Сроки службы конструкций зависят от качества применяемых материалов и изделий, общей целесообразности принятого конструктивного решения, надежности защитно-отделочных слоев или других средств, ограничивающих физико-климатические и другие внешние воздействия на конструкцию. В этот перечень факторов, влияющих на долговечность конструкций не включены особенности и качество производства строительно-монтажных работ, поскольку эти причины далеко не всегда могут быть учтены в стадии проектирования конструкций.
Весьма важным качеством применяемых материалов и изделий является неизменность их необходимых структурно-механических свойств во времени. Это качество обеспечивается отнюдь не высокой начальной прочностью материала, а только достаточной его стойкостью против тех внешних воздействий, которые будут восприниматься проектируемой конструкцией. Виды необходимой стойкости должны быть установлены путем тщательного изучения особенностей эксплуатации. Однако все виды стойкости материала против колебаний температур и изменений влагосодержания (влагостойкость, морозостойкость, стойкость против циклических изменений температуры) могут быть обеспечены соблюдением определенных закономерностей, влияющих на образование структуры материала.
Большинство строительных материалов состоит из нескольких составляющих и отличаются неоднородной структурой, отдельные элементы которой могут состоять из компонентов с различными физико-химическими свойствами1.
Естественно, что различные физические свойства отдельных компонентов наиболее заметны в композиционных материалах, типичным примером которых являются бетоны.
При колебаниях температуры и ее изменениях в отдельных зонах конструкции из этих различных свойств важно, в частности, термическое расширение вяжущего и заполнителей, определяемое величинами коэффициентов ?т.
На границе этих компонентов возникают напряжения, пропорциональные разности коэффициентов термического расширения и градиенту температур. При значительных напряжениях и недостаточном сцеплении вяжущего с поверхностью заполнителя у этих границ легко возникают трещины, приводящие при дальнейшем их развитии к заметному для глаза разрушению материала.
В связи с этим при выборе вяжущего и заполнителей для бетонов важно знать величины ат для этих компонентов и подбирать их так, чтобы их коэффициенты термического расширения отличались друг от друга наименьшим образом.
В табл. VII.1 указаны ориентировочные величины ат для некоторых характерных материалов.
Число переходов через нуль зависит от ориентации панельных стен и условий наружного климата; оно наиболее велико для стен, обращенных на юг, и для территорий с интенсивной солнечной радиацией в зимнее время года (Южная Сибирь, Приморский Край и т. д.).
Для Приморского Края, где зимой преобладают ясные, солнечные дни с холодными ветрами и низкой температурой наружного воздуха, число переходов через нуль достигает на поверхности панелей, обращенных на юг, 80 циклов [85], уменьшаясь на глубине 7 см. (граница слоя резких колебаний) примерно до 75, тогда как соответствующие значения для европейской части СССР (г. Куйбышев) приближенно составляют 12 и 8 [86].
Морозостойкость материала наружной части панелей на территориях Дальневосточного края должна быть существенно выше, чем в районах европейской части СССР.
В тех случаях, когда изменения температур сопровождаются резкими колебаниями влагосодержания материала, структура его должна обладать некоторыми дополнительными свойствами. Если бы структура материала состояла из крупных закрытых однородных пор, соединенных тонкими капиллярами, разрушение при воздействиях влаги и вообще водных растворов, протекало бы много медленнее, а материал обладал бы высокой физико-химической стойкостью.
Замедление разрушения при резких изменениях влагосодержания характерно также для материалов с относительно изолированными (замкнутыми) порами, заполненными воздухом и трудно доступными для влаги при обычных условиях, но обеспечивающими ее перераспределение при более высоких давлениях, возникающих, например, при замерзании.
Количество замкнутых пор является мерой обеспечения стойкости материала против внешних разрушающих физико-химических воздействий, связанных с присутствием влаги. Свободная энергия на поверхности замкнутых пор более высока, чем в открытых, доступных для внешних воздействий. С развитием разрушения число замкнутых пор уменьшается, а удельная поверхность неизолированных пор и полостей внутри материала возрастает.
Одновременно уменьшается концентрация поверхностной энергии в объеме материала.
Безобжиговые материалы с неблагоприятно организованной пористостью (крупными открытыми порами) и малой механической прочностью могут в первый же период после изготовления подвергаться саморазрушению при пребывании в воздушной среде с относительно высокой температурой (порядка 25—40° и выше)2.
Аналогичные требования к структуре материала в отношении преимущественно закрытой пористости и хорошего сцепления вяжущего с заполнителем относятся к элементам конструкций, подвергающихся попеременному действию влаги и мороза.
Степень морозостойкости строительных материалов не связана какой-либо определенной зависимостью ни с величиной общей прочности материала при сжатии, ни с его объемным весом; прочный и тяжелый материал может оказаться недостаточно морозостойким и, наоборот, материал с ограниченной механической прочностью при сжатии и легким весом может выдержать большое число замораживаний и оттаиваний без существенных разрушений.
Действие влаги и мороза на материалы приводит к развитию весьма больших местных напряжений в наиболее слабых участках материала, что и является основной причиной образования и развития трещин.
Материалы, в которых зародыши и зоны вероятного образования трещин возникают в процессе их изготовления, являются совершенно нестойкими в процессе эксплуатации.
Так, например, слоистая и свилеватая структура является одной из основных причин недостаточной морозостойкости глиняного обожженного кирпича, выпускаемого отдельными заводами.
условиях влажного климата и неустойчивой зимы свилеватый кирпич с высокой механической прочностью при сжатии (до 150 кГ/см2) быстро разрушается в наружных частях стен жилых зданий. Лабораторные исследования этого кирпича на замораживание в водонасыщенном состоянии показывают, что он разрушается после двух-трех замораживаний. В то же время морозостойкость плотного, хорошо обожженного кирпича пластичного формования из однородных глин, не содержащих посторонних растворимых примесей, измеряется более чем 35 циклами замораживания.
Тщательная укладка и уплотнение бетона с малым водоцементным отношением, представляющего преимущества в отношении возможного повышения стойкости, но обладающего малой пластичностью, требует интенсивных вибрационных воздействий; в тех случаях, когда это представляет некоторые трудности, большое значение приобретает применение поверхностно-активных добавок, повышающих пластичность бетонов с малым водоцементным отношением и облегчающих их укладку. Одновременно применение таких добавок способствует повышению морозостойкости бетонных изделий.
Введение поверхностно-активных веществ, например, сульфитно-спиртовой барды или абиетиновой смолы, ведет к более совершенному обволакиванию заполнителей цементным тестом и вытеснению с их поверхности воздушной пленки, а следовательно, повышению сцепления. Образование структуры цементного камня имеет свои особенности в зависимости от вида и свойств вводимых добавок. При введении активных гидрофобных добавок типа абиетиновой смолы вытесненные с поверхности заполнителей мельчайшие пузырьки воздуха образуют в цементном тесте замкнутые и равномерно распределенные по объему материала поры, мало доступные для проникновения в них влаги. Подобная структура бетона обеспечивает малую проницаемость и повышает долговечность конструктивных элементов, находящихся в воздушной среде, но периодически подвергающихся увлажнению и замерзанию (например, бетонных ступеней наружных лестниц, бордюрных камней тротуаров и парапетов и т. д.).
Электронно-микроскопическими исследованиями установлено, что при затворении бетона с поверхностно-активными добавками кристаллы трехкальциевого алюмината и других основных минералов, входящих в состав цемента, утрачивают обычную форму пластинчатых шестиугольников, создающих слоистую структуру, и приобретают вытянутую форму палочкообразных кристаллов, растущих преимущественно в длину. Эти вытянутые кристаллы образуют в процессе роста скелетную сетчатую структуру цементного камня, значительно повышающую его прочность на растяжение, а следовательно и стойкость.
Помимо применения стойких материалов, общая целесообразность конструктивного решения проектируемого ограждения должна заключаться в обеспечении наиболее однородного распределения температур, отсутствии недопустимого увлажнения отдельных зон или элементов, опасных в отношении преждевременного разрушения, а также соответствия требованиям нормальной эксплуатации и удобного проведения ремонтов.
Конструкции, в которых сочетается применение относительно мало теплопроводных материалов с полностью или частично пересекающими их в направлении параллельном потоку тепла стальными или железобетонными теплопроводными элементами, не удовлетворяют требованиям достаточной долговечности в условиях сурового или влажного климата.
Зоны пониженных, а иногда и отрицательных температур, возникающие вблизи теплопроводных включений, какими являются стальные крепления, железобетонные ребра панелей и другие элементы, обеспечивающие жесткость и начальную прочность конструкции, становятся очагами постепенного разрушения, поскольку вместе с периодическими понижениями температуры возникают увлажнения, замерзания влаги, образование трещин и процессы коррозии.
Конструкции с однородным температурным полем, характеризуемым монотонным, равномерным распределением изотерм и ограниченной величиной температурного градиента, отличаются большей надежностью в отношении длительных сроков службы и неизменности необходимых эксплуатационных качеств.
В слоистых конструкциях с применением эффективных теплоизоляционных материалов утепляющие слои ни в коем случае не должны пересекаться теплопроводными включениями; несущие конструктивные элементы из более тяжелых и плотных материалов, когда это не противоречит теплофизической целесообразности, следует располагать у теплой поверхности конструкции, так же как и стальные элементы конструкции и сварки.
Для конструкций капитальных зданий должны быть предусмотрены гораздо более длительные сроки службы, чем, например, для конструктивных решений наземного, воздушного и водного транспорта, подвергающихся более быстрой моральной амортизации, плотность и стойкость теплоизоляционных материалов, применяемых в строительстве капитальных зданий, должны быть выше, чем в вагоно-, самолето- и пароходостроении. В частности, применение для этих строительных объектов пенопластов с объемным весом менее 100 кг/м3 вряд ли можно считать целесообразным.
При проектировании ограждающих конструкций следует по возможности обеспечивать равную надежность и долговечность отдельных элементов конструкции. Для многих конструкций характерны места, зоны, детали, обладающие наименьшим сопротивлением разрушению или подвергающиеся более интенсивным внешним воздействиям. Таковы пристенные, прикарнизные и водоотводящие устройства кровель, наиболее увлажняемые атмосферной влагой части стен, парапетов и наружных входов, стальные крепления и уплотняющие заполнения в сопряжениях крупных панелей и т. д. Состояние этих зон и конструктивных деталей может решающим образом влиять на общее снижение эксплуатационных качеств, конструкции, а потому должно привлекать особое внимание в смысле обеспечения их наибольшей защиты от внешних воздействий и повышения надежности при проектировании.
Долговечность конструкций ?? зависит не только от стойкости применяемых материалов, но и от ограничения распространения разрушающих воздействий, т. е. ??=f(Ст; 1/D), где D — коэффициент диффузии агрессивного вещества.
Долговечной будет и хорошо защищенная конструкция из нестойких материалов. При этом виды защиты могут быть самыми разнообразными как естественными, так и искусственными. Примеры этого разнообразия, заимствованные из опыта эксплуатации зданий и сооружений, многочисленны. Из практики эксплуатации химических предприятий, загрязняющих прилегающую к зданиям почву агрессивными веществами, известно, что фундаменты и другие подземные части зданий долго служат в глинистых грунтах, защищающих от фильтрации, и разрушаются в песчаных, хорошо фильтрующих атмосферную влагу, растворяющую агрессивные вещества.
В одном случае защита обеспечивается естественными условиями, в другом требуется осуществить ее глиняной изоляцией, уширенной асфальтовой отмосткой и исключением наружного неорганизованного отвода воды с кровель.
Известно, что возведенные из нестойкого грунтового материала стены Приоратского дворца под Ленинградом служили несколько веков, вплоть до того, как были повреждены в годы Великой Отечественной войны. Длительный срок службы этих стен объяснялся хорошей их защитой наружными и внутренними штукатурными слоями из мелкозернистого известкового бетона. Подобные же примеры защиты фактурными и облицовочными слоями стен из нестойких материалов (грунтовых и неморозостойкого кирпича) дает опыт строительства жилых зданий в тридцатые и сороковые годы в Москве и на Крайнем Севере (Мончегорск).
Благоприятное влажностное состояние конструкции в ряде случаев может быть обеспечено не только изоляцией от внешних влияний, но и активной вентиляцией сухим воздухом. В частности, целесообразна вентиляция пустотных конструкций, снимающая атмосферное увлажнение и обеспечивающая сохранность недостаточно стойких материалов.
Вентилируемые воздушные прослойки являются наиболее эффективной защитой от перемещений влаги в жидкой фазе; конструкции с такими прослойками целесообразны и для защиты от атмосферного увлажнения во влажном климате с устойчивыми периодическими ветрами и при разработке ограждающих конструкций для помещений с большими выделениями влаги.
Целесообразное конструктивное решение в состоянии повысить в несколько раз сроки службы проектируемых ограждающих конструкций зданий.
Примечания
1. Это относится не только к бетонам, являющимся типично неоднородными материалами, образованными из вяжущего и заполнителей. Неоднороден и сам вяжущий раствор, в состав которого входят различные модификации извести и цемента, и кроме того — в качестве наполнителя песок, свойства которого также неодинаковы. Неоднородны и крупные заполнители, состоящие из отдельных минеральных составляющих. В этом смысле неоднородным является почти любой компонент наиболее распространенных композиционных строительных материалов.
2. По П. А. Ребиндеру это связано с изотермическими перемещениями влаги с мест контакта частиц на всю поверхность пор и сведением к минимуму свободной поверхностной энергии внутри материала.