Оценка технического состояния зданий и их конструктивных элементов

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЗДАНИЙ И ИХ КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

СТАРЕНИЕ И ИЗНОС МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИЙ

Здания и сооружения в процессе эксплуатации подвергаются воздействию агрессивных сред природного и техногенного характера. В результате указанных воздействий происходит изменение первоначальных свойств материалов конструкций и инженерного оборудования. В зависимости от того, какие именно параметры материалов изменяются под воздействием внешних факторов, различают две формы изменений - старение и износ.

Старение - это процесс изменения физико-химических свойств материала конструктивного элемента при длительной естественной выдержке, т.е. в результате воздействия на конструкцию окружающей среды, механических нагрузок, связанных с технологическими процессами в здании. Старение материала предшествует его разрушению. Оно носит необратимый характер. Разрушение конструкции под воздействием нагрузок происходит в месте наиболее опасного дефекта. В отличие от нагрузок факторы окружающей среды действуют равномерно или избирательно в одном или нескольких местах конструкции и сопровождаются интенсивным физическим износом.

Износ - это изменение размеров, формы, массы технического объекта или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок либо из-за разрушений поверхностного слоя.

Вследствие старения и износа наступает разрушение материала конструкции. Различают три случая разрушения:

1) большие статические или динамические нагрузки вызывают значительные, превышающие допустимые напряжения в материале;

2) совместное воздействие механических нагрузок и факторов окружающей среды, каждый из которых активизирует общее воздействие;

3) значительная агрессивность окружающей среды при малых напряжениях от статических или динамических нагрузок приводит к разрушению.

Наиболее значимы в разрушении материала факторы окружающей среды. Механические нагрузки приводят к активизации процессов, связанных с воздействием окружающей среды.

В условиях эксплуатации сооружений обычно наблюдаются второй и третий случаи разрушения конструкций.

Значительное влияние на износ конструкции оказывает микроструктура материала.

Вещества в природе, как известно, находятся в четырех агрегатных состояниях: жидком, твердом, газообразном и плазменном. Материалы, применяемые для конструкций зданий, твердые, поэтому в отличие от газов и жидкостей они обладают упругостью. При изменении формы тела под действием внешних сил возникают силы упругости, стремящиеся возвратить его в первоначальное состояние.

Существуют две разновидности агрегатного состояния твердого тела - аморфная и кристаллическая. Аморфные тела можно рассматривать как жидкости с высоким коэффициентом вязкости. Аморфные тела не имеют четко выраженной температуры плавления. Молекулы расположены беспорядочно, и вещество изотропно, т.е. имеет одинаковые физические свойству по всем направлениям, по отношению к которым они определены. Кристаллами называют твердые тела, обладающие упорядоченной трехмерной периодической пространственной атомной структурой и имеющие вследствие этого при определенных условиях образования форму многогранников. Кристаллическое состояние - это термодинамическое равновесное состояние твердого тела. Каждой твердой фазе фиксированного химического состава соответствует одна определенная кристаллическая структура. Кристалл может и не иметь форму многогранника, но он обладает рядом физических свойств, которые отличают его от аморфного тела. Характерные свойства кристаллических веществ:

1) однородность (в любых участках тела свойства тождественны). Некоторые свойства (скалярные) не зависят от направления в материале: теплоемкость, плотность; ряд свойств зависит от направления, по отношению к которому они определены: теплопроводность, диэлектрическая и магнитная проницаемость преломление света. Такая зависимость называется анизотропной. Анизотропия свойственна поликристаллитам, жидким кристаллам, природным и синтетическим полимерным веществам;

2) симметричность, т.е. они обладают свойством совмещаться в разных положениях с исходным.

Наименьшее число атомов кристалла, сохраняющее при уменьшении его размеров свойственную данному кристаллу симметрию, называется элементарной ячейкой. Из таких ячеек слагается кристаллизационная решетка твердого тела, состоящая из огромного числа атомов. Атомы (ионы) образуют узлы кристаллической решетки. Промежутки между узлами называют междоузлиями. Кристаллическую решетку можно рассматривать как совокупность миллиардов приложенных друг к другу элементарных ячеек. Большинство природных и синтетических твердых тел - поликристаллические, т.е. представляют собой агрегаты хаотически ориентированных мелких кристалликов разного размера и неправильной формы, которые называют кристаллитами или кристаллическими зернами. Свойства поликристаллитов определяются свойствами кристалликов, из которых они образованы, величиной, взаимным расположением и силами их взаимодействия. Чтобы выявить отличие от поликристаллов, крупные кристаллы обычно называют монокристаллами.

Классификация кристаллов по типам кристаллических решеток дает представление о геометрической характеристике кристалла. Физические характеристики материала зависят от природы сил, удерживающих атомы (молекулы, ионы) в узлах решетки. В зависимости от физической природы этих сил различают четыре типа кристаллических решеток: ионные, атомные, металлические и молекулярные. В узлах ионных решеток чередуются положительные и отрицательные ионы, электростатические силы притяжения, между которыми больше сил отталкивания. Поэтому такие решетки стабильны, что характерно для материалов неорганического происхождения. Преобладание сил притяжения между разноименными ионами над силами отталкивания наблюдается только в том случае, если расстояние между центрами ионов больше суммы ионных радиусов. Малейшее уменьшение этого расстояния вызывает значительное преобладание сил отталкивания электронных сфер, что дает основание рассматривать модель ионов как твердые шары. Число ионов противоположного знака, составляющих ближайшее окружение данного иона в кристалле, называется координационным числом (отношение радиусов разноименных ионов). С повышением температуры радиусы разноименных ионов меняются неодинаково (радиус аниона увеличивается быстрее, чем катиона), что вызывает изменение координационного числа и перестройку кристаллической решетки. При этих изменениях возникают дополнительные напряжения в материале, часто сопровождающиеся деформациями в виде микротрещин, особенно на границе кристаллических зерен, составляющих блочную структуру материала.

Структурные единицы атомных решеток - нейтральные атомы, ковалентно связанные друг с другом при образовании общей пары валентных электронов (по одному от каждого атома). Такие электроны называются общественными, так как при малых расстояниях между атомами вероятность нахождения электрона на орбите "чужого" атома очень велика. При ковалентной связи ярко выражено направление взаимодействия между элементарными частицами. Такую связь имеют углерод и кремний. Сила связи между атомами значительно снижается с увеличением расстояния между ними. Все элементы при кристаллизации могут иметь разные модификации, существующие в определенных диапазонах температуры и давления. Способность одного и того же вещества кристаллизоваться в различных кристаллических структурах называется полиморфизмом. Например, олово может быть в двух модификациях а-Sn (серое) и b-Sn (белое). Полиморфное превращение одной модификации в другую происходит при определенных условиях давления и температуры. Процесс перекристаллизации в этих условиях неизбежен, так как он обусловлен стремлением вещества находиться в устойчивом термодинамическом состоянии. Перекристаллизация связана с возникновением внутренних напряжений в материале конструкции или на границе вновь образовавшихся кристаллических блоков и раздела в композиционных материалах.

Узлы металлических решеток заняты положительно заряженными ионами, в междоузлиях находятся подвижные электроны. Радиус иона значительно больше в металле, чем в другом соединении. Особенность металлических связей объясняется тем, что узлы решетки расположены очень близко друг к другу и валентные электроны переходят от одного атома к другому, образуя в общей массе так называемый электронный газ. Под влиянием стягивающих сил взаимодействия электронов с ионами и отталкивающих сил между ионами последние располагаются на фиксированном равном расстоянии друг от друга. Большинство металлов обладают полиморфизмом. Характер металлических связей обусловливает многие физические характеристики металлов: пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость и др.

В узлах молекулярных решеток находятся молекулы, связанные ван-дер-ваальсовыми силами притяжения. Различают три типа взаимодействия: ориентационный, индукционный, дисперсный. В кристаллах могут одновременно проявляться все три типа взаимодействия. Молекулярные силы значительно слабее кулоновских, поэтому молекулярная связь легко разрушается при повышении температуры. Молекулярная связь имеется во многих органических веществах.

Дефекты кристаллов - это несовершенство кристаллического строения, нарушение периодического расположения частиц в узлах кристаллической решетки. Дефекты подразделяются на нуль-мерные (точечные), одномерные и двумерные. К нуль-мерным относятся энергетические, электронные и атомные. Энергетические дефекты появляются вследствие искажения кристаллической решетки, вызванного тепловым движением элементарных частиц в ее узлах. При повышении температуры частицы, обладая кинетической энергией, отклоняются от среднего положения, т.е. расстояние между узлами кристаллической решетки увеличивается. Линейная зависимость теплового расширения справедлива для реального материала, представляющего блочную структуру - поликристаллическое тело. Отдельные блоки - монокристаллы обладают анизотропностью теплового расширения, что вызывает на границах зерен неодинаковые линейные расширения, сопровождающиеся деформациями с образованием микротрещин. Так, у кристаллов кальцита при нагревании по одной оси происходит расширение, по двум другим - сжатие. К энергетическим дефектам кристаллов относятся также временные несовершенства решетки, вызываемые взаимодействием радиации (света, рентгеновского излучения и др.). Атомные дефекты проявляются в виде вакантных узлов, внедрения атома в междоузлие, замещения атома материала чужеродным атомом или ионом. К линейным дефектам относятся краевая и винтовая дислокация. К двумерным дефектам относятся границы между зернами кристаллов, ряды линейных дислокаций и др. Энергия раздела на границе кристаллических блоков или зерен зависит от силы взаимодействия между ними, а также угла разориентирования систем. Поверхность раздела между зернами получает равновесную форму в процессе производства изделий. Дефекты такого типа образуются обычно в бетонных и керамических изделиях при термической обработке. Если граница раздела происходит внутри материала, то силы взаимодействия могут вызвать образование микропор или микротрещин. Точечные дефекты имеются в любом кристалле, они могут появляться и исчезать под действием тепловых флуктуаций. Даже небольшая концентрация точечных дефектов вызывает значительные изменения физических характеристик материала. Дислокации, являющиеся протяженными дефектами кристалла, охватывают большое число узлов решетки. Они могут взаимодействовать с точечными дефектами, при этом их рост тормозится или усиливается. Число дислокаций не зависит от температуры материала.

Причиной низкой прочности строительных материалов является наличие трещин, возникающих либо до приложения механических нагрузок, либо в процессе нагружения и эксплуатации. Наибольшее распространение в строительстве получили хрупкие материалы, обладающие малой вязкостью.

Рассмотрим влияние агрессивности окружающей среды на разрушение материала. Факторы окружающей среды действуют равномерно или избирательно в одном или нескольких местах конструкции. Чаще всего такие процессы не вызывают немедленного разрушения, но сопровождаются интенсивным физическим износом материала конструкции. Интенсивность действия среды на процессы износа и разрушения материалов конструкций в значительной степени зависит от состояния окружающей среды. В одних случаях конструкции из одинаковых материалов служат надежно много лет, а в других случаях быстро выходят из строя. Чтобы понять причины износа, нужно проанализировать воздействия, которым подвергаются сооружения в процессе службы.

Факторы, вызывающие износ конструкций, указаны на рис.1.

Рис.1. Факторы, вызывающие износ и старение конструкций здания:

а - виды воздействий: А - со стороны подземной части здания; Б - атмосферные явления; В - технологическая среда; Г - техногенные; б - структурная схема воздействия на здание агрессивных факторов