Влияние окружающей среды на износ конструкций.

Показатели агрессивности окружающей среды

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 изменение стойкости защитного покрытия. Данные

факторы часто действуют совокупно.

Наряду с факторами, ускоряющими коррозию строительных

материалов, в водной, грунтовой средах содержатся вещества,

способные замедлять ее. К таким веществам можно отнести

карбонаты, фосфаты, силикаты, способные повышать рН среды,

образовывать нерастворимые соли, замедляющие коррозионный

процесс.

Выбор строительных материалов зависит от степени агрес-

сивности среды эксплуатации и основывается на величине кор-

розионной стойкости по отношению к этой среде.

Коррозионная стойкость строительного материала–это

его относительная способность в течение определенного срока

сопротивляться воздействию агрессивной среды.

Агрессивная среда –среда, воздействие которой вызывает

коррозию строительного материала в изделии или конструкции.

Коррозионная стойкость того или иного материала может

быть оценена различными показателями, например:

- скоростью коррозии – скорость изменения свойств строи-

тельного материала в единицу времени, вследствие воздействия

агрессивной среды;

- степенью коррозии – техническая характеристика изме-

нения свойств строительного материла вследствие коррозии.

Данные показатели могут быть оценены среднегодовой ско-

ростью разрушения поверхности, среднегодовой потерей проч-

ности, глубиной разрушения (проницаемостью), потерей веса

строительной конструкции в результате физического износа, а

также по внешним признакам повреждения.

Для оценки коррозионной стойкости необходимо проводить

коррозионные испытания, т.е. испытания строительных мате-

риалов, изделий и конструкций или защитных покрытий с це-

лью определения их коррозионной стойкости и их защитной

способности в агрессивной среде.

Для защиты от коррозии строительного материала применя-

ют различные способы и средства, уменьшающие или предот-

вращающие коррозию строительного материала.