При разработке и реализации программ в области промышленного и гражданского строительства в современном мегаполисе и за его пределами в эксплуатацию вводится всё больше и больше объектов. Уже после завершения строительства и в ходе начала эксплуатации зданий на его конструкции неизбежно начинают воздействовать ряд негативных факторов, которые с течением времени способны нанести значительный урон целостности элементов сооружения. Такими факторами являются: ультрафиолетовое излучение, агрессивное воздействие окружающей среды, выветривание, попеременные циклы замораживания и оттаивания элементов конструкций, насыщенных водой, воздействие влаги на внутренние поверхности и др.

Ещё на стадии проектирования, для обеспечения сохранности и замедления процессов коррозии, старения и различных повреждений закладывается ряд работ и мероприятий. Например при устройстве фундаментов и подземных частей зданий предусматривается устройство гидроизоляции, закладываются определённые характеристики по водонепроницаемости бетона. Помещения проектируются с учётом достаточного воздухообмена, так же в помещениях с большой и средней интенсивностью на пол жидкостей предусматривается устройство уклонов к трапам и водоприёмным воронкам. В ходе строительства необходимо тщательно контролировать качество проведения подобных работ. ГБУ «ЦЭИИС» проводятся обследования, в числе прочих и по таким видам работ на постоянной основе. С начала 2017г. В организации выполнено:

1. Работ по оценке соответствия марки бетона по водонепроницаемости требованиям технических регламентов и проектной документации (1.1.2) – 118.
2. Работ по оценке соответствия качества укладки рулонных и нанесения обмазочных изоляционных материалов (в том числе сцепление с основанием) требованиям технических регламентов и проектной документации (1.4.1) - 97.
3. Работ по оценке соответствия уклонов полов в помещениях со средней и большой интенсивностью воздействия на пол жидкостей требованиям технических регламентов и проектной документации(2.1.1) - 14.

Результаты проведения обследований представлены на диаграмме 1.

Однако, есть и повреждения, которые приводят к нежелательным изменениям свойств материалов и конструкций из них. Образуются они через достаточно продолжительное время при недостаточном качестве в том числе и вышеуказанных работ, а также при определённых условиях эксплуатации помещений. Такие повреждения называют биоповреждениями. На этих видах повреждений, способах борьбы с ними и причинами их образования стоит остановится подробнее.

Повреждать материалы способны разнообразные организмы – бактерии и грибы, лишайники, водоросли и высшие растения, простейшие и кишечнополостные, черви, моллюски и членистоногие, рыбы, птицы и млекопитающие. Однако наиболее активные возбудители повреждений – мицелиальные грибы и бактерии, на долю которых приходится до 20% от общего числа повреждений. Этот вид разрушения наиболее часто встречается при эксплуатации покрытий в атмосфере с повышенной влажностью, и при температуре 25-40°С.

Для успешного решения вопросов, связанных с защитой материалов от биоповреждений, необходимо глубокое изучение свойств микроорганизмов возбудителей, знание условий, обеспечивающих их развитие, совершенствование старых и создание новых методов испытаний биостойкости материалов и разработка эффективных способов их защиты.

К настоящему времени, благодаря многочисленным исследованиям, известны наиболее показательные и специфические представители различных микроорганизмов, вызывающих повреждения различных строительных материалов. Наиболее характерные микроорганизмы, провоцирующие повреждение материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

 

Признаки повреждения материалов микроорганизмами достаточно разнообразны. В ряде случаев наблюдается «плесневение» материала, которое заметно невооружённым глазом и указывает на участие грибов. На древесине, бумаге, тканях, коже, пластмассах, лакокрасочных покрытиях под воздействием микроорганизмов часто появляются различные окрашенные пятна.

Плесневение и пигментация материалов нередко сопровождаются изменением их физико-химических свойств. Одни материалы теряют прочность, у других снижаются относительное удлинение при разрыве, показатели модуля упругости и напряжения при растяжении, у третьих ухудшаются диэлектрические свойства.

Представленные в таблице 1 сведения о микроорганизмах, провоцирующих биоповреждения, показывают, что наибольший вред материалам приносят плесневые грибы. Они повреждают все природные, многие синтетические материалы, стальные и железобетонные конструкции. Не избежали разрушающего действия микромицетов памятники культуры и искусства.

Грибы представляют большую и своеобразную группу одноклеточных и многоклеточных микроорганизмов. Общее число их видов, описанных к настоящему времени, составляет, по мнению различных авторов, от10 до 250 тыс. Они широко распространены в природе во всех районах земного шара.

Из очагов повреждения материалов выделяют грибы самых различных родов, но чаще других воздействие на материал оказывают представители двух родов: Aspergillus и Penicillium.

Воздействие грибов на материал можно классифицировать следующим образом:

1. Химическое действие агрессивных продуктов жизнедеятельности плесневых грибов, к которым относятся органические кислоты (щавелевая, уксусная, винная, муравьиная, лимонная и др.), ферменты, аминокислоты.
2. Непосредственное потребление материала или его отдельных компонентов.
3. Создание местной повышенной влажности.

Грибы имеют вегетативное тело мицелиального строения. Оно представляет собой систему разветвлённых нитей-гиф. Мицелий начинает своё развитие из спор, прорастающих при определённой температуре и влажности. Сначала спора набухает, поглощая влагу из окружающей среды, затем оболочка её разрывается и появляется одна или несколько ростовых трубок, являющихся началом нового мицелия. Первое время развитие гиф идёт за счёт запасных веществ споры, в дальнейшем – путём адсорбции питательных веществ из материала, подверженного биоповреждению.

Распространению грибов, вызывающих повреждение материалов, обычно способствуют ветер, дождь, насекомые, животные и человек.

Факторы окружающей среды, влияющие на активность микроорганизмов, можно разделить на химические и физические.

К химическим факторам относятся источники питания, кислород, кислотность среды и др. Для того, чтобы гриб мог расти и размножаться, в среде необходимо присутствие доступных источников энергии и исходных материалов для биосинтеза. Ими являются вода, углерод, азот, фосфор, сера, водород, кислород и микроэлементы. 

Активная кислотность (рН) среды является важным фактором роста и развития грибов. Очень кислая и очень щелочная реакции среды токсичны для большинства грибов. Предельные значения рН, выше и ниже которых рост прекращается, равны 1,0 и 11,0. Большинство грибов лучше развиваются в слабокислых условиях (рН 5,0-6,0).

К физическим факторам окружающей среды, определяющем наиболее активную жизнедеятельность организмов относят влажность (60-100%), температура (24-28°С), солнечная радиация (опасность ультрафиолетового излучения для гибели микроорганизмов).

2. Под воздействием этих кислот разрушается защитная плёнка карбоната кальция, образующаяся на поверхности бетона при его затвердении и препятствующая выщелачиванию гидроксида кальция.

Часто при обследовании зданий обнаруживаются повреждения, вызванные жизнедеятельностью плесневых грибов. Темпы дальнейшего развития первичных повреждений бетона связаны с условиями, в которых прибывает корродирующий материал. Недостаточно биостойкие материалы при благоприятных для микроорганизмов условиях могут за несколько месяцев полностью изменить свой внешний вид и механические свойства.

Микроорганизмы – вредители могут длительно находиться в состоянии покоя, никак не проявляя себя, особенно это относится к грибам.

Известно, что микроорганизмы выводят из строя до 2% от общего производства железобетона, то есть 3-5 млн. кубометров в год. Уровень аналогичного ущерба в России значительно превышает среднеевропейские и мировые показатели.

Выборочное обследование зданий Санкт-Петербурга, в том  числе недавно отремонтированных, показало, что 80-90% домов в центре города населены различными организмами: бактериями, грибами, водорослями, лишайниками и высшими растениями. Ещё более страдают от биоагрессии подземные инженерные сооружения – тоннели, подземные переходы, коллекторы, строительные конструкции метрополитена. По статистике, более 50% потерь, связанных с коррозией подземных сооружений, происходит именно за счёт биокоррозиии.

Биоразрушению способствует избыточная влага, которая создаёт условия для развития губительных микроорганизмов. Вода из почвы за счёт капиллярных сил поднимается по стенам домов и может достичь высоты двух и более метров. В толщу стен и перекрытий через трещины, наружные швы проникают водяные пары, конденсируясь, они увлажняют кирпичную кладку, панели, связующие и другие строительные материалы. Обычно используемый в строительстве герметик обеспечивает герметичность шва не более 5-8 лет. Дополнительная защита герметика, например, оштукатуривание цементно-песчаным раствором, лишь в 1,5-2 раза увеличивает указанный срок, что также явно недостаточно. Вода, проникая в швы между панелями, разрушает стены в процессе циклов «замораживание-оттаивание» и, тем самым, провоцирует образование новых очагов биопоражения внутри зданий.

Важно отметить, что процессы биоповреждения угрожают не только зданиям и другим инженерным сооружениям, но и находящимся в них имуществу и людям. Продукты жизнедеятельности и споры многих микробов, живущих в стенах и перекрытиях помещений, воздуховодах и в других конструкциях зданий, могут вызывать серьёзные заболевания у людей.

Самая частая форма аллергии, зависящей от влияния биоповреждения зданий – микогенная бронхиальная астма. В России пока нет статистики этого заболевания, а в других странах Европы и Американских континентов от 50 до 80% больных бронхиальной астмой положительно реагируют на пробы с антигенами плесневых грибов. Это означает, что грибы являются основной причиной или компонентом совокупности причин развития данного заболевания. Кроме бронхиальной астмы, развиваются аллергические микогенные коньюктивиты, риниты, назофарингиты.

В производстве лакокрасочных материалов отчётливо прослеживается тенденция роста производства водно-дисперсионных материалов по сравнению с органорастворимыми. Этому в значительной степени способствует относительно мягкий климат, т.е. возможность использовать воду в качестве растворителя. Успехи в производстве водно-дисперсионных материалов привели к снижению экологического напряжения, связанного с применением различных вредных растворителей и приводящих к многочисленным заболеваниям и отравлениям.

Однако создание водно-дисперсионных материалов с достаточно благоприятной средой для обитания различных микроорганизмов привело к необходимости использовать сильные по воздействию химические средства. Из-за многообразия микроорганизмов, способных нанести вред при хранении лакокрасочного материала, промышленность вынуждена использовать набор консервантов, так как ни один из разработанных продуктов не способен воздействовать на всё многообразие микроорганизмов.

После нанесения лакокрасочного материала органорастворимого или водно-дисперсионного эффект защиты от микроорганизмов в первом случае за счёт испарения вредных растворителей, а во втором за счёт консервантов существенно снижается и лакокрасочный материал кроме других факторов начинает подвергаться атаке микроорганизмов и разрушается.

Практически все органические полимеры ассимилированы плесневыми грибами, однако в наибольшей степени подвержены плесневению и загниванию белковые вещества (казеин, камеди, декстрин, альбумин, крахмал) и покрытия, содержащие их хотя бы в небольших количествах.

В результате климатических испытаний были определены плёнкообразователи с наименьшей биологической повреждаемостью. К ним относятся все полимеры, обладающие низким водопоглощением: полиолефины, полифторолефины, виниловые, полиакрилатные, кремнийорганические, феноло - и мочевиноформальдегидные (отверждаемые при нагревании), эпоксидные и др. достаточно стойки к действию микроорганизмов покрытия на основе природных олигомеров – битумов, канифоли, что объясняется их кислотными свойствами. В отличие от этих плёнкообразующих веществ, большинство воднодисперсионных, нитратцеллюлозных, масляных, алкидных лаков и красок образуют недостаточно стойкие к действию микроорганизмов покрытия. В условиях эксплуатации такие покрытия быстро покрываются плесенью, теряют глянец, их защитные функции резко снижаются.

Пигменты и наполнители в большинстве случаев улучшают защитные функции покрытий. Механизм их действия сводится к уменьшению гидрофильности плёнок и направленному изменению рН среды. Это характерно для пигментов, имеющих основный характер (цинковые и свинцовые белила, карбонат кальция и др.). Ряд пигментов (сульфиды кадмия, соединения меди) оказывают токсическое действие на микроорганизмы.

Все биологические добавки называются биоцидами, но обладают различной степенью воздействия на грибы – фунгициды, на водные растения – альгициды, на бактерии – бактерициды и на вредных насекомых – инсектициды.

Биоциды для ЛКМ должны удовлетворять следующим требованиям:

1) быть высокоактивными по отношению к грибам и бактериям, т.е. обладать фунгицидной и бактерицидной активностью;

2) быть малотоксичным по отношению к теплокровным; быть нелетучим, без цвета и запаха; быть устойчивым при хранении;

3) хорошо совмещаться с защищаемым материалом, не ухудшая его свойств.

Правильный выбор биоцида возможен только после тщательной проверки его эффективности в реальных условиях эксплуатации, т.к. многие биоциды, обладающие фунгицидной активностью по отношению к чистым культурам микроорганизмов, теряют её при введении в ЛКМ. Кроме этого, из-за возможной адаптации микрофлоры к биоцидамих целесообразно периодически заменять.

Основными параметрами, определяющими эффективность биоцидов, являются: растворимость в воде, реакционная способность по отношению к другим компонентам ЛКМ.

Наиболее частыми для потребления ранее использовали хлорсодержащие препараты,  на основе фенолов, металлсодержащие биоциды. Однако такие их недостатки, как токсичность, неудобство хранения, потеря активного хлора, коррозия оборудования, негативное воздействие на окружающую среду и привыкаемость многих микроорганизмов к этим препаратам заставили выпускать дезинфицирующие средства нового типа.

Универсальные препараты на основе надуксусной кислоты, пероксида водорода, четвертичных аммониевых соединений и другие обладают высокой дезинфицирующей способностью, безопасны для людей и утилизируются без вредных последствий.

Учёные и специалисты Москвы, Дзержинска, Покрова, Иркутска разработали ряд биологических препаратов и лакокрасочных материалов, обладающих высокой биологической активностью по отношению к различным видам болезнетворных бактерий.

Институт эколого-технологических проблем и ряд производителей создали оригинальные и эффективные биоцидные лакокрасочные материалы.

Налажено производство экологически безопасных полимеров, обладающих широким спектром биоцидной активности – полигексаметилгуанидинов. Их свойства подтверждены ведущими отечественными медицинскими организациями и признаны за рубежом.

Препараты позволяют производить лакокрасочные материалы с сохранением антимикробных свойств до трёх лет и подавлять бактерицидную, вирусную, плесневую и спороцидную активность воздушной среды.

Антимикробное действие производных гуанидина известно давно. Гуанидиновые антисептики широко используются в мире. Эти соединения значительно эффективнее четвертичных аммониевых соединений, поверхностно активных веществ, производных фенола, хлорактивных дезинфицирующих препаратов. Они стабильны, неагрессивны, не образуют токсичных продуктов, не инактивируются белками, биоразлагаемы.

Биоцидные свойства производных полигексаметилгуанидина  (ПГМГ)

обусловлены наличием в его повторяющихся звеньях гуанидиновых группировок, являющихся активным началом некоторых природных и синтетических лекарственных веществ и антибиотиков.

Представителями этой группы соединений являются дезинфицирующие  средства ПОЛИСЕПТ, БИОР, ФОГУЦИД и др., которые применяются в России для дезинфекции поверхностей в помещениях, посуды, предметов ухода за больными и других объектов при бактериальных инфекциях.

Механизм биоцидного действия полигуанидиновых дезинфектантов достаточно хорошо изучен. Он аналогичен действию других высокомолекулярных катионных биоцидов и состоит в следующем. Поскольку микроорганизмы обычно обладают отрицательным суммарным электрическим зарядом, они притягивают к себе N⁺ биоцидного препарата, который соприкасается с микроорганизмом, адсорбируется на поверхности клеточной мембраны, вызывает её разрушение и проникает внутрь клетки. Внутри микробной клетки этот полимерный дезинфектант оказывает блокирующее действие на биологическую активность ферментов, препятствует репликации нуклеиновых кислот, угнетает дыхательную систему клетки. В конечном итоге этот комплекс действия препарата вызывает гибель микроорганизма.

Покрытия с такими биоцидами могут использоваться как для окраски жилых и служебных помещений, так и для окраски помещений, через которые перемещаются или в которых находятся большие массы людей. Для окраски помещений на предприятиях пищевой промышленности, общепита, спортивно-зрелищных комплексов и др.

Использование антимикробных покрытий в таких помещениях будет способствовать снижению уровня микробного загрязнения и, как следствие, снижению заболеваемости.

Используемая литература:

1. Кузнецова Л.С. «Полисепт» - полимерный биоцид пролонгированного действия. Москва, МГУ ПБ.2001
2. Ефимов К.М., Гембицкий П.А., Снежко А.Г. Журнал «Дезинфекционное дело» №4, 2000, 32-36
3. Farbe und Lack Bd 108, № 7, s. 28
4. Вольганг Сигерт. Журнал «ЛКМ и их применение» №2-3, 2002, 58-60
5. Патент РФ на изобретение — Биоцидная лакокрасочная композиция №2303615
6. Каверинский B.C. Журнал «ЛКМ и их применение» №9, 2011, 14-21

Инженер-эксперт А.В.Васильев (ГБУ «ЦЭИИС»)