Введение к работе
v
Актуальность работы. На предприятиях пищевой, химической, медицинской, микробиологической промышленности, а также в сельскохозяйственных, транспортных, гидротехнических зданиях и сооружениях значительную роль в разрушениях строительных материалов и изделий играют микроскопические организмы: бактерии, грибы, актиномицеты, для развития и размножения которых здесь создаются благоприятные условия. Поражению микроорганизмами подвержены также жилые и общественные здания, так как мельчайшие частицы органического вещества почвы, растений, животных, служащие бактериям и грибам питательным субстратом и практически всегда присутствующие в воздухе, оседают на поверхность конструкций.
Эксперименты по изучению поведения материалов в условиях воздейст
вия микроорганизмов и натурные обследования зданий и сооружений свиде
тельствуют о снижении прочностных показателей, разрушении цементобетон-
, ных изделий, отслаивании штукатурных покрытий. Подсчитано, что ущерб,
причиняемый зданиям и сооружениям в результате биологических разрушений, составляет многие десятки миллиардов долларов ежегодно.
Степень разрушительного воздействия микроорганизмов определяется физическими, химическими, биологическими и другими факторами. Поражение наиболее интенсивно идет при повышенной влажности, относительно высоких температурах, обилии пыли и загрязнений органической природы. При благоприятных для развития микроорганизмов условиях разрушительные процессы начинаются с переноса их на поверхность изделий, адсорбции, образования и роста микроколоний за счет разрастания гифов и спор, сопровождающегося выделением продуктов метаболизма, их накоплением и коррозионным воздействием.
Актуальность темы диссертации обусловлена возможностью прогнозиро
вания на основе предлагаемых в работе методов моделирования, основанных на
замене непосредственного воздействия на материал микроорганизмов воздей-
ствием продуктов их жизнедеятельности (метаболизма), которые позволяют со
кратить временные и материальные затраты на проведение испытаний. Полу
ченные в результате исследований регрессионные зависимости позволяют про-
' изводить оценку долговечности конструкций и изделий на основе цементных
связующих для зданий с биологически активными средами. Указаны пути развития компьютерного материаловедения, основанные на экспериментально-математическом описании происходящих процессов.
Цель и задачи исследований. Целью исследований является установление закономерностей разрушения цементных композиционных материалов в агрессивных средах, разработка методов прогнозирования на основе предложенных моделей.
Для выполнения поставленной цели потребовалось решение следующих задач:
Провести оценку интенсивности размножения микроорганизмов на строительных конструкциях и агрессивного воздействия продуктов их метаболизма
Обосновать модель и выявить закономерности биологического разрушения цементных композитов под воздействием продуктов метаболизма.
РОС НЛ11«СНХПЬН4»Т Ь И h " . г f к Л C.Iieie^ftypr
гооб'рк
С помощью математических методов планирования эксперимента получить планы экспериментальных исследований, описываемых полиномиальными моделями.
Разработать программно-алгоритмическое обеспечение, пригодную для формирования планов экспериментальных исследований, описываемых полиномиальными моделями, а также повышения эффективности использования существующих.
При помощи синтезированных многоуровневых планов эксперимента получить экспериментально-статистические зависимости, пригодные для прогнозирования долговечности цементных композиционных материалов от структурных параметров и концентрации биологически агрессивной среды.
Исследовать изменение прочностных характеристик цементных композиционных материалов в зависимости от концентраций компонентов химически ' агрессивных сред, моделирующих продукты метаболизма микроорганизмов,
и сроков экспозиции образцов в этих средах. Выявить аппроксимирующую изменение коэффициента стойкости функцию с целью ее использования для нахождения результатов за пределами области исследования путем экстраполяции.
Разработать составы цементных композитов, стойких в условиях воздействия биологически агрессивных сред.
Выполнить апробацию и внедрение полученных в ходе выполнения работы программных средств и экспериментально-математических зависимостей на предприятиях стройиндустрии.
Научная новизна работы. Разработаны теоретические предпосылки для
применения многоуровневых планов эксперимента с несимметричными облас
тями планирования при изучении влияния на свойства строительных материа
лов различных факторов. Разработано программно-алгоритмическое обеспече
ние, позволяющее получать регрессионные зависимости, формируемые непо
средственно в программе пользователем, и получать планы экспериментов, от- /
вечающие задачам исследований, с оценкой адекватности этих планов. Предла
гается использование полиномиальных моделей высших порядков для получе
ния максимально насыщенных планов эксперимента с повышенной точностью.
Предложены аналитические зависимости для оценки интенсивности размноже
ния микроорганизмов на материалах и концентраций продуктов их метаболиз
ма. Получены аналитические зависимости, описывающие изменения прочност
ных характеристик цементных композитов различных структур под воздейст
вием продуктов метаболизма микроорганизмов в широком диапазоне концен
траций и времени экспозиции. Предложено использовать количественное изме
нение цветовых характеристик поперечных сечений образцов для оценки сте
пени деградации цементных композиционных материалов в модельных
агрессивных средах.
Научная новизна практических разработок подтверждена свидетельством на регистрацию программного продукта (Свидетельство № 2004611336. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 31 мая 2004г.)
Практическая значимость работы. Результаты исследований могут
быть использованы для оценки долговечности цементных композиционных материалов в условиях биологически агрессивных сред.
Приведенные планы экспериментов позволяют решить задачу прогнозирования сроков службы композиционных материалов на различных видах цементных связующих, с различными структурными параметрами в биологически агрессивных средах, продуцируемых бактериями либо мицелиальными грибами.
Разработанный программный продукт пригоден для применения при оптимизации составов строительных материалов, при оценке влияния на свойства материалов различных факторов.
Внедрение результатов работы. Разработанные методики прогнозирования долговечности цементных композиционных материалов в условиях биологической агрессии на основе испытаний в модельных средах внедрены в сгроительной лаборатории при ОАО «ЖБК-1» (г. Саранск) при подборе состава бетона для сборных конструкций элементов ленточных фундаментов. В результате было получено снижение себестоимости продукции за счет уменьшения стоимости и сокращения сроков испытаний.
Полученный программный продукт позволяет исследовать влияние на свойства строительных материалов различных факторов путем проведения активных экспериментов и сократить количество испытаний в некоторых случаях в 5-
10 раз. Исходя из этих сказанного программный комплекс FACTOR внедрен в
практику лабораторных испытаний в строительной лаборатории при ОАО «ЖБК-
1» (г. Саранск) и на ОАО «ПИ Мордовгражданпроект» (г. Саранск).
Апробация рабоїьі. Результаты исследований докладывались на следующих международных, всероссийских и межвузовских конференциях и семинарах:
11 Международной научно-практической конференции «Защитные композицион
ные материалы и технологии третьего тысячелетия» (Санкт-Петербург, 2001 г.);
III Международной научно-практической конференции «Проблемы строительст
ва, инженерного обеспечения и экологии городов» (Пенза, 2001 г.); V Междуна
родной научно-практической конференции «Современные проблемы биологиче
ских повреждений материалов» (Пенза, 2002 г.); Всероссийской научно-
технической конференции «Проблемы строительного материаловедения. 1-е Со-
ломатовские чтения» (Саранск, 2002 г.); Научной конференции Мордовского го
сударственного университета имени Н.П.Огарева «XXXI Огаревские чтения» (Са
ранск, 2003 г.); Международной научно-практической конференции «Актуальные
проблемы градостроительства и жилищно-коммунального комплекса» (Москва,
2003 г.); Международной научной конференции «Фундаментальные проблемы
комплексного использования природного техногенного сырья Баренцева региона
в технологии строительных материалов» (Апатиты, 2003 г.); Республиканской на
учно-практической конференции «Роль науки в социально-экономическом разви
тии Республики Мордовия» (Саранск, 2003 г.); Всероссийской научно-
технической конференции «Актуальные вопросы строительства. 2-е Соломатов-
ские чтения» (Саранск, 2003 г.); III республиканской научно-практической конфе
ренции «Роль науки и инноваций в развитии хозяйственного комплекса региона»
(Саранск, 2004 г.); 43-м Международном семинаре по моделированию и оптими
зации композитов МОК-43 «Моделирование и оптимизация в материаловедении»
(Одесса, 2004 г); VIII академических чтениях отделения строительных наук РА-АСН «Современное состояние и перспектива развития строительного материаловедения» (Самара, 2004 г.); IX научной конференции молодых ученых (Саранск, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Биоповреждения и биокоррозия в строительстве» (Саранск, 2004 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 научных работ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованных источников, включающего 119 наименований, изложена на 170 страницах машинописного текста, включает 48 рисунков, 15 таблиц, 3 приложения. Работа выполнена на кафедре строительного производства Мордовского государственного университета.
Автор благодарит сотрудников кафедры строительного производства Мордовского государственного университета, а также кандидата технических наук доцента Е. А. Морозова за консультации, советы и поддержку при работе над диссертацией.
