Физическое воздействие воды на строительные материалы и конструкции

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

"Дальневосточный федеральный университет" (ДВФУ)

Самостоятельная работа

по дисциплине: "Методы оценки состояния и усиления строительных конструкций"

Выполнила: студент группы С-3555з

Кривцов А.П.

Руководитель: Беляев В.Т.

Владивосток - 2014

Физическое воздействие воды на строительные материалы и конструкции

В процессе строительства и эксплуатации зданий и сооружений часто возникают ситуации однократного или систематического воздействия атмосферных, грунтовых или техногенных вод на конструкции зданий. Последствия таких воздействий обычно вызывают ухудшение прочности конструкций, и следовательно, уменьшение их срока службы. В особо тяжелых случаях воздействие воды может привести к обрушению здания.

Неблагоприятное воздействие воды обычно имеет обычно имеет следующие причины:

Ошибки при проектировании здания, например, недооценка влияния агрессивных грунтовых вод на подземную часть.

Неправильная эксплуатация, несвоевременное проведение профилактического ремонта. Только своевременное обращение к экспертам помогает избежать аварий. Нужно вовремя проводить диагностику здания. Случаи, в которых ее необходимо делать, четко прописаны в нормативных документах.

Третья причина - это ошибки, допущенные на этапе строительства - брак стройматериалов или ошибки монтажа.

Дождь и стекающая по стенам вода уносят с поверхности фасада здания частицы кирпича, камня, строительного раствора и бетона. Если при этом в дождевой воде растворены химические вещества, образующиеся в промзонах и в выхлопных газах автомобилей - окислы серы и азота, фосфора и даже обычная углекислота (кислотные дожди), то ущерб, наносимый поверхности материала, возрастает многократно. Однако вода способна разрушать камень еще одним способом. Как и прочие материалы, камень способен впитывать воду, что сопровождается его набуханием. Все камни, конечно, набухают по-разному: например, пористый строительный раствор и кирпич впитывают много воды и сильно набухают, а гранит, практически не впитывает воду. В результате на границе между двумя разными строительными материалами, а иногда и между зернами одного и того же строительного материала возникают огромные напряжения, что приводит к образованию трещин. вода размораживание коррозия железобетон

При этом, конечно, свою роль играют и перепады температур, при которых все материалы расширяются и сжимаются по-разному. В солнечную погоду, например, температура темной гранитной поверхности легко достигает 70°С, а температура раствора, которым гранитная плита приклеена к стене, составляет около 30°С. Различное температурное расширение создает напряжение в камне, а в присутствии влаги, находящейся в швах, этот эффект существенно усиливается. Все это приводит к откалыванию облицовок.

Размораживание. Размораживание строительного камня может происходить даже в сухую морозную погоду. Сам по себе сухой камень практически нечувствителен к морозу. Однако представьте себе следующее: температура в квартире +20 °С, относительная влажность 50 % (комфортная), что соответствует содержанию влаги в воздухе 8,65 г/м3. На улице в это время: температура -10 °С, относительная влажность 80 %, т.е. влаги в воздухе около 1 г/м3. Естественно, что вода будет стремиться изнутри здания наружу. Но она не достигнет поверхности, т.к. сконденсируется и замерзнет в 2…3 см от нее. Кристаллы льда разорвут камень и возникнут трещины, параллельные поверхности облицовки.

Пример: хорошо знакомые многим обколотые облицовочные пустотелые кирпичи. Это явление усиливается, если здание облицовано непаропроницаемым материалом, затрудняющим испарение влаги с поверхности, например, глазурованной плиткой или гранитом, или окрашено пленкообразующей краской.

Итог: твердые покрытия отрываются, пленочные покрытия трескаются и отшелушиваются.

Принципиально важна не только влагоемкость материала, но и способность собирать и отдавать (испарять) влагу. Например, внутри необработанного бетона вне зависимости от температуры конденсация воды из воздуха начинается уже при 75 % относительной влажности. Испарение же ее затруднено и при морозе внутри образуются кристаллы льда, разрывающие камень. При теплой погоде конденсация влаги, кроме того, создает среду для размножения микроорганизмов.

Вред соли. Минеральные соли могут проникать вглубь материала либо с поднимающейся по капиллярам влагой из грунта, либо вместе с впитывающейся с поверхности водой. В развитых странах они образуются также при чистке поверхности зданий и санировании. Кристаллы соли разрушают структуру окружающего материала, что приводит к шелушению и отслаиванию краски и штукатурки и эрозии камня. Кроме того, поднимаясь по порам фундамента вместе с грунтовой влагой, они выступают на поверхности в виде корки, под которой также идут разрушительные процессы.

Ошибки при ремонте:

* если не вся зона выветривания обработана специальными закрепителями камня, то может быть спровоцирована усиленная эрозия необработанных, а затем и обработанных участков;

* нельзя комбинировать новые щелочные (цементные, известковые) строительные материалы для ремонта старых, нейтрализовавшихся кислотой воздуха, строительных деталей, подвергающихся воздействию влажности;

* нельзя встраивать стальные детали в фасады без дополнительной антикоррозийной защиты, т.к. образующаяся ржавчина, занимая значительно больший объем, расколет окружающий материал. Сталь применима только в сильно щелочной среде (бетон, свежий известковый раствор).

Ошибки при строительстве:

* укладка слоистого природного камня слоями параллельно поверхности фасада - гарантия растрескивания фасада;

* некачественная гидроизоляция фундамента (обычное явление) приводит к капиллярному подъему влаги на значительную высоту;

* применение несовместимых материалов, что может вызвать не только порчу окраски, но и растрескивание массы материала.

Защитные материалы. Для защиты строительных материалов от сырости применяются два принципиально разных типа материалов:

* изолирующие материалы;

* пропиточные материалы.

Изолирующие материалы. Изолирующие материалы образуют водонепроницаемую пленку или слой на поверхности стены. Пример: битумная гидроизоляция фундамента. В современном строительстве в качестве гидроизоляции часто применяется толстая полиэтиленовая пленка.

Недостатки:

* нарушение целостности слоя резко снижает эффективность гидроизоляции, вплоть до ее полной потери;

* неприменимость в надземной части здания. т.к. эти "недышащие" материалы усиливают размораживание фасадов, препятствуя удалению влаги из здания.

Пропиточные материалы. Они представляют собой кремнийорганические соединения: силиконаты, силаны, силоксаны, силиконовые смолы. Это вещества, соединяющие свойства неорганических молекул, родственных кварцу, со свойствами органических молекул, подобных парафину.

Отличительная черта этих защитных материалов заключается в том, что они не образуют поверхностных пленок. После обработки минеральных строительных материалов силиконами они полностью или почти полностью теряют способность к водопоглощению. При этом поры в них не закупориваются, и они почти не меняют своего паропропускания. Более того, их водоотталкивающие свойства препятствуют образованию жидкой воды в мелких порах, так что даже при высокой влажности и низких температурах вода остается газообразной. Скорость высыхания таких камней возрастает многократно. Соли теряют подвижность, практически исчезает набухание.

Простейшие способы нанесения силиконовых пропиток - кистью или набрызгиванием из распылителя. Тем не менее, несмотря на хорошую глубину проникновения в толщу пористых материалов (по известняку, бетону, песчанику составляет до 4...6 см), внешние пропитки не защищают фундаменты от капиллярного поднятия влаги.

Для снижения влагопоглощения фундаментов применяют 2 методики:

* введение силиконовых объемных гидрофобизаторов на стадии изготовления стройматериала;

* заводская пропитка изготовленных изделий (ячеистого или газобетона, известняка, песчаника, кирпича) путем погружения в гидрофобизирующий раствор.

При ремонтных работах приходится прибегать к пропитке фундаментов методом инъекции в шпуры: в стенах сверлятся (почти насквозь) слегка наклонные шпуры, в которые заливается гидрофобизирующая пропитка. Образовавшийся водоотталкивающий слой предохраняет весь фундамент от подъема влаги.

Требования к эффекту от пропиток:

* снижение водопоглощения не менее чем на 70 %;

* снижение паропропускания не более чем на 5 %.

Срок действия силиконовых средств защиты составляет несколько десятков лет. Они не изменяют глянца, придают водоотталкивающие свойства и устойчивы к ультрафиолетовому излучению. Существующие средства для обработки камня придают ему не только водоотталкивающие, но и маслоотталкивающие свойства, что резко снижает загрязнение поверхности и позволяет бороться с граффити.

Особое место среди силиконовых средств защиты зданий занимают краски и штукатурки на основе силиконовых смол, которые обладают прекрасными водо- и грязеотталкивающими свойствами, паропропусканием и необыкновенной долговечностью.

Относительно недавняя разработка - силиконовые пропитки для дерева, которые позволяют консервировать его на десятки лет не изменяя внешне.

Следует предупредить, что в работе с силиконовыми пропитками много тонкостей и нарушения технологии могут привести к отрицательным результатам.

Теперь рассмотрим коррозию бетона и железобетона под влиянием различных факторов.

1. Бетонные изделия эксплуатируются в основном на открытом воздухе. При этом они подвергаются воздействию атмосферных осадков и других жидких сред. Составной частью бетона является образовавшийся гидрат окиси кальция (Са(ОН)2) - гашеная известь. Это самый легкорастворимый компонент, поэтому со временем он растворяется и постепенно выносится, нарушая при этом структуру бетона.

2. Коррозия бетона при взаимодействии цементного камня с содержащимися в воде кислотами. Под воздействием кислот коррозия бетона протекает либо с увеличением его объема, либо с вымыванием легкорастворимых известковых соединений. Увеличение объема происходит по реакции:

Ca(OH)2 + CO2 = CaCO3 + H2O

CaCO3 не растворяется в воде. Постепенно происходит его отложение в порах цементного камня, за счет чего идет увеличение объема бетона, а в дальнейшем его растрескивание и разрушение.

При контакте бетона с водными растворами кислот образуется легкорастворимый бикарбонат кальция, который агрессивный для бетона, а при наличии воды растворяется в ней и постепенно вымывается из структуры бетонного камня. Образование бикарбоната кальция описывается реакцией:

CaCO3 + CO2 + H2O = Ca(HCO3)

Помимо растворения наблюдается и протекание химической коррозии бетона:

Ca(OH)2 + 2HCl = CaCl2 + 2H2O,

при этом вымываются соли хлористого кальция.

3. Коррозия бетона вследствие образования и кристаллизации в порах труднорастворимых веществ. Достаточно распространенным случаем коррозии бетона в экстремальных условиях является разрушение материала под воздействием сульфатов (химическая коррозия бетона). В первую очередь, с сульфатами взаимодействуют алюминатные составляющие бетонного камня и гидроксид кальция. Очень нежелательным является взаимодействие алюминатных минералов и сульфатов. В результате образуется несколько модификаций гидросульфоалюмината, самым опасным из которых, является эттрингит (3СaO*Al2O3*3CaSO4*32H2O). Данная соль по мере своего роста (увеличения кристаллов) образует внутри бетона очень высокие напряжения, которые значительно превышают прочностные характеристики цементного камня. В результате, под воздействием растворов, в состав которых входят сульфаты, коррозионное разрушение бетона протекает очень интенсивно.

При взаимодействии гидроксида кальция с сульфатами образуется CaSO4*2H2O. Со временем вещество скапливается в поровом пространстве бетона, постепенно его разрушая.

Устойчивость к воздействию сульфатсодержащих сред очень сильно зависит от минералогического состава бетона. Если в цементе содержание минералов на основе алюминия и трехкальциевого силиката ограничено, то он в данной среде более стоек. Если разрушение бетона происходит под воздействием сульфатов воды - применяют пуццолановый портландцемент, а также сульфатостойкий портландцемент

4. Кроме вышеописанных коррозионных разрушений бетона при наличии микроорганизмов возможно протекание биокоррозии. Грибки, бактерии и некоторые водоросли могут проникать в поры бетонного камня и там развиваться. В порах откладываются продукты их метаболизма и постепенно разрушают структуру бетонного камня.

Биологическое разрушение - главный механизм старения древесины.

Коррозия арматуры в бетоне

Рис. Процесс ржавления арматуры в бетоне

Если в конструкциях используют залитую бетоном железную арматуру, т.е. железобетон, возможно протекание еще одного вида разрушения - коррозии арматуры в бетоне. Под воздействием вод окружающей среды или при наличии в воздухе сероводорода, хлора, сернистых газов арматура в середине бетона ржавеет и образуются продукты коррозии железа. По объему они превышают начальный объем арматуры, что приводит к возникновению и росту внутренних напряжений, а в дальнейшем - растрескиванию бетона.

Сквозь поры в цементном камне к арматуре проникает воздух и влага. Подвод их к поверхности металла осуществляется не равномерно из-за чего на разных участках поверхности наблюдаются разные потенциалы - протекает электрохимическая коррозия. Скорость протекания электрохимической коррозии арматуры зависит от влагопроницаемости, пористости бетонного камня и наличия в нем трещин.

Наличие в воде растворенных веществ усиливает коррозию арматуры с повышением концентрации электролита.

При длительном выдерживании бетона на воздухе на поверхности образуется очень тонкая (5-10 мкм) защитная пленка, которая не растворяется в воде и не взаимодействует с сульфатами. Процесс возникновения защитной пленки под воздействием углекислоты воздуха называется карбонизацией. Карбонизация защищает бетон от коррозии, но способствует коррозии арматуры в бетоне.

Нельзя армировать бетон, в состав которого входит хлористый кальций (больше 2 % от веса цемента). Хлористый кальций ускоряет коррозию арматуры как на воздухе, так и в воде.

Защита арматуры бетона от коррозии

Существует несколько способов защитить стальную арматуру в бетоне от коррозии: облагородить окружающую металл среду (т.е. использовать качественный бетон специального состава, введение ингибиторов); дополнительная защита арматуры бетона от коррозии (пленки и т.п.); улучшить характеристики самого металла.

Вокруг арматуры находится сам бетон, поэтому именно бетон является средой, окружающей металл. Для продления срока службы арматуры необходимо улучшить влияние бетонного камня на сталь. Прежде всего, нужно исключить или, если это невозможно, свести к минимуму вещества, входящие в состав бетона, которые способствуют интенсификации процесса коррозии арматуры в бетоне. К таким веществам относятся роданиды, хлориды.

Если железобетонное изделие эксплуатируется в условиях периодического смачивания, необходимо пропитывать бетон специальными пропитками (битумными, петролатумными и др.). Это значительно снизит проницаемость бетона. При постоянном насыщении бетонного камня коррозия арматуры в бетоне практически сводится к минимуму. Это объясняется тем, что очень сильно затрудняется проникновение кислорода к поверхности метала, происходит значительное торможение катодного процесса.

Для продления срока службы металлической основы железобетона - бетон облагораживают. Во время формирования бетонной смеси в состав вводят ингибиторы коррозии.

Для защиты от коррозии арматуры в конструкционно-теплоизоляционных бетонах широко используется способ омического ограничения. Суть заключается в том, что влажность самого бетона не должна превышать равновесное значение при относительной влажности воздуха 60 %. Тогда процессы коррозии арматуры почти прекращаются, т.к. возникает высокое омическое сопротивление пленок влаги у поверхности арматуры. Этот способ не так уж прост и не эффективен в районах с высокой влажностью и частыми осадками.

Хороший бетон должен обладать первоначальным пассивирующим воздействием на арматуру. Бетонные изделия полностью просыхают примерно за 2-3 года. Если климат сухой, то немного быстрее. Именно в это время и происходит самое сильное коррозионное разрушение арматуры, т.к. она находится во влажной бетонной среде.

Хорошим способом защитить арматуру бетона от коррозии считается предварительное пассивирование поверхности арматуры, а также образование оксидных защитных пленок под воздействием водной щелочной среды бетонного камня. Усиливают защитные свойства пленки введением в бетонную смесь пассиваторов. Часто используют нитрат натрия в количестве 2-3 % от исходного веса цемента.

27 марта 2005 года в г. Рубцовске произошло обрушение угла пятиэтажного кирпичного дома. Постройка 1970 года не выдержала нагрузок. В обрушившемся подъезде малосемейного муниципального общежития из числившихся по регистрации 96 человек в момент происшествия находились 28 жильцов - те, кто не выехал после предупреждения муниципальной коммунальной службы об аварийном состоянии дома. Двое человек не успели выбраться на улицу и оказались под завалами между перекрытиями.

Как выяснилось, причиной обрушения стали нарушения при переоборудовании здания из общежития в обычный жилой дом, которое было проведено с отклонением от норм. Трубопроводы и система водоотведения были смонтированы на несущей торцевой стене дома. При эксплуатации произошло намокание стены с внутренней стороны, вследствие чего и произошло разрушение кладки в нижней части дома. Исчезла опора - и все пять этажей рухнули.

Персональная ответственность за трагедию была возложена на первого заместителя главы администрации Рубцовска Владимира Козловского. Городской суд признал его виновным в совершении преступления, предусмотренного частью 2 статьи 293 УК РФ - халатность. Как было доказано государственным обвинением, вице-мэр в силу своих должностных полномочий организовывал деятельность комитета по жилищно-коммунальному хозяйству, возглавлял комиссию по жилищным вопросам и по чрезвычайным ситуациям. Являясь председателем комиссии по осмотру аварийного жилого дома, именно Козловский в свое время подписал заключение, в соответствии с которым "с 23 марта 2005 года жильцы дома должны были быть расселены в другие жилые помещения, а с 28 марта должно было начаться усиление конструкций стены". Но из-за отсутствия должного контроля со стороны городского чиновника к указанному сроку жильцы аварийного дома расселены не были.

11 апреля 2008 года произошло обрушение части кирпичной облицовки стены площадью около 4 кв. м. двухэтажного шлакоблочного дома по улице Брусилова, 26. В квартире на втором этаже образовалась трещина. В результате происшествия эвакуированы 27 человек, из них 3 детей, жертв и пострадавших нет.

Как сообщает пресс-служба ГУ МЧС России по Алтайскому краю, это здание было построено ещё в 1948 году. К моменту обрушения дом находился в аварийном состоянии. Всего в доме прописаны 47 человек, в том числе трое детей.

2 апреля 2009 года в доме №126 по улице Комсомольская обрушилось межэтажное перекрытие.

Обрушение перекрытия произошло между первым этажом и подвалом. Жилые помещения в доме располагались на втором этаже. Помещения, где произошла авария занимал магазин.

Причиной обрушение стала просадка внутренней несущей стены, вследствие систематического намокания грунтов основания. Люди, при обрушении, не пострадали.



Основная причина в каждом конкретном случае своя: неверная экспертиза, некачественное строительство, неправильная эксплуатация.

Для того чтобы избежать таких аварий необходимо, чтобы здания и сооружения находились под постоянным наблюдением инженерно-технического персонала, ответственного за сохранность соответствующих объектов.

Кроме систематического наблюдения за эксплуатацией зданий и сооружений специально уполномоченными лицами, все производственные здания и сооружения должны подвергаться периодическим техническим осмотрам, которые могут быть общими и частными.

При общем осмотре обследуется все здание или сооружение в целом, включая все конструкции, виды отделки и инженерного оборудования, все элементы внешнего благоустройства или всего комплекса зданий и сооружений.

При частном осмотре обследованию подвергаются отдельные здания или сооружения комплекса, или отдельные конструкции, или виды инженерного оборудования (например, фермы и балки зданий, колодцы на водопроводной или канализационной сети).

Общие технические осмотры зданий необходимо производить два раза в год - весной и осенью.

Весенний осмотр производится после таяния снега, уточняются объемы работ по текущему ремонту зданий или сооружений, выполняемому в летний период, и выявляются объемы работ по капитальному ремонту для включения их в план работ на следующий год.

При весеннем техническом осмотре необходимо:

· тщательно проверить состояние несущих и ограждающих конструкций, выявить их возможные повреждения в результате атмосферных и снеговых нагрузок;

· установить дефектные места, требующие длительного наблюдения, а также проведения неотложного ремонта;

· проверить состояние открывающихся элементов окон, фонарей, ворот, дверей и механизмы их открывания, а также других устройств;

· проверить и привести в порядок водостоки, ливнеприемники и отмостки;

· учесть замечания эксплуатационного персонала на недостатки отопительных систем в зимний период, для принятия мер при подготовке зданий к зиме.

При осеннем техническом осмотре необходимо:

· проверить выполнение работ по устранению дефектов, установленных при весеннем осмотре;

· проверить подготовленность к обеспечению бесперебойного удаления снега с покрытий зданий (рабочий инвентарь, снеготаялки и пр.), состояние желобов и водостоков;

· проверить выполнение работ по утеплению тамбуров, трубопроводов, а также отключены ли от постоянной сети летние поливочные трубопроводы, удалена ли из них вода.

Результаты всех видов осмотров необходимо оформлять актами, в которых отмечаются обнаруженные дефекты, необходимые меры по их устранению с указанием сроков выполнения работ.

При наблюдении за сохранностью зданий и сооружений необходимо:

· поддерживать в надлежащем состоянии планировку земли у здания или сооружения для отвода атмосферных вод.

· не допускать складирования материалов, отходов производства, мусора, а также устройства цветников и газонов непосредственно у стен здания;

· следить за исправным состоянием кровли и устройств по отводу атмосферных и талых вод с крыши здания;

· своевременно удалять снег от стен и с покрытий зданий и сооружений.

· не допускать выброса у стен здания отработанных воды и пара;

· не допускать в зданиях распространения сырости, возникающей из-за повреждения гидроизоляции фундаментов;

· следить за исправным состоянием внутренних сетей водоснабжения, канализации и теплоснабжения, не допуская течи в соединениях и через трещины стенок труб, фасонных частей и приборов;

· следить за нормальной работой вентиляционных систем;

· следить за плотностью примыкания конструкций кровель к стенам, парапетам, трубам, вышкам, антенным устройствам и другим выступающим частям;

· периодически контролировать состояние деревянных ферм, перекрытий и других ответственных конструкций зданий и сооружений из дерева. Обеспечивать постоянное проветривание подпольных пространств;

· уделять особое внимание элементам деревянных конструкций, соприкасающихся с грунтом, заделанным в кирпичную кладку или бетон, а также в местах значительных температурных перепадов;

· в случае появления в каменных или бетонных стенах, железобетонных колоннах, прогонах, фермах, балках и плитах трещин немедленно устанавливать на них маяки и проводить тщательное наблюдение;

· следить за вертикальностью стен и колонн;

· организовать постоянное наблюдение за состоянием защитного слоя в железобетонных конструкциях;

· постоянно следить за состоянием швов и соединений металлических конструкций (сварных, клепаных, болтовых);

· организовать тщательное наблюдение за состоянием стыков сборных железобетонных конструкций;

· не допускать пробивки отверстий в перекрытиях, балках, колоннах и стенах без письменного разрешения лиц, ответственных за правильную эксплуатацию здания или сооружения;

· уделять особое внимание наблюдению за конструкциями, которые подвержены динамическим нагрузкам, термическим воздействиям или находятся в агрессивной среде;

· не допускать перегрузок строительных конструкций.

Вся техническая документация по сданным в эксплуатацию зданиям и сооружениям должна храниться в полном комплекте в техническом архиве отдела эксплуатации и ремонта зданий и сооружений предприятия или в другом соответствующем подразделении.

Технические и технико-экономические сведения о зданиях, которые могут требоваться повседневно при их эксплуатации, должны быть сосредоточены в техническом паспорте и журнале по эксплуатации.

Технический паспорт составляется на каждое здание и сооружение, принятое в эксплуатацию. Паспорт является основным документом по объекту, содержащим его конструктивную и технико-экономическую характеристику, составляемую с учетом всех архитектурно-планировочных и конструктивных изменений в процессе строительства и эксплуатации (реконструкция, расширение, замена конструкций при капитальном ремонте).

Паспорт заполняется по единой, принятой в отрасли форме, и состоит из описательной части и приложений. В описательной части отражены год постройки, объемы и площади объекта и его частей, протяженность и другие данные по сооружениям, развернутые площади элементов, требующих периодической окраски, конструктивная характеристика частей и элементов здания и сооружения и пр.

Приложения к паспорту содержат копии с рабочих чертежей (планов, разрезов, фасадов зданий и сооружений) с внесенными в них отступлениями, возникшими во время строительства, и перечень предусмотренных проектом требований по обеспечению нормальной эксплуатации здания или сооружения, их отдельных элементов и прилегающей территории.

Для учета работ по обслуживанию и ремонту соответствующего здания или сооружения должен вестись технический журнал, в который вносятся записи обо всех выполненных работах по обслуживанию и ремонту с указанием вида работ и времени их осуществления.

Если что-то из этого не выполняется, то вероятность аварии значительно повышается и остается надеяться только на запас прочности конструкции, заложенный проектировщиком и реализованный строителем.

Размещено на Allbest.ru

...