Физическая коррозия

К физическим факторам, вызывающим разрушение строительных конструкций и сооружений можно отнести действие электрического тока, радиационного излучения, огня.

Железобетонные и металлические конструкции электростанций, подстанций и линий электропередач, работа которых связана с источниками тока большой мощности и высокого напряжения, могут в процессе эксплуатации подвергаться действию электрического тока. В связи с неоднородностью материала железобетонных конструкций по составу и особенно структуре возможно локальное накопление большого количества энергии, приводящее к возникновению электродугового разряда. Последнее приводит к пережогу арматуры, оплавлению и растрескиванию бетона и, как следствие, потере несущей способности конструкции. При повышенной влажности воздуха возможна также электрохимическая коррозия металла, интенсифицированная действием электрического тока. Так как продукты коррозии железа в 2 – 2,5 раза превышают объем прокорродировавшего металла, то их скопление на контакте арматура-бетон вначале вызывает уплотнение контактного слоя за счет заполнения имеющихся пор и пустот. Впоследствии это приводит к росту растягивающих напряжений, появлению трещин и отслоению бетона от арматуры.

Повысить стойкость железобетонных конструкций по отношению к действию электрического тока можно только путем снижения их электропроводности. Это можно достичь за счет повышения плотности и однородности бетона, ввода в бетонную смесь специальных добавок, а также покрытием и пропиткой поверхности гидрофобными материалами, уменьшающими водопоглощение.

В связи с тем, что накопление электрической энергии связано с дефектами структуры прежде всего самого бетона, очень важно при бетонировании конструкций использовать оптимальные бетонные смеси по удобоукладываемости с низким водосодержанием, за счет введения суперпластификаторов, исключающим расслоение бетонной смеси, возможность седиментационных явлений и снижающим образование открытых капиллярных пор за счет испарения воды при твердении искусственного камня.

В качестве добавок, повышающих электросопротивление бетона с 10⁵ Ом×м до 10⁶ – 10⁷ Ом×м, за счет резкого снижения водопоглощения, применяют кремнийорганические олигомеры до одного процента от массы цемента, парафин и битумную эмульсию до 5%. Основной недостаток этих добавок, обеспечивающих бетону водооталкивающие свойства, снижение конечной прочности на 20%. При дополнительной защите поверхности электросопротивление увеличивается до 10¹⁰ Ом×м. В качестве покровных композиций используют материалы, обладающие хорошим сцеплением с бетоном, водонепроницаемостью, высокими диэлектрическими свойствами, достаточной прочностью и эластичностью. Ими могут быть битумные эмульсии, холодные и горячие битумные мастики, лакокрасочные составы на основе эпоксидных, перхлорвиниловых или комплексных эпоксидно-битумных, эпоксидно-стирольных связующих. Пропитку железобетонных конструкций и изделий проводят или петролатумом, продуктом переработки нефти, или мономерами по технологии получения бетонополимерных конструкций, предусматривающей их последующую выдержку в условиях повышенной температуры и давления.

Для защиты от электрокоррозии в железобетонных конструкциях предусматривают специальные электроизоляционные швы толщиной не менее 30 мм, выполняемые из мастичных битумных, рулонных, листовых и монолитных полимерных материалов.

В отделениях электролиза водных растворов солей на химических предприятиях фундаменты под оборудование выполняют из полимербетона, сталеполимербетона или неармированного бетона.

Радиационное излучение при действии на строительные конструкции вызывает разогрев материала и изменение структуры на микроуровне, приводящие в комплексе к частичной потере прочности. Обеспечить радиационную стойкость железобетонным конструкциям можно только за счет первичных средств защиты: введения в бетонную смесь специальных водорастворимых добавок (хлористый литий, сернокислый кадмий) и сверхтяжелых заполнителей таких как железосодержащие и баритовые руды плотностью до 6000 кг/м³.

При облучении металла, нейтроны, проникая внутрь кристаллической решетки, искажают ее строение, образуя дефектные места, изменяют свойства. Так ядерное облучение увеличивает прочность сталей на сжимающие нагрузки в 1,5 – 2 раза и уменьшает в той же степени пластичность и вязкость, т.е. делают ее более хрупкой. При облучении могут появиться атомы новых элементов в результате деления или захвата нейтрона ядром атома основного металла. При длительном облучении чистый металл может превратиться в сплав со своими отличными свойствами. В результате нейтронного облучения металл становится радиоактивным и опасным для здоровья человека.

Значительное влияние облучение оказывает на полимеры. Под действием ионизирующих излучений в них образуются различные, активные промежуточные химические соединения: свободные радикалы, ионы, возбужденные молекулы, которые вызывают химические и структурные превращения, приводящие к изменению свойств материалов, в частности реологических – внутреннего трения.

В последние годы большое внимание уделяют радиоактивности самих строительных материалов. В настоящее время это свойство, которое должно быть отражено в ГОСТах (СТБ), оценивают удельной, эффективной активностью естественных радионуклидов – Бк/кг (Аэфф). В зависимости от условий эксплуатации показатель не должен превышать 370 Бк/кг для материалов, используемых в жилых и общественных зданиях и
740 Бк/кг в производственных сооружениях. Для дорожных покрытий не более 740 Бк/кг вблизи населенных пунктов и не более 2800 Бк/кг в ненаселенной местности.

Исходя из условий эксплуатации зданий общественного назначения, промышленных объектов и особенно жилых наиболее значимым из перечисленных физических факторов, вызывающих интенсивное разрушение конструкций, является огонь.

По СНиП 21-01-97 «Пожарная безопасность зданий и сооружений» строительные конструкции характеризуются огнестойкостью и пожарной опасностью. Огнестойкость определяет способность строительной конструкции сопротивляться действию огня при пожаре. Предел огнестойкости выражается временем в «мин» от момента контакта с открытым пламенем до потери несущей способности – обрушения, появления сквозных трещин, вследствие необратимых деформаций, или повышения температуры поверхности, противоположной действию огня, до 220ºС, что свидетельствует о потери конструкцией теплоизоляционных свойств. Следовательно, предел огнестойкости устанавливают по времени наступления одного или нескольких нормируемых признаков предельного состояния: потери несущей способности, потери целостности и потери теплоизолирующей способности.

По пожарной опасности строительные конструкции подразделяют на непожароопасные (КО), малопожароопасные (К1), умереннопожароопасные (К2) и пожароопасные (К3). Свойства конструкций зависят от применяемых материалов, поэтому для строительных материалов определяют следующие пожаро-технические характеристики: горючесть, воспламеняемость, распространение пламени по поверхности, дымообразующая способность, токсичность при горении. Каждый из показателей подразделяют на классы: по интенсивности сильно-, средне- и слабо-. По горючести материалы могут быть негорючими – несгораемыми (НГ) и горючими (Г). В зависимости от интенсивности процесса существуют четыре группы горючести: слабогорючие (Г1) и умеренногорючие (Г2) – трудносгораемые, представляющие собой органоминеральные композиции, тлеющие, но не поддерживающие горение. Следующие – нормально-горючие (Г3) и сильногорючие (Г4) – сгораемые органические материалы.С целью обеспечения пожарной безопасности строящихся объектов, используемые материалы должны соответствовать определенному перечню пожарно-технических показателей, представленных в таблице 5.13.

Повысить огнестойкость строительных конструкций можно или за счет конструктивных мероприятий, или используя огнезащиту. К конструктивным относятся: удаление горючих материалов от источника нагревания на 30 – 40 см, возведение стен-брандмауэров в протяженных сооружениях более 30 м из такого негорючего материала как керамический кирпич. Для огнезащиты применяют добавки и пропиточные составы – антипирены, красочные и обмазочные материалы, рулонные и листовые огнестойкие изделия. Пропитке подвергают древесину или изделия из нее (половые доски, паркет, оконные и дверные рамы и переплеты, подоконные доски, плиты ДСП, ДВП, арки, балки, фермы и т.д.), а также ковры и ткани, используемые для отделки стен.

Огнезащитными покрытиями изолируют как деревянные, так и металлические конструкции. Огнезащитные краски вспучивающиеся и огнестойкие, толщиной 1 – 10 мм, кроме своей специальной функции придают декоративность поверхности. Окраску проводят по грунту валиком или набрызгом. Для повышения огнестойкости деревянных конструкций, ДВП ДСП внутри помещения используют краски на жидком стекле: силикатно-глиняную, состоящую из жидкого стекла, молотого кирпича и глины; силикатно-перлитовую, включающую жидкое стекло, молотый вспученный перлит и волокна каолиновой ваты; силикатно-асбестовую, представляющую собой композицию из жидкого стекла, распушенного асбеста, талька и белил. При толщине покрытия 1 мм обеспечивается огнестойкость 30 – 45 мин.

Увеличение толщины покрытия до 40 мм, а, следовательно, и повышение надежности защиты, достигается за счет использования паст (мастик) при толщине до 20 мм и огнезащитных штукатурных растворов более 20 мм.

В этих составах отсутствует кварцевый песок в связи с тем, что он перекристаллизуется при температуре 573ºС со значительным увеличением объема, приводящим к растрескиванию. Не применяют в огнезащитных составах и портландцемент, так как при температуре 550ºС продукт его гидратации – гидрооксид кальция разлагается с образованием свободной окиси кальция (извести), которая под действием воды, используемой при тушении, гасится с увеличением объема и температуры.

Таблица 5.13