Глава 2. Повреждения опорных конструкций в процессе эксплуатации

2.1. Физические условия разрушения конструкций

Разрушение опорных конструкций контактной сети, как впрочем и других строительных конструкций, представляет собой сложный физико-химический временной процесс. Неизбежность разрушения обусловлена природой применяемых материалов и активностью окружающей среды.

Материалы, из которых изготовляют строительные конструкции, в большинстве своем представляют собой искусственно созданные системы. К числу их относят металлы, бетоны, полимеры, стекло, керамику и др. Такие материалы имеют повышенный запас внутренней энергии по сравнению с исходными (природными), из которых они были изготовлены. Для разложения природных материалов и выделения в чистом виде металлов, получения цемента, стекла и других искусственных материалов затрачивается энергия. Естественно ожидать, что в течение времени искусственные системы должны распадаться с выделением внутренней энергии. Скорость распада зависит от запаса внутренней энергии, потенциального барьера, который нужно преодолеть, чтобы разорвать внутренние связи и активности внешней среды. Наиболее нагляден в этом отношении процесс перехода металлов из восстановленного в окисленное состояние, в особенности широко применяемого для строительных целей малоуглеродистого железа.

Замедлить разрушительный процесс можно, если ослабить действие внешней среды. Здесь реализуются два подхода. Первый - это снижение активности самой среды, как, например, уменьшение внешних нагрузок, понижение температуры, уменьшение концентрации химически активных веществ. Второй - устройство различного рода преград, например защитных покрытий. Но какие бы пути и средства ограничения воздействия среды на конструкции ни применялись, между ними постоянно идет процесс обмена материалами и энергией. В зависимости от вида и количества прикладываемой энергии деструктивный процесс в материалах конструкций идет на микро- или макроуровне.

Наблюдающиеся в эксплуатируемых конструкциях повреждения в зависимости от первопричины делят в основном на две основные группы: механические и физико-химические. Такое деление сложилось исторически в связи с развитием представлений о природе и прочности материалов.

Первоначально сплошные тела рассматривались как статические системы из атомов и молекул. Прочность их казалось естественным ставить в зависимость от непосредственного соотношения сил сцепления и воздействующих на межатомные связи сил, порожденных внешней нагрузкой. Если растягивающие силы, например, оказываются меньшими, чем силы сцепления, то тело испытывает лишь упругое деформирование, а если большими, то тело разрушается или пластически деформируется. Для количественной оценки прочностных свойств материалов были введены понятия пределов упругости, текучести, прочности. Величинам этих пределов был придан смысл физических констант. Сами термины "предел прочности", "предел упругости" показывают, что явление разрушения рассматривается как критическое событие, которое наступает при достижении действующим напряжением некоторого критического значения.

В последние годы этой теории противопоставляется другая, согласно которой разрушение материалов рассматривается не как критическое событие, а как постепенный термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряженном материале во времени с момента приложения к конструкции внешней нагрузки и воздействия активных сред. По этой теории скорость механического разрушения зависит от структуры и свойств твердого тела, напряжений, вызываемых нагрузкой и температурой, влиянием поверхностно-активных веществ. В основе этих представлений о прочности и долговечности твердых тел лежит тепловое движение атомов.

Переход от рассмотрения тел как статических атомно-молекулярных систем к динамическим системам был связан с накоплением экспериментальных данных о непостоянстве пределов текучести и прочности, зависимости их от внешних условий: от температуры и продолжительности нагружения материалов.

Если учитывать тепловое движение, то механическое представление о прочности твердых тел существенно меняется. В этом случае с внешней силой взаимодействует уже не статическая система связанных атомов, а система частиц, каждая из которых находится в колебательном тепловом движении. При этом особо важную роль для межатомных взаимодействий может играть неравномерность теплового движения, т. е. энергетические флуктуации, являющиеся следствием хаотичности теплового движения. Картину теплового движения атомов в твердых телах можно представить следующим образом. При заданной температуре тела каждый атом в нем находится в "потенциальной яме", образованной взаимодействием данного атома с соседними (рис. 2.1). Большую часть времени атом находится вблизи дна ямы, где он совершает сравнительно малые колебания. Период таких колебаний та близок к 10^-12-10^-14 с и почти одинаков для всех твердых тел в широком диапазоне температур [44]. Из-за хаотичности движения такие колебания атомов периодически нарушаются. Вследствие последовательных толчков со стороны соседних атомов или же в результате случайно совпавшего группового толчка данный атом может превысить среднюю амплитуду обычных колебаний и его энергия может оказаться значительно большей, чем средняя энергия (рис. 2.2).

Рис. 2.1. Зависимость потенциальной энергии и межатомного взаимодействия для ненапряженной (1) и напряженной растянутой (2) связи

Период следования флуктуаций τ_фл - величина непостоянная. Возникнуть флуктуация может в любой момент времени. Поэтому, говоря о периоде флуктуации, следует иметь в виду некоторое усредненное значение.

Рис. 2.2. Схематическое представление возникновения последовательных энергетических флуктуаций

Под действием энергетической флуктуации атом возбуждается и может высвободиться от взаимодействия соседних атомов. Если "потенциальный рельеф" вокруг атома имеет разную высоту относительно дна ямы в разных направлениях, изменение положения будет происходить преимущественно в одном направлении. Это явление имеет место, например, при взаимодействии поверхностно-активных веществ с твердыми телами, когда выход атомов из кристаллической решетки идет с наружной поверхности.

Вероятность возникновения флуктуации на атомах одинакова как в ненагруженном, так и в нагруженном теле [44]. Однако последствия флуктуаций будут зависеть от наличия напряжений. Если в ненагруженном теле при термофлуктуациях происходят разрывы межатомных связей и перегруппировки атомов, то при наличии механических (напряжений существенно изменяется скорость этих процессов и ориентация их в пространстве.

В нагруженном теле растягивающие напряжения приводят к ослаблению межатомных связей вдоль направления действия растягивающей силы, т. е. потенциальный барьер, определяющий прочность связи, понизится с "о до и, как показано кривой 2 (см. рис. 2.1). Снизится к тому же и вероятность восстановления разорванных связей.

По мере разрыва некоторой части связей происходит перераспределение напряжений, интенсивнее загружаются еще неразорванные связи, в итоге скорость разрушительного процесса увеличивается.

Молекулярно-кинетическое представление о прочности твердых тел целенаправленно стало изучаться в начале 50-х годов нашего столетия. На основе этих работ была предложена следующая температурно-временная зависимость долговечности материала τ от температуры T и напряжений σ:

В этом уравнении предэкспоненциальный множитель то представляет собой величину, численно совпадающую с периодом собственных колебаний атомов в кристаллической решетке, равным 10^-12-10^-14 с и практически не зависящим от обработки материала и условий нагружения. Величина (u₀-γ₀) имеет смысл энергии активации разрушения, причем u₀ представляет собой начальную энергию активации, постоянную для данного материала в широкой области температур. Коэффициент К - постоянная Больцмана. Он равен 1,38•10^-16 эрг/град.

Таким образом, зависимость (2.1) показывает, что разрушение следует рассматривать как процесс, в котором вследствие тепловых флуктуаций преодолевается энергетический барьер γ₀, сниженный в результате действия напряжений на величину γσ. Все изменения прочностных свойств материалов, обусловленные структурой, тепловой обработкой, деформированием и другими воздействиями, описываются коэффициентом γ. Он является величиной постоянной для данного материала, но изменяется в широких пределах при переходе от одного материала к другому или при структурных изменениях одного и того же материала [44]. С учетом этого предложено считать коэффициент у некоторой мерой прочности материалов.

Физическая сущность коэффициента у определена не полностью. Количественную зависимость его от свойств материалов, условий работы конструкций и других факторов следует еще установить.

В целом следует отметить, что кинетическая теория прочности еще не позволяет количественно определять сроки службы элементов конструкций в тех или иных условиях работы, но с ее помощью удается глубже понять и представить взаимосвязь различных видов воздействий в общем разрушительном процессе. Весьма своевременным и практически полезным явилось утверждение этой теорией представления о материалах как динамических системах, на долговечность которых могут одновременно воздействовать как внутреннее состояние их, так и целая гамма внешних факторов. При этом общее время до разрушения материала конструкций и соответственно срок службы их будут увеличиваться или уменьшаться в зависимости от вида и количества передаваемой энергии со стороны внешней среды.

На скорость протекания разрушительных процессов в строительных конструкциях основное влияние оказывают следующие виды энергии:

механическая - энергия свободно движущихся отдельных микрочастиц и макросистем и энергия упругой деформации тела;

тепловая - энергия неупорядоченного, хаотического движения большого числа атомов и молекул;

электрическая (электростатическая и электродинамическая) - энергия взаимодействия и движения электрических зарядов, электрически заряженных частиц;

химическая - энергия, освобождаемая в результате перестройки электронных оболочек атомов и молекул при их взаимодействии в процессе химических реакций;

электромагнитная - энергия движения фотонов электромагнитного поля.

Каждому виду энергии соответствует определенный характер взаимодействия между частицами и телами в соответствующих полях.

Эксплуатационные воздействия среды могут быть постоянными, влияющими на элементы конструкций независимо от того, работают они или находятся в незагруженном состоянии, и временными, возникающими только в стадии активного нагружения (механического, электрического и др.). К первым относятся влажность, температура окружающей среды, электромагнитные и гравитационные поля, микроорганизмы, химически активные среды, а также постоянно действующие механические нагрузки. Ко вторым относятся переменные электрические и электромагнитные воздействия, механические нагрузки.

По характеру влияния окружающей среды различают адсорбционный, диффузионный, коррозионный, кавитационный и эрозионный механизмы, а по виду изменений, происходящих в материалах, - необратимые изменения, как, например, при коррозии, и обратимые, наблюдаемые при попеременном увлажнении и высушивании (в определенных пределах).

Практически в любом разрушительном процессе одновременно проявляют себя несколько факторов, из которых один-два вносят основной вклад, а остальные дополняют и ускоряют их влияние. Поэтому появляющиеся в эксплуатируемых конструкциях те или иные повреждения чаще всего связывают именно с этими основными видами воздействий. Но нередко бывает трудно выделить преобладающее влияние какого-то определяющего воздействия. Это в свою очередь осложняет выбор средств для приостановления разрушительного процесса. В то же время с учетом того, что эффективность и целесообразность применения средств защиты будет зависеть от правильного их применения, следует в каждом конкретном случае выявлять определяющие и сопутствующие воздействия. Если же окажется, что трудно или малоэффективно ослаблять влияние основных факторов, то нужно оценить, насколько целесообразно применять меры для снижения роли сопутствующих воздействий. Иногда такой подход приводит к положительным результатам. Поэтому, приступая к эксплуатации конструкций, нужно оценить характер воздействий внешней среды на них, выявить принципиально возможные виды разрушений в данных условиях и еще на ранней стадии предпринять меры предосторожности. В этом и должна заключаться стратегия эксплуатации. К сожалению, это простое правило на практике выполняется крайне редко. Из-за этого преждевременно приходится вести большие работы по усилению и замене конструкций.

Для того чтобы можно было и условиях эксплуатации принимать обоснованные решения в плане прогнозирования разрушений эксплуатируемых конструкций, опасности их, рассмотрим механизмы разрушительных процессов, оценим вероятность и ориентировочную скорость развития их, определим, где территориально можно ожидать тот или иной вид разрушений, базируясь на имеющихся сведениях по агрессивности воздушных и грунтовых сред. Анализ проведем в плане рассмотрения конкретных видов разрушений, наиболее часто встречающихся в процессе эксплуатации. Рассматривать будем только те повреждения, которые приводят к снижению механической прочности конструкций, а именно: коррозионные и морозные разрушения бетона, появление и развитие продольных трещин в опорах и фундаментах, электрокоррозионные разрушения, коррозию арматуры и защищенность ее в железобетонных опорах, коррозионное разрушение металлических конструкций.