Условия сопротивления износу (старению)
Общие положения
Износостойкость, о которой нам предстоит здесь говорить, относительна, поскольку все строительные материалы подвержены более или менее быстрому старению. Наука о коррозии изучает физические, химические, биологические и бактериологические явления.
При традиционном строительстве полезность этой науки не ощущалась. В настоящее время, с применением новых материалов она стала необходимой. К сожалению, эта наука еще только зарождается, и имеются многочисленные пробелы, разработка которых представляет известные трудности.
Лабораторные исследования, в общем, мало помогают, поскольку зачастую невозможно в короткий срок воспроизвести явление, которое в природе протекает в течение десятков лет.
Иногда исследование на месте точно датированных сооружений позволяет дополнить лабораторные исследования. Так, например, бельгиец Каммерман, пытаясь выявить воздействие серных испарений в воздухе на известковые камни, исследовал многочисленные надгробные плиты французских кладбищ, даты установки которых были выгравированы на самих камнях.
Когда длительность испытаний непродолжительна, например для окрасок, можно следить за старением образцов, установив их под открытым небом
Строительные материалы редко имеют простой однородный состав. Посторонние примеси часто составляют ядро, вокруг которого наслаиваются пораженные слои. В большинстве случаев причиной старения материалов является их неоднородность. Старение основных конструкций здания может уменьшить долговечность сооружения в целом. Старение облицовок наносит ущерб внешнему виду.
Рассмотрим последовательно старение больших групп материалов: каменных, лесных, металлов.
В заключение мы скажем несколько слов о различных других материалах.
Старение каменных материалов
К каменным материалам мы относим естественные материалы, такие как известняк, песчаник, гранит, сланцы, мрамор и т. д., и искусственные материалы, такие как кирпич, керамика и фаянс, бетоны и агломераты, тяжелые и легкие и т. д.
Назовем причины старения минералов в следующем порядке: разрушение структуры, прямое увлажнение в надземной части здания, прямое увлажнение в подземных частях сооружений, косвенное увлажнение, различные физико-химические явления, влияние живых организмов (исключая микроорганизмы).
Разрушение структуры материалов
Обветшалая каменная кладка
Старые дома, стены которых были выполнены из каменной кладки на растворе плохого качества (глиняном или известковом на жирной извести), подвержены разрушению. Поверхность стен растрескивается во всех направлениях. Разрушение усиливается при вибрациях. Новые конструкции не страдают этим недостатком.
Вибрация
Древние постройки, расположенные на красной линии улиц с интенсивным движением, дорожные покрытия которых выполнены из крупных камней, испытывали разрушительное воздействие вибраций, особенно, когда кладка была плохого качества. Мы уже имели случай в главе о звукоизоляции здания говорить об инфразву-ковых вибрациях. Мы отмечали, что вибрации измеряются вибро. При наличии вибраций сверх 30 вибро в здании могут происходить разрушения. Вибрация постепенно ведет к разрушению структуры старой каменной кладки.
Проблема разрушения от вибраций редко возникает в жилых зданиях. Она встречается чаще в промышленных зданиях, что выходит за пределы настоящего исследования.
Эрозия от песчаного ветра
Нижние части наружных стен могут подвергаться эрозии от воздействия ветров, переносящих песок. В местностях, где такая опасность существует, для кладки цоколей следует предпочитать твердые материалы.
Прямое увлажнение в надземной части зданий
Косой дождь и фасады
Во Франции косой дождь может проникать через подверженные его воздействию пористые стены зданий. Трудно охарактеризовать косой дождь с помощью обычных метеорологических данных. Но все же это можно сделать, исходя из высоты годовых или повторяемости суточных осадков. В подобном случае предпочтительнее провести исследование на месте, чтобы выявить наиболее неблагоприятные ориентации.
Меры предосторожности, которые следует принимать в зданиях. Выступающие междуэтажные пояса. Выступающие карнизы защищают только верхний этаж наружных стен. Можно повторить эту защиту с помощью выступающих междуэтажных поясов, размещаемых обычно в уровне перекрытий. Мы даем пример правильного и неправильного решения. Выступы целесообразно покрыть оцинкованной сталью, заделанной в каменную кладку стен.
Стены из пористых или проницаемых материалов. Например, стены из обычного сплошного кирпича. Арх. Ш. Буржуа в районе Туркуэна предусматривал для защиты наружных стен стенки на относе. Фасады делают непроницаемыми с помощью цементной штукатурки, соответствующей окраски, облицовки фаянсом (или керамикой), оклейки плитками (или асбестоцементом). Иногда можно использовать пористость стены, поскольку дождевая вода стекает по тем же порам, по которым поступает. В наружную облицовку можно также добавить силикатную пленку.
Непосредственная инфильтрация через подоконник. Если оконные переплеты размещены близко к внутренней поверхности стен, необходимо позаботиться о непроницаемости зазора между нижней частью оконного переплета и четвертью коробки, которая должна иметь достаточную ширину, а наружный выступ следует тщательно заделать и снабдить слезником. Выступ нужно хорошо заделать в стену без зазоров. Материал гребня должен быть водонепроницаемым. Не рекомендуется устройство гребня, выполненного из уложенного плашмя кирпича, даже если он оштукатурен
Оконные отливы. Если оконные переплеты устроены заподлицо с наружной поверхностью стены, внизу этих переплетов необходимо» предусмотреть маленький выступающий карниз (отлив) или непроницаемый лист из цинка или свинца, заделанный в каменную кладку (способ, применяемый в Англии).
Подземные воды, поднимающиеся в нижнюю часть стен
Подземные воды вследствие капиллярных явлений поднимаются на высоту около 15 см. Кнаппен показал, что такой подъем воды в стенах, может достигать высоты 2 м.
Увлажнение происходит от грунтовых вод, в которых расположены фундаменты, или от забрызгивания дождевыми водами нижней части фасада.
Когда грунтовые воды имеют устойчивую жесткость, действие сернокислых бактерий может вызвать разложение пропитанных ими материалов.
Естественно, что кирпич интенсивно стареет от таких вод. Каммер-ман в Бельгии специально изучил этот вопрос. Можно дать некоторые следующие указания о борьбе с этого рода увлажнением.
Для строящихся зданий рекомендуется:
— размещать гидроизоляцию асфальт, шиферные плитки, непроницаемый цементный раствор и т. д.) у основания нижней части стен, преграждая путь подъему воды;
— использовать цементы, нечувствительные к воздействию воды (шлаковые, глиноземистые), если она имеет устойчивую жесткость;
— отводить воду с крыши с помощью желобов и водосточных труб, чтобы избежать забрызгивания цоколя дождевыми водами;
— устраивать водонепроницаемый цоколь;
— предусматривать вокруг фасадов водонепроницаемую цементную отмостку.
Для существующих зданий рекомендуется отводить воду из стен с помощью «дренажа Кнаппена», когда происходит чрезмерное увлажнение. Это гончарные трубки специальной формы, помещаемые в каменную кладку, равномерно чередующиеся снаружи и изнутри с определенным уклоном.
Пользуются также новым методом электроосмоса.
Влажность материалов и промерзание
Наличие пор в пористых материалах делает их подверженными разрушению от промерзания. Превращаясь в лед и увеличиваясь в объеме, вода разрушает недостаточно прочные материалы. Чтобы учесть возможность образования льда в заданной местности, используют метеорологические данные, например выясняют абсолютно минимальную температуру наиболее холодного месяца (или число дней в году с сильными морозами). Пользуются также картой защиты сооружений против промерзания,составленной Кадьергом.
Обычно известно, какие материалы для данной местности морозостойки и какие нет. К тому же достаточно знать построенные в этой местности здания.
Морозостойкость материалов можно исследовать в лаборатории по методу, описанному в нормах В-10.001. Этот метод заключается в 25-кратном замораживании при температуре от —15° до —20 °С и оттаивании в пресной воде при температуре от +15° до +20 °С испытуемых образцов. Этот опыт не всегда убедителен; так, камень из Эвиля, нестойкий согласно испытаниям, хорошо себя зарекомендовал в наружных конструкциях в условиях Парижа.
Часто принимают за неморозостойкие материалы с плотностью ниже 2,4 или же с порядковым номером по классификации стандартов Центрального парижского общества выше 2,5, но из этого правила существуют многие исключения.
Очевидно, что цокольные части фасадов должны быть выполнены из морозостойких материалов. Такие материалы надо применять также для различных, выступающих из плоскости фасада поясов. Следует избегать попадания воды в шов, расположенный выше этого пояса.
Облицовочные материалы (плитки, черепица, асбестоцемент) также должны быть морозостойкими.
Когда материал защищен от дождя (или от других источников увлажнения), например внутри здания, вопрос о морозостойкости не возникает.
Увлажнение конструкций по вине человека
Основные конструкции зданий могут значительно пострадать по вине человека от протекания воды в помещения, например из-за протекания кровли, утечки воды из водопровода, протекания санитарных устройств (переливы из-за недостаточного сечения сливных труб), протекания канализации, переливов воды через кровельные водосточные желоба, неисправных водосточных труб, подъема воды в подвалах от засорения канализационных коллекторов, разрывов от замерзания воды трубопроводов центрального отопления, недостатков санитарных устройств (неплотности трубопроводов, помещенных в толще стен и перекрытий) .
Эти аварии имеют различные причины. Они могут быть вызваны: плохим качеством выполнения работ, размораживанием установок внутри помещения при перерывах в работе отопления зимой (например, в нерабочий конец недели), небрежным пользованием (переполнение санитарных приборов), исключительно сильной грозой, авариями водопровода2.
Для защиты от возможного замерзания заполненные водой установки в жилых домах необходимо оборудовать системой опорожнения3. Прежде водосточные трубы для дождевых вод помещали на фасадах, а канализационные стояки — внутри здания. Это расположение приемлемо всегда.
Переливы через водосточные желоба и трубы происходят во время интенсивной грозы. Эти элементы должны иметь соответствующие размеры. Для Франции, в частности, максимальный мгновенный расход воды во время интенсивной грозы колеблется в пределах от 32 до 40 г/м2-сек. Практически принимают 1 см2 водосточной трубы на 1 м2 крыши4.
Что касается труб, то чем большую площадь города они обслуживают, тем значительнее может быть уменьшено их сечение. В самом деле, продолжительность интенсивной грозы во Франции почти не превосходит получаса. Мы приводим на рис. 4 пример интенсивной грозы в районе Парижа.
В самые напряженные моменты отвода сточных вод со скатов крыш пропускная способность труб должна обеспечить дебит порядка 12 г/сек с продолжительностью порядка 1 мин.
Проникание в помещения воды при паводках
Мы уже затронули проблему наводнения в главе, где рассматриваются условия прочности зданий, в особенности опустошительное действие ударной волны. Такие несчастные случаи редки. Напротив, урон, который несут от наводнений основные конструкции зданий, повторяется чаще.
Когда строят поблизости от проточных вод, нужно учитывать их самый высокий уровень. В принципе избегают строить в затопляемой зоне. Если этого нельзя избежать, то необходимо, чтобы пол первого-этажа обязательно превышал наивысший уровень вод. Нельзя также пренебрегать гидроизоляцией стен ниже уровня перекрытий первого-этажа.
Прямое увлажнение подземных частей сооружений
Выщелачивание бетона фундаментов
Жесткие воды, содержащие сульфаты, которые встречаются в почвах, разрушают некоторые цементы фундаментов. Образуется трехкаль-циевый сульфоалюминат (соль Кандлота). Этот порошкообразный продукт сильно увеличивается в объеме. Бетоны набухают и становятся непрочными. Шлаковые и глиноземистые цементы стойки при вбздействии засоленных вод.
Фундаменты и агрессивные воды
Явление выщелачивания происходит, когда бетон находится в контакте с водой, водородный показатель (рН) которой ниже 7, т. е. это очень пресные воды, воды, насыщенные углекислым газом (С02), магнезиальные воды, кислые воды (содержащие гуминовуЮ кислоту), сернокислые воды (содержащие сероводород, например, когда плохо функционирует выгребная яма), промышленные воды, содержащие, например, молочную кислоту.
Для защиты от агрессивных вод можно применять следующие меры: использовать плотные бетоны с богатой дозировкой цемента, пластификаторы, увлекающие за собой воздух и уменьшающие поглощение воды при гидратации, осуществлять гидрофобизацию поверхности (силикаты калия и фтористые силикаты магния или цинка), добавлять в затруднительных случаях битумные окраски.
Следует опасаться вредного воздействия выщелачивания для обычных портландцементов, очень богатых трикальциевым алюминатом или даже трикальциевым силикатом.
Морская вода и цемент
В разрушении погруженного в морскую воду бетона повинен не хлористый натрий, а сульфат магния. Его воздействие аналогично воздействию устойчиво-жесткой воды. Применение шлаковых и сульфато-стойких цементов допустимо при морских работах. То же можно сказать и о глиноземистых цементах.
В непосредственно погруженных в морскую воду конструкциях необходимо предусматривать в галечнике вдоль фасада к морю полые пространства, в которые может проникать прилив дважды в сутки. Мы уже отметили, что так и обстоит дело в Музее изящных искусств в Гавре.
Канализационные воды и цемент
Некоторые промышленные воды, содержащие кислоты или щелочи, разрушают цемент канализационных устройств. Перед спуском в канализацию эти воды должны быть нейтрализованы
Фекальные воды и цемент
В принципе фекальные воды не разрушают цемент. Однако, когда метантэнки плохо вентилируются, от брожения может образоваться сероводород, который разрушает цемент.
Косвенное увлажнение
Конденсация водяного пара на внутренних поверхностях стен
Если зимой температура внутренней поверхности наружной стены или плоской крыши опускается ниже точки росы внутреннего воздуха, на внутренних поверхностях стен конденсируется водяной пар. Разность между температурой внутреннего воздуха и температурой точки росы тем меньше, чем больше содержится водяного пара в воздухе.
Зимой в холодную погоду попадание в помещения водяного пара с наружным воздухом при вентиляции незначительно и не превышает 4 г на 1 кг сухого воздуха. Обычно содержание водяного пара в воздухе помещения намного выше и может достигать 12 г на 1 кг сухого воздуха.
Дополнительное увлажнение происходит от сжигания газа в кухонной плите, кипения кастрюль на кухне, сушки белья в ванных комнатах и дыхания проживающих.
Больше всего страдает от конденсации гипсовая штукатурка. На окраске часто появляются полосы плесени.
Вот некоторые советы, которые могут быть полезными:
— рекомендуется вентилировать соответствующим образом влажные помещения (кухни, ванные комнаты);
— хорошо отапливать помещения зимой;
— обеспечивать достаточной теплоизоляцией (лучше излишней, чем недостаточной) наружные ограждения (стены, плоские крыши).
Нитрификация извести и гипса
Старение их происходит от образования азотных солей в извести и штукатурке в результате сложного химического процесса. Нитрифицирующие бактерии обладают способностью извлекать из воздуха аммиак и отдавать его для образования селитры калию, содержащемуся в некоторых материалах. Эта гигроскопическая селитра абсорбирует воду из воздуха при температурах выше точки росы.
Принято рассматривать газообразный аммиак как постороннюю примесь в воздухе; однако такой аммиак всегда присутствует в воздухе, и его содержание колеблется от 1 до 6 мг на 1 м3 одинаково в городской и сельской местности. В городе он возникает при сгорании угля и при некоторых других производственных процессах. В сельских местностях газообразный аммиак выделяется при брожении органических веществ, в особенности при брожении навоза.
Известь, которая подвергается разрушению на наружных поверхностях стен, чаще всего бывает расщепленной (пушонка). Соединенный с гранулами извести цемент также подвержен разрушению. Он растворяется дождевыми водами. Гранулы превращаются в пыль. Это воздействие происходит медленно (в течение десятков лет). См. по этому поводу труды Кауфмана и статьи Абдона.
Гипсовая штукатурка внутри зданий также подвержена подобным вредным воздействиям. Когда она заражена, она больше не просыхает даже в очень сухое лето и при интенсивном отоплении зимой.
Против нитрифицирующих бактерий целесообразно применять антисептики. Не рекомендуется использовать для фасадов слишком измельченную известь, особенно во влажном климате. Штукатурку внутри помещений защищают соответствующими окрасками.
Потемнение дымовых труб
При недостаточной теплоизоляции дымового канала на его внутренних поверхностях может конденсироваться водяной пар из дыма. Если ограждения выполнены из пористых материалов, на наружной поверхности дымового канала появляются коричневые пятна. Дымовые каналы следует устраивать без излишней бережливости.
Физико-химические агрессивные воздействия
Минералы и серная кислота воздуха
Разрушение известняковых фасадных камней приписывали раньше действию сернистого пара, который встречается как примесь в городском воздухе и происходит от сжигания некоторых видов угля и мазута. Кауфман показал, что под их влиянием некоторые твердые пластинки осыпаются на фасадах. Бельгиец Камерман изучил эту проблему, исследовав большое количество известняковых камней на французских кладбищах поблизости от городов. Нельзя еще делать окончательного вывода о пагубном воздействии сернистых испарений. Нельзя также с уверенностью признавать их разрушительное воздействие на известняковые фасады.
Химическая нестойкость некоторых цементов
Некоторые монолитные бетоны подвергаются интенсивному расширению через десяток лет после их укладки. Шателье предложил для исследования этого явления стрелочный дилатометр. Бельгиец Блондисс оспаривал результаты этого опыта и испытал образцы в автоклаве под давлением пара при температуре 215 °С. Тонкость помола благоприятствует стойкости цемента во времени. Р. Л‘Эрмитт, директор лаборатории по ул. Брансьон в Париже, продолжил исследования в этой области. Заметим, что такие разрушения от расширения происходят очень редко.
Высолы на кирпичных фасадах
В отдельных случаях на кирпичных наружных стенах, сложенных на некоторых растворах, появляются высолы в виде белых дорожек. Это портит только внешний вид, прочность стен не нарушается. Иногда •высолы устраняются сухой очисткой.
Загрязнение фасадов
Загрязнение фасадов происходит в городах, главным образом в промышленных. Его причиной служит угольная пыль. Страдает при этом только внешний вид, а прочность сооружения не затрагивается. Разумеется, можно восстановить первоначальный вид фасадов, периодически осуществляя их перетирку или очистку, но некоторые материалы очень мало чувствительны к угольной пыли, например прочный естественный камень, фаянсовые или керамические облицовки.
Не следует смешивать загрязнение фасадов с их потемнением, приобретаемым со временем, что часто улучшает их внешний вид.
В некоторых городах пользуются усовершенствованным топливом, которое сгорает без остатка и образования угольной пыли. Таким образом этот недостаток уменьшается.
Теплота схватывания некоторых цементов
Летом схватывание цемента нарушается сильной жарой. Бетон защищают от солнца во время схватывания с помощью влажных соломенных матов.
Повреждения, причиняемые растениями и птицами
Растения на выступающих карнизах
Процесс возникновения этих растений сложен. На начальной стадии этого процесса появляются микроорганизмы, на второй — лишайник, на третьей —мох. Последний собирает пыль из воздуха. Именно в этой массе прорастают семена растения (иногда дикий левкой). Ветер и птицы — разносчики семян и спор.
Голубиный помет
Выступы фасадов загрязняются, а иногда повреждаются и даже обрушиваются от голубиного помета. Выступающие пояса фасадов предпочтительно защищать цинком.
О старении древесины
Враги дерева, имеющего органическое происхождение, также принадлежат к органическому миру. Таковы домовые грибы и насекомые— древоточцы. Необходимо учитывать также механическое старение.
Домовые грибы
О разрушении древесины грибами
Гниение древесных клеток происходит от ферментов, выделяемых грибами. Основные продукты гниения — углекислый газ и вода. Установлены два вида гнили: волокнистая (коррозионная) и деструктивная.
Волокнистая (коррозионная) гниль
Волокнистая гниль разрушает лигнин, т. е. связующее вещество между волокнами древесины. Оптимальная температура поражения находится в пределах между 25° и 35°. При температуре выше 40 °С гриб больше не развивается, а при температуре выше 60° или 65 °С погибает.
Для того чтдбы гриб мог развиваться, влажность Должна быть выше 22%. Иногда требуется процент влажности древесины выше 30. Зараженная древесина сама себя обеспечивает необходимой для дальнейшего гниения водой. Для начала гниения надо чтобы была застойность воздуха и существовало постороннее увлажнение. Древесина, находящаяся на открытом воздухе, если она хорошо защищена от дождя, не подвергается заражению.
Деструктивная гниль
Деструктивная гниль поражает целлюлозу (волокна) древесины. Виновником этого повреждения служит поражающий деревянные конструкции гриб Меру‘лиус (Merulius lacrymans); менее взыскательный к влажности, он развивается при влажности древесины ниже 22% и активен уже при 10 °С. Оптимальная температура поражения находится близ 23 °С. Поражение древесины происходит главным образом от гриба Мерулиуса. Распространяется он вьющимися разветвлениями гифами. Само пораженное место снабжает себя водой для гниения. Пораженная древесина всегда влажна, даже если воздух сух. Мерулиус называют также подвальным грибом.
Классификация древесных пород по стойкости к поражению грибом
В статье Жаккио в «Монитор де траво пюблик» от 9 июля 1960 г. под названием «Естественная долговечность древесины» приведена следующая классификация древесины по ее стойкости и поражению грибом.
Породы древесины, находящейся в контакте с почвой
1-я категория — африканская лифира, дина, макоре, габонский терокарпус (долговечные);
2-я категория — дуб, каштан, акация, адум, билинга, ниове, дягиль серый и красный (достаточно долговечные);
3-я категория — сосна, пихта, ель, лиственница, вяз, фруктовые деревья, тополь, бук (мало долговечные).
Породы древесины, находящейся на воздухе, без контакта с почвой
Долговечные—1-й и 2-й указанных выше категорий: достаточно долговечные—корабельная сосна, питшпэн; мало долговечные — указанной выше 3-й категории
Породы древесины внутри помещений без контакта с почвой
Очень долговечные — 1-й и 2-й указанных выше категорий; долговечные—лиственница, различные породы сосны; достаточно стойкие •— вяз; мало стойкие — ель, бук, все породы белой древесины
Принимаемые меры предосторожности
Сухая древесина на открытом воздухе, защищенная от дождя, не поражается, если влажность древесины не превышает 22%.
Вот некоторые обычные меры предосторожности:
— необходимо избегать закупорки древесины (заделанные в кладку концы балок, покрытый линолеумом или резиновым ковром пол);
— следует вентилировать пространства между балками, потолком и полом;
— надо употреблять в дело древесину, просушенную в сушильных камерах;
— нельзя допускать совместного хранения в мастерских деревянных частей из разобранных зданий и новых деревянных конструкций и столярных изделий;
— обрабатывать древесину надо антисептиками должного качества1.
Насекомые, древесные жуки
Поражение древесины различными скрытыми насекомыми отличается от поражения термитами. Оно заключается в том, что эти насекомые прогрызают древесину с выделением ферментов или без него.
Поражение различными насекомыми (кроме термитов и моллюсков-древоточцев)
Домовый жук-дровосек. Личинка поражает хвойные породы, иногда тополь и заболонь дуба.
.Личинка не поражает ни хвойных пород, ни бука, ни тополя. Зато она поражает заболонь дуба (полы из нее — низкого качества), как и некоторые тропические породы. Жаккио в «Монитор де траво пюблик» от 9 июля 1960 г. указывает на стойкие породы: икко-ри, самба, лимбо, иломба.
Жуки-точильщики. Личинка причиняет вред древесным породам, уже пораженным грибом.
Анобиум стриавум. Поражает тополь.
Поражение термитами
Взрослые термиты поражают древесину. Они живут и размножаются вне здания в заглубленных или построенных в толще почвы гнездах. Они проникают в сердцевину, не трогая поверхности конструкций. Жаккио предлагает следующую классификацию:
— непоражаемая древесина — бубиида, дуссье, брассовая пальма, африканская лифира, габонский терокарпус, широколистная клайпедокса, ниове, бете, ланда, коула, вакапу, инсти, асамела, макоре, вап, кашак;
— достаточно стойкая древесина — тековое дерево, ироко, анжук;
— поражаемая древесина породы умеренных районов; тем не менее более стойкие дуб и каштан.
Борьба с термитами часто заключается в разрушении гнезд, расположенных вблизи зданий.
Поражение моллюсками-древоточцами
Древоточцы поражают древесину, погруженную в воду. Следовательно, подобные случаи очень редко встречаются в зданиях.
Профилактическая обработка древесины
Байи предлагает следующие защитные меры:
— защита не очищенных от коры и свежеспиленных деревьев с помощью инсектисидов и антисептиков;
— защита законченных деревянных конструкций и полуфабрикатов с помощью различных инсектисидов, имеющих технический паспорт;
— профилактическая обработка дубювого паркета с заболонью или без нее холодной или поочередно горячей и холодной пропиткой инсек-тисидами. Последний метод пригоден для свежеспиленного леса;
— вакуумная (или под давлением) пропитка деревянных конструкций (метод, аналогичный применяемому для железнодорожных шпал);
— замачивание свежих листов фанерной обшивки в смеси буры и борной кислоты, профилактическая проклейка с добавкой антисептиков или клеевая окраска.
Эффективная профилактическая обработка может быть осуществлена только специализированными предприятиями.
Механическое старение деревянных конструкций
Деревянные конструкции имеют тенденцию к раскалыванию в направлении волокон под воздействием усыхания и напряжений. У старых конструкций этот недостаток чисто внешний. Будучи в большинстве случаев массивными, они не страдают от этих трещин.
Отметим, что низкосортная древесина имеет тенденцию к растрескиванию. Сосновые балки плохого качества с шумом трескаются в течение многих лет после ввода здания в эксплуатацию. Если этот шум происходит ночью, он прерывает сон. Древесина, распиленная на брусья, менее подвержена растрескиванию, чем древесина, распиленная на доски.
О старении металлов
Способ поражения металлов в основном близок к электролизу: имеются в наличии анод (поражаемый металл), катод и электролит. Имеется электрический ток, зависящий от системы анод — катод.
Некоторые металлы, как золото и никель, нечувствительны к любому поражению. Нас интересуют только металлы, применяемые в строительстве: черные металлы, медь, цинк, свинец, алюминий и его сплавы, нержавеющая сталь и т. д.
Их отношение к поражению не всегда одинаково: одни из них покрываются защитной оксидной пленкой, другие не защищаются. Последние подвержены поражению до полного разрушения. Это — черные металлы, кроме нержавеющих. Все другие, за некоторым исключением, защищены от окисления.
Мы исследуем эту проблему со следующих точек зрения: металлы на воздухе, металлы, заглубленные в землю, и металлы, погруженные в жидкость.
Поражение металлов, находящихся на открытом воздухе
Известно, что электролит может быть газообразным и жидким. Электролит в форме жидкости активнее газообразного. В воздухе кислоты электролита присутствуют в основном во взвешенном состоянии (кроме кислорода и азота). В городах это главным образом серная кислота, образующаяся при бытовом и промышленном сжигании топлива (угля и мазута), содержащего серу. Сернистый ангидрид продуктов сгорания в контакте с воздухом и водяным паром превращается в сернистую и серную кислоты. К ним иногда может примешиваться углекислота. В сельской местности образуются уксусная кислота при сжигании дров и аммиак, источниками которого являются навозные канавы. Эти различные газы действуют часто в виде растворов в дождевой или сконденсированной воде.
Катод может иметь различную природу:
а) контакт двух различных металлов;
б) неоднородную структуру металла (например, в слое прокатной стали);
в) контакт металла с известью или цементом;
г) контакт с угольной пылью из дыма, скапливающейся, в частности, на крыше.
Рассмотрим последовательно случаи поражения черных и цветных металлов.
Черные металлы (за исключением нержавеющей стали)
Поражение этих металлов происходит по-разному в зависимости от того, защищены они от дождя или нет.
Конструкции, не защищенные от дождя
Дождевая вода может собираться непосредственно в местах сопряжений конструктивных элементов. Конструкция меньше повреждается, если эти сопряжения плотные, и вода не проникает в зазоры между сопрягаемыми элементами. Если вода в них просачивается, образуется ржавчина, которая набухает и разрывает сопряжение. Все зазоры в соединениях конструкции, защищенные от дождя. Для металлического каркаса су-рукции в этом не нуждаются. Разумеется, расположенные под дождем конструкции должны иметь более эффективную защитную окраску, чем конструкции защищенные от дождя. Для металлического каркаса существует минимальная толщина элементов (приблизительно 4 мм), за пределами которой долговечность конструкции не может быть гарантирована.
Волнистые и плоские кровли и решетки, расположенные на воздухе, должны быть гальванизированы (оцинкованы) в горячем состоянии.
Нормы предусматривают специальные мероприятия, касающиеся болтов и заклепок, когда конструкции находятся в благоприятствующей окислению атмосфере.
Защищенные конструкции
Черные металлы (за исключением нержавеющих) не обладают самозащитными свойствами. Обычно их следует защищать антикоррозионной окраской. Для эффективности окраски окрашиваемые поверхности металла надо тщательно очистить, а при необходимости и огрунтовать (снять слой так называемой окалины).
Считается, что нужны по меньшей мере три слоя окраски, чтобы получить достаточную защиту. Эта окраска периодически обновляется.
Первый слой имеет физико-химическое так называемое «пассивное» воздействие. Часто в его состав входит свинец, хром, иногда цинк. Используют также ингибиторы (тормозящие коррозию) на основе фосфата и натрия.
Второй слой дополняет предыдущий. Кроме того, благодаря своей толщине он будет основной защитой.
Третий слой обеспечивает окончательную отделку.
Используют также асфальтовые окраски с алюминиевым по-рошком.
Ниже мы приводим некоторые практические советы, позаимствованные из бельгийского журнала «Сталь» за февраль 1959 г.:
— окраска на льняном масле и свинцовом сурике служит от 4 до 10 лет;
— окраска на льняном масле и железном сурике в два слоя служит приблизительно 1,5 года;
— отделочный слой увеличивает долговечность;
— синтетические смолы оказались по качеству ниже традиционной масляной свинцовой окраски;
— битумные окраски и окраски из хлорированного каучука и виниловых смол долговечнее, чем масляные окраски;
— окраски на основе смесей хромистого цинка и окиси титана с асбестом или без него (с минимальной добавкой сурика железного, свинцового и т. д.) отличаются хорошим качеством;
— менее благоприятные результаты дают пигменты на основе цинкового порошка.
Для металлических конструкций следовало бы предусматривать менее уязвимые черные металлы. О применении дорогостоящей нержавеющей стали не может быть и речи. Можно лишь мечтать о стали, покрытой медью. Конструкции из алюминия и дюралюминия пока остаются слишком дорогими.
Сталь, заделанная в бетон или каменную кладку
Бетон защищает стальную-арматуру в железобетоне. Для конструкций, находящихся под открытым небом, эта защита достаточна, если бетон не содержит магнезиального цемента. Такая защита менее эффективна для не защищенных от дождя конструкций. Сухость воздуха и использование стали, работающей при очень высоких напряжениях (2400 кГ/см2), вызывают появление мельчайших трещин. В эти трещины могут проникать дождевые воды и достигать металла, который будет поражаться. Вибрированный бетон менее чувствителен, чем бетон ручного изготовления.
Когда конструкции могут находиться под дождем, нормы проектирования железобетона предписывают устройство более мощного защитного слоя бетона для арматуры, чем для защищенных конструкций. Непроницаемость этих элементов улучшают, оштукатуривая их цементным раствором или асфальтовыми материалами.
Предварительно напряженный бетон не представляет никакой опасности в этом отношении.
Металл, заделанный частично в каменную кладку (например, заделанные решетки), поражается непосредственно у «воротничка» (там, где полоса заделана в каменную кладку). Если сечение полосы достаточно (например, квадрат 20×20 мм), необходимо более 100 лет для того, чтобы металл проржавел глубоко.
Мы уже указывали на коррозию металла, погруженного в шлакобетон или шлаковый раствор. В отношении доменных шлаков следует убедиться, не обладают ли они вредными свойствами. Добавки в бетон зимой хлористого кальция против замерзания могут способствовать поражению заделанной в этот бетон арматуры.
Цветные металлы
Цинк, свинец, медь, алюминий, нержавеющая сталь способны в результате первого поражения покрываться тонкой поверхностной пленкой самозащиты. Но бывают случаи, когда такой самозащиты недостаточно. Это касается цинковой кровли в городе: электролиз на ней не прекращается со временем. Электролит содержится в дождевой воде, которая сорбирует серную кислоту, находящуюся в воздухе. Катодом служит угольная пыль, которая накопилась из дыма. Если бы не эта пыль, поражение шло бы намного медленнее. Кровля из цинка № 14 в городах поражается за 25 лет. В сельской местности цинк № 12 почти не поражается за 60 лет.
Аналогичное явление может происходить с алюминием, имеющим слой самозащиты очень малой толщины (от 1/100 до 1/10 мк). Его можно соответственно увеличить с помощью электрохимического процесса, называемого анодной защитой. Этот метод мало используется в строительстве, за исключением некоторых конструкций промышленных зданий.
Алюминиевые крыши боятся щелочных испарений. Дюралюминий из-за своих примесей более уязвим, чем алюминий.
Необходимо избегать контакта медь — алюминий.
Свинец в основном хорошо сохраняется вне зданий. Кровли из этого материала сохраняются несколько столетий.
Замечания, о некоторых разрушительных факторах для незаглубленных металлов
Серные пары в воздухе
Серные пары в воздухе происходят от сгорания серы, содержащейся в некоторых углях и мазутах. Эти пары создают электролит, поражающий металлы. Среднее содержание серы в угле около 1%, но в некоторых сортах плохого угля ее имеется до 5 или 6%. Для крупных городов новые нормы ограничивают содержание серы в используемых углях.
Приведем некоторые цифры.
Поражение металлов серной кислотой воздуха сильнее во влажных районах, чем в сухих; более значительно на побережье Ла-Манша, чем на побережье Средиземного моря; особенно сильно в промышленных городах.
А. Аш привел график, показывающий эту характеристику. Мы его воспроизводим.
Угольная пыль в воздухеУгольная пыль создает катод при электролизе цинковых крыш в городах. Она загрязняет фасады. В Париже обнаружено годовое выпадение этой пыли порядка 148 г/ж2, из них 21,6 г/м2 в августе. Диаметр частиц, которые ее составляют, превышает 50 мк. Она может содержать серные пары. Однако вредное воздействие этих частиц (поражение цинковых кровель) ограничено участками вокруг отдельных дымовых труб.
Героди рассматривает четыре разновидности дымовой сажи: хлопковидная (пушистая), коксовая, песковидная и клейкая.
Магнезиальные цементы
Жидкий раствор магнезиальных цементов поражает металлы либо в непосредственном контакте, либо через защитный слой бетона. Следует предусматривать специальную защиту (в основном асфальт).
Морская водяная пыль
На морском побережье вредны брызги морской воды. Их разрушающее действие такое же, как и морской воды. Этот вред более заметен на побережье Ла-Манша, чем на берегах Средиземного моря.
Поражение заглубленных металлов
Поражение, которому подвергаются заглубленные металлы, более значительно во влажных почвах, чем в сухих. Заметим, что известковые и песчаные почвы сухи, в то время как глинистые почвы на поверхности влажны (содержат, особенно зимой, слой верховодки).
Назовем некоторые факторы, вызывающие поражение металлов: серные или устойчиво жесткие воды (они встречаются в гипсовых почвах) очень пресные воды, или воды, содержащие раствор углекислого газа (встречаются только в отдельных районах); некоторые сернистые отвалы; некоторые горные породы; блуждающие токи, часто встречающиеся в городах; некоторые микроорганизмы почвы.
Используемые для подземной канализации черные металлы (сталь и чугун) должны иметь усиленную защиту — асфальтовую, или дополненную джутом. Для подземных водопроводов используют также гальванизированную сталь.
Пластмассовые трубы менее чувствительны к коррозии, но зато имеют более низкую механическую прочность.
В принципе арматура, заделанная в бетон, защищена тем же бетоном. Когда арматурная сталь работает при высоких напряжениях (2400 кГ/см2), могут образоваться волосные трещины в бетоне, и сталь уже не будет соответствующим образом защищена. Если почва влажная или имеются устойчиво жесткие воды, предпочтительно использовать мягкую сталь с допускаемым напряжением 1200 кГ/см2 и увеличивать для арматуры защитный слой бетона (например, до 4—5 см).
Поражение металлов, погруженных в воду или имеющих контакт с водой
В строительстве в основном мало используются металлы, имеющие непосредственный ксщтакт с водой. Тем не менее в подобном случае к уже указанным факторам, вызывающим поражение металлов, необходимо добавить: засоренность, агрессивность, фауну и флору воды. Рассмотрим различные особенности влияния этих факторов
Стальные трубопроводы. Именно растворенный в воде воздух поражает металл. Для водопроводов горячей и холодной воды необходимо использовать гальванизированные трубы.
Трубопроводы центрального отопления могут быть выполнены из черных металлов, так как растворенный в воде воздух быстро исчезает. Резервуары из листовой стали для воды должны быть окрашены как снаружи, так и изнутри.
Чугунные трубопроводы. Чугунные трубопроводы под давлением или стояки в жилых зданиях не получают специальной защиты. Их можно окрасить.
Свинцовые и медные трубопроводы. Свинцовые и медные трубопроводы для холодной и горячей воды не нуждаются в специальной защите. Тем не менее, когда вода содержит агрессивные примеси, необходимо избегать применения этих труб.
Цинковые резервуары для воды. Цинковые резервуары, за редким исключением, надежны и долговечны. Нужно избегать их применения при агрессивных водах.
Железобетонные резервуары. Укладываемая в стенки железобетонных резервуаров арматура нуждается в хорошей защите.
Необходимо знать некоторые обычные меры предосторожности и следует:
— предпочтительно использовать вибрированный при бетонировании бетон;
— увеличивать для арматуры защитный слой бетона;
— уменьшать рабочее напряжение растянутой арматуры, заботиться о соответствующем армировании углов, чтобы предупредить появление местных трещин (арматура круглых резервуаров сопротивляется коррозии лучше, чем квадратных и прямоугольных); применять водонепроницаемый бетон;
— добавлять специальную, непроницаемую в контакте с водой облицовку; при агрессивных водах использовать специальные цементы.
Старение различных материалов
Некоторые из этих материалов новые для строительства, другие применяются давно. Мы будем говорить, в частности, о следующих: а) асфальты; б) пластмассы;в) окраски; г) обои и ткани.
Чаще всего это материалы второстепенных конструктивных элементов. Мы скажем несколько слов о каждом из них.
Асфальты
Физико-химический состав асфальтовых продуктов со временем может изменяться. Когда их применяют для обеспечения водонепроницаемости плоских крыш, они сильно страдают от радиационного тепла, и составные части асфальтов медленно испаряются. Освещенная солнцем поверхность может сильно нагреваться. Температуру ее значительно понижают, защищая кровлю слоем песка или гравия. Испарение составных частей асфальта уменьшают, покрывая кровлю тонким слоем алюминия на асфальтовом лаке.
Применяемый для гидроизоляции фундаментов асфальт не подвергается таким воздействиям (если он не соприкасается с помещениями котельных).
Можно ознакомиться с документацией (Пуарсон, Варлан). Дибриссай указывает, что желтый свет влияет на асфальтовые материалы сильнее, чем ультрафиолетовые лучи.
Пластмассы
Пластмассы все чаще и чаще применяются в строительстве: из них изготовляются надземные и подземные трубопроводы, покрытия полов, прозрачные кровельные материалы, дверные ручки, санитарно-техниче-ские приборы и т. д.
Пластмассы оказались долговечными. Пластмассовые трубопроводы лучше, чем металлические, сохраняются при некоторых водах (устойчиво жестких, агрессивных). Асбестоцементные трубы, служащие для эвакуации использованных вод, отделывают внутри слоем пластмассы. Зато пластмассовые трубы более хрупки, а иногда размягчаются от тепла.
Существуют два проекта норм для этих материалов.
Метод испытания на долговечность составляющих (твердые полимеры и жидкие пластификаторы) под воздействием микроорганизмов.
Защита пластических материалов, методы испытаний их сопротивляемости микроорганизмам. В этом проекте излагаются следующие условия испытания на искусственное старение: сухой воздух — до 60° С в течение 16 ч, ультрафиолетовое облучение — 6 ч, дистиллированная вода — при 45° С в течение 16 ч, смачивание проточной водой —2 ч, сушка в вентилируемой сушилке — при 60° С. Опыт повторяется четыре раза.
Окраски
С точки зрения долговечности эта проблема рассматривается по-разному для наружных и внутренних окрасок.
Наружные окраски
Наружные окраски в основном служат для защиты покрытых ими конструкций, но сами они подвержены воздействию многочисленных
разрушающих факторов. Назовем некоторые из них:
— чередование увлажнения и высыхания;
— сезонные колебания температур; высокие температуры поверхности вследствие солнечного излучения; ультрафиолетовые лучи; примеси в воздухе (серные пары, аммиак и т. д.), дым, микроорганизмы.
Известны в основном следующие случаи старения: изменение размеров, уменьшение (трещины) или, наоборот, расширение (выпуклости), испарение летучих составляющих (высыхание, сухая пыль и т.д.), отклеивание от основания (отслоения и т.д.), обесцвечивание (в частности, под действием ультрафиолетовых лучей; красящие вещества к ним очень чувствительны; в продаже бывают краски, стойкие по отношению к солнечным лучам), загрязнение от угольной пыли и дыма, химические видоизменения по различным причинам (нестойкость краски) или поражение вредными примесями воздуха, в частности в промышленных городах, взаимодействие с основанием (например, цемента с масляной окраской).
Практически, только испытывая образец вне помещения (в различной среде) в течение нескольких лет, можно установить степень его изменений.
Внутренние окраски
Следует рассматривать, с одной стороны, помещения с выделением водяного пара (кухни и ванные) и, с другой стороны, помещения без выделения водяного пара (общие комнаты, спальни).
В сухих помещениях долговечность окраски не подвергается опасности. Внешний вид может изменяться, но окраска возобновляется чаще всего в результате изменения моды. В углах стен плохо отапливаемых помещений появляются пятна плесени.
В помещениях с конденсатом, в частности в кухнях, стены и потолки быстро загрязняются под воздействием дыма и жирного (от приготовления пищи) водяного пара. Окраску следует периодически (один раз в год) смывать и каждые 5 или 10 лет возобновлять (по, крайней мере отделочный слой). Выгодно выбирать особенно стойкие краски.
Обои и ткани
Если помещение не влажное, если нет ни косого дождя, ни поднимающихся по стенам грунтовых вод, ни нитрифицирующих бактерий, ни конденсата и т. д., обои и ткани страдают только от выцветания, происходящего, главным образом, от дневного света и, в частности, от ультрафиолетовых солнечных лучей.
Заключение к разделу о старении материалов
Борьба с разрушающими факторами подобна настоящей стратегии.
Перечислим некоторые средства защиты:
— создание опоры (окраска, гальванизация);
— «отвод объекта из-под удара» (защита от дождя, борьба против случайной утечки воды в здании и т. д.);
— использование способности некоторых материалов к самозащите (цинк, свинец, медь, алюминий);
— осуществление «отвлекающего маневра» (электроосмос, катодная защита) ;
— «контратака» против агрессивных факторов (антисептики, инсектициды, разрушение гнезд термитов);
— «уплата выкупа агрессору» (катодная защита);
— устранение несовместимых сочетаний (не располагать в контакте медь и алюминий);
— выбор неуязвимых материалов (керамика, нержавеющая сталь);
— видоизменение климатических условий местности (обезлесение или лесонасаждение в зависимости от условий, борьба с заводским дымом, переход на топливо с меньшим содержанием серы).
Мы видели, что среди климатических условий, воздействующих на старение материалов, влажность воздуха играет важнейшую роль, в частности, из-за плохой морозостойкости некоторых материалов, поражения некоторых материалов нитрифицирующими бактериями, коррозии черных и других металлов.
В конце концов влажность воздуха — только посредник, главными факторами разрушения являются повторное замерзание для некоторых материалов, серные испарения в воздухе для металлов, микроорганизмы для древесины, нитрифицирующие бактерии для некоторых минералов.
Если эти факторы, ускоряющие разрушения, отсутствуют, старение ослабевает или совсем прекращается.
Старение материалов принадлежит к области патологии. Каждый случай старения — частный. Каждый разрушающий фактор — специфический для данного вида старения. Таким образом, трудно сделать широкое обобщение, как в области «физиологии».
Несмотря на приобретенные познания, мы располагаем еще далеко не всеми научными данными, позволяющими надежным образом обеспечить долговечность зданий. Традиционные здания построены с учетом векового опыта, почти наверняка обеспечивающего определенную долговечность здания. Применяя новые материалы, иногда можно пользоваться накопившимся опытом, но чаще приходится действовать вслепую. В строительстве будет осуществлен значительный прогресс, когда будут решены проблемы, связанные с условиями долговечности зданий.
В настоящее время невозможно рассчитать вероятную долговечность здания. В крайнем случае ее определяют с учетом состояния существующих сооружений. Впрочем она может быть соответственно увеличена периодическими ремонтами. Короче говоря, для долговечности здания достаточно непроницаемой крыши.
Процесс старения материалов протекает в основном довольно медленно. Его результаты проявляются в длительные сроки, исчисляемые десятками лет.
Экология человека - Условия сопротивления износу (старению)
Остались вопросы по теме - "Условия сопротивления износу (старению)", задайте их на