Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Полимерные композиты и защитно декоративные покрытия на их основе 10
1.1. Виды полимерных покрытий. Классификация и функциональное назначение 10
1.2. Основные компоненты полимерных покрытий. Принципы формирования структуры 15
1.3. Полиуретановые покрытия. История развития, структура и свойства, способы модификации полиуретановых композитов, область применения 17
1.4. Методы прогнозирования долговечности полимерных покрытий 30
1.5. Выводы по главе
1. Цели и задачи исследования 37
ГЛАВА 2. Материалы и методы исследования 39
2.1. Применяемые материалы и их свойства 39
2.2. Методы исследований полиуретановых композитов
и применяемое оборудование 43
2.3. Материалы и методы исследований цементных композитов иприменяемое оборудование 48
2.4. Анализ структуры строительных материалов с применением компьютерных
2.5. Основные положения метода симплекс-планирования 54
2.6. Статистические методы анализа экспериментальных данных 56
ГЛАВА 3. Прогнозирование долговечности полимерных покрытий 59
3.1. Критерии разрушения полимерных покрытий,
работающих в условиях действия агрессивных факторов 59
3.2. Предельные состояния эксплуатационной пригодности защитно-декоративных покрытий строительных конструкций 63
3.3. Модели деградации композиционных строительных материалов, эксплуатирующихся в условиях действия агрессивных факторов 73
3.4. Выводы по главе 3 84
ГЛАВА 4. Экспериментальные исследования наполненных полиуретановых композитов 85
4.1. Экспериментальные исследования изменения свойств полиуретановых композитов от вида и количественного соотношения компонентов с применением метода симплекс-планирования.
4.2. Исследование воспламеняемости и стойкости к горению полиуретановых композитов 99
4.3. Оптимизация составов полиуретановых композиций с применением экспериментально-статистических моделей 101
4.4. Экспериментальные исследования изменения эксплуатационных характеристик полиуретановых композитов, наполненных оксидом алюминия, доломитом и цеолитсодержащими породами 111
4.5. Экспериментальное исследование пластической прочности полиуретановых композитов 118
4.6. Выводы по главе 4 , 123
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования влияния характеристик бетонных оснований на работу полиуретановых покрытий 124
5.1. Экспериментальные исследования совместной работы
бетонных оснований с полимерными покрытиями 124
5.2. Анализ влияния характеристик поровой структуры бетонных оснований на эффективность наносимых полиуретановых покрытий... 137
5.3. Выводы по главе 5 147
ГЛАВА 6. Анализ изменения эксплуатационных характеристик пигментированных полиуретановых композитов, подвергающихся воздействию УФ-облучения 148
6.1. Результаты экспериментальных исследований упруго-прочностных характеристик пигментированных полиуретановых композитов до и после ультрафиолетового облучения 148
6.2. Оценка изменения декоративных характеристик полиуретановых композитов под действием УФ-облучения. 151
6.3. Выводы по главе 6 162
Общие выводы 163
Список использованных источников. 165
- Полиуретановые покрытия. История развития, структура и свойства, способы модификации полиуретановых композитов, область применения
- Анализ структуры строительных материалов с применением компьютерных
- Предельные состояния эксплуатационной пригодности защитно-декоративных покрытий строительных конструкций
- Оптимизация составов полиуретановых композиций с применением экспериментально-статистических моделей
Введение к работе
Актуальность работы. Бетонные и железобетонные элементы строительных конструкций находятся под постоянным влиянием многочисленных негативных факторов: агрессивных сред, ультрафиолетового излучения, значительных механических нагрузок, знакопеременных температур и т.д. Комплексное и длительное влияние этих факторов приводит к деградации, ухудшению свойств и, в итоге, к разрушению конструкций. Для предотвращения данного процесса и надежной защиты зданий и сооружений используются защитно-декоративные покрытия на основе полимерных связующих.
Наибольшее распространение на сегодняшний день получили защитные покрытия на основе эпоксидных связующих, обладающие высокими прочностными и адгезионными показателями, стойкостью к действию агрессивных сред, но имеющими недостаточную эластичность, ударную прочность, стойкость к истиранию и атмосферостойкость.
Из всего многообразия существующих полимерных покрытий целесообразно выделить класс полиуретанов, обладающий прекрасным внешним видом, эластичностью, высокой адгезией к различным основаниям, износостойкостью и устойчивостью к абразивному истиранию. На сегодняшний день существует множество работ, посвященных изучению свойств полиуретановых (ПУ) композитов, однако по вопросам их стойкости к атмосферному воздействию сведения крайне скудны по сравнению с другими классами полимеров.
Учитывая перспективность разработки ПУ покрытий, для получения которых в настоящее время, как правило, используется дорогостоящее импортное сырье, целесообразно изучить возможность замены дорого импортного оксида алюминия тонкодисперсными минеральными наполнителями, широко распространенными на территории Российской Федерации и Республики Мордовия (мел, доломит, диатомит и цеолитсодержащая порода).
Цель диссертационной работы заключается в разработке защитно-декоративных покрытий, отличающихся повышенным сопротивлением к воздействию УФ-облучения, на основе ПУ связующих, наполненных тонкодисперсными минеральными порошками на основе местного минерального сырья.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
Изучить закономерности изменения свойств ПУ композиций от вида и количественного соотношения дисперсных минеральных наполнителей.
Разработать экспериментально-статистическую модель для оценки изменения свойств покрытий с учетом рецептурных параметров. На основе полученной модели оптимизировать составы ПУ композиций по следующим показателям качества: упруго-прочностные характеристики, огнестойкость, истираемость, адгезионная прочность, несущая способность и стабильность декоративных параметров при эксплуатации под действием УФ-облучения.
Изучить особенности совместной работы ПУ покрытий с бетонным основанием. Установить влияние характеристик поровой структуры бетонного основания на показатели качества полиуретанового покрытия.
Исследовать кинетику изменения эксплуатационных характеристик ПУ покрытий под действием УФ-облучения.
Научная новизна работы.
Выявлены закономерности изменения свойств полиуретановых композитов от вида и количественного соотношения тонкодисперсных минеральных наполнителей под действием УФ-облучения, на основании которых разработаны составы ПУ покрытий, отличающиеся высокими эксплуатационными показателями качества, повышенной долговечностью в условиях действия агрессивных факторов.
Разработана экспериментально-статистическая модель, позволяющая оптимизировать составы ПУ композиций по прочностным и декоративным показателям и обеспечить высокий уровень эксплуатационных показателей качества за счет применения комплексной добавки из тонкодисперсных минеральных наполнителей - доломита, диатомита, мела и цеолитсодержащей породы.
Установлены особенности совместной работы ПУ покрытий с бетонным основанием. Выявлено влияние водоцементного соотношения и параметров поровой структуры бетонного основания на показатели качества ПУ покрытий.
Выявлено влияние УФ-облучения на упруго-прочностные и декоративные характеристики пигментированных ПУ композитов. Разработаны составы, обладающие наибольшей стойкостью к УФ-облучению.
Практическая значимость работы.
В результате проведенных исследований разработаны эффективные защитные полиуретановые покрытия, обладающие высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной стойкостью к УФ-облучению, не уступающими, а по некоторым показателям и превосходящими промышленно-выпускаемый состав «Соверол-05».
На основе многокритериальной оптимизации результатов экспериментальных исследований установлена возможность замены до 60% дорогого импортного наполнителя оксида алюминия местными минеральными наполнителями без потери эксплуатационных параметров.
Внедрение результатов исследований.
Разработанные защитно-декоративные покрытия внедрены при устройстве защитных покрытий в ООО «Волговятстрой» (р. Мордовия).
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, 2008 - 2011 гг.), «Строительство, архитектура, дизайн» (2009 - 2010 гг.), «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2009 г.), «Полимеры в строительстве» (г. Казань, 2009 г.), «Достижения и проблемы материаловедения и модернизации строительной индустрии» (г. Казань, 2010 г.), «Строительная наука 2010» (г. Владимир, 2010 г.), «Актуальные проблемы бетона и железобетона. Материалы и конструкции, расчет и проектирование» (г. Ростов-на-Дону, 2010 г.), «Разработка современных технологий и материалов для обеспе-
чения энергосбережения, надежности и безопасности объектов архитектурно-строительного и дорожного комплекса» (г. Саратов, 2010 г.), «Науковий вісник будівництва» (Харьков, 2010 г.), «Фундаментальные и прикладные проблемы науки» (г. Москва, 2011 г.), «Строительство-2011» (г. Ростов-на-Дону, 2011 г.). Статьи были опубликованы в журналах: «Кровельные и изоляционные материалы» (2011 г.), «Вестник Волжского регионального отделения РААСН» (Нижний Новгород, 2010 г.), «Известия ТулГУ» (г. Тула, 2011 г.), «Региональная архитектура и строительство» (г. Пенза, 2012 г.), «Вестник МГСУ» (г. Москва, 2012 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:
методика расчета полимерных покрытий по трещиностойкости, отслоению и скорости насыщения покрытия при действии агрессивных сред;
результаты теоретических и экспериментальных исследований ПУ композитов с использованием тонкодисперсных минеральных наполнителей (мела, доломита, диатомита и цеолитсодержащей породы) для защиты бетонных оснований;
экспериментально-статистические модели изменения эксплуатационных характеристик ПУ покрытий от рецептурных параметров (степень наполнения, соотношение масло касторовое : Совермол 815, доля наполнителей - оксида алюминия, мела, доломита, диатомита и цеолитсодержащей породы);
результаты экспериментальных исследований совместной работы ПУ покрытий с бетонными основаниями различной пористости;
методика комплексной оценки изменения декоративных характеристик пигментированных ПУ покрытий под действием УФ-облучения;
результаты исследования изменения упруго-прочностных прочностных и декоративных характеристик ПУ покрытий под действием УФ-облучения.
Личный вклад автора состоит в анализе результатов экспериментальных исследований, их обобщении, анализе и формулировке выводов работы.
Публикации. По теме диссертации: опубликована 21 статья, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК; подана заявка на патент per. № 2011118247/05 (027029) с приоритетом от 05.05.2011.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 180 страницах машинописного текста, содержит 91 рисунок, 15 таблиц, 1 приложение и список использованных источников из 163 наименований.
Автор выражает глубокую признательность за научные консультации советнику РААСН, доктору технических наук, профессору Т. А. Низиной.
Полиуретановые покрытия. История развития, структура и свойства, способы модификации полиуретановых композитов, область применения
Основным компонентом наливных защитно-декоративных покрытий является полимерное связующее, представляющее собой высокомолекулярное соединение, количество мономерных звеньев в котором достаточно велико.
Если связь между макромолекулами осуществляется с помощью слабых сил Ван-Дер-Ваальса, они называются термопластами, если с помощью химических связей - реактопластами. По форме макромолекул полимеры делят на линейные, разветвленные (частный случай - звездообразные), ленточные, плоские, гребнеобразные, полимерные сетки и так далее.
Полимеры принято разделять на термопластичные и термореактивные. Термопластичные полимеры (полиэтилен, полипропилен, полистирол) при нагреве размягчаются, а при охлаждении затвердевают. Этот процесс является обратимым. Термореактивные полимеры при нагреве подвергаются необратимому химическому разрушению без плавления. Молекулы термореактивных полимеров имеют нелинейную структуру, полученную путём сшивки (например, вулканизации) цепных полимерных молекул. Упругие свойства термореактивных полимеров выше, чем у термопластов, однако, термореактивные полимеры практически не обладают текучестью, вследствие чего имеют более низкое напряжение разрушения.
В зависимости от способа получения полимеры подразделяют на поли-меризационные (процесс образования не сопровождается выделением каких-либо побочных продуктов) и поликонденсационные (процесс протекает с образованием воды или других веществ).
Наполнителями для полимерных композиций могут служить тонкодисперсные материалы крупностью зерен до 0,15 мм. К заполнителям относят пески величиной зерен от 0,15 до 3 м и более крупные зерна - щебень или гравий (3-20 мм), которые используются для получения полимербетонов. Наполнители и заполнители вводят в полимер с целью снижения внутренних напряжений, образующихся вследствие разности коэффициентов терминеского расширения полимерной пленки и армирующих материалов, уменьшения усадки и ползучести, улучшения физико-механических свойств композиций, снижения стоимости и дефицитности материала. Все наполнители и заполнители должны быть сухими и не содержать вредных примесей.
Армирующие материалы вводят в состав полимерных композиций с целью физико-механического упрочнения последующих и передачи структурных и силовых напряжений с полимера на арматуру. К армирующим материалам относят углеродные, базальтовые, стеклянные волокна, жгуты, ткани, нити, и т.д, пластиковую и металлическую арматуру в виде сеток, отдельных стержней, каркасов и т.д., асбестовые нити и волокна и т.д.
Растворители применяют для получения полимерных композиций требуемой консистенции. Растворители оказывают влияние на физико-механические свойства полимеров: замедляют отверждение, снижают прочность и плотность композиции, увеличивают усадку и ползучесть, уменьшают водо- и теплостойкость.
Пластификаторы - вещества, вводимые в полимер для придания ему эластичности, повышения сопротивления ударным нагрузка и т.д. В качестве пластификаторов применяют диметилфталат, диэтилфталат, диоктилфталат, динонилфталат, дибутилфталат, бутилбензилфталат, трибутилфосфат, три-фенилфосфат и другие сложные полиэфиры.
Модификаторы могут не только совмещаться, но и химически взаимодействовать с основными вяжущими в полимерной композиции при отверждении, что улучшает физико-механические свойства и химическую стойкость покрытия, увеличивая его долговечность. Некоторые модификаторы обладают и пластифицирующими свойствами.
Отвердители применяют для ускорения процесса полимеризации, который может осуществляться при нормальной температуре крайне медленно, в теченрш нескольких недель и даже месяцев. Отвердители могут состоять из катализаторов, инициаторов и ускорителей. Катализаторы (кислоты, соли, основания) участвуют только в промежуточных этапах отверждения и не входят в состав полимеров. Инициаторы (органические и неорганические перекиси) взаимодействуют с мономером и повышают степень полимеризации готового продукта. Ускорители (соли металлов) не участвуют в реакции отверждения и существенно усиливают активность инициатора.
Вулканизирующие агенты органического или неорганического характера (дифенилгаунидин, перекись свинца, органоперекиси и т.д.) применяют для ускорения реакции перехода каучуковых соединений в неплавкое и нерастворимое соединение.
Ингибиторы вводят в состав полимерной композиции с целью торможения прекращения процесса полимеризации. Их применяют для увеличения жизнеспособности смесей. В качестве ингибиторов стирола, мелитметакри-лата, акрилонитрила используют гидрохинон, ароматические амины и некоторые нитросоединения. Ингибиторами карбамидных смол служат различные многоатомные спирты [59, 60].
Стабилизаторы вводят в полимер для предотвращения или замедления старения. Различают два вида стабилизаторов; блокирующие и экранизирующие. Первые, распадаясь на отдельные сегменты, насыщают свободные связи макромолекул, которые образуются в результат деструкции. Так, например, блокирующим стабилизатором полистирола является эпихлоргидрин или этиленимин. Экранизирующие стабилизаторы окисляются с более высокой скоростью, чем полимер (многоатомные фенолы, амины и т.д.) и таким образом, препятствуют влиянию источников старения [59, 60].
К полиуретанам относят обширный класс полимеров, значительно отличающихся химической природой, строением цепи и свойствами, но неизменно содержащих уретановые группы NHCOO Полиуретаны можно синтезировать различными способами, однако в промышленности традиционным является способ взаимодействия ди- или полиизоцианатов с соединениями, содержащими две или более гидроксиль-ные группы в молекуле, например с простыми и сложными полиэфирами с концевыми ОН-груштами. Линейный полиуретан, синтезированный из соединения с двумя ОН-группами HOROH и диизоцианата OCNR MCO, имеет строение:
Анализ структуры строительных материалов с применением компьютерных
На сегодняшний день известно более 40 минеральных видов природных цеолитов; наиболее распространённые: клиноптилолит (К2Na2Ca)з [Al6Si3o072]]20Н20, гейландит (Na, К) Ca4[Al9Si270723]24Н20, филлипсит К2(Cao!5Na)4[А16Si1o032] 12Н20, ломонтит Ca4[Al8Si16048] 16Н2G, морденит (Na2К2Ca)4[Al8Si4о09б] 28Н20, эрионит NaK2Mg, Са fAlgSizgCbl SHA шабазит (Са, Na2)г[Al4Si8024]12Н2О, феррьерит (Na, К) Mg2Cao,5[Al8Si3o072] 20H2О, анальцим Na[AlSi20б] Н2О.
В природе образуют хорошо огранённые кристаллы различной симметрии и габитуса (изометричные, призматические, игольчатые, таблитчатые) с различным проявлением спайности (от совершенной до отсутствия её) и размерами от долей мкм до 10 см (анальцим); обычно белые, иногда бесцветные и прозрачные, реже окрашенные в красноватые, коричневые и зеленоватые оттенки. Твердость 3-5. Плотность 1900 - 2800 кг/м3. Цеолиты образуются при температурах не свыше 250С и давлениях 200 - 300 МПа в результате гидротермальных, гидротермально-метасоматических, диагенетических и метаморфических процессов в вулканических и вулканогенно-осадочных породах.
Двуокись титана, Ті02 - соединение титана с кислородом, в котором титан четырёхвалентен. Представляет собой белый порошок, желтый в нагретом состоянии. Встречается в природе главным образом в виде минерала рутила. Температура плавления - 1855 С, температура кипения -2500 - 3000С. Плотность 3,9 - 4,25 г/см . Практически нерастворим в воде, щелочах и кислотах, за исключением HF. Пеногасящая добавка ВУК-066 представляет собой фтормодифицированные полисилоксаны с широким диапазоном использования, плотность при 20С - 0,81 г/мл; массовая доля нелетучих веществ - 0,7%; температура вспышки - 47 С.
Аэросил (коллоидный диоксид кремния (Si02)) представляет собой чистый аморфный непористый диоксид кремния с размером частиц от 5 до 40 нм с выраженными адсорбционными свойствами. «Аэросил» - торговое название, введенное в оборот немецкой химической компанией «Evonik Degussa AG». Техническое название - пирогенная двуокись кремния.
Частицы аэросила образуют физические хлопьевидные агрегаты, поэтому объём аэросила фактически на 98% заполнен воздухом; если истинная плотность Si02 составляет 2,2 г/см", то кажущаяся плотность Аэросила - 40 - 60 г/л. Аэросил отличается очень низкой теплопроводностью и является ценным термоизоляционным материалом. Он обладает хорошими адсорбционными свойствами, особенно к полярным веществам. С химической точки зрения все свойства аэросила определяются наличием на его поверхности силанольных Si-OH и силоксановых Si-0-Si групп. FINMA-SORB 430 - минеральный адсорбент, состоящий из алюмосиликатов щелочных металлов. Представляет собой порошок белого цвета, на поверхности частиц которого происходит адсорбция.
Добавка BYK-410 (мочевина в органическом растворителе N-метилпирролидоне, получаемая из аммиака и двуокиси углерода), представляет собой порошок белого цвета и используется в качестве добавки, предотвращающей оседание.
Отвердитель изоцианат SUPRASEK 5025 (4, 4 - дифенилметанди-изоцианат) представляет собой однородную жидкость от темно-желтого до темно-коричневого цвета, плотность состава - 1,25 кг/м3, условная вязкость по вискозиметру ВЗ-246 с диаметром сопла 4 мм - 110 с, массовая доля изоцианатных групп не менее 30,5 %, жизнеспособность композиции не менее 60 мин.
2.2. Методы исследований полиуретановых композитов и применяемое оборудование
Метод испытания на растяжение (ГОСТ 11262-80 ) Для испытаний изготовляли образцы типа 2, форма и размеры которых указаны в ГОСТ 11262-80 . Испытание проводили на разрывной машине Р-0.5 со скорость раздвижения зажимов 10 мм/мин. Образцы закрепляли в зажимы испытательной машины по меткам, определяющим положение кромок зажимов таким образом, чтобы продольные оси зажимов и ось образца совпадали между собой и направлениям движения подвижного зажима.
В процессе испытания измеряли нагрузку (Fmax) и максимальное удлинение (А/) в момент разрушения образца. Производили запись кривой «нагрузка - удлинение».
Значение предела прочности (МПа) и относительного удлинения при растяжении (%) определяли по формулам: aD= , (2.2.1) Р 4 A/ 100, (2.2.2) где Fm - разрушающая нагрузка при испытании на растяжении, Н; А0 площадь начального поперечного сечения, мм ; А/- удлинение расчетной длины образца в момент разрыва, мм; /о - начальная расчетная длина образца, мм; По полученной диаграмме определяли модуль упругости (Ер, МПа) при растяжении (ГОСТ 9550-81); Ep=- b tk- (2.2.3) где F2 - нагрузка, соответствующая относительному удлинению 30%, Н; F{ -нагрузка, соответствующая относительному удлинению 10%, Н; А/2- удлинение, соответствующее нагрузке F2, мм; А/-,- удлинение, соответствующее нагрузке F,, мм.
Твердость и модуль деформаций полиуретановых композитов определяли методом внедрения конусообразного индентора [118]. Сущность метода заключается в погружении конусообразного индентора в испытуемый образец и фиксировании глубины погружения через 1 с, 1 мин., 15 мин. после приложения основной нагрузки. Твердость (Г, МПа) и модуль деформаций (яа, МПа) определяли по формулам: T = JWtf (2.2.4) tg -- А215 г, 3,18-F„-м, - сч / А. {Z.Z.D) у где FM - нагрузка на индентор; Кх - коэффициент, учитывающий величину нагрузки на конусообразный индентор (табл, 2.2.1); А15 - глубина погружения индентора через 15 мин. после приложения основной нагрузки, мм; а- угол наклона конусообразного индентора
Предельные состояния эксплуатационной пригодности защитно-декоративных покрытий строительных конструкций
Если принять, что у - величина для бетона постоянная и не зависит от размеров элемента и условий нагружения и если величина нагрузки не изменяется в процессе разрушения, а толщина покрытия очень мала( «О), то уравнение баланса энергии для бетонной пластины с микротрещиной имеет вид: — P-.V = 2-y-F, (3.2.10) 2-Eb где V - объем разгруженной зоны материала; F - поверхность разрыва. Тогда из уравнения следует: E,:r = J__ = comt (3.2Л1) R2 4-F
Подставив выражение (3.2.11) в уравнение (3.2.9) получаем, что при растяжении бетона с полимерным покрытием на поверхности его прочность повышается с увеличением модуля упругости материала покрытия и уменьшается с увеличением модуля упругости бетона. Выражение для К в этом случае имеет вид: K = jl + rj- , (3.2.12) Eh-y R2p-n Учитывая упрочнение бетона при работе железобетонных изгибаемых элементов с покрытием, наибольшее напряжение в полимерном покрытии в момент образования трещины в бетоне будет равно: aM=K-Rp-(n + nn). (3.2.13)
Рассмотрим случай, когда трещины в бетоне под покрытием уже раскрылись. Тогда формула (3.2.13) для определения сги непригодна, так как напряжения в покрытии будут возрастать с увеличением ширины раскрытия трещины ат. Для определения напряжения в покрытии над трещиной рассмотрим деформацию покрытия и бетона между трещинами на участке длиной 1Т. С учетом неравномерности распределения напряжений в покрытии и бетоне на участке длиной 1Т можно записать;
Величина коэффициента ц/п меняется от наименьшего в момент раскрытия трещины в бетоне до значения, близкого к единице, в случае полного отслоения покрытия на участке между трещинами.
Напряжения, определяемые по формулам (3.2.13) и (3.2.18), действуют в области, близкой к плоскости контакта бетона с полимером и пригодны для расчета трещиностойкости тонких полимерных покрытий. В случае толстых покрытий наибольшие растягивающие напряжения будут возникать во внешнем слое покрытия. Их величину можно определить по правилам сопротивления материалов, основываясь на гипотезе Бернулли.
Для определения напряжений, которые возникают в покрытии от объемных изменений, целесообразно рассмотреть расчетную схему на рис. 3.2.2 [86]. Условно заменим покрытие и балку, на которое оно наносится, пластинками. Предположим, что покрытие перед скреплением с балкой было растянуто до величины є% и затем в деформированном состоянии пластины скреплены в каждой точке связями. Под єп понимается упругая часть приведенной относительной линейной деформации покрытия от усадки, набухания или изменения температуры. В плоскости контакта пластин действуют касательные усилия q(x), возникающие от линейных изменений покрытия. Определим напряженное состояние в подложке и покрытии. Раньше подобная задача решалась методом Рибьера-Файлана [126]. Двумя сечениями, перпендикулярными оси Х, вырежем из покрытия (или из подложки) элементарный участок длиной состояние в подложке и покрытии. Двумя сечениями, перпендикулярными dx и рассмотрим равновесие этого участка (рис. 3.2.2). N
Все силы, действующие на элементарный участок. Спроектируем на ось X и сложим. Получаем уравнение равновесия: N-N-dN + qdx = 0; dN/dx = q(x). (3.2.19) Касательные усилия q(x) можно рассматривать как интенсивность реакции упругих связей и принять равным q(x)=c-u(xl где с - коэффициент жесткости связей, и{х) - перемещение текущего сечения. Подставив значения q(x) в уравнение (3.2.19), получаем; У-с-и(х) = 0. (3.2.20) Перемещение и(х) произвольно сечения можно определить из соотношения Коши du/dx = єх, где єх - относительные деформации в рассматриваемом сечении, єх=-є„+єи. Относительная деформация єи от изгиба композиционного элемента определяется по формуле є„ = ANj{EnA ). Тогда перемещение произвольного сечения х будут равны; u(x) = - x - dx (3.2.21) Подставив (3.2.21) в (3.2.20) продифференцировав по х, получим следующее линейное неоднородное дифференциальное уравнение второго порядка:
Оптимизация составов полиуретановых композиций с применением экспериментально-статистических моделей
Экспериментально-статистическое моделирование - совокупность представлений, методов и алгоритмов, которое связывает математическое планирование эксперимента, регрессионный анализ и другие средства прикладной статистики с содержательным анализом получаемых ЭС-моделей [138-140]. Его результаты приобретают дополнетельную полезность, когда решение за 102 дач cтроительногo материаловедения опирается на концепцию полей свойств материалов [139, 140], направленной на максимальное извлечение полезной информации из эксперимента.
Методы экспериментально-статистического моделирования были применены к исследованию свойств ПУК. Цель исследований - проанализировать многомерные связи между упруго-прочностными характеристиками, огнестойкостью составов и варьируемыми параметрами (степень наполнения, соотношение масло касторовое : Совермол 815, вид и доля органических наполнителей - мела, доломита, диатомита, цеолитсодержащих пород и оксида алюминия) полиуретановых композитов. План эксперимента приведен в параграфе 4.1. Анализ проводился по итогам 2-го, 3-го и 4-го этапов симплекс-планирования.
Для разработки полиуретановых композитов, обладающих высокими прочностными и эксплуатациоиными характеристиками, были установлены три основных критерия качества. Первые два по упруго-прочностным показатслям - предел прочности при растяжении т (МПа) и относительное удлинение при растяжении Б„ (%), определяемые по ГОСТ 11262-80; третий по пожарной безопасности - длина обуглившейся части L (мм) (по ГОСТ 21207-81). Одним из обобщающих показателей полей свойств материалов является объем допустимой области О, показывающий, какая часть составов удовлетворяет условию Y Ympe6. Величина Q (О О 100%)определяется по формуле: Q= П -100%, (4.3.1) N где /? - количество значений, удовлетворяющих заданному условию; N - общее количество значений.
Для подсчета объема допустимой области на модельно-детерминироваиных полях генерировалось более 22 тыс. равномерно-распре 103 деленных точек (составов) в диапазоне-1 ти 2, v3a v4, v5, v6, v7 +1 и определялись значения критериев качества (предел прочности при растяжении. длина обуглившейся части, относительное удлинение при растяжении). Затем полученные составы последовательно сортировались по единичным показателям; при этом для дальнейшего анализа оставлялась та их часть, которая имеет характеристики не ниже, чем базовый «Совсрол-05» (предел прочности при растяжении 4.09 МПа; относительное удлинение при растяжении 34.8 %; длина обуглившейся части 25 мм (по ГОСТ 21207-81)).
На рис. 4.3.1 (а - в) показана зависимость объема области допустимых решений от уровня требований для 2-го, 3-го и 4-го этапов симплекс-планирования. Объем допустимой области при движении в симплекс-пространстве возрастает для предела прочности при растяжении (рис. 4.3.1, а) с 54.6 до 73.7%; пезиачительно увеличивается для длины обуглившейся части (рис. 4.3.1, б) с 79.9 до 83.1% и снижается для относительного удлинеиия при растяжении (рис. 4.3.1, в) с 94 до 91.2%.
В случае предъявления к разрабатываемым составам выше указанного комплекса требований область допустимых решений составляет 45.8% (рис. 4.3.1, г) для 2-го этапа симплекс-планирования. Движение в сторон} оптимума, путем отбрасывания составов с наихудшими критериями качества (3 и 4 этапы), позволило увеличить область допустимых решений, которая составила, соответственно, 62.7 и 56.3% (рис. 4.3.1, д, е).
Для выявления допустимых уровней варьируемых факторов был проведен анализ области компромиссных решений. Для этого наиболее удобно использовать приведенные па рис. 4.3.2 полигоны частот. Установлено, что увеличение соотношения масло касторовое ; Совермол 815 с 2 до 2.6 отн. ед. и степени наполнения с 25 до 35% позволяет увеличить надежность получаемых техпологических решений. Анализ влияния доли оксида атюминия показал (рис. 4.3.2, в), что наиболее устойчивые решения получены при его содержании в смеси наполнителей от 40 до 70 %.
Для установления оптимапьного содержания местных минеральных наполнителей, введение которых позволяет существенно (до 2 и более раз) снизить расход импортного оксида алюминия без потери эксплуатационных параметров использовался метод скаляризации [141, 142]. Максимум целевой функции для комплекса предъявляемых требований определялся по формуле:
По выбранным критериям качества были построены целевые функции по единичным показателям (предел прочности при растяжении, длина обуглившейся части, относительное удлинение при растяжении) (рис. 4.3.3 -4.3.5) и по комплексу 3-х критериев (рис. 4.3.6). Использование до 50% доломита позволило повысить значения предела прочности при растяжении более чем в 2 раза (рис. 4.3.3, г), а относительного удлинения при растяжении (рис. 4.3.5, г) - более чем в 1.6 раз. При оптимизации по длине обуглившейся части композетов введение в состав 20% цеолитсодержащих пород позволило снизить данный параметр относительно установленного критерия (25 мм) почти в 3.5 раза (рис. 4.3.4, е).
