CC BY
18
УДК 624. 131. 524
Д. В. ГРЕЦЬКИЙ (ЧДТУ)
НЕГАТИВНИЙ ВПЛИВ Б1ОКОРОЗ1ЙНИХ ПРОЦЕС1В НА ЗАГЛИБЛЕН1 У СЛАБК1 ГРУНТИ БУД1ВЕЛЬН1 КОНСТРУКЦП
Вiдзначено причини появи геоеколопчних проблем пiдземного простору великих MicT. Описанi пер-шопричини негативно! дп бюкорозп в грунтових умовах слабких грунтiв, також приводитися характеристика негативного впливу бюкорозп на будiвельнi конструкцп, зануренi в грунтову товщу. Рекомендують-ся варiанти дiй щодо захисту будiвельних конструкцш вiд бюкорозп як конcтруктивнi, саштарно-гiгieнiчнi так i хiмiчнi.
Отмечены причины появления геоэкологических проблем подземного пространства больших городов. Описаны первопричины негативного воздействия биокоррозии в грунтовых условиях слабых грунтов, также приводиться характеристика негативного влияния биокоррозии на строительные конструкции, погруженные в грунтовую толщу. Рекомендуются варианты действий для защиты строительных конструкций от биокоррозии как конструктивные, санитарно-гигиенические, так и химические.
The article enlists the reasons of occurrence of environmental problems in the underground space of big cities, describes the origins of the negative influence of bio-corrosion in conditions of weak soils, gives characteristics of the influence of a negative state of bio-corrosion on the building constructions submerged info the ground and recommends the options of protecting the building structures from bio-corrosion, including constructive, sanitary & hygienic and chemical measures.
Сучасш тенденцп розвитку великих мют при-пускають штенсивне освоення !х тдземного простору з метою розмщення комуткацш рiзно-го призначення, зокрема, iнженерних i транспортних, культурних i торгових комплекшв, ряду господарських i сервiсних служб тощо.
У даний час пiдземний проспр наших великих мiст розглядаеться як природний ресурс, цивiлiзоване використання якого в значнiй мiрi покращуе середовище проживання людини, до-зволяе максимально зберегти природш ландша-фти i архiтектурно-iсторичну зовнiшнiсть мiст.
Пщ час освоення i використання тдземного простору наших мегаполюв принципове зна-чення мае аналiз його геоеколопчного стану. При цьому в ходi геоекологiчноi оцiнки тдзе-много простору необхщно розглядати сукуп-нiсть i взаемну обумовленiсть процесiв транс-формацп природноi лiто-, гiдро- i бюсфери пiд впливом iнженерних робiт, функщонування надземних i пiдземних споруд, з урахуванням iх особливостей будiвництва i експлуатацii, що може призводити до змши напруженого стану, змiни термодинамiчноi i гiдродинамiчноi обстановки масивiв грунтових порiд [1].
Прогресуюче попршення екологiчноi обстановки в шдземному просторi мiст супрово-джуеться не тшьки негативною трансформащ-ею стану i властивостей слабких грунтiв, але i пiдвищенням рiвня агресивностi тдземного середовища по вiдношенню до будiвельних ма-
терiалiв, що використовуються в тдземних конструкцiях i iнженерних комушкащях.
Специфiчне агресивне середовище, що фор-муеться в пiдземному просторi, сприяе розвитку бiокорозii. Бiокорозiю спричиняють бактерii, гриби i актиномiцетами, причому дiяльнiсть цих органiзмiв, в бшьшосп випадкiв, супрово-дить i тдсилюе хiмiчне, електрохiмiчне та iншi види корозшного руйнування матерiалiв. Вщо-мо, що 50 % вшх втрат вщ корозii пiдземних споруд на мюьких територiях вiдбуваеться саме за рахунок бюкорозп. До цього виду корозп схильш бетони, залiзобетони i металевi конс-трукцii, що використовуються для будiвництва пiдземних споруд, зокрема, тунелiв метро, кру-пних канатзацшних колекторiв, опор мостiв, конструкцiй фундаменпв та iнших iнженерних комунiкацiй.
Важливо вiдзначити, що бiодеградацiя (бю-корозiя) будiвельних матерiалiв поки не врахо-вуеться чинними будiвельними нормами.
Мета дано1' статтi:
— дати пояснення виникнення геоеколопч-них проблем тдземного простору великих мют;
— описати передумови виникнення негативного еколопчного стану грунтових умов, що складаються з слабкого грунту, та дати характеристику впливу цього стану на шдземш буд> вельт конструкцп;
— дати можливi варiанти дш щодо захисту заглиблених у грунт будiвельних конструкцiй вiд несприятливого впливу бюкорозп.
За рiвнем особливо негативно! i тривало! ди на екологiчний стан тдземного простору мега-полiсiв слiд видшити вплив каналiзацiйних мереж. Починаючи з передютори великих мiст (XVII ст.) i до теперiшнього часу каналiзацiй-но-побутовi стоки були основним забруднен-ням тдземно! лiто- та пдросфери, а також по-верхневих вод. Мало вiдомо, але регюнальна каналiзацiйна система багатьох великих мют почала вводиться в експлуатацiю тшьки у сере-динi 30-х рр. минулого сторiччя.
Протягом майже 200 роюв цi стоки скида-лися практично без очищення в рiчковi мережi i канали мiст. На цей часу стан каналiзацiйних мереж в укра!нських мiстах «мшьйонерах» (на-приклад, Запорiжжя, Днiпропетровськ) не можна визнати задовшьним: велика довжина вуличних мереж вимагае повно! замiни, ме-режi функцiонують з постiйними аварiями. Вплив забруднення пiдземного простору за рахунок витоюв каналiзацiйно! мережi може простежуватися на великш глибинi, напри-клад, бiльш нiж 50 м (Васильевський ос^в у Санкт-Петербурзi) [2].
Тривалють i безперервнiсть ди каналiзацiй-но-побутових стокiв сприяе глибокому пере-творенню хiмiчного складу пiдземних вод, а також негативним змшам стану i властивостей слабких порiд, що знаходяться на рiвнi водного горизонту. У товщi вiдкладень забруднених каналiзацiйно-побутовими стоками спостер^а-еться формування вщновлювального середо-вища за рахунок окислення органiчних речо-вин. Прискорюе i посилюе подiбну трансфор-мацiю тдземного середовища повсюдне забруднення територп мiст нафтопродуктами, а також юнування похованих звалищ побутового смiття i вiдходiв виробництва, рiдка фаза яких звичайно збагачена органiчними сполуками. Грунтова вода також мiстить мiкроорганiзми -бактерп, грибки тощо. Позбавитися !х практично неможливо. Необхiдна для життя бактерiй органiка (речовини, що мютять вуглець) прису-тня у каналiзацiйних системах, потрапляючи туди з окремими елементами системи (труби, клапани) у формi мастила та шшого або тд час будiвельних робгг (земля та iншi забруднення), видшяючись також з пластмасових труб, епок-сидних i гумових покриттiв тощо.
Наукове пояснення виникнення бюкорозп -це попадання в обводненi дисперсш породи мiкробiтiв з каналiзацiйними стоками i рiдкою фазою побутових вiдходiв, а також одночасне надходження рiзноманiтних органiчних i неор-ганiчних сполук, яю е живильними субстратами
для мiкроорганiзмiв, продуктiв !х метаболiзму бшково! i небшково! природи, подальше сорбу-вання на мiнеральних частинках дисперсних порiд згiдно з [3].
Швидкють руйнування практично всiх мате-рiалiв, включаючи метали, полiмери, будiвельнi конструкций в бiологiчно активних середовищах бшьш нiж в 3 рази перевершуе швидкiсть руйнування пiд дiею звичайно! електрохiмiчно! корозi!. Причина цього явища не тiльки те, що м^оор-ганiзми використовують компоненти, що вхо-дять до складу полiмерiв, металiв i iнших матерь алiв як продукти харчування, як вже зазначалося вище, а й ферменти, що виробляються м^офло-рою в процеа життедiяльностi. Наприклад, ен-зими, амшокислоти значно збiльшують швид-юсть електрохiмiчних процесiв корозi!, порис-тють, дефектнiсть i неоднорiднiсть структури полiмерних матерiалiв, сприяють наростанню внутрiшнiх напруг i мимовiльному локальному розтрiскуванню покритпв конструкцiй.
Парадоксально, але хiмiчнi адсорбенти, що використовуються для поглинання кисню (тобто для зменшення киснево! корозп), теж сприяють бiокорозi!, оск1льки мютять в сво!й бiльшостi ор-гашку. Зрештою вона потрапляе з водою, наприклад, 3.. .5 мг вуглецю на лiтр (а це лише 3.. .5 кг на 1 000 м3 води) достатньо для утворення солiд-но! бактерiйно! плiвки на матерiалi конструкцi!.
Один з прших варiантiв бiокорозi! виникае тодi, коли кисень потрапляе в звшьнену вщ нього систему. Сумiш продуктiв бюкорози i кисню викликае значно вищi темпи корозi!. Накопичення таких бюмас призводить грунто-вi умови, а саме, шски в стан пливушв, а гли-нистi породи - в набрякаючий квазшластичний стан. Глинист породи пiд час взаемодi! з кана-лiзацiйними стоками в бшьшосп випадкiв пе-реходять в текучий стан [4].
Активна мшробюлопчна дiяльнiсть в анаеро-бних умовах, що виникае в результап попадання рщко! фази каналiзацiйних виток1в та побутових вдацщв у дисперснi умови, часто призводить до утворення бiохiмiчних газiв, збiльшуючи тим самим небезпеку переходу водонасичених пiща-но-глинистих пор1д у рухомий стан, також це може сприяти !х розущiльненню. Останнiм часом наголошуеться активiзацiя утворювання у слабких грунтах наших мют газу-метану в результат бюкорозшних реакцш, в результатi цього - викиди газонасичених розрiджених порiд, самозапалювання метану, накопиченням газу в шдвалах будiвель. Генерацiя газiв викликае юто-тнi змiни напружено-деформованого стану в то-вщах слабких порiд.
Стшкють матерiалiв щодо бiодеградацi!, можна характеризувати стшкютю !х до водопо-глинання. Рiзнi матерiали можуть адсорбувати пари води: своею поверхнею; за рахунок велико! мереж субм^оскошчних капiлярiв i вщкри-тих пор; у матерiалах з водорозчинними напов-нювачами вщбуваеться осмотичне водопогли-нання. Оргашчш матерiали володiють значним вологопоглинанням внаслщок мiжмолекулярних промiжкiв. Речовини з впорядкованим розта-шуванням молекул володiють меншими вологопоглинанням. Також матерiали з грубою поверхнею здатш адсорбувати значно бшьшу кь лькiсть водяно! пари за рахунок збiльшення площi контакту. Великим вологопоглинанням володiють шаруват пресованi матерiали типу гетинаксу, склотканини.
Об'емне водопоглинання спостерiгаеться у тих матерiалiв, яким властива усадка (компаун-ди, вюк) i у матерiалiв, у яких з'являються пори за рахунок покриття !х розчинниками (лаками), що випаровуються, а також за рахунок здатносп матерiалiв вiддавати або поглинати лети речовини (пластики). Слщ вщмггити, що об'емне поглинання води матерiалом небезпечнiше, нiж адсорбцiя на поверхш, з тiе! причини, що зво-ротний вiдтiк вологи чи просушування практично неможливо.
Волога, що мютиться у матерiалi включае як зв'язану (недоступну для мiкроорганiзмiв), так i вшьну (доступну) воду, а початок росту мшроор-ганiзмiв на гiгроскопiчних матерiалах вщбува-еться за таким вмютом вологи, коли з'являеться вiльна, не зв'язана вода. Наприклад, деревина нижче за точку насичення волокна (30 % вологи) мшрооргашзмами не ушкоджуеться, папiр ушко-джуеться пiсля насичення водою до 8.10 % [5].
Наслщки впливу бюкорозп на конструкцп можна назвати [6; 7]:
— втрата естетичних властивостей виробiв (вони стають тьмяними, з плямистою поверх-нею, втрачають природнш колiр);
— попршення механiчних властивостей i повне руйнування оргашчних речовин матер> алiв конструкцш;
— погiршення дiелектричних характеристик;
— активiзацiя процесу корозi! металевих деталей.
Зпдно з [6-9] прийнято класифiкувати iзоля-цiйнi матерiали на стiйкi i нестiйкi по вщношен-ню до бюкорозп. Невологостшкими i нестiйкими матерiали щодо бiокорозi! можна назвати [8]:
— целюлоза, деревина хвойних i листяних порщ, папери i картони з деревного, ганчiрково-го i iнших волокон на основi целюлози, фiбра;
— пластмаси з довговолокнистим целюло-зним або азбестовим наповнювачем (текстолiт, азботекстолiт, азбоцемент, волоктт, К-6, ВЭИ-11, лiгнофоль, балiнiт, дельташпон), бавовнянi тка-нини i пряжа , шовковi стрiчки;
— кле! твариннi i рослиннi, лаки маслят, полiвiнiловий спирт;
— пластифiкатори: дiамiлфталат, дiбутiлф-талат, дiоктилфталат.
Схильнi до руйнування бiокорозieю за да-ними [6; 7; 9] таю матерiали:
— натуральний, бутадieнстiрольний каучук;
— фенолоформальдепдш, меламшоформа-льдегiднi смоли, штроцелюлоза, полiвiшлаце-тат, похiднi солей жирних кислот, нiтролак, пластифiкатори стеарин, ПДЭС-1, азбест М4-5, саж ДТ-100 i БС-120, наповнювач кераген;
— масла i мастила: технiчний вазелiн, ВСХВ, ПВК, 33-Т, 39-У, ЛП1-364, ЛП1-244;
— мильнi мастила: Ц1АТ1М-201, ЯНЗ-2, 1-13, ЦН1КОЛ-1 BR-44, МР-2-ЕР, Miltis RT-35, ВС-3, АР-6, Baragel grease;
— компоненти змащувальних матерiалiв: озокерит, церезин, окислений петролатум, масло Б-3В, цiанiди, цинковi покриття, канiфоль.
Матерiали з високою вологостiйкiстю i стшкютю до ди бiокорозi! в несприятливих умовах та тд дieю агресивних умов [8].
Полiетилен, фторопласт 4 (тефлон), полпзобу-тилен i полiпропiлен, полютирол, полiвiнiлхло-рид i полiвiнiлiденхлорiд, оргашчне скло, фено-ло- i крезоло-формальдепди, пластмаси, смоли меламiно-формальдегiдiв, смоли анилино-форма-льдегiдiв, смоли мочевино-формальдегiдiв, ебо-шт, епоксиднi смоли, триацетат i ацетобутират целюлози, кремнiйорганiчнi смоли, каучуки, висо-коплавк1 бiтуми, пластифiкатори - похщт адiпi-ново! i фосфорно! кислоти i хлорованi вуглеводнi.
Стiйкiсть до ди мiкроорганiзмiв пластмас обумовлена стшкютю в'яжучого, наповнювачiв, пластифiкаторiв i шших компонентiв. Деякi ав-тори вказують на те, що пластмаси уражаються мiкрогрибами за рахунок !х гетерогенностi [9].
Висновки
Оскшьки бiокорозiя визначае^ься бiологiчни-ми процесами (складнiшими i менш передбаче-ними порiвняно з хiмiчними), вона е складшшою. I боротьба з нею це досить складна проблема, особливо в умовах залягання слабкого грунту.
Для запоб^ання бюкорозп застосовуються тага заходи (конструктивна саттарно-гтетчт, хiмiчнi) [6; 7; 10]:
— часткова або повна герметизацiя конструкцш з метою запобтання попаданню вологи зi сторони грунту;
— зниження HepiBHoeri i пористост поверхш;
— придання поверхш водовщштовхуваль-них властивостей;
— використання бюстшких матерiалiв;
— введення бiоцидiв i фунгiцидiв в нестш-Ki матерiали;
— у разi використання для захисту матер> алiв конструкцiй речовин на основi целюлози необxiдна ix стерилiзацiя або просочення бю-цидами (леткими фунгщидами i iнгiбiторами корозп - це можуть бути штрит циклогексила-мiна або метанiтробензоат гексаметiленамiна), оскшьки нестерильнi папiр, картон та iншi зав-жди сxильнi до зараження спорами грибiв.
Бiоxiмiчно стiйкi захисш покриття дозволя-ють продовжити термш служби елементiв буд> вельних конструкцш з чорних металiв з 2.. .3 до 10...15 рокiв, замiнити алюмшш i нержавiючу сталь на бшьш дешевшу вуглецеву сталь, яка в 6.7 разiв дешевше.
Зпдно з [11] експериментально встановлено полшшення властивостей iзоляцiйниx полiмер-них стрiчок для антифрикцiйного захисту конструкцiй в умовах слабкого грунту, у разi з'еднання ïx за допомогою сво!х липких сторiн, що попередньо влаштоваш, або з'еднання за допомогою клею, що стшкий до бiодеградацiï. Адгезiя в напусканнi при цьому збшьшуеться бiльш нiж у 5 разiв, водопроникнiсть зменшу-еться бiльш шж в 2 рази.
З урахуванням сказаного, при освоенш слабкого грунтового простору мегаполюв в умовах наростаючоï напруженостi i попршення екологiчноï ситуацiï, особлива увага повинна бути придшена проблемi вибору будiвельниx матерiалiв, що стiйкi в умовах високо1' агресив-ностi грунтового середовища i таких, що забез-печують надiйнiсть експлуатацiï пiдземниx споруд i комушкацш. Будiвництво, експлуата-цiя, реконструкщя i реставрацiя пiдземниx споруд в складнш геологiчнiй обстановцi повинно вимагати шдивщуального пiдxоду i проведення комплексних нетривiальниx дослiджень за спе-
цiально розробленими програмами. Тiльки на основi таких дослiджень може бути гарантова-на надiйнiсть проектних ршень i забезпечення довговiчностi всiх тишв мiських, промислових, транспортних споруд, а також пам'ятниюв культури i архтектури.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Справочник проектировщика. Градостроительство. (Охрана окружающей среды). - М.: Строй-издат, 1986. - 520 с.
2. Карамазинов Ф. М. Проблемы водопроводно-канализационного хозяйства Санкт-Петербурга / Ф. М. Карамазинов, С. Г. Гумен // Научные и технические аспекты окружающей среды, ВИНИТИ, - 1995. - № 3. - С. 24-28.
3. Рачев Х. В. Справочник по коррозии / Х. В. Ра-чев, С. И. Стефанова. - М.: Мир, 1982. - 380 с.
4. Дашко Р. Э. Эволюция геоэкологического состояния подземного пространства Санкт-Петербурга / Р. Э. Дашко, Л. П. Норова, Е. С. Руденко // Разведка и охрана недр, 1998. - № 7, 8. - С. 57-59.
5. Ильичев В. Д. Биоповреждения / В. Д. Ильичев, Б. В. Бочаров, А. А. Анисимов. - М.: Химия, 1987. - 200 с.
6. Ильичев В. Д. Экологические основы защиты от биоповреждений. - М.: Химия, 1985. - 316 с.
7. Андреюк Е. И. Микробная коррозия и ее возбудители. - М.: Химия, 1980. - 318 с.
8. Яманов С. А. Новые электроизоляционные материалы и проблемы надёжности. - М.: Строй-издат, 1971. - 68 с.
9. Белоконь Н. Ф. Влияние биокоррозии на некоторые свойства пластических масс // Пластические массы, 1972. - № 7. - С. 3-7.
10. Войтович В. А. Биологическая коррозия / В. А. Войтович, Л. Н. Мокеева. 1980. - № 10. - С. 3-5.
11. Мустафин Ф. М. Исследование адгезии и водопроницаемости у полимерных изоляционных лент и обёрток с двусторонним липким слоем / Ф. М. Мустафин, Р. А. Харисов, И. Р. Фархет-динов // Сооружение и ремонт газонефтепроводов и газонефтехранилищ: Сб. науч. трудов -Уфа: Изд-во УГНТУ, 2002. - С. 161-167.
Надшшла до редколегп 14.10.2005.
