Принцип долговечности строительных материалов

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. В теории ИСК под долговечностью понимают способность материала сохранять в эксплуатационный период времени на допустимом уровне структурные характеристики (параметры), которые сложились в технологический, т.е. предэксплуатационный период.

Независимо от способа оценки долговечности — по изменению свойств или структуры — период долговечности условно можно разделить на три этапа, или временных элемента. До начала первого этапа имеется еще предэксплуатационный период, который характеризуется в основном набором и формированием структурных элементов и свойств. Он связан с выполнением технологических переделов и поэтому может быть назван как технологический. По сравнению с последующими этапами технологический период непродолжительный, хотя материал, еще не поступивший в эксплуатацию, может уже значительно изменить свою структуру и свойства, особенно при неблагоприятных условиях пребывания его в предэксплуатационное время.

Материал, помещенный в конструкции зданий и сооружений, на первом этапе долговечности характеризуется упрочнением структуры, или улучшением показателей свойств, второй этап — их относительной стабильностью, третий — деструкцией, т. е, медленным или быстрым нарушением структуры вплоть до ее критического уровня и даже полного разрушения, с соответствующим ухудшением показателей качества. У отдельных материалов в эксплуатационный период тот или иной этап в периоде долговечности может отсутствовать или его продолжительность столь мала, что принимается практически равной нулю. Может, например, полностью отсутствовать временной элемент упрочнения структуры или ее стабильного состояния. Что же касается этапа деструкции, то он почти неизбежен, хотя и не всегда наблюдаемый визуально. Гораздо реже деструкция протекает с огромной интенсивностью, когда временной элемент становится практически равным нулю.

Задача заключается в том, чтобы всемерно увеличивать долговечность, т. е. продолжительность каждого из трех взаимосвязанных временных элементов, особенно этапов упрочнения и стабильности структуры, добиваясь вместе с тем эффективного торможения деструкционных процессов.

Сущность упрочнения структуры на первом этапе долговечности заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок, инверсий фаз и т. п. в эксплуатационный период в материале, особенно в его вяжущей части, а также в контактных зонах возникают и со временем укрупняются новые (вторичные) структурные центры. Совместно с теми, которые возникли на ранней стадии формирования структуры (первичными), они участвуют в дополнительном процессе уплотнения структуры, с увеличением концентрации той части твердой фазы, которая является основным носителем эффекта упрочнения. В результате не только наблюдается упрочнение структуры и прочности материала по отношению к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств, в том числе свойств вяжущей части. Примером упрочнения структуры в эксплуатационный период может служить цементный бетон и его вяжущая (матричная) часть в виде цементного камня при контакте с щавелевой кислотой. Последняя, проникая в поры, образует малорастворимые соли и плотные продукты с очень низкой диффузионной проницаемостью. Особенно часто эффект упрочнения наблюдается в связи с доуплотнением под нагрузкой новообразованиями при соединении углекислого газа с известью в материале, перехода аморфного вещества в кристаллическое и т. п. Однако упрочнение структуры в эксплуатационный период составляет только тогда положительный эффект в долговечности материала, если оно не является следствием так называемого «старения». Под последним понимается часто наблюдаемое явление охрупчивания конгломератов на основе полимеров за счет протекания химических реакций, или рекристаллизации с увеличением в объеме новообразований. Старение переводит материал в состояние хрупкого микротрещинообразования и в конечном итоге резкого сокращения долговечности.

Второй этап — стабилизация структуры — характеризуется сравнительно неизменной концентрацией структурных элементов в единице объема материала и относительным постоянством показателей свойств. Практически уровень этих показателей имеет колебания за счет местных процессов упрочнения и деструкции, однако в целом сохраняется их сбалансированность на некотором среднем, «стабильном» уровне.

Третий этап долговечности — деструкция — самый типичный процесс эксплуатационного периода. Он может начаться с первого же момента эксплуатации конструкции, но может следовать также за этапами упрочнения и временной стабилизации структуры. Третий этап характеризуется нарушением структуры с возможной потерей ее сплошности, постепенным накоплением разрывов межатомных связей. Разрывы возникают под влиянием ускорения теплового движения атомов и молекул, развития механических, усадочных, осмотических и иных напряжений. Установлено, что процесс постепенного повреждения структуры сопутствует каждой, даже самой малоупругой деформации.

Кроме физических в период деструкции протекают химические и физико-химические процессы, которые обычно именуют как коррозионные. В широком смысле коррозия означает разъедание металла или другого материала под влиянием контакта с внешней агрессивной средой, проникания ее в поры и капилляры. Эти процессы коррозии усиливаются при одновременном воздействии физических факторов, если, например, материал находится в напряженном состоянии под влиянием растягивающих или сжимающих усилий или если вместе с агрессивной средой, например жидкой, материал подвержен воздействию низких отрицательных температур с циклическим замерзанием и оттаиванием жидкой среды в порах. На заключительной стадии деструкция переходит в интенсивный процесс образования опасных микро- и макротрещин, завершается полным или частичным разрушением конгломерата.

Определение и изучение долговечности и ее временных элементов производится на разных уровнях структуры — от молекулярной и надмолекулярной до макроскопической, причем всегда целесообразно начинать с характеристик структуры, а затем переходить к показателям свойств.

Источник

Долговечность стройматериалов и изделий в конструкциях. Критические уровни характеристик структуры и свойств

В то же время для обжиговых материалов, например керамического кирпича, первый этап долговечности будет отсутствовать, так как процессы упрочнения структуры полностью прекращены.

Приведенные этапы долговечности материала являются довольно условными. Обусловлено это точностью методов исследования и аппаратуры для слежения за изменением структурных характеристик и свойств материала в период эксплуатации в конструкции. Поэтому у некоторых материалов первый или второй этап может отсутствовать.

Из отмеченного можно сделать вывод, что в структуре материала должен соблюдаться баланс сил. Пока он есть, материал сохраняет свои свойства, при снижении его до критического уровня материал разрушается из-за старения, усталости и т. д.

Теоретическими исследованиями и многолетней практикой для всех материалов определены критические уровни характеристик структуры и свойств, переход за пределы которых сопряжен с интенсивным разрушением материала или срочным капитальным ремонтом конструкции.

При выборе критических уровней ключевых показателей свойств ориентируются на требования действующих стандартов и строительных норм. В них указаны численные показатели технических свойств материала и допустимые пределы их изменения в эксплуатационный период. Для большинства материалов обычно указываются несколько ключевых показателей свойств или структурных характеристик и их предельный уровень изменения. При этом весьма важно, чтобы с совершенствованием технологии производства наблюдалось всемерное увеличение периода времени до момента, когда ключевой показатель (группа показателей) окажется на уровне допустимого изменения. Соответствующий период времени характеризует долговечность материала, поскольку дальнейшая эксплуатация конструкции будет недопустимой без проведения ремонта.

Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих, как правило, негативное влияние на состояние строительных конструкций и материалов, можно выделить: воздействие внешних нагрузок, а также массы материала и конструкций; температурные воздействия; воздействия газовой и водной среды, содержащей различные примеси; воздействия кислот, щелочей и солевых растворов; климатические, к которым, кроме упомянутых выше факторов, относятся также солнечная радиация, ветер и влажность воздуха, продукты жизнедеятельности микроорганизмов.

В реальных условиях на конструкцию или ее материал воздействует комплекс из двух или большего количества эксплуатационных факторов. Совместное воздействие активных сред и механических напряжений приводит к интенсификации коррозионных процессов. Отметим, что различного вида природными и производственными средами повреждается от 15 до 75 % всех строительных конструкций зданий и сооружений.

Источник

Строй-справка.ру

Отопление, водоснабжение, канализация

Навигация:
Главная → Все категории → Строительное материаловедение

Независимо от способа оценки — по изменению свойств или по отклонению структурных параметров от оптимальных — полный период долговечности начинается от момента вступления материала к выполнению своих функций в конструкции до предельно допустимого (критического) уровня соответствующего изменения свойств или структуры.

Целый период долговечности условно можно разделить на три этапа или временных элемента (рис. 4.1). Как отмечалось, до начала первого этапа имеется еще предэксплуатационныи период, который в основном характеризуется набором и формированием структурных элементов и свойств в технологическом процессе. Однако он относительно кратковременный, хотя при длительном хранении готовой продукции в складских помещениях и, тем более, на открытых площадках строительных объектов, возможны изменения приобретенных в технологический период показателей свойств и структуры. При особо неблагоприятных условиях хранения отдельных изделий потребуется внести коррективы в первоначальную оценку качества или структуры перед отправлением их по назначению.

Первый этап долговечности характеризуется упрочнением структуры или улучшением показателей свойств; второй — их относительной стабильностью; третий — деструкцией, т. е. медленным или быстрым нарушением структуры вплоть до ее критического состояния или даже до полного разрушения. У отдельных материалов тот или иной этап в периоде долговечности может отсутствовать, или его продолжительность практически приниматься равной нулю. Может, например, полностью отсутствовать временной элемент упрочнения структуры или ее стабильного состояния. Что же касается этапа деструкции, то он почти неизбежен, хотя и не всегда наблюдается визуально.4 Гораздо реже деструкция протекает с огромной интенсивностью, когда временной элемент становится равным нулю.

Задача технологов и строителей заключается в том, чтобы всемерно увеличить долговечность конструкции и, следовательно, образующего ее конгломерата. Эта задача адекватна продлению продолжительности каждого из трех взаимосвязанных временных элементов, особенно этапов упрочнения и стабильности структуры, добиваясь вместе с тем эффективного торможения и удлинения срока деструктивных процессов.

Сущность упрочнения структуры на первом этапе Долговечности заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок, инверсии фаз и т. п. в эксплуатационный период в материале, особенно в вяжущей части, а также в контактных зонах, возникают вначале на микроуровне, а со временем укрупняются новые (вторичные) структурные центры. Совместно с теми, которые возникли на ранней стадии формирования структуры (первичными), они участвуют в дополнительном процессе уплотнения структуры с увеличением концентрации той части твердой фазы, которая является основным носителем эффекта упрочнения. В результате не только наблюдается упрочнение структуры и рост прочности материала по отношению к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств. Примером материала с упрочнением структуры в эксплуатационный период может служить цементный бетон и его вяжущая (матричная) часть в виде цементного камня при контакте с водной средой и тем более с щавелевой кислотой. Последняя, проникая в поры, образует малорастворимые соли и плотные продукты с очень Низкой диффузионной проницаемостью. Особенно часто эффект упрочнения наблюдается в связи с уплотнением новообразований при взаимодействии углекислого газа с известью в материале; переходом аморфного вещества в кристаллическое. Однако упрочнение структуры в эксплуатационный период может составить только тогда положительный эффект, если оно не явилось следствием так называемого «старения». Под последним понимается нередко наблюдаемое явление охрупчивания конгломератов на основе полимеров за счет химических реакций, или при рекристаллизации с увеличением в объеме новообразований. Старение переводит материал в состояние хрупкого микротрещинообразования и, в конечном итоге, резкого сокращения долговечности.

Второй этап — стабилизация структуры — характеризуется сравнительно неизменной концентрацией структурных элементов в единице объема материала и относительным постоянством показателей свойств. Уровень этих показателей имеет колебания за счет местных процессов упрочнения и деструкции, например за счет кристаллизационных напряжений или агрессии внешней среды. Однако в целом сохраняется их сбалансированность на некотором среднем, стабильном уровне (см. рис. 4.1). Впрочем, явления деструкции распространяются и на первый этап упрочнения, но тогда силы разупрочнения сравнительно малы и суммарный эффект остается позитивным.

Третий этап долговечности — деструкция г— самый типичный процесс эксплуатационного периода. Он может начаться с первого же этапа эксплуатации конструкции, но может следовать также за упрочнением и стабилизацией структуры.Третий этап характеризуется нарушением структуры с возможной потерей ее сплошности, постепенным накоплением разрывов межатомных связей. Разрывы возникают под влиянием ускорения теплового движения атомов и молекул, развития механических, усадочных, осмотических и иных. напряжений. Установлено, что процесс постепенного повреждения структуры сопутствует каждой, даже самой малой упругой деформации.

Кроме физических, в период деструкции протекают химические и физико-химические процессы, которые именуют как коррозионные. В широком смысле коррозия означает разъедание металла или другого материала под влиянием контакта с внешней агрессивной средой, проникания ее в поры и капилляры. Процессы коррозии усиливаются при одновременном воздействии физических факторов, если, например, материал находится в напряженном состоянии под влиянием растягивающих или сжимающих усилий, или если вместе с агрессивной средой, например жидкой, материал подвержен воздействию отрицательных температур с циклическим замерзанием и оттаиванием жидкой среды в порах. На заключительной стадии деструкция переходит в интенсивный и даже лавинный процесс образования опасных микро- и макротрещин, завершается частичным или полным разрушением конгломерата.

Определение и изучение долговечности и составляющих ее временных элементов производится на разных уровнях структуры — от молекулярной и надмолекулярной до макроскопической, причем всегда целесообразно начинать с характеристики структуры, а затем переходить к показателям свойств. Но они тесно взаимозависимые, а при оптимальных структурах между ними имеются закономерные связи.

При изучении состояния структур во времени обычно выбирают наиболее значимые (ключевые) характеристики. Количественной оценкой структур занимается стереология; ее методы используют и Для изучения долговечности ИСК. Эти методы позволяют по плоскостным микрофотоснимкам или другим данным структурного анадиза определять объемное содержание изучаемых элементов и количественные изменения в эксплуатационный период: размер и объем пор, величину внутренней удельной поверхности твердой фазы, размер твердых частиц, толщину прослоек жидкой среды, соотношения объемов или масс кристаллической и аморфной (стекловатой) частей в вяжущем, однородность в расположении ключевых частиц в определенных объемах и т. п.

Навигация:
Главная → Все категории → Строительное материаловедение

Источник

Реферат по Физико Химическим свойствам. 1. Общие понятия о долговечности материалов

1.Общие понятия о долговечности материалов

2.Агрессивные среды, действующие на материал изделий и конструкций

3.Основные свойства, определяющие долговечности материалов

— Трещины, образующиеся в процессе структурообразования бетона

— Трещины, образующиеся при статической нагрузке

— Влияние динамических нагрузок на образование трещин

— Воздействие атмосферы на трещинообразование

— Воздействие циклического замораживания и оттаивания

— Методы испытаний строительных материалов на истираемость

Здания и инженерные сооружения возводятся из строительных материалов. Каждый строительный материал обладает рядом присущих ему свойств. Одни материалы придают прочность, несущую способность и жесткость конструкциям и сооружениям в целом. Другие материалы предназначены для облицовки внутренних и наружных стен, придания архитектурного облика сооружениям.

Следующая группа объединяет строительные материалы специального назначения, необходимые для защиты конструкций от вредных воздействий среды, а также для повышения эксплуатационных свойств и создания комфорта: теплоизоляционные, акустические, гидроизоляционные, кровельные и герметизирующие, антикоррозионные, огнеупорные. Все материалы выполняют присущие им функции.

Например, теплоизоляционные материалы предназначены для тепловой изоляции строительных конструкций, промышленного оборудования и трубопроводов, кровельные материалы защищают здания и сооружения от атмосферных осадков, изоляционные материалы применяются для защиты строительных конструкций от атмосферного воздействия, проникновения агрессивных грунтовых вод, а также обеспечения водонепроницаемости конструкций из бетона, силикатного и красного кирпича и т. д.

Материалы в сооружении подвергаются воздействию окружающей среды, которая оказывает на них разрушающее действие. Поэтому сделать правильный их выбор, уметь оценить их качество и обеспечить нормальные условия эксплуатации конструкций из этих материалов – все это необходимо строителям любой специальности.

В соответствии с этим каждый материал, кроме выполнения эксплуатационных функций, должен обладать свойствами, обеспечивающими надежность и долговечность сооружения.

Надежность и долговечность материалов и конструкций при эксплуатации зданий и сооружений – важная научно-техническая проблема. Решение ее связано с изучением причин и механизмов разрушения материалов, поиском надежных способов предупреждения и защиты от разрушения отдельных элементов зданий и сооружений

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ О ДОЛГОВЕЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ

Искусственные строительные материалы, применяемые в конструкциях зданий и сооружений, изготовляют в сравнительно короткие технологические сроки. Эти сроки весьма малы по сравнению с многолетним использованием зданий и сооружений. К моменту передачи конструкций в эксплуатацию важно обеспечить состояние искусственных строительных материалов на уровне, отвечающем требованиям высшего качества готовой продукции.

Предэксплуатационный период является важнейшим, непосредственно влияющим на долговечность зданий и сооружений или их элементов. Качественные показатели готовой продукции, приобретаемые в результате технологической переработки сырья, служат исходными характеристиками, претерпевающими последующие изменения в эксплуатационный период до критического размера. И чем прогрессивнее технология при переработке сырья, тем выше, как правило, и исходные качественные показатели ко времени передачи объекта в эксплуатацию. С этого момента начинается отсчет периода, именуемого долговечностью.

Долговечность относится к комплексной характеристике качества строительных материалов, изделий и конструкций и выражается в их способности сопротивляться сложному воздействию внешних и внутренних факторов, проявляющихся в эксплуатационный период работы конструкции. О долговечности судят по продолжительности изменения до критических размеров прочности или деформационной устойчивости как ключевых свойств в отношении данной конструкции здания или сооружения.

Долговечность – способность материала в течение определенного времени сохранять на допустимом уровне структурные параметры, сложившиеся в технологический период.

Большое значение для обеспечения долговечности имеет правильный выбор конструктивных решений с учётом особенностей климата и условий эксплуатации. Повышение долговечности достигается применением строительных и изоляционных материалов, обладающих высокой стойкостью при замораживании и оттаивании, влагостойкостью, биостойкостью, и защитой конструкций от проникновения в них разрушающих агентов и прежде всего жидкой влаги.

Для определения этого периода проводятся специальные лабораторные исследования и экспертизы, по результатам которых судят о возможностях того или иного изделия. Например, это могут быть испытания на морозостойкость, водостойкость или на проверку прочности. Наиболее жесткие требования по долговечности предъявляются к конструкционным материалам, работающим в экстремальных условиях: агрессивная среда, резкая смена температур и т. д.

Более широким и емким свойством материалов, изделий и качеством конструкций из них, чем долговечность, является надежность.

Надежность – одно из основных комплексных свойств материалов, определяющих их способность выполнять свои функции в течение заданного времени и при данных условиях эксплуатации, сохраняя при этом в определенных пределах установленные характеристики. Сохранение такой надежности может быть обеспечено путем исключения «отказов», т. е. внезапного ухудшения свойств материала ниже уровня браковочного показателя, которым обеспечена его работоспособность.

Надежность представляет собой общие свойства, характеризующие проявление всех остальных свойств изделия в процессе эксплуатации. Надежность складывается из долговечности, безотказности, ремонтопригодности и сохраняемости. Эти свойства связаны между собой.

Долговечность – свойство изделия или конструкции сохранять работоспособность до предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт. Предельное состояние определяется степенью разрушения изделия, требованиями безопасности или экономическими соображениями

2. АГРЕССИВНЫЕ СРЕДЫ, ДЕЙСТВУЮЩИЕ НА МАТЕРИАЛЫ, ИЗДЕЛИЯ И КОНСТРУКЦИИ

Строительные конструкции и элементы зданий и сооружений в процессе эксплуатации подвергаются воздействию:

− газообразной среды в виде загрязненной атмосферы окружающего воздуха, смеси воздуха, водяных паров, газов, паров летучих веществ;

− твердой среды в виде пылей, загрязняющих атмосферу воздуха (взвешенные вещества) и осаждающихся на наружных поверхностях конструкций, сыпучих и кусковых технических продуктов грунта и асфальтовых покрытий, солей-антиобледенителей, грунтов, содержащих агрессивные компоненты;

− жидкой среды в виде атмосферных осадков, особенно кислотных дождей, технологических растворов и в виде агрессивных природных или загрязненных поверхностных и минерализованных грунтовых вод. Загрязнение поверхностных и грунтовых вод, как правило, обусловлено бытовыми и техническими отходами, нефтепродуктами, утечками канализационных вод и технологических жидкостей.

Могут быть и различные комбинации указанных сред, а также их сочетание с электрическим током, световыми и радиационными излучениями. При этом в каждом отдельном случае среда может содержать один или несколько агентов.

Согласно СНиП 2.03.11-85 «Защита строительных конструкций от коррозии» все среды по степени воздействия на строительные конструкции подразделяются:

− на неагрессивные (Н);

В основу классификации положены относительное снижение прочности материала в зоне коррозии и внешние проявления признаков коррозии в результате эксплуатации изделий в течение одного года (табл. 1).

Степень воздействия агрессивной среды

Степень агрессивности определяется:

− для газообразных сред – видом и концентрацией газов в сочетании с температурой и влажностью окружающего воздуха;

− твердых сред – видом, растворимостью в воде и гигроскопичностью отдельных компонентов, содержащихся в пыли, в сочетании с температурой и влажностью окружающего воздуха, химическим составом и количеством растворимых солей в грунте;

− жидких сред – наличием и концентрацией агрессивных компонентов, температурой, величиной напора или скоростью движения жидкости у поверхности конструкций.

Наиболее распространенными являются жидкие и газообразные агрессивные среды.

Жидкие среды представляют собой водные растворы, отличающиеся степенью минерализации, жесткостью, кислотностью и щелочностью. Степень агрессивного воздействия жидких сред зависит от концентрации водородных ионов (рН). Концентрация ионов водорода характеризует химическую активность жидких агрессивных сред.

В зависимости от pH растворы делят на нейтральные, кислые и щелочные. При pH = 7 раствор нейтральный, при pH7 – щелочной.

При диссоциации воды выделяются ионы водорода Н+ и гидроксида ОН¯:

Рассмотрим воду и ее растворы:

а) вода рек и озер имеет слабощелочную реакцию;

б) воды грунтовые и подземные содержат минеральные соли и другие примеси;

в) морская вода содержит до 3500 мг/л солей (из них хлорида натрия 78%, хлорида магния 11%, сульфаты магния, кальция и калия соответственно 4,7; 3,6; 2,5%);

г) промышленные стоки могут содержать различные примеси, в том числе кислоты, щелочи, соли, нефтепродукты и т. д.;

д) чистая неминерализованная вода (мягкая) агрессивна в отношении пористых цементных бетонов, вызывает выщелачивание извести и других растворимых солей, а также коррозию некоторых металлов (например, свинца).

Кислоты агрессивны по отношению к металлам, обычным бетонам на щелочной основе (высокоалитовый цемент), силикатному кирпичу, осадочным горным породам (известнякам, мраморам, доломитам и т. д.).

Щелочи (концентрированные и их растворы) при нагреве особенно разрушающе действуют на некоторые металлы, камни, бетоны, керамику. Особенно агрессивными являются концентрированные растворы едких щелочей – едкого натрия и едкого калия.

При концентрации растворов щелочей до 5% значительных разрушений цементного камня не наблюдается.

В зависимости от значения рН все жидкие среды делятся на пять групп: 12

2) слабокислые – рН = 4. 6;

3) нейтральные – рН = 7;

4) слабощелочные – рН = 8. 10;

5) щелочные – рН = 11. 14.

Растворы солей вызывают коррозию материалов определенных составов, например цементных бетонов (сульфатная коррозия).

Газообразная среда – атмосфера. Загрязнение воздушного бассейна города обусловлено главным образом выбросами автомобильного транспорта и объектами теплоэнергетики. Автомобильный транспорт является источником выделений диоксида углерода, окислов азота, летучих органических соединений, а объекты энергетики – источниками сернистых газов, сероводорода и пылей сложного химического состава. В атмосферном воздухе городов присутствуют примеси бензопирена, взвешенных веществ, аммиака, формальдегида, сероводорода, диоксида азота.

Уровень и интенсивность загрязнения атмосферы имеют динамику во времени и пространстве и связаны с сезонностью, близостью расположения крупных городских автомагистралей, а также с режимом нагрузок в системах отопления и горячего водоснабжения.

Воздух является носителем таких агрессивных компонентов, как углекислый газ (СО2 ), водяные пары, оксиды азота, хлора, хлористого водорода, фтористого водорода, сернистого газа, сероводорода.

Действие газа на пористые материалы (бетон, кирпич, штукатурку, древесину) отмечается не только на поверхности, но и в более глубоких слоях. Так, проникновение газа в бетон невысокой плотности за длительный период может достигать 10 см, в плотный – 1–2 см.

Плотные материалы (металлы, изверженные каменные материалы) взаимодействуют с газом на поверхности.

Пористые (известняки, бетоны, кирпичи) подвержены воздействию и снаружи, и изнутри материала

3. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ МАТЕРИАЛОВ

Наличие деструктивных процессов при колебаниях отрицательных температур объясняется различием коэффициентов температурного расширения составляющих бетона и льда (осмотическая 103 гипотеза). В ее основе лежит изучение кинетики развития линейных деформаций цементного камня при отрицательной температуре. Установлено, что в цементном камне с вовлеченным воздухом при замораживании в насыщенном водой состоянии происходит усадка, а не расширение. Объяснение этому следует искать в том, что вода в тонких капиллярах замерзает при более низкой температуре, чем в крупных, поскольку давление пара в них тем ниже, чем меньше их радиус. Если вода переохлаждена, т. е. не замерзает при температуре ниже нормальной температуры ее замерзания, то ее свободная энергия иная, чем у льда при той же температуре, так как энтропия воды больше энтропии льда. Следовательно, поскольку льдообразование начинается в крупных порах, то в результате различной энтропии и свободной энергии системы возникает давление жидкости, которое называют «осмотическим» или иногда «давлением растущих кристаллов льда». Оно обусловливает растягивающие напряжения, которые могут вызвать разрушение материала. Механизм диффузии гелевой воды во многом близок своему макроскопическому аналогу – росту ледяных линз в грунтах, вызывающих разрушение дорожных покрытий.

Основные факторы, от которых зависит морозостойкость: количество и характер пор, степень водонасыщения, температура замерзания, скорость замораживания и оттаивания.

Давление, возникающее в порах цементного камня при льдообразовании, может быть очень большим в случае полного заполнения последних водой.

Виды разрушений бетонных конструкций при замораживании весьма различны. Г.И. Горчаков дал следующую классификацию видов разрушения бетона с объяснением причин этих явлений.

1. Поверхностные разрушения, начинающиеся в виде шелушения, переходящие в отслаивание. Они связаны с миграцией влаги в бетоне, направленной к охлаждаемой поверхности.

2. Постепенное разрыхление бетона, сопровождающееся увеличением его объема, повышением водопоглощения, снижением прочности и модуля упругости. В начальной стадии не всегда появляются внешние признаки такого разрушения. Это характерно 104 для бетонов на портландцементах с повышенным содержанием трехкальциевого алюмината (10. 14%), а также пуццолановых портландцементах и шлакопортландцементах, содержащих добавку кислого гранулированного шлака. Причиной такого разрыхления является большая капиллярная пористость бетона.

3. Внезапное «взрывное» разрыхление бетона, который вначале хорошо противостоит попеременному замораживанию и оттаиванию. Это может произойти через 100–120 циклов замораживания: понижение прочности и модуля упругости, указывающее на ухудшение структуры бетона. Такой характер разрушения связан с повышенной усадкой тонкомолотых быстротвердеющих цементов.

4. Местное (очаговое) разрушение бетона, вызванное расслоением, неоднородностью бетонной смеси, наличием неморозостойкого заполнителя и комков глины.

5. Растрескивание бетона, сопровождающееся его распадением на отдельные куски. Это характерно для пропаренного бетона, помещенного в зону переменного уровня морской воды.

В случае частичного заполнения пор бетона водой гидравлическое давление от ее перехода в лед снижается за счет сжатия воздуха пор. При заполнении объема пор водой до 85% гидравлическое давление не возникает. Именно на этом основан расчет известной структурной характеристики бетона, позволяющей прогнозировать его морозостойкость, – коэффициента морозостойкости (КF):

K_F =

Где, Во – водопоглощение бетона, % по объему;

Внас – водонасыщение бетона под вакуумом, % по объему.

Ориентировочно можно прогнозировать, что бетон будет морозостойким, если КF ≤ 0,85.

Разрушение бетона обычно протекает в две стадии:

1) образование микротрещин в цементном камне и бетоне вследствие наличия самых разных деструктивных процессов;

2) проникновение в микротрещины воды, которая замерзает, создавая большие напряжения, что вызывает их быстрое развитие и в итоге – разрушение материала.

Использование заполнителей, имеющих температурный коэффициент линейного расширения, который сильно отличается от такового у цементного камня, вызывает при колебаниях отрицательных температур напряжения, достигающие предела прочности бетона.

Для повышения морозостойкости бетонов необходимо:

− учитывать минералогический состав портландцемента, а именно применять портландцемент с содержанием С3 S не менее 45. 55%, с С3 А в пределах 3. 9%, удельной поверхностью 3000. 4500 см2 /г, низким содержанием свободных оксидов кальция, магния и щелочей;

− уменьшать водосодержание бетонной смеси, что способствует уменьшению общей пористости, т. е. готовить смеси с В/Ц Трещины, образующиеся в процессе структурообразования бетона

Образование трещин в бетоне происходит в цементном камне и практически невозможно их образование в заполнителе, так как прочность его выше. Одна из главных причин образования трещин – усадка бетона. Различают следующие виды усадки:

− влажностная до схватывания (пластическая или − первичная);

− влажностная после схватывания;

Наиболее существенна влажностная усадка после схватывания, связанная с удалением воды в процессе твердения в воздушно-сухих условиях. При этой усадке образуются внутренние напряжения, ведущие к образованию трещин.

Введение в цемент тонкомолотых добавок, удерживающих воду, препятствует усадке. Такой же эффект дает введение в бетонную смесь пластифицирующих и воздухововлекающих добавок.

Одним из способов уменьшения усадки является максимальное наполнение объема бетона заполнителем.

На основе исследований было установлено, что цементный камень можно представить как псевдотвердое тело с большим количеством пор и капилляров различных размеров. Одна из теорий основывается на том, что в бетоне после затвердевания происходит отток жидкости из пор и капилляров, и в них происходит поверхностное натяжение менисков жидкости. В капиллярах, радиус которых r ≤ 10-7 м, сила этого натяжения оказывается столь велика, что происходит обжатие бетона по всему объему, но эти усилия распределены неравномерно. К этому времени бетон набирает достаточную прочность, чтобы в нем действовали силы упругости, которые противодействуют силе давления со стороны капилляров. В определенный момент сила давления превышает силы упругости и образуется трещина. Размеры такой трещины несколько микрон, но она может со временем развиться в макротрещину, что отрицательным образом скажется на бетоне. Неравномерность распределения усилий по объему бетона обусловливает наличие экстремальных областей в цементном камне, где удельный вес трещин больше. Это объясняет неравномерность распределения прочности в бетоне и, как следствие, более низкую фактическую прочность по сравнению с теоретической.

Как известно, сила натяжения мениска жидкости обратно пропорциональна радиусу капилляра. Согласно этой теории капилляры с r ≥ 10-6 м не оказывают влияния на образование трещин.

Устранение такого трещинообразования может быть достигнуто путем уменьшения удельного веса в цементном камне капилляров с r ≤ 10-7 м с преобразованием их в макрокапилляры с r ≥ 10-6 м и более равномерного их распределения по объему цементного камня. Такое преобразование бетона осуществляется через введение пластифицирующих и воздухововлекающих добавок.

Существенное влияние на трещиностойкость оказывают тонкость помола цемента и его расход. Чем больше тонкость помола цемента, тем ниже трещиностойкость бетона. При увеличении расхода цемента также снижается трещиностойкость. Связано это с тем, что нарастает количество цементного камня в единице объема бетона, что увеличивает количество пор с r Трещины, образующиеся при статической нагрузке

Трещины присутствуют в цементом камне наряду с порами. Их размеры очень малы – доли микрона. Распределены трещины в бетоне крайне неравномерно, что обусловливает снижение фактической его прочности.

В процессе статического нагружения происходит развитие микротрещин и их слияние в макротрещину, гораздо большую по размерам и способную пройти через весь объем бетона (микротрещины, как правило, замкнуты и не пересекаются в свободном состоянии, т. е. без нагрузки).

По мере развития трещина может испытывать релаксации при встрече с зернами крупного заполнителя. Наиболее слабое место на пути трещины – это контактная зона между цементным камнем и крупным заполнителем. В момент, когда трещина доходит до контактного слоя, ее усилия распределяются в нем по периметру заполнителя. В результате продвижение трещины останавливается.

Другим фактором, отрицательно воздействующим на трещинообразование, является ползучесть бетона. Согласно теории ползучести под действием статических усилий бетон испытывает пластические деформации ползучести, что приводит к более равномерному распределению напряжений в бетоне от внешнего давления, таким образом, создаются менее благоприятные условия для развития трещин.

ГОСТ 29167-91 устанавливает методы испытаний бетонов всех видов (кроме ячеистых) для определения силовых и энергетических характеристик трещиностойкости при статическом кратковременном нагружении. Характеристики трещиностойкости определяют при равновесных и неравновесных механических испытаниях.

Неравновесные испытания на стадии локального деформирования образца характеризуются обеспечением адекватности изменения внешних сил внутренним усилиям сопротивляемости материала с соответствующим статическим развитием магистральной трещины.

Неравновесные испытания характеризуются потерей устойчивости процесса деформирования образца в момент локализации деформации по достижении максимальной нагрузки с соответствующим динамическим развитием магистральной трещины.

Определяемые по ГОСТ 29167-91 характеристики трещиностойкости (наряду с другими характеристиками механических свойств) используют:

− для сравнения различных вариантов состава, технологических процессов изготовления и контроля качества бетонов;

− сопоставления бетонов при обосновании их выбора для конструкций;

− расчетов конструкций с учетом их дефектности и условий эксплуатации;

− анализа причин разрушения конструкций.

Влияние динамических нагрузок на образование трещин

Бетон в процессе эксплуатации может испытывать динамические нагрузки, например, железобетонные шпалы, забивные сваи и др. При динамическом нагружении бетона процессы, протекающие в нем, имеют свои особенности.

Цементный камень – это псевдотвердое тело с большим количеством пор, в которых находится жидкость (вода). При динамических нагрузках, протекающих с большой скоростью, внешнее давление на бетон должно было бы его разрушить, но этого не происходит, так как возникают мощные силы упругости со стороны бетона. Это связано с тем, что вода в порах не успевает найти себе выхода и выполняет роль упругой пружины при динамической нагрузке.

Воздействие атмосферы на трещинообразование

При эксплуатации открытых бетонных конструкций на воздухе бетон подвергается попеременному увлажнению и высыханию. Механизм развития трещин происходит следующим образом: в процессе увлажнения поры заполняются водой, а в процессе сушки происходит отток воды из пор к поверхности материала, что сопровождается натяжением менисков жидкости и возникновением сил, сжимающих бетон по всему объему. В момент, когда эти силы превысят силы упругости бетона, происходит дальнейшее развитие трещины.

Воздействие циклического замораживания и оттаивания

При увлажнении в трещину или пору попадает вода. Под воздействием отрицательных температур она превращается в лед, который с течением времени расширяется. В результате этого давления стенки трещины расходятся и она увеличивается в размерах. При следующем цикле замораживания вода займет в увеличившейся трещине больший объем, а давление льда увеличит объем трещины. Так происходит с каждым циклом.

Один из путей повышения морозостойкости бетонов – это введение в их состав веществ, увеличивающих содержание адсорбционно связанной воды, температура кристаллизации которой ниже, чем у свободной.

Исследования показывают, что образование трещин происходит в три этапа:

1) раскрытие трещины, на которое требуется самое большое количество энергии;

2) дальнейшее развитие трещины, продвижение ее по цементному камню;

3) проход трещины через весь объем бетона, сопровождаемый его разрушением.

Важной особенностью процесса трещинообразования является то, что на каждый последующий этап энергии требуется меньше, чем на предыдущий.

Исследовательские усилия по увеличению трещиностойкости должны быть сосредоточены на уменьшении числа трещин в объеме цементного камня, мерах, препятствующих их образованию. Этого можно добиться, влияя на структурообразование бетона введением добавок, препятствующих развитию внутренних напряжений в нем и способствующих усреднению его структуры. К таким добавкам относятся воздухововлекающие и пластифицирующие.

К материалам, воспринимающим истирающие усилия, относятся керамические плитки для пола (метлахские), клинкерный кирпич, бетоны дорожных и аэродромных покрытий, бетоны для полов и лестниц, асфальтовые бетоны и растворы, наконец, материалы на основе органических вяжущих – линолеумы поливинилхлоридные, резиновые и фенолитовые плитки. Истираемость – один из основных технических показателей этих материалов. Под истираемостью понимают способность материалов сопротивляться воздействию различных истирающих усилий. Например, асфальтобетон сопротивляется действию сил трения, вызываемых проскальзыванием колес автомобиля по поверхности покрытия, и вакуумных сил, возникающих под движением автомобиля. Истираемость асфальтобетонного покрытия при интенсивном автомобильном движении составляет 0,3. 10 мм в год.

Материалы полов и лестничных маршей сопротивляются действию сил трения, вызываемых подошвой при ходьбе человека. Степень истирания для бетонов, керамики обычно характеризуется потерей массы материала к единице площади истираемой поверхности. Истираемость линолеумов и плиточных материалов характеризуется уменьшением их толщины (мкм).

Методы испытаний строительных материалов на истираемость

Истираемость строительных материалов определяют специальными приборами, конструкция которых зависит от вида материала. Полимерные материалы для полов (линолеумы, плитки) испытывают на машине МИВОВ-2 с помощью шлифовальной шкурки. Истираемость рулонных и плиточных материалов для полов оценивается по уменьшению толщины при истирании образца Ø16 мм этого материала по стандартной методике (ГОСТ 11529-86)

. Для испытания готовят пять образцов 016 мм из однослойных материалов толщиной менее 2 мм, а толщиной 2 мм и более – квадратные 50×50 мм.

У многослойных материалов сначала удаляют лезвием подоснову, а затем из лицевого слоя пробойником вырубают круглые образцы Ø16 мм. Подготовленные образцы выдерживают 2 часа при температуре (20±2)°С и влажности (65±5)%, взвешивают с погрешностью не более 0,001 г, снимают замеры микрометром с погрешностью не более 0,01 мм и вычисляют плотность материала (г/см3 ).

Перед испытанием подготовленный образец приклеивают к основанию держателя 3 перхлорвиниловым, поливинилацетатным или другим аналогичным клеем. Приклеенный образец выдерживают под нагрузкой 5. 10 Н в течение 0,5. 2 ч в зависимости от вида клея. Затем образец с держателем взвешивают с погрешностью не более 0,001 г.

Держатель с образцом закрепляют в патроне машины, опускают его на поверхность барабана и включают электродвигатель. Истирание каждого образца производят по свежей поверхности шлифовальной шкуркой, которую можно менять после однократного использования. Путь истирания образца составляет 2 м. По окончании испытания держатель с образцом вынимают из патрона, очищают от продуктов износа мягкой кистью и взвешивают.

Истираемость образца характеризуется уменьшением его толщины Δh (мкм) при истирании в течение одного цикла испытаний, вычисляемой по формуле

Где, m – масса образца с держателем до испытания, г; m1 – масса образца с держателем после испытания, г; ρ – плотность материала лицевого слоя, г/см; F – площадь образца, см2 ; К – коэффициент истирающей способности шлифовальной шкурки, определяемой по методике, изложенной в ГОСТ 11529-86.

За истираемость материала принимают среднее арифметическое значение результатов испытания трех образцов.

Каменные материалы (бетоны, растворы, природный камень, керамическую плитку) испытывают на кругах истирания ЛКИ-2 или ЛКИ-3 с использованием специального шлифпорошка № 16 или нормального Вольского песка. Основной элемент круга истирания – вращающийся диск с помощью грузов прижимает образец с усилием 300 Н (0,6 кг/см2 ). Круг, снабженный счетчиком, автоматически отключается через каждые 28 оборотов.

Для испытания готовят два образца-куба с ребром 70 мм. Боковые грани кубов нумеруют цифрами 1. 4 и при проведении испытаний в порядке этой нумерации поворачивают образец. Перед испытанием образцы выдерживают в течение не менее двух суток в помещении лаборатории. Если образцы влажные, то их предварительно высушивают. Подготовленные образцы взвешивают на технических весах с погрешностью не более 0,1 г и определяют площадь, которая будет подвергаться истиранию.

На круг равномерным слоем насыпают 20 г абразивного материала. Образцы помещают в гнезда круга, проверяют, свободно ли они перемещаются в вертикальной плоскости, и пригружают грузом. После этого включают привод круга. Через 30 м пути истирания образца (28 оборотов диска) прибор останавливают, с поверхности диска удаляют старый абразивный материал и продукты истирания и вновь насыпают 20 г абразивного материала. Указанную операцию повторяют пять раз, что составляет один цикл испытаний, т. е. 150 м пути истирания.

После одного цикла испытания образцы вынимают из гнезда и поворачивают на 90° в горизонтальной плоскости. В этом положении цикл испытаний повторяют. После четырех циклов испытания образцы вынимают, обтирают сухой тканью и взвешивают. Степень истирания вычисляют по формуле

И = ,

Истираемость бетона на щебне из плотных горных пород не должна превышать:

− 0,7 г/см2 – для конструкций, работающих в условиях повышенной интенсивности движения (плиты тротуаров на магистральных улицах и т. п.);

− 0,8 г/см2 – для конструкций, работающих в условиях средней интенсивности движения (элементы лестниц общественных и производственных зданий и сооружений, плиты для полов в подземных пешеходных переходах и т. п.);

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.

Сущность упрочнения структуры на первом этапе долговечности заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок, инверсий фаз и т. п. в эксплуатационный период в материале, особенно в его вяжущей части, а также в контактных зонах возникают и со временем укрупняются новые (вторичные) структурные центры. Совместно с теми, которые возникли на ранней стадии формирования структуры (первичными), они участвуют в дополнительном процессе уплотнения структуры, с увеличением концентрации той части твердой фазы, которая является основным носителем эффекта упрочнения. В результате не только наблюдается упрочнение структуры и прочности материала по отношению к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств, в том числе свойств вяжущей части. Примером упрочнения структуры в эксплуатационный период может служить цементный бетон и его вяжущая (матричная) часть в виде цементного камня при контакте с щавелевой кислотой. Последняя, проникая в поры, образует малорастворимые соли и плотные продукты с очень низкой диффузионной проницаемостью. Особенно часто эффект упрочнения наблюдается в связи с доуплотнением под нагрузкой новообразованиями при соединении углекислого газа с известью в материале, перехода аморфного вещества в кристаллическое и т. п. Однако упрочнение структуры в эксплуатационный период составляет только тогда положительный эффект в долговечности материала, если оно не является следствием так называемого «старения». Под последним понимается часто наблюдаемое явление охрупчивания конгломератов на основе полимеров за счет протекания химических реакций, или рекристаллизации с увеличением в объеме новообразований. Старение переводит материал в состояние хрупкого микротрещинообразования и в конечном итоге резкого сокращения долговечности.

1. Горчаков, Г.И. Строительные материалы : учебник / Г.И. Горчаков. – М. : Высш. шк., 1981. – 412 с.

2. Рыбьев, И.А. Строительное материаловедение : учеб. пособие / И.А. Рыбьев. – М. : Высш. шк., 2003. – 701 с.

3. СНиП 3.04.03-85. Защита строительных конструкций и сооружений от коррозии. – Взамен СНиП III-23-76 ; введ. 1986–01– 07. – М. : Госстрой России: ГУП ЦПП, 2000. – 29 с. – (Строительные нормы и правила). – Прил.: с. 21–28.

4. ГОСТ 10060.0-95. Бетоны. Методы определения морозостойкости. Общие требования. – Взамен ГОСТ 10060-87 ; введ. 1996–09–01. – М. : Изд-во стандартов, 1996. – 6 с. – (Межгосударственный стандарт). – Группа Ж19.

5. Химия в строительстве : учебник для студ., обуч. по направлению 270100 «Строительство» / В.И. Сидоров [ и др.] ; под науч. ред. В.И. Сидорова. – 2-е изд., испр. и доп. – М. : АСВ, 2010. – 343 с.

6. СНиП 2.03.11-85. Защита строительных конструкций от коррозии. – Взамен СНиП II-28-73*, СН 65-76 ; введ. 1986–01–01. – М. : ФГУП ЦПП, 2005. – 55 с. – (Строительные нормы и правила). – Прил.: с. 32–52. – Изм. № 1 к СНиП 2.03.11-85: с. 54–55.

7. Шишканова, В.Н. Долговечность строительных материалов, изделий и конструкций : учеб. пособие по дисциплине «Строительные материалы при реконструкции, восстановлении и капитальном ремонте зданий и сооружений»/ В.Н. Шишканова. – Тольятти : Изд-во ТГУ, 2013. – 124 с. : обл

Источник