Рис. 1. Накопление износа (а) и факторы (внешние и внутренние), воздействующие на здание (б)
участок II — период нормальной эксплуатации, медленного износа, во время которого накапливаются необратимые деформации, приводящие к структурным изменениям материала, медленному его разрушению; участок III — период ускоренного износа, когда он достигает критического значения и возникает вопрос о целесообразности ремонта или списания и разборки сооружения.
В работе конструкций из бетона различают период упрочения — набора прочности, главным образом вследствие дальнейшей гидратации цемента, и период разрушения, снижения прочности из-за разрушения скелета материала. Для строительных конструкций, в частности бетонных, характерен хрупкий вид разрушения без заметных остаточных деформаций; при этом на величину разрывного усилия оказывает существенное влияние время, в течение которого действует усилие, происходит «подготовка» разрушения, «накапливаются» микротрещины. , При эксплуатации сооружений различают силовое воздействие нагрузок, вызывающее объемное напряженное состояние, и агрессивное воздействие окружающей среды, в результате чего сооружения изнашиваются и выходят из строя.
Агрессивной средой является такая среда, под воздействием которой изменяются структура и свойства материалов, что приводит к непрерывному снижению прочности и разрушению структуры; разрушение при этом называется коррозией.
Развитие промышленности и городов идет по линии использования более высоких скоростей технологических потоков, давлений, температур, образования агрессивных сред, т. е. по линии возникновения условий, когда на сооружения воздействуют более агрессивные среды и механические нагрузки, чем прежде, что, естественно, приводит к более быстрому их разрушению и необходимости более эффективной защиты.
Способность материалов сопротивляться разрушительному воздействию внешней среды называется коррозионной стойкостью, а предельный срок службы сооружений, в течение которого они сохраняют заданные эксплуатационные качества, и есть их долговечность.
Вещества и явления, способствующие разрушению, коррозии, называют стимуляторами или факторами, содействующими коррозии. Вещества и явления, затрудняющие и замедляющие разрушение, коррозию, называют пассиваторами или ингибиторами коррозии.
Агрессивность или пассивность среды не имеют универсального характера, т. е. они могут меняться ролями: в одних условиях определенная среда агрессивна, а в других — она же пассивна. Так, теплый, влажный воздух весьма агрессивен по отношению к стали, но цементный бетон он упрочняет.
Разрушение строительных материалов носит весьма разнообразный характер: химический, электрохимический, физический, физико-химический. Детально это будет рассмотрено ниже применительно к основным строительным материалам: металлу, бетону, дереву. Классификация агрессивности сред и их воздействий приведена в СНиП 11.28—76. Агрессивные среды делятся на газовые, жидкие и твердые. Ниже дается их краткая характеристика.
Газовые среды — это прежде всего такие соединения, как сероуглерод (CS2), углекислый газ (СО2), сернистый газ (SO2) и др. Их агрессивность определяют три главных фактора, или показателя: вид и концентрация газов, растворимость газов в воде, влажность и температура газов.
Жидкие среды — это растворы кислот, щелочей, солей, а также масла, нефть, растворители и др. Агрессивность таких сред определяется тремя показателями: концентрацией агрессивных агентов, их температурой, скоростью движения или величиной напора у поверхности конструкции. Коррозионные процессы более интенсивно протекают в жидкой агрессивной среде.
Твердые среды — это пыль, грунты и т. п. Их агрессивность оценивается четырьмя показателями: дисперсностью, растворимостью в воде, гигроскопичностью и влажностью окружающей среды. Влага в твердых средах играет особенно активную роль.
На рис. 1,6 показаны внешние и внутренние воздействия на здания и сооружения. Все они учитываются в нормах и при разработке проектов, однако страна наша так велика, столь разнообразны климатические, гидрогеологические условия строительства, а также и внутренние воздействия, вызванные происходящими в сооружениях процессами, что не всегда удается найти оптимальные решения, учитывающие все воздействия, относительно долговечности, экономичности и других показателей. Поэтому важной задачей персонала эксплуатационной службы является учет специфических воздействий на сооружения, что способствует обеспечению заданной их долговечности. Рассмотрим основные факторы, воздействующие на сооружения.
Воздействие воздушной среды. В атмосфере содержатся пыль и газы, способствующие разрушению зданий. Загрязненный воздух, особенно в сочетании с влагой, вызывает преждевременный износ, коррозию или загрязнение, растрескивание и разрушение строительных конструкций. Вместе с тем в чистой и сухой атмосфере камни, бетоны и даже металлы могут сохраняться сотни и тысячи лет. Это значит, что воздушная среда, в которой находятся такие материалы, слабо агрессивна или совсем не агрессивна.
Основным загрязнителем воздуха являются продукты сгорания различных топлив; поэтому в городах и промышленных центрах металлы корродируют в два- четыре раза быстрее, чем в сельской местности, где сжигается значительно меньше угля и нефтепродуктов.
Загрязненность воздуха газами и твердыми частицами в зимнее время шлите и зависит от вида топлива. Больше всего загрязняет атмосферу пылевидное топливо, ибо при его сжигании вместе с дымом уносится много золы и пыли, меньше всего — природные газы.
Основными продуктами сгорания большинства видов топлива являются углекислый (СО2) и сернистый (SO2) газы. При растворении углекислого газа в воде образуется углекислота — конечный продукт сгорания многих видов топлива; она разрушающе действует на бетон и иные материалы. При растворении сернистого газа в воде образуется серная кислота, также разрушающая бетон.
Кроме углекислоты и серной кислоты, в дымах накапливаются и другие (свыше ста) вредные соединения: азотная и фосфорная кислоты, смолистые и иные вещества, несгоревшие частицы, которые, попадая на конструкции, загрязняют их и способствуют разрушению.
В приморских районах в атмосфере могут содержаться хлориды, соли серной кислоты и другие вредные для строительных материалов вещества. Влажность воздуха повышает его агрессивное воздействие, в частности на металлы.
Воздействие грунтовой воды. Имеющаяся в природе грунтовая вода может быть: связанной (химически, гигроскопически и осмотически впитанной или пленочной); свободной; парообразной (перемещающейся по порам из мест с большой упругостью водяного пара в места с меньшей его упругостью).
Грунтовая вода взаимодействует физически и химически с минеральными и органическими частицами грунта. Все ее виды находятся во взаимодействии друг с другом и переходят один в другой. Вода в грунтах всегда представляет собой раствор с изменяющимися концентрацией и химическим составом, что отражается и на степени ее агрессивности.
Оценивая агрессивность грунтовых вод, следует учитывать переменный ее характер: с течением времени возле подземных частей сооружений водный режим может изменяться, в связи с чем агрессивность среды будет повышаться или снижаться.
Атмосферные осадки, проникая в грунт, превращаются либо в парообразную, либо в гигроскопическую влагу, удерживающуюся в виде молекул на частицах грунта молекулярными силами, либо в пленочную, поверх молекулярной, либо в гравитационную, свободно перемещающуюся в грунте под действием сил тяжести. Гравитационная влага может доходить до грунтовой воды и, сливаясь с ней, повышать ее уровень.
Грунтовая вода, в свою очередь, вследствие капиллярного поднятия перемещается вверх на значительную высоту и обводняет верхние слои грунта. В некоторых условиях капиллярная и грунтовая воды могут сливаться и устойчиво обводнять подземные части сооружений, в результате чего усиливается коррозия конструкций, снижается прочность оснований.
Изменение минералогического состава грунтовых вод меняет их агрессивность по отношению к подземным частям сооружений. В районах с большим количеством осадков (в северных) уровень грунтовых вод поднимается и снижается их карбонатная жесткость (в результате разбавления осадками); это усиливает способность вод к выщелачиванию извести в бетонных конструкциях. В засушливых районах, наоборот, из-за большого испарения влаги повышается концентрация минеральных солей в воде, что вызывает кристаллизационное разрушение бетонных конструкций.
Испарение из грунтов влаги и их увлажнение приводят к движению в грунтах воздуха (кислорода), что также повышает их коррозионную активность.
Существует много разновидностей агрессивности грунтовых вод. Из них чаще всего выделяют общекислотную, выщелачивающую, сульфатную, магнезиальную и углекислотную в зависимости от наличия в воде соответствующих примесей и их концентрации, указанных в СНиП 11.28—76. Воздействие отрицательной температуры. Некоторые конструкции, например цокольные части, находятся в зоне переменного увлажнения и периодического замораживания. Отрицательная температура (если она ниже расчетной или не приняты специальные меры для защиты конструкций от увлажнения), приводящая к замерзанию влаги в конструкциях и грунтах оснований, разрушающе действует на здания.
При замерзании воды в порах материала объем ее увеличивается, что создает внутренние напряжения, которые все возрастают вследствие сжатия массы самого материала под влиянием охлаждения. Давление льда в замкнутых порах весьма велико — до 20 Па. Разрушение конструкций в результате замораживания происходит только при полном (критическом) влагосодержании, насыщении материала.
Вода начинает замерзать у поверхности конструкций, а поэтому разрушение их под воздействием отрицательной температуры начинается с поверхности, особенно с углов и ребер. Максимальный объем льда получается при температуре —22°С, когда вся вода превращается в лед. Интенсивность замерзания влаги зависит от объема пор. Так, если вода в больших порах начинает переходить в лед при 0°С, то в капиллярах она замерзает только при —17°С.
Самым устойчивым к замораживанию является материал с однородными и равномерными порами, наименее устойчивым— с крупными порами, соединенными тонкими капиллярами, так как перераспределение в них влаги затруднено.
Напряжение в конструкциях зависит не только от температуры охлаждения, но и от скорости замерзания и числа переходов через 0 °С; оно тем сильнее, чем быстрее происходит замораживание.
Камни и бетоны с пористостью до 15 % выдерживают 100—300 циклов замораживания. Уменьшение пористости, а следовательно, и количества влаги повышает морозостойкость конструкций.
Из сказанного следует, что при замерзании разрушаются те конструкции, которые увлажняются. Защитить конструкции от разрушения при отрицательных температурах — это прежде всего защитить их от увлажнения.
Промерзание грунтов в основаниях опасно для зданий, построенных на глинистых и пылеватых грунтах, мелко- и средне-зернистых песках, в которых вода по капиллярам и порам поднимается над уровнем грунтовых вод и находится в связанном виде. Связанная вода замерзает не сразу и по мере замерзания перемещается из зон толстых оболочек в зоны с оболочками меньшей толщины; это объясняется подсасыванием воды из нижних слоев в зону замерзающего грунта.
Промерзание и выпучивание грунтов опасны только для наземных сооружений, поскольку уже на глубине примерно 1,5 м от поверхности нет разницы в колебаниях дневной и ночной температур, а на глубине 10—30 м не ощущается изменение зимних и летних температур.
Страницы: 1, 2, 3, 4
