Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 . Оценка качества внешнего вида лакокрасочных покрытий 9
1.2. Применение статистических методов управление качеством отделки строительных изделий и конструкций 18
1.3 .Цель и задачи исследований 21
ГЛАВА 2. Методика проведения исследований. характеристика материалов 23
2.1 Характеристика материалов 23
2.2 Методика оценки свойств лакокрасочных составов и защитно-декоративных покрытий на их основе27
2.3 Методика приготовления образцов 32
2.4 Оценка напряженно- деформированное состояние покрытий 32
2.5 Прочие методы исследований 34
2.6 Статистическая обработка данных 35
ГЛАВА 3. Закономерности формирования качества внешнего вида лакокрасочных покрытий 37
3.1.. Закономерности формирования качества внешнего вида лакокрасочных покрытий в зависимости от пористости подложки и реологических свойств красочных составов 37
3.2. Статистический анализ качества внешнего вида лакокрасочных покрытий цементных бетонов 46
3.3. Закономерности изменения качества внешнего вида лакокрасочных покрытий цементных бетонов в процессе старения 61
3.4. Связь деформативных свойств лакокрасочных покрытий с шероховатостью их поверхности 68
Выводы по главе 3 74
ГЛАВА 4. Оценка напряжённо-деформированного состояния лакокрасочного покрытия в зависимости от качества его внешнего вида с использованием голографическои интерферометриии 76
4.1. Основы метода голографической интерферометрии 76
4.2. Закономерности изменения напряженно деформированного состояния лакокрасочных покрытий в зависимости от качества их внешнего вида 78
Выводы по главе 4 87
5. Управление качеством защитно-декоративных покрытий цементных бетонов 88
5.1. Анализ риска системы «покрытие-цементная подложка» 88
5.1.1. Оценка риска в зависимости от качества внешнего вида лакокрасочных покрытий 88
5.1.2. Применение методологии количественной оценки риска при анализе надежности лакокрасочных покрытий 101
5.2. Разработка статистического приёмочного контроля качества окрашенной поверхности строительных изделий и конструкций 108
Выводы по главе 5 121
Основные выводы 123
Литература 125
Приложение
- Оценка качества внешнего вида лакокрасочных покрытий
- Применение статистических методов управление качеством отделки строительных изделий и конструкций
- Статистический анализ качества внешнего вида лакокрасочных покрытий цементных бетонов
- Закономерности изменения напряженно деформированного состояния лакокрасочных покрытий в зависимости от качества их внешнего вида
Введение к работе
Актуальность работы. Строительство и эксплуатация зданий и сооружений требуют большого количества лакокрасочных и отделочных материалов. Растущая конкуренция на рынке отделочных материалов, повышающиеся требования потребителей требуют от производителей получение высококачественных окрашенных поверхностей. Однако практика производства отделочных работ показывает, что зачастую наблюдается низкое качество отделки при высоком качестве лакокрасочных материалов, что приводит к преждевременному незапланированному ремонту и дополнительным затратам. Существующая в настоящее время система контроля качества окрашенной поверхности, отраженная в нормативных документах, не содержит сведений о воспроизводимости процесса окрашивания, а также требований к правилам проведения статистического приемочного контроля. Между тем анализ научно - технической и нормативной документации, состояния окрашенных поверхностей строительных изделий и конструкций свидетельствует, что одной из причин несоответствия фактического срока службы покрытий проектируемому является низкая воспроизводимость процесса получения лакокрасочных покрытий В связи с этим обеспечение качества лакокрасочных покрытий строительных изделий и конструкций и разработка методов контроля является важной научно-технической и экономической задачей, решение которой в целом будет способствовать повышению срока службы защитно-декоративных покрытий.
Цели и задачи исследования. Цель работы - развить и усовершенствовать систему по обеспечению и контролю качества лакокрасочных покрытий строительных изделий и конструкций. Для достижения поставленной в работе цели необходимо решить следующие задачи:
1) Провести анализ воспроизводимости получения покрытий в зависимости от способа окрашивания, реологических свойств красочных составов и качества окрашенной поверхности.
2) Выявить закономерности напряженного состояния покрытий и их деформативно - прочностных свойств в зависимости от качества их внешнего вида.
3) Разработать метод статистического приёмочного контроля качества лакокрасочных покрытий, обеспечивающий получение окрашенных поверхностей строительных изделий и конструкций с гарантированным уровнем качества.
Научная новизна
- Установлены закономерности изменения качества внешнего вида лакокрасочных покрытий цементных бетонов на основе широко применяемых красок (ПФ-115, МА-15, вододисперсионной акрилатной краски ВД-КЧ-21) в зависимости от реологических свойств красочных составов, пористости цементной подложки, способа нанесения красочного состава. Предложено оценивать качество поверхности лакокрасочных покрытий показателем фрактальной размерности. Установлена корреляционная зависимость числовых значений показателя фрактальной размерности с классом качества внешнего вида покрытий.
УстановленьГзако1юмерностй "измененйя деформативно - прочностных свойств и напряженного состояния защитно-декоративных покрытий на основе широко применяемых красок (ПФ-115, МА-15, вододисперсионной акрилатной краски ВД-КЧ-21) в зависимости от шероховатости их поверхности. Выявлено уменьшение когезионной прочности и относительных деформаций при увеличении шероховатости поверхности покрытий. Предложена экспериментально - статистическая модель когезионной прочности покрытий в зависимости от шероховатости их поверхности.
Установлена возможность управления воспроизводимостью технологического процесса получения покрытия с заданным классом качества внешнего вида путем варьирования способа нанесения красочного состава, его реологических свойств, качества подготовки окрашиваемой поверхности.
Практическая значимость
Разработаны методы контроля качества окрашиваемой поверхности, которые в дополнение к существующей системе контроля обеспечивают получение лакокрасочных покрытий с заданным уровнем качества
- Разработана методика статистического приёмочного контроля качества лакокрасочных покрытий строительных изделий и конструкций, основанная на методологии «шесть сигм» и включающая этапы контроля прочности сцепления, определение критерия приёмки, построения приёмочной контрольной карты.
Разработан нормативный документ -стандарт организации «Статистический приемочный контроль качества окрашенной поверхности», внедрение которого способствует повышению качества окрашенной поверхности строительных изделий и конструкций.
Реализация результатов работы.
Результаты исследований и разработок прошли практическую апробацию и внедрены на ООО «Стройцентр» г. Пенза и ООО «Волгостроймонтаж» г. Пенза. Методические разработки и результаты исследований использованы в учебном процессе при изучении дисциплин «Статистические методы контроля и управления качеством продукции» й ИнструментьГ1сачеств"а» для студё нтов7 обучающихся по направлению 200500 «Метрология, стандартизация и сертификация».
На защиту выносятся:
1. Система обеспечения и контроля качества окрашенной поверхности строительных изделий и конструкций
2. Закономерности изменения деформативно - прочностных свойств защитно-декоративных покрытий в зависимости от шероховатости их поверхности. Экспериментально - статистическая модель когезионной прочности покрытий в зависимости от шероховатости их поверхности.
3. Методы оценки класса качества внешнего вида лакокрасочных покрытий строительных изделий и конструкций по показателю фрактальной размерности.
Достоверность научных положений и выводов подтверждается корректностью применения математического аппарата, статистической обработкой результатов исследования, согласованностью результатов экспериментальных исследований с данными, полученными в процессе практической апробации работы.
Личный вклад автора. Автору принадлежат постановка задач исследования, сбор и анализ необходимой информации, разработка методик управления качеством лакокрасочных покрытий. Автор самостоятельно обобщил и оформил результаты работы.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлялись на X академических чтениях РААСН «Достижения, проблемы и направления развития теории и практики строительного материаловедения» (Казань, 2006), XIII Международном семинаре Азиатско-Тихоокеанской академии материалов «Строительные и отделочные материалы. Стандарты XXI века» (Новосибирск, 2006), V научно-практической Интернет-конференции «Бетон и железобетон в Украине» (Полтава, 2007), Всероссийской конференции студентов,-аспирантов и молодых чёных Тёория и практТГкаТІювьішения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2006), Международной научно-практической конференции «Композиционные строительные материалы» (Пенза, 2007), Международном симпозиуме «Надежность и качество» (Пенза, 2008), III Всероссийской конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Теория и практика повышения эффективности строительных материалов» (Пенза, 2008).
Публикации по теме диссертации. Содержание работы отражено в 17 научных трудах, в том числе в 6 статьях в журналах, входящих в перечень ВАК РФ, и одна монография.
Структура и объём работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, списка используемых источников из 146 наименований. Работа изложена на 138 страницах печатного текста, содержит 30 рисунков, 39 таблиц и приложение.
Оценка качества внешнего вида лакокрасочных покрытий
Анализ разработок зарубежных авторов показывает, что эффективное внедрение статистических методов контроля позволяет резко снизить процент брака, повысить производительность труда, непрерывно и своевременно выявлять и устранять недостатки производства [1,33]. Применение статистических инструментов помогает обнаружить, где, когда, кем, при каких условиях вызваны те или иные помехи в производственном процессе. Статистические методы управления качеством применимы на всех стадиях производства. С помощью этих методов можно указать, где для повышения качества изделия должна быть изменена либо его конструкция, либо технология изготовления. Статистические методы позволяют отрегулировать технологический процесс так, что сводится к минимуму производственный брак.
Для получения качественных защитно-декоративных покрытий необходимо проведение статистического приёмочного контроля. Этот метод, основанный на теории вероятностей и математической статистике, позволяет по ограниченному числу наблюдений (опытов) принимать научно-обоснованные решения относительно качества изделий. Между тем, анализ научно-технической литературы показывает, что вопросы статистического приёмочного контроля в нормативной документации на производство малярных работ не отражены. В связи с этим вопросы разработки планов статистического контроля требуют немедленного рассмотрения
Одним из основных направлений, развивающихся в последнее время, является технология менеджмента риска, позволяющая решить целый ряд задач, связанных с выбором наиболее экономически выгодного варианта, минимизацией последствий чрезвычайных ситуаций[36]. Процесс управления риском охватывает различные аспекты работы с риском, от идентификации и анализа риска до оценки его допустимости и -определения потенциальных возможностей снижения риска посредством выбора, реализации и контроля соответствующих управляющих действий. Управление проектированием и соответствующие процессы описаны в ГОСТ Р ИСО 10006. Стандарт ГОСТ Р 51901.4-2005 устанавливает общие положения менеджмента риска при проектировании, его подпроцессы и воздействующие факторы. Цель оценки риска состоит в том, чтобы проанализировать и оценить идентифицированные виды риска и определить, требуется ли их обработка. В процессе анализа риска устанавливают пределы и эффективные границы риска, выявляют любые зависимости и определяют вероятность появления и воздействия на связанные цели неблагоприятных событий.
Оценивание риска заключается в сравнении уровня риска с приемлемыми критериями и установке начальных приоритетов для обработки риска.
Анализ риска представляет собой структурированный процесс, целью которого является определение как вероятности, так и размеров неблагоприятных последствий исследуемого действия, объекта или системы. В стандарте ГОСТ Р 51901.1-2000 в качестве неблагоприятных последствий рассматривается вред, наносимый людям, имуществу или окружающей среде.
Посредством проведения анализа риска предпринимаются попытки ответить на три основных вопроса: -что может выйти из строя (идентификация опасности); -с какой вероятностью это может произойти (анализ частоты); -каковы последствия этого события (анализ последствий).
В соответствии с Законом «О техническом регулировании» основными элементами технического регулирования являются нормирование требований, обеспечивающих безопасность, и подтверждение соответствия продукции установленным требованиям. Для количественной оценки ущерба вводят показатели риска. Уровень допустимого риска в нормативных документах выражается обычно через предельно допустимые значения контролируемых показателей (нормативы безопасности). Между тем, существующая в настоящее время научно-техническая и нормативная документация на показатели качества отделки не содержит сведений, касающихся требований безопасности лакокрасочных покрытий, что делает невозможным оценить их уровень качества с определённой гарантией. В связи с этим весьма актуальным является проблема оценки рисков, что позволит обеспечить потребителю гарантию качества, а производителю повысить конкурентоспособность.
Применение статистических методов управление качеством отделки строительных изделий и конструкций
В целях повышения архитектурной выразительности и эксплуатационных свойств бетонов наружных стен зданий применяют различные виды отделки. Одним из самых распространенных видов отделки является окраска, её удельный вес среди всех видов отделочных материалов составляет свыше 50%. [27,55]. По данным [61,68,55] в строительстве и быту расходуется около 52% выпускаемых лакокрасочных материалов.
Покрытия для отделки фасадов зданий, выполняя защитные функции, должны иметь высокое качество внешнего вида. Под качеством внешнего вида подразумевается отсутствие дефектов (включений, потёков, шагрени, штрихов и рисок, волнистость, разноотеночности) лакокрасочного покрытия. От наличия дефектов на поверхности лакокрасочного покрытия зависит класс качества внешнего вида.
В соответствии с ГОСТ 9.032-74 "Единая система защиты с коррозии и старения. Покрытия лакокрасочные. Группы, технические требования и обозначения" определены семь классов качества внешнего вида покрытий на металлической подложке:
I класс - не допускаются никакие дефекты для высокоглянцевых, глянцевых, полуглянцевых и полуматовых. Для матовых покрытий не более 4 включений на м2;
II - VII классы - возможны сорность или отдельные включения с учётом их числа (шт/м ) в зависимости от длины, ширины, диаметра дефекта и расстояния между ними (мм), а также риски и штрихи.
Кроме приведённых выше дефектов, классы качества III-YII допускают волнистость, Y-YII - потёки, IY-YII - разнооттеночность. -10-В работе [92] предложено качество внешнего вида защитно-декоративных покрытий цементных бетонов оценивать IV - VII клас сами (табл. 1.1). Таблица 1.1 Допускаемые дефекты для покрытий в зависимости от их класса Класс покрытия Наименование дефекта Норма для покрытий Полуглянцевых Полуматовых Матовых IV а)включения:количество шт/дм" 1 1 б) размер, мм, не более 1,0 1,0 1,0 в) расстояние междувключениями, мм, неболее 10 10 г)шагрень допускается д)потёки не допускается е)штрихи, риски допускаются отдельные ж)волнистость, мм, не более 2 2 з)разнооттеночность не допускается Y а)включения: количество шт/дм2 4 4 б)размер, мм, не более 2,0 2,0 2,0 — г)шагрень допускается д)потёки допускается отдельные е) штрихи, риски допускаются ж) волнистость, мм, не более 2,5 2,5 2,5 з) разнооттеночность Не допускается YI а)включения: количество шт/дм 8 8 б)размер, мм, не более 3,0 3,0 3,0 г)шагрень не допускается д)потёки допускаются отдельные е)штрихи, риски допускаются -11 Продолжение таблицы 1.1 ж) волнистость, мм, не более 4,0 4,0 4,0 з) разнооттеночность допускается
В соответствии с ГОСТ 9.467-84 «ЕСЗКС. Покрытия лакокрасочные. Методы оценки внешнего вида» - качество любой окрашенной поверхности можно охарактеризовать классом, баллом, количественным показателем или любым другим нестандартным методом. Все данные методы объединяет то, что качество определяется количеством и размерами дефектов на площади поверхности. Можно выделить следующие виды дефектов, определяющие совокупность свойств (х13х25... ,хп): изменение цвета (х,); изменение блеска (х2); меление (х3); грязеудержание (х4); волнистость (х5); включения (х6); потёки (х7); штрихи, риски (х8); разнооттеночность (х9); выветривание (х10); растрескивание (х„); отслаивание (х12); растворение (х]3); сморщивание (х14); образование пузырей (х15).
Оценив каждое из 15-ти вышеотмеченных свойств, и обобщив результаты, можно получить исчерпывающую информацию о качестве покрытия.
В работе [94] предлагается оценивать качество окрашенной поверхности интегральным показателем QnoK. Поверхность (или отдельный участок поверхности) будет считаться дефектным, если в пределах её (его) площади числовое значение интегрального показателя качества Qn0K окажется ниже установленного значения Qycm, т.е. где а,- - весовые коэффициенты г -го свойства; Р„ок и Р tm - оценки реальных и установленных показателей свойств качества покрытия относительного выбранного базового эталона, определяемые в общем виде как:
Авторы предлагают при строительстве выделять три типа сооружений, имеющих различный «статус»:
I - временные сооружения (гаражи, сараи, подсобные помещения на строительных объектах и т. п.); II - сооружения промышленно-гражданского строительства (жилые дома, промышленные здания, учреждения муниципального управления и т. п.); III - памятники архитектуры, исторические памятники, театры, правительственные сооружения и т.п. Показатели качества покрытия для сооружений различного статуса приведены в табл. 1.2.
Статистический анализ качества внешнего вида лакокрасочных покрытий цементных бетонов
Исследование физико-химических свойств исходных компонентов, реологических и физико-механических характеристик отделочного состава проводилось в соответствии с действующими стандартами и ГОСТами, а также по методикам, заимствованным из литературных источников.
Динамическую вязкость лакокрасочных составов определяли по методу Стокса. Для этого исследуемую жидкость наливали в мерный цилиндр, к поверхности подносили металлический шарик известной плотности ршар и радиуса Г и опускали (без толчка). Как только движение шарика становится равномерным, включали электросекундомер и определяли время прохождения t шариком пути /. Вязкость жидкости находится по формуле: количество капель воды; п - количество капель раствора; р0 - плотность воды, кг/м , при 20 С, равная 0,9982 г/см ; р - плотность раствора, кг/м .
Измеряя сначала число капель п0воды, поверхностное натяжение а0 и плотность р0 которой хорошо известны, а затем число капель п и плотность р исследуемой жидкости, вытекающей из того же объёма, рассчитывали искомое поверхностное натяжение а.
Сталагмометр промывали и вертикально укрепляли на штативе. Затем заполняли его дистиллированной водой и подсчитывали количество капель п0
в данном объёме. Подсчёт капель производили пять раз и брали среднее арифметическое. Затем промывали сталагмометр, заполняли его красочным составом и подсчитывали число капель состава п в том же объёме.
Измерение смачивающей способности красочных составов производили по углу смачивания ( краевой угол 9 ). Угол смачивания или краевой угол 9 образуется векторами сил поверхностного натяжения, направленными по касательной к поверхностям раздела твердое тело - жидкость и жидкость -воздух. Угол 9 измеряли со стороны жидкой фазы. Для измерения краевого угла смачивания каплю красочного состава наносили на подготовленные стеклянные пластинки и зашпаклёванные бетонные образцы. С помощью оптического устройства боковое изображение капли проецировали на экран, где измеряли высоту шарового сегмента h и его диаметр. Величину краевого угла 9 находили по формуле (для 9 90 ): где г - радиус шарового сегмента, м; h - высота шарового сегмента, м;
Методика определения розлива заключалась в следующем. Краска с рабочей вязкостью наносится на металлическую или деревянную пластинку размером 20x40 см и быстро (не более 2-3 минуты) распределяется продольными и поперечными движениями кисти по всей поверхности. Затем кистью резко проводят глубокий штрих посередине пластины от одного края в другой и засекают время, когда исчезнут штрихи от кисти и поверхность станет совершенно ровной. В зависимости от времени, потребного для «розлива» краски, различают три оценки: 1 - удовлетворительный (не позднее 10 минут); 2 - замедленный (10-15 минут); 3 - неудовлетворительный (более 15 минут). Так же розлив оценивался по методике, заключающейся в нанесении пяти пар параллельных полос материала и определении степени растекаемости по числу слившихся полос. Нанесение полос производили специальным приспособлением.
Шероховатость покрытий измеряли с помощью портативного прибора для измерения шероховатости поверхности TIME TR100 и оценивали по показателю Ra.
Блеск покрытий определяли с помощью блескомера ФБ-2 по следующей методике. Головку прибора ФБ-2 устанавливали на увиолевое стекло (эталон, прилагающийся к набору) таким образом, чтобы свет падал на стекло и стрелка (световой указатель) амперметра находилась против деления 65. Затем головку прибора устанавливали на покрытие и фиксировали на сколько делений отклонился световой указатель амперметра. Полученная цифра соответствует показателю блеска испытуемого покрытия.
Закономерности изменения напряженно деформированного состояния лакокрасочных покрытий в зависимости от качества их внешнего вида
В соответствии со статистической теорией прочности твёрдых тел вероятность разрушения определяется наличием и концентрацией дефектов[90-97]. Следовательно, наличие включений, шагрени, потеков, волнистости и т.д. на поверхности лакокрасочных покрытий, определяет их напряженное состояние и стойкость в процессе эксплуатации.
В работе был применён способ регистрации голограмм двойной экспозиции, оптическая схема регистрации голограмм показана на рис. 2.2. Объектом исследований служили два окрашенных образца цементно-песчаного раствора размером 4x4x16см с различной пористостью. На рис. 4.1 и рис. 4.2 представлены соответственно фотографии интерферограмм лакокрасочного покрытия на основе масляной краски марки МА-15 с динамической вязкостью т/ = 26,0 на цементной подложке с пористостью 24% и 3 2% и схема распределение шероховатости поверхности покрытий на основе этих красок.
Интерферограмма лакокрасочного покрытия на основе краски МА-15(динамическая вязкость 77 = 26,0Пас, пористость подложки 32%) (а), схема распределения шероховатости по поверхности покрытия (б) Анализ экспериментальных данных свидетельствует, что существует корреляционная зависимость между показателем шероховатости поверхности покрытия и его напряжён но-деформированным состоянием (НДС). Так, при шероховатости поверхности покрытия на основе краски МА-15 на подложке с пористостью 24% Ra, равной Ra= 4-6 мкм (рис.4.1), в области лакокрасочного покрытия ВЗ-АЗ-А4-В4 на интерферограмме наблюдается нарушение порядка и искривление полос, что свидетельствует о наличии в этой области возможного дефектного внутреннего разрушения и местной концентрации напряжений []. В области D3-C3-C4-D4 и C4-D4-C5-D5 шероховатость покрытия составляет 8-12 мкм и также в этой области наблюдается нарушение порядка полос. Аналогичны нарушения интерференционной картины и в областях D9-C9-C10-D10 и D11-C12-C12-D11, в которых шероховатость покрытия составляет 10-15 мкм. Эти области были отдельно выделены и представлены на рис. 4.3.
Зоны нарушения порядка и искривления интерференционной картины полос: a)D3-C3-C4-D4 и C4-D4-C5-D5, 6)D11-C12-C12-D11, B)D9-C9-C10-D10 (краска МА-15 с динамической вязкостью т) =26,0 Пас, пористость подложки 24%) В области D3-C3-C4-D4 (рис.4.2), характеризующейся низким значением шероховатости (0-2 мкм), наблюдается более равномерное распределение интерференционных полос, что свидетельствует о равномерном напряжённо-деформированном состоянии покрытия в этой зоне. Область D3-C3-C4-D4 была выделена отдельно и представлена на рис.4.4.
В областях D8-C8-C9-D9 и D9-C9-C10-D10 (рис.4.2) шероховатость составляет 5-10 мкм и присутствует искривление картины полос и нарушение порядка полос. Аналогичная закономерность характерна и для области С8-В8-В9-С9. Эти области также были выделены из рис. 4.2 и представлены на рис.4.5.
Зоны нарушения и искривления порядка интерференционной картины полос a)D8-C8-C9-D9 и D9-C9-C10-D10, б)С8-В8-В9-С9 (поверхность краски МА-15, динамическая вязкость v = 26,0 Пас, пористость подложки 32%). Более напряжённое состояние покрытия в местах большей шероховатости способствует разрушению покрытия в этих местах в процессе эксплуатации. Установлено, что в процессе циклического замораживания-оттаивания трещины появляются локально и образуются около дефектов на поверхности покрытия. В частности, на покрытии на основе краски МА-15, характеризующимся показателем шероховатости К.а 3мкм, через 10 циклов замораживания-оттаивания появились поверхностные трещины, видимые невооруженным глазом, а на покрытии с показателем шероховатости R8 3MKM
