Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Строительство arrow Оценка технического состояния зданий

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

СТАРЕНИЕ И ИЗНОС МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИЙ

Здания и сооружения в процессе эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных сред природного и техногенного характера. В результате указанных воздействий происходит изменение первоначальных свойств материалов конструкций и инженерного оборудования. В зависимости от того, какие именно параметры материалов изменяются под воздействием внешних факторов, различают две формы изменений — старение и износ.

Старение — это процесс изменения физико-химических свойств материала конструктивного элемента при длительной естественной выдержке, т.е. в результате воздействия на конструкцию окружающей среды, механических нагрузок, связанных с технологическими процессами в здании. Старение материала предшествует его разрушению. Оно носит необратимый характер. Разрушение конструкции под воздействием нагрузок происходит в месте наиболее опасного дефекта. В отличие от нагрузок факторы окружающей среды действуют равномерно или избирательно в одном или нескольких местах конструкции и сопровождаются интенсивным физическим износом.

Износ — это изменение размеров, формы, массы технического объекта или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разрушений поверхностного слоя.

Вследствие старения и износа наступает разрушение материала конструкции. Различают три случая разрушения: 1) большие статические или динамические нагрузки вызывают значительные, превышающие допустимые напряжения в материале; 2) совместное воздействие механических нагрузок и факторов окружающей среды, каждый из которых активизирует общее воздействие; 3) значительная агрессивность окружающей среды при малых напряжениях от статических или динамических нагрузок приводит к разрушению. Наиболее значимы в разрушении материала факторы окружающей среды. Механические нагрузки приводят к активизации процессов, связанных с воздействием окружающей среды.

В условиях эксплуатации сооружений обычно наблюдаются второй и третий случаи разрушения конструкций.

Значительное влияние на износ конструкции оказывает микроструктура материала.

Вещества в природе, как известно, находятся в четырех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном и плазменном. Материалы, применяемые для конструкций зданий, твердые, поэтому в отличие от газов и жидкостей они обладают упругостью. При изменении формы тела под действием внешних сил возникают силы упругости, стремящиеся возвратить его в первоначальное состояние.

Существуют две разновидности агрегатного состояния твердого тела — аморфная и кристаллическая. Аморфные тела можно рассматривать как жидкости с высоким коэффициентом вязкости. Аморфные тела не имеют четко выраженной температуры плавления. Молекулы расположены беспорядочно, и вещество изотропно, т.е. имеет одинаковые физические свойства по всем направлениям, по отношению к которым они определены. Кристаллами называют твердые тела, обладающие упорядоченной трехмерной периодической пространственной атомной структурой и имеющие вследствие этого при определенных условиях образования форму многогранников. Кристаллическое состояние — это термодинамическое равновесное состояние твердого тела. Каждой твердой фазе фиксированного химического состава соответствует одна определенная кристаллическая структура. Кристалл может и не иметь форму многогранника, но он обладает рядом физических свойств, которые отличают его от аморфного тела. Характерные свойства кристаллических веществ:

  • 1) однородность (в любых участках тела свойства тождественны). Некоторые свойства (скалярные) не зависят от направления в материале: теплоемкость, плотность; ряд свойств зависит от направления, по отношению к которому они определены: теплопроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость, преломление света. Такая зависимость называется анизотропной. Анизотропия свойственна поликристаллитам, жидким кристаллам, природным и синтетическим полимерным веществам;
  • 2) симметричность, т.е. они обладают свойством совмещаться в разных положениях с исходным.

Наименьшее число атомов кристалла, сохраняющее при уменьшении его размеров свойственную данному кристаллу симметрию, называется элементарной ячейкой. Из таких ячеек слагается кристаллизационная решетка твердого тела, состоящая из огромного числа атомов. Атомы (ионы) образуют узлы кристаллической решетки. Промежутки между узлами называют междоузлиями. Кристаллическую решетку можно рассматривать как совокупность миллиардов приложенных друг к другу элементарных ячеек. Большинство природных и синтетических твердых тел — поликристаллические, т.е. представляют собой агрегаты хаотически ориентированных мелких кристалликов разного размера и неправильной формы, которые называют кристаллитами или кристаллическими зернами. Свойства поликристаллитов определяются свойствами кристалликов, из которых они образованы, величиной, взаимным расположением и силами их взаимодействия. Чтобы выявить отличие от поликристаллов, крупные кристаллы обычно называют монокристаллами.

Классификация кристаллов по типам кристаллических решеток дает представление о геометрической характеристике кристалла. Физические характеристики материала зависят от природы сил, удерживающих атомы (молекулы, ионы) в узлах решетки. В зависимости от физической природы этих сил различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные. В узлах ионных решеток чередуются положительные и отрицательные ионы, электростатические силы притяжения, между которыми больше сил отталкивания. Поэтому такие решетки стабильны, что характерно для материалов неорганического происхождения. Преобладание сил притяжения между разноименными ионами над силами отталкивания наблюдается только в том случае, если расстояние между центрами ионов больше суммы ионных радиусов. Малейшее уменьшение этого расстояния вызывает значительное преобладание сил отталкивания электронных сфер, что дает основание рассматривать модель ионов как твердые шары. Число ионов противоположного знака, составляющих ближайшее окружение данного иона в кристалле, называется координационным числом (отношение радиусов разноименных ионов). С повышением температуры радиусы разноименных ионов меняются неодинаково (радиус аниона увеличивается быстрее, чем катиона), что вызывает изменение координационного числа и перестройку кристаллической решетки. При этих изменениях возникают дополнительные напряжения в материале, часто сопровождающиеся деформациями в виде микротрещин, особенно на границе кристаллических зерен, составляющих блочную структуру материала.

Структурные единицы атомных решеток — нейтральные атомы, ковалентно связанные друг с другом при образовании общей пары валентных электронов (по одному от каждого атома). Такие электроны называются общественными, так как при малых расстояниях между атомами вероятность нахождения электрона на орбите «чужого» атома очень велика. При ковалентной связи ярко выражено направление взаимодействия между элементарными частицами. Такую связь имеют углерод и кремний. Сила связи между атомами значительно снижается с увеличением расстояния между ними. Все элементы при кристаллизации могут иметь разные модификации, существующие в определенных диапазонах температуры и давления. Способность одного и того же вещества кристаллизоваться в различных кристаллических структурах называется полиморфизмом. Например, олово может быть в двух модификациях я-Бп (серое) и Ь-Ъп (белое). Полиморфное превращение одной модификации в другую происходит при определенных условиях давления и температуры. Процесс перекристаллизации в этих условиях неизбежен, так как он обусловлен стремлением вещества находиться в устойчивом термодинамическом состоянии. Перекристаллизация связана с возникновением внутренних напряжений в материале конструкции или на границе вновь образовавшихся кристаллических блоков и раздела в композиционных материалах.

Узлы металлических решеток заняты положительно заряженными ионами, в междоузлиях находятся подвижные электроны. Радиус иона значительно больше в металле, чем в другом соединении. Особенность металлических связей объясняется тем, что узлы решетки расположены очень близко друг к другу и валентные электроны переходят от одного атома к другому, образуя в общей массе так называемый электронный газ. Под влиянием стягивающих сил взаимодействия электронов с ионами и оттал-

кивающих сил между ионами последние располагаются на фиксированном равном расстоянии друг от друга. Большинство металлов обладают полиморфизмом. Характер металлических связей обусловливает многие физические характеристики металлов: пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость и др.

В узлах молекулярных решеток находятся молекулы, связанные ван-дер-ваальсовыми силами притяжения. Различают три типа взаимодействия: ориентационный, индукционный, дисперсный. В кристаллах могут одновременно проявляться все три типа взаимодействия. Молекулярные силы значительно слабее кулоновских, поэтому молекулярная связь легко разрушается при повышении температуры. Молекулярная связь имеется во многих органических веществах.

Дефекты кристаллов — это несовершенство кристаллического строения, нарушение периодического расположения частиц в узлах кристаллической решетки. Дефекты подразделяются на нуль-мерные (точечные), одномерные и двумерные. К нуль-мер-ным относятся энергетические, электронные и атомные. Энергетические дефекты появляются вследствие искажения кристаллической решетки, вызванного тепловым движением элементарных частиц в ее узлах. При повышении температуры частицы, обладая кинетической энергией, отклоняются от среднего положения, т.е. расстояние между узлами кристаллической решетки увеличивается. Линейная зависимость теплового расширения справедлива для реального материала, представляющего блочную структуру — поликристаллическое тело. Отдельные блоки — монокристаллы обладают анизотропностью теплового расширения, что вызывает на границах зерен неодинаковые линейные расширения, сопровождающиеся деформациями с образованием микротрещин. Так, у кристаллов кальцита при нагревании по одной оси происходит расширение, по двум другим — сжатие. К энергетическим дефектам кристаллов относятся также временные несовершенства решетки, вызываемые взаимодействием радиации (света, рентгеновского излучения и др.). Атомные дефекты проявляются в виде вакантных узлов, внедрения атома в междоузлие, замещения атома материала чужеродным атомом или ионом. К линейным дефектам относятся краевая и винтовая дислокация. К двумерным дефектам относятся границы между зернами кристаллов, ряды линейных дислокаций и др. Энергия раздела на зо

границе кристаллических блоков или зерен зависит от силы взаимодействия между ними, а также угла разориентирования систем. Поверхность раздела между зернами получает равновесную форму в процессе производства изделий. Дефекты такого типа образуются обычно в бетонных и керамических изделиях при термической обработке. Если граница раздела происходит внутри материала, то силы взаимодействия могут вызвать образование микропор или микротрещин. Точечные дефекты имеются в любом кристалле, они могут появляться и исчезать под действием тепловых флуктуаций. Даже небольшая концентрация точечных дефектов вызывает значительные изменения физических характеристик материала. Дислокации, являющиеся протяженными дефектами кристалла, охватывают большое число узлов решетки. Они могут взаимодействовать с точечными дефектами, при этом их рост тормозится или усиливается. Число дислокаций не зависит от температуры материала.

Причиной низкой прочности строительных материалов является наличие трещин, возникающих либо до приложения механических нагрузок, либо в процессе нагружения и эксплуатации. Наибольшее распространение в строительстве получили хрупкие материалы, обладающие малой вязкостью.

Рассмотрим влияние агрессивности окружающей среды на разрушение материала. Факторы окружающей среды действуют равномерно или избирательно в одном или нескольких местах конструкции. Чаще всего такие процессы не вызывают немедленного разрушения, но сопровождаются интенсивным физическим износом материала конструкции. Интенсивность действия среды на процессы износа и разрушения материалов конструкций в значительной степени зависит от состояния окружающей среды. В одних случаях конструкции из одинаковых материалов служат надежно много лет, а в других случаях быстро выходят из строя. Чтобы понять причины износа, нужно проанализировать воздействия, которым подвергаются сооружения в процессе службы.

Факторы, вызывающие износ конструкций, указаны на рис. 3.1.

К наиболее активным средам, вызывающих ускоренный износ конструкций, относятся:

  • солнечная радиация. Радиация, падающая на конструкцию, частично поглощается материалом, повышая его температуру, частично отражается. Бетонные, каменные, силикатные конст-
  • 0)

о

Рис. 3.1. Факторы, вызывающие износ и старение конструкций здания:

а — виды воздействий:

А — со стороны подземной части здания; Б — атмосферные явления;

В — технологическая среда; Г — техногенные; б — структурная схема воздействия на здание агрессивных факторов

рукции состоят из веществ, имеющих неодинаковую кристаллическую структуру и обладающих анизотропностью физических свойств в разных направлениях при наложении энергетического поля. Поэтому действие солнечной радиации вызывает значительные напряжения в теле конструкций, связанные с радиационной амплитудой;

  • атмосферная среда — наличие в воздухе различных примесей, смена положительных и отрицательных температур, ветер, осадки в виде дождя и снега, ультрафиолетовые лучи, озон. К природным загрязнителям атмосферы относятся: пыль от эрозии почвы и горных пород; пыль растительного, вулканического и космического происхождения; капельно-жидкая вода (туман) и частицы морской соли; вулканические газы; газы от пожаров; продукты растительного, животного и микробиологического происхождения. Естественные процессы гниения, брожения и разложения органических веществ сопровождаются образованием угольной кислоты, сернистых соединений, метана, органических кислот, аммиака, сероводорода, взаимодействующих со строительными конструкциями;
  • капиллярная влага. Чистая вода влияет на износ конструкций как поверхностно-активное вещество или как растворитель. В капиллярах твердого тела жидкость имеет различную плотность из-за растворения материала конструкции. В этом случае наблюдается явление осмоса: переход жидкости из области меньшей плотности в область большей плотности через перегородки капилляров. В теле материала возникает давление, которое тем больше, чем выше температура жидкости в порах и чем меньше объем раствора, создающего давление. Возникновение осмотического давления приводит к напряжениям, которые, в свою очередь, ведут к разрушению материала.

При всем многообразии гидроизоляционных материалов их можно разделить на две группы: традиционные (приклеиваемые рулоны; обмазочные, окрасочные, сварные) и проникающего действия (на основе минерального сырья). Недостатком традиционных групп является то, что, создавая плотную защитную пленку, они работают отдельно от самой защищаемой конструкции из-за несовместимости реологических деформативно-проч-ностных свойств. Более перспективными являются материалы проникающего действия. Разработанные на основе минерального сырья сухие смеси представляют собой композиционный мате-зз

риал из цемента, песка с химически активными компонентами. При затворении водой и нанесении на поверхность бетона происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых формируются малорастворимые и нерастворимые нитевидные кристаллические новообразования, заполняющие (кальма-тирующие) микротрещины, поры и капилляры, уплотняющие структуру бетона. Глубина проникновения таких составов может достигать 100 мм и более в зависимости от плотности бетона. Благодаря предотвращению поступления влаги извне в тело бетона, покрытого защитным составом, повышается его морозостойкость;

грунтовая среда. Как известно, горные породы и почвы имеют пористую структуру, заполненную газами и водой. Наибольшее влияние на износ подземных строительных конструкций оказывают находящиеся в грунте метан, тяжелые углеводороды, радон.

Воздействие на строительные материалы пористой структуры воды и растворимых соединений снижает долговечность сооружений, что является проявлением солевой коррозии. Существуют три вида скопления избыточной влаги: вода затворения из кладочного раствора; атмосферные осадки при косом дожде или нарушении кровельной изоляции; капиллярный подсос грунтовых вод вследствие неправильной гидроизоляции. Капиллярный подсос растворов солей и минеральных грунтовых вод является одной из основных причин накопления солей в порах материалов зданий, что при определенных температурных условиях приводит к образованию трещин и отслоений. Мигрирующая вода растворяет содержащиеся в материале соли и выносит их к поверхности. Испаряясь в атмосферу и оставляя соли в верхних слоях штукатурки, вода постепенно насыщает штукатурку большим количеством солей. При увлажнении штукатурки в ее порах из насыщенного раствора солей происходит рост кристаллов. Высолы представляют собой смесь многих химических соединений — карбонатных, кальциевых, хлоридов, оксидов металлов и др. Реже встречаются высолы солей ванадия, часть их водорастворима, часть растворяется кислотами или щелочами. Интенсивное солевое воздействие на ограждающие конструкции наблюдается в зданиях химической промышленности, воздушная среда которых характеризуется высоким содержанием солевого аэрозоля. Гигроскопический аэрозоль солей оседает на поверхности стен, смещает точку росы, вызывает образование конденсата. Образующиеся растворы легко проникают в толщу стен. При присоединении безводными солями воды объем твердой фазы увеличивается, что является причиной возникновения больших давлений в материале. Возникновение трещин в защитном слое железобетонных конструкций вызывает коррозию стальной арматуры. Одним из способов защиты строительных материалов от накопления солей вследствие капиллярного всасывания грунтовых вод является объемная гидрофобизация порового пространства материала кремнийорганическими составами.

Перед началом работ по защите материалов конструкции следует выявить природу явления, вызвавшего сырость, так как от этого зависит выбор технического решения;

биологическая среда. Материалы разрушаются под действием среды, создаваемой грибками. Биоповреждения следует рассматривать как эколого-технологическую проблему, так как биоповреждающие агенты являются биокомпонентами среды (экологический фактор). В то же время объектами повреждений могут быть материалы, конструкции, технические устройства, транспортные средства, технологический фактор. Важнейшим компонентом биоповреждающей ситуации являются живые организмы. Круг биоповреждающих агентов довольно широк — от бактерий, грибов, лишайников, мхов, высших растений, кишечнополостных до рыб, птиц и млекопитающих. Более 40% общего объема биоповреждений связано с деятельностью почти всех групп микроорганизмов (бактерии, грибы, актиномицеты, водоросли). Характер вызываемых повреждений определяется эксплуатационными условиями, в которых оказываются тот или иной материал или конструкция. Интенсивность взаимодействия материалов и экологических факторов зависит не только от их природы, но и от условий контакта, скорости движения и напора жидких и газообразных сред, температуры, силовых нагрузок и др. Например, на предприятиях кожевенной, пищевой, мясомолочной промышленности и в животноводческих помещениях из-за высокой температуры, влажности, повышенного содержания солей, соединений серы и азота, наличия органических веществ на поверхности строительных конструкций активно развиваются бактерии и грибы. На поверхностях морских и речных гидротехнических сооружений возникают биологические обрастания — водоросли и животные-обрастатели, преимущественно в виде моллюсков. Физический, химический и биологический факторы коррозии строительных растворов и бетонов находятся в тесной взаимосвязи. Так как бетон является капиллярно-пористым телом, на его поверхности имеются микротрещины. Колонии микроорганизмов поселяются на поверхности и затем распространяются вглубь, вызывая коррозионные процессы. Основные процессы разрушения обусловлены действием кислот, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. В благоприятных условиях (высокой относительной влажности воздуха ф = 85%, температуре 20—30°С и застое воздуха) споры прорастают. Наружная оболочка споры разрывается, и из нее начинает расти гифа, невидимая невооруженным глазом. Надежным доказательством начала поражения древесины грибами является присутствие в ней гифов гриба — тонких простых или ветвящихся нитей, из которых формируется тело гриба. В процессе роста гифы сильно разветвляются и образуют первичную грибницу, состоящую из тонкостенных многоклеточных гиф.

Домовый гриб является самым опасным врагом деревянных конструкций. 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—30°С, слабое проветривание места установки деревянной конструкции, отсутствие освещения.

Понижение и повышение температуры, также как и уменьшение влажности, замедляют рост большинства видов грибков. При температуре ниже 7 и выше 40°С грибки практически перестают развиваться, но не погибают.

Для многих строительных конструкций опасен особый вид грибков — плесень, которая в процессе жизнедеятельности использует для питания наиболее доступные вещества: лакокрасочные материалы, скопление органической пыли на поверхности конструкции и др. Несмотря на то что плесень состоит на 90% из воды, она очень гигроскопична и способна поглощать влагу из атмосферного воздуха;

искусственные технологические процессы. Техногенные загрязнители атмосферы (сжигание жидкого и твердого топлива в ТЭЦ, выбросы от автотранспорта и промышленных предприятий) в значительной степени влияют на износ строительных конструкций.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 
Популярные страницы