Старение и износ конструктивных элементов зданий, особенности развития их повреждений при силовых и не силовых (агрессивных) воздействиях

Старение – процесс изменения физико-химических свойств материалов конструктивных элементов зданий при их длительной естественной выдержке. Эти изменения происходят под воздействием многих физи­ко-механических и химических факторов. К ним относятся неод­нородность материалов, повышение напряжений, приводящие к микроразрывам в материале, попеременное увлажнение и высу­шивание, периодические замораживания и оттаивания, резкие перепады температур, воздействие солей и кислот, выщелачива­ние, коррозия металла, загнивание древесины, истирание конст­рукций и т. п. Происходят постепенные изменения структуры и свойств материалов.

Так же старение происходит в результате воздействия окружающей среды, атмосферных осадков и механических нагрузок. Старение предшествует, а в конечном итоге способствует повреждению конструктивных элементов зданий. Оно носит необратимый характер. Разрушение происходит в местах наиболее опасных дефектов и концентрации напряжения.

Износ материалов – изменение размеров, формы, массы, состояния поверхности конструктивных элементов вследствие остаточных деформаций от действующих нагрузок и коррозионных процессов.

Вследствие старения и износа наступает повреждение и разрушение конструктивных элементов.

Различают несколько видов развития повреждений и разрушений:

1. обусловлено чрезмерными статическими и динамическими нагрузками, вызывающими значительное напряжение в материалах, превышающее расчетное значение сопротивле6ния материалов.

Повреждение конструктивных элементов – начальная стадия разрушения элементов, проявляющаяся как потеря ими своих первоначальных свойств (эксплуатационных качеств), обусловленная воздействием эксплуатационных факторов.

Дефект – отдельное несоответствие конструктивных элементов определенным параметрам, установленным нормами или проектом.

2. обусловленное воздействием агрессивной среды (коррозия)

Классификация агрессивной среды:

По агрегатному состоянию:

Ø Газовые

Ø Жидкие (растворы кислот, щелочей, солей, нефтепродукты)

Ø Твердые (грунт, отложение пыли)

Ø многофазные

По характеру воздействия:

Ø Сильно агрессивные (жидкие и газовые среды в производственных помещениях химических предприятий)

Ø Средне агрессивные (атмосферный воздух повышенной влажности с агрессивными примесями)

Ø Слабо агрессивная (чистый атмосферный воздух с повышенной влажностью)

Ø Неагрессивная (чистый сухой атмосферный воздух)

3. обусловленное совместным воздействием окружающей среды и механических нагрузок.

Классификация повреждений по вызывающим их причинам:

z Воздействия внешних факторов:

- природных (атмосферных, климатических, грунтовых, сейсмических, биологических)

- искусственных (техногенных, вибрационных, механических нагрузок и воздействий, блуждающих токов, взрывов)

z Воздействие технологических факторов:

- агрессивных выделений производственных процессов (газов, пара, влаги)

- технологических загрязнений (водные, эмульсии)

- механических воздействий (нагрузки, вибрации, удары)

z Проявление дефектов при проектировании и строительстве:

- потеря прочности и устойчивости

- повреждения ограждающих конструкций

- повреждения второстепенных элементов

z Нарушение правил эксплуатации:

- нарушение правил использования

- несвоевременные, некачественные ремонты.

Процессы, разру­шающие строительные материалы вследствие внешнего воздейст­вия, называются эрозией и коррозией.

Эрозия — процесс размыва водой, истирание песком или пылью поверхности конструкции и строительных грунтов. (Размыв по­верхности кровли и стен стекающей водой, истирание фасадов зданий песком или пылью. Наибольшую опасность представляет эрозионное воздействие грунтовых вод на основание под здания.)

Коррозия — процесс разрушения строительных материалов вследствие воздействия физико-химических явлений. Строитель­ные материалы и конструкции подвержены коррозии на воздухе, под водой и в грунте. В зависимости от этого возникают разные виды коррозии. На поверхности причиной коррозии является проникновение в поры и гигроскопические трещины строительных конструкций водяного пара.

При колебаниях температуры от плюсовой до минусовой вода в порах замерзает, разрушая структуру материала. Растворы со­лей, находящиеся на поверхности конструкций, проникают в по­ры и трещины. Вследствие испарения воды соль кристаллизуется, действуя на структуру материала подобно замерзшей воде, что приводит к разрушению конструкции.

Разрушение наружных поверхностей кирпичных стен, назы­ваемое выветриванием, происходит под влиянием многих факто­ров: перемены температуры, действия ветров, чередующихся увлажнением и высыханием, замерзанием воды в порах.

Другой причиной разрушения коррозией строительных мате­риалов является окисление. Этот процесс происходит обычно в присутствии воды и вызывает дополнительно гидратацию и уве­личение объема материала.

В водной среде также протекают процессы коррозии строите­льных материалов, причем их вид и интенсивность зависят от химических свойств воды.

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 конструкции 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.

- 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.

Основные процессы разрушения обусловлены действием кислот, выделяемых в процессе жизнедеятельности микроорганизмов. В благоприятных условиях (высокой относительной влажности воздуха φ = 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;

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

Различают начальное разрушение (образование и развитие пор, трещин и других нарушений сплошности) и полное разрушение (разделение тела на две и более частей); хрупкое (без значительной пластической деформации) и пластическое (или вязкое); усталостное, длительное и др. Теория разрушения базируется на физических, механико-математических, структурных и физико-химических объяснениях закономерностей механического разрушения.

По степени разрушения можно выделить три категории повреждений:

•аварийного характера, вызванные дефектами проектирования, строительства, стихийными явлениями—ливнями, снегопадами, затоплением, а также нарушениями правил эксплуатации зданий и сооружений;

•разрушения несущих конструкций, обусловленные внешними и технологическими факторами, нарушением правил эксплуатации. Такие нарушения не являются аварийными и устраняются при капитальном ремонте усилением или заменой;

•разрушения второстепенных элементов (выпадение штукатурки, отдельных плиток облицовки), устраняемые при текущем ремонте.