Долговечность изделий и сооружений

Краткий справочник для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению «Строительство»

Долговечность изделий и сооружений

Комплексной характеристикой качества материалов является долговечность - способность сопротивляться внешним и внутренним факторам в течение возможно более длительного времени. О долговечности судят по продолжительности изменения до критических пределов прочности, упругости или других свойств. С этой целью образцы или изделия подвергают в лабораторных или натурных (эксплуатационных) условиях воздействию комплекса механических, физических, химических и других факторов, реально воздействующих на конструкцию. После расчетного периода времени действия комплекса факторов, или определенного цикла испытаний, устанавливают степень

изменения первоначальных числовых значений свойств и сравнивают с допустимой величиной их изменения.

О долговечности пока судят по отклонениям в структуре материала, хотя первопричиной изменения свойств обычно служит нарушение микро- или макроструктуры, отклонение общей структуры от оптимальной.

При изучении структур обычно выбирают наиболее значимые (ключевые) характеристики. Количественной оценкой структур занимается стереология. Ее методы позволяют по плоскостным микрофотоснимкам или другим данным структурного анализа определять объемное содержание изучаемых структурных элементов: размер и объем пор; внутреннюю удельную поверхность твердой фазы; размер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды; соотношение объемов кристаллической и аморфной (стекловидной) частей в вяжущем; однородность расположения частиц в объеме.

Основные, или ключевые, характеристики свойств и структуры имеют, как уже отмечалось, критические уровни, переход за пределы которых сопряжен со сравнительно интенсивным разрушением материла или срочным капитальным ремонтом конструкции. При выборе критических уровней ключевых показателей свойств ориентируются на требования действующих стандартов и строительных норм. В них указаны числовые показатели технических свойств материала и допустимые пределы их изменения.

Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих негативное влияние на состояние строительных конструкций и материалов, можно выделить механические - воздействие внешних нагрузок различной величины и интенсивности статического и динамического характера, а также собственного веса изделий; температурные - воздействия устойчивой температуры и ее колебаний; воздушную и газовую среду с содержанием в ней углекислого газа, пара, пыли, и других примесей; водную среду с широкими пределами ее агрессивности; кислоты, щелочи, солевые растворы разных концентраций и другие жидкие среды, например растительные масла, нефтепродукты и т.п.; климатические, к которым кроме упомянутых выше факторов относятся также солнечная радиация, ветер, влажность воздуха; воздействие некоторых других возможных физических факторов - электрического поля и тока, излучения, магнитного поля и. т. п.

Рассмотрим проблемы долговечности строительных материалов на примере наиболее распространенных и подвергаемых внешним воздействиям железобетонных изделий.

В строительной практике все случаи коррозионного повреждения железобетонных конструкций по признакам разрушения разделяют на две группы: разрушения, связанные с коррозией бетона, и разрушения, вызываемые коррозией арматуры в бетоне. Число сред, агрессивных по отношению к бетону и арматуре, весьма велико.

Данные инженерных исследований показывают, что бетонные и железобетонные конструкции могут прийти в аварийное состояние в течение 10-15 лет и раньше. Так, А.Ф. Полак описывает полное коррозионное разрушение фундаментной балки за шесть лет эксплуатации в результате проливов кислот на Усольском химическом заводе, вследствие чего на стене цеха появились вертикальные трещины, что привело здание в аварийное состояние. В.М. Москвин приводит факт разрушения на химическом заводе бетонных фундаментов под аппаратурой (под насосами перекачивающими кислоту), не выдержавших даже расчетный срок службы, равный 6 месяцам.

Большинство же разрушений железобетонных конструкций зданий действующих предприятий часто происходит в результате коррозии арматуры, достигающей после 20-25 лет эксплуатации конструкций во влажных помещениях 50 % для рабочих стержней и 100 % - для хомутов.

При обследовании одного из цехов Кабардинского крахмального завода, Марийского целлюлозно-бумажного комбината через 11 лет эксплуатации железобетонные балки покрытия имели продольные трещины шириной 10-15 мм. При вскрытии растрескавшегося защитного слоя обнаружилось, что арматура покрыта слоем ржавчины толщиной до 8 мм. Хомуты проржавели полностью, а продольные стержни сильно уменьшились в диаметре (до 60 %) и отстают от бетона. В наиболее сильно разрушенных балках обнаженная рабочая арматура имела сечение 13 и 9 мм вместо проектных 24 и 20 мм.

Многочисленные экспериментальные и теоретические исследования типичных коррозионных процессов и стойкости цементных бетонов позволили объединить отдельные случаи коррозии в различных средах по общим признакам механизма коррозии. По общепринятой международной классификации, предложенной В.М. Москвиным, коррозионное воздействие жидкой среды на бетон подразделяют на три основных вида. К первому виду относят процессы коррозии, возникающие под действием вод с малой жесткостью, когда составные части цементного камня растворяются и уносятся протекающей водой. Особенное развитие эти процессы получают при фильтрации воды сквозь толщу бетона.

Коррозия второго вида объединяет процессы, которые развиваются в бетоне при действии вод, содержащих химические вещества, вступающие в обменные реакции с составными частями цементного камня. Продукты реакции либо легко растворимы и уносятся водой, либо выделяются в виде аморфной, не обладающей вяжущей способностью массы на месте реакции. К этому виду относят процессы, возникающие в бетоне при действии кислот, магнезиальных солей и др.

Коррозия третьего вида объединяет все процессы коррозии, при развитии которых в порах, капиллярах и других пустотах бетона происходит накопление малорастворимых солей; кристаллизация последних вызывает возникновение значительных усилий в стенках, ограничивающих рост кристаллических

сростков, и как следствие - разрушение структурных элементов бетона. К этому виду можно отнести коррозию при действии сульфатов, где разрушение бетона вызывается ростом кристаллов гипса и сульфоалюмината кальция.

В естественных условиях, как правило, одновременно наблюдается коррозия нескольких видов, но преобладает обычно какой-либо один вид и всегда можно проследить и учесть роль второстепенных для данного случая видов коррозии.

В классификации коррозии бетона в газовой среде, предложенной С.Н.Алексеевым, также различаются три вида. Принципиального различия между коррозией в водной и газовой среде нет, но в каждом случае есть свои характерные особенности.

В случае газовой коррозии агрессивные по отношению к цементному камню бетона газы, проникая в его толщу по открытым каналам, трещинам и другим неплотностям, поглощаются водой, частично заполняющей капилляры, и ее адсорбционными пленками, образуя обыкновенную агрессивную жидкость. Раствор газов в жидкостях представляет собой истинный раствор. Концентрация растворенной фазы, как правило, невысока, так что эти растворы можно отнести к разбавленным. Характерно, что продукты газовой коррозии остаются на месте реакции, а не выносятся наружу, что может привести к уплотнению бетона.

На поверхности бетона под воздействием агрессивной среды через некоторое время образуется слой продуктов коррозии, в котором может быть выделено несколько зон. В.М. Москвин на основании исследований взаимодействия бетона с морской водой, содержащей магнезиальные соли (MgCl2, MgSO4)предложил рассматривать последовательность распределения зон разрушения бетона в порядке, представленном на 1.4. Общая схема взаимодействия бетона с кислыми газами, вызывающими «нейтрализацию» бетона ( 1.5), предложена С.Н. Алексеевым, где под «нейтрализацией» бетона понимают непрерывный во времени процесс проникания в него ионов газа.

В таблице 1.3 приведена ориентировочная оценка воздействия агрессивных сред на незащищенные бетонные и железобетонные конструкции.

Таблица 1.3. Воздействие агрессивных сред на бетонные конструкции Степень агрессивности среды Глубина разрушения поверхностного слоя, мм/год Среднегодовая пoтеря несущей способности при эксплуатации конструкций, %

подземных несущих и ограждающих слабая средняя сильная до 0.4 0.4... 1.2 1.2 3 5 8 5 10 15

Влияние агрессивных сред на бетон оценивают по внешнему виду бетонных образцов, величине линейной деформации, потере по массе, изменению прочности при сжатии, изгибе или растяжении, глубине коррозионных разрушений, изменению динамического модуля упругости, изменению концентрации одного из компонентов, вступивших во взаимодействие и т.д.

За критерий стойкости при оценке влияния агрессивных сред по внешнему виду принимают продолжительность периода до появления признаков визуально оцениваемых разрушений бетона. Для оценки степени коррозионного разрушения образцов может быть использована пятибалльная система. Баллом «5» характеризуется отличное состояние образцов, без изменения внешнего вида, баллом «1» - полное разрушение.

Метод изменения линейных деформаций бетонных образцов, находящихся в агрессивных растворах, характеризует коррозию бетона в условиях, когда под влиянием агрессивных растворов образуются новые соединения, объемы которых больше суммы объемов исходных веществ, что сопровождается увеличением объема образцов. Принято считать, что если величина расширения образцов через шесть месяцев превышает 0.05 %, а через год 0.1 %, это свидетельствует о деструктивных процессах, приводящих к разрушению.

В основе метода изменения прочности при сжатии, изгибе и растяжении лежит понимание факта коррозии как процесса снижения прочности бетона. Определяя через заданные промежутки времени прочность образцов, находившихся в агрессивной среде, и образцов, твердеющих в нейтральной среде,

получают кривые изменения прочности во времени, по которым ориентировочно судят о степени развития коррозии. Количественным показателем коррозии является коэффициент стойкости Кс, представляющий собой отношение прочности образцов, находившихся в растворе, к прочности образцов, твердевших тот же срок в воде.

Метод определения потери массы бетонных образцов за определенный промежуток времени оценивает воздействие органических кислот на цементный камень.

Для исследования характера изменения во времени защитных свойств цементных бетонов различных по прочности под действием кислых газов используют качественную методику - определение глубины нейтрализации бетона путем периодической обработки свежих сколов образцов 1%-ным спиртовым раствором фенолфталеина. После нанесения индикатора измеряют линейкой расстояние от поверхности образца до границы ярко окрашенной зоны в направлении, нормальном к поверхности. Измеренная величина есть глубина нейтрализации бетона.

Изменение распределения концентрации цементного камня в объеме бетона по глубине образца и во времени учитывается дифференциальными уравнениями перемещения агрессивного фронта, основанными на первом и втором законах Фика.

Среди огромного количества лабораторных методов исследования коррозии бетона, по мнению большинства специалистов, наиболее рациональными являются методы, основанные на определении предела прочности. Эти методы учитывают влияние двух видов коррозии: растворение соединений, составляющих цемент, и возникновение новообразований с большим объемом, чем объем исходных продуктов. Оба процесса вызывают изменение прочностных показателей.