Котельные установки

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.

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.

Поверхность стен любых зданий и, в частности, наружная часть крупных панелей также могут подвергаться существенным температурным колебаниям, особенно при нагреве их солнечной радиацией. В летнее время в южных районах средние значения колебаний температуры поверхности составляют величину порядка 30° (например, от +15 до +45°); однако наиболее опасны колебания температур в зимнее время в районах с интенсивной солнечной радиацией (южная Сибирь, Приморский край и т. д.), происходящие на поверхности стен, обращенных на юг и юго-запад, примерно, с такой же или еще большей разностью температур в течение суток (например, от —18 до +18°), но связанные с ежесуточными наиболее разрушительными для наружной части стен переходами через нуль.
Для сравнительной оценки вероятности активного образования трещин, которое может быть вызвано такими климатическими воздействиями, важны: 1) число переходов через нуль в наружной части панели п; 2) безразмерная амплитуда колебаний температур At (например, отношение разности экстремальных ее значений в рассматриваемом сечении конструкции к среднегодовой температуре); 3) объемное влагосодержание материала со0.
Степень стойкости материала (в частности, его морозостойкость должна назначаться в соответствии с величинами этих показателей для наиболее опасного сечения в наружной части панели. Приближенно все три показателя могут быть выражены одной числовой характеристикой, например, их произведением, которое можно считать пропорциональным количеству внешней энергии Е, затрачиваемой на деструкцию материала (ЕжпАгЫо)- Эта числовая характеристика обычно имеет наибольшее значение или на поверхности панели, где наиболее велики изменения температуры, или на глубине слоя резких температурных колебаний 6, где возрастает влагосодержание материала (рис. VII.5).
Число переходов через нуль зависит от ориентации панельных стен и условий наружного климата; оно наиболее велико для стен, обращенных на юг, и для территорий с интенсивной солнечной^ радиацией в зимнее время года (Южная Сибирь, Приморский Край и т. д.).
Для Приморского Края, где зимой преобладают ясные, солнечные дни с холодными ветрами и низкой температурой наружного воздуха, число переходов через нуль достигает на поверхности панелей, обращенных на юг, 80 циклов [85], уменьшаясь на глубине 7 см. (граница слоя резких колебаний) примерно до 75, тогда как соответствующие значения для европейской части СССР (г. Куйбышев) приближенно составляют 12 и 8 [86].
Морозостойкость материала наружной части панелей на территориях Дальневосточного края должна быть существенно выше, чем в районах европейской части СССР.
Термические напряжения наружной поверхности панелей на восточных территориях СССР также очень высоки [85] и часто превосходят допустимые напряжения на растяжение для применяемых бетонов (рис. VII.6).
В тех случаях, когда изменения температур сопровождаются резкими колебаниями влагосодержания материала, структура его должна обладать некоторыми дополнительными свойствами. Если бы структура материала состояла из крупных закрытых однородных пор, соединенных тонкими капиллярами, разрушение при воздействиях влаги и вообще водных растворов, протекало бы много медленнее, а материал обладал бы высокой физико-химической стойкостью.
Замедление разрушения при резких изменениях влагосодержания характерно также для материалов с относительно изолированными (замкнутыми) порами, заполненными воздухом и трудно доступными для влаги при обычных условиях, но обеспечивающими ее перераспределение при более высоких давлениях, возникающих, например, при замерзании.
Количество замкнутых пор является мерой обеспечения стойкости материала против внешних разрушающих физико-химических воздействий, связанных с присутствием влаги. Свободная энергия на поверхности замкнутых пор более высока, чем в открытых, доступных для внешних воздействий. С развитием разрушения число замкнутых пор уменьшается, а удельная поверхность неизолированных пор и полостей внутри материала возрастает.

В капиллярно-пористых материалах (например, кирпиче, бетоне, природном камне), находящихся в естественной воздушной среде, всегда содержится некоторое количество влаги. В этом легко убедиться, подвергнув сушке (в сушильном шкафу) образец материала до постоянного веса.Если температура или влажность окружающего воздуха изменились, постепенно приходит в соответствие с этими изменениями и количество влаги, содержащееся в материале. При этом можно полагать, что приближенная продолжительность времени, необходимого для установления равновесного гигротермического состояния материала, прямо пропорциональна интенсивности диффузионных перемещений влаги и обратно пропорциональна квадрату максимального расстояния этих перемещений внутри материала (т. е. квадрату характерного размера образца) *.
Процесс увлажнения сухого материала, помещенного в воздушную среду с постоянной относительной влажностью, называется сор бцией, а процесс уменьшения влагосодержания — избыточно-влажного материала в воздушной среде — десорбцией.
Закономерность изменений равновесного влагосодержания материала, находящегося в воздушной среде с постоянной температурой, но последовательно возрастающей относительной влажностью, выражается и з о т ер м о й сорбции.
Последовательные значения равновесной влажности материала, возрастающие при увеличении относительной влажности среды и располагающиеся на кривой изотермы сорбции, а также форма этой кривой зависят от природы и структуры материала.
Для капиллярно-пористых материалов, хорошо смачиваемых влагой (такие материалы в строительстве распространены), характерны S-образные изотермы, выпуклые в области малой относительной влажности воздуха и вогнутые при высокой влажности (изотермы I и II на рис. VI.6).
Выпуклая часть изотерм Г указывает на присутствие внутри материала только адсорбированной влаги, состоящей из одного слоя простых или сложных молекул водяного пара, прочно связанных с твердой поверхностью пор и капилляров адсорбционными силами (мономолекулярная адсорбция).
Средняя часть изотерм Я, близкая к прямой линии, соответствует образованию на внутренней поверхости капиллярно-пористого материала пленок адсорбированной влаги, состоящих из многих слоев молекул (полимолекулярная адсорбция).
При дальнейшем повышении влажности воздуха пленки влаги утолщаются и заполняют наиболее узкие участки тонких кайилля-ров, образуя в смачиваемых материалах мениски с вогнутой поверхностью.

Влага физико-механической связи, удерживаемая в порах и капиллярах силами капиллярного давления и смачивания гидрофильных материалов.
Эта влага перемещается внутри материала при возникновении давлений, превышающих капиллярное и легко испаряется из поверхностных слоев изделия или конструкции, в процессе естественной сушки.
Относительно большей связью с материалом характеризуется влага, заполняющая микрокапилляры г<10~5 см и удерживаемая повышенными силами капиллярного давления.
Влага, содержащаяся в макрокапиллярах (за исключением микрослоя у стенок, связанного адсорбнионно) приближается по своим физическим свойствам к свободной воде, отличается весьма слабой связью с материалом и наиболее легко испаряется из поверхностных слоев изделия.
При извлечении из водной среды крупнопористого изделия, или образца материала часть воды, заполняющей крупные поры и являющейся наиболее свободной, вытекает под влиянием силы тяжести; количество вытекающей воды возрастает с увеличением гидрофобное™ материала и числа сообщающихся крупных пор в нем.
Рассмотренные виды влаги обладают различной энергией связи с поверхностью пор и капилляров материала. Наибольшей величиной энергии связи отличается влага химически связываемая, наименьшей— влага, связь которой с поверхностью материала зависит главным образом от физико-механических параметров.Энергия связи влаги с поверхностью пор и капилляров материала равна по своей абсолютной величине, но противоположна по знаку потенциалу переноса влаги внутри капиллярно-пористых материалов с влагосодержанием в пределах гигроскопического, находящихся в изотермических условиях.
Для удаления описанных выше видов влаги из капиллярно-пористых материалов необходима различная энергия процесса обезвоживания.

1. Влага, химически связываемая, необходимая для возникновения и завершения химических реакций, образования нового вещества и формирования физико-механических свойств материала в изделии или конструкции.
Эта влага входит в состав структурной решетки материала в виде вновь возникших химических соединений и кристаллогидратов и отличается высоким энергетическим уровнем ионной и молекулярной связи с веществом.
Естественные колебания температуры, происходящие в течение года на поверхности ограждающих конструкций, не в состоянии нарушить эту связь и выделить химически связанную влагу; из физических методов воздействий она частично может быть удалена только прокаливанием.
2. Влага физико-химической связи, адсорбированная на внутренней поверхности пор и капилляров сформировавшейся структурной решетки материала.
Адсорбированная влага может быть подразделена на влагу первичных мономолекулярных слоев, отличающуюся высоким энергетическим уровнем связи с поверхностью гидрофильных материалов, и влагу последующих полимолекулярных слоев, постепенно переходящую в пленку объемной воды, удерживаемой капиллярными силами. Адсорбированная влага мономолекулярных и частично полимолекулярных слоев не может быть удалена путем естественной сушки материала ограждающих конструкций, поскольку для ее отрыва от гидрофильных поверхностей необходима высокая температура и малая относительная влажность окружающей воздушной среды, которые не могут быть достигнуты в условиях внешнего климата и микроклимата помещений с отсутствием больших выделений тепла.При естественных колебаниях температуры и влагосодержания наружных ограждающих конструкций, выполненных из гидрофильных материалов, часть влаги физико-химической связи может переходить в химически связанную влагу, результатом чего является повышение прочности бетонов и других гидрофильных неорганических материалов в первые годы эксплуатации зданий.
Для древесины и других органических материалов растительного происхождения характерно, кроме адсорбированной, присутствие в растительных клетках осмотически связанной влаги, постепенно удаляемой в процессе естественной сушки строительных конструкций в воздушной среде с изменяющейся температурой и низкой относительной влажностью. Следствием этого является усушка и изменение геометрических размеров изделий и деталей, отмечаемые, ■например, в первые годы эксплуатации зданий для элементов деревянных конструкций, даже в том случае, если они выполнены из древесины, считающейся, в соответствии со строительными правилами, воздушно-сухой (18—20% повесу).

Характерным размером высыхающего ограждения является наибольшее расстояние (по поперечному сечению конструкции), на которое необходимо переместиться влаге для того, чтобы достигнуть поверхности, с которой происходит испарение. При испарении с обеих противолежащих поверхностей однородной конструкции это будет половина ее толщины, а при одностороннем высыхании — bcL толщина (рис. VI.1).
В пустотных конструкциях этот характерный размер сокращается за счет испарения части влаги внутрь пустот или воздушных прослоек. Эта влага, испарившаяся внутрь пустот, обычно удаляется при последующей фильтрации воздуха сквозь конструкцию.
Наружные стены, выполненные из быстро высыхающих материалов и обладающие ограниченной толщиной, а также бесчердачные покрытия, достигают влажностного состояния, приближающегося к нормальному, в течение одного достаточно жаркого летнего периода. Массивные стены, выполненные из медленно высыхающего материала, сохнут в течение ряда лет, причем и после естественного завершения этого процесса влажность их слоев, удаленных от поверхности, может оказаться достаточно высокой даже в помещениях с влажностью •воздуха не выше нормальной.Для обеспечения удовлетворительного влажностного состояния слоистой конструкции важно, чтобы возможные эпизодические увлажнения внешних слоев (например, атмосферной влагой) не влекли за собой распространения жидкой влаги по всей толщине конструкции.
В конструкциях слоистых стен это обеспечивается применением материалов с различной влагоемкостью и крупностью пор*. Жидкая влага, содержащаяся во внешнем увлажненном слое с мелкими порами, не сможет распространиться внутрь стены с заполнением из крупнопористых невлагоемких материалов.
Если средняя часть стены выполнена из таких материалов (пеностекло, ячеистая керамика с остеклованной поверхностью и т. д.), ее влажность будет меньше (рис. VI.2, а), чем вэ внешних слоях, обычно выполняемых из плотных материалов с более мелкими порами (конструктивный бетон и т. д.).

Учитывая гигиенические требования, полы в помещениях с длительным пребыванием людей и нормальной температурой необходимо конструировать таким образом, чтобы количество тепла, поглощаемого поверхностью пола, было меньше количества тепла, продуцируемого организмом (и притекающего к ступням ног) или, по крайней мере, не превышало этого количества. Однако это гигиеническое условие осложняется неопределенностью в отношении длительности соприкосновения ноги человека с полом и теплозащитных свойств используемой при этом обуви.
Чем длительнее период соприкосновения ног человека с полом, тем больше глубина активного слоя конструкции, от теплофизических, свойств которого зависит поглощение тепла поверхностью пола. Аналогичная зависимость толщины слоя активной теплоемкости (слоя резких колебаний температуры) от длительности периода внешних тепловых воздействий отмечалась ранее при изложении основных понятий теории теплоустойчивости.
Пределы колебаний длительности контакта ног человека с полом известны. Они могут изменяться от 1—2 мин при соприкосновении ног без обуви с полом спален и других жилых помещений и до 6—7 ч при контакте с полом рабочих помещений хорошо обутых ног.
Последняя наибольшая длительность является самой невыгодной для расчета, поскольку в этом случае в процесс охлаждения ног человека вовлекается наибольшая активная толщина конструкции; естественно, что при меньшей длительности контакта к конструкции пола предъявляются более ограниченные теплофизические требования, поскольку в процесс теплообмена вовлекаются только слои пола, непосредственно граничащие с его поверхностью.
Для расчета по 'наиболее невыгодным условиям максимальной длительности контакта ног человека с полом оказывается возможным использовать технику расчетов, основанных на теории теплоустойчивости.