С капитальностью зданий непосредственно связано представление о долговечности, т е. сроках службы, отдельных конструкций, от которых зависит и общий срок службы здания в целом. Под долговечностью следует понимать длительное время, в течение которого основные элементы конструкций оказывают сопротивление разрушающим внешним воздействиям, например, эксплуатационным нагрузкам, колебаниям температур, действию влаги или агрессивной среды и при наличии необходимого технического обслуживания (например, периодических осмотров и текущих ремонтов) сохраняют прочность, непроницаемость, теплозащитные качества и другие важные физико-технические свойства на уровне не ниже первоначальных, учтенных при проектировании.
Для характеристики неизменности эксплуатационных качеств зданий с течением времени большое значение имеет также длительность безремонтной службы конструкций в целом или их отдельных элементов; для многих отделочных и изоляционных слоев такая длительность часто совпадает с общим сроком службы, т. е. с понятием долговечности, поскольку при ремонте конструкций эти слои обычно заменяются новыми.
Срок службы здания в целом зависит от долговечности его основных конструкций, т. е. фундаментов, несущих стен или каркаса. Если эти основные конструкции разрушились, то перестает существовать и все здание; в отдельных случаях можно обсуждать вопрос о его полном восстановлении или перестройке.
Другие конструктивные элементы, особенно объединяемые понятием ограждающих конструкций (т. е. заполнение каркаса, кровля, полы, оконные переплеты и т. д.), могут обладать меньшей долговечностью; в этом случае они по мере износа (т. е. прогрессирующего постепенного разрушения) заменяются при капитальных ремонтах здания, что может происходить несколько раз в течение его общего периода службы. При правильно организованной технической эксплуатации здания долговечность его ограждающих конструкций повышается (своевременно проводимые осмотры, текущие ремонты и т. д.)1.
Наиболее короткие сроки службы характерны для защитно-отделочных слоев, предохраняющих конструкции здания от постепенного разрушения (влагоизоляционные и фактурные слои, наружная отделка, окраска и т. д.), а также для кровель зданий и других конструктивных элементов, непосредственно подвергающихся климатическим воздействиям. Одной из существенных задач, представляющих значительный экономический интерес для современной массового строительства, является всемерное сохранение и продление сроков службы этих защищающих здания и относительно быстро разрушающихся элементов.
Увеличение долговечности ограждающих конструкций и улучшение их эксплуатационных качеств могут быть достигнуты в процессе проектирования целесообразным применением строительных материалов с учетом их физико-технических свойств, а также рациональным решением конструкций в целом, и, в частности, защитно-отделочных слоев, ограничивающих проникание агрессивных воздействий внутрь конструкции.
Опыт строительства и эксплуатации зданий, а также натурные и лабораторные исследования их конструкций показывают, что как процессы первоначального упрочнения материалов (т. е. твердение бетонов, строительных растворов и т. д.), связанные с повышением (улучшением) физико-механических свойств, так и процессы последующего постепенного разрушения материалов и конструкций, проявляющиеся в понижении (ухудшении) этих свойств, зависят от колебаний температуры и воздействий влаги. Различная направленность изменяющих структуру процессов, от которой зависит постепенное упрочнение или постепенное разрушение материала, иногда наблюдается при аналогичных климатических воздействиях, но более мягких в первом случае и более жестких — во втором.
Опытные данные о постепенных изменениях структурно-механических свойств материалов в ограждающих конструкциях получили обоснованную теоретическую базу в работах крупных советских ученых: А. Ф. Иоффе и П. А. Ребиндера, развивших на основе своих исследований представления о роли физико-химических процессов в изменении структурно-механических свойств материалов. Прочность и стойкость изделий (особенно безобжиговых), изготовленных в заводских условиях, может возрастать в процессе эксплуатации здания, если под влиянием климатических условий обеспечивается циклическая смена температурно-влажностных состояний материала, способствующих улучшению его структурно-механических свойств.
В этом случае постепенные разрушающие процессы возникают и развиваются после завершения упрочняющих или одновременно с ними, что проявляется, например, в местных повышениях прочности материала и возникновении трещин в наиболее напряженных зонах конструкции.
Постепенное развитие изменений структуры является характерным для физического состояния материала при периодических воздействиях, энергетический уровень которых не вызывает предельно напряженного состояния, приводящего к немедленному разрушению.
По П. А. Ребиндеру [72] постепенное разрушение материала в дефектных местах и зародышах трещин облегчается при адсорбции на вновь возникающих поверхностях первых слоев молекул из окружающей среды (обычно молекул влаги). Энергетический уровень адсорбционных сил, под действием которых образуется такой слой, настолько высок, что приводит к существенному понижению работы, необходимой для образования новых поверхностей внутри постепенно разрушающейся конструкции.
При ограниченной прочности материала и относительно больших полостях (трещинах) внутри него, заполняемых свободной влагой или при низкой температуре ее кристаллами, в зоне зародышей разрушения возникают расклинивающие давления, способствующие дальнейшему раскрытию трещин.
Такие же или еще большие давления возникают при кристаллизации новых химических веществ на стенках каверн, пор и капилляров материала.
Вдали от этих участков процесс разрушения увлажненного материала часто выражается в постепенном отслаивании (шелушении) поверхностных слоев.
Материалы с открытой пористостью наиболее подвержены физико-химическому разрушению и особенно быстро утрачивают необходимые механические свойства во влажных условиях.
Повышение долговечности во всех случаях связано с ограничением и замедлением физико-химико-механических процессов, вызывающих постепенное разрушение материалов, входящих в состав ограждающих конструкций. Если отсутствует агрессивная среда, при которой процессы разрушения являются следствием быстро развивающихся химических реакций, такие процессы зависят главным образом от тех внешних воздействий, которые вызывают резкие периодические изменения теплового и влажностного состояния наружных ограждающих конструкций, что связано с развитием термических и усадочных напряжений, превышающих по своему уровню напряжения, учитываемые расчетом статической прочности конструкции. Мерой интенсивности термических и усадочных напряжений являются градиенты температуры и влагосодержания, характеризующие неравномерность температурного и влажностного состояния конструкции.
Относительно быстрый выход из строя ограждающих конструкций из-за развития сетки трещин и утраты необходимых прочностных свойств обычно отмечается в тех случаях, когда напряжения, вызываемые неоднородностью полей температуры и влагосодержания или другими разрушающими факторами, превосходят предел длительного сопротивления («выносливости») данной конструкции; эти случаи, в частности, типичны для большеразмерных конструкций из материалов с ограниченной стойкостью при периодически возникающих интенсивных разрушающих воздействиях (например, в зданиях с явно выраженным нагревом конструкции выделениями производственного тепла).
В этих случаях вероятность быстрой потери структурно-механических качеств конструкцией может быть оценена по величине безразмерных комплексов, характеризующих условия ее работы при имеющихся разрушающих воздействиях. Так, например, характеристикой вероятности и быстроты образования недопустимой сетки глубоких трещин при периодически возникающих напряжениях в материале конструкции ( при ее нагреве и остывании или увлажнении и высыхании) может служить комплекс
где ? — градиент температуры или влажности по толщине конструкции (град/см при%/см); ?т — коэффициент линейного расширения (1/град) или набухания и усадки (1/%); L — характерный размер конструкции, см; ? — напряжение материала на сдвиг или растяжение при единичном градиенте (температуры или влажности) по его толщине (кГ/см2); Е — модуль упругости (кГ/см2). Срок службы конструкции может быть пропорционален комплексу
где n — число периодических циклов воздействий в единицу времени (1/год). Коэффициент пропорциональности и его изменения зависят от свойств материала и конструкции. Для конкретных конструктивных или отделочных слоев могут быть установлены из опыта эксплуатации или путем специальных исследований критические величины таких комплексов, соответствующие необходимому сроку службы конструкции.
Мерой интенсивности постепенного разрушения или, иначе говоря, износа конструкции может служить не только постепенная утрата прочности, т. е.
(?тр и ?ф — требуемая и фактическая прочность, но и некоторые другие показатели).
Для ограждающих конструкций и их элементов, обеспечивающих изоляцию здания от действия атмосферной влаги, ветра и других неблагоприятных внешних влияний, срок полноценной службы истекает с появлением неплотностей, трещин и расслоений, которые не могут быть устранены простыми средствами при текущем ремонте. Таковы, например, участки примыкания кровли к разжелобкам, водостокам и стенам, наружные отделочные слои и стыки панелей, гидроизоляционные слои в стенах и т. д. Для этих элементов ограждающих конструкций мерой износа является утрата непроницаемости
где Rптр и Rпф — требуемое и фактическое сопротивления проницанию влаги или иного вещества. Общий срок службы этих элементов, т. е. их долговечность, соответствует длительности безремонтной службы конструкции в целом, т. е. кровель, соответствующих участков наружных стен и т. п.
Во всех случаях практической мерой износа, вызванного постепенными разрушающими процессами, может служить утрата стоимости конструкции Изн=[(Рнач—Рф)/Рнач]·100 (%), где Рнач и Рф — начальная и фактическая стоимости конструкции.
Однако при изучении долговечности подавляющего большинства конструкций в качестве основного показателя износа принимают постепенную утрату тех видов прочности, которые наиболее характеризуют изменения во времени структурно-механических свойств материала или изделия.
Изменение структурно-механических свойств материала во времени целесообразно изучать по меняющимся значениям прочности при растяжении или при сдвигающих усилиях. По этому пути развивается значительное количество исследований стойкости во времени строительных материалов.
Сплошными линиями показаны изменения прочности образцов кровельных материалов, подвергавшихся относительно мягким атмосферным воздействиям в течение многих лет, а пунктирными — изменения прочности образцов тех же материалов, хранившихся в отапливаемом помещении. Из рисунка видно, что срок службы рулонных материалов, изготовленных из пропитанного картона с покровным битумным слоем, защищенным минеральной посыпкой, измеряется 10—15 годами в зависимости от толщины и веса материала.
Для многих материалов, подвергающихся мягким атмосферным воздействиям, характерны постепенное нарастание прочности, часто опережающее прирост прочности материала, хранимого при неизменной температуре в отапливаемом помещении, а затем ее относительно быстрое падение ниже первоначальной.
Заштрихованная нами на рис. VII.2 площадь Л, ограниченная сверху кривой изменения прочности рубериода легкого веса, а снизу пунктирной линией, выражающей изменения прочности того же материала, но хранившегося в помещении, пропорциональна осуществившейся работе атмосферных воздействий, затраченной на постепенное изменение прочности и последующее разрушение материала. Величина этой площади имеет размерность кГ·год/см2.
Вся работа внешних воздействий, затраченная на изменение прочности материала и постепенное его разрушение, может быть представлена в виде
где к1, к2, к3 — коэффициенты пропорциональности, зависящие от характера разрушения, природы материала и его толщины, а также от интенсивности воздействий; Р? и Р0 — прочности материала (на сдвиг или растяжение) в рассматриваемый момент времени и начальная прочность; ? — время.
Можно полагать, что длительность срока службы ? ограждающей конструкции или отдельного слоя зависит от осредненной интенсивности воздействий внешней среды И; тогда результативную величину этой зависимости можно представить в виде
Очевидно И представляет осредненное количество разрушающей материал энергии, воспринятое из внешней среды поверхностью наружного конструктивного слоя в течение всего периода службы конструкции и отнесенное к 1 см2 поперечного сечения этого слоя.
Особенности энергетических влияний внешней среды чаще всего связаны с периодическими колебаниями температуры и соответствующими изменениями влажности и интенсивности агрессивных воздействий. Зависящие от изменений относительной влажности и величин пересыщений, процессы конденсации, адсорбции, диффузии, растворимости и кристаллизации также приобретают закономерный циклический характер.
При периодических воздействиях на ограждающую конструкцию осредненная интенсивность И может быть заменена числом циклов воздействия ?n за каждый год службы конструкции.
Если принять, что после завершения процессов упрочнения каждый цикл обладает одинаковым (средним) разрушающим действием ?Р, кГ/см2, то длительность срока службы ? может быть выражена как:
Процесс упрочнения (уплотнения) характеризуется скоростью повышения прочности (непроницаемости) dP/(d?) и периодом времени ?нач, в течение которого происходит улучшение физико-механических свойств. По истечении этого периода времени начинается постепенное разрушение материала и величина dP/(d?) приобретает отрицательный знак.
Период постепенного разрушения может иметь различную длительность (?—?нач) в зависимости от количества внутренней энергии конструкции, противостоящего разрушению и характеризующегося эффектом предшествующего упрочнения, стойкостью материала, а также толщиной и проницаемостью конструктивного слоя.
Стойкость представляет величину, обратную скорости разрушения, и может быть, в соответствии с представлениями о сопротивлении неразрушенной структуры2 твердого тела, выражена следующим образом:
Интенсивность И воздействий наружной среды весьма различна и сопоставление этих различий в единой энергетической шкале представляет определенные трудности. В связи с этим, при экспериментальном изучении изменений прочности материалов во времени (при замораживании, увлажнении, нагреве и т. д.) могут быть введены условные стандартные характеристики интенсивности, соответствующие наиболее типичным видам постепенного разрушения.
Для каждого из этих видов своя особая характеристика интенсивности может быть принята за единицу (один цикл), а выражение для стойкости написано в виде:
В этом случае, в соответствии с особенностями внешних воздействий и в целях практически приемлемой оценки различных структурно-механических свойств материалов, возникает представление о нескольких видах и степенях стойкости.
Все виды стойкости гидрофильных строительных материалов, применяемых для наружных ограждений зданий, связаны с нестационарными воздействиями температуры и влаги.
Отдельно рассматриваемый вид стойкости материалов при периодических колебаниях температуры (нагрев и остывание) имеет доминирующее значение для материалов, находящихся в сухом состоянии. Воздействия колебаний температур на увлажненные материалы более разрушительны и устанавливаются совместно с другими видами стойкости, связанными с воздействиями влаги.
Стойкость против последовательных увлажнений и высыханий, при колебаниях положительной температуры, называют влагостойкостью, а стойкость насыщенного влагой материала, при колебаниях переходящих через точку замерзания, — морозостойкостью.
Стойкость против воздействий влаги, содержащей растворенные агрессивные вещества, во многих случаях известна под названием стойкости против коррозии.
При оценке срока службы конструкции число циклов воздействий, воспринимаемых последней, устанавливается в соответствии с имеющимися условиями наружного климата и микроклимата ограждаемого помещения.
Как это видно из предыдущего изложения, одно из основных направлений в изучении долговечности базируется на экспериментальных исследованиях, причем реальное длительное время службы конструкции, выполненной из какого-либо конкретного материала, моделируется числом циклов колебаний теплового или влажностного состояния; каждый из этих циклов приравнивается промежутку времени, изменяющемуся в зависимости от особенностей интенсивности реальных внешних воздействий.
В проведении таких исследований много условностей, связанных с несовершенством методики лабораторных экспериментов, производимых обычно на небольших образцах материалов; кроме того, выполнение подобных экспериментов длительно и трудоемко.
В связи с этим возникают другие направления в изучении проблем долговечности. В частности, одно из них основывается на том, что прочность любых реальных твердых тел, в том числе и строительных материалов, зависит от времени действия нагрузки, уменьшаясь с его увеличением. Реальные процессы разрушения связаны с приложением циклически возникающих (длительных) усилий, вызывающих напряжения растяжения или сдвига в наиболее слабых участках структуры материала.
Уменьшение прочности при длительном пребывании материала под растягивающей его нагрузкой объясняется постепенным развитием дефектов в трещинах разрыва. Такое развитие связано с изменениями значений внутренней потенциальной энергии материала, вместе с которыми изменяются и его структурно-механические свойства. Постепенные процессы разрушения выражаются последовательностью постепенных переходов материала из одних состояний с более высоким уровнем внутренней энергии в другие, имеющие меньший ее уровень.
В основе незаметно для человеческого глаза происходящих изменений структуры материала лежит квантовая природа материи и квантовые процессы, подчиняющиеся физико-статистическим закономерностям. Можно считать, что математическая интерпретация этих закономерностей идет от волновой функции [78] и имеет экспоненциальный характер.
В самой общей форме, при наличии термической активации развития трещин, время ?, необходимое для постепенного падения структурно-механических свойств материала вплоть до недопустимого предела, может быть установлено на основе зависимости:
где ?0 — постоянное, ничтожно малое время, численно близкое к периоду колебаний атомов в структурной решетке материала; е — основание натуральных логарифмов; u — энергетический уровень, который необходимо преодолеть внешним воздействиям для того, чтобы вызвать структурные изменения в опасной зоне конструкции. Этот энергетический уровень, при развитии процессов постепенного разрушения: u=u0—??, где u0 — энергия, необходимая для возникновения (активации) процесса изменения структурных свойств материала в отсутствии внешних усилий, вызывающих напряжения3; ? — коэффициент, зависящий от природы и структурных свойств материала; а — напряжение на сдвиг или растяжение; k=R/N0 — постоянная Больцмана (отношение универсальной газовой постоянной R к числу молекул N0 в 1 г/мол. вещества); Т — температура в шкале Кельвина.
Поскольку период колебаний атомов ?0 в структурной решетке материала зависит от величины заряда атомного ядра, время, необходимое для изменения структурных качеств, оказывается закономерно связанным с основными физико-химическими свойствами материала, его плотностью, строением электронных оболочек атомов и с периодическим законом Д. И. Менделеева.
Величина u0 зависит от степени совершенства структурно-механических свойств рассматриваемого материала и в пределе может приближаться к энергии связи атомов в кристаллической решетке идеального материала (по абсолютной величине, близкой к энергии сублимации, но обратной ей по знаку). Для бетона эта величина в некоторой недостаточной мере связана с маркой бетона (т. е. с весьма грубыми градациями одного из видов прочности материала, применяемыми в практике строительства), но явным образом зависит также от особенностей процесса кристаллизации в бетоне, характера пористости и активности сцепления цементного раствора с поверхностью песка и крупного заполнителя. При преобладании мелких кристаллических образований, закрытой пористости и химическом сродстве между вяжущим и заполнителем (или активировании поверхности последнего, обеспечивающем повышение сцепления) значение u0 возрастает. Структурный коэффициент ? резким образом изменяется с возрастом бетона, уменьшаясь в два и более раза по мере упрочнения материала.
В основе кинетической теории изменений прочности, выражаемой уравнением (VII.3) и устанавливающей зависимость процессов изменения структурных свойств материала от величины напряжений и времени, лежат физические представления о возможности возникновения упрочняющих процессов, связанных с зарождением новых центров кристаллизации и развитием кристаллической структуры и о постепенном разрушении, проявляющемся в росте трещин, происходящем путем последовательного разрыва межчастичных (молекулярных или атомных) связей. Эти упрочняющие и разрушающие процессы развиваются при определенных энергетических условиях, связанных с конкретными температурно-влажностными воздействиями внешней среды.
Исследование долговечности конструктивных элементов на основе использования уравнения (VII.3) только начинает развиваться. При этом основной элемент исследования заключается в том, что сравнимые образцы конкретного материала подвергаются серии силовых воздействий с градациями различной интенсивности, в целях возникновения напряжений (на. растяжение или сдвиг), при которых разрушение образцов происходит через различные интервалы времени.
На основе таких экспериментов определяются количество энергии u0, необходимой для возникновения процессов разрушения и значения структурных коэффициентов ?, т. е. неизвестные величины, входящие в уравнение (VII.3).
Тем самым устанавливается конкретная зависимость между напряжениями, возникающими в материале, и сроками его службы до возможного предела разрушения.
Далее, на основе анализа внешних физико-климатических воздействий, которым будет подвергаться изучаемая ограждающая конструкция, конкретизируются значения напряжений (например, от неравномерного распределения температур и влагосодержания, ветровых и других механических нагрузок и т. п.).
Независящие друг от друга разрушительные эффекты, возникающие при найденных напряжениях, суммируются друг с другом.
Результативная долговечность ? при комплексном действии различных напряжений, возникающих от внешних физических и механических воздействий, определяется на основе зависимости:
Как видно из этой последовательности отдельных этапов изучения, использование в практических целях уравнения (VII.3) связано с необходимостью проведения специальных экспериментов.
Исследования, проведенные в целях изучения долговечности наружных отделочных (фактурных) слоев крупных панелей [88] показали, что в климатических условиях г. Перми сроки службы фактуры из мелкозернистых бетонов на карбонатных песках примерно вдвое более длительны по сравнению со сроками службы таких же бетонов, но на кварцевых песках.
Развитие сетки силовых трещин на поверхности наружной фактуры с карбонатным заполнителем происходит более медленно и в количественном отношении менее выражено, чем у фактуры с заполнителем из кварцевого песка. Объясняется это большей однородностью структурных свойств фактуры с карбонатным заполнителем, поскольку сцепление вяжущего с поверхностью родственного в химическом отношении заполнителя происходит более активно и отличается относительно высокой прочностью.
Третьим направлением в исследованиях долговечности ограждающих конструкций является применение математических методов теории надежности к прогнозированию сроков службы тех или иных конструктивных элементов на основе имеющегося опыта эксплуатации, его обобщений и результатов натурных исследований.
Теория надежности была развита применительно к кинематическим системам и управляющим устройствам, таким как действующие механизмы, средства транспорта, автоматическрго производства и контроля, электронно-вычислительные машины и т. д. Поэтому многие понятия и значительная часть терминологии теории надежности установились применительно к особенностям работы кинематических и им подобных систем и не приложимы, в логическом смысле, к рассмотрению эксплуатации строительных конструкций. Таковы понятия о безотказности работы механизмов, возникновении отказов при использовании автоматических и электронных устройств и некоторые другие. Очевидно, что эти понятия аналогичны таким установившимся в строительстве представлениям, как неизменность и сохранность эксплуатационных качеств ограждающих конструкций и их временное или постоянное нарушение при утрате непроницаемости, теплозащитных свойств или возникновении каких-либо других дефектов.
Однако математический аппарат, применяемый при изучении надежности, основан на методах теории вероятности и может быть приложен к изучению любых явлений, если последние можно считать входящими в категорию установившихся случайных процессов, а имеющийся опыт статистического учета изменений их особенностей — достаточно развитым и массовым.
Следовательно, применение математических методов теории надежности может дать наибольший познавательный и практический эффект при обработке результатов массовых натурных наблюдений за сроками службы отдельных конструктивных элементов и закономерностями их постепенного разрушения в сходных условиях эксплуатации.
После четырех лет эксплуатации свыше 60% обследованных кровель многоэтажных домов нуждалось в мелком ремонте, после восьми лет — около 90%, а предельная длительность безремонтной службы составляла около 15 лет. Вторая половина общей длительности службы кровель протекает при периодических ремонтах. Для индивидуальных одноэтажных домов сроки безремонтной службы кровель гораздо длительнее, что, по-видимому, объясняется более аккуратной эксплуатацией, а возможно и более крутыми уклонами кровель, поскольку чердачные пространства обычно используются для хозяйственных целей, а иногда и для летнего жилья. Длительность безремонтной службы превышает 30 лет более чем для 20% кровель.
По-видимому, выводы НИИасбестоцемента о том, что в целях увеличения долговечности кровель следует повышать плотность асбестоцементных листов (а, следовательно, уменьшать водопоглощение и увеличивать морозостойкость) и их ударную вязкость, являются правильными.
Примечания
1. При широкой возможности проведения ремонтов, совершенствования инженерного и санитарно-технического оборудования и вообще улучшений и целесообразных внутренних переустройств в зданиях, имеющих ценность для внешнего облика населенных мест, длительный срок службы этих зданий определяется не условными экономическими предположениями или наперед заданными сроками моральной амортизации, а главным образом процессом физического износа их основных конструкций, подвергающихся наиболее интенсивным внешним воздействиям, т. е. отдельных элементов несущего каркаса, внешней части несущих стен, крыши и т. д.
2. По Бингаму — вязкость неразрушенной структуры.
3. В соответствии с представлениями академика П. А. Ребиндера, эта величина при развитии процессов постепенного упрочнения материала:
где ??0 — разность химических потенциалов, приведенная к одной молекуле вещества и отнесенная к ее единичному объему V'1.