Механизм разрушения конструкций из деревянных и полимерных материалов. Принципы защиты от разрушения.
Коррозия полимерных конструкций.Конструктивные элементы из полимерных материалов могут подвергаться ускоренному износу в зависимости от характера и интенсивности воздействия факторов, вызывающих этот износ. Коррозия полимерных материалов является результатом преодоления сил взаимодействия между атомами или молекулами, которое происходит под влиянием различных окислительных агентов, термического, радиационного, механического воздействия и других энергетических факторов. Результатом указанных воздействий являются различные деструктивные процессы.
Окислительная деструкция полимеров происходит при действии на материал кислорода или озона. В условиях эксплуатации конструктивных элементов кислород воздействует на полимеры при одновременном влиянии солнечного излучения, влаги и температурных колебаний. При этом изменяется структура полимеров, что называется старением.
Скорость окислительной деструкции определяется интенсивностью присоединения кислорода к некоторым звеньям макромолекул, в результате которого в полимере образуются различные функциональные группы – гидроксильные, карбонильные, карбоксильные и др. Наибольшее влияние на скорость деструкции оказывают образующиеся в процессе окисления перо-ксидные и гидропероксидные группы. Они стимулируют вторичные реакции, вызывающие разрушение полимера. Скорость образования этих групп увеличивается с повышением концентрации кислорода в окружающей среде и температуры воздуха. Облучение светом, особенно ультрафиолетовой частью спектра, значительно ускоряет окислительную деструкцию.
Термическая деструкция происходит под действием теплоты. Вместе с тем, этот вид деструкции может протекать одновременно с воздействием на материал кислорода. Тепловое воздействие на полимерные конструктивные элементы, как правило, сопровождается изменением химического состава звеньев макромолекул, кратности связей, перегруппировкой атомов, появлением новых функциональных групп, а также деполимеризацией. Термическая деструкция может вызвать полное разложение полимерного конструктивного элемента – вплоть до образования мономеров. Радиационная деструкция полимеров происходит под влиянием излучений – рентгеновских, протонных, нейтронных и др. Действие излучений высоких энергий на полимеры проявляется в возбуждении и ионизации отдельных звеньев макромолекул. Возбуждение, т. е. переход электронов на более высокий уровень, делает макромолекулы менее устойчивыми, облегчая деструкцию под влиянием других факторов.
В зависимости от типа полимера и интенсивности действия различных факторов, сопровождающих облучение, деструкция может протекать с выделением различных низкомолекулярных газов: водорода, хлора, азота, метана, оксида и диоксида углерода.
Механическая деструкция протекает под действием статических и динамических нагрузок. Под влиянием этих нагрузок макромолекулы скользят одна относительно другой и их ковалентные связи разрываются в местах наибольшей концентрации напряжений, поэтому процесс сопровождается вязким течением материала. Механическая деструкция полимерных материалов при отсутствии кислорода отличается от термической и радиационной составом продуктов распада: отсутствием газообразных веществ – осколков цепей макромолекул.
Химическая деструкция происходит под действием агрессивной (чаще окислительной) среды. Окислительная реакция активизируется под влиянием света (фотохимическая деструкция).
По отношению к химическим агрессивным средам полимеры подразделяются на гетероцепные (в основной цепи молекулы содержатся кислород, азот, сера и др.) и карбоцепные (образованные только атомами углерода).
Гетероцепные (полиамиды, тиоколы, силоксаны, полиэфиры и др.) сравнительно легко распадаются под действием горячей воды, кислот и щелочей.
Карбоцепные полимеры (в целом более стойкие к агрессивным средам) по коррозионной стойкости подразделяются на три группы:
– полимеры, полученные из предельных углеводородов, среднестойкие по отношению к агрессивным средам (полиэтилен, полипропилен, полиизобутилен и др.);
– полимеры, синтезированные из предельных углеводородов с заместителями и элементами структуры, увеличивающими стойкость к агрессивным средам; в качестве заместителей часто применяют фтор (политетрафторэтилен), хлор (трифторхлорэтилен, хлорсульфированный полиэтилен), бензол (полистирол), такие полимеры стойки к кислотам, слабым окислителям, а фторзамещенные – и к сильным окислителям;
– полимеры, синтезированные из углеводородов с элементами структуры, уменьшающими их стойкость к aгрессивным средам; такими элементами являются двойные связи между элементами молекул, которые легко взаимодействуют с кислородом, галоидами, кислотами (полиизопреновый, полибутадиеновый, бутадиенстирольный, бутадиеннитрильный каучуки и др.).
Биологическая деструкция, как правило, вызывается плесневыми грибами. Пигменты, выделяющиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, окрашивают материал в различные цвета. Cвойства полимерных конструкций с течением времени изменяются: теряется эластичность, повышается жесткость и хрупкость, снижается прочность. Эти изменения называются старением. Повышение жесткости и хрупкости может происходить в результате не только деструкции, но и сшивания (агрегирования) макромолекул. Иногда деструкция и агрегирование происходят одновременно.
Старение и стабилизация полиэтилена. Полиэтилен низкой плотности при температуре окружающей среды 20-30 °C сохраняет эксплуатационные характеристики в течение длительного времени. Он морозостоек при температуре воздуха до –17 °C. На свету и при высоких температурах окружающего воздуха его свойства резко ухудшаются. Так, при эксплуатации конструкций при 80 °C в темноте через четыре месяца полиэтилен полностью растрескивается, на свету скорость деструкции увеличивается.
Все виды внешнего самопроизвольного растрескивания конструкций из полиэтилена низкой плотности, в том числе под действием ПАВ, прекращаются, если в материал добавить 5-10 % полиизобутилена или бутилкаучука.
Изделия из полиэтилена разрушаются обычно не в момент нагружения, а после длительного действия нагрузок в процессе эксплуатации. При этом долговечность полиэтилена зависит от величины нагрузки и особенно от состава окружающей среды. Например, при температуре воздуха 20 °C и окислении кислородом свойства полиэтиленовых конструкций заметно ухудшаются, с повышением температуры скорость окисления полиэтилена увеличивается.
Чтобы уменьшить старение полиэтиленовых конструкций, эксплуатирующихся на солнечном свету, рекомендуется вводить около 2 % мелкодисперсной газовой сажи. Для стабилизации конструкций, эксплуатирующихся внутри зданий, где черный цвет не всегда приемлем, в полиэтилен добавляют оксид цинка, диоксид титана, аэросил и подобные вещества.
Старение и стабилизация полипропиленовых конструкций. По стойкости полипропилен несколько уступает полиэтилену. Однако стабилизированный полипропилен вполне пригоден для эксплуатации. В качестве стабилизаторов в него вводят те же компоненты, что и в полиэтилен.
Старение и стабилизация поливинилхлоридных конструкций. По сравнению с другими материалами поливинилхлорид более устойчив к действию сред, но не морозостоек. В качестве защиты против фотохимической деструкции рекомендуется добавлять светостойкие красители: лак бирюзовый, лак рубиновый СК и ЖК, пигменты – фталоцианины голубой и зеленый, а также диоксид титана, крон желтый и др.
В помещениях поливинилхлоридные материалы применяют для устройства полов и отделки конструкций. В этом случае на 100 масс. ч. поливинилхлоридной смолы ПФ-4 берут 45 масс. ч. пластификатора ВСФ, а в качестве стабилизатора – смесь 3 масс. ч. твердой нетоксичной эпоксидной смолы Э-41 с 3 масс. ч. свинцового глета РbО. Хорошей стойкостью против старения обладает также сополимер поливинилхлорида с 10 % акрилата, пластифицированный 25%-ный ВСФ с добавлением 2 % диоксида титана, 4 % эпоксидной смолы Э-41 и 3 масс. ч. силиката свинца.
Старение и стабилизация других полимерных материалов. Наиболее перспективны поливинилфторид, фторированный сополимер этилена с пропиленом, хлорсульфированный полиэтилен, полиметилметакрилат и полиформальдегид.
Поливинилфторид даже без стабилизаторов обладает очень высокой атмосферостойкостью, которая обусловлена прочной химической связью «углерод – фтор». Этот материал практически не стареет под действием ультрафиолетовых лучей. Ограниченность применения материала обусловлена его высокой стоимостью. Фторированная этиленпропиленовая пленка в атмосферных условиях также не стареет и обладает достаточно высокой долговечностью. Примерно такая же долговечность у хлорсульфированного полиэтилена.
Коррозия битумных полимерных материалов. Наиболее широко битумные материалы применяют для гидроизоляции конструкций благодаря их способности не смачиваться водой и не растворяться в ней. Однако битумы растворяются в органических растворителях – бензине, бензоле, хлороформе, четыреххлористом углероде, сероуглероде, ацетоне, спиртах, толуоле и др.
Под влиянием света, теплоты, кислорода битумные материалы стареют. В процессе старения масла и смолы, составляющие битум, окисляются до асфальтенов, придавая битумным материалам свойства хрупкости. Поэтому в битумных материалах, подвергающихся старению, появляются трещины, что особенно опасно для подземных конструкций и кровельных рулонных материалов, а также мастичных покрытий.
Битумы и битумные материалы, в которых применяют кислотостойкие наполнители, устойчивы против действия серной (при концентрации не более 50 %), соляной (при концентрации не более 30 %), азотной (при концентрации не более 25 %), уксусной (при концентрации не более 70 %), фосфорной (при концентрации не более 80 %) кислот.
Длительное воздействие концентрированных водных растворов (при концентрации не более 50 %) едких щелочей и карбонатов щелочных металлов вызывает интенсивное разрушение битумных конструкций. Насыщенные растворы извести, например в бетонных конструкциях, омыляют битумные материалы.
Для защиты битумных конструкций от прежде-временного разрушения необходимо предусматривать их изоляцию от воздействия агрессивной среды. Для кровельных покрытий наиболее надежной защитой является устройство гравийного защитного покрытия, втопленного в битумную мастику. Иногда для этих же целей кровлю окрашивают алюминиевой краской, что снижает интенсивность ее разрушения от солнечной радиации.
Предохранение вертикальных гидроизоляционных покрытий от преждевременного разрушения достигается путем устройства защитных прижимных стенок из обожженного глиняного кирпича. Подземные трубопроводы, покрытые битумной гидроизоляцией, предохраняются от преждевременного разрушения покрытия путем устройства верхнего защитного слоя из стеклоткани или другого стойкого материала.
Кроме того, для защиты битумных покрытий от разрушения микроорганизмами необходимо вводить в их состав антисептики.
Разрушение деревянных конструкций.Разрушение деревянных конструкций происходит из-за химической коррозии: разрушение под действием кислот целлюлозы древесины, а под действием щелочей – растворение основного цементирующего вещества древесины – лигнина и частично целлюлозы. Помимо химической коррозии, деревянные конструкции в определенном температурно-влажностном режиме подвержены гниению вследствие развития дереворазрушающих грибков и разрушению со стороны насекомых: домовых жуков-точильщиков, муравьев крыльчатых, древесных ос. Росту грибков благоприятствуют повышенная влажность, положительная температура и неподвижность воздуха (непроветриваемость помещений). Питательной средой для грибов служит целлюлоза древесины. Грибы выделяют особый фермент-цитазу, который переводит нерастворимую в воде целлюлозу (С6Н10О5)n в растворимое вещество глюкозу (C6H12O6)n по реакции: (С6Н10О5)n + mH2O = (C6H12O6)n.
В теле гриба глюкоза окисляется кислородом воздуха с образованием диоксида углерода и воды: C6H12O6 + 6О2 =6СО2 + 6Н2О.
В результате жизнедеятельности некоторых видов грибков разрушается клетчатка древесины с выделением диоксида углерода и воды. Известно около 60 видов дереворазрушающих грибков. Все они подразделяются на две группы: плесневые и деревоокрашивающие; дереворазрушающие. По внешним признакам различают следующие типы гнилей: коррозионную (нитевидную) и деструктивную (трухлявую). В начальной стадии коррозионная гниль имеет вид бледно-желтых или бледно-коричневых полосок и пятен. Во второй стадии развития гнили пятна увеличиваются, на них появляются белые штрихи, идущие вдоль волокон. В заключительной стадии в местах белых выцветов образуются углубления, древесина постепенно становится мягкой, легко расщепляется на отдельные волокна, но не крошится и сохраняет некоторую вязкость; теряя часть массы, древесина сокращается в объеме.
Грибки, вызывающие коррозионную гниль, разрушают главным образом лигнин, почти не затрагивая целлюлозу. Эта гниль бывает белой (светлее здоровой древесины) или пестрой (на темном фоне белые пятна). При деструктивной гнили грибки разрушают целлюлозу и не затрагивают лигнин. Древесина в начальной стадии гниения приобретает желтоватый оттенок; во второй стадии становится более темной и менее твердой; в конечной стадии приобретает темно-коричневый цвет, заметно теряет в массе и объеме, покрывается взаимно-перпендикулярными трещинами. Ее структура становится как бы сложенной из отдельных призм. Поэтому деструктивную гниль часто называют призменной. Древесина теряет прочность, крошится, растирается пальцами в порошок. Имеется другая группа грибов, которые называются плесневыми и деревоокрашивающими, или грибами синевы и плесени. Они успешно развиваются на древесине, имеющей влажность 50-100 % при температуре 20-25 °С. При высыхании древесины развитие окрашивающих и плесневых грибов прекращается. Встречается и третий тип гнили – смешанная, при которой грибки разрушают и целлюлозу, и лигнин. В условиях слабокоррозионных сред древесина устойчива. Хвойные породы древесины благодаря содержанию смол обладают большей химической стойкостью, чем лиственные. Хвойные породы древесины достаточно стойки по отношению к действию разбавленных растворов уксусной, фосфорной, молочной, масляной и плавиковой кислот. Соляная кислота концентрацией до 10 % и серная концентрацией не более 5 % практически не изменяют их структуру и физико-химическое строение. Концентрированные кислоты разрушают деревянные конструкции и особенно интенсивно кислородсодержащие (азотная, серная, хромовая и др.). Интенсивность разрушительного действия увеличивается с повышением температуры кислот. Растворы едких щелочей разрушают древесину менее интенсивно, чем кислоты. Деревянные конструкции стойки к действию растворов аммиака, гидроксидов кальция, бария и растворов нейтральных солей любой концентрации. Для повышения коррозионной стойкости древесину покрывают стойкими лакокрасочными материалами или пропитывают синтетическими смолами. Чаще всего для этого используют фенолоформальдегидные смолы. Древесина, пропитанная этими смолами, обладает повышенной стойкостью к действию почти всех кислот, сернистого ангидрида, хлора, фтористого водорода и других газов. Насекомые образуют в теле деревянных конструкций червоточину, которая в зависимости от глубины повреждения условно подразделяется на поверхностную, неглубокую и глубокую. Поверхностная червоточина проникает в тело древесины на глубину не более 3 мм, неглубокая – в пиломатериалы на глубину до 5 мм, а в круглый лесоматериал – до 15 мм. Глубокая червоточина в наибольшей степени поражает деревянные конструкции, она проникает в пиломатериалы на глубину не менее 5 мм, а в круглые материалы – более 15 мм.
Наиболее уязвимыми местами в конструкциях являются:
– места сопряжений и переломов конструкций (стыки панелей, сопряжения стен зданий разной этажности, сопряжения кровли с трубами, парапетами, стенами, ендовы и т. п.);
– места приложения сосредоточенных нагрузок: опорные части колонн, пилястр, простенки, перемычки;
– места вероятного увлажнения конструкций: сопряжения стены с цоколем, цоколя с фундаментом и отмосткой, места пропуска водосточных труб через карнизы, места возможного скопления атмосферных вод и подтопления фундаментов;
– места пропуска коммуникаций через стены;
– места излома и сопряжения горизонтальной и вертикальной гидроизоляции;
– места наибольшего износа защитных покрытий.
Знание уязвимых мест необходимо эксплуатационным работникам, проектировщикам, строителям, технадзору.
Перед началом любых работ по защите материалов конструкции следует определить природу явления, вызвавшего сырость, т. к. от этого зависит принятие технического решения.
Методы защиты деревянных конструкций от разрушения
Биологический процесс разрушения деревянных конструкций можно сравнительно просто предотвратить путем их антисептирования или покрытия малыми дозами ядохимикатов.
Противогнилостная профилактика (при разработке проектов защиты следует руководствоваться СНиП 11.28—79 «Антикоррозионная защита строительных конструкций. Нормы проектирования»; СНиП 111.19—79 «Деревянные конструкции. Правила производства и приемки монтажных работ») разрушения деревянных конструкций заключается в выборе типа конструкции, правильном расположении слоев, которые могут загнивать, в прокладке пароизоляции со стороны помещений с высокой влажностью и в обеспечении воздушной прослойки у наружной поверхности конструкции; это проектная профилактика.
Для предохранения деревянных конструкций от загнивания необходимо проводить строительную профилактику, т. е. применять во время строительства и ремонта только воздушно-сухую, при необходимости антисептированную, древесину, вырезать и сжигать поврежденные части, устранять источники увлажнения конструкций.
В ходе эксплуатации зданий надо осуществлять эксплуатационную профилактику: не допускать увлажнения деревянных конструкций, своевременно стать причиной или источником увлажнения. Весной и осенью нельзя также допускать застоя воздуха на чердаках, в подвалах, подпольях и в иных помещениях с высокой влажностью Кроме перечисленных мер, особое значение в защите древесины от загнивания придается антисептированию конструкций в ходе строительства и ремонта.
Защита древесины от гниения может проводиться несколькими методами: поверхностной обработкой, пропиткой, диффузным методом, а также химическим консервированием' основанным на введении в древесину, т. е. в полости клеточных оболочек и самих клеток, химических ядов — антисептиков убивающих грибы и древоточцев и препятствующих их развитию. Антисептики, по СНиП 11.28—79, подразделяются на следующие группы:
- антисептики, применяемые в водных растворах;
- антисептические пасты на основе водорастворимых антисептиков;
- маслянистые антисептики;
- антисептики, используемые в органических растворителях.
- антисептики, применяемые в водных растворах, — фтористый, кремнефтористый, аммонийкремнефтористый натрий и другие — предназначаются для защиты тех деревянных конструкций, а также изделий из древесины, стружек, опилок, камыша, которые в период эксплуатации будут защищены от увлажнения и вымывающего действия воды.
Антисептические пасты на основе водорастворимых антисептиков — битумные, на кузбасслаке, экстрактовые на фтористом натрии и другие — по характеру связующего вещества подразделяются на битумные, на кузбасслаке, экстрактовые и глиняные. Первые две пасты не корродируют металл, они наносятся на древесину любой влажности, так как водой вымываются слабо. Экстрактовые пасты, изготовляемые на основе экстракта сульфитных щелоков, и глиняные пасты не горючи, не имеют запаха, не корродируют металл, не водостойки, т. е. легко вымываются водой.
Антисептические пасты применяются для защиты деревянных конструкций, находящихся в условиях повышенной влажности. При этом открытые и соприкасающиеся с землей конструкции, обработанные такими пастами, должны защищаться от вымывающего действия воды гидроизоляционными обмазками на битуме, кузбасслаке и т. п. Пасты также используются для заполнения трещин в конструкциях с целью защиты их от загнивания.
К маслянистым антисептикам относятся следующие масла: каменноугольное для пропитки древесины, каменноугольное полукоксовое и сланцевое шпалопропиточное. Они используются для защиты открытых конструкций путем пропитки их под давлением или в высокотемпературных и горячехолодных ваннах.
Антисептики, применяемые в органических растворителях — нефтепродуктах, служат для защиты наружных конструкций.
Широко распространенный в строительстве метод пропитки древесины в горячехолодных ваннах основан на капиллярном поглощении ею пропиточных растворов.
Срок службы консервированной (антисептированной) древесины увеличивается примерно в три раза. Срок службы неантисептированной древесины с влажностью более 20 % сокращается до двух лет (в погребах, колодцах, шахтах — до семи месяцев). Следовательно, при ремонте сооружений можно применять только сухую древесину, защищать ее от увлажнения или антисептировать.
Элементы, подлежащие сплошной окраске (окна, двери, чистые полы и перегородки), не антисептируются. Антисептируются наружные и скрытые элементы конструкций — деревянные фундаменты, балки, накаты, подшивка, перегородки под штукатурку и т. д.
Антисептирование может быть двух видов:
- непосредственного действия — поверхностное (производится в горяче-холодных ваннах, пропиткой под вакуумом и другими способами);
- последующего действия — диффузионное (сухое, в виде порошка, в предположении, что в эксплуатации конструкции будут увлажняться и антисептик начнет действовать).
Антисептирование может быть нормальным или повышенным (удвоенным).
Нормальное антисептирование производится при влажности древесины до 25 %, когда исключено увлажнение или обеспечено быстрое высыхание конструкций.
Повышенное (удвоенное) антисептирование концентрированными антисептиками осуществляется при влажности древесины выше 25%, когда высыхание ее затруднено. Такому антисептированию подвергаются и более сухие конструкции, которые могут увлажняться в процессе эксплуатации сооружений.
Способы и материалы для антисептирования определяются назначением конструкций и их размерами. Все деревянные конструкции по характеру антисептирования делятся на две группы.
К первой группе относятся элементы конструкций открытых сооружений, находящихся в жестких условиях работы и требующих наиболее эффективной защиты: сваи, ростверки, а также элементы, находящиеся на открытом воздухе,—цоколи, фундаментные стойки деревянных зданий. Конструкции первой группы глубоко пропитываются каменноугольным или сланцевым маслом под вакуумом.
Ко второй группе относятся периодически увлажняемые конструкции: перекрытия первого этажа, наружные стены балки, лаги, подоконные доски и все тонкие внутренние деревянные элементы, редко и случайно увлажняемые, доски перегородок и подшивок потолка; эти элементы антисептируются преимущественно в целях профилактики, а также когда влажность древесины превышает нормативную. Конструкции второй группы антисептируются водными химическими растворами, путем пропитки в горячехолодных ваннах, окраски, обмазки. Пастами покрывают элементы, длительно или периодически увлажняемые в процессе эксплуатации. Применение паст основано на том, что при увлажнении они проникают в древесину и защищают ее от развития грибов. Пасту наносят кистями или шпателем. После подсушки ее защищают битумом или каменноугольной смолой.
Поверхностное антисептирование рекомендуется производить два раза (преимущественно водным раствором фтористого натрия с концентрацией от 3 до 10%) путем опрыскивания из гидропульта или покраски кистями.
Сухое антисептирование осуществляется на горизонтальных поверхностях (например, на чердачном перекрытии) порошкообразными антисептиками с влажными опилками или песком.
Концы деревянных балок, закладываемых в кирпичную стену, кроме антисептирования, защищаются от увлажнения гидроизоляцией, а гнезда для них вентилируются. Однако при этом влага в древесине не должна закупориваться, т. е. торцы балок не должны закрываться гидроизоляцией.
Гидроизоляционное обертывание служит средством, предупреждающим выщелачивание антисептика, например в конструкциях, заглубленных в грунт.
В закрытых сооружениях для обработки полусухих и тем более сырых деревянных элементов надо применять такие средства, которые не препятствовали бы сушке древесины, например антисептические пасты.
В случае обнаружения дереворазрушающих насекомых (древоточцев, жуков-точильщиков, термитов) древесина обрабатывается инсектицидами.
Характеристика их приведена в СНиП 11.28—79. Наличие жуков обнаруживается на слух, с помощью специального стетоскопа.
При обработке пораженных участков необходимо нагнетать антисептик (шприцем, масленкой) в каждое отверстие или смазывать их кистью, смоченной в антисептике, два-три раза с перерывами вдвое, трое суток, а затем замазывать замазкой, мелом, парафином или пастой. Если элементы заменяются , то их лучше изъять и сжечь, даже при небольшом поражении жуками-точильщиками.
Перед обработкой древесины одним из перечисленных антисептиков целесообразно провести газовую дезинфекцию помещений хлорпикрином, сероуглеродом, формалином и др. Однако такую дезинфекцию могут выполнять только специализированные организации, при строгом соблюдении мер предосторожности.
При обнаружении в земле вблизи здания гнезд термитов их поливают несколько раз нефтью, антраценовым маслом, черной карболкой или иными составами. Грунт в подполье тщательно обследуется и в случае обнаружения ходов термитов также обрабатывается одним из упомянутых составов.
В местах большого скопления термитов рекомендуется устраивать каменные цоколи, отмостку и выполнять бетонную подготовку в полах первого этажа. Антисептирование древесины для защиты от термитов производится также как и от жучков-точильщиков.