Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований . 13
1.1. Состояние вопроса в РФ и за рубежом за последние 15 лет. 13
1.2. Кровельные мастики - многокомпонентные системы. 15
1.3. Анализ технологических процессов и их механизация. 19
1.4. Анализ воззрений на структурные изменения в процессе трубопроводного транспорта жидкотекучих материалов . 21
1.5. Методология, задачи и научно-техническое направление исследований. 23
Выводы по главе 1. 24
Глава 2. Исследования реологических свойств кровельных мастик и строительных растворов, используемых в кровельных работах . 27
2.1. Реологические свойства материалов на основе цементных вяжущих. 27
2.2. Реологические свойства кровельных мастик . 37
Выводы по главе 2. 65
Глава 3. Технология трубопроводного транспорта кровельных мастик и строительных растворов, используемых в кровельных работах. 66
3.1. Теоретические основы и экспериментальные исследования течения мастик по трубопроводам. 66
3.2. Теоретические и экспериментальные исследования сопротивлений движению кровельных материалов на основе цементных вяжущих по трубопроводам . 83
Выводы по главе 3. 108
Глава 4. Установление закономерностей снижения температур мастик в процессе их транспортирования по трубопроводам . 109
4.1. Исследования по технологии диспергирования приклеивающих мастик и эмульсий. 109
4.2. Закономерности охлаждения мастик. 117
4.3. Технические решения по перекачиванию мастик. 122
4.4. Технологические процессы и технические средства для приготовления кровельных и гидроизоляционных материалов. 129
Выводы по главе 4. 139
Глава 5. Технология нанесения приклеивающих мастик на поверхность покрытий . 141
5.1. Теоретические основы и технологические параметры процесса набрызга. 142
5.2. Образование факела и методика расчета технологических параметров набрызга. 15 7
5.3. Методика исследования технологии нанесения армирующих материалов. 164
5.4. Повышение трещиностойкости кровельного покрытия. 174
5.5. Методика расчета технологического процесса набрызга, экспериментальные исследования. 180
Выводы по главе 5. 192
Глава 6. Разработка новых технологических процессов устройства кровель из рулонных материалов . 194
6.1. Анализ параметров, характеризующих качество полимер-битумных покрытий. 195
6.2. Склеивание рулонных наплавляемых материалов.
6.2.1. Безогневой способ наклейки наплавляемых материалов. 199
6.2.2. Электроконтактный способ наклейки наплавляемых материалов.
6.2.2.1. Математическое планирование экспериментов. 221
6.2.2.2. Дисперсионный анализ результатов экспериментов. Составление и решение уравнений множественной регрессии. 222
6.2.2.3. Влияние температуры окружающей среды на прочность склейки. 234
6.2.2.4. Методика определения сил прилипания. 242
6.3. Совмещенный способ изготовления комплексных панелей покрытий по стендовой технологии и устройство по ним кровель. 249
6.3.1. Замоноличивание стыков комплексных панелей покрытий. 252
6.3.2. Устройство защитного гравийного слоя. 253
6.4. Технико-экономические показатели и эффективность от применения новых технологий кровельных работ в 1995-2000г. 258
Выводы по главе 6. 259
Общие выводы. 260
Список использованной литературы. 264
- Анализ воззрений на структурные изменения в процессе трубопроводного транспорта жидкотекучих материалов
- Реологические свойства кровельных мастик
- Теоретические и экспериментальные исследования сопротивлений движению кровельных материалов на основе цементных вяжущих по трубопроводам
- Технологические процессы и технические средства для приготовления кровельных и гидроизоляционных материалов.
Анализ воззрений на структурные изменения в процессе трубопроводного транспорта жидкотекучих материалов
Кровли устраивают по схемам, подробно изложенным в технологических картах. В них указаны и средства механизации. Наиболее сложным элементом всего комплекса работ, являются трубопроводный транспорт и равномерный набрызг на изолируемую поверхность мастичных материалов. Сложность состоит в том, что нельзя допустить ухудшение физико-механических свойств материалов из-за склонности таких материалов к деструкции и образованию в трубах пробок, эмульсий - к коагуляции и т.д. Скорости и температура должны иметь определенный интервал допустимости и не должны превышать критического значения; учитывать, что после снятия напряжений структура в определенных условиях тиксотропно восстанавливается становясь по-прежнему равнопрочной.
С точки зрения реологии особенность кровельных мастик и других жидких кровельных материалов состоит в том, что они относятся к дисперсным структурированным жидкостям и по своим физико-механическим свойствам являются пластично-вязкими телами. Работами академика П.А. Ребиндера и сотрудников, а также проф. Г.В. Виноградова с сотрудниками и проф. А.А. Трапезникова с сотрудниками (153-68) было установлено, что для дисперсных систем в процессе течения имеют место структурные изменения. Во время течения материала по трубопроводу многие ученые (55, 174, 68, 57, 155, 186) - наблюдали элементы диффузии и что это способствовало активации материала. Поэтому было констатировано, что вязкое течение и самодиффузия - процессы одной и той же природы причем оба процесса имеют активационный характер В связи с этим вязкое течение рассматривается как направленная самодиффузия под действием механического поля напряжений. В такой общей формулировке механизм вязкого течения характерен для всех рассматриваемых материалов. Структурная вязкость наблюдается тогда, когда появляются дополнительные и существенные факторы, влияющие на процесс течения. Например, влияние скорости деформации сдвига на энергию и на энтропию активации вязкого течения, обратимое разрушение структуры системы в процессе течения и др.
Н.В.Михайлов и П.А.Ребиндер (111, 153, 158) показали, что у гидроизоляционных материалов под действием малых сил до некоторого предела имеет место малая степень разрушения и практически их можно считать в этих пределах обладающими упругими деформациями. При движении гидроизоляционных материалов в связи с изменением скорости, температурных факторов изменяются их реологические характеристики - вязкость и напряжение сдвига.
После снятия напряжений структура материала за счет теплового движения частиц тиксотропно восстанавливается, становясь по-прежнему равнопрочной. Эти данные многократно подтвержденные экспериментальными работами, явились основой для дальнейших исследований сопротивлений движению мастик и материалов на основе цементных вяжущих по трубопроводам.
Выяснилось, что режимы движения гидроизоляционных материалов по трубопроводам имеют существенное значение для придания им свойств пере-качиваемости, поэтому важно знать какой вязкостью обладает материал в процессе движения, так как при этом возникает трение, вызывающее внутренние касательные напряжения. Величина касательного напряжения зависит от интенсивности деформации и совокупности внешних воздействий Это будет доказано теоретически и экспериментально в главе 3 где приведены выводы расчетных формул для определения сопротивлений движению материалов по трубопроводам.
Реологические методы изучения дисперсных структур, в том числе структур на основе битумных вяжущих, привлекали внимание многих исследователей (153, 56) в связи с созданием новых материалов.
Ранее были упомянуты имена известных ученых, внесших значительный вклад в изучении свойств битумов. Трудность реологической оценки дисперсных структур на основе битумного вяжущего состоит в том, что дисперсионная среда - битум в наполненных композициях - представляет собой сложную структурированную систему, реологические свойства которой резко меняются не только с изменением химического состава и температуры, но и в связи со свойствами наполнителей - порошкообразных и волокнистых материалов.
В.А. Киреев (92), В.Н. Покровский (138), В.А. Федотова, К. Хаджаева и П.А. Ребиндер (158) приводят примеры влияния химического состава и температуры на изменение реологических свойств дисперсных структур.
Работы советских ученых в области строительного производства С.С. Атаева, А.А. Афанасьева, Н.Н. Данилова, Т.М. Штоля, А.К. Шрейбера, Б.А. Крылова, Г.Б. Ивянского, И.Г. Совалова и др. в большей мере относятся к тех -23 нологии производства общестроительных и бетонных работ и некоторые из них к технологии трубопроводного транспорта строительных растворов и бетонных смесей, и в меньшей мере к области, к которой относятся кровельные работы на основе использования битумных материалов.
Реологические свойства кровельных мастик
Частным случаем жидкообразных систем являются так называемые истинно-вязкие ньютоновские жидкости с линейной кривой течения и постоянной вязкостью, подчиняющейся закону Ньютона (рис.2.4,в) ё=т/г1 (2.15) где: е - градиент скорости, с" ; т - касательное напряжение сдвига. Па. Ко второй группе относятся системы, характеризуемые, во-первых, резким падением эффективной вязкости в сравнительно узком интервале напряжений сдвига, во-вторых, наличием истинного или условного статического предела текучести, соответствующего статическому предельному напряжению сдвига, ниже которого течение материала практически не проявляется (рис.2.4,б). Для таких систем, обладающих пластическими свойствами, Н. В. Михаилов и
Частным случаем таких систем, как известно, являются вязко-нластичные системы, кривая течения которых представляет собой прямую линию, отсекающую на оси напряжений некоторый отрезок т0 (предел текучести) и подчиняющиеся закону Шведова-Бингама (рис.2.4,г). е = (т-То)/т) (2.16) где: То - предел текучести, или предельное напряжение сдвига, Па Г -пластическая вязкость, Па.с
Как показали М. Рейнер /156/, А.А. Тагер, Г.В. Виноградов (175) кривые течения аномально-вязких систем не всегда имеют -образный характер (рис.2.4,д,е). Для математического выражения течения таких систем наиболее удачной и простой, по мнению ряда авторов, в том числе указанных, является степенная двухконстантная зависимость Оствальда де Вааля ё=А-т? (2.17) где: А и (3 -константы Р I - характеризует степень отклонения вязкостных свойств материала от истинно-вязкой ньютоновской жидкости В случае твердообразных систем (рис.2.4,е) уравнение Оствальда де Рассмотренная классификация материалов является весьма условной, так как реальные материалы в процессе деформирования могут находиться в самых различных реологических состояниях, каждое из которых характеризуется определенной структурой материала.
А.С. Колбановская (82), Б.В. Веденеев, Н.В. Михайлов (45), П.А. Ребин-дер (159) и др. (160, 161) показали, что битумы при различных температурах способны находиться в различных реологических состояниях: упруго-хрупкого тела, эластично-пластичного тела с ярко выраженной ползучестью.
Н.В. Михайлов и А.Л. Лихтгейм (113) считают, что с точки зрения теории структурообразования процесс аномального течения систем в общем виде можно представить как итог двух процессов в каждый данный момент: разрушения связей и тиксотропного восстановления части этих разорванных свя-зей в результате теплового (броуновского) движения частиц структуры при одновременном действии на них соответствующих заданному градиенту скорости сдвигающих сил ЭфсЬективная вязкость является итоговой характеристикой процессов разрушения и восстановления структуры при деформировании с постоянным градиентом скорости. Причем,каждая точка на структур-ной ветви кривой течения характеризующей состояние аномальной вязкости системы соответствует выше названному состоянию динамического равноRe-сия возникающему в каждый данный момент времени между процессами разрушения и восстановления структуры, что хорошо видно из рис. 2.5
Как следует из сказанного, принятые нами к исследованию холодные битумно-полимерные мастики представляют собой высокомолекулярные соединения, обладающие рядом свойств, присущих полимерам. В частности, течение таких систем характеризуется наложением на необратимые пластические деформации течения обратимых высокоэластических деформаций, что характерно для упруговязких систем.
Как уже указывалось, течение аналогичных систем при постоянном режиме деформирования (при постоянной скорости сдвига Е и напряжения сдвига т ) характеризуются рядом особенностей по сравнению с течением обычных аномально-вязких систем. Так, если течение обычных аномально-вязких систем под действием возмущающей сдвиговой силы характеризуется в каждый данный момент времени быстрым установлением динамического равновесия между процессами разрушения структуры и тиксотропного восстановления ее под действием броуновского движения то в упруго-вязких системах, вследствие наличия эластической составляющей деформации, раз-рушение надмолекулярной структуры в каждый момент времени вызывает структурную релаксацию напряжений, которая только спустя некоторое время завершается достижением установившегося течения (рис 2.5) Причем с увеличением скорости сдвига є или температуры материала t процесс релаксации происходит интенсивнее и установившийся режим течения в каждый данный момент времени достигается быстрее. Эксперименты показали, что течение упруго-вязких систем с полностью разрушенной структурой г/т на кривой течения, показанной на рис.2.6, в силу повышенной эластичности таких систем достигается лишь при достаточно высоких напряжениях и скоростях сдвига, когда значительное число прочных структурных элементов (ассоциатов макромолекул и др.) принудительно раз-рушается под действием сдвига и не успевает тиксотропно восстанавливаться под действием теплового броуновского движения.
Достижение же высоких скоростей сдвига, порядка десятков тысяч с на практике, в частности при трубопроводном транспорте или набрызге мастик на изолируемую поверхность, бывает затруднительно и не эффективно, так как при высокой скорости сдвига, в следствии высокой эластичности систем усиливается действие нормальных напряжений внутри потока, что ведет к появлению макроразрывов в деформируемом материале и к отрыву его в отдельных зонах от стенок, ограничивающих поток, что в свою очередь вызывает искажение формы и неравномерность струй, вытекающих из сопел. Очевидно, что полученные в результате лабораторных исследований кривые течения таких систем не будут иметь ярко выраженный -образный характер подобно обычным аномально-вязким системам (см рис 2 4 а) то есть на кривых будет отсутствовать прямой участок, соответствующий ньютоновскому течению системы с наименьшей вязкостью предельно-разрушенной структуры г/т (рис. 2.4, б).
Теоретические и экспериментальные исследования сопротивлений движению кровельных материалов на основе цементных вяжущих по трубопроводам
Экспериментальные исследования по определению сопротивлений движению различных строительных материалов на основе цементных и битумных вяжущих по трубопроводам ставилась в зависимости от действий различных факторов. В процессе исследований изучались факторы, характеризующие изменения сопротивления движению смесей: скорости транспортирования, подвижности и др. Метод определения перепада давления в трубопроводе при транспортировании материалов заимствовался из классической гидравлики, с помощью манометров. Изучались вопросы транспортирования материалов по трубопроводам в струе сжатого воздуха. Рассмотрим влияние касательных и инерционных вязкостных напряжений на движение по трубопроводам гидроизоляционных смесей в воздушном потоке и определим потери напора.
Произвольное, подчас неверное сочетание производительностей насоса и компрессора, наряду с неправильным учетом применяемых составов могут служить причиной неудовлетворительной работы установки, возможны "прострелы", недопустимая пульсация и т.д. Например, повышенная концентрация материала в сжатом воздухе способствует выпадению из потока отдельных частиц и образованию в трубопроводе скоплений. Периодический отрыв этих скоплений сжатым воздухом делает движение смесей неравномерным, пульсирующим, что затрудняет работу сопловщика. При чрезмерном содержании материалов в сжатом воздухе может наступить момент закупоривания трубопровода, образование пробок, что приводит к так называемому «прострелу».
Производство работ в таких условиях не обеспечивает надлежащего качества, небезопасно, а потому и недопустимо.
Движение материалов по трубопроводу в струе сжатого воздуха во взвешенном состоянии, как и при движении сплошным потоком, вызывает силы трения, возникающие как в самом потоке, так и на стенках трубопровода.
Для преодоления сил трения и обеспечения взвешенного движения затрачивается энергия сжатого воздуха. Давление воздуха, развиваемое компрессором, как и реологические и физико-химические свойства транспортируемых материалов, являются регламентирующими факторами, позволяющими, при их правильном учете обеспечивать желаемый процесс транспортирования и выявить необходимые условия, найти оптимальные основные параметры устойчивого транспортирования: диаметр трубопровода, его длину, концентрацию аэросмеси, состав и ряд других условий.
Исследования по транспортированию в воздушном потоке гидроизоляционных материалов на основе цементных вяжущих впервые разработаны в . в частности, вопрос о сопротивлениях в трубопроводе указанным способом исследован впервые и является новым.
С момента возникновения движения по трубопроводу любого материала. в его среде возникают касательные напряжения, которые складываются из вязкостных и инерционных напряжений.
С повышением скорости транспортирования вязкостные напряжения, как было установлено автором с Н.П. Шиповским (35), снижаются, но одновременно увеличиваются инерционные, так как последние являются функцией скорости.
В общем виде можно записать, что общее касательное напряжение слагается из вязкостных и инерционных: Знание величин этих напряжений позволит вывести уравнения сопротивлений трубопроводов при различных режимах пневмотранспорта материалов.
Так как перемещение аэросмеси представляет собой движение сложной среды материальной части и воздуха, величину касательных напряжений рассчитаем отдельно для каждого компонента, и примем, что сумма их в любом режиме транспортирования составит общую величину касательных напряжений.
Изменению вязкостных напряжений при движении структурированных пластично-вязких систем ближе всего отвечает закон Шведова-Бингама (градиент скорости, обозначаемый в этом выводе как dV/dy одинаков по значению с градиентом скорости, обозначенным в формуле (3.37)
Однако этот закон в большей мере относится к таким вязко-пластичным материалам, когда имеется пропорциональная зависимость между градиентом скорости и касательным напряжением.
Различные наполненные композиции - все виды битумных мастик и водонепроницаемые растворы, особенно в случае перемещения их в трубопроводах во взвешенном состоянии, вследствие разрушения структуры, не могут быть отнесены к идеально-пластично-вязким телам.
Технологические процессы и технические средства для приготовления кровельных и гидроизоляционных материалов.
Как известно, приготовление кровельных и гидроизоляционных мастик производится в специальных установках, оборудованных дозирующими и перемешивающими устройствами с использованием приборов, контролирующих температуру в процессе приготовления. Кратко изложим существующую технологию приготовления горячих битумных и битумно-резиновых мастик.
Горячие битумные мастики представляют собой смесь сплава битумов БН 90/130 (БНК-2) и БНК 90/30 (БНК-5) с волокнистым, комбинированным или пылевидным наполнителем.
Горячие битумно-резиновые мастики представляют собой однородную смесь сплава указанных битумов с резиновой крошкой и волокнистым наполнителем.
Горячие битумные мастики готовятся в котлах с огневым или электрическим обогревом, оборудованных лопастными мешалками для перемешивании материалов со скоростью 30-40 об/мин.
Первоначально в котел загружают более легкоплавкий кровельный битум, который обезвоживают при температуре 105-110С, после этого в котел загружают более тугоплавкий битум и при постоянной работе лопастной мешалки температуру битумного сплава доводят до 160-180С.
При достижении температуры 160-180С в битумное вяжущее при работе лопастной мешалки постепенно вводят наполнитель, который засыпают отдельными порциями через сито с ячейками размером 4x4 ММ, установленное над загрузочным люком котла. Количество загружаемого наполнителя в каждой порции составляет примерно 1/3-1/4 части от потребного расчетного количества. Для получения битумно-резинового вяжущего и доведения температуры этого вяжущего до 200 - 210 С в смеситель или котел вводят предварительно подогретую до 65 70С резиновую крошку через сито с ячейками стороной 2-3 мм, установленное над загрузочным люком смесителя или котла.
Приготовление битумно-резинового состава производят при 200-220С в течение примерно 40-45 мин при обязательной постоянной работе лопастной мешалки и шестеренного насоса, циркулирующего битумно-резиновый состав. В приготовленный таким образом битумно-резиновый состав через сито с ячейками размером 2-3 мм вводят подсушенный асбестовый наполнитель. Перемешивание и рециркуляция этой смеси продолжается еще в течение 10-20 мин для получения однородного состава и полного оседания пены.
Технология изготовления холодных битумных мастик с применением в качестве растворителя кукерсольного лака состоит в следующем: Первоначально готовят в котле сплав битумов с температурой размягче -130 ния 60-70 С и одновременно в другой котел-смеситель загружают требуемое количестве сольного и.асбестааперемешивая ШДС алГкукерсолТдо ситель латекс при постоянном ной массы. Эта технология характеризуется большими энергетическими затра тами. Кроме того поскольку процесс приготовления мастики прерывистый и введение латекса в смесь производится небольшими порциями (во избежание взрыва), то технология имеет невысокую производительность. Краткое описание технологии приготовления мастик мы приводим для сопоставления с другими вариантами, а затем и с новой, рекомендуемой технологией.
Второй вариант приготовления мастик. Раздробленный на мелкие куски битум загружают в варочный котел, где его обезвоживают, а затем нагревают до температуры 160-180С. В отдельный смеситель загружают лак кукерсоль и асбест влажностью не более 3% и перемешивают до образования однородной массы. После этого, не прекращая перемешивания, вводят в смеситель небольшими порциями расплавленный и обезвоженный битум. Когда температура массы понизится до 70-80С, в мастику вводят латекс и продолжают перемешивание до образования однородной смеси.
Эта технология также имеет низкую производительность. Недостатки принятых в производственной практике технологий сводятся к большим энергетическим затратам; не учитываются изменения, порой в худшую сторону, структурно-реологических свойств, высокая трудоемкость работ. Новая технология приготовления холодных битумно-латексно-кукерсольных мастик, разработанная автором, основана на следующем: тепло выпариваемого горячего битума использовать более экономно, направить его на подогрев лака кукерсоль, тем самым ускорить процесс приготовления мастики. Для этого битум следует смешать с лаком кукерсоль, нагретым в теплообменнике теплом, отнимаемым у выпаренного горячего битума при перекачивании насосом через теплообменник в направлении, противоположном движению лака кукерсоль, при избыточном давлении 0,11-0,146 МПа при перепаде их температур до 45С; латекс и наполнитель вводят в смесь битума с лаком кукерсоль при 25-30С. Процесс нагрева разбавителя, смешивания и дозировки всех компонентов ведут непрерывно. Рекомендуемый состав: битум БН 50/50 30 м.ч., латекс СКС-65 3 м.ч., лак кукерсоль - 57 м.ч., наполнитель (асбест)- 10 м.ч.
Па автоматизированной установке непрерывного действия расплавленный и обезвоженный битум при 160 - 180С поступает в аппарат, где противотоком движется не нагретый лак кукерсоль. В результате битум охлаждается, а лак кукерсоль нагревается за счет тепла битума. Затем смесь охлаждают до температуры 25-30С, вводят латекс, наполнитель и смесь перемешивают.
Новая технология приготовления холодных мастик отличается сокращенной продолжительностью технологического процесса, уменьшением энергозатрат и повышением качества мастик.
На рис. 4.7 показаны две технологии приготовления холодных мастик: приготовление без битумной мастики, разработанной автором с группой инженеров Минпромстроя СССР и приготовление битумно-латексно-кукерсольной мастики с новью технологическими режимами, позволяющими экономить электроэнергию почти на 10% (а. с. 960208).
Установка (рис.4.7,б) состоит из емкости для хранения и выдачи наполнителя, емкости для хранения разбавителя, битумно-плавильной установки, установки для выпарки влаги из битума, емкости для керосина, теплообменника -смесителя, накопителя, емкости для хранения полимеров, насосов для перекачивания битума, разбавителя, полимеров, системы трубопроводов.
Теплообменник состоит из цилиндрического стакана, в который помещены лопасти, приводящиеся в действие электроприводом. С внешней стороны цилиндр имеет тепловую рубашку, предназначенную для съема тепла битума. Обезвоживатель состоит из емкости, имеющей пакет наклонных ванночек, по которым тонким слоем непрерывно и равномерно перемещается сверху вниз расплавленный битум. В верхней части обезвоживатель имеет возбудитель вертикальных колебаний.
Установка работает следующим образом: в битумоварочную установку непрерывно подается раздробленный битум, где он плавится и стекает в нижнюю часть емкости. Там, нагреваясь до температуры, превышающей на 15-20С температуру «плавления» самотеком поступает в обезвоживатель.
Похожие диссертации на Прогрессивные технологии устройства кровель
