Лекция 4: Виды коррозионных процессов и агрессивных сред Коррозия полимерных конструкций

В процессе эксплуатации элементов зданий их материал кроме силовых воздействий, вызываемых постоянными и временными нагрузками, подвергается агрессивному воздействию факторов окружающей среды, в результате чего происходит физический износ строительных конструкций и инженерных систем.

Износ материалов строительных конструкций и ин­женерных систем под воздействием окружающей среды называют коррозией, если он сопровождается химическими, физико-химическими и электрохимическими процессами, или эрозией, если износ материала сопровождается механическими воздействиями потоков воз­душной среды, жидкости, твердых пылевидных частиц, а также при кавитационных явлениях.

Химическая коррозия материала элементов зданий сопровождается необратимыми изменениями материа­ла конструкций и инженерных систем в результате взаимодействия с агрессивной средой.

Электрохимической коррозии подвержены металлические конструкции и элементы инженерных систем, эксплуатируемые в условиях их контакта с атмосферной средой, водой, влажными грунтами, агрессивными газами. В этих условиях коррозионное разрушение металла при взаимодействии с агрессивной средой – электролитом – сопровождается необратимыми изме­нениями структуры в результате возникновения электролитических процессов на границе металл – агрессивная среда.

Часто в условиях эксплуатации в результате взаимодействия материала конструкции с агрессивной средой происходит его физическое разрушение. Если оно сопровождается изменением состава материала конструкции (выщелачивание некоторых компонентов, новые кристаллические образования), коррозия называется физико-химической. Если коррозия не сопряжена с химическими превращениями материала конст­рукций, то такой вид коррозии называют физической.

Агрессивные среды по характеру взаимодействия со строительными конструкциями подразделяются на две группы: физически и химически активные. Особую роль в ускорении износа материала конструкции играют поверхностно-активные вещества, которые могут относиться к обеим группам агрессивных сред.

Химически активные агрессивные среды, в отличие от физически активных, вызывают необратимые изменения химической структуры материалов.

К отдельному виду агрессивной среды относится биологическая. Наиболее агрессивными по отношению к некоторым материалам строительных конструкций являются многие микроорганизмы (бактерии, микробы и др.). Известно, например, что древесина и многие полимеры интенсивно разрушаются различными грибами. На бетон и металл сильное разрушающее действие оказывают сульфоредуцирующие, динитрифицирующие и некоторые другие бактерии.

Коррозия полимерных конструкций.

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. В результате изменяется структура полимеров, что называется старением.

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 действием других факторов.

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.

Биологическая деструкция, как правило, вызыва­ется плесневыми грибами. Пигменты, выделяющиеся в процессе жизнедеятельности микроорганизмов, ок­рашивают материал в различные цвета. Плесень способствует конденсации на поверхности конструк­ции влаги, минерализованной растворенными в ней газами и частицами пыли, которые содержатся в воздухе.

Некоторые виды бактерий и плесневых грибов используют для своей жизнедеятельности пластификаторы или наполнители, применяемые при изготовлении полимеров, что ускоряет старение материала. Поливинилхлоридные полы, например, при постоянном увлажнении могут поражаться плесневыми грибами, после воздействия которых материал полов становится хрупким значительно быстрее, чем в условиях нормальной эксплуатации. Большинство природных высокомолекулярных соединений или их производных является продуктами питания для микроорганизмов.

Химическая деструкция. По отношению к химическим агрессивным средам полимеры подразделяются на гетероцепные (в основной цепи молекулы содержится 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, увеличивающие стойкость к агрессивным средам; в качестве заместителей часто применяют фтор (политетрафторэтилеп), 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 агрессивным средам: такими элементами являются двойные связи между элементами молекул, которые легко взаимодействуют с кислородом, галоидами, кислотами (полиизопреновый, полибутадиеновый, бутадиен-стирольный, бутадиеннитрильный каучуки и др.).

В обычных условиях полимерные конструктивные элементы подвергаются одновременно воздействию нескольких агрессивных и энергетических факторов. Для придания полимерным материалам большей стабильности к воздействию агрессивных сред и вызываемых ими различных видов деструктивных разрушений в материал полимеров вводят небольшие добавки противостарителя или стабилизатора. В качестве противостарителей применяют вещества, вступающие в реакцию с диффундирующим внутрь материала кислородом с более высокой скоростью, чем интенсивность его взаимодействия с макромолекулами полимера.

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.

Для защиты битумных конструкций от преждевременного 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 разрушения кровли 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.

Коррозия деревянных конструкций. В процессе эксплуатации преждевременный износ деревянных конструкций может быть вызван разрушительным действием насекомых и древесных грибов. Как правило, 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.

В условиях повышенной влажности и в непроветриваемых помещениях деревянные конструкции могут поражаться грибами. Питательной средой для грибов служит целлюлоза древесины. Грибы выделяют особый фермент – цитазу, который переводит нерастворимую в воде целлюлозу (С₆Н₁₀О₅) в растворимое вещество – глюкозу (С₆Н₁₂О₆)n по реакции

(С₆Н₁₀О₅)п + mН₂О → (С₆Н₁₂О₆)n

В теле гриба глюкоза окисляется кислородом воздуха с образованием диоксида углерода и воды

С₆Н₁₂О₆ + 6O₂ → 6СO₂ + 6Н₂О.

Наиболее опасны для деревянных конструкций домовые грибы. Процесс полного разрушения древесины этими видами грибов может произойти в течение 1...1,5 лет, если конструкция эксплуатируется в благоприятных для развития грибов условиях. Такими условиями являются: влажность – не ниже 25%, температура воздуха 18...20°С, отсутствие или слабое проветривание места установки деревянной конструкции, отсутствие освещения.

По внешним признакам различают два основных типа гнилей, вызванных жизнедеятельностью грибов:

коррозионную (ситовидную) и деструктивную (трухлявую).

В начальной стадии коррозионные гнили имеют бледно-желтую окраску или вид бледно-коричневых полосок и пятен заболони. Во второй стадии пятна увеличиваются и на них появляются штрихи, направленные вдоль волокон. В конечной стадии в местах белых выцветов появляются углубления, древесина постепенно становится мягкой, легко расщепляется на отдельные волокна, но не крошится, а сохраняет некоторую вязкость. Древесина теряет массу, но ее объем не уменьшается. Грибы, вызывающие коррозионную гниль, в отличие от деструктивной, разрушают главным образом лигнин клеточных стенок, почти не затрагивая целлюлозных волокон.

При деструктивной гнили, в процессе которой разрушается целлюлоза, древесина в начальной стадии приобретает желтоватый или коричневатый оттенок. В конечной стадии гниения древесина становится темно-коричневой, заметно теряет массу и объем, покрывается взаимно перпендикулярными трещинами вдоль и поперек волокон, образуя как бы призмы или кубики. Поэтому деструктивную гниль часто называют призменной.

Разрушение деревянных конструкций может протекать по типу смешанной гнили под влиянием грибов, разрушающих целлюлозу и лигнин клеточных стенок древесины примерно с одинаковой скоростью.

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.

Поражение древесины грибами плесени практически не изменяет ее технических свойств, но представляет собой первичный процесс, создающий благоприятную среду, для развития опасных грибов, быстро и сильно разрушающие древесину.

Строительные конструкции из древесины хвойных пород, содержащих смолу, обладают большей химической стойкостью, чем из древесины лиственных пород. Хвойные породы древесины достаточно стойки по отношению к действию разбавленных растворов уксусной, фосфорной, молочной, масляной и плавиковой кислот.

Основным методом противогнилостной защиты яв­ляется создание температурно-влажностных режимов, неблагоприятных для развития грибов:

- для деревянных элементов надземной части здания необходимо обеспечивать абсолютную влажность древесины менее 20% на весь период эксплуатации;

- для деревянных конструкций подземной части зданий при невозможности создания влажности древесины менее 20% допускается повышение ее влажности более 70% на весь период эксплуатации;

- для конструкций, которые эксплуатируются в условиях, отличных от указанных выше, необходимо предусматривать меры консервации путем нанесения гидроизоляционных покрытий, пропиток синтетическими смолами, покрытие лакокрасочными составами.

Одним из наиболее распространенных способов повышения химической стойкости древесины является пропитка ее формальдегидными смолами. Такая древесина устойчива при повышенных температурах окружающей среды к действию растворов минеральных и органических кислот, сернистого ангидрида, хлора, фтористого водорода и других газов, а также практически не разрушается при действии основных солей натрия, калия, магния, кальция и др.

Кроме конструктивных мер для защиты деревянных конструкций применяют антисептики. Антисептирование является вспомогательным методом защиты конструкций. Антисептик вводят в сырую древесину, чтобы защитить ее на срок, пока материал деревянной конструкции будет иметь высокую влажность.

К антисептикам предъявляют следующие требования:

- возможно большая токсичность (ядовитость) по отношению к дереворазрушающим грибам;

- сохранение токсичных свойств на весь срок эксплуатации;

- отсутствие вредного воздействия па прочность древесины и на металлические детали;

- способность проникать в древесину;

- безвредность для людей и животных и отсутствие неприятного запаха.

Антисептики подразделяются на:

- водорастворимые (неорганические), применяемые в виде растворов различной концентрации;

Фтористый натрий NаF – соль фтористо-водородной кислоты, белого цвета, слаборастворимая в воде. В чистом виде раствор фтористого натрия – сильный антисептик, но выщелачивается водой, без запаха и цвета, легко проникает в поры древесины. Этот антисептик применяют в основном для защиты деревянных элементов внутри зданий. Кремнефтористый натрий Nа₂SiF₆ – порошок, по токсичности сходен с фтористым натрием. Растворяется в воде плохо. Применяется в смеси с фтористым натрием в виде основного компонента в силикатных пастах.

- нерастворимые в воде (органические), применяемые в смеси с другими органическими растворителями.

К ним относятся растворы пентахлорфенола и нафтената меди в летучих органических растворителях;

Масляные антисептики применяют для защиты деревянных элементов, эксплуатируемых на открытом воздухе.

Антрацитовое масло – продукт переработки каменноугольной смолы, имеет большую вязкость и неприятный запах. Этот антисептик хорошо поражает дереворазрушающие грибы и жуков-точильщиков.

Торфяной креозот служит добавкой к другим антисептикам.

Антисептические пасты (называются по типу связующего) бывают битумные, экстрактовые, силикатные и глиняные. Битумная паста имеет состав: фтористый натрий (31…50%), легкоплавкий битум (31…18 % ), зеленое нефтяное масло (31…28 % ) и торфяной порошок (4…7%). Битумные пасты водостойки, при высыхании имеют резкий неприятный запах.

Для борьбы с дереворазрушающими насекомыми используют в основном известные ядовитые вещества:

ДДТ, гексахлоран, хлорофос и др. Полностью защищает от размножения древоточцев в древесине хлорированное креозотное масло (карболинеум), но оно имеет резкий удушливый запах и поэтому внутри помещений не применяется.