Физический износ здания

  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 илифакторами, 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.

  Вода в  грунте основания независимо от того, является ли она поверхностной, грунтовой  или капиллярной, всегда создает  опасность промерзания грунта из-за повышения его теплопроводности при увлажнении.

  Повреждения зданий из-за промерзания и выпучивания  оснований могут произойти после многих лет эксплуатации, если будут допущены срезка грунта вокруг них, увлажнение оснований и действие факторов, способствующих их промерзанию.

  Воздействие технологических  процессов. Каждое здание и сооружение проектируется и строится с учетом воздействия предусматриваемых в нем процессов; однако из-за неодинаковой стойкости и долговечности материалов конструкций и различного влияния на них среды износ их неравномерен. В первую очередь разрушаются защитные покрытия стен и полы, окна, двери, кровля, затем стены, каркас и фундаменты. Сжатые элементы и элементы больших сечений, работающие при статических нагрузках, изнашиваются медленнее, чем изгибаемые и растянутые тонкостенные, которые работают при динамической нагрузке, в условиях высокой влажности и высокой температуры.

  Кислотостойкими являются породы с большим содержанием  кремния (кварц, гранит, диабаз), нестойки к кислотам породы, содержащие известь (доломит, известняк, мрамор); последние  являются щелочестойкими.

  Обожженный  кирпич стоек даже в среднекислой и средне-щелочной средах. Для него опасны плавиковая кислота и раствор едкого натра, он разрушается также при солевой коррозии.

  Сухой бетон  морозостоек, однако пересыхание его  при температуре выше 60—80 °С приводит к обезвоживанию, прекращению гидратации, усадке, температурным деформациям. Предварительно-напряженный железобетон теряет свои прочностные качества уже при температуре выше 80 °С в результате снижения напряжения в арматуре.

  Минеральные масла химически неактивны по отношению к бетонам, но в то же время отрицательно на них воздействуют, так как их поверхностное натяжение в два-три раза меньше, чем у воды, а поэтому они обладают большей смачивающей способностью и большей силой капиллярного поднятия: масло, попавшее на бетон, глубоко проникает в него, расклинивая частицы, изолируя зерна цемента от влаги и прекращая тем самым их дальнейшую гидратацию. Относительное снижение прочности бетона под действием пролитого масла тем значительнее, чем выше водоцементное отношение (В/Ц): с увеличением пористости бетона возрастает его насыщенность растворами, в том числе и маслами.