Природні і технологічні впливи на конструкції і споруди

Вплив природних чинників. В процесі експлуатації кожна споруда знаходиться під впливом двох груп чинників: зовнішніх, або природних, і внутрішніх, зв'язаних з технологічними або функціональними процесами, що відбуваються в споруді.

Природні чинники дуже різноманітні. Вони діють на споруду на поверхні і під землею, нарізно і в різноманітних сполученнях в залежності від кліматичних, гідрогеологічних та інших умов. Правильне врахування впливу всіх цих чинників як при проектуванні споруд, так і під час експлуатації має важливе значення в забезпеченні заданої їх довговічності при мінімальних витратах сил і засобів як на зведення, так і на їх експлуатацію.

Вплив повітряного середовища. В атмосфері містяться пил і гази, які сприяють руйнуванню будівель. Забруднене повітря, особливо в з’єднанні з вологою, викликає передчасний знос, корозію або забруднення, розтріс­кування і руйнування будівельних конструкцій. Разом з тим, в чистій і сухій атмосфері камені, бетони і навіть метали можуть зберігатися сотні і тисячі років. Це означає, що повітряне середовище, в якому знаходяться такі матеріали, слабо агресивне або зовсім неагресивне.

Основним забруднювачем повітря є продукти згоряння різноманітних палив. Тому в містах і промислових центрах метали кородують в два-чотири рази швидше, ніж в сільській місцевості, де спалюється значно мен­ше вугілля і нафтопродуктів. Забрудненість повітря газами і твердими частинками в зимовий час вища і залежить від характеру палива. Найбільше забруднює атмосферу пилувате паливо, бо при його спалюванні разом з димом виноситься багато попелу і пилу, менше всього - природні гази.

Основними продуктами згоряння більшості видів палива є вуглекислий (CO ₂) і сірчистий (SO ₂) гази. При розчиненні вуглекислого газу у воді утворюється вуглекислота - кінцевий продукт згоряння багатьох видів палива; вона руйнуюче діє на бетон та інші матеріали.

Якщо вважати, що в паливі міститься тільки 1 % сірки (в багатьох видах палива вміст її досягає 7-10 %), то над великим містом щорічно утворюється біля 10-20 тис. т пари концентрованої сірчаної кислоти і до 100-600 т попелу випадає на кожний квадратний кілометр. Пари сірчаної кислоти, осідаючи на споруди, руйнують їх. Так, зокрема, вони перетво­рюють карбонати в сульфати, а останні, розчиняючись, вими­ва­ються з конструкцій.

Окрім вуглекислоти і сірчаної кислоти, в димах утворюються й інші (понад сто) шкідливі речовини: азотна і фосфорна кислоти, смолисті та інші речовини, частки, що не згоріли, які, потрапляючи на конструкції, забруднюють і сприяють їх руйнуванню.

В приморських районах в атмосфері можуть міститися хлориди, солі сірчаної кислоти та інші шкідливі для будівельних матеріалів речовини.

Майже всі гази, за винятком аміаку і кисню, є кислими і кислотоутворюючими. За ступенем агресивності впливу на бетон гази можна поділити на три групи:

­ слабоагресивні: CS ₂ - сірковуглець, CO ₂ - вуглекислий газ, SiF _{4 -} чотирифтористий кремній;

­ середньоагресивні: SO _{2 -} сірчистий газ, H ₂ S - сірководень;

­ сильноагресивні: Cl ₂ - хлор, SO _{3 -} сірчистий ангідрид, НС1 - пари соляної кислоти, НF - пари плавикової кислоти, NO ₂ - двоокис азоту.

Протягом 1947 р. на 1 км² випало попелу: в Балтиморі (США) - 548 т, в Ліверпулі (Великобританія) - 696 т. На ФРН щорічно випадає 4 млн.т двоокису сірки. Забруднення в 1947 р. в Донецьку склало 375 т.

Ступінь агресивності атмосфери істотно залежить від відносної вологості, температури повітря, швидкості обміну та ін. Класифікація середовищ та їх впливу на споруди наведена в табл.4.1.

Таблиця 4.1

Класифікація агресивних середовищ

Як видно на рис.4.1, при вологості повітря до 50-60 % інтенсивність корозії дуже мала, в той час як при вологості більше 70-80 % вона зростає в сотні разів. Приміщення з вологістю нижче порога зволоження належать до сухих і з нормальною вологістю; в них метал не кородує. Якщо вологість в приміщеннях вище порога зволоження, тобто в них проті­кають вологі і мокрі процеси, то це необхідно враховувати при оцінці імовірності корозії.

Найбільшу окислювальну здатність має хлор (набагато вищу, ніж кисень). Однак поширеність його в природі і допустимі концентрації в повітрі в сотні тисяч раз менші, ніж кисню.

Рис.4.1. Залежність корозії металів від відносної вологості повітря

Вплив атмосферної вологи. Основну роль в порушенні структури матеріалу грає волога: вона викликає набухання, гниття, корозію, механічне руйнування при замерзанні води в порах і порожнинах.

Волога є універсальним чинником за різноманітністю впливу на споруди. В будівельних конструкціях найбільш ураженими місцями, най­більш доступними для проникнення вологи та агресивних речовин, є стики, різно­манітні теплові містки. Саме в цих місцях найчастіше протікають фазові зміни вологи, які сприяють руйнуванню конструкцій.

Волога в конструкціях може знаходитися у вигляді води або льоду. Природне зволоження конструкцій може бути краплинно-рідким або конденсаційним.

Краплинно-рідке зволоження відбувається внаслідок проникнення дощу через конструкції, під дією косого дощу, що падає на вертикальні ділянки конструкції, а також розталого снігу. Дощова вода порівняно чиста, однак опади, проходячи через забруднені шари повітря, тягнуть з нього амонійні солі, вуглекислоту, сірчану кислоту та інші шкідливі речовини і, проникаючи в конструкції, руйнують їх.

При кам'яному або щільному бетонному зовнішньому шарі конструкції вода в неї проникає всього на декілька міліметрів і під впливом сонячних променів і повітря легко випаровується. При пористих конструкціях, а також при погано виконаних швах в одношарових крупнорозмірних конструкціях дощова волога проникає в стіну глибоко, потрапляючи навіть всередину споруд.

У руйнуванні огороджуючих конструкцій велика роль дощу у сполу­ченні з вітром. На старих конструкціях можна бачити сліди руйну­вання вітром, дощем та піском.

Зона зволоження вертикальних поверхонь конструкцій від розбриз­кування на землю падаючої води досягає 50 см. Тому цокольна частина конструкцій, що не мають щільної поверхні, руйнується досить швидко.

На відміну від краплинно-рідкого, конденсаційне зволоження конструк­цій відбувається в результаті переміщення водяних парів з повітрям.

Оскільки будівельні матеріали - як природні, так і штучні - неоднорідні за складом, то під дією води, солі і кислот, що містяться в ній, а також повітря вони руйнуються нерівномірно.

Дія солі дуже небезпечна в період кристалізації. Навіть насичені розчини не руйнують бетонні і кам'яні конструкції так, як солі, що залишаються після випаровування вологи. При кристалізації солі зростаючі кристали руйнують конструкцію. Багаторазове і тривале зволоження кон­струкцій сольовим розчином, що супроводжується випаровуванням вологи, призводить до їх руйнування.

Металеві конструкції зазнають корозії під дією всіх кислот.

З кам'яних матеріалів особливо чутливі до вуглекислоти (СаСО ₃), що міститься у воді, вапняки, доломіт, піщаники на вапняному зв'язуючому і бетони з щебенем з цих порід. Взаємодія вуглекислоти з матеріалами протікає поволі, але в результаті тривалої її дії на поверхнях конструкцій утворюються вицвіти, виступає вапно, що розклалося.

Під впливом сонячних променів і вологи на кам'яні матеріали вони знебарвлюються, причому зміна кольору не завжди означає втрату міцності. Наприклад, породи, що містять залізо, часто змінюють колір через його окислення, однак міцність їх поверхні при цьому навіть зростає.

Вплив ґрунтової води. Ґрунтова вода існує в природі у трьох виглядах:

- зв'язана (хімічно, гігроскопічно і осмотично ввібрана або плівкова);

- вільна, або рідка;

- пароподібна, що переміщується порами з місць з більшою пружні­стю водяної пари в місця з меншою її пружністю.

Ґрунтова вода взаємодіє фізично і хімічно з мінеральними та органіч­ними частками ґрунту. Всі види ґрунтової води знаходяться у взаємодії один з одним і переходять один в одного.

Вода в ґрунтах завжди являє собою розчин із змінними концентрацією і хімічним складом, що відбивається і на ступені її агресивності.

Оцінюючи агресивність ґрунтових вод, слід мати на увазі змінний її характер: з плином часу біля підземної частини споруд водний режим може змінюватися (рис.4.2), і при цьому агресивність середовища підвищується або знижується.

а)

б)

Рис.4.2. Коливання рівня ґрунтових вод біля підземної частини споруд (а)

і рівень ґрунтових вод за місяцями (б)

Рівень ґрунтових вод коливається в залежності від пори року, водопроникності ґрунтів та інших чинників. Найбільш високий рівень ґрунтових вод для середньої смуги колишнього СРСР спостерігається навесні, після танення снігу, а самий низький - в кінці літа і в кінці зими. Це необхідно враховувати при експлуатації споруд, відводячи воду і знижуючи її рівень в найбільш небезпечні періоди.

Агресивність ґрунтових вод по відношенню до різноманітних матері­алів зале­жить від їх реакції (кисла, лужна), концентрації, а також від виду матері­алу. Вплив ґрунтових вод на будівельні матеріали дуже різноманіт­ний. Так, наприклад, слабокислі розчини охороняють від гниття дерев'яні частини, стримують грибкові (гнильні) процеси, але окисляють і руйнують деякі метали. Лужні розчини в малих концентраціях сприяють збереженню бетону, але вони більш агресивні, ніж кислі, по відношенню до бітуму, асфальтобетону, дерева.

Ознак агресивності води дуже багато. За основні, що найчастіше, зу­стрі­чаються, ознаки агресивності води по відношенню до бетонних і кам'яних конструкцій прийняті такі:

- показник рН в залежності від тимчасової жорсткості В;

- тимчасова (карбонатна) жорсткість, мг/л;

- вміст сульфатів в перерахунку на SO ₄^2-,мг/л;

- вміст магнезіальних солей у перерахунку на іон Мg ²⁺, мг/л;

- вміст вільного вуглекислого газу (СО ₂).

В залежності від наявності у воді домішок і їх концентрації розрізняють такі види агресивності грунтових вод: загальнокислотну, лужнy, суль­фатну, магнезіальну і вуглекислу. Ступінь агресивності води і швидкість корозії матеріалів конструкцій оцінюються кількісно. Показники агре­сивності води встановлені в СНиП 2.03.11-85.

Вплив негативної температури. Деякі конструкції, наприклад, фун­даменти опор мостів на водотоці знаходяться в зоні змінного зволоження і заморожування. Негативна температура (якщо вона нижча розрахункової або не вжиті спеціальні заходи для захисту конструкцій від зволоження), що приводить до замерзання вологи в конструкціях і в грунтах підвалин, руйнуюче діє на споруди.

При замерзанні води в порах матеріалу обсяг її збільшується, що ство­рює внутрішні напруження, які зростають внаслідок стиску маси самого матеріалу під впливом охолоджування. Тиск льоду в замкнутих порах досягає великих значень - до 200кгс/см². Руйнування конструкцій в результаті заморожування відбувається тільки при повному насиченні матеріалу вологою. Вода при замерзанні збільшується в обсязі лише на 10%. Отже, якщо в порах є місце для розширення вологи, що замерзає, якщо вологість матеріалу конструкції не перевищує 85 %, то тиск на стінки не виникає. Такі конструкції витримують сотні циклів поперемінного заморожування і танення не руйнуючись.

Вода починає замерзати з поверхні конструкцій, а тому і руйнування їх під впли­вом негативної температури також починається з поверхні, особливо з ку­тів і ребер. Максимальний обсяг льоду виникає лише при температурі-22 °С,­ ко­­ли вся вода перетворюється на лід. Інтенсивність замерзання вологи залежить від обсягу пор. Так, якщо вода у великих порах починає переходити в лід при 0 °С, то в капілярних трубках вона замерзає тільки при -17 °С.

Пористі матеріали, що з’єднуються із зовнішньою поверхнею великими порами, не руйнуються. Якщо такі пори зв'язані волосяною мережею капілярів і всі вони заповнені вологою (насичений стан), то при її замерзанні вони руйнуються. Найбільш тривким до заморожування вважається матеріал з однорідними і рівномірними порами, найменш тривким - матеріал з великими порами, з'єднаними тонкими капілярами.

Напруга в конструкціях залежить не тільки від температури охолод­жування, але і від швидкості замерзання і числа переходів через 0 °С: воно тим сильніше, чим швидше відбувається заморожування.

Камені і бетони, що мають пористість до 15%, витримують 100-300 циклів заморожування. Зменшення пористості, а отже, і кількості вологи підвищує морозостійкість конструкцій.

Зі сказаного випливає, що при замерзанні руйнуються ті конструкції, що зволожуються; захистити конструкції від руйнування при негативних температурах - це означає захистити їх від зволоження.

Промерзання ґрунтів в підвалинах небезпечне для споруд, побудованих на глинястих і пилуватих ґрунтах, дрібно- і середньозернистих пісках, в яких вода по капілярних порах піднімається вище рівня ґрунтових вод і знаходиться у зв'язаному стані. Зв'язана вода замерзає не відразу і по мірі замерзання переміщається із зон товстих оболонок в зони з оболонками меншої товщини, тобто в процесі замерзання грунту вода підтягується з нижніх шарів.

Явище промерзання і випинання ґрунтів небезпечне тільки для наземних споруд, оскільки вже на глибині приблизно 1,5м від поверхні немає різниці в коливаннях температури дня і ночі, а на глибині 10-30м не відчуваються зміни температури взимку і влітку.

Вода в ґрунтах підвалин незалежно від того, чи є вона поверхневою, ґрунтовою або капілярною, завжди створює небезпеку промерзання ґрунту у зв'язку з підвищенням його теплопровідності при зволоженні. Оскільки при замерзанні вологи і додатковому підтягуванні, викликаному замер­занням, вміст її в ґрунті збільшується на 5-10 % і більше, при різкому таненні ґрунт нерідко повністю розріджується і втрачає свою несучу здатність. Становище посилюється, якщо навесні в підвалину надходять ще і талі води. В таких випадках більш небезпечним стає навіть не саме випи­нання, а його наслідки - деформації при таненні зволоженої підвалини.

Пошкодження споруд через випинання підвалин відбуваються як з вини проектувальників і будівельників, якщо вони неправильно призначають заглиблення фундаментів, так і з вини експлуатаційників, які допускають зрізку і зволоження ґрунту навколо споруд, розкриття закритих споруд для ремонту взимку і т.п.

Вплив блукаючих струмів. Підземні металеві і залізобетонні кон­струкції, якщо вони ніяк не захищені, можуть руйнуватися під дією блу­каючих струмів.

Блукаючі струми в землі і в конструкціях з'являються через витік електроенергії з рейок електрифікованих залізниць, що працюють на постій­ному струмі, або виникають від інших джерел (рис.4.3).

Рис.4.3. Схеми виникнення блукаючих струмів у землі (а) і корозії залізобетонної

конструкції, розташованої в ґрунті (б): 1 - кабель; 2 - труба; 3 - арматура;

4 - прокородовані ділянки бетону з низьким електроопором

Блукаючі струми, зустрічаючи на своєму шляху металеві конструкції - трубопровід, кабелі, металеву ізоляцію та інші елементи, що мають більшу, ніж ґрунт, провідність, переходять на них. В місці входу струму в конструкцію утворюється катодна зона і протікає реакція відновлення, тобто підлуговування ґрунту, а при значній щільності струму - виділення водню. Там же, де ґрунти мають високу електропровідність і електричний струм знов стікає в ґрунт, на конструкції утворюються анодні ділянки - відбу­вається стікання в ґрунт іонів металу, тобто його руйнування.

Заміри величини блукаючих струмів показують, що вони розповсю­джуються на десятки кілометрів у різні боки від джерела і в більшості випадків, потрапляючи на конструкції, мають велику силу - до 300-500 Å.

Розповсюдження блукаючих струмів залежить від електропровідності ґрунтів, що в свою чергу залежить від їх вологості, складу і концентрації розчинних речовин, концентрації водневих іонів та інших чинників.

Інтенсивність руйнування металу в місці стікання електричного струму залежить від його сили і підкоряється закону Фарадея, який полягає в тому, що кожний іон металу переносить однакову кількість електрики, що називається постійною Фарадея. За розрахунками на основі цього закону, струм у 1 Å, стікаючи з конструкції, протягом року виносить (розчиняє): заліза - 9,12кг, свинцю -33,8кг і т.д.

Закономірності витоку струмів і їх розподілу в землі і на конструкціях дуже складні, бо залежать від багатьох чинників: від джерела струму і розташування його по відношенню до землі, від питомого електроопору шарів ґрунту, від характеру ізоляції конструкції та ін. На практиці корозій­ний стан будинків, що знаходяться в зоні блукаючих струмів, найчастіше оцінюється дослідним шляхом: вимірюється потенціал окремих ділянок конструкцій, визначаються сила і напрям струму, густина струму та інші характеристики.

Прийнято вважати небезпечною середньодобову густину струму витоку понад 0,15мА/дм², яка вимагає захисту конструкцій,.

Важливо відзначити, що корозія від блукаючих струмів має, як правило, місцевий характер: електричний струм стікає з конструкції в місці пошкод­ження або відсутності гідроізоляції. Місцева корозія більш небезпечна, ніж рівномірна. Тому несуцільність ізоляції підземних конструкцій в зоні блу­ка­ючих струмів призводить до більш швидкого руйнування конструкції, і чим менші ці зони, тим вища концентрація стікання та інтенсив­ні­ше руйнування.

На об'єктах, розташованих на відстані від електрифікованих залізниць, блукаючих струмів звичайно немає.

Вплив сейсмічних хвиль. Приймання споруд в районах, що належать до зон землетрусів, і їх експлуатація визначаються сейсмічними явищами.

Землетруси - одні з найбільш грізних сил природи, що виникають внаслі­док процесів усередині Землі, зв'язаних з формуванням її надр і утворенням гір. Це коливання, що розповсюджуються в Землі і передаються через підвалини на споруди. Щорічно на Землі відбувається до ста тисяч землетрусів, що фіксу­ються приладами; з них люди відчувають біля десяти тисяч, причому приблизно сто землетрусів призводить до великих руйнувань. В середньому один землетрус у рік носить катастрофічний характер. Більшій частини території колишнього Радянського Союзу руйнівні землетруси не погрожують. Вони відбуваються, головним чином, в гірських районах, де земна кора більш рухома і нестійка, бо гірські хребти є молодими формуваннями. Тому в таких районах надається важливе значення антисейсмічному будівництву. При землетрусі в результаті переміщення часток гірських порід виникають пружні хвилі, які називаються сейсмічними. Вони розповсюджуються у поверхневих шарах Землі з величезною швидкістю: повздовжні - від 5 до 8км/с, поперечні - від 3 до 5 км/с.

Сила землетрусу, що діє на споруду, залежить від відстані до епіцентру та його глибини, від геології місцевості та гідрогеології ділянки забудови.

Наслідки землетрусів залежать від просторової жорсткості, розмірів, форми і ваги будинків, а також від кількості і характеру поштовхів. Най­більш небезпечні для будинків горизонтальні складові коливань грунту.

У нашій країні оцінка можливих землетрусів при проектуванні споруд здійснюється за ГОСТ 6249. Сила землетрусу в балах визначається за спеціальною шкалою величиною максимального зміщення пружного маят­ника сейсмометра.

Землетруси силою в 6 балів і менше не викликають небезпечних по­шкод­жень, а землетруси силою в 10 балів і більше настільки руйнівні, що протидіяти їм звичайними засобами підвищення сейсмостійкості неможли­во. Тому в районах, де імовірні такі землетруси, будівництво звичайно не ведеться. Отже, споруди можуть бути захищені від землетрусів силою 7-9 балів. В районах із сейсмічністю в 9 балів зведення споруд першої категорії супроводжується додатковими антисейсмічними заходами.

Ступінь руйнування будинків і споруд в одному сейсмічному районі може бути неоднаковим завдяки різним конструктивним типам споруд, різній якості будівельних матеріалів, специфіці виконання робіт і характеру підвалин. Так, наприклад, на слабких підвалинах руйнування завжди біль­ше, ніж на стійких. При одній і тій же інтенсивності землетрусу одні спо­руди можуть зазнавати більших пошкоджень, ніж інші, якщо у них погане зчеплення каменю з розчином, і т.п.

В колишньому Радянському Союзі складені спеціальні карти сейсміч­ного районування з вказівкою небезпечних районів і сили можливих землетрусів в балах в таких районах, розроблені і впроваджуються в практику правила будів­ниц­тва, що запобігають руйнуванню споруд і безпеку людей. Необхідно стежити за точним дотриманням їх на будівництві, а також вчасно оглядати і ремонтувати споруди під час експлуатації.

Вплив технологічних процесів. Кожна споруда проектується і буду­ється з урахуванням впливу на неї процесів, що передбачаються. Однак через неоднакову стійкість і довговічність матеріалів конструкцій і різного впливу на них середовища знос їх нерівномірний.

Стиснені елементи та елементи з великим розміром перерізу, що працюють при ста­тичних навантаженнях, зношуються повільніше, ніж згинаємі і розтяг­нуті тонкостінні, що працюють при динамічному навантаженні, в умовах висо­кої вологості і високої температури.

Кислотостійкими є породи з високим вмістом кремнезему (кварц, граніт, діабаз), нестійкими, що містять вапно (доломіт, вапняк, мармур); інші – луго­стійкі.

Опалена цегла стійка навіть в середньокислому і середньолужному середовищах. Для неї небезпечні плавикова кислота і розчин їдкого натру, вона буде руйнуватися також при сольовій корозії. Сухий бетон морозо­стійкий, однак пересушування його при температурах вище 100 °С при­зводить до сушіння, припинення гідратації, усадки, температурних дефор­мацій. Попередньонапружений залізобетон втрачає свої якості вже при темпе­ратурі понад 80 °С в результаті зниження напруження в арматурі. З цього випливає, що при високих температурах бетон застосовувати недо­ціль­но.

Основним засобом підвищення стійкості і довговічності бетонних і залізобетонних конструкцій в умовах агресивних середовищ є збільшення їх щільності і непроникності захисними покриттями, тампонажними роз­чинами або спільно тими й іншими.

Дерев'яні конструкції швидко руйнуються при підвищеній вологості, в застійному повітрі, при впливі гарячих лугів і сильних кислот. Деревина, особливо хвойних порід (смолистих), незамінна в умовах сольової корозії хлористих солей калію і натрію, в слабокислому середовищі. Деревина, просочена полімерними складами (наприклад, бакелітом), клеями та інши­ми речовинами, набуває підвищеної стійкості та довговічності.

Мінеральні масла хімічно неактивні по відношенню до бетону, але вони негативно на них впливають, бо їх поверхневий натяг в два-три рази менший, ніж води, вони мають більшу змочуючу здатність і більшу силу капілярного підняття: масло, що потрапило на бетон, глибоко проникає в нього, розклинює частки, ізолює зерна цементу від вологи і припиняє завдяки цьому подальшу їх гідратацію. Відносне зниження міцності бетону під дією пролитого масла тим значніше, чим вище водоцементне відношення: із збільшенням пористості бетону зростає його насиченість розчинами, в тому числі і маслами.

Стан виробничих споруд з агресивними середовищами значно залежить від культури виробництва – герметизації і захисту конструкцій, від­ведення агресивних виділень від споруди, посиленої вентиляції, негайного змиву промислових стоків. Важлива також культура технічної експлуатації: чим вище агресивність середовища, тим час­тіше повинні проводитися обсте­жен­ня і можливо швидше відновлюватися конструкції, що почали руй­нуватися.

Дата добавления: 2015-08-20