Введение в специальность («комплексная реконструкция и эксплуатация зданий и сооружений») - Архитектура - Скачать бесплатно
воздействие нагрузок,
вызывающее объемное напряженное состояние, и агрессивное воздействие
окружающей среды, в результате чего сооружения изнашиваются и выходят из
строя.
Агрессивной средой является такая среда, под воздействием которой
изменяются структура и свойства материалов, что приводит к непрерывному
снижению прочности и разрушению структуры; разрушение при этом называется
коррозией.
Развитие промышленности и городов идет по линии использования более
высоких скоростей технологических потоков, давлений, температур,
образования агрессивных сред, т. е. по линии возникновения условий, когда
на сооружения воздействуют более агрессивные среды и механические нагрузки,
чем прежде, что, естественно, приводит к более быстрому их разрушению и
необходимости более эффективной защиты.
Способность материалов сопротивляться разрушительному воздействию
внешней среды называется коррозионной стойкостью, а предельный срок службы
сооружений, в течение которого они сохраняют заданные эксплуатационные
качества, и есть их долговечность.
Вещества и явления, способствующие разрушению, коррозии, называют
стимуляторами или факторами, содействующими коррозии. Вещества и явления,
затрудняющие и замедляющие разрушение, коррозию, называют пассиваторами или
ингибиторами коррозии.
Агрессивность или пассивность среды не имеют универсального характера, т.
е. они могут меняться ролями: в одних условиях определенная среда
агрессивна, а в других — она же пассивна. Так, теплый, влажный воздух
весьма агрессивен по отношению к стали, но цементный бетон он упрочняет.
Разрушение строительных материалов носит весьма разнообразный характер:
химический, электрохимический, физический, физико-химический. Детально это
будет рассмотрено ниже применительно к основным строительным материалам:
металлу, бетону, дереву. Классификация агрессивности сред и их воздействий
приведена в СНиП 11.28—76. Агрессивные среды делятся на газовые, жидкие и
твердые. Ниже дается их краткая характеристика.
Газовые среды — это прежде всего такие соединения, как сероуглерод
(CS2), углекислый газ (СО2), сернистый газ (SO2) и др. Их агрессивность
определяют три главных фактора, или показателя: вид и концентрация газов,
растворимость газов в воде, влажность и температура газов.
Жидкие среды — это растворы кислот, щелочей, солей, а также масла, нефть,
растворители и др. Агрессивность таких сред определяется тремя
показателями: концентрацией агрессивных агентов, их температурой, скоростью
движения или величиной напора у поверхности конструкции. Коррозионные
процессы более интенсивно протекают в жидкой агрессивной среде.
Твердые среды — это пыль, грунты и т. п. Их агрессивность оценивается
четырьмя показателями: дисперсностью, растворимостью в воде,
гигроскопичностью и влажностью окружающей среды. Влага в твердых средах
играет особенно активную роль.
На рис. 1,6 показаны внешние и внутренние воздействия на здания и
сооружения. Все они учитываются в нормах и при разработке проектов, однако
страна наша так велика, столь разнообразны климатические,
гидрогеологические условия строительства, а также и внутренние воздействия,
вызванные происходящими в сооружениях процессами, что не всегда удается
найти оптимальные решения, учитывающие все воздействия, относительно
долговечности, экономичности и других показателей. Поэтому важной задачей
персонала эксплуатационной службы является учет специфических воздействий
на сооружения, что способствует обеспечению заданной их долговечности.
Рассмотрим основные факторы, воздействующие на сооружения.
Воздействие воздушной среды. В атмосфере содержатся пыль и газы,
способствующие разрушению зданий. Загрязненный воздух, особенно в сочетании
с влагой, вызывает преждевременный износ, коррозию или загрязнение,
растрескивание и разрушение строительных конструкций. Вместе с тем в чистой
и сухой атмосфере камни, бетоны и даже металлы могут сохраняться сотни и
тысячи лет. Это значит, что воздушная среда, в которой находятся такие
материалы, слабо агрессивна или совсем не агрессивна.
Основным загрязнителем воздуха являются продукты сгорания различных
топлив; поэтому в городах и промышленных центрах металлы корродируют в два-
четыре раза быстрее, чем в сельской местности, где сжигается значительно
меньше угля и нефтепродуктов.
Загрязненность воздуха газами и твердыми частицами в зимнее время шлите
и зависит от вида топлива. Больше всего загрязняет атмосферу пылевидное
топливо, ибо при его сжигании вместе с дымом уносится много золы и пыли,
меньше всего — природные газы.
Основными продуктами сгорания большинства видов топлива являются
углекислый (СО2) и сернистый (SO2) газы. При растворении углекислого газа в
воде образуется углекислота — конечный продукт сгорания многих видов
топлива; она разрушающе действует на бетон и иные материалы. При
растворении сернистого газа в воде образуется серная кислота, также
разрушающая бетон.
Кроме углекислоты и серной кислоты, в дымах накапливаются и другие
(свыше ста) вредные соединения: азотная и фосфорная кислоты, смолистые и
иные вещества, несгоревшие частицы, которые, попадая на конструкции,
загрязняют их и способствуют разрушению.
В приморских районах в атмосфере могут содержаться хлориды, соли серной
кислоты и другие вредные для строительных материалов вещества. Влажность
воздуха повышает его агрессивное воздействие, в частности на металлы.
Воздействие грунтовой воды. Имеющаяся в природе грунтовая вода может
быть: связанной (химически, гигроскопически и осмотически впитанной или
пленочной); свободной; парообразной (перемещающейся по порам из мест с
большой упругостью водяного пара в места с меньшей его упругостью).
Грунтовая вода взаимодействует физически и химически с минеральными и
органическими частицами грунта. Все ее виды находятся во взаимодействии
друг с другом и переходят один в другой. Вода в грунтах всегда представляет
собой раствор с изменяющимися концентрацией и химическим составом, что
отражается и на степени ее агрессивности.
Оценивая агрессивность грунтовых вод, следует учитывать переменный ее
характер: с течением времени возле подземных частей сооружений водный режим
может изменяться, в связи с чем агрессивность среды будет повышаться или
снижаться.
Атмосферные осадки, проникая в грунт, превращаются либо в парообразную,
либо в гигроскопическую влагу, удерживающуюся в виде молекул на частицах
грунта молекулярными силами, либо в пленочную, поверх молекулярной, либо в
гравитационную, свободно перемещающуюся в грунте под действием сил тяжести.
Гравитационная влага может доходить до грунтовой воды и, сливаясь с ней,
повышать ее уровень.
Грунтовая вода, в свою очередь, вследствие капиллярного поднятия
перемещается вверх на значительную высоту и обводняет верхние слои грунта.
В некоторых условиях капиллярная и грунтовая воды могут сливаться и
устойчиво обводнять подземные части сооружений, в результате чего
усиливается коррозия конструкций, снижается прочность оснований.
Изменение минералогического состава грунтовых вод меняет их агрессивность
по отношению к подземным частям сооружений. В районах с большим количеством
осадков (в северных) уровень грунтовых вод поднимается и снижается их
карбонатная жесткость (в результате разбавления осадками); это усиливает
способность вод к выщелачиванию извести в бетонных конструкциях. В
засушливых районах, наоборот, из-за большого испарения влаги повышается
концентрация минеральных солей в воде, что вызывает кристаллизационное
разрушение бетонных конструкций.
Испарение из грунтов влаги и их увлажнение приводят к движению в грунтах
воздуха (кислорода), что также повышает их коррозионную активность.
Существует много разновидностей агрессивности грунтовых вод. Из них чаще
всего выделяют общекислотную, выщелачивающую, сульфатную, магнезиальную и
углекислотную в зависимости от наличия в воде соответствующих примесей и их
концентрации, указанных в СНиП 11.28—76.
Воздействие отрицательной температуры. Некоторые конструкции, например
цокольные части, находятся в зоне переменного увлажнения и периодического
замораживания. Отрицательная температура (если она ниже расчетной или не
приняты специальные меры для защиты конструкций от увлажнения), приводящая
к замерзанию влаги в конструкциях и грунтах оснований, разрушающе действует
на здания.
При замерзании воды в порах материала объем ее увеличивается, что создает
внутренние напряжения, которые все возрастают вследствие сжатия массы
самого материала под влиянием охлаждения. Давление льда в замкнутых порах
весьма велико — до 20 Па. Разрушение конструкций в результате замораживания
происходит только при полном (критическом) влагосодержании, насыщении
материала.
Вода начинает замерзать у поверхности конструкций, а поэтому разрушение
их под воздействием отрицательной температуры начинается с поверхности,
особенно с углов и ребер. Максимальный объем льда получается при
температуре —22°С, когда вся вода превращается в лед. Интенсивность
замерзания влаги зависит от объема пор. Так, если вода в больших порах
начинает переходить в лед при
0°С, то в капиллярах она замерзает только при —17°С.
Самым устойчивым к замораживанию является материал с однородными и
равномерными порами, наименее устойчивым— с крупными порами, соединенными
тонкими капиллярами, так как перераспределение в них влаги затруднено.
Напряжение в конструкциях зависит не только от температуры охлаждения,
но и от скорости замерзания и числа переходов через 0 °С; оно тем сильнее,
чем быстрее происходит замораживание.
Камни и бетоны с пористостью до 15 % выдерживают 100—300 циклов
замораживания. Уменьшение пористости, а следовательно, и количества
влаги повышает морозостойкость конструкций.
Из сказанного следует, что при замерзании разрушаются те конструкции,
которые увлажняются. Защитить конструкции от разрушения при отрицательных
температурах — это прежде всего защитить их от увлажнения.
Промерзание грунтов в основаниях опасно для зданий, построенных на
глинистых и пылеватых грунтах, мелко- и средне-зернистых песках, в которых
вода по капиллярам и порам поднимается над уровнем грунтовых вод и
находится в связанном виде. Связанная вода замерзает не сразу и по мере
замерзания перемещается из зон толстых оболочек в зоны с оболочками меньшей
толщины; это объясняется подсасыванием воды из нижних слоев в зону
замерзающего грунта.
Промерзание и выпучивание грунтов опасны только для наземных сооружений,
поскольку уже на глубине примерно 1,5 м от поверхности нет разницы в
колебаниях дневной и ночной температур, а на глубине 10—30 м не ощущается
изменение зимних и летних температур.
Вода в грунте основания независимо от того, является ли она
поверхностной, грунтовой или капиллярной, всегда создает опасность
промерзания грунта из-за повышения его теплопроводности при увлажнении.
Повреждения зданий из-за промерзания и выпучивания оснований могут
произойти после многих лет эксплуатации, если будут допущены срезка грунта
вокруг них, увлажнение оснований и действие факторов, способствующих их
промерзанию.
Воздействие технологических процессов. Каждое здание и сооружение
проектируется и строится с учетом воздействия предусматриваемых в нем
процессов; однако из-за неодинаковой стойкости и долговечности материалов
конструкций и различного влияния на них среды износ их неравномерен. В
первую очередь разрушаются защитные покрытия стен и полы, окна, двери,
кровля, затем стены, каркас и фундаменты. Сжатые элементы и элементы
больших сечений, работающие при статических нагрузках, изнашиваются
медленнее, чем изгибаемые и растянутые тонкостенные, которые работают при
динамической нагрузке, в условиях высокой влажности и высокой температуры.
Кислотостойкими являются породы с большим содержанием кремния (кварц,
гранит, диабаз), нестойки к кислотам породы, содержащие известь (доломит,
известняк, мрамор); последние являются щелочестойкими.
Обожженный кирпич стоек даже в среднекислой и средне-щелочной средах. Для
него опасны плавиковая кислота и раствор едкого натра, он разрушается также
при солевой коррозии.
Сухой бетон морозостоек, однако пересыхание его при температуре выше
60—80 °С приводит к обезвоживанию, прекращению гидратации, усадке,
температурным деформациям. Предварительно-напряженный железобетон теряет
свои прочностные качества уже при температуре выше 80 °С в результате
снижения напряжения в арматуре.
Минеральные масла химически неактивны по отношению к бетонам, но в то же
время отрицательно на них воздействуют, так как их поверхностное натяжение
в два-три раза меньше, чем у воды, а поэтому они обладают большей
смачивающей способностью и большей силой капиллярного поднятия: масло,
попавшее на бетон, глубоко проникает в него, расклинивая частицы, изолируя
зерна цемента от влаги и прекращая тем самым их дальнейшую гидратацию.
Относительное снижение прочности бетона под действием пролитого масла тем
значительнее, чем выше водоцементное отношение (В/Ц): с увеличением
пористости бетона возрастает его насыщенность растворами, в том числе и
маслами.
Износ конструкций под действием истирания — абразивный износ полов, стен,
углов колонн, ступеней лестниц и других конструкций—бывает весьма
интенсивным и поэтому сильно влияющим на их долговечность. Он происходит
под действием как природных сил (ветров, песчаных бурь), так и вследствие
технологических и функциональных процессов, например из-за интенсивного
перемещения больших людских потоков в зданиях общественного назначения.
Состояние производственных сооружений с агрессивными средами во многом
зависит от культуры самого производства, т. е. от того, как герметизированы
технологические линии, предотвращены ли агрессивные выделения в помещения,
усилена ли вентиляция, как быстро смываются промышленные стоки. Для
поддержания таких сооружений в исправном состоянии важна также культура их
технической эксплуатации: чем выше агрессивность среды в сооружении, тем
чаще должны проводиться обследования и возможно быстрее восстанавливаться
конструкции, начавшие разрушаться.
2.2 Физический износ и моральное старение
Износ, или старение,— это потеря сооружениями ещё элементами
первоначальных эксплуатационных качеств. Такой процесс неизбежен, и задача
состоит в недопущении ускоренного, преждевременного износа, в своевременной
замене, усилении конструкций и оборудования с малыми сроками службы.
Различают физический износ и моральное старение.
Физический износ — это потеря конструктивными элементами первоначальных
физико-технических свойств. Моральное старение бывает двух форм: снижение
стоимости сооружения, обусловленное научно-техническим прогрессом и
удешевлением строительства с течением времени, при строительстве новых
зданий;
потеря сооружением технологического соответствия его назначению,
восстановление которого связано с дополнительными затратами.
Физический износ конструкций сооружения определяется по Методике
определения физического износа гражданских зданий, изданной МЖКХ РСФСР в
1970 г. Сущность ее состоит в следующем:
износ конструкций (%) определяется по специально разработанным таблицам
внешних признаков износа; таких таблиц разработано 54: для разных типов
фундаментов, стен, перекрытий и других конструкций;
износ сооружения (%) определяется как сумма произведений износа отдельных
конструктивных элементов на, их удельную стоимость, деленная на 100. Для
этого разработан Сборник укрупненных показателей восстановительной
стоимости жилых и общественных зданий (Госстрой СССР, 1970). В нем
приведена доля стоимости конструктивных элементов в различных типах
зданий.j
Таким образом, физический износ Q определяется по формуле
Q = Eft*e / gi, (1)
где gi — износ отдельного элемента сооружения, %; е;— доля стоимости этого
элемента по отношению к стоимости всего здания, %.
При определении износа здания его делят обычно на девять элементов. В
табл. 3.1 приведен пример определения физического износа здания по девяти
его конструктивным элементам. Износ здания в этом примере составит Q =
2175/100~ ~22 %. Максимальный износ эксплуатируемых сооружений не должен
превышать 70—80 %.
В некоторых работах ошибочно утверждается, что физический износ,
достигнув 35—40%, прекращается во времени — кривые на графиках приближаются
к горизонтальной линии и долговечность зданий становится как бы бесконечной
без капитальных ремонтов. На самом же деле это не так. Износ с течением
времени возрастает, особенно резко после достижения зданием примерно 0,8
расчетного срока службы. Так, затраты на ремонт при износе 65 % в 30 раз
больше, чем при износе 10%. В среднем возрасте зданий их износ составляет
около 0,35 % в год, а в конечном периоде — в три раза больше.
Необходимо отметить, что на физический износ зданий оказывают влияние
очень многие факторы. Даже здания, построенные одной и той же организацией
по одному и тому же проекту, в одно и то же время, в зависимости от уровня
эксплуатации по величине износа отличаются в три раза. Интересные в этом
отношении данные изложены в работе [11]: в ней приведены коэффициенты
износа зданий в зависимости от различных факторов. Так, износ зданий с
плохой инсоляцией в 2,2 раза больше, чем с хорошей; многоэтажные здания
быстрее изнашиваются, чем малоэтажные, и т. п. Поэтому факторы, влияющие на
интенсивность физического износа, должны возможно полнее учитываться
проектировщиками, строителями, эксплуатационниками с целью обеспечения
нормативного срока службы зданий при меньших затратах на капитальный
ремонт. При сочетании положительных факторов можно достигнуть снижения
износа и продления срока службы зданий; однако прогнозировать интенсивность
износа на длительный период можно только весьма приближено, так как трудно
заранее предугадать фактическое сочетание отмеченных выше факторов и их
влияние на износ конкретного здания. Величину снижения износа при
капитальном ремонте можно вычислить путем повторной оценки технического
состояния по Методике, указанной выше; она обычно даже при отличном ремонте
не превышает 50—70 %.
Моральное старение первой формы — обесценение ранее построенных зданий
— имеет небольшое практическое значение. Моральное старение второй формы —
технологическое старение — требует дополнительных капитальных вложении на
его ликвидацию, на модернизацию сооружений применительно к современной
технологии устранением этого вида старения приходится все время
встречаться на практике. Однако определение морального старения второй
формы более сложно, и поэтому нет еще официальной методики его расчета.
Можно воспользоваться ленинградским методом совместного учета физического
износа и морального старения при составлении перспективных планов ремонта
и модернизации зданий и сооружений [16 и 17].
Особенно интенсивен моральный износ производственных зданий в связи с
научно-технической революцией и быстрым обновлением технологии
производства. Так, полная смена технологии в машиностроении происходит
через пять лет, в радиоэлектронике в течение одного года, что требует
переоборудования и модернизации зданий.
Моральный износ происходит скачкообразно по мере изменения требований к
технологии или к жилью. Так, если раньше . требования к жилью не изменялись
столетиями, то теперь они сохраняются не более десяти лет. Например, еще
совсем недавно газификация считалась положительным элементом
благоустройства, а сегодня делается упор на замену газа электричеством,
газовых колонок— горячим водоснабжением и т. п.
Устранение морального износа второй формы во время капитального ремонта с
переоборудованием и модернизацией и есть денежное его выражение. Таким
образом, в отличие от морального износа первой формы, не связанного с
дополнительными затратами, моральный износ второй формы поглощает почти
треть стоимости капитального ремонта, а иногда и больше. В настоящее время
75 % капитальных вложений расходуется на модернизацию промышленных
предприятий, так как это все же более быстрый и экономичный путь получения
продукции, чем при новом строительстве.
Величину морального износа второй формы М2 оценивают путем сравнения
восстановительной (балансовой) стоимости старого здания и нового,
построенного в соответствии с современными требованиями:
Ma = (Ci — C1)/Ci-№, (2)
где С1 и С2 — восстановительная стоимость старого и стоимость нового
зданий, руб.
Допустимая величина морального износа существующего здания не должна
превышать затрат на новое строительство здания, равного по площади, но
отвечающего требованиям новой технологии и благоустройства.
Предельный износ конструкции без ремонта может быть определен по
выражению:
gecT = а*Тест. (3)
где а — ежегодный износ, %; Тест — срок эксплуатации до предельного износа
без ремонта, годы.
[pic][pic]
Рис. 2. Изменение затрат (а) и стоимости здания с течением времени (6)
[pic][pic]
Рис. 3. Виды износа и его возмещение путем проведения периодических
ремонтов (а), виды износа и оптимальная долговечность зданий (б)
Для практических целей важно рассчитать межремонтный период, чтобы
обоснованно проводить профилактические ремонты. Межремонтный период
можно определить по формуле
где Гд — срок эксплуатации до предельного износа при ремонтах, годы; gпр —
предельный (допустимый) износ, %; gp — доля снижаемого износа за счет
ремонта, %; Тфиз — физическая долговечность конструкции, установленная
опытным путем, годы.
Однако не все из входящих в (Рис. 4) величины можно определить, а поэтому
нельзя еще рассчитать периодичность профилактических ремонтов.
Зависимость между износом и действительной стоимостью сооружений показана
на рис. 2.
Цель технической эксплуатации состоит в «торможении» износа зданий. На
рис. 3 показано, как капитальный ремонт, т. е. усиление и замена
конструкций и инженерного оборудования, позволяет снизить износ и благодаря
этому продлить срок службы зданий. Физический износ можно уменьшить путем
капитального ремонта, а моральный — только модернизацией.
2.3 Классификация повреждений зданий и ее практическое использование
При эксплуатации сооружений первостепенное значение отводится обеспечению
безотказной работы всех конструкций и систем в течение не менее
нормативного срока службы, а также правильной и своевременной оценке их
технического состояния, выявлению дефектов и начала повреждения. Это
необходимо для сохранности сооружений при минимальном расходе сил, средств
и планомерной работы эксплуатационно-ремонтных подразделений.
Возможные повреждения классифицируются по следующим основным признакам
(рис. 4):
причинам, их вызывающим;
механизму коррозионного процесса разрушения конструкций;
значимости последствий разрушения и трудоемкости восстановления зданий.
Причинами, вызывающими повреждения зданий, являются:
воздействие внешних природных и искусственных факторов;
влияние внутренних факторов, обусловленных технологическим процессом;
проявление дефектов, допущенных при изысканиях, проектировании и
возведении зданий;
Недостатки и нарушение правил эксплуатации зданий, сооружений и
санитарно-технического оборудования.
По механизму коррозионного процесса различают следующие основные виды
коррозии: химическую, электрохимическую, физико-химическую и физическую.
Химическая коррозия материала конструкций сопровождается необратимыми
изменениями в структуре вещества под действием сухой агрессивной среды.
Если агрессивная среда является электролитом, то необратимые изменения в
структуре материала происходят в результате возникновения электрического
тока на границе «металл — агрессивная среда» и начинается электрохимическая
коррозия.
Если физическое разрушение конструкции сопровождается изменением и
структуры материала, например выщелачиванием, кристаллизационным
разрушением, то такая коррозия называется физико-химической.
Чаще всего здания, их конструктивные элементы и оборудование
преждевременно выходят из строя в результате воздействия не одного, а
суммарного воздействия многих факторов; это прежде всего увлажнение и
переменные температуры, а также механическое, химическое, биологическое и
другие воздействия. При этом заметное влияние одного какого-либо фактора
обычно способствует резкому усилению воздействия на конструкции иных
факторов.
По степени разрушения или значимости последствий можно выделить три
категории повреждений:
I — повреждения аварийного характера, вызванные дефектами
проектирования, строительства, стихийными явлениями,
а также нарушением правил эксплуатации зданий и сооружений;
восстановление всего здания или его части в этом случае
производится путем замены всех или некоторых конструкций
по специально разработанным проектам;
II — повреждения основных элементов, но не аварийного характера,
устраняемые при капитальном ремонте;
III — повреждения второстепенных элементов (отпадение
штукатурки и т. п.), устраняемые при текущем ремонте.
Пользуясь приведенной методикой классификации и оценки повреждений,
необходимо в каждом конкретном случае правильно определить опасность
повреждения и срочность принятия мер по его устранению, чтобы не упустить
аварийную ситуацию и не направлять все силы и средства эксплуатационной
службы при появлении малейшего повреждения.
Износ сооружений ускоряется и разрушения усугубляются, если они вызваны
дефектами, допущенными в проекте, при возведении или эксплуатации
сооружений.
[pic]
Рис 4. Причины, вызывающие повреждения.
Список литературы
Бойко М. Д.
Техническое обслуживание и ремонт зданий и сооружений. Учебное
пособие для вузов. Л.: Стройиздат, Ленингр. отд-ние, 1986.—256 с.
|
