Воздействие отрицательных температур на основания и конструкции зданий

При отрицательных температурах основания под фундаменты, состоящие, в основном, из глинистых и пылеватых грунтов, мелких и среднезернистых песков, промерзают, что может вызвать увеличения их объема – пучение грунтов. В таких грунтах 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. При этом объем увеличивается и при температуре –22 °С давление от льда достигает 20 Па, что вызывает разрушение материала фундаментов и вышележащих стен.

Результаты исследований показывают, что при промерзании особенно

пылеватых, суглинистых и глинистых грунтов сильно нарушается их структура: весь массив промерзшего грунта пронизывается включениями, прослойками и линзами льда, связь в контактах минеральных частиц нарушается, происходит свертывание коллоидной части дисперсных грунтов, часть связанной воды при последующем оттаивании переходит в воду свободную.

Линзы и прослойки льда в определенных условиях могут образовываться настолько мощными, что в сумме будут составлять слой, больший слоя промерзшего грунта. При оттаивании ледяных прослоек создается местное переувлажнение грунта, которое чрезвычайно понижает его прочность. Наряду с этим оттаивание мелких и мельчайших включений льда также создает условия, уменьшающие сопротивление грунта сдвигающим усилиям, повышает его водопроницаемость и обусловливает неустойчивость структуры при оттаивании. Грунт, подверженный замораживанию и последующему оттаиванию, приобретает взрыхленную структуру, что обусловливает дополнительную его осадку под нагрузкой.

Процесс промерзания грунтов сопровождается изменением их начальной влажности: в глинистых грунтах влажность увеличивается; в водонасыщенных песках (при промерзании в открытой системе) начальная влажность уменьшается, а в малоувлажненных – увеличивается.

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. Поскольку при замерзании влаги и дополнительном подсосе, вызванном замерзанием, содержание ее в грунте увеличивается на 5–10 % и более, при резком оттаивании грунт нередко полностью разжижается и теряет свою несущую способность. Положение усугубляется, если весной в основание поступают еще и талые воды. В таких случаях более опасным становится даже не само пучение, а его последствия – деформации при оттаивании увлажненного основания.

Согласно данным исследований проф. С. С. Вялова, сопротивление мерзлого грунта при длительном действии нагрузки (длительное сопротивление) в несколько раз меньше его сопротивления мгновенно действующей нагрузки. Эта особенность мерзлых грунтов, по мнению Н. А. Цытовича, объясняется главным образом свойствами льда, содержащегося в мерзлых грунтах и цементирующего минеральные частицы грунтов. При длительном действии нагрузки лед медленно, но беспрерывно течет, что в значительной степени и обусловливает пластичность и текучесть дисперсных грунтов.

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.

Некоторые конструкции, например цокольные части зданий, 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, 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 при замерзании увеличивается в объеме лишь на 10 %. Следовательно, если в порах имеется место для замерзающей влаги, если влажность материала конструкции не превышает 85 %, то давления на стенки не возникает.

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. В крупных порах и пустотах вода превращается в лед при температуре ниже 0 °С, так как в ней растворены вещества, понижающие температуру замерзания. В капиллярах диаметром см и менее вода замерзает при температуре ниже –25 °С.

Пористые материалы, сообщающиеся с наружной поверхностью крупными порами, не разрушаются. Если такие поры связаны волосяной сетью капилляров и все они заполнены влагой (насыщенное состояние), то при ее замерзании они разрушаются. 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.

Влияние влаги на процесс разрушения конструкций неодинаково. В одних случаях она как поверхностно-активное вещество ускоряет разрушение, в других, являясь хорошим растворителем, действует в качестве химически активной агрессивной среды. Наличие на поверхности и в теле каменных материалов пор, пустот, капилляров и микротрещин приводит к увеличению площади их удельной поверхности, что повышает возможность контакта конструкции со всеми видами влаги.

Молекулы воды обладают дипольными моментами. Они ориентируются в зоне действия силовых полей, образование которых связано с развитием микротрещин или дефектов кристаллических структур. Дипольная ориентация воды в адсорбционном слое повышает ее плотность и вязкость. В результате этого вода приобретает упругость, близкую к упругости материала конструкции. По мере сужения микротрещин упругость воды повышается, вследствие чего усиливается ее расклинивающее действие. Возрастание внутренних напряжений, вызванных расклинивающим действием влаги, приводит к значительному снижению прочности материала. Толщина слоя адсорбционно-связанной воды примерно см; расклинивающее действие влаги возникает при толщине полимолекулярных пленок около см.

Силы капиллярного давления воды при заполнении пор и капилляров вызывают сложные напряжения в материале каменной конструкции. Растягивающие напряжения зависят от поверхностного натяжения

,

где a – поверхностное натяжение воды, Па;

r –радиус капилляра, м;

– угол смачивания, град.

Эти напряжения вызывают снижение давления жидкости в капиллярах и возникновение напряжений сжатия и изгиба в материале стенок капилляра. В условиях эксплуатации указанное взаимодействие имеет более сложный характер, так как капилляры связаны между собой, однако принятое упрощение дает вполне удовлетворительное представление о влиянии капиллярных сил на напряжения в материале, возникающие при его увлажнении. Например, пользуясь приведенной формулой, можно определить капиллярное давление при полном смачивании материала, имеющего капилляры со средним радиусом см, Па.

Разрушение каменных материалов связано с одновременным воздей-

ствием отрицательных температур и влаги. Замерзающая в порах и капиллярах вода увеличивается в объеме, вызывая значительные напряжения в материале конструкции. При естественном увлажнении в условиях эксплуатации вода в крупных порах и капиллярах поднимается на меньшую высоту, чем в мелких. Кроме того, вода из крупных пор перемещается в смежные мелкие, так как сила капиллярного отсоса в них большая. При замерзании влаги свободные крупные поры служат резервным объемом для компенсации расширения влаги в мелких порах и капиллярах. В связи с этим крупнопористые материалы более морозостойки. При замораживании материала, поры которого полностью заполнены водой, могут возникнуть значительные напряжения, во много раз превосходящие прочность наиболее стойких материалов.

Давление в порах при замерзании

где	Q	–	скрытая теплота плавления льда, 3,35×105 Дж/кг;
Т	–	абсолютная температура замерзания воды, 273 К;
V в, V л	–	удельный объем соответственно 1 кг воды и льда; V в = 1×10–5 м3; V л = 1,091×10–3 м3;
,	–	давление соответственно воды и льда, Па.

Когда изменение давления воды и льда одинаково, т. е. , приведенная выше формула может быть записана в следующем виде:

.

Если задать определенные значения температуры, можно вычислить то давление, которое оказывает замершая вода на материал конструкции. Так, при понижении температуры на 1 °С давление в порах материа-ла каменной конструкции увеличится на Па (135 кг/см²). Следовательно, при понижении температуры до минус 20 °С в материале, поры которого полностью заполнены водой, напряжения, вызванные давлением льда, достигнут Па (2700 кг/см²). Когда вода свободно вытекает из пор, в которых образуется лед, ее давление равно нулю.

Повреждение бетона при замораживании и оттаивании. Повреждение бетона при замораживании и оттаивании развивается вследствие изменения объема отдельных фаз и структурных элементов бетона. Увеличение объема воды при переходе в лед, различие в коэффициентах линейного расширения продуктов гидратации цемента, клинкерных зерен и зерен мелкого и крупного заполнителя создают предпосылки для появления внутренних напряжений в бетоне при замораживании и оттаивании. Тот факт, что разрушение резко ускоряется при замораживании бетона, насыщенного водой, а введение в структуру бетона определенного количества мелких воздушных пор существенно повышает морозостойкость, свидетельствует о решающей роли замораживания воды в порах бетона. Существенным является то, что температура замерзания воды зависит от размера вмещающих ее пор и капилляров; чем меньше размер пор, тем при более низкой температуре вода переходит в лед.

В настоящее время процесс повреждения при замораживании бетона представляют следующим образом. При охлаждении поверхности насыщенного водой бетона до температуры ниже 0 °С в наружном слое бетона вода в крупных порах переходит в лед. В постепенно охлаждающемся бетоне зона замерзания воды распространяется все глубже. Однако в наружном слое не вся вода переходит в лед. В микропорах она длительное время остается в жидком состоянии. Причиной этого является переохлаждение и особое состояние воды в тонком слое на поверхности пор и капилляров. Замерзание воды в крупных порах резко ограничивает перемещение незамерзшей воды в пористой структуре бетона. При дальнейшем понижении температуры, когда начинает замерзать вода в микропорах и объем воды увеличивается, перемещение ее в крупные поры, заполненные льдом, ограничено. Возникает внутреннее давление, которое в принципе может разрушить бетон.

Иначе происходит замерзание воды, если бетон насыщен раствором соли. В начальный период охлаждения в лед превращается лишь часть воды в крупных порах. С замерзанием части воды концентрация солевого раствора в порах увеличивается. Дальнейший переход воды в лед происходит постепенно, по мере понижения температуры. При температуре эвтектики в твердое тело переходит оставшийся объем солевого раствора. При такой картине замерзания бетона разрушение его происходит примерно в 20–40 раз быстрее, чем в случае замораживания бетона, насыщенного водой.

Не исключая указанный механизм деструкции бетона при замораживании, ученые Германии развивают идею об ускорении разрушения бетона при замораживании вследствие образования дополнительного количества эттрингита.

При замораживании бетона наблюдаются четыре основных вида процессов:

– быстрое замораживание и оттаивание на воздухе с разрушением бетона вследствие различий в коэффициентах температурного расширения;

– медленное одностороннее замораживание бетона ограждающей конструкции (при положительной температуре внутреннего помещения) с постепенным продвижением фронта вглубь бетона;

– быстрое всестороннее замораживание бетона тонкостенных конструкций с образованием льда в поверхностных слоях, что приводит к «закупорке» воды внутри конструкции и при достаточно высокой степени водонасыщения – к разрушению бетона, проявляющемуся в шелушении его поверхностных слоев;

– одностороннее замораживание пористого материала, в котором возможна миграция воды в парообразном состоянии к холодной поверхности и образование линз льда – аналогично процессу пучения грунта.

Для металлических конструкций также неблагоприятны низкие температуры. Одним из факторов, способствующих переходу конструкций в хрупкое состояние, является низкая температура. Поэтому важно строгое выполнение требований СНиП по назначению соответствующих марок сталей в зависимости от типов конструкций и температуры эксплуатации. Также важно выполнять конструктивные мероприятия, которые препятствовали бы хрупкому разрушению конструкций при низких температурах. К сожалению, были случаи, когда металлические конструкции, выполненные для южных районов, завозились на север и там разрушались еще до монтажа.

Деревянные конструкции при низких температурах и повышенной влажности испытывают большие напряжения, которые могут привести к возникновению трещин. Это можно наблюдать в чердачных помещениях: обрешетка и стропила намокают при некачественной кровле, а зимой промерзают. При этом доски растрескиваются, соединения в узлах и стыках ослабляются, и происходит деформирование элементов. Неблагоприятны низкие температуры и для клееных конструкций, выполненных с дефектами.