Воздействие окружающей среды на экс-

ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ЭКС-

ПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИЙ ЗДА-

НИЙ

Теоретические основы старения и разрушения эле-

Ментов зданий и сооружений

Надежность, экологическая безопасность и экономическая

эффективность – таковы общие требования, предъявляемые к

вновь возводимым и уже эксплуатируемым зданиям и сооруже-

ниям.

В процессе эксплуатации под воздействием агрессивных

факторов внешней среды, особенностей технологических про-

цессов происходит изменение свойств материалов и конструк-

ций, увеличивается риск нарушения их качества и нанесения

ущерба окружающей среде.

Несвоевременно выявленные и устраненные дефекты эле-

ментов зданий нередко перерастают в серьезные нарушения. Их

последствия помимо значительных материальных затрат, свя-

занных с восстановлением эксплуатационных свойств конст-

рукций, приводят к социальному и экологическому ущербу.

Поэтому важно правильно и своевременно оценить состояние

конструкций и оборудования зданий, спрогнозировать возмож-

ное развитие дефектов и разработать мероприятия по их стаби-

лизации или устранению.

Для этого необходимо иметь представление о механизме раз-

рушения и износа конструктивных элементов в процессе экс-

плуатации, о механизме влияния факторов внешней среды экс-

плуатации на строительные конструкции. Учет законов износа и

старения материалов строительных конструкций позволяет бо-

лее эффективно решать задачи повышения качества эксплуата-

ции зданий.

В зависимости от того, какие первоначальные свойства мате-

риалов изменяются в результате действия внешних факторов

природного или техногенного происхождения, различают две

формы изменений – износ и старение.

Износ–это изменение параметров, формы, массы техниче-

ского объекта или состояния его поверхности вследствие оста-

точной деформации от постоянно действующих нагрузок или

из-за разрушений поверхностного слоя под воздействием окру-

жающей среды.

Старение – процесс изменения физико-химических свойств

и микроструктуры материала конструктивного элемента при

длительной естественной выдержке, т.е. в результате воздейст-

вия на конструкцию окружающей среды и механических нагру-

зок, связанных с технологическими процессами в здании. Ста-

рение материала носит необратимый характер и предшествует

его разрушению.

В процессе эксплуатации большинство конструкций работает

под нагрузками, являющимися причиной образования трещин в

материале, приводящих к ускоренному износу и разрушению

материала.

Разрушение материала – это макроскопическое нарушение

сплошности материала в результате тех или иных воздействий

на него.

Различают следующие виды разрушений:

- начальное разрушение (образование и развитие трещин);

- полное разрушение (разрушение тела на две части и бо-

лее);

- хрупкое разрушение (без значительной пластической де-

формации);

- пластичное разрушение (или вязкое);

- усталостное разрушение (в результате механических воз-

действий);

- длительное разрушение (под воздействием окружающей

среды).

Разрушение под воздействием нагрузок происходит локаль-

но, в месте наиболее опасного дефекта. Иногда полного разру-

шения не происходит, но местные деформации достигают таких

значений, что дальнейшая безотказная эксплуатация становится

невозможной.

В отличие от нагрузок разрушение под воздействием окру-

жающей среды происходит равномерно в одном или нескольких

местах и сопровождается интенсивным физическим износом.

В зависимости от характера факторов, воздействующих на

конструкцию, различают 3 случая разрушения:

- под воздействием нагрузок: большие динамические и

статические нагрузки вызывают значительные, превышающие

допустимые значения напряжений в материале;

- под воздействием факторов окружающей среды: значи-

тельная агрессивность окружающей среды даже при малых на-

пряжениях от статических и динамических нагрузок приводит к

разрушению материала конструкции;

- совместное воздействие механических нагрузок и факто-

ров окружающей среды: каждый из факторов активизирует об-

щее воздействие.

При правильном расчете строительной конструкции и учете

всех нагрузок, воздействующих на нее в процессе эксплуатации,

наиболее значимыми в разрушении материала будут факторы

окружающей среды, поскольку учет влияния всех этих факторов

невозможен. Механические воздействия в свою очередь приво-

дят к активизации процессов, связанных с воздействием окру-

жающей среды.

В условиях эксплуатации сооружений часто наблюдаются

второй и третий случаи разрушения конструкций.

Любому разрушению предшествует повреждение – это на-

чальная стадия разрушения отдельных строительных конструк-

ций, т.е. потеря первоначальных свойств элемента при изготов-

лении, транспортировании, монтаже или эксплуатации.

Поскольку повреждение является начальной стадией разру-

шения, очень важно в процессе эксплуатации зданий оценить

его характер и уровень опасности.

В зависимости от характера процессов разрушения различа-

ют следующие виды повреждений:

- механические (приложение нагрузки сверх расчётной ве-

личины, например, не учтенное в расчетах дополнительное обо-

рудование, деформация грунтов оснований, сейсмическое воз-

действие, механическое повреждение);

- физико-химические (коррозия, вызванная действием рас-

творов кислот, солей, щелочей).

По степени разрушения можно выделить следующие группы

повреждений:

- повреждения аварийного характера. Такие повреждения

возникают, в первую очередь, в результате воздействия стихий-

ных бедствий и чрезвычайных ситуаций (ливни, снегопады, за-

топление, пожары, взрывы), а также при ошибках и дефектах,

допущенных в процессе изыскания, проектирования, строитель-

ства, при нарушении правил эксплуатации.

- повреждения несущих конструкций. Такие повреждения

обусловлены влиянием внешних изменившихся факторов окру-

жающей среды, технологических факторов, а также нарушения-

ми правил эксплуатации.

- повреждение второстепенных элементов, например, от-

слоение штукатурки, плиток облицовки, сколы ступенек и т.д.

Повреждения аварийного характера устраняются при прове-

дении аварийных ремонтов, повреждения несущих конструкций

–при капитальном ремонте, прочие повреждения – при текущем

ремонте здания.

Следующее понятие теории надежности – дефект. Дефект –

отдельное несоответствие конструкции определенным парамет-

рам, установленным нормативными или проектными требова-

ниями. При проявлении дефектов, допущенных в ходе изыска-

ния, строительства и эксплуатации, износ зданий ускоряется.

Следует иметь в виду, что в материале строительной конструк-

ции на уровне микроструктуры всегда присутствуют дефекты

различного происхождения и различной степени опасности.

Наиболее опасны дефекты в основных конструктивных эле-

ментах здания (основаниях, фундаментах, перекрытиях, стенах),

т.к. их проявление ведет к повреждениям и разрушению всего

здания.

Их материала

На износ конструкции и характер повреждений значительное

влияние оказывает микроструктура материала. Вещества в при-

роде находятся в 4 агрегатных состояниях: жидком, твердом,

газообразном и плазменном. Строительные конструкции в своем

большинстве находятся в твердом состоянии. Существуют две

разновидности агрегатного состояния твердого тела – аморфная

и кристаллическая.

Аморфные тела не имеют четкой температуры плавления,

молекулы расположены беспорядочно, вещество изотропно, т.е.

имеет одинаковые физические свойства по всем направлениям.

Кристаллы обладают упорядоченной трехмерной простран-

ственной атомной структурой в виде многогранников. Харак-

терные свойства кристаллических веществ:

- однородность (в любых участках тела свойства одинако-

вы);

- анизотропность (зависимость свойств от направления, по

отношению к которому они определены: теплопроводность,

преломление света и т.д.)

- скалярность (некоторые свойства не зависят от направле-

ния: теплоемкость, плотность);

- симметричность (совмещение в различных положениях с

исходным положением).

Кристалл состоит из элементарных ячеек. В зависимости от

физической природы сил, удерживающих элементарные части-

цы в узлах кристаллической ячейки, различают:

1) Ионные решетки.

В узлах чередуются положительные и отрицательные ионы

(катионы и анионы), электростатические силы притяжения, меж-

ду которыми больше сил отталкивания, благодаря чему ионные

решетки весьма стабильны. При повышении температуры ра-

диусы анионов и катионов изменяются неравномерно, что при-

водит к перестройке кристаллической решетки и возникнове-

нию микротрещин в материале, деформациям, особенно на гра-

нице кристаллических зерен. Такая микроструктура характерна

для неорганических веществ (бетоны, керамические изделия).

Например, перестройка кристаллической решетки наблюдается

при пропаривании и твердении бетонов, обжиге керамических

изделий, изготовлении силикатных материалов.

2) Атомные решетки.

В узлах кристаллической решетки находятся нейтральные

атомы, связанные друг с другом общей парой валентных элек-

тронов (ковалентная связь). Сила связи с увеличением расстоя-

ния между атомами значительно снижается. Происходит про-

цесс перекристаллизации, т.е. в зависимости от внешних усло-

вий образуются различные модификации элементов. Примером

такого элемента может служить углерод, олово.

3) Металлические решетки.

В узлах кристаллической решетки заняты положительно за-

ряженные ионы большего радиуса, нежели чем в других решет-

ках, расположенные очень близко друг к другу, в междоузлиях

находятся подвижные электроны, образуя электронный газ. Ио-

ны отталкиваются друг от друга и притягиваются электронами,

тем самым находятся на фиксированном расстоянии. Большин-

ство металлов обладают полиморфизмом, т.е. способностью об-

разования различных кристаллических структур под воздейст-

вием внешних факторов. Характер металлических связей обу-

славливает такие свойства металлов, как пластичность, электро-

проводность, коррозионную стойкость и пр.

4) Молекулярные решетки.

В узлах решетки находятся молекулы, сила взаимодействия

между ними слабее, чем в других видах кристаллических реше-

ток, поэтому молекулярная связь легко разрушается под воздей-

ствием внешних факторов, например, температуры. Такая мик-

роструктура характерна для органических веществ.

В решетках любого типа могут быть все виды связей, но один

всегда преобладает.

Таким образом, низкая техническая прочность материалов

объясняется наличием изначальных микротрещин в материале

конструкции, связанных со строением кристаллической решетки

и появляющихся еще до приложения механических нагрузок, а

также наличием дефектов кристаллов – несовершенство кри-

сталлического строения, нарушение периодического располо-

жения частиц в узлах кристаллической решетки и т.д.

Материалы, применяемые для конструкций зданий, твердые,

поэтому они обладают упругостью. При изменении формы тела

под воздействием внешних сил возникают силы упругости,

стремящиеся возвратить его в первоначальное состояние. В свя-

зи с этим разрушение часто развивается одновременно с упру-

гой или пластической деформацией. Соответственно, строи-

тельные материалы подразделяются на условно хрупкие и ус-

ловно пластичные, поскольку абсолютно хрупких и пластичных

материалов в природе не существует.

Большинство бетонных, каменных, силикатных и керамиче-

ских изделий вплоть до разрушения испытывают незначитель-

ные пластические деформации. Учитывая особенности микро-

структуры хрупких материалов и наличие в них микротрещин,

под воздействием нагрузок возникают силы, которые стремятся

раскрыть трещину. Наибольшие напряжения направлены на об-

ласть, примыкающую к концу трещины на расстояние одной

атомной связи. Таким образом, нагрузки концентрируются на

одной цепочке, и когда она разрушается, нагрузки перемещают-

ся на следующую связь.

Несколько по-иному разрушаются пластичные материалы,

например, металлы. Металлические конструкции разрушаются

вследствие пластического течения без значительного увеличе-

ния нагрузки до удлинения, достигающего иногда 50% и более

общей деформации. В плоскостях, расположенных под углом

45˚ к главной оси трещины, возникает сдвиг одной цепочки свя-

зей по отношению к другой.

Пластичные материалы также могут разрушаться как хруп-

кие. Под воздействием периодически меняющихся напряжений

происходит усталостное разрушение конструкции, зарождается

микротрещина, упрочняется материал, что может вызвать вне-

запное разрушение материала (например, при неоднократном

сгибании металлического прута в разных направлениях).

Слоистые материалы являются системами, имеющими посто-

янный резерв прочности, поскольку трещина, развивающаяся

перпендикулярно слоям, по достижении нового слоя останавли-

вается, и для разрушения материала должна образовываться ка-

ждый раз заново во всех слоях материала.

Учитывая, что износ конструкций обусловлен совместным

действием окружающей среды и механических нагрузок, вызы-

вающих значительные напряжения, ниже рассмотрено влияние

окружающей среды на разрушение конструкций зданий.

 

2 .3. Факторы окружающей среды, вызывающие износ и

Старение конструкций здания

Под окружающей средой понимается среда обитания и дея-

тельности человечества; окружающий человека природный и

созданный им материальный мир. Общественное производство изменяет окружающую среду, воздействуя прямо или косвенно

на все ее элементы. Таким образом, окружающая среда включа-

ет природную среду и искусственную (техногенную) среду.

Природная среда представляет собой совокупность абиоти-

ческих и биотических факторов, естественных и измененных в

результате деятельности человеческого общества, оказывающих

влияние на человека и другие организмы. Природная среда от-

личается от других составляющих окружающей среды свойст-

вом самоподдержания и саморегуляции без корректирующего

вмешательства человека.

Благоприятной окружающей средой называется среда, каче-

ство которой обеспечивает устойчивое функционирование есте-

ственных экологических систем, природных и природно-

антропогенных объектов. Окружающая среда, как природные ее

компоненты, так и техногенные, в значительной степени влияют

на интенсивность процесса износа и разрушения материала

строительных конструкций (рис. 2.1).

1 –атмосферные явления: знакопеременная температура,

знакопеременная атмосферная влага, напор ветра, солнечная

радиация, химическая составляющая атмосферной среды, био-

логическая составляющая атмосферной среды.

2 – механические воздействия (силовые факторы): снеговая

нагрузка, сосредоточенно – распределительная нагрузка, собст-

венный вес здания, полезная нагрузка, находящаяся на этажах

здания.

3 – техногенные воздействия (вызванные загрязнением ок-

ружающей среды): выбросы, выхлопы промышленных предпри-

ятий и автотранспорта, стоки, сбросы промышленных предпри-

ятий.

4 – явления со стороны подземной части здания: давление

грунта, вибрационные, динамические нагрузки, блуждающие

токи, явления морозного пучения, грунтовая вода, капиллярная

влага, биологическая грунтовая среда.

5 – технологическая среда: микроклимат (перепад темпера-

туры, влажности), биовредители, ударно-вибрационная нагруз-

ка, нарушение правил эксплуатации.

Факторы окружающей среды, воздействующие на износ кон-

струкций, подразделяются на две основные группы –воздейст-

вие природной среды и антропогенные факторы, появившиеся

вследствие человеческой жизнедеятельности.

С экологических позиций территорию города следует рас-

сматривать как экосистему, существующую при постоянном

внешнем воздействии человека и интенсивно эксплуатируемую

им. Интенсивность и разнообразие этого сложного антропоген-

ного воздействия во многом превышает темпы адаптации и ус-

тойчивость природных экосистем. Особенно это заметно в

крупных городах. Последствия интенсификации деятельности

человека в последние десятилетия привели к увеличению кон-

центрации загрязняющих веществ в воздушной, водной и поч-

венной средах и повышению их агрессивности по отношению к

эксплуатируемым объектам городского хозяйства.

Несмотря на меры, предпринимаемые для повышения на-

дежности защиты строительных конструкций от преждевремен-

ного износа, аварийность значительно не снижается. Это гово-

рит о том, что система мероприятий по защите от повреждений

не увязана с изменившимися экологическими факторами, кото-

рые в городских условиях, на сегодняшний момент, являются

прямыми причинами интенсификации коррозионных процессов.

 

Солнечная радиация

Количество проникающей радиации зависит от прозрачности

слоев атмосферы, от количества выбросов. Кроме того, количе-

ство радиации зависит от ориентации здания по частям света.

Солнечная радиация, падающая на конструкцию, частично

поглощается материалом, повышая его температуру, преобразу-

ясь по своей сути в тепловую энергию, частично отражается.

Количество поглощенной солнечной энергии зависит от свойств

материала и определяется коэффициентом поглощения солнеч-

ной радиации p. Так, например, красный кирпич имеет коэффи-

циент поглощения 0,7; оштукатуренные стены –0,4; оцинкован-

ная сталь – 0,65; рулонная кровля с алюминиевым покрытием –

0,45.

Учитывая, что бетонные, каменные, силикатные конструкции

состоят из различных веществ, имеющих неодинаковую кри-

сталлическую структуру и обладающих анизотропностью физи-

ческих свойств в различных направлениях, то действие солнеч-

ной радиации вызывает значительные напряжения в теле конст-

рукций, связанные с радиационной амплитудой. Колебания сол-

нечной радиации, а, следовательно, и колебания температуры

наружного воздуха – явление периодическое, зависящее не

только от времени года, но и от времени суток, т.е. в течение

суток происходят температурные деформации материала конст-

рукции. Эти деформации, вызванные солнечной радиацией, рав-

ноценны знакопеременной механической нагрузке, и способст-

вуют ускоренному износу.

Величина деформационных колебаний зависит от величины

температурных колебаний, т.е. чем больше разность температу-

ры в течение суток, тем большим деформациям повергается

конструкция. Если рассматривать наружные стены, то со сторо-

ны помещения колебания температуры практически отсутствуют, а со стороны улицы изменения температуры существенно

больше, поэтому неодинаковые напряжения по сечению конст-

рукции вызывают разные деформации и являются причиной ус-

коренного образования микротрещин.

 

2.4.2. Атмосферная среда

Атмосферная среда представляет собой смесь воздушных га-

зов.

Кроме представленной на рисунке 2.2 смеси газов в воздуш-

ной среде содержатся и другие примеси, как естественного, так

и антропогенного происхождения.

 

 

К природным загрязнителям атмосферы относятся: пыль от

эрозии почвы и горных пород, пыль растительного, вулканиче-

ского и космического происхождения, капельно-жидкая вода

(туман), частицы морской соли, вулканические газы, газы от

пожаров, продукты растительного, животного и микробиологи-

ческого происхождения.

К загрязнителям техногенного происхождения относят про-

дукты горения, образующиеся при сжигании жидкого и твердо-

го топлива, а также выбросы промышленных предприятий и ав-

тотранспорта.

Как правило, на износ строительных конструкций большое

влияние оказывают естественные природные составляющие

воздушной среды – кислород и углекислый газ, а при изменении

состава воздушная среда приобретает еще бόльшую агрессив-

ность и происходит интенсификация процесса износа.

В атмосферной среде практически всегда присутствуют рас-

творимые кислотные оксиды азота, серы, углерода (СО2, SO2, SO3, NO, NO2). Из них только двуокись углерода, так называе-

мая, ―агрессивная углекислота‖, при растворении в воде способ-

на понижать рН до 5,6. Присутствие растворимых оксидов азота может снижать рН до 4,5. В зонах расположения промышленных предприятий в атмосфере всегда повышено содержание SO2, способных снижать рН значительно ниже 4,5.

Коррозионное воздействие различных веществ техногенного

и природного происхождения зависит от их концентрации, спо-

собности растворения в воде и продолжительности контакта с

конструктивными элементами зданий и сооружений.

Таким образом, в зависимости от химического состава атмо-

сферная среда делится на 3 группы агрессивности по отноше-

нию к строительным конструкциям (табл. 2.1).

 

Основной защитой строительных конструкций от воздейст-

вия агрессивных примесей воздушной среды является изоляция

поверхности, поддержание поверхности конструктивных эле-

ментов в чистом состоянии.

 

Водная среда

Водная среда присутствует как составляющая в атмосферной

и грунтовой средах, а также является самостоятельной средой.

Она имеет наибольшее воздействие на процесс износа строи-

тельной конструкции вследствие того, что вода является уни-

версальным растворителем агрессивных компонентов – твер-

дых, жидких, газообразных.

В порах различных материалов конструкций здания всегда

присутствует вода. Мигрирующая вода растворяет содержащие-

ся в материале соли и выносит их к поверхности. Высыхая на

поверхности, соли остаются в верхних слоях конструкции, кото-

рые постепенно ими пересыщаются. Происходит рост кристал-

лов солей, на поверхности появляются так называемые высолы,

разрушающие кристаллическую структуру материала, вызы-

вающие местные напряжения и давления в материале. К накоп-

лению избыточной влаги в конструкциях приводит также и сме-

на положительных и отрицательных температур в процессе экс-

плуатации вследствие ускорения движения и диффузии молекул

воды.

Допустимый процент влажности для нормального эксплуата-

ционного режима составляет для кирпичной кладки – 1,5-3%

(максимальное значение 4,5%), для бетонных стен – 8-12%

(максимальное значение 17%).

По причинам и видам увлажнения строительных конструк-

ций влага подразделяется на:

- строительную;

- бытовую;

- атмосферную;

- грунтовую.

Строительная влага поступает в строительную конструкцию

в процессе изготовления, транспортировки, складирования, в

период возведения, из кладочного раствора и т.д.

В период ввода в эксплуатацию здания процент влажности

значительно превышает допустимые значения, поскольку ка-

менные конструкции содержат большой объем строительной

влаги.

Так, каждый 1 м3 кладки кирпича может содержать до 200 л

воды. Естественная сушка таких конструкций происходит край-

не медленно, а в процессе дальнейшей эксплуатации количество

влаги может увеличиться за счет процесса карбонизации. По-

этому в процессе возведения здания необходимо предпринимать

меры по высушиванию конструкций.

Бытовая влага поступает изнутри помещения в результате

жизнедеятельности человека (конденсационная влага);

Атмосферная влага поступает из атмосферных осадков (на-

пример, при косом дожде, при конденсате на наружной поверх-

ности вследствие перепада температур, при нарушении кро-

вельного покрытия и т.д.).

Вода, содержащаяся в воздухе, растворяет атмосферные

примеси, образуя химически активные вещества, адсорбируе-

мые на поверхности конструкции, и разрушающие ее.

Сегодня в промышленно развитых зонах мира выпадают

осадки, кислотность которых может превысить нормальную в

десятки и сотни раз. Химический анализ кислотных осадков по-

казывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислот-

ность на 2/3 обусловлена первой из них, на 1/3 – второй. Присут-

ствие оксидов серы и азота показывает, что проблема связана с

выбросами данных элементов в воздух. При сжигании топлива

образуются диоксид серы SO2 и оксиды азота NO и NO2, яв-

ляющиеся активными с точки зрения химического взаимодейст-

вия агрессивными веществами по отношению.

Пылевые компоненты, оседая на поверхности конструкции,

усиливают их увлажнение, поскольку между пылевыми компо-

нентами и телом конструкции появляются микрозазоры, запол-

няемые водой.

Для ограждения строительных конструкций от атмосферного

увлажнения применяют защитные покрытия. Однако при нару-

шении режима эксплуатации (повреждение кровельной изоля-

ции, наружного слоя фасада и пр.), атмосферная влага на по-

верхности стен адсорбируется в тело конструкции.

Грунтовая влага попадает в надземную часть здания в связи

с явлением капиллярного подсоса вследствие наличия пор-

капилляров, дефектов и трещин в строительном материале. Чем меньше диаметр капилляра, тем, выше уровень подъема

влаги. Величина подъема влаги также зависит от формы капил-

ляра.

В строительных материалах, имеющих замкнутые капилля-

ры, наблюдается явление осмоса, т.е. перехода жидкости из об-

ласти большей плотности в область меньшей через перегородки

капилляров. В капиллярах твердого тела жидкость имеет раз-

личную плотность из-за растворения как примесей, так и рас-

творимых компонентов материала самой конструкции. В теле

материала возникает давление, которое увеличивается с повы-

шением температуры жидкости в порах и уменьшении объема

раствора, создающего давление.

Осмотическое давление приводит к напряжениям, которые в

сочетании с механическими нагрузками, действием солнечной

радиации, колебаниями температур, разрушают материал.

Помимо перечисленных факторов, агрессивность водной

среды зависит от наличия растворенного в воде кислорода (осо-

бенно по отношению к металлам), а также наличия примесей

техногенного происхождения.

В зависимости от состава водной среды различают 4 показа-

теля ее агрессивности.

В Москве порядка 40% территории подтоплено, на террито-

рии восточного, юго-восточного и южного административных

округов зафиксировано значительное количество сильнозагряз-

ненных сульфатами и хлоридами подземных вод с общей мине-

рализацией 2-5 г/л.

На рис. 2.4. представлено процентное соотношение грунто-

вых вод различного химического состава на различных по на-

значению территориях города.

Основной защитой строительных конструкций от воздействия- водной среды являются гидроизоляционные покрытия. Наиболее перспективными являются материалы проникающего действия. При нанесении их на поверхность происходят сложные физико-химические процессы, в результате которых формируются нерастворимые вещества, заполняющие поры, микротрещины и капилляры на значительную глубину конструкции (до 100 мм и более) и уплотняющие структуру материала.

Грунтовая среда

В городской среде, как и в естественных ландшафтах, почвы являются одним из четырех главных компонентов экологической системы: воздух-вода-почвы-растительность. Однако при архитектурно-планировочной и хозяйственной деятельности почва в городах остается без внимания. Почва имеет пористую структуру, заполненную водой и газами. В ней присутствуют естественные процессы гниения, брожения и разложения

В почвах разный химический состав грунтовых вод, гидрокарбонатно-сульфатные гидрокарбонатно-хлоридные сульфатно-гидрокарбонатные и сульфатно-хлоридные хлоридно-гидрокарбонатные и хлоридно-сульфатные. Органические вещества сопровождаются образованием угольной кислоты, сернистых соединений, метана, органических кислот, аммиака, сероводорода, взаимодействующих со строительными конструкциями. В отличие от атмосферной среды, содержащей 0,03% углеки- слого газа, в грунтовой среде его содержание доходит до нескольких процентов. Растворяясь в почвенной среде, газы зна- чительно изменяют ее минеральный состав. На износ строительных конструкций наибольшее влияние оказывают метан, углеводороды. Значительно загрязняют почвы и влияют на изменение ее коррозионной активности отходы промышленного происхождения. Городские почвы имеют существенные отличия от природных, так как формируются искусственным образом как насыпные, намывные или перемешанные грунты. Часто имеют место включения строительного и бытового мусора в верхних горизонтах, что способствует существенному изменению кислотно- щелочного баланса, изменению физико-механических свойств, нарушению естественной структуры почв и грунта. Твердые от- ходы в местах захоронения образуют локальные очаги загрязнения, а при размыве загрязняют почвы, поверхностные и подземные воды. Техногенные грунты характеризуются также пониженной водопроницаемостью, повышенным уплотнением и каменистостью, мозаичной влажностью. Повсеместная замена естественного грунта асфальтом и бетоном привела к изменению характеристик водного баланса, уменьшению площади естественно аэрируемых грунтов и инфильтрации атмосферных осадков, конденсации влаги под зданиями и сооружениями. Наряду с перечисленными выше загрязнителями и связанными с ними техногенными изменениями в городской среде поя- вились другие, гораздо более агрессивные вещества, поступающие в почву с кислотными дождями. рН почв и грунтов на тер- ритории города на сегодняшний момент может снижаться в среднем до 3,3 (рис. 2.5)

Грунтовые воды под промышленными площадками сильно

загрязнены самыми разнообразными веществами. Например,

только с поверхностным стоком, который формируется за счет

талых снеговых и дождевых вод, а также поливомоечных вод, в

целом по Москве в течение года поступает порядка 3-4 тысяч

тонн нефтепродуктов, 150-200 тысяч тонн хлоридов, около 20

тысяч тонн органических веществ, а также тяжелые металлы,

радионуклиды.

В зависимости от вида грунта, его химического состава из-

меняется его коррозионная активность, которая определяется по

величине удельного сопротивления грунта. Этот показатель яв-

ляется как бы обобщенным выражением всего комплекса поч-

венных условий и связывает воедино ряд главнейших факторов,

например, таких как влажность, аэрация грунтов, содержание

ионов Cl

Любое подземное сооружение независимо от вида почвы, в

которой оно находится, подвержено почвенной коррозии, если

не имеет надежной противокоррозионной защиты, которая

должна проектироваться с учетом материала конструкции, кор-

розионной активности почв, климатических условий района,

степени ответственности сооружений или его участков, специ-

фических особенностей работы различных сооружений.

 

Биологическая среда

Живые организмы, воздействующие на состояние строитель-

ных конструкций, разнообразны. Это бактерии, грибы, лишай-

ники, мхи, высшие растения, птицы, млекопитающие.

Строительные материалы разрушаются в основном под воз-

действием среды, создаваемой биологическими объектами. Ха-

рактер повреждений определяется условиями эксплуатации,

технологическими особенностями производства в зданиях и со-

оружениях.

Наиболее опасными для строительных конструкций являются

продукты жизнедеятельности низших организмов – грибов, бак-

терий.

Грибы представляют собой низшие споровые растения. При

высокой относительной влажности воздуха 85% и температуре

20-30˚С в условиях застоя воздуха споры грибов прорастают,

наружная оболочка споры прорывается и из нее растет гифа,

тонкие ветвящиеся нити. Их наличие – это надежное доказа-

тельство начала поражения материала грибком.

В процессе жизнедеятельности грибы выделяют различного

вида кислоты и другие вещества, разрушающие материал конст-

рукции. Наиболее интенсивно грибы повреждают конструкции

из дерева, полимерных материалов, лакокрасочные покрытия.

Плесень – это особый вид грибков, питающийся органиче-

скими составляющими строительных материалов. Плесень

очень гигроскопична и способна поглощать влагу из воздуха,

вследствие чего процесс износа строительных конструкций ус-

коряется.

Домовый гриб представляет большую угрозу для деревянных

конструкций. При благоприятных условиях (не менее 25%

влажности воздуха, температура 18-30˚С, слабое проветривание,

отсутствие освещения) под его воздействием может произойти

значительное снижение прочности деревянной конструкции уже

за 1,5–2 года.

Изменение температуры в сторону снижения или увеличе-

ния, а также уменьшение влажности замедляют рост большин-

ства вида грибов.

В грунтовой среде присутствуют аэробные (развивающиеся с

участием кислорода) и анаэробные бактерии (бескислородные).

Например, сульфатовосстанавливающие бактерии, жизнеспо-

собные при рН=5,5-9, оказывают непосредственное влияние на

кинетику электродных реакций металлических конструкций,

стимулируя развитие процесса коррозии даже при рН≥5,5, вы-

рабатывая вещества—окислители.

Железобактерии, существующие при рН=5-8, поглощают

железо в ионном виде, используя энергию, выделяемую при

окислении железа. Для образования одного грамма клеток необ-

ходимо до 500 г железа.

Для тионовых (серобактерий) наиболее благоприятна среда

при рН=2-5. Они окисляют серные соединения, входящие в со-

став вяжущих гидроизоляционных материалов, до серной ки-

слоты, концентрация которой может достигать 10%, тем самым

они участвуют в создании коррозионной среды, а также разру-

шают защитные покрытия.

Таким образом, микроорганизмы могут создавать на поверх-

ности конструкции условия, обуславливающие появление ло-

кальных коррозионных участков, влиять на скорость коррози-

онного процесса, участвовать в создании коррозионной среды,

вызывать изме