Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. ВОЗДЕЙСТВИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ НА МАТЕРИАЛЫ КОНСТРУКЦИЙ И ОТДЕЛКИ ФАСАДОВ ЗДАНИЙ В ПРОЦЕССЕ ИХ ЭКСПЛУАТАЦИИ 11
1.1. Автомобильные выбросы и их воздействие на материалы конструкций и отделки фасадов зданий 21
1.1.1. Разрушение природного камня, применяемого в строительстве 22
1.1.2. Разрушение окрасочного покрытия и штукатурного слоя фасадов зданий
1.1.3. Коррозия металлических конструкций зданий 24
1.2. Воздействие кислотных дождей и туманов на материалы конструкций и отделки фасадов зданий
1.3. Взвешенные частицы и их разрушающее воздействие 31
1.4. Изменение климатических условий на планете 34
36
1.5. Влияние агрессивной водной среды на эксплуатационные свойства материалов конструкций и отделки фасадов зданий ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 1 39
ГЛАВА 2. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСЛЕДОВАНИЯ КОНСТРУКЦИЙ И ОТДЕЛКИ ФАСАДОВ ЗДАНИЙ, РАСПОЛОЖЕННЫХ ВДОЛЬ АВТОМАГИСТРАЛЕЙ, В РАЗЛИЧНЫХ АДМИНИСТРАТИВНЫХ ОКРУГАХ Г. МОСКВЫ 45
2.1. Основные положения методики обследования 41
2.2. Уровень загрязнения атмосферы автомобильными выбросами по Административным округам г. Москвы
2.3. Влияние месторасположения здания на степень воздействия на него автомобильных выбросов
2.3.1. Распространение автомобильных выбросов в пространстве
2.3.2. Особенности климатических условий в г. Москве 68
2.3.3. Влияние наличия зеленых насаждений между автомагистралью и зданиями на концентрацию загрязняющих веществ
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 2 75
ГЛАВА 3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ КОНСТРУКЦИЙ И ОТДЕЛКИ ФАСАДОВ ЗДАНИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ВЫХЛОПНЫХ ГАЗОВ АВТОМОБИЛЕЙ
3.1. Разрушение бетона, цементного камня 77
3.1.1. Коррозия бетона при наличии испаряющейся поверхности
3.2. Влияние выхлопных газов автомобилей на разрушение природных каменных материалов
3.3. Разрушающее воздействие солей, используемых для борьбы со снегом и гололедом на дорогах, на материал строительных конструкций 88
3.3.1. Распределение в материале конструкций мигрирующих из грунта солей
3.3.2. Влияние вида солей на развитие коррозии в строительных материалах
3.3.3. Накопление в строительном материале солей 95
3.4. Проницаемость отделки фасадов при воздействии выхлопных газов автомобилей
3.4.1. Перенос газов и жидкостей через лакокрасочные покрытия фасадов зданий 106
3.4.2. Факторы, влияющие на проницаемость и разрушение пленочного покрытия
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 3 108
ГЛАВА 4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССА РАЗРУШЕНИЯ ШТУКАТУРКИ И ОКРАСКИ ФАСАДОВ ЗДАНИЙ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ
АВТОМОБИЛЬНЫХ ВЫБРОСОВ 111
4.1. Разрушение штукатурного слоя фасадов под воздействием солевых составов 112
4.2. Лабораторные исследования образцов раствора на водопоглощение в водном растворе 114
4.3. Исследование коррозионной стойкости образцов в растворе NaCl
4.3.1. Разрушение образцов штукатурки фасада в концентрированном растворе NaCl
118
4.3.2. Испытание прочности образцов раствора, выдержанных в солевом растворе NaCl
120
4.3.3. Дефектоскопия методом «секущих» высверленных из цокольной части фасадов образцов штукатурки 124
4.4. Прочность сцепления окрасочного слоя в зависимости от структуры и свойств подложки
ВЫВОДЫ ПО ГЛАВЕ 4 127
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО ДИССЕРТАЦИИ 129
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 131
- Автомобильные выбросы и их воздействие на материалы конструкций и отделки фасадов зданий
- Основные положения методики обследования
- Разрушающее воздействие солей, используемых для борьбы со снегом и гололедом на дорогах, на материал строительных конструкций
Введение к работе
Вопросам долговечности, надежности и безотказности в работе всех конструктивных элементов здания придают большое значение.
За длительный период эксплуатации материалы конструкций здания могут подвергаться воздействию разрушающих факторов. При этом характер и цикличность этого воздействия со временем, в зависимости от экологической опасности, могут существенно изменяться. В условиях больших городов, таких как г. Москва, к наиболее характерным разрушающим факторам можно отнести: действие на материалы строительных конструкций вредных автомобильных газов, возникающих в результате интенсивного движения автотранспорта по магистралям, расположенным рядом со зданиями; резкие температурные перепады в зимнее и летнее время года, появившиеся в течение последних десятилетий, в связи с изменением климатических условий на планете; воздействие на материалы конструкций влаги, в большинстве случаев с растворенными в ней агрессивными компонентами, которые выбрасываются заводами и автотранспортом в наземное, воздушное и водное пространства города; соляные составы, применяемые сотнями тысяч тонн в зимнее время для очистки проезжей части улиц ото льда и снега; непредвиденные деформации грунтов и другое.
Как показали исследования, скорость агрессивного воздействия окружающей среды на материалы конструкций и отделки фасадов зданий в последнее время значительно возросла. Об этом свидетельствуют многочисленные трещины, появившиеся в последнее время на фасадах зданий в г. Москве, достаточно частые обрушения конструкций и отдельных элементов, осадки зданий, отслоение облицовки и покраски фасадов, разрушение материалов кирпичных карнизов, балконов, цоколей, отмосток, коррозия кровельных материалов, гниение оконных и дверных заполнений.
В результате ухудшения экологической обстановки в городах в наиболее сложных условиях оказались кирпичные, железобетонные, каменные, металлические и деревянные конструкции зданий, находящиеся рядом с магистралями с интенсивным движением автотранспорта.
Учитывая сложную экологическую ситуацию в г. Москве, в ближайшие годы, по нашему мнению, без проведения соответствующих технических мероприятий, уменьшающих вредное воздействие окружающей среды, ожидается ухудшение состояния материалов конструкций зданий таких, как фундаменты, стены, перекрытия, кровли. Это может привести к появлению опасных трещин в этих конструкциях, обрушению отдельных участков стен, осадкам фундаментов, деформациям зданий, разрушению кровель и отделки фасадов.
Решению указанных проблем посвящена данная диссертация.
Экспериментальная часть работы была проведена в МГСУ в лабораториях «Строительные материалы» и «Испытание сооружений». Были использованы данные обследования зданий различного периода постройки, выполненные Москомприродой, кафедрой «Техническая эксплуатация зданий» МГСУ за последние десятилетия, институтами МосжилНИИпроект и Мосгоргеотрест.
Автор выражает искреннюю благодарность заведующему кафедры «Техническая эксплуатация зданий» МГСУ профессору, д. т. н. Касьянову В. Ф., научному руководителю профессору, к. т. н, Бондаренко И. Н,, преподавателям и сотрудникам кафедры за научное руководство, содействие и ценные советы, полученные в процессе работы над диссертацией.
Автор выражает благодарность за оказание практической помощи при проведении экспериментальных исследований профессору Кунину Ю. С. руководителю лаборатории «Обследование и реконструкция зданий и сооружений» кафедры «Испытания сооружений», специалистам Департамента природопользования и охраны окружающей среды г. Москвы,
преподавателям кафедры химии МГСУ, специалистам лаборатории при кафедре «Строительные материалы», профессору, д.т.и. Малашкину Ю. Н. (кафедра «Сопротивление материалов» МГСУ).
Цели и задачи исследований
Актуальность работы. Изменившиеся в последнее время климатические условия на планете, кислотные выпадения, загрязненность атмосферы городов вредными выхлопными газами автомобилей приводят к ускоренному разрушению материалов конструкций и отделки фасадов зданий. Это приводит к разрушению архитектурного облика зданий и увеличению дополнительных затрат на ремонт.
СНиП 2.01.07-85 «Нагрузки и воздействия» не учитывает влияние новых видов воздействий на материалы конструкций зданий, возникшие в последние десятилетия за счет загрязнения и возрастающей агрессивности городской среды, резкой смены температур, кислотных выпадений, загазованности приземного слоя атмосферы автомобильными выбросами, воздействия агрессивной водной среды и др. Снижение несущей способности конструкций зданий происходит не только от механических нагрузок, но, как выясняется, от агрессивного воздействия факторов окружающей среды.
Целью диссертационной работы является исследование агрессивного воздействия окружающей среды, загрязненной вредными автомобильными выбросами, и возникающих процессов разрушения материалов конструкций и отделки фасадов зданий, расположенных в примагастральных зонах городов.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи: - теоретически обосновать процессы разрушения материалов конструкций и отделки фасадов зданий, расположенных вдоль автомагистралей;
- установить зависимости процесса разрушения материалов конструкций и
отделки фасадов зданий от агрессивного воздействия окружающей среды;
- разработать мероприятия по увеличению сроков службы материалов
конструкций и отделки фасадов примагистральных зданий.
Объекты исследования: здания 1900-1990 годов постройки, расположенные в различных Административных округах г. Москвы, выполненные из кирпича, бетона с отделкой известняковыми, мраморными плитами, оштукатуренные, окрашенные различными составами, находящиеся рядом с автомагистралями с интенсивным движением транспорта.
Научная новизна. Автором впервые, на основе проведенных исследований и экологического мониторинга загрязнения окружающей среды определено влияние вредных выхлопных газов автомобилей на материалы конструкций и отделки фасадов зданий, сформулированы теоретические положения особенностей разрушения материалов конструкций и отделки фасадов зданий, расположенных вдоль автомагистралей. Разработана теоретическая модель — схема экологического воздействия среды на материалы конструкций и отделки фасадов примагистральных зданий.
Проведен мониторинг состояния конструкций зданий различного периода постройки и отделки фасадов зданий, расположенных вдоль автомагистралей в различных Административных округах г. Москвы.
Дана оценка степени разрушающего воздействия загазованного выхлопными газами автомобилей приземного слоя на разрушение материалов конструкций и отделки фасадов.
Выявлены основные компоненты выхлопных газов автомобилей, выделяемые в процессе сгорания топлива, интенсивно разрушающие строительные материалы и покрасочные составы фасадов зданий. Исследована и обобщена закономерность рассеивания автомобильных выбросов в жилой застройке по высоте зданий и по горизонтали. Установлена закономерность разрушения конструкций и отделки фасадов зданий, расположенных вдоль
автомагистралей с интенсивным движением автотранспорта в различных Административных округах г. Москвы, в зависимости от степени загрязнения приземного слоя выхлопными газами автомобилей.
Проведены лабораторные испытания в солевом растворе NaCl образцов штукатурки, высверленных из цокольной части фасадов; проведена дефектоскопия образцов — кернов штукатурного раствора.
Выявлена зависимость адгезионной прочности окрасочных покрытий с подложкой от ее состояния. Для достижения более плотного контакта окрасочного покрытия с подложкой установлен оптимальный показатель поверхностной пористости подложки. Разработаны рекомендации по подготовке поверхности фасадов зданий, расположенных в примагистральных зонах городов, под окраску.
Методы исследования. Использованы методы согласно
поставленным задачам (табл. 1). Таблица 1
Матрица методов обследования, мониторинга, диагностики
Практическая значимость, внедрение: на основе результатов исследований разработаны технические требования по подготовке поверхности фасадов здании под окраску для зданий, расположенных в примаги-
стральных зонах городов, и даны предложения по срокам службы отделочных покрытий фасадов с учетом воздействия автомобильных выбросов.
Подготовлена к печати книга «Воздействие автомобильных выбросов на материалы конструкций и отделки фасадов зданий».
Теоретические положения диссертационной работы, результаты полученных экспериментальных исследований в настоящее время используются в учебном процессе при подготовке инженеров-строителей по специальности 29.05.00 «Городское строительство и хозяйство».
Апробация работы: основные положения диссертационной работы были доложены на Всероссийском совещании специалистов ООО «Бизнес Консалтинг ЮНГ» в 2002 году.
Разработана система измерений, сбора и анализа информации об автомобильных выбросах, которая апробирована в проектно-технологической организации «Билдинг Констракшин».
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 161 наименования; содержит 143 страницы текста, включая 15 таблиц, 38 рисунков.
Публикации: по теме диссертации опубликованы 3 печатные работы.
На защиту выносятся: - теоретическое обоснование процесса разрушения материалов конструкций и отделки фасадов зданий, расположенных в примагистральных зонах города, под влиянием автомобильных выбросов;
- результаты экспериментальных исследований зависимости степени
подготовки бетонных (растворных) подложек для получения более полного
адгезионного контакта окрасочного покрытия с подложкой;
характер распределения выхлопных газов автомобилей в жилой застройке по вертикали и горизонтали;
результаты мониторинга состояния материалов конструкций и отделки фасадов примагистральных зданий.
Автомобильные выбросы и их воздействие на материалы конструкций и отделки фасадов зданий
Разрушение природного камня (гранит, мрамор, известняк и др.) в результате воздействия автомобильных выбросов связано со сложными процессами химического, физического и биологического воздействия. Происходящие в камне под воздействием различных факторов процессы приводят к изменению структуры и физико-механических свойств камня, ухудшению его внешнего вида, появлению трещин.
В первую очередь подвержены опасности разрушения фасады зданий, выполненные из песчаника, известняка, мрамора, содержащие карбонат кальция (61).
Особенно разрушительным для камня является действие диоксида серы, выбрасываемого автотранспортом в больших количествах. При контакте диоксида серы с поверхностью камня карбонат кальция превращается в сульфат. Заметим, что сульфат кальция практически не растворим в простой воде, но при взаимодействии с диоксидом серы эта реакция происходит со значительным (в 2 - 3 раза) увеличением объема материала, в результате чего поверхность камня деформируется и растрескивается. Если в трещины проникает вода, то при многократном замерзании и оттаивании происходит дальнейшее разрушение структуры камня. В связи с появлением трещин в камне, в них проникают и живут микроорганизмы: водоросли, грибы, лишайники. В ходе жизнедеятельности эти образования выделяют особые химические соединения, дополнительно разрушающие камень и изменяющие его структуру. Промышленные выбросы твердых частиц многих предприятий, тепловых станций, автомобильного транспорта, такие как сажа - адсорбируют влагу и диоксид серы, тем самым ускоряют процесс разрушения конструкций из природного камня. Средняя скорость поверхностной коррозии некоторых исторических памятников в Англии за период с 1918 по 1989 годы, особенно из-за увеличения загрязнений окружающей среды в последние годы, составила 0,078 мм/год (129).
В городах скорость разрушения мрамора, по данным С. В. Балакиревой (10), протекает со скоростью 3,5 мм за 100 лет, в сельской местности - 0,5 мм за 100 лет, т. е. в 7 раз меньше.
От кислых осадков сильно разрушаются фасады зданий и исторические памятники, выполненные из известняка, мрамора, бронзы. В первую очередь разрушаются элементы фасада, непосредственно контактирующие с кислотными осадками - это цоколь здания, карнизы, выступающие архитектурные элементы, выполненные из песчаника, известняка, мрамора, содержащие карбонат кальция. Особенно сильно разрушаются конструкции и элементы фасадов, имеющие горизонтальное или близкое к нему расположение (кровли, балконы, лоджии, подоконные сливы и др.)
Все физико-химические реакции происходят с изменением объема материала камня, при этом поверхность элементов фасада со временем растрескивается и разрушается. В трещины проникает вода с растворенными в ней вредными веществами, при многократном замерзании и оттаивании происходит дальнейшее разрушение структуры материала.
Опыт эксплуатации фасадов зданий, расположенных вдоль автомагистралей, показал, что современные окрасочные покрытия достаточно проницаемы для влаги и особенно автомобильных газов. При взаимодействии газов и материала покрытия происходят гидролитические и окислительные реакции в покрытии, которые могут изменить защитные свойства покрытия. На процесс разрушение красок фасадов существенное влияние оказывают диоксиды серы и азота. Диоксид серы осуществляет замедляющее воздействие на процесс высыхания масляных красок и, поэтому, увеличение продолжительности процесса окисления — полимеризации. При действии серной кислоты, образованной из диоксида серы, выделяемой автотранспортом, на органические полимеры происходит расщепление полиамидов, целлюлозы, полиэфиров и других веществ, в результате ускоряется процессы разрушения и старения материала покрытия. Связывание полимеров диоксид серы вызывает разложение поли изопрена и полибутадиена. Установлено, что при совместном действии диоксида серы, УФ-излучения и кислорода воздуха происходит так называемая сшивка молекул полиэтилена (100%), полипропилена (75%) и полиамида. Разрывается цепная связь полистирола (47).
Полиакрилонитрил и поливинилхлорид (ПВХ), входящие в состав красок, устойчивы к действию диоксида серы, но при воздействии на ПВХ диоксида серы и УФ-излучения образуется соляная кислота (47).
При воздействии кислотных дождей и туманов на окрасочные покрытия фасадов происходит выщелачивание и химические реакции катионов водорода с наполнителями основного характера (тальк, каолин, барит и другие). В результате нарушения композиционного состава красок ускоряется вымывание пластификаторов и ингибиторов, уменьшается эластичность покрытия, оно легко растрескивается, наблюдается эрозия краски локального характера. Экспериментально установлено (129) ускорение вымывания кислотными дождями наполнителей краски на фасадах, которые постоянно подвергаются воздействию выхлопных газов автомобилей и ультрафиолетового излучения.
Основные положения методики обследования
Исходя из актуальности проблемы о состоянии конструкций и фасадов зданий, расположенных вдоль автомобильных магистралей, и возможности их дальнейшей эксплуатации, был проведен мониторинг состояния фасадов зданий, построенных в 1930 - 1990 г. г. в различных Административных округах г. Москвы. Для получения достоверных данных были обследованы фасады более чем 400 зданий, расположенные вдоль автомагистралей. В каждом округе обследовалось от 30 до 45 зданий. При этом фиксировалось наличие или отсутствие дефектов в конструкциях и на фасадах по таким критериям, как: отслоение краски, обрушение штукатурного слоя, выкрашивание и выпадение кирпичной кладки, трещины в отмостке, трещины между отмосткой и стеной здания, изменение цвета краски, выветривание растворного шва кладки, разрушение цоколя, коррозия водосточных труб, коррозия подоконных сливов, протечки на стенах, в цокольной и карнизной частях здания, гниение брусков рам и дверей, разрушение, трещины и выкрашивание известняковых плит, обрушение и выпадение отдельных облицовочных плиток на фасаде здания, трещины в гранитных, мраморных плитах и их выпадение, разрушение архитектурных элементов фасада, разрушение балконов, лоджий.
На основании анализа данных выполненных обследований о наличии или отсутствии дефектов в конструкциях и на фасадах зданий были построены диаграммы (рис. 6).
Данные анализа показывают, что в Центральном Административном округе около 16% обследуемых зданий постройки 1930- 1990 годов имеют характерные признаки разрушения конструкций и фасадов зданий до истечения нормативного срока ремонта. В Западном, Юго-восточном и Северо-восточном Административных округах, например, эта величина находится в пределах 14%. В Северо-западном и Восточном Административных округах признаков разрушения конструкций и фасадов зданий обнаружено значительно меньше. По нашему мнению хуже всего состояние конструкций и фасадов зданий в тех округах, где больше загазованность выхлопными газами прилегающей к автомагистралям территории (рис. 7).
Обследованный массив данных включал здания разного периода постройки, выполненных из разных материалов, конструкций, расположенных вдоль автомагистралей. Для более детального обследования причин разрушения конструкций и фасадов зданий, расположенных вдоль автомагистралей на расстоянии до 50 метров были проведены дополнительные экспериментальные исследования конструкций и фасадов зданий. Для выявления и уточнения определяющих дефектов конструкций и фасадов примагистральных зданий проведен визуальный осмотр 36 домов различных годов постройки, расположенных вдоль автомагистралей.
Такой визуальный мониторинг проводился с целью выявления дополнительных дефектов, уточнения полученных результатов анализа и определения факторов, способствующих ускоренному разрушению конструкций и фасадов зданий, расположенных вдоль автомагистрали.
Визуальное обследование проводилось для выявления видимых повреждений, дефектов и деформаций, определение их изменений во времени, характера и степени повреждений частей зданий, отдельных конструктивных элементов, фасадов.
По результатам визуального обследования были сделаны выводы о состоянии конструкций и фасадов зданий, причинах их повреждений. Это позволило нам определить, сопоставить и проанализировать различные данные о причинах повреждений конструкций и фасадов, выявить главные, которые могли повлиять на разрушение материала конструкций и отделки. По нашему мнению одной из главных причин разрушающего воздействия среды на конструкции и отделку фасадов зданий, расположенных вдоль автомобильных магистралей, являются вредные выхлопные газы автомобилей, которые, растворяясь во влажном воздухе (особенно при моросящих дождях, туманах), превращаются в слабые растворы кислот.
Результаты данных обследований представлены в таблице 8. В таблице и на фотографиях (рис. 8, 9) представлены наиболее характерные повреждения, которые имели место практически в конструкциях и на фасадах всех обследуемых зданий.
Разрушающее воздействие солей, используемых для борьбы со снегом и гололедом на дорогах, на материал строительных конструкций
Фасады зданий, особенно в цокольной части, подвергаются интенсивному разрушению солевых составов, которые в больших количествах используются на автомагистралях как противогололедные реагенты. Проникновение солей в материал надземных частей зданий обуславливается капиллярным подсосом их водных растворов. Скорость перемещения солей и накопление их в порах строительных материалов, соприкасающихся с грунтом и воздухом, содержащем водные растворы солей в капельном виде, зависит от скорости подъема по капиллярам водных растворов.
На рисунке 22 приведена зависимость, полученная экспериментальным путем, высоты капиллярного подсоса насыщенных водных растворов различных солей в зависимости от времени, в образцах из бетона. Из рисунка видно, что за 24 часа растворы солей поднимаются в бетоне на высоту от 7 до 16 см.
Скорость подъема растворов, содержащих NaCI, основной компонент солей, используемых городскими службами для борьбы с гололедом на дорогах, довольно высока - более 2 см/час (рис. 23).
На рисунках 24 и 25 показана зависимость высоты капиллярного подъема солей от относительной влажности воздуха - чем выше влажность окружающего воздуха, тем на большую высоту поднимаются растворы солей.
Экспериментально установлены следующие значения высоты подъема раствора после четырех месячного выдерживания образцов в насыщенном растворе сульфата натрия: бетон Ml 50 - высота подъема 48 см; кирпич - высота подъема — 55 см, насыщенный раствор хлористого натрия — 57 см.
Важнейшей причиной развития солевой формы физической коррозии строительных материалов является изменение объема солей, накапливающихся в порах строительных материалов. Возникают растягивающих напряжений в окружающем поры материале. Со временем это ведет к разрушению бетона/раствора.
Вследствие разной плотности слоев бетона (раствора, каменных материалов) и их разного расположения в конструкции, изделии следует ожидать, что накопление солей в их порах при попадании солевых составов на поверхности конструкции будет неравномерным.
Высота подъема растворов солей в материалах является ограниченной величиной, зависящей от количества и поперечного сечения капилляров, характера смачиваемости жидкостью их стенок, плотности жидкости, наличия открытых и закрытых пор. Испарения с поверхности конструкции подсасываемой капиллярами жидкости уменьшает высоту их подсоса. Поэтому в наблюдаемых на практике случаях физической коррозии строительных материалов, находящихся под воздействием солевых растворов различной концентрации, разрушаемые участки обычно находятся на высоте 10-55 см от поверхности земли. Проведенными нами натурными обследованиями подтверждается неравномерность распределения солей по высоте конструкции (рис. 26, 27).
