ПРИДНІПРОВСЬКА ДЕРЖАВНА АКАДЕМІЯ

БУДІВНИЦТВА ТА АРХІТЕКТУРИ

ДЕРЕВ’ЯНКО ВІКТОР МИКОЛАЙОВИЧ

УДК 691. 55: 620.193

ТЕОРЕТИЧНІ ОСНОВИ ПІДВИЩЕННЯ СТІЙКОСТІ ТА

ТЕХНОЛОГІЯ ДИСПЕРСНО-АРМОВАНИХ ПОКРИТТІВ

05.23.05 – будівельні матеріали та вироби

А в т о р е ф е р а т

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Дніпропетровськ – 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури (ПДАБтаА), Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант – Лауреат Державної премії України в галузі науки і техніки, Заслужений діяч науки і техніки України, доктор технічних наук, професор Большаков Володимир Іванович, Придніпровська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри матеріалознавства і обробки матеріалів, ректор.

Офіційні опоненти:

- доктор технічних наук, професор Дворкін Леонід Йосипович, Рівненський державний технічний університет, завідувач кафедри технології будівельних виробів та матеріалознавства;

- доктор технічних наук, професор Вировий Валерій Миколайович, Одеська державна академія будівництва та архітектури, завідувач кафедри виробництва будівельних конструкцій та виробів;

- доктор технічних наук, професор Федоркін Сергій Іванович, Кримська академія природоохоронного і курортного будівництва, завідувач кафедри технології будівельних конструкцій та будівельних матеріалів, проректор.

Провідна установа – Національний університет “Львівська політехніка”, кафедра хімічної технології силікатів, Міністерство освіти і науки України, м. Львів.

Захист відбудеться “24 “ жовтня 2002 р. о 12.00 годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 08.085.01 при Придніпровській державній академії будівництва та архітектури, 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а, к. 202.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Придніпровської державної академії будівництва та архітектури, 49600, м. Дніпропетровськ, вул. Чернишевського, 24а.

Автореферат розісланий “23 “ вересня 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Баташева К.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблема захисту будівельних конструкцій від дії агресивного середовища на сучасному розвитку виробництва є актуальною в зв’язку з тим, що дія різних чинників погіршує зовнішній вигляд, створює аварійну ситуацію та потребує значних витрат для проведення ремонту. Десятки мільйонів гривень складають побічні збитки: скорочення міжремонтних термінів, заміни конструкцій та обладнання, зменшення продуктивності виробництва.

Як показують дослідження, близько 70будівельних виробів мають вторинний захист, що забезпечує їх роботу в запланований термін, або ж виключає дію агресивного середовища, а в окремих випадках придає поверхні конструкції особливі властивості декоративного чи спеціального призначення.

Для збільшення часу експлуатації споруд, конструкцій, теплових агрегатів поряд з іншими покриттями використовують також покриття на основі мінеральних в’яжучих: штукатурки, шпаклівки, футерівки, гідроізоляції і т. п. Це дозволяє, при відносно незначних витратах, збільшити термін служби або міжремонтний період експлуатації конструкцій. Але багато з них не мають достатню довговічність фізико-механічних властивостей, що пов’язано зі складністю структури цих покриттів, їх невеликою товщиною та більш жорсткими умовами використання, в зв’язку з цим їх руйнування проходить швидше, ніж інших.

Підвищення стійкості покриттів може бути досягнуто за допомогою більш точнішого врахування негативних факторів, особливо тих, які викликають механічні руйнування або прискорюють хімічну корозію.

При розробці покриттів та технології їх нанесення необхідно приймати до уваги наступне: для забезпечення високої міцності зчеплення покриття з основою потрібна активна взаємодія речовин стикання, а збереження властивостей в процесі експлуатації потребує відсутності взаємодії між покриттям та поверхнею конструкції. Для виконання цих умов потрібно, щоб взаємодія речовин стикання проходила тільки в момент формування, а в умовах експлуатації вона повинна бути відсутня. Внаслідок фізико-хімічних процесів, що протікають в покриттях на основі мінеральних в’яжучих, одержати сталі властивості (тобто незмінну систему) практично неможливо, тому при розробці покриттів з відповідним строком служби потрібно враховувати не тільки зміну властивостей, але й передбачати зміну співвідношень міцнісних та деформаційних параметрів покриття та основи. Одним із таких напрямків, що може забезпечити сталість співвідношень, є армування покриттів дискретними волокнами органічного або мінерального походження, що дозволяє цілеспрямовано змінити міцнісні та деформаційні властивості і таким чином підвищити їх стійкість.

Робота виконувалась в Придніпровській державній академії будівництва та архітектури з 1991 по 2002 р. за науковими напрямками кафедри ТБМВК, а також у відповідності із планом науково-дослідних робіт “Пріоритетні напрямки в розвитку науки та техніки. Розділ 6. Нові речовини та матеріали”, затвердженим наказом Міністерства освіти України № , доповнення 2 від 04.12.1998 р.

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розробка теоретичних підвалин підвищення стійкості покриттів будівельних конструкцій та технологічного обладнання керуванням співвідношень міцнісних та деформаційних параметрів покриття, контактного шару та підложки (системи), а також цілеспрямованої зміни їх властивостей шляхом армування дискретними волокнами мінерального або ж органічного походження.

Для досягнення мети були поставлені наступні задачі:

-

-

-

-

-

-

-

Об’єкт дослідження – процеси, що протікають в захисних покриттях будівельних конструкцій при їх формуванні та експлуатації.

Предмет дослідження – взаємозв’язки міцнісних та деформаційних параметрів покриттів на основі мінеральних в’яжучих, контактного шару та підложки, їх вплив на стійкість покриттів і визначення критеріїв стійкості, фізико-хімічні процеси в системах: неорганічні в’яжучі – органічні волокна, покриття – підложка. Вплив параметрів армуючих компонентів: довжини, вмісту дискретних волокон на міцнісні і деформаційні властивості покриттів; стійкість армованих покриттів в агресивних середовищах, реологічні властивості дисперсно-армованих розчинів.

Методи дослідження. Розроблено методологію наукових досліджень підвищення стійкості захисних покриттів, згідно з якою використовували стандартні та розроблені, в залежності від мети, нові методи теоретичних та експериментальних досліджень.

Теоретичні дослідження проводились для визначення: взаємозв’язків властивостей захисного покриття, контактного шару, основи та їх вплив на стійкість покриттів; параметрів армуючих компонентів та їх використання для керування співвідношення модулів пружності та відносних деформацій системи, а також їх вплив на реологічні властивості дисперсно-армованих розчинів.

Фізико-механічні властивості (міцність при стиску, розтягуванні, згину та ін.) досліджували стандартними методами, а також за допомогою розроблених методів сумісних випробувань покриття та основи.

Хімічний склад, корозійну стійкість, мікроструктуру досліджували методами хімічного аналізу, світлової, електронної мікроскопії, рентгеноструктурного та диференціально-термічного аналізів.

Наукова новизна одержаних результатів.

Теоретично обґрунтовано та експериментально доказано правомірність запропонованої концепції підвищення стійкості захисних покриттів на основі мінеральних в’яжучих, призначених для захисту будівельних конструкцій та технологічного обладнання керуванням співвідношень міцнісних та деформаційних властивостей системи: захисне покриття – контактний шар – основа, що має принципове значення для подальшого розвитку теорії стійкості захисних, гідроізоляційних, футеровочних та ін. покриттів.

Встановлено основні групи співвідношень міцнісних (б) і деформаційних параметрів () системи зп – кш – о та представлено їх у вигляді рівнянь модулів пружності пружних дільниць діаграм б – : 1 – Езп = Ео; 2 – Езп Ео 3 – Езп Ео.

Вперше запропоновані та експериментально підтверджені критерії стійкості покриттів: К1 = бзп / бо – відношення напружень та К2 = зп / о – відношення деформацій покриття та підложки. Доказані умови найбільш високої стійкості покриттів при різних співвідношеннях параметрів системи, що створює передумови підготовки нормативної бази вибору, розробки та проектування покриттів в залежності від умов експлуатації та властивостей поверхні конструкцій.

Теоретично доказана та експериментально підтверджена гіпотеза регулювання міцнісних та деформаційних параметрів системи “зп – кш – о” армуванням покриттів дискретними волокнами органічного або мінерального походження, що дозволяє цілеспрямовано змінювати властивості покриттів: характер руйнування, стійкість та ін.

Розроблені та експериментально підтверджені аналітичні методи визначення параметрів армуючих компонентів покриттів: довжини в залежності від розмірів заповнювачів; вмісту волокон – на основі запропонованої гіпотези рівності зусиль, що витримують одиничні об’єми матриці та волокна.

Розвинуті теоретичні уявлення про механізм впливу властивостей основи (рельєфу, вологості, пористості, карбонатизації) на адгезійну міцність покриття. Доведено теоретичними та експериментальними дослідженнями, що створення хвилястої поверхні збільшує міцність зчеплення більш як на 24%, а найбільша щільність зони контакту досягається при хвилястій поверхні з кроковим параметром, що перебільшує розмір заповнювача не менш як в 2,5 разів. Також встановлено вплив інших чинників на адгезійну міцність покриття.

Дослідженнями фізико-хімічних процесів в системі: неорганічні в’яжучі – органічні волокна (поліамідні, поліпропіленові, вуглецеві) одержано додаткові дані, що дозволяють зробити висновок про можливість використання органічних волокон для армування покриттів на основі мінеральних в’яжучих.

Виконано аналіз теоретичних моделей композиційних матеріалів та запропоновано нову модель твердого покриття композиційного типу (патент України), що дозволяє пояснити різні види руйнувань при дії агресивних середовищ та механічних навантажень.

Отримано аналітичне рівняння залежності в’язкості дисперсно-армованої суміші від співвідношення довжини та діаметра дискретних волокон та їх вмісту, розроблено технологію нанесення покриттів в заводських та експлуатаційних умовах.

Вірогідність наукових результатів підтверджується даними експериментальних досліджень, проведених на основі планування експериментів за допомогою сучасних методів випробувань та математичної обробки результатів, а також несуперечністю відносно праць зарубіжних та вітчизняних вчених. Робота схвалена на науково-технічних конференціях, семінарах різноманітних рівнів.

Практичне значення одержаних результатів. Науково обґрунтовано та експериментально підтверджено запропоновану гіпотезу залежності стійкості покриттів від співвідношення міцнісних і деформаційних параметрів покриття, контактного шару, підложки.

Визначені критерії стійкості покриттів та розроблена методика їх досліджень створюють передумову підготовки нормативної бази вибору, розробки та проектування захисно-декоративних покриттів в залежності від властивостей поверхні конструкції та умов експлуатації.

Запропонована модель (патент України) покриття композиційного типу дає можливість наочно продемонструвати та пояснити взаємозв’язок повздовжніх та поперечних деформацій, напружень стиску та розтягу, є основою для створення розрахунково-експериментальної моделі.

Розроблена методологія досліджень стійкості системи: зп – кш – о та методика сумісного випробування покриття і підложки, при циклічній дії вологи та температури, дозволили створити установку (патент України) для перевірки правильності вибору та проведення експериментальних досліджень при розробці нових покриттів.

Аналітичний метод визначення головних параметрів армуючих компонентів покриттів: довжини та вмісту волокон дозволяє значно скоротити час досліджень при розробці покриттів та знизити їх вартість.

Розроблено основи технології нанесення захисних покриттів на поверхню конструкцій в експлуатаційних та заводських умовах. Запропоновано рецептуру ряду сумішей покриттів для захисту будівельних конструкцій та теплових агрегатів, підлоги та стін. Результати досліджень використано на підприємствах ОАО Дніпробудіндустрія, Дніпропетровському заводі металургійного обладнання, Дніпродзержинському металургійному заводі, Мелітопольському м’ясокомбінаті.

Особистий внесок здобувача. Основні результати дисертаційної роботи здобувачем одержані самостійно. Сформульовано гіпотезу підвищення стійкості покриттів в залежності від фізико-механічних властивостей системи: захисне покриття – контактний шар – підложка. Запропоновано методи керування властивостями системи шляхом армування дисперсними волокнами мінерального або органічного походження. Розроблено методологію наукових досліджень та методику сукупних досліджень систем захисту бар’єрного типу при дії агресивних зовнішніх факторів. Досліджено стійкість органічних волокон в агресивних середовищах та цементній матриці, а також вплив основи на адгезійну міцність покриттів на основі мінеральних в’яжучих. Вивчено взаємозв’язок міцнісних та деформаційних властивостей системи, розроблено теоретичні основи підвищення стійкості покриттів та запропоновано критерії оптимізації параметрів покриття, контактного шару, підложки. Розроблено теоретичну модель покриття композиційного типу. На основі теоретичних та експериментальних досліджень розвинуто уявлення про вплив дискретних волокон на міцнісні та деформаційні властивості покриттів. Досліджено стійкість армованих захисно-декоративних та жаростійких покриттів. Теоретичними та експериментальними дослідженнями вивчено реологічні властивості покриттів, запропоновано аналітичну модель визначення в’язкості та розроблено технологію їх нанесення. Проведено промислові випробування різних видів покриттів.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень оприлюднено на всесоюзних конференціях: м. Челябінськ, 1984р.; м. Батумі, 1984р; міжнародних: м. Дніпропетровськ, 1994, 1996, 2001 роках; м. Рівне, 1996 р.; м. Вінниця, 1996 р.; республіканських: м. Київ, 1984 р.; всеукраїнській, м. Полтава, 1996 р.; регіональному семінарі “Энергосбережение в строительстве и коммунальном хозяйстве“, 2000 р.; міжнародній виставці “Современный дом“, 1997 р., м. Дніпропетровськ, міжкафедральному семінарі кафедр БМВ, ФХМ та ТБМВ, МБВ, ЗБВ Харківського ТУБтаА, 2001 р., міжрегіональному семінарі “Проблемы современного материаловедения“, Дніпропетровськ, 2001, 2002 роках.

Публікації. Основні результати роботи викладено в 44 друкованих працях, з них – 18 без співавторів. В авторефераті наведено список 40 друкованих праць із загальної кількості опублікованих робіт, у тому числі 1 монографія, 26 статей у наукових журналах та збірниках наукових праць, 10 – у працях, тезах, семінарах, 1 – авторське свідоцтво, 2 – патенти України. У самостійних працях [2, 10-15, 18-20, 22-24, 27, 28 37, 40] викладено основні наукові положення, розглянуті в дисертації. У роботі [1] автором розроблено методологію досліджень, запропоновано гіпотези стійкості та армування, викладені результати досліджень. У спільних працях [3-9, 16, 17, 21, 25, 26] автор брав участь у розробці методик експериментів, проведенні випробувань, обробці та обговоренні результатів. Особистий внесок автора в публікації [29-36] полягає у підготовці та проведенні досліджень в цілому, остаточному викладенні результатів. У роботах [38, 39] автором запропоновано основні ідеї винаходів, дослідження, викладення матеріалу.

Обсяг та структура роботи. Дисертація складається із вступу, шести розділів, основних висновків, списку використаних джерел (335 найменувань) та додатку. Обсяг роботи становить 335 сторінок машинописного тексту, у тому числі: 133 рисунки, 57 таблиць, 12 сторінок додатку.

О С Н О В Н И Й З М І С Т Р О Б О Т И

У вступі обґрунтовано актуальність досліджень стійкості захисних покриттів бар’єрного типу, відзначено наукову новизну, практичне значення одержаних результатів, наведено загальну інформацію про роботу, апробацію та кількість публікацій.

В першому розділі зроблено аналіз чинників, що впливають на стійкість різних видів покриттів, та розглянуті питання, пов’язані з підвищенням довговічності захисту будівельних конструкцій та теплових агрегатів, і запропоновано один із шляхів вирішення даної проблеми. Проведено аналіз теорій композиційних матеріалів та дано загальну характеристику сучасних матеріалів, що використовуються для дисперсного армування. Запропоновано генеральну гіпотезу підвищення стійкості покриттів та гіпотезу цілеспрямованого керування їх міцнісними та деформаційними властивостями.

Порівнюючи різні види покриттів, можна відзначити, що загальними вимогами є довговічність та техніко-економічна цілеспрямованість. Одним із аспектів, впливаючих на довговічність, є стійкість – здатність покриттів зберігати або збільшувати міцність при дії фізико-механічних та хімічних чинників зовнішнього середовища.

Широке використання покриттів на основі мінеральних в’яжучих обумовлюється їх низькою собівартістю, наявністю бази сировини. Але в процесі експлуатації для них є характерним те, що вони змінюють свою структуру, мінералогічний склад і відповідно міцнісні та деформаційні властивості. Як наслідок, порушується рівновага системи, що викликає руйнування захисту на рівні покриття, контактного шару або підложки.

Отже, при розробці покриттів слід не тільки передбачати зміну властивостей покриття і підложки, але й планувати зміну співвідношень їх властивостей в процесі експлуатації. Армування дискретними волокнами матеріалів, що використовуються для виготовлення покриттів, дозволяє цілеспрямовано змінити міцнісні та деформаційні властивості покриттів і таким чином збільшити границі рівноваги системи і, відповідно, термін їх експлуатації.

Сучасні положення композиційних матеріалів, армованих волокнами, базуються на роботах вітчизняних вчених: О.О. Пащенка, В.Д. Глуховського, В.І. Бабушкіна, В.А. Вознесенського, П.В. Кривенка, В.П. Сербіна, В.А. Лисенка, Р.Ф. Рунової, М.В. Шпирька, Г.Д. Діброва, К.Л. Бирюковича, О.П. Ушерова-Маршака, Л.Й. Дворкіна, І.М. Грушка та інших вчених КНУБА, НУ України КПІ, ХДТУБтаА, ОДТУБА, НДІБМ ім. В.Д. Глуховского, ПДАБтаА; російських вчених: Р.С. Сайфуліна, П.М. Огібалова, І.А. Лобанова, К.В. Михайлова, М.С. Асланової, В.І. Соломатова, Ф.І. Рабіновича, Ю.П. Горлова та інших; зарубіжних вчених: В.Б. Арончика, А.А. Канайса, Т. Фудзії, М. Дзако, А. Дж. Маджумдара, П.Л. Уолтона, А.П. Хібберта та інших.

Проте у вітчизняній та зарубіжній літературі недостатньо інформації про використання органічних волокон для армування покриттів на основі мінеральних в’яжучих, стійкості волокон в агресивних середовищах та впливу їх параметрів (довжини, діаметра, вмісту) на міцнісні та деформаційні властивості. Відсутні відомості про вплив модуля пружності органічних та мінеральних волокон на механічні властивості матриць.

На основі аналізу науково-технічної літератури, звітів про наукові дослідження, патентів, авторських свідоцтв та попередніх дослідів автор в якості генеральної гіпотези пропонує стійкість покриттів розглядати в залежності від фізико-механічних та хімічних властивостей системи: захисне покриття – контактний шар – основа. В зв’язку з тим, що дія різних чинників призводить до руйнування покриття, контактного шару або ж матеріалу поверхні конструкції,

можна записати умови стійкості у вигляді системи рівнянь:

Rп = f1 (X11; X12;...X1n, t)

Rкс = f2 (X21; X22;...X2n, t) (1)

Rо = f3 (X31; X32;... X3n, t),

де Rп; Rкш; Rо – міцність при розтягу або стиску відповідно: покриття, контактного шару, основи (підложки);

Х1n; Х2n; Х3n – агресивні чинники, що діють на систему;

t – час.

Отже, для підвищення стійкості системи відношення міцнісних та деформаційних параметрів повинно бути стабільним в часі: Rп / Rо = Const; де Rп; Rо – відповідно: міцність покриття та основи.

Проаналізувавши способи зміни параметрів покриттів, теоретичні та практичні дослідження композиційних матеріалів, автор запропонував другу гіпотезу – варіантом досягнення стабільності системи може бути армування дисперсними волокнами з модулем пружності в залежності від властивостей покриття. В моделях матеріалів, армованих дискретними волокнами, робота волокон розглядається в основному при розтягу композиційного матеріалу. Волокна працюють на розтяг, як при безперервному армуванні, і перешкоджають розкриттю щілин. В роботі пропонується механізм дії армуючих волокон, який полягає в тому, що волокна не тільки сприймають напруження розтягу, але й перешкоджають переміщенню мікроблоків матеріалу.

В роботі також запропоновано гіпотезу визначення параметрів армуючих компонентів, їх вплив на реологічні властивості сумішів на основі мінеральних в’яжучих, армованих дискретними волокнами.

В другому розділі на основі тематичного аналізу інформації різних джерел розроблена методологія досліджень. Сформульовано найбільш актуальні теоретичні та експериментальні задачі.

В дисертаційній роботі основним методом теоретичних досліджень підвищення стійкості покриттів був гіпотетичний метод. Його методологія включала в себе наступне: вивчення фізичної, хімічної та механічної суті процесів руйнування покриттів на основі мінеральних в’яжучих, впливу різних чинників (агресивного середовища, міцнісних та деформаційних параметрів покриття та підложки, стану поверхні) на їх стійкість. Методами синтезу вивчались явища, що діють на систему в цілому. Проведено аналіз сучасних досліджень та розроблено розрахункові схеми і моделі відповідно до запропонованих гіпотез.

Основна мета експериментальних досліджень в роботі – це перевірка запропонованих гіпотез та одержання додаткової інформації про механізм дії різних чинників як на стійкість системи в цілому, так і на стійкість окремих її елементів.

Теоретичні та попередні експериментальні дослідження показали, що міцнісні показники покриттів не завжди визначають їх стійкість. Спостерігається низка випадків, коли підвищення міцності покриттів призводить до негативних наслідків. На основі запропонованої гіпотези стійкості покриттів в залежності від співвідношення міцнісних та деформаційних параметрів системи: зп – кш – о розроблено розрахункові схеми, у відповідності з якими і проведено теоретичні дослідження впливу властивостей кожної ланки системи при дії на неї зовнішніх або внутрішніх чинників. З метою практичного вивчення зміни міцнісних та деформаційних параметрів системи при дії зовнішнього середовища була розроблена методика досліджень та установка для сумісних випробувань системи.

В науково-технічній літературі вміст волокон визначається в основному із правила адитивності, потім вводять коефіцієнт орієнтації і уточнюють вміст волокон. В роботі запропоновано інший підхід визначення вмісту волокон, що базується на міркуваннях рівної міцності одиничних об’ємів волокна і матриці: Рв = Рм, де Рв, Рм – навантаження на одиничний об’єм, відповідно волокна та матриці. Для перевірки ідеї використали методи теоретичних та експериментальних досліджень.

Проблема армування нерозривно пов’язана з фізико-хімічними процесами, що проходять на границі волокно – матриця і впливають на міцність граничного шару та стійкість волокон. У випадку деградації волокон, тобто їх руйнування в процесі експлуатації, вирішення проблеми підвищення стійкості покриттів шляхом армування не має змісту.

Для одержання додаткових даних про стійкість органічних волокон методологією досліджень в роботі передбачено обґрунтування використання агресивних середовищ та методик випробувань. Для визначення корозійної стійкості органічних волокон використовувались наступні агресивні середовища: насичений розчин гідроксиду кальцію Са(ОН)2 – ,48 г/л, рН ,45; розчин, відповідний до розчину витяжки (Лавранса), Са (ОН)2 – 0, 48 г/л, або 6,5 10-3 мол/л, КОН – 3,45 г/л, або 6,2 10-2 мол/л, NaOH – 0,88 г/л або 2,2 10-2 мол/л, рН ,05; розчин лугів NaOH та КOH з рН еквівалентним розчину витяжки; розчин КOH, рН = 13,70; розчин NaOH, рН = 13,50; розчин цементної матриці.

В нинішній час не існує єдиної методики визначення стійкості різних видів покриттів в залежності від умов експлуатації. Так, наприклад, в різних дослідженнях за критерій корозійної стійкості приймають зміну маси, міцності, швидкості поглинання іонів за одиницю часу на одиницю поверхні, об’ємну деформацію та зміну структури. Найбільш широко використовується коефіцієнт стійкості – відношення міцності зразка після дії агресивного середовища до міцності контрольного зразка, який використовувався також в роботі для оцінки стійкості покриттів.

Логічний аспект вирішення проблеми підвищення стійкості покриттів передбачає експериментальну частину, напрямок якої – проведення випробувань армованих дискретними волокнами та неармованих зразків покриттів в різних агресивних середовищах, порівняння їх властивостей. В якості критеріїв порівняння покриттів на основі мінеральних в’яжучих використовувались наступні властивості: міцність, відносна деформація, при однакових зовнішніх діях, корозійна стійкість. Для жаростійких, додатково – деформація при першому нагріванні, термостійкість.

Важливою стороною наукових досліджень є впровадження їх у виробництво, що потребує розробки технологічного процесу. В даному випадку важливим є технологічний процес, що поділяється на дві частини: підготовка суміші та нанесення її на поверхню конструкції. Він визначається початковими властивостями компонентів та реологічними властивостями суміші, визначення яких проводились згідно із стандартними методиками.

Визначення фазового складу компонентів та зміни структур під час випробувань в агресивних середовищах проводилися за допомогою методів рентгенографічного, диференціально-термічного, електронно-мікроскопічного аналізів.

Для цілеспрямованої зміни властивостей покриттів в роботі використані волокна органічного та мінерального походження з модулем пружності від 600 до 80000 МПа, діаметром 0,005 – ,1 мм та довжиною 10 – 20 мм.

В третьому розділі розглянуті фізико-хімічні процеси в системах, що проходять в системах мінеральні в’яжучі – органічні волокна і визначають доцільність використання останніх в якості армуючих компонентів. В якості органічних волокон використані поліамідні, поліпропіленові та вуглецеві. Для визначення їх параметрів: довжини та кількісного вмісту були проведенні попередні дослідження. Також вивчався механізм дії стану поверхні на величину адгезії покриття.

Визначення міцності контактного шару між волокном та матрицею базувалось на відомій методиці витягнення волокон з матриці. Довжина волокон, при якій приблизно 50 відсотків волокон витягується, а 50 відсотків розривається, використана для розрахунків величини адгезії матриці і волокна та довжини дискретних волокон (табл. 1).

Уточнення довжини волокон проводилось визначенням міцності при розтягуванні, стиску та ударній в’язкості зразків, армованих дискретними волокнами різної довжини. Встановлено, що оптимальна довжина волокон відрізняється при роботі композиційних матеріалів на стиск, розтяг, удар. Так, при роботі на стискання довжина поліамідних і поліпропіленових волокон дорівнює відповідно 8 – 10 мм та 8 – 12 мм, а при розтягу обох видів 11 – 12 мм. При випробуваннях на ударну в’язкість вона збільшується до 13 мм. Дослідження структури дисперсно-армованих матеріалів показало, що довжина волокон залежить від схеми роботи волокон та міцності контактного шару. Наприклад, при стиску зразків армованої матриці довжина волокон знижується на 5 – 10 відсотків в порівнянні з їх довжиною при розтягу. Теоретично це пояснюється більш просторовою стійкістю коротких волокон. При роботі дисперсних волокон на розтяг їх довжина визначається міцністю контактного шару при рівних діаметрах. Наприклад, при міцності контактного шару 0,4 МПа довжина поліпропіленових волокон дорівнює 12 мм, поліамідних та вуглецевих, відповідно, 0,38 МПа – 12,3 мм; 0,25 МПа – 20 мм.

Таблиця 1

Критична довжина волокон

Волокно | Діаметр, мкм | Міцність волокон, бр, МПа | Міцність кш, , МПа | Критична довжина, lкр, мм

Поліпропіленове | 24 | 400 | 0,40 | 12,0

Поліамідне | 27 | 600 | 0,38 | 12,3

Вуглецеве | 5 | 2000 | 0,25 | 20,0

Стійкість волокон впливає на можливість їх використання в якості армуючого компоненту або ж на проведення додаткових заходів захисту. На стійкість волокон впливають головним чином склад і властивості середовища. Використані в роботі цементні в’яжучі в результаті гідролізу та гідратації клінкерних мінералів збагачують рідку фазу гідроксидом кальцію Са(ОН)2, яка через 6 – 7 діб досягає максимуму, рН = 13 – , на що вказують роботи О.О. Пащенка, В.П. Сербіна та ін. Висока лужність пояснюється не лише присутністю гідроксиду кальцію, рН = 12,6, але й присутністю лугів, частина яких залишається в рідкій фазі у вигляді гідросилікатів або сульфатів. Решта утворює комплексні сполучення з гідросилікатами. Спираючись на рекомендації вітчизняних та зарубіжних вчених, для дослідження стійкості волокон автор використав модельні середовища, склад яких приведено вище. Стійкість волокон визначали на протязі 1 – років, при цьому дотримували постійну концентрацію розчинів та температуру.

Проведені дослідження показали, що втрата маси при зберіганні волокон в модельних середовищах поліамідних, поліпропіленових та вуглецевих волокон дорівнює відповідно – 0,5; 0,8 та 1 відсоток. Порівнянням інфрачервоних спектрів та мікрофотографій усіх видів волокон не зафіксовано значних змін структури і руйнування поверхні. Випробування на міцність підтвердили надійну стійкість органічних волокон в даних агресивних рідинах, зниження міцності склало менш ніж 1 – відсотка за рік. В дійсності волокна знаходяться в більш жорстких умовах, ніж в рідких агресивних середовищах. Фізико-хімічні процеси, що проходять при твердінні, викликають збільшення внутрішніх напружень. Це призводить до підвищення швидкості корозії волокон. У зв’язку з цим в роботі проведено дослідження стійкості волокон в середовищі цементного каменю. Зразки, армовані дискретними волокнами, піддавали випробуванням на стиснення, розтягнення, згин та ударну в’язкість, через відповідні проміжки часу (табл. 2).

Таблиця 2

Коефіцієнт стійкості волокон в цементній матриці

(при випробуванні зразків на розтягнення)

Матриця армована волокнами | Термін випробувань, дні

90 | 180 | 360 | 1080

Поліпропіленовими | 0,96 | 0,94 | 0,92 | 0,87

Поліамідними | 0,97 | 0,93 | 0,91 | 0,89

Вуглецевими | 1,00 | 1,00 | 1,00 | 0,99

Дослідження, проведені за допомогою електронної мікроскопії поверхні волокон, що містилися в цементній матриці, не виявили руйнувань. Таким чином, механічні випробування зразків підтвердили попередні висновки про можливість використання органічних волокон для армування покриттів на основі цементної матриці.

Поверхня твердого тіла віддзеркалює специфіку внутрішньої структури матеріалу. Разом з тим за фізичним і хімічним станом поверхневий шар значно відрізняється від речовини в об’єму. Поверхня практично усіх твердих тіл внаслідок сорбційної здатності має різні домішки, забруднення, вологу, що збагачена карбонатами. Крім того, значний вплив на адгезію контактного шару здійснює рельєф поверхні. Відповідно з дифузійною теорією (С.Л. Вигоцького, Х.Ф. Тейлора, А. Адамсона), адгезія обумовлюється дифузією мікромолекул в поверхневі шари твердого тіла. Умовами для дифузії є відношення полярності контактних речовин, їх повне або часткове поєднання. Мікрорельєф або атомно-молекулярна шорсткість пов’язані з природою матеріалу, умовами виготовлення та експлуатації конструкції. Рельєф поверхні визначає витрати матеріалів і впливає на адгезійну міцність. В процесі твердіння змінюється хімічний склад, структура та властивості покриття та контактного шару, проходять конформаційні зміни макромолекул, можлива активація підложки та поява напружень в контактному шарі та самому покритті. В процесі експлуатації попередні зв’язки можуть зберігатися, руйнуватися або доповнюватись новими.

В ідеальному випадку покриття бар’єрного типу повинно мати міцність, а також пружність, щоб забезпечити можливість деформації самого покриття по відношенню до підложки та деформації з боку підложки. Таким чином, властивостями, що впливають на адгезійну міцність і можуть бути змінені при підготовці підложки та нанесенні покриття, є рельєф, вологість, пористість та карбонатизація поверхні.

Подальші дослідження впливу рельєфу поверхні на адгезійну міцність виявили, що поміж рівного, у вигляді трикутника та хвилястого з висотними (R) та кроковими (S) параметрами, відповідно – 5 та 10-12 мм, останній є найбільш сприятливий (див. табл. 3).

Таблиця 3

Міцність зчеплення покриття та підложки

Рельєф

поверхні | Поверхня, м2 | Збільшення поверхні, % | Міцність зчеплення, МПа

КЦР | ЦПР-1

розрахункова | дійсна

7 діб | 28 діб | 7 діб | 28 діб

Рівний | 1,00 | 1,1 | 10 | 1,10 | 1,45 | 0,80 | 1,20

Хвилястий | 1,00 | 1,5 | 50 | 1,37 | 1,80 | 1,05 | 1,41

Трикутниковий | 1,00 | 1,4 | 40 | 1,15 | 1,52 | 0,95 | 1,15

Примітка: КЦР, ЦПР, відповідно – колоїдно-цементний та цементно піщаний розчин

Як показують теоретичні та експериментальні дослідження, при рівній поверхні захисне покриття не повинно мати усадку або розширення, тому що при великій площі значно збільшуються напруження зсуву, в результаті це призводить до руйнування контактного шару. Трикутниковий рельєф поверхні, як показують механічні дослідження адгезійної міцності, проведені по методу відриву, при збільшенні величини поверхні до 40 відсотків не забезпечує відповідного підвищення міцності зчеплення. Проведені оптичні аналізи виявили відсутність контакту покриття і підложки більш як у 85% впадин, що спричиняється защепленням повітря при формуванні та розмірами наповнювача. Крім того, на вершинах трикутникового рельєфу внаслідок різкої зміни товщини покриття існує значна концентрація напружень, це підтверджують щілини, що виникають при циклічній дії тепловологісних чинників.

Важливими властивостями захищуваної поверхні, що визначають механізм залежності величини адгезії покриття, є пористість, вологість та карбонатизація поверхні конструкції. Так, збільшення поверхневої пористості і вологості більше ніж 4-5% призводить до зменшення величини адгезії за рахунок защеплення повітря та зміни структури контактного шару. Карбонатизація в свою чергу також змінює структуру поверхні. Ці обставини повинні бути враховані і потребують проведення додаткових заходів для зменшення негативних наслідків при нанесенні покриттів.

Четвертий розділ містить теоретичні основи підвищення стійкості захисних покриттів, які відповідно до генеральної гіпотези пропонуються розглядати в залежності від фізико-механічних та хімічних властивостей системи: захисне покриття – контактний шар – основа (підложка). Умови стійкості записані в вигляді рівняння (1), а підвищення стійкості досягається збереженням в часі в певних межах співвідношень елементів системи. У відповідності з методикою досліджень шлях досягнення мети складався з трьох головних теоретичних та експериментальних етапів: 1 – визначення впливу різних чинників агресивного середовища на властивості кожної ланки системи; 2 – визначення впливу тих же чинників на властивості та стійкість системи в цілому; 3 – розробка шляхів зміни співвідношень властивостей ланок системи з метою підвищення її стійкості.

Внаслідок фізико-хімічних процесів, що проходять під час експлуатації в покриттях, виготовлених на основі мінеральних в’яжучих, одержати незмінну систему практично неможливо. Дія різних чинників викликає зміну структури, мінерального складу та ін., що в першу чергу позначається на зміні міцності та відносній деформації окремих ланок системи. Отже, зміна властивостей на одному рівні системи викликає додаткові напруження на всю систему, що може викликати руйнування окремих її ланок і, як результат, припинення захисної дії покриття.

При експлуатації захисних покриттів особливо важливою є відносна деформація ланок системи: захисне покриття – контактний шар –підложка, тому, на нашу думку, за чинник, що визначає поєднання різних ланок, можна прийняти критерій граничного розтягування, запропонований П.І. Васильєвим, або деформаційний критерій, що використовується Корпусом військових інженерів США.

В роботі показано, що стійкість покриттів залежить не тільки від властивостей окремих ланок, але й від співвідношення параметрів всієї системи. Зміни від дії зовнішніх та внутрішніх чинників на одному рівні призводять до зміни деформаційних і міцнісних властивостей на другому. Тому можна записати:

Rп = f1 (X11; X12;...X1n, t) зп = 1 (Z11, Z12, … Z1n, N),

Rкс = f2 (X21; X22;...X2n, t), кс = 2 (Z21, Z22, … Z2n, N), (2)

Rо = f3 (X31; X32;... X3n, t),, о3 (Z31, Z32, … Z3n, N),

де Х1n, Х2n, X3n, Z1n, Z2n, Z3n – відповідно властивості захисного покриття, контактного шару, підложки; N – чинник зовнішньої дії;

Rc, Rзп, Rкш, Rо, с, зп, кш, о, – відповідно міцність та відносне видовження захисного покриття, контактного шару, основи.

Прийнявши, що Rзп, Rкш, Rо та зп, кш, о знаходяться в межах Rмакс – Rмін, макс – мін та Rкш = Rзп, кш = зп, отримали головні випадки співвідношення деформаційних та міцнісних параметрів системи, які можливо уявити при розгляді пружної дільниці діаграми б – (рис. 1).

Рис. 1. Варіанти співвідношення напружень – (б) та деформаційних – () параметрів системи:

1 – захисне покриття;

2 – контактний шар;

3 – підложка;

б – напруження при розтягуванні;

– відносне видовження.

Варіант а. Модулі пружності пружної дільниці діаграми б – , захисне покриття – підложка, рівні: Езп = Ео; (рис. 1а). Варіант б. Модуль пружності діаграми б – , захисного покриття менший, ніж підложки: Езп Ео; (рис. б). Варіант в. Езп Ео (рис. 1в), варіант, відповідаючий системі, в якій в якості підложки використовується, наприклад, ніздрюватий бетон.

Позначивши коефіцієнтом К1 – відношення міцнісних (б) та К2 – відношення деформаційних () параметрів системи, можемо записати їх значення у вище вказаних варіантах (рис. 2). Аналізуючи отримані коефіцієнти, можна відмітити, що у варіанті 1а існує прямо пропорційна залежність між коефіцієнтами К1 та К2

Так, при К1 = 1, К2 = 1, захисне покриття, контактний шар і основа (підложка) являють систему з однорідними властивостями по всій товщині, імовірність руйнування дорівнює близько 30Таким чином, в даному випадку систему можна розглядати як один матеріал. Крім того, напруження, які виникають від дії зовнішніх та внутрішніх чинників, не можуть викликати руйнування на другому рівні системи.

Рис. 2. Вплив модулів пружності покриття та підложки на коефіцієнти К1 та К2.

Так, наприклад, напруження стиснення або розтягування від дії зовнішніх зусиль на підложку викличуть зміну відносної деформації. Але величина деформації, допустима для підложки, не може викликати руйнування на другому рівні системи, тому що зп = кш = о. Подальший аналіз співвідношення параметрів показує, що найбільш стійкою є системи, в яких К1 = 1 або К2 1.

Теоретичні та експериментальні дослідження руйнувань покриттів підтверджують дієвість запропонованих критеріїв та можливість передбачити в процесі експлуатації збереження сталості співвідношень міцнісних або ж деформаційних параметрів системи.

Розглядаючи різні види моделей твердих тіл та теорій їх руйнування, автор виділив ті, які припускають, що матеріал не має суцільну ізотропну фазу. Це моделі А.Є. Десова, Т. Сю, А. Бакера, І.Н. Ахвердова, В.Г. Зазимко, Т. Гансена, В.І. Соломатова, В.П. Селяєва, В.В. Волошина, О.Е. Шейкіна, О.Я. Берга. На основі аналізу теоретичних моделей в роботі удосконалена структурно-функціональна модель твердого тіла, в якій за рахунок особливостей конструктивного виконання її елементів збільшується кількість модельованих параметрів і підвищується наочність демонстрації (рис.3).

Рис. 3. Структурно-функціональна модель твердого тіла (покриття).

Запропонована модель підтверджує гіпотезу, що дискретні волокна працюють не тільки на розтягування, а й протидіють зміщенню мікроблоків. Це пояснює підвищення міцності армованих матеріалів при стиску, згину та ударі.

Модель складається із об’єму 1, заповненого кристалогідратними утвореннями 2, що з’єднуються контактними зв’язками 3 (згідно моделей Максвела та І.Н. Ахвердова), вільний об’єм заповнений матеріалом відповідної пористості 4. Половина кристалогідратних утворень у вигляді куль 5 розподілені на три частини і імітують відповідний вид корозії за працями В.М. Москвіна. Кулі 6 відображають заповнювач.

Модель враховує положення фізичної теорії міцності цементного каменю, при яких робота від зовнішнього навантаження накопичується в матеріалі в формі енергії, що викликає викривлення міжатомних зв’язків, розрив або розрив та утворення нових міжкристалічних зв’язків, що в свою чергу веде до виникнення різних видів деформацій. Дії зовнішнього навантаження на мікро- або макроблок викликають зміну лінійних розмірів не тільки в площині дії сили, але і в взаємноперпендикулярних площинах під дією вторинних напружень, що виникають в структурі матеріалу (рис.4).

Рис. 4. Схема виникнення напружень розтягування.

(Приведено головні напруження розтягування та стискування)

Розглядаючи стійкість покриттів в залежності від стійкості системи, відзначимо, що регулювання співвідношень міцнісних та деформаційних параметрів можна досягти різними методами.

На наш погляд, одним із таких методів є армування дисперсними волокнами,