Котельные установки

Постепенное развитие изменений структуры является характерным для физического состояния материала при периодических воздействиях, энергетический уровень которых не вызывает предельно напряженного состояния, приводящего к немедленному разрушению.
По П. А. Ребиндеру [72] постепенное разрушение материала в дефектных местах и зародышах трещин облегчается при адсорбции на вновь возникающих поверхностях первых слоев молекул из окружающей среды (обычно молекул влаги). Энергетический уровень адсорбционных сил, под действием которых образуется такой слой, настолько высок, что приводит к существенному понижению работы, необходимой для образования новых поверхностей внутри постепенно разрушающейся конструкции.
При ограниченной прочности материала и относительно больших полостях (трещинах) внутри него, заполняемых свободной влагой или при низкой температуре ее кристаллами, в зоне зародышей разрушения возникают расклинивающие давления, способствующие дальнейшему раскрытию трещин.
Такие же или еще большие давления возникают при кристаллизации новых химических веществ на стенках каверн, пор и капилляров материала.
Соответственно возрастает и разрушение материала при периодических увлажнениях и охлаждениях, сменяющихся повышениями температуры и испарением влаги *(рис. VII.1). Развитие разрушения приводит к перемещению контура (О, О, О) расширяющихся в толще материала трещин, линз и полостей по направлению к поверхностным слоям конструкции и к появлению внешних признаков ее разрушения. Обычно наибольшему разрушению подвергаются те участки, в которых область развития микротрещин легче всего достигает поверхности конструкции или изделия (рис. VI 1.1, б), например, углы, кромки, выступающие части и т. д.
Вдали от этих участков процесс разрушения увлажненного материала часто выражается в постепенном отслаивании (шелушении) поверхностных слоев.
Материалы с открытой пористостью наиболее подвержены физико-химическому разрушению и особенно быстро утрачивают необходимые механические свойства во влажных условиях.
Повышение долговечности во всех случаях связано с ограничен нием и замедлением физико-химико-механических процессов, вызывающих постепенное разрушение материалов, входящих в состав ограждающих конструкций. Если отсутствует агрессивная среда, при которой процессы разрушения являются следствием быстро развивающихся химических реакций, такие процессы зависят главным образом от тех внешних воздействий, которые вызывают резкие периодические изменения теплового и влажностного состояния наружных ограждающих конструкций, что связано с развитием термических и усадочных напряжений, превышающих по своему уровню напряжения, учитываемые расчетом статической прочности конструкции.

Относительно быстрый выход из строя ограждающих конструкций из-за развития сетки трещин и утраты необходимых прочностных свойств обычно отмечается в тех случаях, когда напряжения, вызываемые неоднородностью полей температуры и влагосодержания или другими разрушающими факторами, превосходят предел длительного сопротивления («выносливости») данной конструкции; эти случаи, в частности, типичны для большеразмерных конструкций из материалов с ограниченной стойкостью при периодически возникающих интенсивных разрушающих воздействиях (например, в зданиях с явно выраженным нагревом конструкции выделениями производственного тепла).В этих случаях вероятность быстрой потери структурно-механических качеств конструкцией может быть оценена по величине безразмерных комплексов, характеризующих условия ее работы при имеющихся разрушающих воздействиях. Так, например, характеристикой вероятности и быстроты образования недопустимой сетки глубоких трещин при периодически возникающих напряжениях в материале конструкции.Для ограждающих конструкций и их элементов, обеспечивающих изоляцию здания от действия атмосферной влаги, ветра и других неблагоприятных внешних влияний, срок полноценной службы истекает с появлением неплотностей, трещин и расслоений, которые не могут быть устранены простыми средствами при текущем ремонте. Таковы, например, участки примыкания кровли к разжелобкам, водостокам и стенам, наружные отделочные слои и стыки панелей, гидроизоляционные слои в стенах и т. д.

Период постепенного разрушения может иметь различную длительность (т — Тнач) в зависимости от количества внутренней энергии конструкции, противостоящего разрушению и характеризующегося эффектом предшествующего упрочнения, стойкостью материала, а также толщиной и проницаемостью конструктивного слоя.Интенсивность И воздействий наружной среды весьма различна и сопоставление этих различий в единой энергетической шкале представляет определенные трудности. В связи с этим, при экспериментальном изучении изменений прочности материалов во времени (при замораживании, увлажнении, нагреве и т. д.) могут быть введены условные стандартные характеристики интенсивности, соответствующие наиболее типичным видам постепенного разрушения.В этом случае, в соответствии с особенностями внешних воздействий и в целях практически приемлемой оценки различных структурно-механических свойств материалов, возникает представление о нескольких видах и степенях стойкости.
Все виды стойкости гидрофильных строительных материалов, применяемых для наружных ограждений зданий, связаны с нестационарными воздействиями температуры и влаги.
Отдельно рассматриваемый вид стойкости материалов при периодических колебаниях температуры (нагрев и остывание) имеет доминирующее значение для материалов, находящихся в сухом состоянии. Воздействия колебаний температур на увлажненные материалы более разрушительны и устанавливаются совместо с другими видами стойкости, связанными с воздействиями влаги.
Стойкость против последовательных увлажнений и высыханий, при колебаниях положительной температуры, называют влагостойкостью, а стойкость насыщенного влагой материала, при колебаниях переходящих через точку замерзания, — морозостойкостью.
Стойкость против воздействий влаги, содержащей растворенные агрессивные вещества, во многих случаях известна под названием стойкости против коррозии.При оценке срока службы конструкции число циклов воздействий, воспринимаемых последней, устанавливается в соответствии с имеющимися условиями наружного климата и микроклимата ограждаемого помещения.
Как это видно из предыдущего изложения, одно из основных направлений в изучении долговечности базируется на экспериментальных исследованиях, причем реальное длительное время службы конструкции, выполненной из какого-либо конкретного материала, моделируется числом циклов колебаний теплового или влажностного состояния; каждый из этих циклов приравнивается промежутку времени, изменяющемуся в зависимости от особенностей интенсивности реальных внешних воздействий.
В проведении таких исследований много условностей, связанных с несовершенством методики лабораторных экспериментов, производимых обычно на небольших образцах материалов; кроме того, выполнение подобных экспериментов длительно и трудоемко.
В связи с этим возникают другие направления в изучении проблем долговечности. В частности, одно из них основывается на том, что прочность любых реальных твердых тел, в том числе и строительных материалов, зависит от времени действия нагрузки, уменьшаясь с его увеличением. Реальные процессы разрушения связаны с приложением циклически возникающих (длительных) усилий, вызывающих напряжения растяжения или сдвига в наиболее слабых участках структуры материала.

Уменьшение прочности при длительном пребывании материала под растягивающей его нагрузкой объясняется постепенным развитием дефектов в трещинах разрыва. Такое развитие связано с изменениями значений внутренней потенциальной энергии материала, вместе с которыми изменяются и его структурно-механические свойства. Постепенные процессы разрушения выражаются последовательностью постепенных переходов материала из одних состояний с более высоким уровнем внутренней энергии в другие, имеющие меньший ее уровень.
В основе незаметно для человеческого глаза происходящих изменений структуры материала лежит квантовая природа материи и квантовые процессы, подчиняющиеся физико-статистическим закономерностям. Можно считать, что математическая интерпретация этих закономерностей идет от волновой функции [78] и имеет экспоненциальный характер.Поскольку период колебаний атомов то в структурной решетке материала зависит от величины заряда атомного ядра, время, необходимое для изменения структурных качеств, оказывается закономерно связанным с основными физико-химическими свойствами материала, его плотностью, строением электронных оболочек атомов и с периодическим законом Д. И. Менделеева.
Величина и0 зависит от степени совершенства структурно-механических свойств рассматриваемого материала и в пределе может приближаться к энергии связи атомов в кристаллической решетке идеального материала (по абсолютной величине, близкой к энергии сублимации, но обратной ей по знаку). Для бетона эта величина в некоторой недостаточной мере связана с маркой бетона (т. е. с весьма грубыми градациями одного из видов прочности материала, применяемыми в практике строительства), но явным образом зависит также от особенностей процесса кристаллизации в бетоне, характера пористости и активности сцепления цементного раствора с поверхностью песка и крупного заполнителя. При преобладании мелких кристаллических образований, закрытой пористости и химическом сродстве между вяжущим и заполнителем (или активировании поверхности последнего, обеспечивающем повышение сцепления) значение и0 возрастает. Структурный коэффициент у резким образом изменяется с возрастом бетона, уменьшаясь в два и более раза по мере упрочнения материала.

Исследование долговечности конструктивных элементов на основе использования уравнения (VII.3) только начинает развиваться. При этом основной элемент исследования заключается в том, что сравнимые образцы конкретного материала подвергаются серии силовых воздействий с градациями различной интенсивности, в целях возникновения напряжений (на. растяжение или сдвиг), при которых разрушение образцов происходит через различные интервалы времени.
На основе таких экспериментов определяются количество энергии и0у необходимой для возникновения процессов разрушения и значения структурных коэффициентов у, т. е. неизвестные величины, входящие в уравнение (VII.3).
Тем самым устанавливается конкретная зависимость между напряжениями, возникающими в материале, и сроками его службы до возможного предела разрушения.
Далее, на основе анализа внешних физико-климатических воздействий, которым будет подвергаться изучаемая ограждающая конструкция, конкретизируются значения напряжений (например, от неравномерного распределения температур и влагосодержания, ветровых и других механических нагрузок и т. п.).
Независящие друг от друга разрушительные эффекты, возникающие при найденных напряжениях, суммируются друг с другом.Как видно из этой последовательности отдельных этапов изучения, использование в практических целях уравнения (VII.3) связано с необходимостью проведения специальных экспериментов!
Исследования, проведенные в целях изучения долговечности наружных отделочных (фактурных) слоев крупных панелей [88] показали, что в климатических условиях г. Перми сроки службы фактуры из мелкозернистых бетонов на карбонатных песках примерно вдвое более длительны по сравнению со сроками службы таких же бетонов, но на кварцевых песках.
Развитие сетки силовых трещин на поверхности наружной фактуры с карбонатным заполнителем происходит более медленно и в количественном отношении менее выражено, чем у фактуры с заполнителем из кварцевого песка. Объясняется это большей однородностью структурных свойств фактуры с карбонатным заполнителем, поскольку сцепление вяжущего с поверхностью родственного в химическом отношении заполнителя происходит более активно и отличается относительно высокой прочностью.

Теория надежности была развита применительно к кинематическим системам и управляющим устройствам, таким как действующие механизмы, средства транспорта, автоматического производства и контроля, электронно-вычислительные машины и т. д. Поэтому многие понятия и значительная часть терминологии теории надежности установились применительно к особенностям работы кинематических и им подобных систем и не приложимы, <в логическом смысле, ,к рассмотрению эксплуатации строительных конструкций. Таковы понятия о безотказности работы механизмов, возникновении отказов при использовании автоматических и электронных устройств и некоторые другие. Очевидно, что эти понятия аналогичны таким установившимся (В строительстве представлениям, как неизменность и сохранность эксплуатационных качеств ограждающих конструкций и 'их временное или постоянное нарушение при утрате непроницаемости, теплозащитных свойств или (возникновении каких-либо других дефектов.
Однако математический аппарат, .применяемый при изучении надежности, основан «на методах теории вероятности и может быть приложен к изучению любых явлений, если последние можно считать входящими <в категорию установившихся случайных процессов, а имеющийся опыт статистического учета изменений их особенностей— достаточно развитым и массовым.
Следовательно, применение математических методов теории надежности может дать наибольший познавательный и практический эффект при обработке результатов массовых натурных наблюдений за сроками службы отдельных конструктивных элементов и закономерностями их постепенного разрушения в сходных условиях эксплуатации.
На рис. VII.3 показаны результаты обработки натурных исследований длительности безремонтной службы надчердачных кровель из асбестоцементных листов [84] в жилых домах.
После четырех лет эксплуатации свыше 60% обследованных кровель многоэтажных домов нуждалось в мелком ремонте, после восьми лет — около 90%, а предельная длительность безремонтной службы составляла около 15 лет. Вторая половина общей длительности службы кровель протекает при периодических ремонтах. Для индивидуальных одноэтажных домов сроки безремонтной службы кровель гораздо длительнее, что, fio-видимому, объясняется более аккуратной эксплуатацией, а возможно и более крутыми уклонами кровель, поскольку чердачные пространства обычно используются для хозяйственных целей, а иногда и для летнего жилья.

Постепенное разрушение (износ) ограждающих конструкций происходит с (неодинаковой быстротой -в течение общего срока службы здания. На рис. VI 1.4, а по оси ординат отложена изношенность, выраженная в процентах, а по оси абсцисс — время, отсчитываемое от начала эксплуатации здания и измеряемое в годах и десятках лет. Характерная кинетика изменений износа конструкций и нарастания их изношенности с течением (времени выражена кривой 1.
Как видно из рисунка, зависимость утраты необходимых качеств конструкций от времени (т. е. др/дг или дх/дт, где р — характерный вид прочности, % — проницаемость, х — время) нелинейна и кривая 1 имеет две зоны перегиба вблизи точек А и Б. Эти зоны перегиба определяют три характерных периода износа конструкций здания (I, II, III), отмеченные на рисунке.
Такие характерные периоды отличаются друг от друга различной интенсивностью износа; в периодах I и III последняя наиболее высока, тогда как в периоде II, самом длительном и занимающем до 80% от общей продолжительности службы здания, интенсивность износа сравнительно незначительна.
Существенные различия интенсивности износа конструкций в характерные периоды эксплуатации здания объясняются типичными изменениями напряженного состояния в эти периоды, что видно из рисунка VII.4, б.
Для периодов I и III характерно развитие напряжений, превышающих предел выносливости отдельных элементов ограждающих конструкций; в начальный период это связано с чрезмерными усадочными и термическими«>напряжениями, а в последний — с падением предела выносливости существенно износившихся конструкций.
В первые годы эксплуатации вновь выстроенного здания характерно ускоренное разрушение (повышенный износ) многих конструктивных элементов. Объясняется это многими причинами, в частности, усадкой и усушкой излишне влажных материалов, примененных при постройке, уплотнением грунта и неравномерной осадкой здания, выявляющимися в первый период эксплуатации, дефектами проектирования и строительных работ, а также недостаточно высокими свойствами материалов и конструкций.
Усадка и усушка материалов, применяемых в конструкциях здания, обычно связаны с повышенным содержанием первоначальной строительной влаги (особенно характерным для конструктивных элементов из бетонов и древесины, изделий, увлажненных при транспортировке, и т. д.). Процессы усадки, усушки и развития термических напряжений обычно сопровождаются образованием трещин, неплотностей и щелей в конструкциях и особенно сопряжениях отдельных крупноразмерных элементов. При этом величины деформаций и вероятность возникновения трещин зависят преимущественно от величины и изменений температурного перепада, градиента влагосодержания, а также характерного размера крупного элемента и условий его деформирования.
Наибольшая усушка, связанная с возникновением неплотностей и щелей, характерна для деревянных конструктивных элементов (полы, перегородки, оконные переплеты, двери и т. д.). Выполнение конструкций из так называемой воздушно-сухой древесины (18% влажности по весу) не в состоянии полностью предотвратить явления усушки, поскольку изменения объема деревянных элементов при их высыхании до равновесного состояния (например, 8—10% по весу) происходят главным образом в пределах гигроскопической влажности.

Усушка конструкций, покрытых штукатуркой, окраской или обоями, связана с образованием трещин и разрывов в этих отделочных слоях.
Возникновение усадочных трещин характерно также для переувлажненных при изготовлении или возведении элементов стен из легких бетонов. Неравномерная осадка стен, вызванная незакономерным уплотнением грунта под подошвой фундаментов, приводит к возникновению определенным образом расположенных трещин в кладке или в зонах сопряжения крупных элементов здания.
Для переувлажненных начальной строительной влагой наружных ограждающих конструкций характерны пониженные теплозащитные свойства; часто такие конструкции являются причиной сырости в помещениях.
Конструкции, осуществленные из недостаточно стойких материалов, а также некачественно выполненные или неудачные по своему общему решению, неизменно обнаруживают дефекты в первый период эксплуатации здания; выявление таких дефектов в течение гарантийного срока обязывает строительную организацию произвести необходимые исправления.
По окончании первого периода эксплуатации, характеризующегося повышенным износом, часто требуется проведение ремонта кровель, защитно-отделочных слоев, деревянных полов, переплетов, сопряжений крупных панелей и т. д. Такой ремонт называется поелеосадочным и должен производиться за счет средств, направляемых в новое строительство. При небрежной эксплуатации зданий и отсутствии своевременных периодических ремонтов износ конструкций здания интенсифицируется и общая их долговечность сокращается, что отмечено пунктирными линиями 2 и 3 на рис. VII.4, а.
Второй и наиболее длительный (обычно продолжающийся в течение многих десятилетий) период эксплуатации здания характеризуется весьма медленным (нормальным) износом конструкций здания. Такой медленный и для многих основных конструкций практически незаметный износ объясняется тем, что материалы этих конструкций приобрели стабильную, незначительно изменяющуюся в отдельные периоды года, влажность и близки к термодинамическому равновесию с воздействием окружающей воздушной среды; в этих условиях разрушающие процессы активизируются главным образом только при случайных увлажнениях конструкций или нарушениях средних многолетних условий эксплуатации (что связано, например, с изменениями назначения и влажностного режима помещений, увеличением загрязненности и агрессивности наружного воздуха, изменением уровня грунтовых вод и т. д.).
После того как в течение долгих лет конструкции здания подвергаются весьма медленному износу, структура материалов постепенно изменяется, пористость увеличивается, мелкие и при этом закрытые поры разрушаются и превращаются в более крупные и открытые; конструкции утрачивают значительную часть прочности и непроницаемости.

Сроки службы конструкций зависят от качества применяемых материалов и изделий, общей целесообразности принятого конструктивного решения, надежности защитно-отделочных слоев или других средств, ограничивающих физико-климатические и другие внешние воздействия на конструкцию. В этот перечень факторов, влияющих на долговечность конструкций не включены особенности и качество производства строительно-монтажных работ, поскольку эти причины далеко не всегда могут быть учтены в стадии проектирования конструкций.
Весьма важным качеством применяемых материалов и изделий является неизменность их необходимых структурно-механических свойств во времени. Это качество обеспечивается отнюдь не высокой начальной прочностью материала, а только достаточной его стойкостью против тех внешних воздействий, которые будут восприниматься проектируемой конструкцией. Виды необходимой стойкости должны быть установлены путем тщательного изучения особенностей эксплуатации. Однако все виды стойкости материала против колебаний температур и изменений влагосодержания (влагостойкость, морозостойкость, стойкость против циклических изменений температуры) могут быть обеспечены соблюдением определенных закономерностей, влияющих на образование структуры материала.
Большинство строительных материалов состоит из нескольких составляющих и отличаются неоднородной структурой, отдельные элементы которой могут состоять из компонентов с различными физико-химическими свойствами *.
Естественно, что различные физические свойства отдельных компонентов наиболее заметны в композиционных материалах, типичным примером которых являются бетоны.На границе этих компонентов возникают напряжения, пропорциональные разности коэффициентов термического расширения и градиенту температур. При значительных напряжениях и недостаточном сцеплении вяжущего с поверхностью заполнителя у этих границ легко возникают трещины, приводящие при дальнейшем их развитии к заметному для глаза разрушению материала.
В связи с этим при выборе вяжущего и заполнителей для бетонов важно знать величины ат для этих компонентов и подбирать их так, чтобы их коэффициенты термического расширения отличались друг от друга наименьшим образом.

Учитывая значения для стойкости бетона величины разности коэффициентов термического расширения вяжущего и крупного заполнителя, можно ожидать, что, например, шлакобетон на цементном вяжущем с заполнителем из топливных шлаков окажется недостаточно стойким и склонным к образованию трещин при колебаниях температуры. Опыт эксплуатации конструкций из шлакобетона этого вида, а также данные по исследованиям воздухопроницаемости подобных материалов подтверждают возникновение в них микротрещин. Шлакобетоны с заполнителем из металлургических шлаков отличаются гораздо более высокой стойкостью, что объясняется возникновением нерастворимых соединений на границе вяжущее—крупный заполнитель и более высоким сцеплением.
Мелкозернистые бетоны на карбонатном песке, применяемые для фактурных слоев крупных панелей и блоков, оказываются гораздо более стойкими по сравнению с мелкозернистыми бетонами па кварцевом песке; одной из причин этого является общность химического состава компонентов вяжущего и мелкого заполнителя (СаО), а также примерно одинаковые коэффициенты их термического расширения (аг~9,0-К)-6).Повышение физико-химической активности поверхности заполнителя ведет к увеличению сцепления и существенному улучшению структурных свойств композиционного материала. В этом отношении предварительное дробление заполнителей, т. е. обнажение новых поверхностей с высокой физико-химической активностью, является целесообразным технологическим приемом, обеспечивающим повышение любых видов стойкости производимых материалов (высокая стойкость бетона с дробленым гравием и щебнем, ячеистых бетонов с наполнителем из дробленого песка и т. д.). Увеличение сцепления на поверхности заполнителя является одним из наиболее доступных в технологическом отношении приемов, обеспечивающих формирование более совершенной макроструктуры с повышенным запасом внутренней энергии в объеме материала.
Наиболее явно выраженное разрушающее действие колебаний температур отмечается для ограждающих конструкций производственных зданий с наличием интенсивных выделений лучистого тепла, где температура поверхности железобетонных конструкций может достигать свыше 100°, в результате чего отмечается значительное ослабление сцепления бетона с арматурой и постепенное нарушение сцепления цементного камня с поверхностью заполнителей.