,5
0
R 14mm
фунгицидный

36



100






5
0
R 14mm
фунгицидный


Проведены исследования, направленные на повышение биостойкости бетонов за счет введения наполнителей, в порах которых содержатся компоненты, обладающие фунгицидными свойствами. В качестве носителя компонентов с фунгицидными свойствами использовали диатомит с удельной поверхностью Sуд = 4000 см2/г. В качестве фунгицидных соединений рассматривали: перманганат калия, фенол, медный купорос (табл. 4). Технология подготовки наполнителя – диатомита, содержащего компоненты с биостойкими свойствами, была следующей: растворы фунгицидных соединений смешивали с диатомитом и подвергали нагреванию до полного испарения жидкости. Таким образом, в пористую структуру диатомита включались частицы перманганата калия, медного купороса и фенола. Результаты испытания биостойкости материалов свидетельствуют, что введение наполнителя, содержащего частицы медного купороса, придает образцам грибостойкие свойства, а фенола – фунгицидные. Таким образом, установлена возможность повышения биостойкости разработанными способами.