Обладают ли теплоизоляционные материалы устойчивостью к биологическому повреждению?

Авторы:
Власов Д.Ю., д.б.н, профессор,
Старцев С.А.

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 биодеструкции, 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 биодеструкции 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.

Последнее десятилетие большое внимание уделяется энергоэффективности зданий, которая, в значительной степени, связана с теплосопротивлением ограждающих конструкций. В качестве утеплителя ограждающих конструкций зданий и сооружений наибольшее распространение получили различные виды минеральной ваты и экструдированный пенополистирол. У каждого вида этих материалов есть свои достоинства и недостатки. Поскольку при строительстве и эксплуатации зданий и сооружений невозможно полностью исключить намокание утеплителя, целесообразно провести испытание этих материалов на биостойкость.

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 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 окружающей среды, с развернутым рассмотрением методик определения степени биостойкости строительных материалов является РВСН 20-01-2006 (ТСН 20-303-2006), принятый правительством 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 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: к известными и описанными в нормативных документах, а также принципиально новыми, отвечающими современным взглядам на испытания материалов на биостойкость.

Целью работы являлось проведение всесторонних испытаний на биостойкость образцов плит полистирольных вспененных экструзионных (ГОСТ 32310–2012 «Изделия из экструзионного пеополистирола промышленного производства, применяемые в строительстве. Общие технические условия») и образцов минеральной ваты (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, Изделия технические. 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 (Защита строительных конструкций от коррозии). При этом предпочтение отдавалось тем микроорганизмам, которые регулярно отмечаются на теплоизоляционных и сопутствующих строительных материалах в различных условиях эксплуатации, 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 высокой влажности (в грунтах, на границе фундаментов и грунта, фасадах с различным содержанием органического и минерального вещества, 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.

В каждом случае условия эксперимента контролировались, а продолжительность составляла от 28 до 84 дней.
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 макро- и микросъемку происходящих изменений.

Интенсивность развития грибов на тестируемом материале оценивалась по рекомендованной ГОСТом 9.048–89 бальной шкале. В ходе работы на всех этапах производилась фотофиксация результатов.

Полученные результаты были соотнесены с возможными условиями эксплуатации плит полистирольных вспененных экструзионных и минеральной ваты, и сделано заключение о стойкости материалов к биопоражению в агрессивной среде.

В результате проведенных исследований образцы плит полистирольных вспененных экструзионных во 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 (рис. 1). При этом картина практически не менялась на протяжении всего срока испытаний (споры микромицетов и клетки бактерий оставались неактивными). Очевидно, что и в естественных условиях эксплуатации плит полистирольных вспененных экструзионных попадание на его 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 экструзионных плит 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).

Рис. 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 (рис. 2).

Рис. 2. Образец плит полистирольных вспененных экструзионных, 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 полистирольных вспененных экструзионных. 

Полученные данные указывают на то, что в самой минеральной вате находиться 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 могут содержать питательные компоненты, способствующие развитию микроорганизмов при увлажнении.

Кроме того, в естественных условиях эксплуатации 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 (Рис. 3).

Рис. 3. Биоповреждение сэндвич-панели с базальтовым волокном, через полтора года с момента установки

В целом, полученные результаты испытаний свидетельствуют о том, что при внесении суспензии спор микроорганизмов (каплей) в данный материал может происходить постепенное накопление биодеструкторов между волокнами. При этом минеральная вата способна поддерживать лишь незначительное развитие плесневых грибов. Однако при добавлении питательных веществ в область инокуляции наблюдается активный рост грибов в зоне дополнительного питания. В этом отношении преимуществом обладают образцы плит полистирольных вспененных экструзионных, с поверхности которого (на границе раздела сред) могут быть легко удалены биогенные загрязнения, в том числе и микробные биопленки. При этом развитие микромицетов и микробных биопленок на плитах полистирольных вспененных экструзионных практически не наблюдается.

Общее заключение

1. Результаты испытаний плит полистирольных вспененных экструзионных 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 биостойкостью в условиях воздушной и водной среды.
2. Эксплуатация данного материала в транзитных зонах грунта, в основании зданий и сооружений, где формируется агрессивная водонасыщенная среда, не вызывает опасений, так как плиты полистирольные вспененные экструзионные проявили практически полную устойчивость к широкому кругу биодеструкторов в условиях, моделирующих разные среды экспонирования материала.
3. Плиты полистирольные вспененные экструзионные обладают необходимой биостойкостью в условиях агрессивной среды и может быть в полной мере использован в соответствии с рекомендациями по применению.
4. 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.