Разрушениематериала - макроскопическое нарушение сплошности материала в результате тех или иных воздействий на него. Разрушение часто развивается одновременно с упругой или пластической деформацией.

Различают начальное разрушение (образование и развитие пор, трещин и других нарушений сплошности) и полное разрушение (разделение тела на две и более частей); хрупкое (без значительной пластической деформации) и пластическое (или вязкое); усталостное, длительное и др. Теория разрушения базируется на физических, механико-математических, структурных и физико-химических объяснениях закономерностей механического разрушения.

Повреждения- это начальная стадия разрушения отдельных конструктивных элементов или отдельных мест этого элемента, т.е. потеря первоначальных свойств конструкции или элемента. (Рис.1.)

При эксплуатации зданий и сооружений важно оценить характер и опасность повреждений. Причины, вызывающие повреждения, а затем и разрушения зданий, следующие:

1) воздействия внешних природных и искусственных факторов; 2) воздействия внутренних факторов, обусловленных технологическим процессом;

3) проявление дефектов, допущенных при изысканиях, проектировании, возведении здания;

4) недостатки и нарушения правил эксплуатации зданий, сооружений и сантехоборудования.

В зависимости от характера процессов, приводящих к разрушению, последние бывают: механические (приложение сверхрасчетной нагрузки – оборудование, деформации грунтов оснований; сейсмическое воздействие; механическое повреждение) и физико-химические (окисление, коррозия, вызванные растворами солей, кислот, щелочей, грунтовой влаги; воздействие электрического тока, биологических процессов).

Чаще всего здания и конструктивные элементы преждевременно выходят из строя от суммарного воздействия вышеперечисленных факторов. По степени разрушения можно выделить три категории повреждений:

• Аварийного характера, вызванные дефектами проектирования, строительства, стихийными явлениями – ливнями, снегопадами, затоплением, а также нарушениями правил эксплуатации зданий и сооружений;
• Разрушения несущих конструкций, обусловленные внешними и технологическими факторами, нарушением правил эксплуатации. Такие нарушения не являются аварийными и устраняются при капитальном ремонте усилением или заменой.
• Разрушения второстепенных элементов (выпадение штукатурки, отдельных плиток облицовки), устраняемые при текущем ремонте.

Чтобы обеспечить высокое качество и надежность зданий, необходимо стремиться к предотвращению дефектов. Это тем более важно, поскольку устранение дефектов часто сопряжено со значительными потерями экономического характера; весьма велик и моральный ущерб – например, при промерзании и промокании стыков или отсутствии надлежащей звукоизоляции в жилом доме.

Дефект– это несоответствие конструкции определенным параметрам, нормативным требованиям или проекту. Так, если завышена толщина швов кладки – это дефект, а обрушение ее – это повреждение вследствие дефекта швов.

Наиболее опасны дефекты в основаниях и фундаментах, в стенах, т.е. в основных конструкциях, так как их проявление ведет к деформациям и разрушению всего здания. Менее опасны дефекты в перегородках и других ненесущих конструкциях, однако они существенно снижают эксплуатационные качества помещений или зданий в целом.

Итак, дефект – это вероятная первопричина повреждения. Его можно и необходимо избежать, но многие дефекты сложно или совсем невозможно устранить. Такие дефекты ускоряют износ сооружения.

Долговечность и надежность зданий в значительной мере зависят от того, из каких материалов они построены. Качество строительных материалов регламентировано стандартами, однако при их изготовлении и недостаточном контроле могут быть допущены нарушения в их составе, размерах и т.п.

Дефекты железобетонных и каменных конструкций часто связаны с плохим качеством исходных материалов: бетона, кирпича, раствора, с недостатками конструктивного решения или с нарушением технологии производства работ.

Наиболее опасными дефектами для монолитных и сборных конструкций являются: недостаточное или неправильное армирование, заниженная прочность бетона, загрязненные заполнители, нарушения технологии укладки бетонной смеси т.п.

Трещины в конструкциях являются внешним признаком их перегрузки и деформации. Трещины могут быть вызваны рядом причин, иметь разные последствия; поэтому они подразделяются на опасные и неопасные. (Табл.1.). При обнаружении трещин важно выяснить их причину и характер, установить, продолжается ли их развитие или произошла стабилизация.

Таблица 1. Классификация трещин в конструкциях.

Мелкие трещины в виде сетки неправильного очертания и одинаковой ширины возникают вследствие некачественности цемента или неправильной температурно–влажностной обработки бетона при его твердении; они опасны с точки зрения раскрытия арматуры и доступа к ней агрессивной среды. Трещины образуются также в панелях из-за температурных воздействий.

Трещины в растянутой зоне армокаменных и железобетонных изгибаемых конструкций, направленные перпендикулярно к ребру, обычно возникают вследствие перегрузки конструкции. Наклонные трещины на вертикальных гранях изгибаемых элементов у опор, затухающие к нейтральной оси, связаны с неправильным армированием хомутами и отгибами.

При осмотре трещин необходимо выявить их причину, определить характер (например, односторонняя или сквозная), время возникновения и т.п. При осадке фундаментов и других конструкций трещины расширяются книзу, а при пучении оснований – кверху. При обследовании каменных конструкций особое внимание надо обращать на места опирания балок и прогонов, на состояние кладки в простенках, перемычках, у водостоков, вдоль цоколей.

Причины, механизм и последствия коррозии бетонных и железобетонных сооружений

Наиболее ответственные капитальные и долговечные сооружения – железобетонные. Преждевременное их разрушение, потеря ими герметичности, теплозащитных и других эксплуатационных качеств приводят к нежелательным последствиям. Поэтому защита от коррозии всех конструкций из каменных материалов с целью обеспечения расчетных сроков их службы и поддержания требуемых эксплуатационных качеств зданий и сооружений имеет важное практическое значение.

По своей структуре искусственные каменные материалы (например, бетон) и естественные (например, известняк) сходны – они состоят из вяжущего вещества и заполнителя. Процессы их разрушения и методы защиты аналогичны и поэтому могут рассматриваться совместно, чаще применительно к бетону.

Каменные материалы по структуре и стойкости к агрессивным средам отличаются от металлов прежде всего высокой пористостью (бетонов – 10-15%), что способствует фильтрации воды, подсосу или конденсации влаги, проникновению агрессивных растворов в конструкцию. Если учесть и другую их особенность – сложный состав, а иногда и конгломератность, то станет ясно, что обеспечение стойкости и долговечности каменных конструкций представляет весьма специфическую и сложную задачу.

Процесс разрушения каменных материалов очень сложен, так как зависит от многих факторов, имеющих переменный характер. Бетонные конструкции разрушаются вследствие физико-химических и физико-механических процессов. (Табл.2.)

В бетонных конструкциях в зависимости от преобладающих признаков разрушения коррозия подразделяется на три вида: химическую, физико-химическую и физическую. При наличии арматуры и влаги (электолита) происходит электрохимическая коррозия.

Физическое (механическое) разрушение бетонных конструкций происходит в результате замораживания и оттаивания влаги в них, расклинивающего действия пролитых на бетон масел, эмульсий и смазок, кристаллизации солей при увлажнении конструкций минерализованными водами и последующего испарения влаги со свободной их поверхности, а также из-за механических внешних воздействий.

Скорость коррозии возрастает при одновременном воздействии на конструкцию физико-химических и механических факторов. Процессы коррозии и методы защиты от нее очень сложны и поэтому ниже рассматриваются подробно.

Факторы, способствующие коррозии бетона и железобетона, ее виды и прогнозирование

Факторы, влияющие на развитие коррозии бетонных и железобетонных конструкций, делятся на две группы (Табл.2.):

Связанные со свойствами внешне среды – атмосферных и грунтовых вод, грунтов и т.п.;

Обусловленные свойствами материалов (цемента, заполнителей – песка, щебня, воды и т.п.) конструкций.

По условиям технологии бетонных работ воды берется больше, чем может быть израсхододовано на гидратацию. Излишняя вода заполняет пустоты, раздвигает частицы цемента с оболочками из продуктов гидратации и образует в бетоне целые прослойки, а после испарения – пустоты, увеличивающие проницаемость и снижающие прочность бетона. Такие же пустоты образуются при усыхании гелеобразной массы; они являются очагами коррозии и путями проникновения агрессивных растворов в толщу конструкции. Внутренние замкнутые поры становятся очагами коррозии, когда возникшее вблизи них осмотрическое давление разрушает их стенки.

Некоторое количество пор, особенно мелких, со временем, при увлажнении бетона и развитии гидратации, частично заполняются продуктами гидролиза и гидратации, в первую очередь наиболее растворимым гидратом окиси кальция.

В условиях замерзания бетонных и железобетонных конструкций количество свободной влаги в них оказывает большое влияние на прочность: насыщенные влагой конструкции при замерзании разрушаются вследствие замерзания и расширения объема влаги. Проникновение агрессивной среды в толщу бетона и воздействие температуры также приводят к снижению его прочности.

Химическая коррозия бетона.Коррозия данного вида развивается в бетоне при действии на него агрессивной среды – кислот, солей и щелочей, вступающих в обменные реакции с составляющими цементного камня, в результате чего образуются хорошо растворимые соли. Разрушение конструкций кислотами и кислыми газами наиболее часто происходит на заводах, хранилищах кислот, в лабораториях и т.п. При воздействии кислот более стойким оказывается портландцемент и менее стойким – пуццолановый портландцемент. В очень агрессивной среде применяются только кислотостойкие цементы.

Развитию коррозии способствует растворение и вымывание продуктов разрушения: при действии кислоты на цементный камень он может полностью разрушиться. Если продукты разрушения малорастворимы, то со временем коррозия замедляется.

Увеличение притока агрессивной среды повышает скорость коррозии. При небольшой концентрации кислоты и малой скорости ее притока развивается коррозия 1 вида, характеризующаяся замедлением скорости растворения, вызванным снижением диффузии из пристенного слоя фильтрата в окружающую водную среду.

Развитием химической коррозии в толще бетона характеризуется тремя основными зонами.

1-я зона – зона разрушения - характеризуется тем, что агрессивная вода, взаимодействуя с карбонатом, насыщается бикарбонатом, и разрушает цементный камень. Бикарбонат уносится водой, а в конструкции остаются не обладающие вяжущими свойствами окислы железа. По мере развития коррозии эта зона смещается в толщу конструкции и может охватить ее всю.

2-я зона – зона уплотнения - характеризуется тем, что вода, насыщенная бикарбонатом и свободным углекислым газом, встречает гидрат окиси кальция. В результате их взаимодействия в осадок выпадает малорастворимый карбонат кальция, поры заполняются и бетон уплотняется.

3-я зона – зона выщелачивания извести – характеризуется тем, что вода, лишенная углекислоты, т.е. ставшая неагрессивной, вымывает легкорастворимые частицы бетона. Конструкции подвержены наибольшему разрушению агрессивной водой, если в них образуется только 1-я зона.

Интенсивность разрушения конструкции зависит также от скорости фильтрации воды через нее: если вода на внутренней поверхности испаряется, то растворенные соли уплотняют конструкцию, если же скорость фильтрации больше скорости испарения воды на поверхности, она не успевает испариться и уносит растворенные соли, в результате чего конструкция разрушается.

Предупреждение химической коррозии состоит в изоляции конструкций, снижении агрессивного действия среды, ее температуры, скорости движения.

Физико-химическая коррозия бетона.Коррозия этого вида вызывается фильтрацией сквозь толщу бетона мягкой воды, вымывающей его составные части, особенно гидрат окиси кальция – гашеную известь. Этот процесс называется выщелачиванием извести, который весьма опасен, так как известь является составляющей почти всех цементов. При действии воды на бетон составные части цемента подвергаются разложению, ибо некоторые из них устойчивы только в воде, содержащей определенное количество извести. По мере выщелачивания гашеной извести и снижения количества окиси кальция (негашеной извести) в растворе, соприкасающемся с цементным камнем, происходит разрушение других гидратов. Внешним признаком коррозии такого вида является белый налет на поверхности конструкции в месте выхода воды, что и послужило основанием назвать данный вид коррозии «белой смертью» бетона.

Если приток воды очень мал и она испаряется на поверхности бетона, то гидрат окиси кальция остается в толще бетона, уплотняет его и прекращает фильтрацию; этот процесс называется самозалечиванием бетона.

К физико-химической коррозии можно отнести кристаллизационное (солевое) разрушение бетона. Происходит оно вследствие химических реакций взаимодействия агрессивной среды и составных элементов цементного камня. Коррозия бетона из-за капиллярного приноса солей с водой извне и выделения их из раствора при постепенном испарении влаги относится к физико-химической коррозии.

Электрохимическая коррозия железобетона.Долговечность железобетона определяется способностью бетона и арматуры в совокупности длительно противостоять воздействию агрессивной среды.

Разрушение железобетона может быть результатом коррозии как бетона, так и арматуры. В первом случае окружающая среда агрессивна по отношению к бетону, а потому он разрушается; при этом обнажается и разрушается арматура. Если же окружающая среда неагрессивна по отношению к бетону, но агрессивна к арматуре, то она вызывает ее коррозию.

Коррозия металлической арматуры может быть химической, электрохимической или может вызываться блуждающими токами. Коррозия эта развивается в том случае, если в защитном слое имеются трещины, через которые проникает кислород, углекислый газ, вода, или по порам и капиллярам поступает агрессивный раствор. Участок арматуры под трещиной приобретает более отрицательный потенциал, становится анодом и разрушается, а участок в плотном бетоне становится катодом.

Методы защиты бетонных и железобетонных конструкций от коррозии.

Защита бетонных, а также каменных конструкций от коррозии заключается, с одной стороны, в снижении агрессивности среды, а с другой – в повышении стойкости конструкции, в устройстве защитных покрытий или в совместном применении этих мер. Защита железобетонных конструкций строится, кроме того, на подавлении коррозионных токов, возникающих в арматуре, или на дренаже блуждающих токов. Классификация методов защиты дана в табл.2.

Снижение агрессивности среды.Агрессивное действие среды может быть уменьшено путем понижения уровня грунтовых вод или отвода их от сооружений.

Осушение производится посредством дренажа. Нередко в сооружениях приходится устраивать дренаж для защиты от воздействия агрессивных грунтовых вод и для осушения подвальных помещений. Дренаж может быть проложен за пределами сооружения или под его полом.

Снижение агрессивного действия грунтовых вод, загрязненных кислыми промышленными стоками или агрессивным углекислым газом, достигается прокладкой на их пути траншей, заполненных известняковым камнем. Агрессивное действие парогазовой среды внутри сооружений может быть уменьшено усиленной вентиляцией.

Повышение коррозионной стойкости поверхностного слоя конструкций.Оно достигается обработкой их поверхности торкретированием, гидрофобизацией, силикатизацией, флюатированием, карбонизацией.

Торкретирование состоит в нанесении защитного цементного слоя или активированного цемента на очищенную бетонную поверхность под давлением сжатого воздуха 5-6 атмосфер. Смесь цемента и песка (в среднем 1:3) подготавливается заранее в растворомешалке или в ручную. Активированный торкрет представляет собой смесь вибромолотых цемента и песка и поверхностно-активных добавок. Сухая смесь по шлангу подается к соплу, где смачивается водой, а затем наносится на защищаемую поверхность.

Гидрофобизация (придание способности не смачиваться водой) поверхностей кирпичных, бетонных и других конструкций имеет целью защиту их от атмосферных осадков в условиях повышенной влажности. Для гидрофобизации используется водная эмульсия ГЖД-94.

Силикатизация поверхностного слоя состоит в нанесении на конструкцию жидкого стекла, а после его высыхания – раствора хлористого кальция; в результате образуются силикат кальция, заполняющий поры и повышающий стойкость конструкции, и соль, смываемая водой.

Флюатирование поверхности конструкций основано на взаимодействии свободной извести и растворов кремнефтористых солей легких металлов, которые, вступая в реакцию с углекислым кальцием, образуют нерастворимые продукты, оседающие в порах и уплотняющие конструкции.

Карбонизация поверхностного слоя свежеприготовленного бетона состоит в превращении гидрата окиси кальция под воздействием углекислого газа в карбонат кальция, который более стоек к внешним воздействиям.

Также в качестве защиты каменных, бетонных и железобетонных конструкций можно использовать устройство защитных покрытий и введении инъекций растворов в толщу конструкции. Защитными покрытиями могут быть: глиняная набивка, слои обмазки, покраски, штукатурки КЦР (штукатурная гидроизоляция коллоидным цементным раствором), рулонные покрытия или слой облицовки. Инъекция растворов в конструкции с целью повышения их плотности и прочности может быть осуществлена цементацией (нагнетание цементного молока), силикатизацией (нагнетание жидкого стекла) и смолизацией (нагнетание синтетических смол).

В данной статье были описаны повреждения несущих и ограждающих конструкций и классификация повреждений зданий в процессе эксплуатации, классификация трещин в конструкциях. Также подробно рассказано о защите бетонных и железобетонных конструкций от разрушения. На схемах приведены основные виды коррозии, факторы ее вызывающие и методы защиты конструкций. Так как коррозия бетонных и железобетонных конструкций является основной причиной возникновения повреждений и трещин в несущих и ограждающих конструкциях, что приводит к преждевременному выходу из строя зданий и сооружений, и невозможности их дальнейшей эксплуатации.