Причины и механизм износа

Под долговечностью понимается способность зданий и их элементов сохранять во времени заданные качества в определенных условиях при установленном режиме эксплуатации без разрушения и деформаций.

Долговечность характеризуется временем, в течение которого в сооружениях, с перерывами на ремонт, сохраняются эксплуатационные качества на заданном в проекте (нормами) уровне; она определяется сроком службы не сменяемых при капитальном ремонте конструкций: фундаментов, стен, железобетонных перекрытий, колонн и пр. Ряд конструкций — кровля, полы, оконные переплеты, инженерное оборудование зданий — обычно имеют меньшие сроки службы и поэтому они, во-первых, периодически защищаются покрытиями и, во-вторых, по мере износа заменяются или восстанавливаются.
Различают физическую и моральную, или технологическую, долговечность.

Физическая долговечность зависит от физико-технических характеристик конструкций: прочности, тепло- и звукоизоляции, герметичности и других параметров.

Моральная долговечность зависит от соответствия здания своему назначению по размерам, благоустройству, архитектуре и т. п.

Правильная эксплуатация и заключается в предотвращении преждевременного физического износа профилактическими мерами и периодическом проведении капитального ремонта.

Надежность здания (вероятность его безотказной работы), долговечность и износ могут быть представлены во взаимосвязи графически, как показано на рис. 3.1, а.

Различают еще оптимальную долговечность, т. е. срок службы здания, в течение которого экономически целесообразно его восстанавливать. Однако наступает такой срок, когда затраты на восстановление становятся нецелесообразными, ибо превышают стоимость строительства нового здания.

В период эксплуатации сооружения подвергаются многочисленным природным и технологическим воздействиям, учитываемым в проекте при выборе материалов, конструкций и т. п.; однако на практике сочетание характеристик строительных материалов и конструкций может отличаться от установленных ГОСТом и вследсвие суммарного воздействия многочисленных факторов может происходить ускоренный износ сооружений.

Он весьма разнообразен и сложен; на предупреждение ускоренного износа расходуются значительные материальные средства, ограничиваемые экономическими соображениями; рациональное эксплуатационное содержание сооружений — задача во многом индивидуальная, решение которой требует специальной подготовки. Рассмотрим причины и механизм износа конструкций и сооружений подробнее.

В износе конструкций и оборудования можно выделить три участка:
участок I — период приработки, деформаций, повышенного износа; этот период краток, и на него распространяется гарантия, выданная строителями сроком на два года; в данный период производится так называемый послеосадочный ремонт;
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 (С02), сернистый газ (S02) 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. 3.1,6 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 выше 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 (С02) и сернистый (S02) 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 сооруже
ний. 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 среднезернистых 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 среднещелочной 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.

Износ конструкций под действием истирания — абразивный износ полов, стен, углов колонн, ступеней лестниц и других конструкций — бывает весьма интенсивным и поэтому сильно влияющим на их долговечность. Он происходит под действием как природных сил (ветров, песчаных бурь), так и вследствие технологических и функциональных процессов, например из-за интенсивного перемещения больших людских потоков в зданиях общественного назначения.

Состояние производственных сооружений с агрессивными средами во многом зависит от культуры самого производства, т. е. от того, как герметизированы технологические линии, предотвращены ли агрессивные выделения в помещения, усилена ли вентиляция, как быстро смываются промышленные стоки. Для поддержания таких сооружений в исправном состоянии важна также культура их технической эксплуатации: чем выше агрессивность среды в сооружении, тем чаще должны проводиться обследования и возможно быстрее восстанавливаться конструкции, начавшие разрушаться.