Принцип довговічності будівельних матеріалів
Комплексною характеристикою якості матеріалів є довговічність - здатність чинити опір зовнішнім і внутрішнім чинникам протягом можливо більш тривалого часу. Про довговічність судять за тривалістю зміни до критичних меж міцності, пружності або інших властивостей. З цією метою зразки або вироби піддають в лабораторних або натурних (експлуатаційних) умовах впливу комплексу механічних, фізичних, хімічних та інших факторів, реально впливають на конструкцію. Після розрахункового періоду часу дії комплексу факторів, або певного циклу випробувань, встановлюють ступінь зміни початкових числових значень властивостей і порівнюють з допустимою величиною їх зміни.
Про довговічність поки судять за відхиленнями в структурі матеріалу, хоча першопричиною зміни властивостей зазвичай служить порушення мікро- або макроструктури, відхилення загальної структури від оптимальної. В теорії ІБК під довговічністю розуміють здатність матеріалу зберігати в експлуатаційний період часу на допустимому рівні структурні характеристики (параметри), які склалися в технологічний, тобто передексплуатаційний період.
Незалежно від способу оцінки довговічності - зі зміни властивостей або структури - період довговічності умовно можна розділити на три етапи, або тимчасових елемента. До початку першого етапу є ще передексплуатаційний період, який характеризується в основному набором і формуванням структурних елементів і властивостей. Він пов'язаний з виконанням технологічних переділів і тому може бути названий як технологічний. У порівнянні з наступними етапами технологічний період нетривалий, хоча матеріал, ще не надійшов в експлуатацію, може вже значно змінити свою структуру і властивості, особливо при несприятливих умовах перебування його в передексплуатаційних час.
Матеріал, поміщений в конструкції будівель і споруд, на першому етапі довговічності характеризується зміцненням структури, або поліпшенням показників властивостей, другий етап - їх відносною стабільністю, третій - деструкцією, т. Е, повільним або швидким порушенням структури аж до її критичного рівня і навіть повного руйнування, з відповідним погіршенням показників якості. У окремих матеріалів в експлуатаційний період той або інший етап в періоді довговічності може бути відсутнім або його тривалість настільки мала, що приймається практично рівною нулю. Може, наприклад, повністю відсутні тимчасової елемент зміцнення структури або її стабільного стану. Що ж стосується етапу деструкції, то він майже неминучий, хоча і не завжди спостерігається візуально. Набагато рідше деструкція протікає з величезною інтенсивністю, коли тимчасової елемент стає практично рівним нулю.
Завдання полягає в тому, щоб всіляко збільшувати довговічність, т. Е. Тривалість кожного з трьох взаємопов'язаних тимчасових елементів, особливо етапів зміцнення і стабільності структури, домагаючись разом з тим ефективного гальмування деструкційних процесів.
Сутність зміцнення структури на першому етапі довговічності полягає в тому, що під впливом зовнішнього середовища, навантажень, інверсій фаз і т. П. В експлуатаційний період в матеріалі, особливо в його в'язкої частини, а також в контактних зонах виникають і з часом укрупнюються нові ( вторинні) структурні центри. Спільно з тими, які виникли на ранній стадії формування структури (первинними), вони беруть участь в додатковому процесі ущільнення структури, зі збільшенням концентрації тієї частини твердої фази, яка є основним носієм ефекту зміцнення. В результаті не тільки спостерігається зміцнення структури і міцності матеріалу по відношенню до механічних навантажень, але і поліпшення деяких інших його властивостей, в тому числі властивостей в'язкої частини. Прикладом зміцнення структури в експлуатаційний період може служити цементний бетон і його в'язка (матрична) частина у вигляді цементного каменю при контакті з щавлевої кислотою. Остання, проникаючи в пори, утворює малорозчинні солі і щільні продукти з дуже низькою дифузійної проникністю. Особливо часто ефект зміцнення спостерігається в зв'язку з доуплотненіе під навантаженням новоутвореннями при з'єднанні вуглекислого газу з вапном в матеріалі, переходу аморфного речовини в кристалічний і т. П. Однак зміцнення структури в експлуатаційний період становить тільки тоді позитивний ефект в довговічності матеріалу, якщо воно не є наслідком так званого «старіння». Під останньою розуміють часто спостерігається явище охрупчивания конгломератів на основі полімерів за рахунок протікання хімічних реакцій, або рекристалізації зі збільшенням в обсязі новоутворень. Старіння переводить матеріал у стан крихкого мікротрещінообразованія і в кінцевому підсумку різкого скорочення довговічності.
Другий етап - стабілізація структури - характеризується порівняно незмінною концентрацією структурних елементів в одиниці об'єму матеріалу і відносною сталістю показників властивостей. Практично рівень цих показників має коливання за рахунок місцевих процесів зміцнення і деструкції, однак в цілому зберігається їх збалансованість на деякому середньому, «стабільному» рівні.
Третій етап довговічності - деструкція - найтиповіший процес експлуатаційного періоду. Він може початися з першого ж моменту експлуатації конструкції, але може слідувати також за етапами зміцнення і тимчасової стабілізації структури. Третій етап характеризується порушенням структури з можливою втратою її суцільності, поступовим накопиченням розривів міжатомних зв'язків. Розриви виникають під впливом прискорення теплового руху атомів і молекул, розвитку механічних, усадочних, осмотичних і інших напруг. Встановлено, що процес поступового пошкодження структури супроводжує кожної, навіть самої малоупругий деформації.
Крім фізичних в період деструкції протікають хімічні і фізико-хімічні процеси, які зазвичай називають як корозійні. У широкому сенсі корозія означає роз'їдання металу або іншого матеріалу під впливом контакту із зовнішнім агресивним середовищем, проникнення її в пори і капіляри. Ці процеси корозії посилюються при одночасному впливі фізичних факторів, якщо, наприклад, матеріал знаходиться в напруженому стані під впливом розтягуючих або стискають зусиль або якщо разом з агресивним середовищем, наприклад рідкої, матеріал схильний до дії низьких негативних температур з циклічним замерзанням і відтаванням рідкого середовища в порах . На заключній стадії деструкція переходить в інтенсивний процес утворення небезпечних мікро- і макротріщин, завершується повним або частковим руйнуванням конгломерату.
Визначення та вивчення довговічності і її тимчасових елементів проводиться на різних рівнях структури - від молекулярної і надмолекулярної до макроскопічної, причому завжди доцільно починати з характеристик структури, а потім переходити до показників властивостей.