«М.Е. Д е м е н т ь е в а ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗДАНИЙ: ОЦЕНКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ Учебное пособие МОСКВА – 2008 УДК 69.059.1 Дементьева М.Е. Техническая эксплуатация зданий: ...»

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТРОИТЕЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

М.Е. Д е м е н т ь е в а

ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ЗДАНИЙ:

ОЦЕНКА И ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ

СВОЙСТВ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

Учебное пособие

МОСКВА – 2008 УДК 69.059.1 Дементьева М.Е. Техническая эксплуатация зданий:

оценка и обеспечение эксплуатационных свойств конструкций зданий: Учебное пособие для студентов специальности 270105 «Городское строительство и хозяйство»/Моск. гос. строит. ун-т. – М.: МГСУ, 2008. – 227 с.

В пособии рассмотрены основные понятия теории надежности, проанализированы факторы воздействия на строительные конструкции и причины изменения эксплуатационных свойств конструктивных элементов зданий, приведена методология оценки эксплуатационных параметров строительных конструкций, даны их характерные повреждения и способы устранения, рассмотрены вопросы эксплуатации основных конструкций зданий.

В приложениях приведены сведения по срокам службы конструктивных элементов, состав работ по техническому обслуживанию и ремонту конструкций зданий.

Пособие адресовано студентам, обучающимся по специальности 270105 «Городское строительство и хозяйство».

Ил. 77, табл. Р е ц е н з е н т ы:

доцент, канд. техн. наук В.М. Калинин (МГСУ) профессор, канд. техн. наук В.П. Князева (МАРХИ)

ВВЕДЕНИЕ

Московский регион – один из крупнейших урбанизованных регионов мира. Здесь на площади менее 0,3% территории страны проживает около 16 миллионов человек, или каждый 10 россиянин. Стратегическая цель градостроительного развития Московского региона – создание гуманной к человеку, экологически безопасной среды, обеспечение высокого качества жизни нынешним и будущим поколениям людей.

На сегодняшний день одной из приоритетных задач развития можно назвать сохранность жилищного фонда и улучшение жилищных условий. В Москве решению этих проблем уделяется большой внимание. Так, ежегодные затраты на капитальный ремонт жилых зданий составляют треть средств, вкладываемых в новое строительство. Задача сохранения и обновления существующего жилищного фонда при капитальном ремонте, реконструкции чрезвычайно актуальна с точки зрения повышения комфортности проживания, улучшения использования площади существующей застройки, сокращения энерго- и ресурсозатрат.

Демонополизация и развитие конкурентной среды в сфере обслуживания жилья, развитие договорных отношений, наличие многообразия собственников жилья, привлечение частного бизнеса к выполнению работ по содержанию и ремонту жилищного фонда определяют необходимость пересмотра традиционных подходов к вопросам содержания жилищного фонда.

В современных условиях решение проблемы дальнейшей эксплуатации жилищного фонда настоятельно требует научного исследования комплекса сложных вопросов по содержанию, обследованию существующих зданий, выявлению первоочередности ремонта, реконструкции или модернизации в зависимости от их физического состояния, морального старения, в том числе и экономической оценки различных вариантов перепланировки, переоборудования и преобразования зданий. Для этого специалистам в области жилищного хозяйства необходимо знать закономерности износа и старения строительных материалов, принципы эксплуатации в условиях современной изменившейся экологической ситуации в городе, уметь принимать обоснованные с технической и экономической точки зрения решения.

1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЗДАНИЙ

1.1. Задачи технической эксплуатации зданий, особенности эксплуатационного процесса Техническая эксплуатация зданий – это комплекс технических и организационных мероприятий, направленных на обеспечение нормального функционирования элементов зданий и сооружений, а также прилегающей городской территории.

Основной задачей технической эксплуатации зданий и городских территорий является обеспечение комфортного и безопасного использования их помещений и территорий для определенных целей в течение всего нормативного срока службы.

Здания и сооружения являются продуктами очень длительного потребления, поэтому их качество формируется на таких основных этапах жизненного цикла, как:

I - проектирование, в процессе которого закладывается стоимость здания;

II - строительство, в результате которого здание приобретает свою потребительскую стоимость;

III - эксплуатация, в процессе которой стоимость здания падает.

Стоимость, руб.

Время, год

I II III

Рис. 1.1. Изменение стоимости здания на этапах его жизненного цикла.

Следовательно, под технической эксплуатацией понимается стадия жизненного цикла объекта, на которой реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество.

Недоучет различных факторов на любой стадии жизненного цикла объекта приведет в конечном итоге к снижению его качества, поскольку существует непосредственная взаимосвязь этапов проектирования, строительства и эксплуатации:

Проектные объемно-планировочные и конструктивные решения должны быть целесообразными и надежными в эксплуатации. Неправильный подбор материалов, а также устаревшие объемно-планировочные решения приведут к дополнительным затратам в процессе эксплуатации на ремонт конструкций и на перепланировку помещений.

На величину затрат в процессе эксплуатации здания влияет также и качество строительства. Низкое качество материалов и строительно-монтажных работ приведет к возрастанию затрат на ремонты в будущем.

Уровень и качество технической эксплуатации зданий непосредственно влияет на износ зданий и, таким образом, на ежегодный объем нового строительства. Чем ниже уровень технической эксплуатации, тем больше зданий, которые будут преждевременно изнашиваться. Поэтому требуются дополнительные затраты либо на восстановление существующих зданий, либо на строительство новых.

Поскольку эксплуатационный процесс является наиболее продолжительным из всех этапов жизненного цикла здания, очевидно, что он наиболее продолжительно влияет на качество здания. Следовательно, рассматривая особенности эксплуатационного процесса, можно выделить следующие из них:

- эксплуатационные процессы воздействуют на здание на наиболее длительном промежутке времени, поэтому имеют решающее влияние на его качество;

- в процессе эксплуатации устраняются те недостатки, которые были допущены при проектировании и строительстве (с помощью соответствующих строительных и проектных организаций);

- качество организации и проведения эксплуатационных мероприятий влияет на уровень комфорта жизни и деятельности населения.

Любое здание можно рассматривать как систему, каждый элемент которой имеет свой срок службы. Влияние многих случайных факторов приводит к тому, что сроки службы конструктивных элементов являются случайными величинами. В этой связи, а также с учетом различных экстремальных ситуаций сам процесс технической эксплуатации носит случайный характер.

Именно поэтому при решении задач по организации технической эксплуатации следует прибегать к математическому вероятностному аппарату.

1.2. Параметры надежности элементов зданий Качество здания зависит от свойств его элементов, соответствия их параметров нормативным или расчетным показателям и их способности выполнять заданные функции. В процессе эксплуатации возникают ситуации, когда конструктивный элемент не выполняет свои функции в полном объеме или его эксплуатационные показатели не соответствуют нормативным значениям.

Окончание эксплуатации всего здания определяется предельным состоянием, при котором дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена по требованиям безопасности, из-за неустранимого изменения технических характеристик конструктивных элементов, утраченных в процессе эксплуатации, или экономической нецелесообразности их восстановления.

Оценка состояния здания или его отдельных элементов базируется на теории надежности, которая позволяет разрабатывать оптимальную систему контроля за состоянием элементов, определять их техническое состояние, разрабатывать эффективную стратегию эксплуатационных мероприятий.

Надежность является определяющим свойством, общим для различных элементов здания. Сама по себе надежность не характеризует их высокое качество, но служит одним из свойств, определяющих качество каждого элемента здания.

Надежность – это свойство элемента выполнять свои функции в течение заданного промежутка времени с сохранением эксплуатационных характеристик.

С точки зрения надежности все элементы здания подразделяются на восстанавливаемые и невосстанавливаемые.

Восстанавливаемые элементы могут быть восстановлены (отремонтированы, заменены) в течение эксплуатационного периода.

Невосстанавливаемые элементы – это те элементы, которые ни разу не ремонтируют в процессе эксплуатации по техническим или экономическим соображениям.

Конструктивные элементы здания могут состоять из n-го количества элементов (стыки, полы, стеновые панели и т.п.), которые имеют последовательное или параллельное соединение.

При последовательном соединении элементов отказ хотя бы одного из них приводит к отказу всего соединения (например, трехслойная стеновая панель).

При параллельном соединении отказ всего соединения происходит только при отказе всех элементов (например, работа двух лифтов в здании).

Надежность, как свойство элемента, характеризуется рядом показателей: таких основных как безотказность, долговечность и ремонтопригодность, а также понятиями, характеризующими состояние объекта - исправность, работоспособность, предельное состояние, отказ.

Безотказность – основное свойство надежности элемента, т.е. способность элемента выполнять свои функции в течение заданного промежутка времени в заданных условиях эксплуатации без вынужденных перерывов на восстановление.

Долговечность – свойство элемента сохранять работоспособность до наступления предельного состояния с необходимыми перерывами на ремонт, наладку или техническое обслуживание.

Ремонтопригодность – свойство элемента, заключающееся в его приспособленности к выполнению ремонтов и технического обслуживания, т.е. к восстановлению работоспособности и исправности.

Исправность – это категория технического состояния элемента, при которой он полностью соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией, включая требования подготовки объекта к эксплуатации.

Работоспособность – это категория технического состояния элемента, при которой он способен выполнять в данный момент свои функции, сохраняя во времени значения основных параметров в пределах, установленных нормативно-технической документацией. При этом некоторые из численно оцениваемых контролируемых параметров не отвечают требованиям проекта, норм и стандартов, но имеющиеся нарушения требований, например, по деформативности, трещиностойкости, в данных конкретных условиях эксплуатации не приводят к нарушению работоспособности, и несущая способность конструкций, с учетом влияния имеющихся дефектов и повреждений, обеспечивается.

Предельное состояние – это категория технического состояния элемента, характеризующаяся снижением несущей способности и эксплуатационных характеристик и соответствующая технической невозможности или нецелесообразности его дальнейшей эксплуатации, обусловленная требованиями безопасности или неустранимым снижением эффективности (необходимость проведения страховочных мероприятий и усиления конструкций).

Аварийное состояние – категория технического состояния элемента, характеризующаяся повреждениями и деформациями, свидетельствующими об исчерпании несущей способности и опасности обрушения (необходимо проведение срочных противоаварийных мероприятий).

Отказ – это полная или частичная утрата элементом работоспособности.

Отказ является случайным событием, вероятность его возникновения зависит от внешних и внутренних факторов: качества материала, качества изготовления строительного элемента, качества выполнения монтажно-строительных работ, факторов окружающей среды, уровня эксплуатационных мероприятий и т.д.

Отказы классифицируют:

- по характеру проявления на постепенные (связанные с процессом старения и износа) и внезапные (характеризующиеся скачкообразным изменением эксплуатационных параметров элемента);

- по возможности использования элемента после отказа на полные и частичные;

- по связи между отказами отдельных элементов или их частей (например, в случае с многослойными конструкциями) на зависимые и независимые;

- по наличию внешних признаков на скрытые и очевидные;

- по причине возникновения на конструктивные, производственные, эксплуатационные;

- по периоду возникновения на отказы при испытаниях, в период приработки, в период нормальной эксплуатации и т.д.

Статистические данные обследования большого числа элементов зданий за продолжительный период времени показывают, как изменяется интенсивность отказов в течение всего периода эксплуатации (рис. 1.2.).

Интенсивность отказов, год- Рис. 1.2. Изменение интенсивности отказов в течение эксплуатационного периода.

В период приработки проявляются отказы, вызванные дефектами конструктивных элементов, а также недостатками строительства, монтажа. По нормативам технической эксплуатации зданий эти виды отказов устраняют строительные организации в течение гарантийного срока. Далее за устранение неисправностей отвечает эксплуатационная организация.

В период нормальной работы интенсивность отказов практически постоянна и основное влияние на надежность оказывают внезапные отказы, которые обусловлены:

- воздействием непредвиденных механических нагрузок, - воздействием неучтенных или изменившихся факторов внешней среды эксплуатации, - изменением эксплуатационных параметров элементов с течением времени. Среднее значение эксплуатационных свойств элементов сохраняется, но вследствие увеличения дисперсии (разброса параметров у однотипных конструкций) вероятность отказа элемента увеличивается.

В заключительный период (период старения и износа) интенсивность отказов возрастает вследствие старения, износа элементов, и на их надежность большее влияние оказывают постепенные отказы.

Показатели надежности могут быть определены статистическими или математическими методами. Основной показатель надежности – безотказность – может быть представлена как случайная величина, зависящая от времени исправной работы до момента возникновения отказа.

В качестве количественной характеристики безотказности пользуются показателем вероятности безотказной работы элемента Р(Z), которая означает вероятность того, что на определенном временном интервале не наступит отказ (рис. 1.3.):

Параметры надежности: Р(Z), f(Z), Рис. 1.3. Нормальный закон распределения параметров надежности (закон Гаусса).

где, (Z) – интенсивность отказов, которая показывает количество отказов элемента за определенный временной интервал.

Еще одним критерием безотказности может служить плотность распределения отказов элемента f(Z), т.е. среднее удельное число отказов за единицу времени:

На практике часто имеет место одновременное проявление внезапных и износовых (постепенных) отказов. В этом случае для оценки надежности элемента в период нормальной работы, т.е. при const, плотность распределения вероятностей и вероятность безотказной работы могут быть выражены как:

Вероятность безотказной работы элемента определяется в долях единицы и может принимать значения от 0 до 1. Эта величина является обратной функцией вероятности возникновения отказов I(Z) за тот же временной интервал, поэтому:

Невозможно заранее знать, сколько времени проработает тот или иной элемент до отказа, однако на основании статистических данных об отказах или на основании натурных или лабораторных испытаний можно определить вероятность того, что элемент откажет за некоторый временной интервал. Чем больше этот интервал, тем выше вероятность отказа и соответственно ниже вероятность безотказной работы элемента.

Если собраны статистические данные об отказах однотипных элементов, используя их можно подсчитать интенсивность отказов (Z) и приближенно определить вероятность безотказной работы Р(Z):

где, n(Z) – число элементов, отказавших к моменту Z;

N – общее число исправных элементов на начальный момент времени;

Z – период наблюдения от начального момента времени до времени Z.

В реальных условиях эксплуатации большинство элементов представляют собой сложные системы с последовательным, параллельным или смешанным соединением. При последовательном соединении элементов вероятность безотказной работы всей системы (ее надежность) будет ниже, чем надежность каждого отдельного элемента. При параллельном соединении принцип обратный: надежность всей системы будет выше надежности каждого из элементов.

Например, система состоит из двух элементов, вероятность безотказной работы которых равна Р1(Z)=Р2(Z)=0,9. Найти вероятность безотказной работы системы из двух элементов в случае последовательного и параллельного соединения можно следующим образом.

При последовательном соединении элементов системы вероятность безотказной работы будет определяться как:

Рс(Z)=0,9·0,9=0, При параллельном соединении элементов системы вероятность безотказной работы будет определяться как:

Рс(Z)=Р1(Z)·Р2(Z)+Р1(Z)·{1-Р2(Z)}+Р2(Z)·{1-Р1(Z)} где, Р1(Z)·Р2(Z) – вероятность того, что оба элемента находятся в работоспособном состоянии.

Р1(Z)·{1-Р2(Z)} – вероятность того, что только первый элемент находится в работоспособном состоянии.

Р2(Z)·{1-Р1(Z)} – вероятность того, что только второй элемент находится в работоспособном состоянии.

Рс(Z)=0,9·0,9 +0,9·(1-0,9)+0,9·(1-0,9)=0, Сложные смешанные системы рассчитывают, расчленяя их на отдельные звенья одного вида соединения – только последовательного или только параллельного. Элементы одного вида соединения для дальнейших расчетов представляют как один элемент с рассчитанной вероятностью безотказной работы. Все действия повторяются до тех пор, пока система не будет представлена одним видом соединения.

1.2.3. Долговечность. Сроки службы элементов Надежность строительных конструкций рассматривается, как правило, на заданном временном интервале, в качестве которого часто принимают срок службы элемента или его долговечность.

Долговечность элемента можно оценить по показателю среднего времени безотказной работы элемента:

Срок безотказной работы элементов зданий является непрерывной случайной величиной, принимающей любые значения, поскольку он зависит от ряда факторов, в том числе от качества изготовления материала, качества ремонтно-строительных работ по устройству, монтажу конструкции, интенсивности эксплуатационных нагрузок, воздействия факторов окружающей среды и пр.

При проектировании новых конструкций, разработке новых материалов прогнозирование их долговечности осуществляется на основании лабораторных испытаний или по аналогии с уже существующими объектами. При этом учитывается влияние только наиболее важных факторов на долговечность элемента.

Таким образом, рассчитывается нормативный срок службы.

Нормативный срок службы – это рекомендуемый срок эксплуатации до выполнения ремонта, определяемый технической документацией на основании результатов лабораторных испытаний или статистических данных об эксплуатации аналогичных конструкций.

Однако по совокупному воздействию неучтенные факторы могут значительно изменить особенности и условия эксплуатации элемента, вследствие чего одни и те же элементы зданий с одинаковым нормативным сроком службы в реальных условиях могут безотказно функционировать различное время и, соответственно, иметь различные фактические сроки службы и периоды проведения ремонтов.

Фактический срок службы – это срок эксплуатации конкретной конструкции до потери ею работоспособности.

Определение долговечности путем натурного наблюдения для строительных конструкций часто оказывается неприемлемым, т.к. срок их эксплуатации довольно значителен. Поэтому при подготовке проекта капитального ремонта или реконструкции здания следует учитывать опыт эксплуатации аналогичных по конструктивным решениям зданий, эксплуатируемых в одинаковых условиях. В первую очередь это относится к типовым зданиям, монтируемым из индустриальных конструкций.

Накопленная статистика по дефектам и отказам отдельных конструкций, с использованием нормального закона распределения сроков службы, позволяет обоснованно прогнозировать их фактические сроки службы, на основании которых можно определить средний срок службы.

Средний срок службы – это срок эксплуатации однотипных конструкций, рассчитанный на основе статистических данных об отказах этих конструкций за определенный период эксплуатации.

Разброс конкретных значений сроков службы элементов не бесконечен. В соответствии с нормальным законом распределения случайной величины (рис. 1.3) отклонение в большую или меньшую сторону от среднего значения имеет одинаковую вероятность. Чем выше отклонение конкретного срока службы по абсолютной величине от среднего значения, тем меньше его вероятность. Отклонение сроков службы элемента имеет предел, поэтому отклонения, превышающие его, маловероятны. Отклонение случайной величины от среднего значения в 3 соответствует вероятности 0,998.

Каждое конкретное значение срока службы Zi, зарегистрированное в процессе эксплуатации, может быть представлено через его среднее значение Zср и среднее квадратичное отклонение от него :

где, U(Zi) - квантиль нормального распределения, представляет собой коэффициент, отвечающий определенному уровню безотказной работы и определяемый по значению вероятности безотказной работы Р(Z).

– среднее квадратичное отклонение от срока службы, которое можно определить, составляя систему уравнений, соответствующих различным периодам наблюдений за состоянием элементов:

Зная среднее квадратичное отклонение, средний срок службы можно рассчитать по формуле:

В процессе эксплуатации возникает необходимость в проведении ремонтных работ, направленных на обеспечение необходимого уровня надежности здания, что требует определенных материальных затрат. В тоже время первоначальная стоимость здания уменьшается вследствие износа. Поэтому необходим выбор такого межремонтного периода, при котором учитывалась бы с одной стороны, полнота использования ресурса элемента, а с другой не было бы значительных затрат на устранение внезапных и износовых отказов. Отсюда вытекает понятие оптимального срока службы элемента.

Оптимальный срок службы – это срок службы, при котором удельные затраты на эксплуатацию будут минимальными (рис.

1.4).

Учитывая экономический показатель, не следует забывать и о необходимости поддержания достаточного уровня надежности элементов. Чтобы уменьшить интенсивность отказов в межремонтный период, элементы следует заменять в моменты, предшествующие интенсивному росту вероятности отказа, т.е. в пределах 3, в этом случае их безотказность возрастает.

Рис. 1.4. Оптимальный срок службы.

1 – снижение первоначальной стоимости в процессе эксплуатации за счет износа (приведенная оценочная стоимость здания);

2 – приведенные затраты на ремонты (плановые и непредвиденные) за весь эксплуатационный период;

3 – суммарные приведенные затраты на эксплуатацию.

1.2.4. Показатели ремонтопригодности Одним из параметров надежности является ремонтопригодность, т.е. приспособленность конструкции к восстановлению и замене. Особенно важно проводить предварительную оценку ремонтопригодности для сменяемых в процессе эксплуатации многоэлементных (например, многослойных) конструктивных элементов. Сюда, в первую очередь, относятся полы, кровли, стыки наружных панелей.

Комплексным показателем надежности многократно используемых конструкций является коэффициент готовности kг, который показывает долю времени выполнения объектом своих функций в полном объеме за весь расчетный период эксплуатации:

где, ti – время между отказами, когда элемент полностью выполнял свои функции;

tэ - расчетный период эксплуатации;

i – время восстановления элемента, в течение которого элемент не функционирует в полном объеме.

Поскольку срок службы здания значительно превышает время восстановления элемента, то наиболее показательным для определения свойств ремонтопригодности элемента или конструктивного решения здания в целом будет коэффициент использования ресурса kир, который учитывает полноту использования того или иного элемента и оперативность работы эксплуатационной службы:

где, ti – срок службы i-го элемента;

ti – недоиспользованный ресурс при эксплуатации элемента, представляющий собой разницу между сроком службы i-го элемента и межремонтным периодом;

mi – количество ремонтов элемента за весь период эксплуатации;

n – количество обследуемых элементов.

Удовлетворительным конструктивным решением считается такое, коэффициент использования ресурса которого более 0,9, в противном случае следует пересмотреть подбор основных конструктивных элементов с точки зрения равнозначности их сроков службы.

Зная величину коэффициента готовности и коэффициента использования ресурса, можно определить коэффициент ремонтопригодности элемента kр и коэффициент простоя kп:

Показательными критериями ремонтопригодности отдельных элементов являются время восстановления рабочего состояния конструкции, а также объем материальных и трудовых ресурсов, затраченных на ремонт или замену отказавших конструктивных элементов.

Поэтому для анализа ремонтопригодности конструкций используется также коэффициенты, позволяющие оценить конструктивное решение, технологичность элемента, время, затраченное на ремонт, материальные затраты.

Коэффициент доступности kд показывает долю затрат труда на выполнение замены отказавшего элемента от суммарных трудозатрат на ремонт конструкции из-за отказавшего элемента:

где, Тосн – затраты труда на выполнение основных операций в процессе восстановления работоспособности конструкции;

Твспом – затраты труда на выполнение вспомогательных операций в процессе восстановления работоспособности конструкции.

Коэффициент контролепригодности kк определяет долю элементов конструкции, состояние которых контролируется без разборки других элементов в процессе замены конкретного элемента:

где, N1 – число элементов, которые необходимо демонтировать, чтобы провести контроль работоспособности рассматриваемого элемента конструкции;

N2 – число элементов, контролируемых без демонтажа.

Коэффициент ремонтозависимости kрз учитывает необходимость вывода элемента до истечения его срока службы из состава конструкции при необходимости замены других элементов, т.е. полноту использования ресурса отдельными элементами конструкции:

где, Zз – срок службы элемента, зависимого от срока службы других элементов, входящих в комплекс данной конструкции;

Zнз – срок службы элемента, независимого от срока службы других элементов, входящих в комплекс данной конструкции.

Относительная стоимость восстановительных работ или стоимостной показатель ремонтопригодности показывает долю затрат на восстановление элемента в общих затратах:

где, Сосн – стоимость основных затрат на восстановление отказавшего элемента;

Собщ – стоимость общих затрат, связанных с восстановлением работоспособности всей конструкции.

Приступая к анализу ремонтопригодности конструкции, ее следует рассматривать поэлементно с учетом сроков службы всех элементов, трудоемкости и стоимости замены каждого из них. При этом необходимо рассматривать такой порядок восстановления конструкции, при котором основным заменяемым элементом является наименее долговечный. Прочие элементы, а также работы, связанные с их восстановлением, воспринимаются как вспомогательные.

Лучшим конструктивным решением будет такое, при котором сроки службы всех элементов совпадают. На практике этого добиться бывает крайне сложно, а зачастую невозможно. Поэтому допустимым может быть такое решение, при котором ремонтонезависимый элемент имеет наименьший срок службы, но необходимо, чтобы при этом соотношение срока службы ремонтнозависимого элемента к сроку службы ремонтонезависимого было кратным целому числу из соображений полноты использования ресурса каждого элемента конструкции.

1.2.5. Методы повышения надежности элементов Современные здания представляют собой совокупность огромного числа сложных конструкций, инженерных систем. Отказ любого элемента вызывает нарушение работоспособности всей системы или может привести к ее полному отказу. Надежность здания можно обеспечить техническими или организационными решениями, направленными на ограничение последствий отказов и увеличение безотказности системы.

К техническим методам повышения надежности относят локализацию отказов, зонирование и резервирование систем.

Локализация отказов заключается в отключении отказавшего элемента без прекращения функционирования остальной системы. Примером может служить отключение отопительного прибора на ремонт, при этом стояк отопления функционирует.

Зонирование предполагает разбивку системы на зоны, отказы в которых не приводят к выходу из строя всей системы.

Резервирование представляет собой подключение (введение) дополнительных элементов, дублирующих основные, при этом в случае отказа элемента его заменяет оставшийся и функционирование системы не прекращается.

Резервирование в значительно большей степени, чем зонирование связано с дополнительными затратами.

По принципу включения резервного элемента различают резервирование постоянное и замещением.

При постоянном резервировании резервный элемент работает и находится в равных условиях с основным. Такое резервирование представляет собой схему параллельного соединения элементов, при которой система остается работоспособной до тех пор, пока из строя не выйдет последний элемент.

При резервировании замещением каждый резервный элемент включается только в случае отказа предыдущего элемента, при этом резервный элемент не расходует свой ресурс, т.е. является ненагруженным.

Организационные методы повышения надежности также направлены на предотвращение отказов и уменьшение их последствий, основываясь на принципе снижения вероятности возникновения отказа. Они включают в себя разработку необходимых стандартов предприятия, правил технической эксплуатации инженерного оборудования, положений о проведении текущих и капитальных ремонтов, положений об ответственности за эксплуатацию инженерного оборудования.

Поскольку вероятность безотказной работы является функцией времени, то чем дольше элемент эксплуатируется, тем больше вероятность его отказа. Своевременное проведение предупредительных мероприятий (ремонтов, технического обслуживания) в оптимальный с экономической точки зрения период приведет к повышению безотказной работы элемента. С другой стороны в случае наступления отказа необходимо стремиться к минимизации времени его существования, чего можно добиться грамотной организацией работы эксплуатационной службы.

1.3. Основные эксплуатационные мероприятия Согласно «Правилам и нормам технической эксплуатации жилищного фонда» техническая эксплуатация включает в себя:

1. Управление жилищным фондом:

а) организацию эксплуатации;

б) взаимоотношения со смежными организациями и поставщиками;

в) все виды работы с нанимателями и арендаторами;

2. Техническое обслуживание и ремонт строительных конструкций и инженерных систем зданий:

а) техническое обслуживание (содержание), включая диспетчерское и аварийное;

б) осмотры;

в) подготовку к сезонной эксплуатации;

г) текущий ремонт;

д) капитальный ремонт;

3. Санитарное содержание:

а) уборка мест общего пользования;

б) уборка мест придомовой территории;

в) уход за зелеными насаждениями.

Комплекс технических эксплуатационных мероприятий в общем виде представлен двумя самостоятельными блоками задач: собственно технической эксплуатацией и обслуживанием населения (рис. 1.5).

Техническая эксплуатация Рис. 1.5. Комплекс эксплуатационных мероприятий.

Следовательно, техническая эксплуатация зданий и территорий представляет собой комплекс мероприятий, направленных на поддержание эксплуатационных качеств элементов в течение нормативного срока службы в заданных условиях эксплуатации, т.е. предназначенных для обеспечения эффективности и надежности работы здания.

1.3.1. Капитальный и текущий ремонт зданий Существует два принципиально различных подхода к назначению и выполнению плановых ремонтов (рис. 1.6):

- ремонт регламентированный (плановый) – выполняется с периодичностью и в объеме, установленном технической документацией, независимо от технического состояния элемента на начало ремонта (т.н. система ППР – плановопредупредительных ремонтов);

- по техническому состоянию (по потребности) – контроль технического состояния выполняется с периодичностью и в объеме, установленном в технической документации, а объем и начало ремонта определяется фактическим техническим состоянием.

Рис. 1.6. Классификация ремонтов по срокам и основаниям действия.

Регламентированный ремонт проще в организационном и экономическом отношении, но объем выполняемых работ выше, чем при ремонте по техническому состоянию.

Система планово-предупредительных ремонтов – это комплекс мероприятий по проведению текущего и капитального ремонтов зданий с определенной периодичностью.

Цель планово-предупредительных ремонтов – поддержание эксплуатационных параметров в течение не менее нормативного срока службы здания. Нормативный срок службы здания определяется в соответствии с его группой капитальности (таблица 1.1), устанавливаемой в зависимости от конструктивных характеристик основных несменяемых элементов, срок службы которых является наибольшим (фундаменты, стены, перекрытия).

Классификация жилых зданий по группам капитальности Груп капи- Тип зданий Характеристика конструкций службы, ности Особо капиталь- Стены кирпичные, крупноблочные и Каменные, облегшлакоблоков и ракушечника Деревянные, смешанные, сырцо- Стены деревянные, смешанные битные, саманные Стены каркасные глинобитные и фахверковые Перекрытия деревянные В общем случае мероприятия технической эксплуатации включают в себя:

- плановый капитальный ремонт предусматривает восстановление эксплуатационных характеристик элементов здания, выполнение работ по повышению благоустройства прилегающей территории.

Вследствие того, что срок службы здания значительно больше срока службы его отдельных элементов, происходит их износ и потеря первоначальных эксплуатационных характеристик.

Поэтому в течение всего эксплуатационного периода приходится их заменять один или несколько раз. Следовательно, условием назначения здания на этот вид ремонта является не наличие неисправностей в доме, а истечение сроков службы конструктивных элементов, которые необходимо заменить.

- плановый текущий ремонт включает своевременное проведение работ по предохранению элементов зданий от преждевременного износа.

Следовательно, принципиальные различия между текущим и капитальным ремонтом (рис. 1.7) заключаются в том, что при текущем ремонте выполняют работы, которые защищают элементы зданий от воздействия окружающей среды на определенном временном интервале, предупреждая их от преждевременного износа, а при капитальном ремонте устраняют износ конструкций (физический и моральный) путем восстановления эксплуатационных свойств.

Таким образом, капитальный ремонт здания представляет собой комплекс строительных и организационно-технических мероприятий по устранению физического и морального износа, не предусматривающих изменение основных техникоэкономических показателей здания или сооружения, включающих, в случае необходимости, замену отдельных конструктивных элементов и систем инженерного оборудования.

Текущий ремонт здания – комплекс строительных и организационно-технических мероприятий по устранению неисправностей (восстановлению работоспособности) элементов здания и поддержания нормального уровня эксплуатационных показателей.

Принцип назначения тоспособности или от- правности, восстановствия дельных характеристик ление ресурса элеменэлемента (предупреж- та, модернизация (устдение преждевремен- ранение физического и (поддержание элеменбазовые (полное устратов без полной ликвинение физического издации физического износа) Рис. 1.7. Классификация ремонтов по целям и масштабам действия.

Своевременно проведенные плановые ремонты предупреждают нарушение нормальной работы конструкций. Однако вероятностный характер возникновения неисправностей приводит к тому, что не исключены непредвиденные неисправности, которые устраняются в процессе проведения непредвиденных ремонтов.

- выборочный капитальный ремонт заключается в проведении нескольких наиболее срочных и необходимых работ, которые не могут быть приурочены к очередному ремонту.

- аварийный ремонт представляет собой работы по ликвидации последствий аварий, повреждений, вызванных стихийными бедствиями, серьезными нарушениями эксплуатационного режима и другими экстремальными ситуациями (пожарами, взрывами и т.д.).

Кроме текущего и капитального ремонта здания в строительной практике существует понятие реконструкция здания – комплекс строительных работ и организационно-технических мероприятий, связанных с изменением основных техникоэкономических показателей (нагрузок, планировки помещений, строительного объема и общей площади здания, инженерной оснащенности) с целью изменения условий эксплуатации, максимального восполнения утраты от имевшего место физического и морального износа, достижения новых целей эксплуатации здания.

Плановые ремонты выполняют на основании долгосрочных планов, которые должны разрабатываться эксплуатирующими управляющими компаниями.

Согласно правилам и нормам технической эксплуатации, денежных средств должна направляться на плановый ремонт, закладывается на непредвиденные работы (рис. 1.8).

репланировкой (реконструкция) Рис. 1.8. Виды текущего и капитального ремонтов.

В процессе эксплуатации необходимо выполнять работы по созданию эксплуатационных условий, предусмотренных проектом для безотказного функционирования элементов зданий. Невыполнение этих условий, как правило, приводит к усилению износа элементов и возникновению аварийного состояния конструкций. Например, несоблюдение температурновлажностного режима на чердаке приведет к усиленной коррозии металлических элементов крыши. Работы по контролю и учету технического состояния элементов зданий, созданию нормальных условий их работы, поддержанию их исправности, работоспособности, по наладке и регулированию инженерных систем входят в техническое обслуживание объекта.

Таким образом, техническое обслуживание (ТО) представляет собой комплекс операций по поддержанию работоспособности или исправности элемента при использовании его по назначению, а также экономичности его функционирования.

Принципиальные различия между техническим обслуживанием и ремонтами:

- по цели действия: ТО направлено на поддержание работоспособности – ремонты на восстановление работоспособности элемента.

- по характеру воздействия на элемент: ТО не изменяет величину физического износа – ремонты предупреждают или устраняют износ элементов.

- по состоянию элементов к началу действия: перед ТО работоспособность оборудования достаточна или минимальна – перед ремонтом работоспособность под угрозой или ресурс элемента по сроку службы выработан.

Техническое обслуживание включает следующие виды работ:

- санитарную очистку, уборку зданий и прилегающей территории домовладения;

- контроль технического состояния – осмотры элементов зданий;

- наладку и профилактику элементов инженерных систем;

- подготовку здания к сезонной эксплуатации;

- аварийно-диспетчерское обслуживание.

Контроль за техническим состоянием осуществляется путем проведения плановых и внеплановых осмотров, в результате которых выявляются неисправности и причины их появления, уточняются объемы работ по текущему ремонту и дается общая оценка технического состояния здания.

Осмотры можно выделить в отдельную группу мероприятий технической эксплуатации зданий. Они представляют собой так называемый надзор и контроль за эксплуатационными параметрами элементов зданий.

Осмотры бывают:

- общие (сезонные), когда осматриваются основные конструктивные элементы и инженерное оборудование здания. Такие осмотры проводят, как правило, 2 раза в год – весной и осенью.

- частичные осмотры проводятся по специальным графикам, прилагаемым к проектной документации отдельных элементов или оборудования.

- выборочные, проводимые в случае возникновения внештатных ситуаций.

Осмотры как система надзора предназначены для получения текущей информации о состоянии здания и никак не изменяют параметры комфорта и безопасности.

Наладка – это комплекс мероприятий, предусмотренных инструкцией по эксплуатации инженерного оборудования.

Профилактика – это комплекс мероприятий, регламентированных инструкцией по эксплуатации или направленных на предупреждение износа элемента.

В практике технической эксплуатации зданий можно выделить пять основных видов технического обслуживания элементов зданий:

- регламентированное ТО: периодичность и объем всех операций определены только технической документацией независимо от фактического состояния оборудования.

- ТО с периодическим контролем: периодичность и объем контроля основных операций определены технической документацией. Объем остальных операций определяет фактическое техническое состояние (т.н. осмотр и наладка).

- ТО с непрерывным контролем: выполняется по результатам непрерывного (автоматического) контроля технического состояния (например, контроль давления в системе тепловодоснабжения).

- ТО сезонное: подготовка к эксплуатации в осенне-зимний и весенне-летний период.

- специфический вид ТО: в экстремальных ситуациях (принятие срочных мер по предотвращению отказа в особых условиях, например, в условиях экстремально низких температур).

Часто на практике техническое обслуживание дифференцируют еще по частоте проведения (например, еженедельное, ежемесячное, ежеквартальное) и по содержанию операций.

Планирование мероприятий по технической эксплуатации элементов здания осуществляется на основании циклов ремонтов или циклов технического обслуживания.

Цикл – это наименьший повторяющийся интервал времени, в течение которого выполняются в определенной последовательности все установленные виды работ технического обслуживания или ремонта. Цикл характеризуется продолжительностью работ, наименьшим интервалом времени между ремонтными работами или работами по техническому обслуживанию, видами работ, количеством работ разного вида, составом работ.

При составлении перечня работ по эксплуатации здания учитывается то, что в состав работ более высокого уровня входят все совпадающие с ним по времени проведения работы более низкого уровня. Поэтому на практике часто совпадают по времени проведения работы различных мероприятий технической эксплуатации. Например, могут проводиться работы сезонного обслуживания и регламентированного, очередного планового текущего и планового капитального ремонтов.

Для каждого здания, сооружения разрабатывается индивидуальный план мероприятий по уходу и обслуживанию на основании свода правил технической эксплуатации. Его целесообразно составлять по трем основным группам:

1. периодический контроль, который включает наблюдения, контроль состояния, осмотры, проводящиеся еженедельно, ежемесячно, ежеквартально в зависимости от вида конструктивного элемента;

2. ежегодные мероприятия в виде проверки, сезонной профилактики, обследований;

3. мероприятия, выполняемые в среднем каждые 5-15 лет (ремонты).

Периодичность плановых ремонтов зависит от группы капитальности и износа основных конструктивных элементов здания (Приложение 1), от выбранных материалов, их срока службы.

Кроме перечисленных видов технических мероприятий эксплуатация включает и обслуживание населения.

Оценку качества эксплуатации можно произвести, исходя из следующих критериев:

- отсутствие повреждений строительных конструкций;

- содержание инженерных систем в соответствии с нормативными требованиями;

- соответствие наружного вида здания архитектурнопланировочным решениям;

- соответствие температурно-влажностного режима помещений нормативным значениям;

- соответствие санитарного состояния подъездов, лестничных клеток, маршей, лифтов, подвалов, чердаков, мусоропроводов действующим нормативным требованиям;

- соответствие состава и свойств холодной и горячей воды установленным нормативам;

- отклонения температуры горячей воды в точке разбора в пределах допустимых значений;

- допустимые отклонения температуры воздуха в жилых помещениях при условии выполнения мероприятий по утеплению помещений в пределах допустимых значений;

- другие критерии, зависящие от конкретных местных условий.

В приложении 2 представлен перечень работ, относящихся к техническому обслуживанию, текущему и капитальному ремонту. В приложениях 3 и 4 приведены нормы времени на устранение неисправностей и периодичность проведения осмотров элементов зданий.

Поскольку в большинстве случаев объемы ремонтновосстановительных работ, место и время их проведения носят вероятностный характер, то для определения наиболее целесообразных методов и сроков проведения работ необходимо знание законов старения, износа и разрушения строительных конструкций, а также изучение причин, вызывающих их.

2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ

2.1. Теоретические основы старения и разрушения элементов зданий и сооружений Надежность, экологическая безопасность и экономическая эффективность – таковы общие требования, предъявляемые к вновь возводимым и уже эксплуатируемым зданиям и сооружениям.

В процессе эксплуатации под воздействием агрессивных факторов внешней среды, особенностей технологических процессов происходит изменение свойств материалов и конструкций, увеличивается риск нарушения их качества и нанесения ущерба окружающей среде.

Несвоевременно выявленные и устраненные дефекты элементов зданий нередко перерастают в серьезные нарушения. Их последствия помимо значительных материальных затрат, связанных с восстановлением эксплуатационных свойств конструкций, приводят к социальному и экологическому ущербу.

Поэтому важно правильно и своевременно оценить состояние конструкций и оборудования зданий, спрогнозировать возможное развитие дефектов и разработать мероприятия по их стабилизации или устранению.

Для этого необходимо иметь представление о механизме разрушения и износа конструктивных элементов в процессе эксплуатации, о механизме влияния факторов внешней среды эксплуатации на строительные конструкции. Учет законов износа и старения материалов строительных конструкций позволяет более эффективно решать задачи повышения качества эксплуатации зданий.

В зависимости от того, какие первоначальные свойства материалов изменяются в результате действия внешних факторов природного или техногенного происхождения, различают две формы изменений – износ и старение.

Износ – это изменение параметров, формы, массы технического объекта или состояния его поверхности вследствие остаточной деформации от постоянно действующих нагрузок или из-за разрушений поверхностного слоя под воздействием окружающей среды.

Старение – процесс изменения физико-химических свойств и микроструктуры материала конструктивного элемента при длительной естественной выдержке, т.е. в результате воздействия на конструкцию окружающей среды и механических нагрузок, связанных с технологическими процессами в здании. Старение материала носит необратимый характер и предшествует его разрушению.

В процессе эксплуатации большинство конструкций работает под нагрузками, являющимися причиной образования трещин в материале, приводящих к ускоренному износу и разрушению материала.

Разрушение материала – это макроскопическое нарушение сплошности материала в результате тех или иных воздействий на него.

Различают следующие виды разрушений:

- начальное разрушение (образование и развитие трещин);

- полное разрушение (разрушение тела на две части и более);

- хрупкое разрушение (без значительной пластической деформации);

- пластичное разрушение (или вязкое);

- усталостное разрушение (в результате механических воздействий);

- длительное разрушение (под воздействием окружающей среды).

Разрушение под воздействием нагрузок происходит локально, в месте наиболее опасного дефекта. Иногда полного разрушения не происходит, но местные деформации достигают таких значений, что дальнейшая безотказная эксплуатация становится невозможной.

В отличие от нагрузок разрушение под воздействием окружающей среды происходит равномерно в одном или нескольких местах и сопровождается интенсивным физическим износом.

В зависимости от характера факторов, воздействующих на конструкцию, различают 3 случая разрушения:

- под воздействием нагрузок: большие динамические и статические нагрузки вызывают значительные, превышающие допустимые значения напряжений в материале;

- под воздействием факторов окружающей среды: значительная агрессивность окружающей среды даже при малых напряжениях от статических и динамических нагрузок приводит к разрушению материала конструкции;

- совместное воздействие механических нагрузок и факторов окружающей среды: каждый из факторов активизирует общее воздействие.

При правильном расчете строительной конструкции и учете всех нагрузок, воздействующих на нее в процессе эксплуатации, наиболее значимыми в разрушении материала будут факторы окружающей среды, поскольку учет влияния всех этих факторов не возможен. Механические воздействия в свою очередь приводят к активизации процессов, связанных с воздействием окружающей среды.

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

Любому разрушению предшествует повреждение – это начальная стадия разрушения отдельных строительных конструкций, т.е. потеря первоначальных свойств элемента при изготовлении, транспортировании, монтаже или эксплуатации.

Поскольку повреждение является начальной стадией разрушения, очень важно в процессе эксплуатации зданий оценить его характер и уровень опасности.

В зависимости от характера процессов разрушения различают следующие виды повреждений:

- механические (приложение нагрузки сверхрасчетной величины, например, не учтенное в расчетах дополнительное оборудование, деформация грунтов оснований, сейсмическое воздействие, механическое повреждение);

- физико-химические (коррозия, вызванная действием растворов кислот, солей, щелочей).

По степени разрушения можно выделить следующие группы повреждений:

- повреждения аварийного характера. Такие повреждения возникают, в первую очередь, в результате воздействия стихийных бедствий и чрезвычайных ситуаций (ливни, снегопады, затопление, пожары, взрывы), а также при ошибках и дефектах, допущенных в процессе изыскания, проектирования, строительства, при нарушении правил эксплуатации.

- повреждения несущих конструкций. Такие повреждения обусловлены влиянием внешних изменившихся факторов окружающей среды, технологических факторов, а также нарушениями правил эксплуатации.

- повреждение второстепенных элементов, например, отслоение штукатурки, плиток облицовки, сколы ступенек и т.д.

Повреждения аварийного характера устраняются при проведении аварийных ремонтов, повреждения несущих конструкций – при капитальном ремонте, прочие повреждения – при текущем ремонте здания.

Следующее понятие теории надежности – дефект. Дефект – отдельное несоответствие конструкции определенным параметрам, установленным нормативными или проектными требованиями. При проявлении дефектов, допущенных в ходе изыскания, строительства и эксплуатации, износ зданий ускоряется.

Следует иметь в виду, что в материале строительной конструкции на уровне микроструктуры всегда присутствуют дефекты различного происхождения и различной степени опасности.

Наиболее опасны дефекты в основных конструктивных элементах здания (основаниях, фундаментах, перекрытиях, стенах), т.к. их проявление ведет к повреждениям и разрушению всего здания.

2.2. Зависимость износа конструкций от микроструктуры На износ конструкции и характер повреждений значительное влияние оказывает микроструктура материала. Вещества в природе 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 пространственной атомной структурой в виде многогранников. Характерные свойства кристаллических веществ:

- однородность (в любых участках тела свойства одинаковы);

- анизотропность (зависимость свойств от направления, по отношению к которому они определены: теплопроводность, преломление света и т.д.) - скалярность (некоторые свойства не зависят от направления: теплоемкость, плотность);

- симметричность (совмещение в различных положениях с исходным положением).

Кристалл состоит из элементарных ячеек. В зависимости от физической природы сил, удерживающих элементарные частицы в узлах кристаллической ячейки, различают:

1) Ионные решетки.

В узлах чередуются положительные и отрицательные ионы (катионы и анионы), электростатические силы притяжения между которыми больше сил отталкивания, благодаря чему ионные решетки весьма стабильны. При повышении температуры радиусы анионов и катионов изменяются неравномерно, что приводит к перестройке кристаллической решетки и возникновению микротрещин в материале, деформациям, особенно на границе 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 электронов (ковалентная связь). Сила связи с увеличением расстояния между атомами значительно снижается. Происходит процесс перекристаллизации, т.е. в зависимости от внешних условий образуются различные модификации элементов. Примером такого элемента может служить углерод, олово.

3) Металлические решетки.

В узлах кристаллической решетки заняты положительно заряженные ионы бльшего радиуса, нежели чем в других решетках, расположенные очень близко друг к другу, в междоузлиях находятся подвижные электроны, образуя электронный газ. Ионы отталкиваются друг от друга и притягиваются электронами, тем самым находятся на фиксированном расстоянии. Большинство металлов обладают полиморфизмом, т.е. способностью образования различных кристаллических структур под воздействием внешних факторов. Характер металлических связей обуславливает такие свойства металлов, как пластичность, электропроводность, коррозионную стойкость и пр.

4) Молекулярные решетки.

В узлах решетки находятся молекулы, сила взаимодействия между ними слабее, чем в других видах кристаллических решеток, поэтому молекулярная связь легко разрушается под воздействием внешних факторов, например, температуры. Такая микроструктура 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 кристаллического строения, нарушение периодического расположения 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 связи с этим разрушение часто развивается одновременно с упругой или пластической деформацией. Соответственно, строительные материалы подразделяются на условно хрупкие и условно пластичные, поскольку абсолютно хрупких и пластичных материалов в природе не существует.

Большинство бетонных, каменных, силикатных и керамических изделий вплоть до разрушения испытывают незначительные пластические деформации. Учитывая особенности микроструктуры хрупких материалов и наличие в них микротрещин, под воздействием нагрузок возникают силы, которые стремятся раскрыть трещину. Наибольшие напряжения направлены на область, примыкающую к концу трещины на расстояние одной атомной связи. Таким образом, нагрузки концентрируются на одной цепочке, и когда она разрушается, нагрузки перемещаются на следующую связь.

Несколько по-иному разрушаются пластичные материалы, например, металлы. Металлические конструкции разрушаются вследствие пластического течения без значительного увеличения нагрузки до удлинения, достигающего иногда 50% и более общей деформации. В плоскостях, расположенных под углом 45 к главной оси трещины, возникает сдвиг одной цепочки связей по отношению к другой.

Пластичные материалы также могут разрушаться как хрупкие. Под воздействием периодически меняющихся напряжений происходит усталостное разрушение конструкции, зарождается микротрещина, упрочняется материал, что может вызвать внезапное разрушение материала (например, при неоднократном сгибании металлического прута в разных направлениях).

Слоистые материалы являются системами, имеющими постоянный резерв прочности, поскольку трещина, развивающаяся перпендикулярно слоям, по достижении нового слоя останавливается, и для разрушения материала должна образовываться каждый раз заново во всех слоях материала.

Учитывая, что износ конструкций обусловлен совместным действием окружающей среды и механических нагрузок, вызывающих значительные напряжения, ниже рассмотрено влияние окружающей среды на разрушение конструкций зданий.

2.3. Факторы окружающей среды, вызывающие износ и Под окружающей средой понимается среда обитания и деятельности 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 включает природную среду и искусственную (техногенную) среду.

Природная среда представляет собой совокупность абиотических и биотических факторов, естественных и измененных в результате деятельности человеческого общества, оказывающих влияние на человека и другие организмы. Природная среда отличается от других составляющих окружающей среды свойством самоподдержания и саморегуляции без корректирующего вмешательства человека.

Благоприятной окружающей средой называется среда, качество которой обеспечивает устойчивое функционирование естественных экологических систем, природных и природноантропогенных 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).

Рис. 2.1. Воздействие факторов окружающей среды на строительные конструкции здания.

1 – атмосферные явления: знакопеременная температура, знакопеременная атмосферная влага, напор ветра, солнечная радиация, химическая составляющая атмосферной среды, биологическая составляющая атмосферной среды.

2 – механические воздействия (силовые факторы): снеговая нагрузка, сосредоточенно – распределительная нагрузка, собственный вес здания, полезная нагрузка, находящаяся на этажах здания.

3 – техногенные воздействия (вызванные загрязнением окружающей среды): выбросы, выхлопы промышленных предприятий и автотранспорта, стоки, сбросы промышленных предприятий.

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 температуры, влажности), биовредители, ударно-вибрационная нагрузка, нарушение правил эксплуатации.

Факторы окружающей среды, воздействующие на износ конструкций, подразделяются на две основные группы – воздействие природной среды и антропогенные факторы, появившиеся вследствие человеческой жизнедеятельности.

С экологических позиций территорию города следует рассматривать как экосистему, существующую при постоянном внешнем воздействии человека и интенсивно эксплуатируемую им. Интенсивность и разнообразие этого сложного антропогенного воздействия во многом превышает темпы адаптации и устойчивость природных экосистем. Особенно это заметно в крупных городах. Последствия интенсификации деятельности человека в последние десятилетия привели к увеличению концентрации загрязняющих веществ в воздушной, водной и почвенной средах и повышению их агрессивности по отношению к эксплуатируемым объектам городского хозяйства.

Несмотря на меры, предпринимаемые для повышения надежности защиты строительных конструкций от преждевременного износа, аварийность значительно не снижается. Это говорит о том, что система мероприятий по защите от повреждений не увязана с изменившимися экологическими факторами, которые в городских условиях, на сегодняшний момент, являются прямыми причинами интенсификации коррозионных процессов.

2.4. Влияние окружающей среды на износ конструкций.

Показатели агрессивности окружающей среды Количество проникающей радиации зависит от прозрачности слоев атмосферы, от количества выбросов. Кроме того, количество радиации зависит от ориентации здания по частям света.

Солнечная радиация, падающая на конструкцию, частично поглощается материалом, повышая его температуру, преобразуясь по своей сути в тепловую энергию, частично отражается.

Количество поглощенной солнечной энергии зависит от свойств материала и определяется коэффициентом поглощения солнечной радиации p. Так, например, красный кирпич имеет коэффициент поглощения 0,7; оштукатуренные стены – 0,4; оцинкованная сталь – 0,65; рулонная кровля с алюминиевым покрытием – 0,45.

Учитывая, что бетонные, каменные, силикатные конструкции состоят из различных веществ, имеющих неодинаковую кристаллическую структуру и обладающих анизотропностью физических свойств в различных направлениях, то действие солнечной радиации вызывает значительные напряжения в теле конструкций, связанные с радиационной амплитудой. Колебания солнечной 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 конструкции. Эти деформации, вызванные солнечной радиацией, равноценны знакопеременной механической нагрузке, и способствуют ускоренному износу.

Величина деформационных колебаний зависит от величины температурных колебаний, т.е. чем больше разность температуры в течение суток, тем большим деформациям повергается конструкция. Если рассматривать наружные стены, то со стороны помещения колебания температуры практически отсутствуют, а со стороны улицы изменения температуры существенно больше, поэтому неодинаковые напряжения по сечению конструкции вызывают разные деформации и являются причиной ускоренного образования микротрещин.

Атмосферная среда представляет собой смесь воздушных газов.

Кроме представленной на рисунке 2.2 смеси газов в воздушной среде содержатся и другие примеси, как естественного, так и антропогенного происхождения.

кислородазот-78% Рис. 2.2. Химический состав воздуха.

К природным загрязнителям атмосферы относятся: пыль от эрозии почвы и горных пород, пыль растительного, вулканического и космического происхождения, капельно-жидкая вода (туман), частицы морской соли, вулканические газы, газы от пожаров, продукты растительного, животного и микробиологического происхождения.

К загрязнителям техногенного происхождения относят продукты горения, образующиеся при сжигании жидкого и твердого топлива, а также выбросы промышленных предприятий и автотранспорта.

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 бльшую агрессивность и происходит интенсификация процесса износа.

В атмосферной среде практически всегда присутствуют растворимые кислотные оксиды азота, серы, углерода (СО2, SO2, SO3, NO, NO2). Из них только двуокись углерода, так называемая, агрессивная углекислота, при растворении в воде способна 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, способности растворения в воде и продолжительности контакта с конструктивными элементами зданий и сооружений.

Таким образом, в зависимости от химического состава атмосферная среда делится на 3 группы агрессивности по отношению к строительным конструкциям (табл. 2.1).

Степень агрессивности воздушной среды Средне агрессивная сернистый газ - SO Сильно агрессивная двуокись азота - NO Основной защитой строительных конструкций от воздействия агрессивных примесей воздушной среды является изоляция поверхности, поддержание поверхности конструктивных элементов в чистом состоянии.

Водная среда присутствует как составляющая в атмосферной и грунтовой средах, а также является самостоятельной средой.

Она имеет наибольшее воздействие на процесс износа строительной конструкции вследствие того, что вода является универсальным растворителем агрессивных компонентов – твердых, жидких, газообразных.

В порах различных материалов конструкций здания всегда присутствует вода. Мигрирующая вода растворяет содержащиеся в материале соли и выносит их к поверхности. Высыхая на поверхности, соли остаются в верхних слоях конструкции, которые постепенно ими пересыщаются. Происходит рост кристаллов солей, на поверхности появляются так называемые высолы, разрушающие кристаллическую структуру материала, вызывающие местные напряжения и давления в материале. К накоплению избыточной влаги в конструкциях приводит также и смена положительных и отрицательных температур в процессе эксплуатации вследствие ускорения движения и диффузии молекул воды.

Допустимый процент влажности для нормального эксплуатационного 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 конструкций влага подразделяется на:

- строительную;

- бытовую;

- атмосферную;

- грунтовую.

Рис. 2.3. Увлажнение строительных конструкций.

а) строительная влага; б) бытовая влага; в) атмосферная влага; г) грунтовая влага; - места увлажнения.

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 каменные конструкции содержат большой объем строительной влаги.

Так, каждый 1 м3 кладки кирпича может содержать до 200 л воды. Естественная сушка таких конструкций происходит крайне медленно, а в процессе дальнейшей эксплуатации количество влаги может увеличиться за счет процесса карбонизации. Поэтому 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 (например, при косом дожде, при конденсате на наружной поверхности вследствие перепада температур, при нарушении кровельного покрытия и т.д.).

Вода, содержащаяся в воздухе, растворяет атмосферные примеси, образуя химически активные вещества, адсорбируемые 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 показывает присутствие серной и азотной кислот. Обычно кислотность на 2/3 обусловлена первой из них, на 1/3 – второй. Присутствие 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, являющиеся активными с точки зрения химического взаимодействия агрессивными веществами по отношению.

Пылевые компоненты, оседая на поверхности конструкции, усиливают их увлажнение, поскольку между пылевыми компонентами и телом конструкции появляются микрозазоры, заполняемые водой.

Для ограждения строительных конструкций от атмосферного увлажнения применяют защитные покрытия. Однако при нарушении режима эксплуатации (повреждение кровельной изоляции, наружного слоя фасада и пр.), атмосферная влага на поверхности стен адсорбируется в тело конструкции.

Грунтовая влага попадает в надземную часть здания в связи с явлением капиллярного подсоса вследствие наличия поркапилляров, дефектов и трещин в строительном материале.

Чем меньше диаметр капилляра, тем, выше уровень подъема влаги. Величина подъема влаги также зависит от формы капилляра.

В строительных материалах, имеющих замкнутые капилляры, наблюдается явление осмоса, т.е. перехода жидкости из области большей плотности в область меньшей через перегородки капилляров. В капиллярах твердого тела жидкость имеет различную плотность из-за растворения как примесей, так и растворимых компонентов материала самой конструкции. В теле материала возникает давление, которое увеличивается с повышением 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 (особенно по отношению к металлам), а также наличия примесей техногенного происхождения.

В зависимости от состава водной среды различают 4 показателя ее агрессивности.

Показатели агрессивности водной среды № Показатель (вид) Характеристика водной среды агрессивности Выщелачивание Наличие агрессивной углекислоты СО2 > Сульфатная агрессивность Наличие ионов хлора Cl- > 350 мг/л Магнезиальная агрессивность В Москве порядка 40% территории подтоплено, на территории восточного, юго-восточного и южного административных округов зафиксировано значительное количество сильнозагрязненных сульфатами и хлоридами подземных вод с общей минерализацией 2-5 г/л.

На рис. 2.4. представлено процентное соотношение грунтовых вод различного химического состава на различных по назначению территориях города.

химический состав грунтовых вод, % Рис. 2.4. Химический состав водоносного горизонта в зависимости от функционального использования территории в г.

Москве.

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.

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. Естественные процессы гниения, брожения и разложения органических веществ сопровождаются образованием угольной кислоты, сернистых соединений, метана, органических кислот, аммиака, сероводорода, взаимодействующих со строительными конструкциями.

В отличие от атмосферной среды, содержащей 0,03% углекислого газа, в грунтовой среде его содержание доходит до нескольких процентов. Растворяясь в почвенной среде, газы значительно 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 кислотнощелочного баланса, изменению физико-механических свойств, нарушению естественной структуры почв и грунта. Твердые отходы 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 появились другие, гораздо более агрессивные вещества, поступающие в почву с кислотными дождями. рН почв и грунтов на территории города на сегодняшний момент может снижаться в среднем до 3,3 (рис. 2.5).

Рис. 2.5. Изменение рН грунтов в г. Москве.

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 тысяч тонн органических веществ, а также тяжелые металлы, радионуклиды.

В зависимости от вида грунта, его химического состава изменяется его коррозионная активность, которая определяется по величине удельного сопротивления грунта. Этот показатель является как бы обобщенным выражением всего комплекса почвенных условий и связывает воедино ряд главнейших факторов, например, таких как влажность, аэрация грунтов, содержание ионов Cl-, SO42-, СО32-. По этой причине электропроводность является основным критерием при оценке коррозионной активности почвы. В таблице 2.3. дана классификация грунтов по коррозионной активности и на примере стальных трубопроводов показан ожидаемый срок службы в различных условиях эксплуатации.

Классификация грунтов по коррозионной активности (по отношению к малоуглеродистой стали) Коррозионная Удельное электросо- Ожидаемая Срок активность грун- противление грунтов, скорость кор- службы, 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, коррозионной активности почв, климатических условий района, степени ответственности сооружений или его участков, специфических особенностей работы различных сооружений.

Живые организмы, воздействующие на состояние строительных конструкций, разнообразны. Это бактерии, грибы, лишайники, мхи, высшие растения, птицы, млекопитающие.

Строительные материалы разрушаются в основном под воздействием среды, создаваемой биологическими объектами. Характер повреждений определяется условиями эксплуатации, технологическими особенностями производства в зданиях и сооружениях.

Наиболее опасными для строительных конструкций являются продукты жизнедеятельности низших организмов – грибов, бактерий.

Грибы представляют собой низшие споровые растения. При высокой относительной влажности воздуха 85% и температуре 20-30С в условиях застоя воздуха споры грибов прорастают, наружная оболочка споры прорывается и из нее растет гифа, тонкие ветвящиеся нити. Их наличие – это надежное доказательство начала поражения материала грибком.

В процессе жизнедеятельности грибы выделяют различного вида кислоты и другие вещества, разрушающие материал конструкции. Наиболее интенсивно грибы повреждают конструкции из дерева, полимерных материалов, лакокрасочные покрытия.

Плесень – это особый вид грибков, питающийся органическими составляющими строительных материалов. Плесень очень гигроскопична и способна поглощать влагу из воздуха, вследствие чего процесс износа строительных конструкций ускоряется.

Домовый гриб представляет большую угрозу для деревянных конструкций. При благоприятных условиях (не менее 25% влажности воздуха, температура 18-30С, 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 увеличения, а также уменьшение влажности замедляют рост большинства вида грибов.

В грунтовой среде присутствуют аэробные (развивающиеся с участием кислорода) и анаэробные бактерии (бескислородные).

Например, сульфатовосстанавливающие бактерии, жизнеспособные при рН=5,59, оказывают непосредственное влияние на кинетику электродных реакций металлических конструкций, стимулируя развитие процесса коррозии даже при рН5,5, вырабатывая вещества—окислители.

Железобактерии, существующие при рН=58, поглащают железо в ионном виде, используя энергию, выделяемую при окислении железа. Для образования одного грамма клеток необходимо до 500 г железа.

Для тионовых (серобактерий) наиболее благоприятна среда при рН=25. Они окисляют серные соединения, входящие в состав вяжущих гидроизоляционных материалов, до серной кислоты, концентрация которой может достигать 10%, тем самым они участвуют в создании коррозионной среды, а также разрушают защитные покрытия.

Таким образом, микроорганизмы могут создавать на поверхности конструкции условия, обуславливающие появление локальных коррозионных участков, влиять на скорость коррозионного 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 агрессивности среды эксплуатации и основывается на величине коррозионной 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 строительного материала в единицу времени, вследствие воздействия агрессивной среды;

- степенью коррозии – техническая характеристика изменения свойств строительного материла вследствие коррозии.

Данные показатели могут быть оценены среднегодовой скоростью разрушения поверхности, среднегодовой потерей прочности, 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 материалов, изделий и конструкций или защитных покрытий с целью определения их коррозионной стойкости и их защитной способности в агрессивной среде.

Для защиты от коррозии строительного материала применяют различные способы и средства, уменьшающие или предотвращающие коррозию строительного материала.

3. КОРРОЗИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Коррозия (от лат. «сorrosio» – разъедание) – процесс самопроизвольного разрушения строительного материала в результате химического или физического воздействия со стороны внешней среды. В понятие «коррозия» часто включают и другие процессы, происходящие в материале – эрозию, суффозию, биоповреждения.

Применительно к строительным материалам по механизму протекания различают электрохимическую, химическую физическую (физико-механическую), физико-химическую и биологическую коррозию.

Если коррозия не сопровождается химическими превращениями, она называется физической (например, размораживание каменной кладки).

Если разрушение строительного материала происходит с изменением его состава, коррозия называется физико-химической (например, выщелачивание бетона).

Необратимые изменения материала конструкции в результате взаимодействия с агрессивными компонентами окружающей среды характерны для химической коррозии.

Электрохимическая коррозия проявляется в металлоконструкциях при их взаимодействии с электролитом и сопровождается разрушением материала в результате возникновения электрического тока на границе металла и агрессивной среды.

Биоповреждение представляет собой особый вид разрушения материалов, связанный с воздействием микроорганизмов – бактерий, грибов, насекомых и т.д.

Таким образом, коррозия строительных материалов – это необратимый процесс ухудшения характеристик и свойств строительного материала в конструкции в результате химического и/или физико-химического и/или биологического воздействий или процессов, происходящих в самом материале.

Коррозионное разрушение строительного материала сопровождается изменением массы, сечения, прочности или ухудшением других количественных характеристик и показателей качества строительного материала вследствие коррозии.

Основной ущерб, причиняемый коррозией, заключается не только в потере строительных материалов как таковых, но и в огромной стоимости изделий, разрушаемых коррозией. К прямым потерям можно отнеси стоимость конструкций, разрушенных из-за коррозии; стоимость труда, затраченного на их замену; стоимость специальных коррозионно-стойких материалов, которые необходимо использовать вместо обычных материалов;

стоимость мероприятий по защите конструкций от коррозии.

К тому же, коррозия ведет к косвенным затратам, таким, как:

- простои оборудования при замене отдельных узлов и оборудования в целом;

- потери продукта из-за утечек через прокорродировавшие конструкции;

- снижение производительности оборудования вследствие нарушения технологических режимов из-за коррозионных процессов (например, уменьшение поперечного сечения трубопроводов из-за отложения продуктов коррозии);

- дополнительный расход электроэнергии для поддержания на прежнем уровне технологических режимов, нарушенных изза коррозии;

- снижение качества перерабатываемых веществ из-за загрязнения их продуктами коррозии;

- завышение припусков на коррозию при проектировании из-за отсутствия достаточно точных данных о скорости коррозии в конкретных условиях эксплуатации.

Наряду с экономическими потерями, коррозия строительных конструкций причиняет также значительный социальный и экологический ущерб.

Поэтому знание механизма коррозии с одной стороны позволяет правильно подобрать методы защиты строительных конструкций от преждевременного износа для повышения их надежности и долговечности, а с другой стороны, дает возможность сохранения миллионов тонн различных строительных материалов.

Действие коррозии на строительные конструкции зависит от материала самой конструкции, от химического состава, характера и степени агрессивности окружающей среды.

По агрегатному состоянию среда эксплуатации может быть газообразной, жидкой, твердой и многофазной. Примером эксплуатации в многофазной среде могут быть подземные конструкции, контактирующие с грунтовыми водами, заполняющими поры грунта с растворенными газами, находящимися в этих порах.

Наиболее интенсивно коррозионные процессы протекают в жидкой среде. Учитывая, что поверхность конструкции всегда содержит адсорбированную из атмосферного воздуха влагу, в результате чего образуется тончайший слой насыщенного раствора минеральных веществ из воздуха, также проникающего в поры материалов, коррозия является процессом неизбежным и необратимым.

Условия, порождающие возможность возникновения и протекания коррозионного процесса:

- применение материалов и защитных покрытий, не соответствующих степени агрессивности окружающей среды;

- повреждение и несвоевременное восстановление защитных покрытий;

- нарушение правил эксплуатации, заключающееся в отсутствии систематического наблюдения и контроля за состоянием строительных конструкций;

- нарушение эксплуатационных режимов, приводящее к изменению концентрации, химического состава, температурновлажностного режима в помещениях зданий и сооружений и т.д.

3.1. Коррозия металлических конструкций 3.1.1. Классификация коррозионных процессов Коррозия металлических конструкций наносит огромный материальный ущерб, а также ущерб здоровью и нормальной жизнедеятельности граждан. Из-за коррозии 10-12% ежегодно выплавляемого в мире металла, что составляет более 50 млн. тонн, приходит в негодность, при этом около 8% годового производства металла теряется безвозвратно.

Коррозия металлов – это их самопроизвольное разрушение, вызванное химическими или электрохимическими процессами, развивающимися на поверхности тела при его взаимодействии с окружающей средой.

По характеру взаимодействия с окружающей средой различают следующие виды коррозии:

- атмосферная коррозия, протекающая в атмосферной среде в результате конденсации на поверхности конструкции капель влаги и растворенных в них химически активных веществ;

- почвенная коррозия, протекающая в грунтовой среде в результате соприкосновения с грунтовой влагой, химически активными элементами, находящимися в почве, включая техногенные загрязнители;

- жидкостная коррозия, протекающая в растворах кислот и щелочей;

- контактная коррозия, протекающая на границе контакта металлических строительных конструкций, изготовленных из разных металлов;

- щелевая коррозия, протекающая на границе различных сред (часть конструкции эксплуатируется в электролите – например, почве, воде, часть конструкции – в атмосфере).

Бльшему разрушению подвержена та часть конструкции, которая находится в электролите, а наиболее интенсивная коррозия протекает на границе сред.

- структурная коррозия, протекающая в сплавах металлов на границе зерен;

- коррозия под напряжением, протекающая в местах сосредоточения динамической или статической нагрузки.

Атмосферная коррозия Рис. 3.1. Пример коррозионных повреждений по характеру взаимодействия с окружающей средой.

По характеру разрушения поверхности металлической конструкции различают следующие виды коррозионных повреждений:

- сплошная равномерная, в виде равномерной коррозионной пленки – ржавчины;

- сплошная неравномерная, в виде слоя ржавчины, переменного по толщине;

- структурно-избирательная, характерная для сплавов, в виде разрушения отдельных мест внутри строительного материала;

- местная коррозия в виде разрушения отдельных участков (коррозия пятнами, точечная, язвенная);

- межкристаллитная коррозия, происходящая без видимого внешнего разрушения металла вследствие того, что коррозийный процесс идет в основном по границам зерен кристаллов.

Наиболее опасным считается неравномерное разрушение поверхности металлической конструкции, поскольку образуются глубоко проникающие язвенные или точечные повреждения на отдельных участках конструкции. Значительную опасность представляет также коррозия на границах кристаллов, в результате которой конструкция может разрушиться без видимых повреждений.

Рис. 3.2. Виды коррозионных повреждений поверхности металлических конструкций.

3.1.2. Механизмы протекания коррозии металлов Химическая коррозия протекает при соприкосновении металлоконструкций с кислородом или газами при высокой температуре (свыше 100С), т.е. в среде горячих газов, а также в веществах – неэлектролитах (бензин, спирт и т.д.).

Подобные коррозионные процессы происходят в котлах, дымовых трубах котельных, водонагревателях, работающих на газовом топливе, теплообменниках, работающих на жидком и твердом топливе, в печах.

В процессе протекания химической коррозии образуется оксидная пленка FeO. Если она имеет достаточную адгезию к поверхности металла, то доступ кислорода к металлу затрудняется, и коррозия значительно замедляется. Учитывая, что распределение температуры на поверхности металла неравномерно, а также наличие агрессивных примесей, оксидная пленка местами отслаивается, и процесс коррозии возобновляется с прежней скоростью.

При дальнейшем нагревании оксидной пленки происходит процесс диссоциации, т.е. ее химического превращения в более рыхлую пленку Fe2O3. Рыхлая неоднородная пленка, имеющая плохую адгезию, пропускает молекулы кислорода, и процесс коррозии не затухает.

При эксплуатации сплавов в среде горячих газов с содержанием кислорода происходит обезуглероживание стали, т.е.

уменьшение содержания углерода в поверхностном слое конструкции. Материал стальной конструкции теряет свою прочность и пластичность, превращаясь в мягкое железо, быстро деформируется и разрушается.

Если в газовой среде присутствует водород, то в результате его диффузии в объем стали и растворения в ней, наступает водородная хрупкость и разрушение материала.

Большинство металлических конструкций зданий и сооружений разрушается в процессе протекания электрохимической коррозии, т.е. разрушения в растворах электролитов.

При контакте с окружающей средой на поверхности конструкции появляется водная пленка с растворенными примесями, находящимися как на поверхности конструкции, так и в окружающей среде. При этом образуются растворы – электролиты, вызывающие электрохимическую реакцию.

Условия развития процесса электрохимической коррозии:

- металл на всем протяжении участка должен быть проводимым для электронов;

- электролит должен обеспечивать проводимость тока на участках контакта анода и катода.

В электролитах имеются положительно заряженные частицы – катионы и отрицательно заряженные – анионы, которые присоединяют к себе молекулы воды.

При электрохимической коррозии происходит разделение металлоконструкции на две зоны: анодную и катодную.