Деструкция строительных материалов может происходить под влиянием различных эксплуатационных факторов, которые можно разделить на две группы:

- силовое воздействие, связанное с восприятием полезной нагрузки собственного веса материалов и конструкций, а также усталостное разрушение при воздействии переменной нагрузки;

- процессы разрушения материала под воздействием окружающей среды или внутренних процессов, развивающихся в материале.

Разрушение строительных материалов и конструкций под воздействием первой группы факторов происходит только в аварийных ситуациях или при нарушении проектного режима эксплуатации зданий и сооружений.

Вторая группа факторов включает в себя химическую коррозию строительных материалов, а также их разрушение под действием замораживания и оттаивания, насыщения и высушивания, а также внутренней коррозии в результате объемных изменений при взаимодействии некоторых компонентов материалов, например щелочей, содержащихся в вяжущем, с активным кремнеземом заполнителя.

По некоторым данным, ведущей причиной разрушения железобетонных конструкций является разрушение под действием карбонизации и хлоридных ионов, вызывающих коррозию арматуры [2]. Диоксид углерода и хлориды, напрямую не воздействуют на бетон, а способствуют коррозии арматуры в бетоне. Атмосферный углекислый газ вступает в реакцию с щелочью, вызывая уменьшение рН в поровом пространстве. В результате защитные свойства бетона по отношению к арматурной стали снижаются. Хлоридные ионы могут проникать в бетонную смесь через заполнитель или воду затворения. Однако на практике это редко происходит вследствие жестких ограничений по содержанию хлоридов в бетоне. Как правило, хлориды проникают в бетон снаружи, либо из морской воды или в результате применения противогололедных реагентов. Углекислый газ и соединения хлора, а также другие агрессивные вещества могут вызвать разрушение бетона только в присутствии воды.

Механизм проникновения хлоридов и диффузия CO₂ из окружающей среды вместе с процессом перемещения воды в бетоне играет важную роль в разрушении бетона. Эти явления являются ключевыми факторами, определяющими долговечность бетона на основе портландцемента, шлакощелочного и геополимерного бетона.

Долговечность и многие другие свойства геополимерных бетонов зависят от тех же факторов, которые являются определяющими для долговечности композиционных шлакощелочных вяжущих (КШЩВ) (рис. 1).

Рис. 1. Система факторов, определяющих структуру и свойства КШЩВ, по данным Н.Р. Рахимовой [3]

Определяющее влияние на долговечность материала, наряду с его химико-минералогическим составом, оказывает поровая структура, от которой зависит его проницаемость для жидкостей и газов, вызывающих физическую и химическую коррозию. Часто проницаемость бетона является свойством, определяющим долговечность материала.

Существуют различные условия проникновения жидкостей в материал, например капиллярный подсос, адсорбционное водопоглощение, инфильтрация жидкостей под давлением (в гидротехнических сооружениях и резервуарах). В зависимости от условий поступления в строительный материал воды или растворов коррозионно-активных веществ скорость деструктивных процессов будет различной.

Многочисленные исследования [3-7] доказали, что долговечность геополимерных материалов зависит от размерных характеристик их открытой пористости. При оценке влияния структуры бетона на его коррозионную стойкость большое значение имеет распределение объема пор по размерам. Преобладание пор меньших размеров способствует повышению химической стойкости бетона; крупные поры влияют не только на его прочность, но и на проницаемость, которая, в свою очередь, оказывает воздействие на долговечность.

Деструктивные процессы геополимерных материалов зависят не от одного или нескольких факторов, а от системы взаимодействия комплекса параметров структуры и условий эксплуатации (рис. 2).

Рис. 2. Диаграмма зависимостей между научными и техническими аспектами долговечности геополимеров по данным [5]

Большое влияние на повышение проницаемости бетона для коррозионно-активных агентов имеет образование и развитие в материале системы трещин. Кроме того, этот фактор значительно влияет на морозостойкость бетона.

Трещинообразование геополимерных бетонов остается пока малоизученным вопросом. Установлено, что геополимерные материалы на основе магматических горных пород характеризуются более высокой, чем портландцемент усадкой [7, 8], что создает предпосылки для образования в материале усадочных трещин. Выявлено, что на трещиностойкость этих материалов большое влияние оказывает расход добавки шлака [9]. Однако проблема повышения проницаемости геополимерного бетона из-за образования в нем трещин характерна для многих строительных материалов. Снижение влияния этих негативных явлений может быть получено различными способами, например использованием ремонтных полимерных защитных покрытий [10].

Долговечность геополимерных материалов зависит от системы взаимосвязанных факторов. Взаимосвязь этих факторов, а также их совместное влияние на изменение характеристик долговечности материала является сложной малоизученной системой, в связи с чем необходимо проведение системных исследований взаимного влияния физико-механических свойств и структуры геополимерных строительных материалов на их долговечность в различных условиях эксплуатации.

Одним, на наш взгляд, важнейшим препятствием на пути возведения наружных стен зданий из пенобетона, является его недостаточная долговечность. Пенобетон хороший теплоизолятор, но он не обладает необходимой атмосферостойкостью и требует создания защитного наружного покрытия из материала с малым водопоглощением и высокой морозостойкостью. Вместе с тем этот материал должен иметь хорошую паропроницаемость, иначе поровая влага, накапливающаяся в стене и сезонно мигрирующая к наружной поверхности, будет скапливаться в приграничном слое пенобетона и при замораживании отрывать отделочное покрытие.  Требуется также, чтобы материал имел низкий, по сравнению с пенобетоном, модуль упругости, высокую деформативность и хорошую адгезию к пенобетону. Он должен быть и декоративным. Такой отделочный материал – пенополимерцементный раствор – разработан в Пензенском государственном университете архитектуры и строительства. Его прочность при сжатии составляет свыше 9 МПа, при растяжении – 1,2 МПа. Модуль упругости на 15-30% ниже этого показателя для пенобетона. Материал трещиностоек, т.к. его деформативность составляет 0,76 мм/м. Коэффициент паропроницаемости равен 0,128 мг/м.ч.Па, что на 16% выше нормируемого. Материал декоративен и технологичен как в применении, так и при эксплуатации жилья. Созданный материал может быть рекомендован как атмосферостойкая защита для стен из пенобетона и других легкобетонных материалов.

Действительно, штукатурка до сих пор не выходит из широкого применения, как летом, так и в холодные дни, но только не для оштукатуривания стен из пенобетона, который должен обладать значительной паропроницаемостью. По этой причине, поровая влага, находящаяся в холодном пенобетоне, мигрирует к наружным поверхностям стены и при замерзании отторгает наружную штукатурку. Вот почему мы обязаны наносить штукатурку не из тяжелого и плотного цементного раствора, а применять раствор для штукатурки с паропроницаемостью, равной, или близкой, паропроницаемости защищаемого пенобетона. Лучше всего применять штукатурные растворы с введением в них пенообразователя, т.е. те же пенобетоны. Но поскольку введение пены в раствор снижает его прочность, применяют растворы более плотные, чем пенобетон, повышая плотность раствора до 1500 кг/м³. Такой раствор обладает надежным сцеплением с пенобетоном и хорошо пропускает накапливающуюся в пенобетонной стене влагу, исключая отторжение штукатурного слоя. Такие штукатурные покрытия давно применяют при отделке стеновых панелей из ячеистого бетона или пенобетона в комбинации с декорирующими составами, как до тепловой обработки панелей, так и после нее. Так для декорирования поверхностей панелей по слою поризованного раствора применяют крошку каменных пород, брекчии из керамических плиток, цельные мелкие стеклянные или керамические плитки. Можно такие панели окрашивать атмосферостойкими эмалями.

Для ответа на поставленные в настоящей статье вопросы,  нами был проведен комплекс исследований, направленных на создание нового материала для защитно-отделочных покрытий пенобетонных наружных стен отапливаемых зданий, рассчитанных на многолетнюю безремонтную эксплуатацию. Было установлено, что таким материалом является пенополимерцементный раствор на основе синтетического латекса СКС-65ГП (синтетический каучуковый стирольный – глубокой полимеризации), стабилизированный казеинатом аммония с добавлением неионогенного мыла ОП-7. Латекс в раствор добавляли по весу до полимерцементного отношения П:Ц=0,1.

Для наружной отделки стен здания из пенобетона применяют цветные, а также терразитовые штукатурки. Цветные штукатурки делают на основе цементно-известковых вяжущих с добавлением щелочестойких пигментов и белого кварцевого песка Цветные растворы получают, используя для синего цвета – ультрамарин; зеленого – окись хрома; красного – сурик; желтого – золотистую охру. Раствор из терразитовых смесей получается более декоративным  в связи с увеличением ассортимента и количества цветовых добавок. Но декоративные добавки снижают прочность и морозостойкость цементных растворов. Поэтому их количество не допускается более чем 10% от веса цемента. В  связи с этим потребовалось провести ряд испытаний для окрашенных пенополимерцементных растворов.

Прочность при сжатии после 28-дневного хранения в воздушно-сухих условиях осталась в пределах прочности образцов без декоративных добавок и составила 0,94 МПа. А прочность после 35 циклов замораживания и оттаивания составила 1,18 МПа, т.е. получено приращение прочности, как и в образцах без декоративных добавок.

Прочность сцепления с пенобетоном после 28 дней воздушно-сухого твердения составила 0,9 МПа. Также не изменилась прочность сцепления при испытании 2-х слойных образцов с декоративными добавками на морозостойкость и на  переменное увлажнение и высушивание по сравнению с образцами без добавок.

Хранение образцов на открытом полигоне в течение 1 года не снизило прочность пенополимерцементного раствора при сжатии. Прочность сцепления с пенобетоном несколько понизилась и составила 0,81 МПа.

При испытании в везерометре путем периодического дождевания, высушивания и облучения ультрафиолетовыми лучами в течение 500 часов, не снизило прочность при сжатии и не ухудшило  цветостойкость. Прочность при сжатии составила 0,79 МПа, т.е. отмечается незначительное падение прочности до 0,02 МПа. Цветостойкость раствора зависит от качества цемента и стойкости пигмента к щелочной среде и к ультрафиолетовому облучению.

Для проверки воздействия окружающей среды на цветостойкость и запыляемость растворов с различными добавками проверяли составы с П:Ц=0 и П:Ц=0,1 на латексе СКС-65ГП без пигмента и с пигментами: 1. Сурик железный – красный (5% от веса цемента); 2. Ультрамарин – синий; 3. Окись хрома – зеленый. Путем сравнения испытуемых образцов с контрольными образцами, определяли изменение белизны с помощью фотометров. Результаты наблюдений показали, что белизна образцов снизилась незначительно, как и испытание в везерометре. Также мало повлияло и испытание на морозостойкость, увлажнение и высушивание, и испытание на открытом полигоне в течение года.

Проведенные исследования показали высокую степень пригодности пенополимерцементного раствора для теплоэффективных защитно-отделочных  покрытий наружных стен из пенобетона.

Предлагается следующая нечёткая модель для оценки качества материала в простейшем случае, когда используется всего две важные характеристики. Назовем эти характеристики K и H, диапазон изменения каждой, без потери общности можно выбрать от 0 до 10. Одним из исходных положений предлагаемой нечёткой модели является следующее: при К=1 материал считается достаточно качественным и пригодным к использованию, при К = 0 материал бракуется. Для параметра H условия те же самые. Однако, пригодность материала при других параметрах скажем, при К=3, Н=7) точно не определена, образуя, тем самым основу для моделирования лингвистической неопределённости.

Выходной параметр модели – качество материала. Оно может быть низким, средним или высоким в зависимости от соотношения К и Н. На языке нечёткого моделирования это означает, что  терм-множество лингвистической переменной определяется так: Quality = { “низкое”, “среднее”, “высокое” }.

Построим простую модель анализа качества материала. Входные переменные модели – Н и К. Выходная переменная – Quality.  Входные меняются от до 10, а выходная – от 0 до 100. Правила модели:

1. Если Н мало и К мало, то Quality низкое.
2. Если Н велико и К велико, то Quality высокое.
3. Если Н среднее и К среднее, то Quality среднее.

Все правила имеют одинаковый вес. Моделирование должно ответить, например, на такой вопрос: каким будет качество (значение переменной Quality) при среднем H и низком К.

Данную модель можно построить в какой-либо программной среде нечёткого анализа (например в MATLAB Fuzzy Logic Toolbox).

При тестировании модели функции принадлежности для входных переменных были заданы треугольными, а для выходной задавалась – трапециидальный и треугольный вид вычисление дефаззификации – по методу центра площади. В простой модели получали, что при значениях Н=5, К=5 получали Quality = 46. Качество меняется при изменении н И К. Если представить качество как зависимость от двух параметров: Quality = Quality(Н,К), примеры полученных результатов можно записать таким образом:

Quality(1,1) = 6 (качество низкое)

Quality(1,3)= 42 (качество среднее)

Quality(5,5)= 46 (качество среднее)

Quality(3,7)= 46 (качество среднее)

Модель можно корректировать после её тестирования, изменяя, например, функции принадлежности, это является этапом создания нечёткой модели. В модель можно добавлять другие переменные. В нашем примере, если отождествлять Н с твёрдостью, а К – с ударной вязкостью, получается, что твердость ниже средней при ударной вязкости выше средней качество материала будет средним, что часто достаточно для практических задач.

Таким образом, предложена простая модель для оценки качества материала по совокупности свойств. Данную модель, с учетом модификации для конкретных условий, можно использовать при техническом контроле, она может стать основой для разработки методов неразрушающего контроля приборами, использующими нечёткие правила вывода.