на электронную версию
журнала и новости
Обладают ли теплоизоляционные материалы устойчивостью к биологическому повреждению?
Старцев С.А. , ген. директор ООО "БиоСпейсСтрой"
Власов Д.Ю. - доктор биологических наук, профессор биологического факультета СПбГУ
Строительство в агропромышленном комплексе является одной из наиболее ёмких отраслей потребления теплоизоляционных плит из экструзионного полистирола (XPS). На смену старым зданиям, которые сегодня затратны при постройке, отделке, приходят быстровозводимые из сэндвич панелей. Такие сельскохозяйственные ангары, овоще- и зернохранилища востребованы в любой полосе России, поскольку этот сегмент сельскохозяйственной продукции всегда пользуется спросом. Применение XPS при строительстве сельскохозяйственных комплексов из металлоконструкций и сендвич панелей достигло значительного уровня и развивается быстрыми темпами. Для хранения картофеля, капусты, моркови и других овощей необходимы особые температурные и прочие условия. Комплекс таких показателей, как относительно высокая прочность при изгибе и сжатии, низкая теплопроводность в сочетании с небольшой плотностью и водопоглощением, а самое главное - высочайшая биостойкость позволяет считать XPS одним из наиболее эффективных теплоизоляционных материалов. Особенно - когда задача осложнена хранением разнотипной продукции, зачастую требуется оснастить овощехранилище несколькими отсеками с различными температурами и влажностью.
Биоповреждение материалов, в том числе строительных, представляет серьёзную эколого-технологическую проблему, которая в РФ до сих пор недостаточно оценена с точки зрения экономических потерь и воздействия на здоровье населения. В условиях роста и изменения техногенной среды заметно возрастает интенсивность процессов разрушения, что приводит к существенному повреждению строительных материалов и конструкций, снижению долговечности зданий и сооружений различного назначения, возникновению аварийных ситуаций. Возрастающая роль биодеструкторов в современных экосистемах признается во всем мире, а потери от биологической деструкции достигают колоссальных цифр.
Достаточно сказать, что ежегодно выходит из строя до 2% общего объёма производства железобетона, то есть, 3-5 млн м3 в год. Коррозионные потери металла достигают 30% годового производства, причем 10% теряется безвозвратно.
Основными причинами биоповреждения строительных конструкций являются повышенная (сверхнормативная) влажность и применение органических компонентов в различных отделочных и иных материалах.
Повышенная влажность строительных материалов и конструкций связана, как правило, с нарушением температурно-влажностного режима, повреждением гидроизоляции, появлением различных протечек, нарушением технологических требований условий хранения продукции в сельскохозяйственных ангарах и комплексах.
Во всех экономически развитых странах проблеме биостойкости материалов уделяется большое внимание, разработаны соответствующие нормативные документы и методики эффективного противодействия биоповреждению строительных конструкций. В нашей стране относительно недавно были разработаны нормативные документы, регламентирующие параметры биостойкости материалов и изделий, экспонирующихся в условиях агрессивных сред. Так, в «СП 28.13330.2012 Защита строительных конструкций от коррозии. Актуализированная редакция СНиП 2.03.11-85» охарактеризованы различные типы агрессивности сред, даны общие указания о способах защиты материалов от биоповреждений, но не приведены соответствующие методики. Единственным документом, посвященным защите строительных конструкций, зданий и сооружений от агрессивных биологических воздействий с развернутым рассмотрением методик определения степени биостойкости строительных материалов является РВСН 20-01-2006 (ТСН 20-303-2006), принятый распоряжением Комитета по строительству Правительства Санкт-Петербурга в 2006 году. Этот документ носит рекомендательный характер, однако его значение трудно переоценить, как первую попытку системного решения задач в области защиты материалов от биоповреждений. При его разработке авторы опирались на накопленный мировой опыт и принятые на тот момент ГОСТы и СП(СНиПы). Вместе с тем, экологическая ситуация в последние годы быстро меняется, а тенденция к возрастанию роли биоповреждений становится все более угрожающей. Кроме того, с момента введения РВСН 20-01-2006 уже накоплен практический опыт работы, разработаны новые методики исследования повреждённых материалов, испытания их на биостойкость. В настоящее время, многие специалисты приходят к понимаю того, что при проведении испытаний необходимо расширять круг тест-объектов (микроорганизмов-деструкторов), причем включать в анализ те виды микробов, которые реально развиваются на данном материале в конкретных условиях среды; использовать различные сочетания микроорганизмов, встречающиеся в природе в виде биопленок и обладающих высокой устойчивостью к внешним воздействиям; менять условия проведения испытаний, максимально приближая их к естественной агрессивной среде; проводить наблюдения за развитием процессов биоповреждений в динамике (от начального этапа заражения материала до видимых изменений под воздействием микроорганизмов-деструкторов).
Исходя из всего сказанного, была спланирована работа, в которой проводились испытания теплоизоляционных материалов различными способами: известными и описанными в нормативных документах, а также принципиально новыми, отвечающими современным взглядам на испытания материалов, применяемых при строительстве сооружений в агропромышленном и сельскохозяйственном комплексе на биостойкость.
Целью работы являлось проведение всесторонних испытаний на биостойкость образцов плит полистирольных вспененных экструзионных (XPS) по ГОСТ 32310-2012 «Изделия из экструзионного пеополистирола промышленного производства, применяемые в строительстве. Общие технические условия» и образцов плит из минеральной ваты по ГОСТ 32314-2012 «Изделия из минеральной ваты теплоизоляционные промышленного производства, применяемые в строительстве. Общие технические условия».
В качестве тест-культур для проведения испытаний использовались виды микромицетов и бактерий, рекомендованные РВСН 20-01-2006 и в основных ГОСТах: ГОСТ 9.048-89 «Единая система защиты от коррозии и старения(ЕСЗКС). Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов», ГОСТ 9-049-91 «ЕСЗКС. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов. Материалы полимерные и их компоненты», СП 28.13330.2012. При этом предпочтение отдавалось тем микроорганизмам, которые встречаются в сельскохозяйственных ангарах, овоще- и зернохранилища и часто отмечаются на теплоизоляционных и сопутствующих строительных материалах в различных температурных условиях, обусловленных особенностью хранения продукции, а также представляют собой наиболее агрессивные (биохимическое и биофизическое воздействие на материал) и устойчивые формы.
При подготовке к проведению испытаний мы учитывали тот факт, что в природе (в естественной и техногенной среде) микроорганизмы практически не встречаются в виде чистых культур. В грунтах и на материалах микробы существуют в виде различных ассоциаций (сообществ), что доказано многочисленными исследованиями последних лет. Такое объединение обеспечивает микроорганизмам повышенную устойчивость к внешним воздействиям, успешное освоение (колонизацию и разрушение) различных материалов, а также максимальное потребление доступных питательных веществ, содержащихся в материале. Данные ассоциации (сообщества) микроорганизмов принято называть «биопленками». Их состав может быть разным, но, как правило, есть группа доминирующих видов, которые во многом определяют свойства биопленок и их агрессивность в отношении материалов. Исходя из сказанного, в испытаниях использовали биопленки различной сложности, которые были перенесены с естественного субстрата в условия культуры.
При подборе условий испытаний мы исходили из того, что тестируемый материал эксплуатируется в условиях различной влажности (в грунтах, на границе фундаментов и грунта, в условиях переменной или постоянной влажности и температуры и др.).По этой причине испытания были проведены в разных питательных средах и в разных влажностных режимах.
Наблюдения проводили в динамике (начиная с 3-х суток после заражения до 3-х месяцев). Фиксировали признаки роста колоний микроорганизмов, проявление гидрофобности материала, видоизменения биопленок или отдельных микроорганизмов, проводили фотофиксацию макро- и микросъемкой происходящих изменений.
Интенсивность развития грибов на тестируемом материале оценивалась по рекомендованной ГОСТ 9.048-89 балльной шкале.
Полученные результаты были соотнесены с возможными условиями эксплуатации плит полистирольных вспененных экструзионных (XPS) и минеральной ваты, и сделано заключение о стойкости материалов к биопоражению в агрессивной среде.
В результате проведенных исследований образцы плит полистирольных вспененных экструзионныхво всех вариантах испытаний получили оценку 0-1 балл.
Полученные данные указывают на то, что в плитах полистирольных вспененных экструзионных отсутствуют питательные вещества, которые могли бы способствовать росту плесневых грибов на его поверхности. Кроме того, гидрофобные свойства материала препятствуют впитыванию влаги, а вместе с ней и развитию микроорганизмов (Рисунок 1). При этом картина практически не менялась на протяжение всего срока испытаний (споры микромицетов и клетки бактерий оставались неактивными). Очевидно, что и в естественных условиях эксплуатации плит полистирольных вспененных экструзионных попадание на их поверхность влаги, загрязненной микроорганизмами, не приведет к развитию биопоражения, а будет сдерживаться благодаря свойствам материала.
В случае помещения плит полистирольных вспененных экструзионных на газон плесневых грибов (прямой контакт с активно растущими колониями) происходит локальное прикрепление клеток к поверхности материала (за счет свойств питательной среды). Однако после удаления загрязненного материала с газона плесневых грибов размножение микромицетов на его поверхности не происходит. Данная ситуация может складываться в природных условиях, когда образец полистирольных вспененных экструзионныхплит окажется в зоне интенсивного роста биодеструкторов на других субстратах (в непосредственном контакте с ними). При этом теплоизоляционный материал из полистирольных вспененных экструзионных плит фактически останавливает распространение микромицетов (создается защитный барьер).
Рисунок 1. Образцы плит полистирольных вспененных экструзионных, инокулированные плесневыми грибами (помещены на питательную среду Чапека, посев каплей суспензии спор микромицетов). Локализация микромицетов не меняется (споры и клетки грибов остаются в зоне инокуляции)
В экспериментах в жидкой среде, содержащей насыщенное микробное сообщество (состав определялся с использованием молекулярно-генетических методов) отдельные колонии микроорганизмов развивались на границе воздушной и водной среды, однако поверхностного роста по поверхности материала не наблюдалось (Рисунок 2).
Рисунок 2. Образец плит полистирольных вспененных экструзионных (XPS), инокулированный микробным сообществом в жидкой органо-минеральной питательной среде. Локализация микроорганизмов (одиночные микроколонии) формируются на границе раздела сред, тогда как поверхность материала оказалась чистой. Биопленка образуется на дне сосуда, но не на поверхности материала.
Одновременно проводились испытания биостойкости минеральной ваты при внесении в нее микроорганизмов – биодеструкторов в разных вариантах. При этом суспензию микроорганизмов вносили в минвату в чистом виде (водная суспензия без добавления питательных веществ), с добавлением минеральных компонентов среды Чапека, а также с добавлением компонентов полной среды Чапека (минеральные компоненты + глюкоза). Инокулированные фрагменты минеральной (каменной) ваты были помещены во влажную камеру и на питательную среду и экспонировались в термостате, так же, как и при испытании образцов плит XPS. Полученные данные указывают на то, что в самой минеральной вате находится некоторое количество питательных веществ, которые способствуют слабому росту плесневых грибов (преимущественно в толще материала). Этому благоприятствует его волокнистая слоистая структура. В проведенных испытаниях поверхность минваты практически всегда оставалась чистой, однако грибы локально формировали биопленки внутри материала (там, где происходило накопление влаги). Картина мало изменялась на протяжении всего срока испытаний (рост был плохо заметен из-за особенностей материала). При раскрытии минваты в зоне инокуляции отмечено формирование биопленки из микроорганизмов (наиболее активное развитие происходило при добавлении полной среды Чапека).
Очевидно, что чистые стекловолокно или базальтовое волокно не содержат органических веществ, которые могут быть питательной средой для микроорганизмов. Однако клеевые составы, применяемые для изготовления минераловатных плит, могут содержать питательные компоненты, способствующие развитию микроорганизмов при увлажнении.
Кроме того, в естественных условиях при эксплуатации сельскохозяйственных ангаров, овоще- и зернохранилищв в минвате из-за особенностей ее структуры могут накапливаться загрязнения (особенно при механических повреждениях материала), пылевые частицы, что может способствовать аккумуляции там и микроорганизмов, для которых загрязнения служат дополнительным источником питания. При повышенном увлажнении такого материала (в результате попадания внешней влаги, при образовании конденсата) могут формироваться микробные биопленки, которые наиболее эффективно используют даже минимальные количества влаги и органического вещества для начала роста и дальнейшего развития. Росту биопленки может способствовать структура материала. В минвате имеются пространства между волокнами (микрозоны), что благоприятствует закреплению и локальному развитию биодеструкторов. Питательные вещества задерживаются и распределяются между волокнами минваты, что способствует разрастанию мицелия внутри материала.
Следует отметить, что практический опыт исследований строительных материалов свидетельствует о встречаемости биоповреждений минеральной ваты в сэндвич-панелях (Рисунок 3).
Рисунок 3 Биоповреждение сэндвич-панели с базальтовым волокном, через полтора года с момента установки
Выводы. Результаты испытаний плит полистирольных вспененных экструзионных (XPS) показали, что данный материал является химически и физически нейтральным, не впитывает влагу, не подвергается биохимическому и биофизическому воздействию микроорганизмов из различных таксономических и экологических групп, т.е. обладает отличной биостойкостью к широкому кругу биодеструкторов в условиях воздушной и влажной среды хранения картофеля, капусты, моркови и других овощей.
Плиты полистирольные вспененные экструзионные имеют определенные преимущества в сравнении с минеральной (каменной) ватой, которые установлены в ходе проведенных испытаний. Очевидно, что структура минеральной ваты может служить фактором накопления и развития биодеструкторов, особенно при повышенном увлажнении и загрязнении материала. Удалить биопленки из зон локализации не представляется возможным из-за волокнистости минваты.
Статья написана по заказу
Ассоциации полимерных энергоэффективных технологий «РАПЭТ»
Председатель Бакаев Андрей Валерьевич
e-mail: rapet-info@mail.ru
Смотрите также
