Зависимость износа конструкций от микроструктуры

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.