Влияние температуры и влажности строительных конструкций на их долговечность

 

Температура и влажность строительных конструкций находится в определенной зависимости от температуры и влажности окружающей среды. Влияние этих факторов на долговечность материала выражается в появлении внутренних напряжений, превышение критических значений которых вызывает преждевременное разрушение конструкций.

Напряжения в материале можно классифицировать следующим образом:

- объемные напряжения, возникающие в результате фазового перехода воды, содержащейся в материале, в лед;

- напряжения, возникающие из-за различных коэффициентов линейного температурного или влажностного расширения отдельных компонентов анизотропного материала;

- напряжения, возникающие из-за неравномерного температурного поля или поля влажности по объему тела.

Влияние на долговечность материала объемных напряжений, возникающих в результатах фазового перехода воды, содержащейся в материале, в лед, может быть оценено морозостойкостью. Силы внутреннего давления, возникающие при фазовом переходе воды в лед, всегда нежелательны. Они являются причиной, приводящей к необратимому нарушению и разрушению структуры материала, что вызывает заметное снижение механической прочности материала и несущей способности конструкций. Способность материала противодействовать силам внутреннего давления стали оценивать морозостойкостью и этим признаком оценивать также и долговечность.

Вследствие разности коэффициентов температурного расширения льда и материала, а также в результате давления кристаллов льда на стенки капилляров, появляются так называемые микронапряжения. Они разрушают капилляры, вызывают появление микротрещин и нарушение связи части материала между собой. Но так как температура в образце изменяется неодновременно во всех частях, образец, кроме того, деформируется как некоторая конструкция и в нем при высокой скорости нагревания или охлаждения возникают опасные напряжения, которые могут его разрушить. Величина этих напряжений, появляющихся в образцах материала, испытываемых на морозостойкость при температуре -18° ÷ -20°С, существенно отличается от значений температурных напряжений в реальных конструкциях.

Различие в величинах коэффициента температурного расширения цементного камня и заполнителей вызывает появление напряжений в объеме бетона, которые при определенных величинах могут разрушить бетон в виде разрыва или раствора, или по контакту раствора с крупным заполнителем.

В табл. 1.2 приведены значения разности между величинами коэффициента линейного температурного расширения цементно-песчаного раствора, приготовленного на кварцевом песке (над чертой) или на карбонатном песке (под чертой), и материала крупного заполнителя, основные характеристики которого приведены в табл. 1.1.

Из табл. 1.2 следует, что в любом случае невозможно избежать возникновения напряжений из-за температурной несовместимости компонентов бетонной смеси. При температурах -50° ÷ -60°С разность между значениями коэффициентов температурного расширения растворной части бетона и крупного заполнителя близка разности этих значений при температуре -10°÷ -15°С.

Таблица 1.1.

Характеристика материала крупного заполнителя

Материал	-Удельный вес	Объемный вес	Водопоглощение	Предел прочности в насыщенном водой состояние
Гранит	2,68-2,72	2,58-2,59	0,01-0,05	1000-1600
Диабаз	3,05	3,03	0,1	2300-2500
Известняк	2,66-2,77	1,8 -2,68	0,3-9,4	100-1900
Доломит	2,69-2,86	2,2 -2,73	0,34-8,5	350-1900
Песчаник	2,65	2,57	1,4	670-830
Керамзит	2,2 -2,62	0,76-0,79	42,6
Вспученный перлит	2,51	0,32

 

Таблица 1.2.

Разность Δα∙10⁶ между значениями коэффициента линейного температурного расширения цементно-песчаного раствора и материала крупного заполнителя

Материал крупного заполнителя	Δα∙10^6,град^-1 при температуре °С
			- 10	- 20:	- 30	-50	-60
Гранит	7.6	7.3	6.9	6,4	5.9	5.2	6.2	6.3
2,6	3,5	2,3	2,0	1,7	1,1	2,0	2,1
Диабаз	7.7	6.7	5.7	4.7	3.7	2.8	4.2	3.8
2,7	1,9	1,1	0,3	-0,5	-1,3	- 0,6	-0,4
Известняк	8.2	7.2	6.4	5.5	4.8	4.2	5.4	5.7
3,2	2,4	1,8	1,1	0,8	0.1	1,2	1.5
Доломит	7.3	6.3	5.4	4.5	3.6	3.0	4.5	5.0
2,3	1,5	0,8	0,1 -	-0,6	-1,1	0,3	0,7
• Песчаник	4.2	3.2	2.4	1.4	0.5	-0,1	0.8	0.9
-0,8	-1,5	-2,3	-3,1	-3,7	-4,2	-3,4	—3,5
Керамзит	9.4	8.3	7.4	6.4	5.3	4.3	5.1	5.1
4,4	3,5	2,8	2,0	1,1	0,2	0,9	1,0
Вспученный перлит	8.9	8.0	7.1	6.2	5.3	4.3	4.9	5.0
3,9	3,2	2,5	1.8	I.I	0,2	0,7	0,8

 

Появление температурных деформаций при ограничении перемещений конструкций, в связи с неравномерным их распределением по объему конструкции, влечет за собой развитие температурных напряжений, которым часто сопутствует появление в них трещин. Этот вид нагрузок, создающих термонапряженно-деформированное состояние конструкций зданий и сооружений, усугубляется в условиях резко континентального климата Якутии, где зимой температура понижается до -50°С ÷ -60°С, а летом повышается до 25°С ÷ 37°С, т. е. наблюдается в течение года температурные перепады в 75°С ÷ 110°С. Эти напряжения зависят не только от перепадов температуры наружного воздуха, а и от вида температурного поля конструкции, от физико-механических свойств материала [3].