Повреждения конструкций в процессе эксплуатации

В эксплуатации допущенные при изготовлении и монтаже дефекты могут развиваться и одновременно возникают новые нарушения структуры материала несущей конструкции вследствие воздействий нагрузок и неблагоприятного влияния окружающей среды.

Полное время эксплуатации элемента конструкции включает три периода: приработки, нормальной эксплуатации и интенсивного выхода из строя.

В период приработки выявляются дефекты изготовления и монтажа и возникают повреждения от внешних нагрузок, а выявленные первоначальные дефекты развиваются, и наиболее опасные из них могут привести к отказам.

В период нормальной эксплуатации число отказов стабилизируется, происходит развитие и накопление повреждений, постепенно снижающих эксплуатационные качества конструкции.

В период интенсивного выхода из строя конструкций высокая степень повреждаемости характерна для многих из них. В результате увеличивается число отказов, связанных с деструкцией материала, его коррозией, развитием трещин, остаточными деформациями.

Во всех перечисленных периодах эксплуатации в элементах конструкции происходит накопление повреждений, которые в зависимости от характера взаимодействия нагрузки и влияния внешней среды вызываются следующими причинами.

Многократно повторное воздействие нагрузки является причиной возникновения усталостных повреждений. При повторных нагрузках происходит нарушение структуры материала. Для бетона процесс разрушения при действии сжимающих сил начинается задолго до достижения усредненными микронапряжениями критических величин, с образованием необратимых микротрещин, направленных вдоль действующего усилия. Образование микротрещин в бетоне при его первом нагружении создает опасность разрушения материала под воздействием многократно повторной нагрузки.

Длительно действующие нагрузки вызывают повреждения, приводящие к деструкции конструкционного материала и протеканию процессов ползучести. При напряжениях в бетоне, превышающих предел длительной прочности R≈(0,82...0,85)R_в с течением времени происходит разрушение бетона. При малых напряжениях структура бетона уплотняется, и прочность его повышается. Природа ползучести бетона связана с его структурой, длительным процессом кристаллизации и уменьшением количества геля при твердении цементного камня. Под нагрузкой происходит перераспределение напряжений в бетоне, с течением времени высота сжатой зоны увеличивается, что приводит к возрастанию напряжений в арматуре, дополнительному раскрытию трещин и росту прогибов при действии одной и той же нагрузки.

Воздействие попеременного замораживания и оттаивания вызывает повреждения структуры бетона, снижающие его прочность. Замораживание и оттаивание конструкции с трещинами, заполненными водой, приводит к разрушению защитного слоя бетона. Давление образовавшегося льда внутри бетона частично компенсируется соседними порами, поэтому разрушение в первую очередь происходит на поверхности, в углах и ребрах железобетонной конструкции.

При циклическом замораживании и оттаивании возникают повреждения, приводящие к морозной деструкции бетона и снижению его прочности в процессе эксплуатации. Основная причина разрушения бетона при циклическом замораживании и оттаивании — переход жидкости в твердое состояние, что приводит к увеличению объема до 9 % образующего льда и возникновению растягивающих напряжений в цементном камне. Способность бетона сопротивляться разрушению при многократном замораживании и оттаивании в насыщенном водой состоянии объясняется присутствием в его структуре резервных пор, не заполненных водой, в которые и отжимается часть воды в процессе замораживания под действием давления растущих кристаллов льда. Разрушение бетона в насыщенном водой состоянии при многократном замораживании и оттаивании наступает после того, когда все резервные поры будут заполнены образовавшимся при замерзании льдом.

Для конструкций, эксплуатируемых на открытом воздухе, характерны два типичных случая замораживания бетона. К первому случаю относится разрушение бетона на горизонтальных и наклонных поверхностях поясов балок, подверженных увлажнению атмосферными осадками. Накапливающаяся влага может задерживаться на бетонной поверхности и проникать внутрь пояса железобетонной балки. Ко второму случаю относятся вертикальные поверхности стенок и поясов при эпизодическом увлажнении атмосферными осадками и замораживании на воздухе.

Длительная служба железобетонных конструкций в условиях агрессивных воздействий природной среды может быть обеспечена коррозионной устойчивостью, как бетона, так и арматуры.

Агрессивные технологические и природные воздействия вызывают коррозионные повреждения бетона и арматуры, что приводит к снижению прочности и разрушению конструкции. Выход из строя конструкции может быть обусловлен потерей защитного действия бетона, разрушением защитного слоя бетона, коррозией арматуры и потерей сцепления стальной арматуры с бетоном.

В зависимости от характера коррозионного процесса различают три основных вида коррозии бетона. При коррозии первого вида происходит выщелачивание извести из бетона мягкими водами при поверхностном омывании железобетонной конструкции атмосферными осадками и фильтрации воды через бетон, пористая структура которого обладает способностью пропускать жидкости и газы под воздействием различных градиентов. В результате выщелачивания происходит растворение гидроксида кальция и вынос его водой из бетона. Поверхность бетона при коррозии первого вида покрывается белыми отложениями, образовавшимися в результате карбонизации гидроксида кальция, вынесенного из толщи бетона. Эти отложения на местах высыхания воды, прошедшей через бетон, иногда называют белой смертью бетона, как свидетельство процессов разрушения, происходящих в глубине конструкции. Коррозионные повреждения в результате выщелачивания бетона усиливаются при фильтрации воды по трещинам, рабочим швам, раковинам и другим дефектам железобетонной конструкции. Действие щелочных растворов может привести к временному упрочнению бетона, однако затем наступает его быстрое разрушение.

При коррозии второго вида происходит растворение цементного камня кислотами в местах их соприкосновения по контактной поверхности.

Кислотную коррозию вызывает углекислота, присутствующая в большинстве природных вод, соляная, серная, азотная и другие кислоты. Чем энергичнее протекает реакция между кислотой и цементным камнем, тем более растворимы новообразования, тем скорее и полнее разрушается бетон. Так, например, при действии углекислоты цементный камень полностью разрушается, а продукты разрушения частично растворяются, частично остаются на месте реакции. Особенно опасными являются коррозионные повреждения, вызванные систематическим разливом кислот из аппаратуры. Подобные повреждения, наблюдаемые у железобетонных колонн под электролитными ваннами, могут привести к полной потере прочности конструкции.

При коррозии третьего вида в порах и капиллярах бетона происходит накопление и кристаллизация солей, образующихся вследствие химических реакций агрессивной среды (сульфатов натрия, магния и калия) с составными частями цементного камня. При таких реакциях объем твердой фазы в порах и капиллярах увеличивается, что может вызвать растягивающие усилия в стенках пор и капилляров и разрушение бетона. При развитии коррозии третьего вида происходит увеличение объема новообразований в ограниченном пространстве, препятствующем их свободному росту. В цементном камне сначала образуются трещины, развивающиеся на участках с менее однородной структурой. На последней стадии разрушения возникают трещины, ориентированные в основном нормально к нагруженной поверхности. Развитие этих трещин завершает полный распад цементного камня бетона.

Газовая коррозия бетона вызывает коррозионные повреждения, приводящие к потере бетоном защитного действия по отношению к арматуре. Защитные свойства бетона, предохраняющего арматуру от коррозии, полностью нейтрализуются в результате процесса карбонизации под влиянием углекислого газа, содержащегося в чистом воздухе и в атмосфере промышленных предприятий. Прочность бетона карбонизированного слоя может возрастать до 20 %. Воздействие других кислых газов (сернистого ангидрида, сероводорода, хлористого водорода, хлора) также приводит к разрушению защитного слоя.

Коррозионные повреждения арматуры вызываются физико-химическими процессами ее разрушения под воздействием окружающей среды. Защитный слой бетона ограждает арматуру от внешней среды, но не изолирует ее полностью. Бетон проникаем для влаги и кислорода — основных компонентов, необходимых для химической коррозии стали. Коррозия арматуры возрастает с увеличением содержания хлоридов, бикарбонатной щелочности и температуры окружающей среды. Коррозионные повреждения сталей проявляются в виде сплошной (общей) коррозии, которая охватывает всю поверхность металла, или местной коррозии, поражающей отдельные участки поверхности в виде пятен, язв и коррозионных трещин, ориентированных нормально растягивающему усилию.

Коррозия арматурных сталей под напряжением, как правило, протекает более интенсивно. Однако общая равномерная коррозия мягких малоуглеродистых сталей под напряжением не изменяет их механических характеристик. Влияние напряжений ниже предела текучести на коррозию стали незначительно.

Наиболее опасно коррозионное растрескивание, проявляющееся у многих видов высокопрочных арматурных сталей.

Как видно из рассмотрения повреждений железобетонных конструкций, все факторы, вызывающие сопротивляемость элементов конструкции, условно разделены на две группы: производственные и окружающей среды.

К производственным факторам относятся: нагрузки, характер воздействия, качество изготовления, конструктивные решения, физико-химические процессы, протекающие в материалах при изготовлении и эксплуатации.

К факторам окружающей среды относятся: колебания отрицательных и положительных температур, влажность, солнечная радиация, ветер, снег, льды, наличие в атмосфере агрессивных соединений.

Возникшие в стадии изготовления и монтажа повреждения, развиваясь в процессе эксплуатации, изменяют работоспособность конструкции. Постепенная потеря эксплуатационных качеств конструкции вследствие необратимого накапливания повреждений проявляется в снижении прочности бетона от многократного действия нагрузки, длительного ее приложения, попеременного замораживания и оттаивания, вследствие протекания процессов коррозии трех описанных видов. Ухудшение эксплуатационных качеств конструкции проявляется также в снижении прочности и площади поперечного сечения арматуры в связи с развитием коррозионных повреждений стали.

Развитие коррозионных повреждений может привести к потере сцепления, увеличению прогибов и дополнительному раскрытию трещин.

Литература

1. Чирков В.П. «Прикладные методы теории надежности в расчетах строительных конструкций». М.Маршрут 2006г. 620с.

2. Бедов А.И., Фролов А.К., Базоев О.К. «Инженерные сооружения башенного типа, дымовые трубы, опоры ЛЭП». Издательство АСВ. 1995г. 288с.

3. Чирков В.П., Клюкин В.И., Федоров В.С., Швидко Я.И. «Основы теории проектирования строительных конструкций. Железобетонные конструкции». М. 1999г. 376с (гл. 2,3).

Св. план 2010 г., поз. 51