Введение к работе
Актуальность темы. В процессе эксплуатации бетонные и железобетонные элементы строительных конструкций испытывают на себе комплексное воздействие многочисленных факторов - агрессивных сред, механических нагрузок, УФ-облучения, перепада температур и других энергетических воздействий, что приводит к их разрушению. При этом проблема долговечности строительных конструкций становится все актуальнее год от года.
Одним из способов повышения долговечности строительных конструкций является использование полимерных покрытий на основе синтетических смол, наиболее широкое применение из которых получили эпоксидные и полиуретано-вые составы. Каждый из указанных видов полимеров имеет ряд преимуществ и недостатков: композиционные материалы на основе эпоксидных смол отличаются высокими адгезионными и прочностными показателями, твердостью, стойкостью к действию агрессивных сред, но уступают полиуретановым материалам по стойкости к истиранию, водо- и атмосферостойкости.
Без дополнительного модифицирования покрытия на основе крупнотоннажного отечественного низковязкого олигомера ЭД-20, отверждаемые алифатическими аминами, обладают низкими показателями эластичности и ударной прочности. Возможность совмещения эпоксидных и полиуретановых вяжущих позволяет получать эпоксиуретановые композиции, обладающие положительными свойствами, присущими обоим полимерам в отдельности, с широким спектром физико-механических и технологических характеристик.
При разработке защитных полимерных составов необходимо учитывать, что в процессе эксплуатации существенно различаются функциональные требования, предъявляемые к структуре и свойствам различных слоев покрытий. Перспективным направлением современного материаловедения является разработка эффективных функционально-градиентных композитов, способных противостоять жестким эксплуатационным требованиям, и защитно-декоративных покрытий на их основе.
В последние годы защитные покрытия на основе полимерных связующих претерпевают второе рождение. Значительно расширился ассортимент выпускаемых покрытий; к разрабатываемым покрытиям предъявляются повышенные требования не только по прочностным и адгезионным характеристикам, но и по стабильности декоративных характеристик во времени. При этом особое влияние следует уделять воздействию ультрафиолетовой составляющей солнечного излучения, существенно влияющей на долговечность полимерных покрытий в процессе эксплуатации.
Цель диссертационной работы заключается в разработке эпоксиуретановых композитов и защитно-декоративных покрытий на их основе, обладающих повышенной стойкостью к действию эксплуатационных факторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Разработать эффективные эпоксиуретановые покрытия (ЭУП) с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками, обладающие повышенной стойкостью к действию климатических факторов.
На основе методов многокритериальной оптимизации выявить структурные параметры, позволяющие получать эпоксиуретановые композиты с улучшенными упруго-прочностными показателями.
Разработать алгоритм и программный продукт для исследования процессов стесненной седиментации частиц наполнителя в твердеющей полимерной системе.
Установить влияние характеристик бетонных оснований и свойств полимерных композитов на эффективность наносимых покрытий.
Разработать методику для анализа изменения декоративных характеристик полимерных покрытий в процессе старения.
Научная новизна работы.
На основе механики многоскоростных континуумов разработана теоретическая модель стесненной седиментации высоконаполненных дисперсных структур для твердеющих полимерных систем.
Изучено изменение скоростей осаждения наполнителей на примере бидис-персной системы. Установлены закономерности процесса седиментации частиц наполнителей в твердеющей полимерной системе с учетом варьирования степени наполнения, плотности и размера частиц наполнителей, вязкости полимерного связующего и условий твердения.
Получены математические модели зависимости физико-механических характеристик эпоксиуретановых вяжущих и наполненных композитов на их основе от структурных и технологических параметров.
На основе применения концепции полей свойств материалов и анализа целевой функции по методу скаляризации выявлены эффективные составы эпоксиуретановых связующих. Многокритериальная оптимизация велась с целью повышения прочностных характеристик при растяжении с одновременным обеспечением показателей предела прочности при сжатии не ниже контрольного немодифици-рованного эпоксидного композита.
Выявлено влияние структурных параметров (отношение уретанового и эпоксидного вяжущих, соотношение «масло касторовое : Совермол 815» и содержание отвердителя) на кинетику твердения эпоксиуретановых вяжущих. Предложена функция для описания кривых изменения пластической прочности и определены ее параметры.
Выявлено влияние характеристик бетонных оснований и свойств полимерных композитов на эффективность наносимых покрытий. Установлено, что увеличение поверхностной пористости мелкозернистого бетона с 1.08 до 4.35% приводит к повышению разрушающей нагрузки при изгибе образцов с покрытием в 1.6 раза.
Экспериментально установлено изменение насыщенности цвета ЭУП под действием УФ-облучения с использованием разработанной методики. Выявлено влияние структурных параметров (вида и степени наполнения; соотношения уретанового и эпоксидного связующих) на стойкость декоративных характеристик ЭУП.
Практическая значимость.
Разработан программный комплекс для моделирования процесса стесненной седиментации наполнителя в твердеющей полимерной системе, позволяющий изучить распределение частиц наполнителя по высоте поперечного сечения функционально-градиентных покрытий.
Разработана методика оценки декоративных характеристик (насыщенность цвета) покрытий на основе результатов, получаемых при использовании программного комплекса «Статистический анализ цветовых составляющих лакокрасочных покрытий», позволяющая проанализировать влияние технологических параметров, компонентов покрытий (наполнителей, пигментов, красителей и т.д.), выявить однородность окраски, а также оценить изменение цвета защитно-декоративных покрытия под действием агрессивных факторов.
Разработана методика решения задач оптимизации, позволяющая учитывать влияние компонентов смесей на величины исследуемых характеристик и устойчивость технологии, оцениваемой по объему допустимой области.
Разработаны составы эпоксиуретановых вяжущих требуемой вязкости, пределы прочности при растяжении которых превышают значения критериев оптимизации (немодифицированный эпоксидный композит), соответственно, на 58н-65%, а предел прочности при сжатии - на 15-^ 17%.
Разработаны эффективные эпоксиуретановые покрытия для защиты бетонных поверхностей, обладающие высокой стойкостью в условиях воздействия УФ-облучения без применения стабилизаторов и антиоксидантов. Оптимальным наполнителем для получения ЭУК с высокими упруго-прочностными показателями является мел или комбинация наполнителей мел + маршалит при соотношении наполнителей (5(Ь70): (3(Ь50)%.
Внедрение результатов исследований.
Разработанные защитно-декоративные покрытия внедрены при устройстве защитных покрытий в ОАО «Пензадизельмаш» (г. Пенза).
Теоретические положения диссертационной работы, а также результаты экспериментальных исследований используются в учебном вопросе при подготовке бакалавров и магистров по направлению 270800 «Строительство» по профилям «Промышленное и гражданское строительство» и «Городское строительство и хозяйство».
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических семинарах кафедры «Строительные конструкции» МГУ имени Н.П.Огарева (г. Саранск), международных научно-технических конференциях: «Актуальные вопросы строительства» (г. Саранск, 2007 - 2011 гг.); «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2009); «Полимеры в строительстве» (г. Казань, 2009; XV Академических чтениях РААСН Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии (г. Казань, 2010 г.); «Традиции и инновации в строительстве и архитектуре» (г. Самара, 2010); «Ресурсоэнергоэффектив-ные технологии в строительном комплексе региона» (г. Саратов, 2011). Статьи были опубликованы в журналах «Известия ВУЗов. Строительство» (2011 г.), «Известия КазГАСУ» (г. Казань, 2011 г.), «Региональная архитектура и строительст-
во» (г. Пенза, 2011 г.), «Наука: 21 век» (2011 г.) и Вестнике Волжского регионального отделения РААСН (г. Нижний Новгород, 2010 г.).
Достоверность результатов работы подтверждена сходимостью большого числа экспериментальных данных, полученных с применением комплекса стандартных и высокоинформативных методов исследования, их непротиворечивостью известным закономерностям. Выводы и рекомендации работы получили положительную апробацию и внедрение в строительной практике.
На защиту выносятся:
теоретическая модель стесненной седиментации высоконаполненных дисперсных структур для твердеющих полимерных систем;
программный комплекс для моделирования процесса стесненной седиментации наполнителя в твердеющей полимерной системе, позволяющий изучить распределение частиц наполнителя по высоте поперечного;
результаты экспериментальных исследований и научно-практические основы создания эпоксиуретановых композитов с высокими технологическими и эксплуатационными характеристиками;
математические модели зависимости упруго-прочностных характеристик эпоксиуретановых вяжущих и наполненных композитов на их основе от структурных параметров;
методика решения задач оптимизации, позволяющая учитывать влияние компонентов смесей на величины исследуемых характеристик и устойчивость технологии, оцениваемой по объему допустимой области;
- методика оценки декоративных характеристик покрытий, позволяющая
оценивать влияние технологических и структурных параметров, а также измене
ние декоративных свойств под действием агрессивных факторов.
Личный вклад автора состоит в разработке программы экспериментальных исследований, получении результатов исследований, их обобщении и анализе.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 статей, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК России.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 189 страницах машинописного текста, в том числе 133 рисунка, 23 таблицы, 1 приложение и список использованных источников из 188 наименований.
Автор искренне благодарен академику РААСН, д-ру техн.наук, профессору Селяеву Владимиру Павловичу за помощь, ценные советы, замечания и научные консультации.
