1

3
5
4
6
9
10
2
дударь
Экологические факторы, влияющие на содержание зданий в городе

Автор: Николай ВОЛОДИН,
руководитель направления развития профессионального клининга АРУК.
Журнал Cleaning №2, 2014 год

В больших городах на здания, сооружения, транспорт воздействует большое количество различных факторов, которые приводят к износу конструкций, деструкции и разрушению материалов. В этой статье мы поговорим о причинах, приводящих к коррозионным разрушениям материалов и преждевременному износу зданий и сооружений.

К факторам, оказывающим негативные воздействия на конструкционные и отделочные материалы, относятся:

  • сформировавшийся в городе производственный потенциал;
  • функционирование транспортных артерий;
  • характер покрытий дорожного полотна;
  • прокладка и реконструкция подземных инженерных коммуникаций;
  • наличие зеленых насаждений и открытой почвы.

Загрязнения, выделяемые промышленными предприятиями, оказывают влияние на ускорение коррозионных процессов, происходящих в материалах. Расположение зданий вблизи от проезжей части способствует усилению нагрузки на их цоколи и фундаменты.

Используемые для покрытий дорог, проездов, тротуаров, отмосток, организации дворовых пространств современные материалы: асфальтобетоны, смеси гравийных и цементных составов – весьма недолговечны. Износ и разрушение дорожного полотна особенно усиливаются в осенне-весенний период. Ремонт и восстановление покрытий осуществляются редко и, как правило, с нарушением технологического процесса. Все это способствует разрушению помещений, расположенных ниже уровня земли.

Современная экосистема города также оказывает влияние на архитектуру. Например, в Москве с развитием строительства, с повышением плотности застройки сокращаются площади, занимаемые зелеными насаждениями, что особенно характерно для центральных районов города. Сокращение озеленения ведет к росту биохимических повреждений.

Экологическая ситуация в Москве

В ряде районов столицы сложилась неблагоприятная экологическая ситуация (рис. 1), а уровень загрязнения центра города в 5-10 раз превышает природный фон (рис. 2).

Увеличению количества загрязнений способствует и вибрация почвы, обусловленная расположением линий метрополитена, железнодорожных и трамвайных путей, наличием в черте города большегрузного транспорта.

Загрязнение атмосферы сопряжено, помимо прочего, и с изменением погодных условий. По данным изучения метеоусловий в Московском регионе, за последние годы количество оттепелей увеличилось на 15%, а их продолжительность, вызывающая разрушение зданий, дорожных покрытий, тротуаров и т.п., возросла на 18%.

В разных районах Москвы складывается свой микроклимат, который зависит от условий застройки, озеленения, транспорта, и рельефа местности. При этом в центре в течение всего года температура воздуха на 1-2 °С выше, чем на окраинах. Этот эффект обусловлен не столько «утепляющим дыханием» города (тепловые излучения ТЭЦ, РТС, асфальтобетонных покрытий, стен зданий, выхлопных газов и двигателей автомобилей), сколько смогом (тепловой завесой), который, в свою очередь, загрязняет строения и разрушающе действует на облицовку зданий и сооружений. В Москве смог на 88% состоит из продуктов неполного сгорания автомобильного топлива (рис. 3).

Удельный вклад в загрязнение атмосферы Москвы каждый административный округ вносит по-своему (табл. 1).


Таблица 1. Доля округов г. Москвы в загрязнении атмосферы столицы.

 

Рост численности населения, постоянно возрастающая техногенная нагрузка от транспорта усиливают загрязнения всех компонентов городской и природной среды. В настоящее время более 500 000 продуктов техногенезиса – химических веществ и соединений – поступают в биосферу.

Не только транспорт загрязняет городскую среду. Рассмотрим отдельно только те выбросы, которые генерируют стационарные промышленные источники.

В общем объеме индустриальных загрязнений преобладают следующие соединения:

  • диоксид азота - 59%;
  • сернистый ангидрид - 24%;
  • оксид углерода - 8%;
  • пыль - 3%;
  • бензин - 1%.

Необходимо отметить устойчивую тенденцию возрастания доли оксидов азота, несмотря на постепенное сокращение в Москве количества промышленных предприятий. Чем же страшны оксиды азота? Дело в том, что, соединяясь с влагой воздуха, они вместе с сернистым ангидридом образуют кислоты. В итоге мы получаем кислотные дожди. По данным МГУ, кислотность осадков отмечается на уровне рН = 3,6. При этом наблюдается тенденция роста частоты кислотных дождей с рН < 4,0, и если в 1981 году она составляла 25–30% от общего числа дождей, то в 2003-м она уже достигала 70–75%.

Следствием увеличения количества кислотных дождей является не только усиление агрессивности среды, но и возрастание коррозионной активности грунтов. Происходит закисление почв, потеря ими буферных свойств и, как следствие, повышение реакционной активности, прежде всего к материалам, содержащим карбонатные соединения и цемент.

На состояние почвенного покрова города воздействуют разнообразные источники загрязнений. Наиболее значительными являются автомобильный транспорт и стационарные источники, которые в совокупности выбрасывают 1,2 кг/м2 загрязнений в год.

Следующими по объему и значимости в последние годы стали промышленные и бытовые отходы. Примерно 12 млн т в год различных отходов генерирует мегаполис, из них 6,5 млн т составляют промышленные, среди которых 1,7 млн т – токсичные.

Еще один фактор, повышающий агрессивность почвенной экосистемы города, – это загрязнение солями. В соответствии с результатами мониторинга, проводимого экологическими службами, концентрация ионов хлора, серы и кальция резко снижается с увеличением расстояния от транспортных магистралей, а содержание ионов магния, натрия, калия и аммония в тех же условиях остается неизменным. На содержание солей влияет интенсивность движения транспорта. Так, в зимний период изменение концентрации солей серной, соляной и угольной кислот, а также ионов кальция в снежном покрове распространяется на расстояние до 20-30 м от дорожного полотна.

Сильные и максимальные загрязнения почвенного покрова города по суммарному показателю загрязнения занимают 25% территории в виде отдельных участков с размерами от 1 до 102 км2.

Ослабление солнечной радиации, особенно в области ультрафиолетового излучения, способствует развитию биологической коррозии в строительных материалах. Интенсивное строительство, увеличение этажности зданий в целом привело к тому, что скорость ветра в черте города снизилась на 1 м/с. Из-за уменьшения «проветривания», особенно в центральной части города, увеличилась примерно на 20% мутность воздуха. Этот фактор совместно с тенденцией роста облачности снижает поток солнечной радиации.

За время деятельности человека на территории Москвы происходило постепенное образование значительного культурного слоя, который стал дополнительным накопителем влаги. С развитием города менялся рельеф местности, засыпались ручьи и протоки, ухудшались условия поверхностного стока. В сочетании со все возрастающей техногенной нагрузкой это привело к развитию подтопления и связанными с ним процессами заболачивания отдельных территорий и капиллярного увлажнения грунтов, а также оснований и конструкций зданий.

В среднем в Москве инфильтрационное питание подземных вод составляет примерно 230 мм в год. Из них только 30% связаны с атмосферными осадками, а 70% влаги поступает в грунт в результате деятельности городского хозяйства. В итоге 2/5 городской территории находится в подтопленном состоянии, а это – снижение прочности фундаментов зданий и даже вероятность их разрушения.

Да и сами грунтовые воды территории города не блещут чистотой, они загрязнены отходами промышленности, ТЭЦ, транспорта. В их составе находятся хлориды, сульфаты, азотистые и органические соединения, тяжелые металлы. Значительно увеличилось питание грунтовых вод за счет утечек из водонесущих коммуникаций (водопровода, канализации, систем теплоснабжения), фильтрации из прудов, фонтанов, строительных котлованов, из-за полива зеленых насаждений, таяния снега над подземными сооружениями и теплонесущими коммуникациями, применения противогололедных материалов, мойки дорожных покрытий.

Группы строительных материалов

Все строительные материалы по своему функциональному назначению делятся на три группы:

  • конструкционные;
  • конструкционно-отделочные;
  • отделочные.

Каждая группа строительных материалов взаимодействует со средой по-своему. Наибольшему воздействию среды подвержены природные материалы на основе кальцита, к которым относятся мрамора, известняки и т.п. Эти материалы могут быть использованы во всех трех назначениях.

Прежде всего мы замечаем внешние изменения: на поверхности камня появляются видимые невооруженным глазом шелушения, отслаивания, трещины и прочие дефекты. Одновременно с изменениями макроструктуры происходят и изменения на уровне микроструктуры, которые не видны. И если изменения макроструктуры влияют как на эксплуатационно-технические, так и на эстетические свойства материалов, то изменения, происходящие в микроструктуре, оказывают негативное влияние на эксплуатационно-технические свойства. Микродеструкция при достижении определенной критической массы становится заметной и опасной не только для материала, но и для всей конструкции в целом.

Причины преждевременного износа зданий

Существуют внешние и внутренние причины, приводящие к коррозионным разрушениям материалов и преждевременному износу зданий и сооружений. Внешние причины связаны с эксплуатацией и могут быть как объективными, так и субъективными.

Объективные причины – это естественные долговременные физические, химические, физико-химические, макро- и микробиологические воздействия, вызывающие старение и разрушение конструкций, а также случайные, как правило, стихийные природные явления.

Субъективные причины – причины связанные с деятельностью человека: характер эксплуатации; изменения, происходящие в период жизненного цикла объекта; изменения в окружении и в подземном пространстве вблизи объекта.

К таким причинам относятся:

  • месторасположение объекта;
  • характер сооружения: вид, тип материалов (природный или искусственный камень, древесные материалы, керамика, вяжущие вещества т. д.), их макро- и микроструктура; конструкционные, архитектурные и дизайнерские решения, ошибки, допущенные при строительстве или последующих ремонтах, реставрации и т.д. (выбор и применение материалов, технологических процессов строительства).

Степень воздействия на процессы износа и старения материалов весьма значительно зависит от агрессивности внешней среды, а сопротивление конкретных материалов на это воздействие зависит от их состояния на конкретный момент времени. На скорость деструкции влияют состав и строение материалов, время воздействия и концентрация загрязнителя. Самое большое влияние на негативные процессы в материалах оказывает водная среда. Являясь транспортом различных веществ, вода осуществляет их движение в структуре материалов в виде водных растворов и взвесей. Наиболее сильным агрессивным действием в отношении материалов обладают кислоты и соли. Растворы поверхностно активных веществ (ПАВ) и микроэлементов способствуют интенсификации коррозионных процессов. Водные растворы кислот и солей вступают в химические реакции с вяжущими, преобразуют их в растворимые метастабильные соединения. А это, в свою очередь, приводит не только к выветриванию поверхности материала, но и к разрыву структурных связей и, как следствие, к уменьшению прочности. Воздействие атмосферной и водной среды на строительные материалы происходит с разных сторон. Влияние грунтов на микроструктуру материала осуществляется через грунтовые воды за счет растворенных в них химически активных в коррозионном отношении веществ и соединений, а также за счет находящихся в грунтах микроорганизмов (бактерий и грибов).

Атмосферное влияние осуществляется за счет атмосферной влаги, внутренней конденсации, водяных паров, брызг, а также пыли, окислов, ангидридов, солей.

Можно выделить характерные для данных сред виды воздействия на здания и определить зоны риска, в которых эти воздействия представляют наибольшую опасность:

1-я зона располагается ниже уровня земли, в ней преобладает воздействие напорной фильтрации агрессивных минерализованных грунтовых вод;
2-я зона – зона контакта стен с грунтом, она характеризуется периодическим смачиванием поверхности атмосферными осадками и постоянным впитыванием грунтовых и поверхностных вод;
3-я зона – зона переменного увлажнения и высушивания при одностороннем воздействии жидких сред;
4-я зона характеризуется воздействием атмосферной влаги и основных загрязнителей из окружающей среды (пыли, дымов, копоти, окислов, ангидридов кислот и т.п.).

Процессы, изменяющие структуру и свойства материалов

При взаимодействии среды с материалами происходят следующие физико-химические процессы:

  • сорбция (адсорбция, абсорбция, хемосорбция) и десорбция;
  • диффузия;
  • капиллярный эффект;
  • капиллярная конденсация;
  • кальматация, или отложение в порах твердых веществ;
  • растворение;
  • перекристаллизация;
  • электропроводность;
  • теплопроводность;
  • коррозия;
  • деформация.

Газообразные вещества, пары, твердые частички адсорбируются на поверхности, где накапливаются, концентрируются и за счет капиллярного эффекта и диффузии проникают внутрь материалов. Жидкости, в основном это влага, накапливаются, заполняя капилляры и поры в результате непосредственного соприкосновения с материалами или при конденсации на холодных поверхностях и в толще материалов.

Эти явления приводят к изменениям свойств материалов. У них меняются гигроскопичность, гидрофильность и другие характеристики, обуславливающие процессы взаимодействий поверхностных слоев материалов со средой. Комплекс физико-химических процессов, протекающих в материале, приводит к изменению их структуры и свойств. Скорость гетерогенных процессов зависит от природы материала.

Причины и следствия повреждения каменных материалов приведены в табл. 2.


Таблица 2. Процессы, изменяющие свойства каменных материалов.

 

Процессы, происходящие внутри конструкций, приводят к образованию высолов на стенах. Преобразования и реакции, приводящие к появлению высолов, являются скрытыми и обнаруживаются только после поражения материала.

Высолы – это выход минеральных солей, чаще всего в виде нерастворимых кристаллогидратов, происходящий в результате выпаривания водных растворов. Они могут образовываться как на поверхности, так и внутри материалов и состоять из одного или нескольких минералов.

Наиболее часто встречающиеся в высолах минералы образуют несколько минеральных групп, в каждую из которых входит разное количество минералов:

  • карбонаты: кальцит (CaCO3);
  • водные карбонаты: термонатрит (Na2CO3•H2O – моногидрат карбоната натрия), трона (Na2CO3•NaHCO3•2H2O), натрия карбонат семиводный (Na2CO3•7H2O);
  • сульфаты: тенардит (Na2SO4), афтиталит (NaK3(SO4)2), ангидрит (CaSO4 – безводный сульфат кальция);
  • водные сульфаты: бассанит ((CaSO4)•0,5Н2О – полугидрат), мирабелит (Na2SO4•10Н2О), сингенит – K2Ca(SO4)2•2Н2О, гексанит (MgSO4•6Н2О), эпсомит (MgSO4•7Н2О), гипс (CaSO4•2Н2О);
  • водные сульфаты с дополнительными нитратанионами: дарапскит (Na3(NO3) (SO4)•H2O), хумберстонит (K3Na7Mg2(SO4)6(NO3)2•6Н2О);
  • водные ортосиликаты с дополнительными анионами: таумасит (Ca3Si(OH)6(SO4)(CO3)•12H2O);
  • нитраты: натриевая селитра (NaNO3); калиевая селитра (KNO3);
  • хлориды: в основном галит (NaCl), реже сильвит (КСl).

Источники поступления солей в конструкции зданий очень разнообразны. Здесь и капиллярный подсос грунтовых вод с повышенной минерализацией, и присутствие солей в строительных материалах; они также могут проникать в стены и фундамент с атмосферными осадками. Источниками засоления могут стать кладочные и вяжущие материалы, клеевые составы, цементные растворы, известь, антисептические материалы.

Факторы, оказывающие негативное влияние на материалы зданий и сооружений, в зависимости от силы их воздействия можно представить в виде следующего ряда, расположенного по мере убывания воздействия:
увлажнение – загрязнение – биохимическая коррозия – солевая (сульфатная, хлоридная) коррозия – углекислотная коррозия.

Технологические приемы сохранения зданий

В строительстве, эксплуатации и реставрации зданий и сооружений применяются различные технологические приемы для их сохранения.

Для снижения сульфатного выветривания природного камня применяют следующие методы:

  • систематическое промывание для удаления растворимых сульфатов;
  • гидроизоляция фундаментов;
  • химическая обработка с целью перевода растворимых сульфатов натрия и магния в нерастворимые формы;
  • укрепление поверхности материала и аккумулирование солей за счет нанесения поверхностных покрытий.

Искусственная промывка водой подразделяется на несколько видов. Основным из них является поверхностное промывание. Особенно это характерно для фасадов из светлых пористых материалов, которые обладают способностью быстро и сильно загрязняться. Частая чистка фасадов из таких материалов приводит к их постепенному разрушению. Для создания укрепляющих покрытий используются и обработка различными химическими растворами, и нанесение известковых растворов, и оштукатуривание поверхностей или их окраска.

При защите камня от атмосферного воздействия широко применяется метод гидрофобизации – пропитки материала специальными кремнийорганическими составами.

Гидрофобизация материалов позволяет повысить стойкость материалов к внешним воздействиям и при этом сохранить в процессе эксплуатации их декоративные свойства. Гидрофобный эффект зависит от природы кремнийорганических соединений, их концентрации в растворе и глубины проникновения в материал. Использование кремнийорганических соединений для гидрофобизации обеспечивает не только защиту материалов от увлажнения и агрессивной окружающей среды, но и создает при обработке природного камня структурную однородность поверхностного слоя, максимально близкую к естественной по составу и структуре.

7
8
2020 г. Все права защищены
Проект разработан в ASTYPROduction