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.