Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. «Лакокрасочные покрытия в фасадных системах в условиях городской среды, их качество и стабильность свойств»
1.1. Основные способы отделки фасадов 7
1.1.1. Исторические типы фасадов 7
1.1.2.Современные виды фасадов и их использование в цветовой концепции г. Москвы 10
1.2 Анализ факторов городской среды влияющих на сохранение лакокрасочных покрытий фасадных поверхностей 18
1.3. Анализ тенденций в использовании лакокрасочных фасадных покрытий..25
1.4. Анализ существующей системы качества лакокрасочных материалов для фасадных покрытий 33
1.5. Анализ взаимодействия ЛКМ и городской среды 35
Глава 2. «Характеристика объектов и выбор методов исследования»
2.1. Объекты натурных и лабораторных исследований 39
2.2. Методы исследования 43
2.2.1. Инструментальные исследования на объектах 44
2.2.2. Лабораторные методы исследований 47
2.2.3. Пример математической обработки результатов исследований 51
2.2.4. Методика стендовых испытаний 54
Глава 3. «Исследование механизма коррозионных повреждений ЛКП»
3.1. Типизация селитебных территорий и результаты мониторинга фасадных поверхностей 59
3.1.1. Исследование красочных слоев ЛКП зданий исторической застройки...66
3.1.2. Результаты визуально-инструментальных мониторинговых исследований состояния ЛКП фасадов : 69
3.1.3. Результаты лабораторных исследований образцов пыли и І образцов-кернов ЛКГІ! и ЛКПц, взятых с неповрежденных и поврежденных участков фасадных поверхностей 77
3.1.4. Особенности повреждающих процессов в системах ЛКП с применением наружной теплоизоляции 85
3.2. Результаты лабораторных исследований образцов ЛКМ-І и ЛКМ-И 90
3.3. Исследование механизма развития коррозионных повреждений лакокрасочных фасадных поверхностей 103
Глава 4. «Рекомендации по повышению надежности ЛКП».
4.1. Принципы повышения надежности, качества ЛКП 110
4.2. Элементы информационной системы менеджмента качества ЛКП
4.2.1. Алгоритм методики мониторинга состояния ЛКП 117
4.2.2. Экологическая оценка и выбор ЛКМ, обеспечивающий надежность и безопасность фасадных систем 121
Выводы 139
Список литературы 141
Приложения.
- Исторические типы фасадов
- Инструментальные исследования на объектах
- Результаты лабораторных исследований образцов пыли и І образцов-кернов ЛКГІ! и ЛКПц, взятых с неповрежденных и поврежденных участков фасадных поверхностей
Введение к работе
Фасады зданий - градостроительные объекты, носители историко — архитектурной и колористической информации города. Фасады осуществляют конструкционные, ограждающие и эстетические функции, создавая гармоничную городскую среду, обеспечивая экологическую комфортность внутри помещений, оказывают благоприятное воздействие на человека.
Сегодня особую значимость приобретают эстетические характеристики фасадных поверхностей, в первую очередь, колористические возможности лакокрасочной продукции, позволяющие решать проблемы видеоэкологии города. Поэтому лакокрасочные материалы (ЛКМ) активно используются в качестве отделочных материалов в фасадных системах новых и исторических зданий. К лакокрасочным покрытиям (ЛКП - включает в себя красочный слой и подложку) предъявляются требования не только по эстетическим свойствам, они должны также выполнять функции защиты зданий от агрессивного воздействия городской среды.
Из-за экологических проблем мегаполиса лакокрасочные фасадные поверхности быстро теряют не только свои эстетические показатели, но и защитные функции, не выдерживая установленных сроков текущего ремонта (межремонтный срок для фасадов зданий установлен в 10 лет, а для зданий, расположенных в центре города или на основных магистралях - 5 лет.). Наблюдаются сильное загрязнение поверхности фасадов, быстрая деструкция красочного слоя покрытия и штукатурных растворов. Это приводит к увлажнению стен, снижению их теплозащитных характеристик. При появлении избыточной влаги и нарушении тепловлажностного режима ограждающих конструкций внутри помещений возрастает опасность биохимической коррозии внутренних отделочных материалов стен и в воздухе помещений появляются биозагрязнители, опасные для здоровья людей.
Несмотря на изученность вопроса о деструкции ЛКП в целом и обязательную проверку качества ЛКМ, трудно судить о причинах возникновения быстрого повреждения ЛКМ. Практика показывает, что более
5 40% окрашенных фасадов в ЦАО г, Москвы в реальных условиях городской
среды имеют повреждения уже в 1-й год службы. Это может быть связано с
изменением условий эксплуатации, появлением неучтенных факторов и малой
изученностью механизмов коррозионных повреждений. Факторы же
воздействия и механизмы взаимодействия реальной среды эксплуатации
настолько сложны, что не представляется возможным смоделировать их в
лабораторных условиях - требуется проведение комплексных исследований на
объектах.
Сопряженной с проблемой быстрого повреждения ЛКП и частых
ремонтов фасадов является проблема загрязнения окружающей среды (ОС)
лакокрасочной продукцией на всех этапах жизненного цикла. Поэтому важным
является вопрос оценки экологической безопасности ЛК продукции. Введение
экологических критериев продукции является важной задачей для
разрабатываемой сегодня системы управления качеством окружающей среды (в
рамках международных стандартов серии ИСО 14000).
Целью настоящей работы является повышение надежности ЛКП и
экологическая оценка качества при выборе лакокрасочных материалов для
фасадных поверхностей в условиях агрессивной городской среды.
Для достижения этой цели определены следующие задачи:
Определение причин повреждений ЛКП на фасадах и разработка атласа повреждений.
Разработка методики исследований повреждений ЛКП для оценки влияния подложки, состава ЛКМ и факторов ОС.
Исследование механизма развития коррозионных повреждений лакокрасочных фасадных поверхностей для ЛКМ на территориях с повышенным уровнем загрязнения.
Проведение экспериментальных исследований изменений свойств ЛКМ и установление взаимосвязи между особенностями структуры ЛКМ и стойкостью покрытия.
5. Разработка элементов системы менеджмента качества ЛКП, включающих алгоритм мониторинга, стендовые испытания эксплуатационных качеств ЛКМ, экологическую оценку ЛКМ на стадии проектирования и эксплуатации. Научная новизна:
В связи с изменившимися условиями эксплуатации ЛКП предложен новый подход к классификации примагистральных территорий, учитывающий градостроительное положение объекта, степень влияния негативных факторов ОС для дифференциации требований при выборе ЛКМ.
Определено влияние веществ загрязнителей на надежность ЛКП: сульфатов (из подложки и ОС); метастабильных фаз кальцита (из ЛКМ и подложки); пыли (содержащей абразивные и химические вещества).
Установлено, что стабильность ЛКП при прочих равных условиях определяется видом наполнителя ЛКМ и убывает в ряду: кристаллических (порошок кварцевого песка, известняка, мрамора), аморфных (мел, тальк).
Разработан алгоритм методики мониторинга состояния ЛКП для прогнозирования стойкости и надежности защитных свойств. Практическая значимость:
Разработан проект атласа типичных повреждений, отражающий взаимосвязь градостроительной положение объекта и характерных видов повреждений ЛКП, который может быть использован для повышения объективности при экспертной оценке качества ЛКП.
Предложен класс надежности ЛКП, учитывающий тип примагистральной территории, пылевые нагрузки и вид наполнителя.
Разработаны структурные элементы системы менеджмента качества ЛКП:
модифицированная методика стендовых испытаний, учитывающая влияние подложки и реальные условия эксплуатации;
методика экологической оценки качества ЛКМ в рамках стандартов ИСО 9000 и 14000 по этапам жизненного цикла материалов, включающая информационные карты экологического предпочтения к применению.
Исторические типы фасадов
Наиболее древним и традиционным материалом для строительства и отделки фасадов на Руси считается древесина. Полифункциональность материала, его прочностные характеристики, цвет, текстура обеспечивали конструкционное и декоративно-отделочное решение фасада. «Дома их деревянные построены весьма плотно и тепло из сосновых бревен, которые кладутся одно на другое и скрепляются по углам связями. Между бревнами кладут мох, для предохранения от действия наружного воздуха» [105]. Для защиты древесины от гниения применялась специальная обработка материала. Среди документов Петра I хранится книга Петра Ларионова: «Ксилобалзамум, или деревянный балсам», где имеются рассуждения о влиянии соли, спирта, квасцов в качестве консервирующих веществ и говорится о пропитке дерева бальзамом. Легкость обработки материала позволяла богато декорировать резным деревом фасады храмов, палат бояр, теремов. Декоративные узоры присутствовали на фронтонах домов, карнизах, окнах, дверях. Также украшались резьбой различные хозяйственные сооружения, калитки и ворота, являющиеся составными элементами жилой застройки. Цвет дерева определял общий колорит Москвы с XI века и до самой эпохи нарышкинского барокко.
Появление фасадов из природного камня в Москве следует отнести к сооружению в 1326 г. храма Успения Богоматери в Кремле (не считая белокаменного храма 1272 г. в Даниловском монастыре). Дальнейшее возведение пяти храмов в течение семи лет свидетельствует о быстром внедрении нового материала в московское строительство. Высокая прочность, огнестойкость, цвет, фактура материала обусловили его применение в культовых и оборонительных сооружениях. Природный камень обычно имел квадратную форму, размеры делались различные на заказ. Швы кладки отличались большой толщиной (до 35 мм). В известковом растворе находился крупнозернистый песок москворецкого типа. Первые каменные строения резко выделялись среди серого цвета деревянной застройки, создавая образ Москвы «белокаменной». При строительстве крепостных ограждений в Москве ("белый город") использовали кирпич. Цоколь облицовывали тесанным белым камнем. Часто кирпич применяли только для наружной облицовки стен, которые внутри имели заполнения из бута и щебня, залитого известковым раствором. Начиная с середины XVI века (1583 года создание Приказа каменных дел) в Москве расширяется объем каменного строительства. Возводятся жилые здания: хоромы, терема и приходские здания. Известняк применяется в качестве конструкционного и отделочного материала; резные детали украшают оконные и дверные наличники, карнизы на фасадах зданий. Позднее (XVIII-XIXBB.) белый камень используется для облицовки цоколей и различных архитектурных элементов.[81]
Примерно с середины XVII века происходит усовершенствование строительной техники. Улучшается качество кирпича и кирпичной кладки (уменьшение толщины стен). Широкие формообразующие возможности стеновых керамических материалов обеспечивают архитектурную выразительность, пластику фасадов. Керамические изразцовые детали, вставленные в кирпичную кладку; детали из резного белого камня; а также цветные росписи наружных стен здания получают большое применение в декоративной отделке фасадов. Происходит постепенная смена конструкционных материалов, формирующих поле стены фасада, на конструкционно-отделочные и отделочные, тем самым усложняется фасадная система в целом, появляется проблема совместимости материалов. XVIII век принес армирование ограждающих конструкций металлом; а также появление более водостойких вяжущих: гидравлическая известь и романцемент. Их получали обжигом известняков с повышенным содержанием глинистых веществ, а также мергелей и искусственных смесей известняка и глины. Архитектурное решение фасадов пластически насыщено: изобилует богатой лепниной, декоративной скульптурой. Цвет поля стены использовался для усиления этой пластики. Применялось сочетание активных цветов: красного, оранжевого, сине-голубого, зеленого с белым. Белым окрашивали элементы декора, а полю стены придавали насыщенные цвета. Для отделки применяли искусственный мрамор, стекло, гипс. Наиболее принципиальные изменения в колористику Москвы принес пожар 1812 г., который уничтожил деревянную застройку. Однако, основным строительным материалом восстанавливаемого города оставалось то же дерево. Но теперь его оштукатуривали для имитации камня и воспроизводили архитектурный декор эпохи классицизма. Здания красили в пастельные цвета: белый, палевый, бледно-желтый, светло-серый и их оттенки. Таким образом, цвет отделился от материала и превратился в активное средство достижения художественного единства целых городских районов. Дальнейшим толчком развития производства явилось изобретение в 1824 году цемента более высокой прочности и водостойкости, названного портландцементом. В 1914 году ко времени первой мировой войны в России насчитывалось 60 цементных заводов.
Новую колористику принес модерн с его подчеркнутой эмоциональной пластичной архитектурой, отличающейся богатством силуэта. В колористику фасадов снова возвращаются насыщенные яркие цвета: зеленый, оранжевый, фиолетовый. Для отделки фасадов широко используются панно из керамических плиток, изразцы, глазурованный кирпич [42].
Архитектура сталинской эпохи впитала колористические традиции русского классицизма. В облицовке фасадов природным камнем и окраске присутствуют светло-серый, розовый, розово-серый, желто-серый цвета и их оттенки. Нередко встречаются барельефные и скульптурные украшения.
Активная массовая застройка 60-80-х годов с применением блочных и панельных железобетонных конструкций, стеклопанельных объемов не отличается богатством архитектурного декора. Обычно фасады окрашивались в светлые тона, либо облицовывались керамической фасадной плиткой. Сложившиеся в прежние годы практика внедрения несоразмерных объемов, безликих фасадов типовой застройки в центре Москвы практически разрушает историческую среду древнего города. Пластический диссонанс этих фасадов с существующей застройкой приводит сейчас к поискам вариантов более гармоничных решений с применением современных конструкций и материалов.
В последние годы началось активное изучение взаимоотношения человека с визуальной средой города, появилось новое научное направление — видеоэкология. Полученные в результате исследований доктором биологических наук В.А. Филиным данные о влиянии агрессивных визуальных полей на здоровье человека заставляют по-новому подойти к оценке фасадных поверхностей [108]. Вредными по воздействию на зрение и психику человеческого организма считаются гомогенные поля с отсутствием или резко сниженным количеством видимых элементов (глухие фасады, панели большого размера, большие стекольные проемы); а также поверхности, создающие агрессивные поля с рассредоточением большого числа одних и тех же элементов (стены, облицованные кафельной плиткой, кирпичная кладка с потайным швом). Используя новые данные видеоэкологии, можно создавать гармоничную, комфортную визуальную среду города.
Инструментальные исследования на объектах
Для натурных исследований состояния ЛКП на фасадах, в дополнение к методу визуального обследования, использовали диагностические методы инструментального контроля состояния материала, позволяющие оценить результат воздействия окружающей среды (ОС) на ЛКП. В комплекс диагностических методов традиционно используемых при обследованиях, включены методы инструментального контроля за влажностью, засоленнстью поверхности, наблюдение за развитием повреждений при мониторинге. Система приборного контроля на объектах представлена в таблице 2.2.
В ходе данного испытания точно определяется, какое количество воды за единицу времени проникает на единице площади фасадной поверхности. (Например, при воздействии воды во время косого дождя при скорости ветра до 140 км/ч). Прибор представляет собой трубку с делениями в мл, нижний конец которой имеет расширенную колоколобразную форму, (рис.2.6.)
Порядок проведения испытаний на месте выполнения работ: Прибор приклеивается к испытываемой поверхности при помощи пластилина. После этого прибор прижимается к поверхности и клеящий материал размазывается, образуя при этом герметичный стык. Таким образом «колокол» ограничивает собой круговую поверхность диаметром 20 мм, что составляет около 3 см . После этого трубку заполняют водой до нулевой отметки, чтобы давление составляло около 92 мм воды (что соответствует ветру ураганной силы 140 км/ч). Падение уровня воды измеряется через 5, 10, 15 мин. Для получения величины «мл воды в минуту на см » выведенное среднее значение делится на величину площади испытываемой поверхности
Нормальная скорость адсорбции около 1 мл/10 мин. Высокие скорости адсорбции указывают на высокую пористость, низкие на низкую пористость.
Для определения характера увлажнения и засоленности стены фасада применялся инструментальный контроль приборами системы Protimiter: (по BS5325: 1983)
Мини протиметер (Protimiter Mini) - дающий полное представление о увлажнении фасада здания. Прибор снабжен игольчатыми электродами и электродами усами-щупами, для определения степени влажности в труднодоступных местах стен.
Протиметр измеритель солей (Protimiter Salt Detektor) - применяется для определения наличия электропроводных высолов на поверхности влажной стены. Устанавливает только присутствие солей
Для определения содержания веществ-загрязнителей в материале ЛКП на объектах использовался экспрессный индикаторный анализ: тесты хлоридов СГ, сульфатов SO4 ", нитратов N03" фирмы MERCK KGaA, Germany (рис.2.7.) Пробу-керн растворяли в дистиллированной воде и через 5 мин полоской-тестом определяли уровень содержания растворимых солей.
Шкалы индикаторов для определения содержания солей: сульфатов, хлоридов, нитратов в материале.
Для определения процента (%) уменьшения паропроницаемости (коэффициента сопротивления диффузии) ЛК покрытий применялась модифицированная методика: гравиметрический анализ в соответствии ГОСТ 21472-81(СТ СЭВ 1145-78) по варианту методики DIN 52615 "Dry cup - Wet cup".
Принцип измерения: В качестве исследуемых образцов использовались пластины из испытуемых материалов, толщиной 1 см. В банку, в качестве адсорбционной среды помещался силикагель. Через испытуемую пластинку происходит диффузия водяного пара.
Банку с силикагелем периодически взвешивают и определяют прирост массы для оценки паропроницаемости лакокрасочного покрытия. Опыт повторяют после нанесения краски на пластину.
Результаты лабораторных исследований образцов пыли и І образцов-кернов ЛКГІ! и ЛКПц, взятых с неповрежденных и поврежденных участков фасадных поверхностей
Для территорий типа А и Б характерны пылевые нагрузки по данным ГИС от 200 -600 кг/км2. Пылевая нагрузка на фасады зданий на территориях типа В, Г была определена по формуле (1) и составила 700-1000 кг/км .
Отмеченное нами значительная запыленность фасадных поверхностей на территориях В, Г обусловила необходимость изучения роли пыли во взаимодействии ЛКП и ОС. Для исследования влияния пыли на процесс повреждения ЛКП был исследован состав и структура городской пыли методом комплексного физико-химического анализа. Образцы отбирались с фасадных поверхностей на территориях типа В и Г. Результаты химического состава представлены в виде таблицы 3.5.; фазового состава в виде рентгенограмм на рис. 3.16.
Химический анализ пыли (табл.3.5.) показал, что в ней содержатся химические вещества, которые могут взаимодействовать с компонентами ЛКМ и вызывать деструкцию ЛКП. Из таблицы 3.5. видно, что пыль адсорбированная на поверхности фасадов на территориях типа В, Г содержит, как и следовало ожидать соединения натрия, хлора, серы, железа, цинка. Содержание в пыли тяжелых металлов колеблется от долей единицы до десятков.
Для изучения участия пыли в процессах повреждения ЛКП и объяснения возможных причин различной стойкости покрытий ЛКП] и ЛКПц отбирались пробы для лабораторных исследований химического состава и микроструктуры покрытий. При отборе проб использовался минимикроскоп с 30-кратным увеличением. Можно было наблюдать 2 типа микроповреждений, зафиксированные с помощью минимикроскопа эти типы представлены на рис. 3.17.
В первом случае наблюдалось наличие множества микротрещин и значительное агрегирование пыли на поверхности, особенно у трещин. Во втором случае можно отметить равномерное, незначительное распределение частичек пыли на поверхности, редкое появление микротрещин.
Результаты химического анализа проб с поврежденных участков на территориях типа В, Г получены в виде компьютерных распечаток на сканирующем микроскопе, систематизированы и представлены в таблице 3.6.
Как видно из данных представленных в табл. 3.6. химический состав красочных слоев содержит вещества загрязнители- соединения натрия, хлора, сульфаты. Также можно отметить, что по химическому составу ЛКП первого типа содержат большее количество веществ - загрязнителей, чем ЛКП второго типа. Пробы отличаются и по составу краски. ЛКП! как правило содержат наряду с диоксидом титана соединения цинка. Количество диоксида титана ТіОг больше чем у ЛКП второго типа. Значительное количество этих компонентов может быть связано с трудностью обеспечения степени белизны и яркости краски для ЛКМ первого типа.
Общим для ЛКП] и ЛКПц является сосредоточие веществ-загрязнителей в контактной зоне «краска-подложка», что подтверждает ранее сделанное нами предположение о влиянии этих загрязнителей на ЛКП.
Установлено, что ЛКЦ[ и ЛКПц отличаются и по структуре. Типичный вариант структурных особенностей для сравниваемого типа красок представлен нарис. 3.18. Для I типа покрытия характерно значительное количество полимерного связующего (более 10%) образующего паронепроницаемую пленку, (рис.3.19) В подложке отмечается наличие мела - кокколитов и часто биоповреждений. Подобные структуры не могут обеспечить надежности и стабильности свойств покрытиям 1-го типа при эксплуатации.Анализ данных спецификации используемых материалов для фасадных работ показал, что группа ЛКПі представлена в основном отечественными материалами, ЛКПп - импортными красками. ЛКП] имеют больший процент повреждений за одинаковый период наблюдений (2 года) по сравнению с ЛКПп. На территориях с максимальными техногенными нагрузками, в условиях агрессивной городской среды, применяемые в настоящее время полимерные краски I типа не стойки.
Сравнение результатов по этим двум типичным вариантам взаимодействия ОС - ЛКП косвенно свидетельствует о возможных различиях в составах ЛКМ по компонентам и их соотношениям.
