Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Сравнительный анализ традиционной и высокотемпературной отделки бетонов как способа увеличения их декоративности и антикоррозионной защиты, классификация 15
1.1. Общие положения 15
1.2. Декоративность, виды, требования 16
1.3. Характеристика влияния агрессивных сред на здания и сооружения 17
1.4. Коррозия бетона 21
1.5. Традиционные способы декоративной и антикоррозионной отделки бетона и железобетона 28
1.6. Высокотемпературные способы обработки бетонов как средство их декоративной и антикоррозионной отделки 35
1 7. Классификация способов высокотемпературной отделки бетона и железобетона 43
1.8. Выводы 47
Глава 2. Применение плазменных технологий для антикоррозийной и декоративной отделки бетонов 48
2.1. Общие положения 48
2.2. Исследование влияния плазмы индукционного разряда на свойства бетонных изделий и разработка оптимальных способов их плазменной отделки 53
2.2.1. Разработка оптимальных способов отделки бетонных изделий на установке «Плазма-602» 53
2.2.2. Изготовление водостойкого покрытия теплоизоляционного зольного материала путем плазменной обработки 60
2.2.3. Разработка жароупорных слоев и оптимальных способов плазмо термической антикоррозионной отделки железобетонных конструкций 65
2.4. Расчет экономической эффективности повышения долговечности железобетонных панелей после обработки низкотемпературной плазмой 78
2.3. Выводы 83
Глава 3. Разработка научных основ процессов отделки бетона с помощью газаплазменного напыления 86
3.1. Общие положения 86
3.2. Исследование возможности применения газоплазменного напыления металлов для отделки и защиты железобетонных конструкций и изделий от коррозии 105
3.2.1. Используемые материалы и оборудование 105
3.2.2. Анализ физико-механических и химических свойств покрытий, нанесенных на бетонную подложку с помощью плазмы 111
3.3. Расчет экономической эффективности повышения долговечности железобетонных панелей после плазменного напыления покрытий из металлов 119
3.4. Выводы 124
Глава 4. Разработка способов отделки бетона глазурованием с учетом изменения его физико-механических и физико-химических свойств 126
4.1. Общие положения 126
4.2. Разработка составов стекловидных покрытий для отделки бетона 136
4.2.1. Разработка составов глазурей 136
4.2.2. Разработка составов покрытия на основе стеклобоя 140
4.3. Разработка оптимальной технологии нанесения и закрепления стекловидных покрытий на бетоне и оборудования для их обжига 141
4.4. Исследование физических, физико-механических и физико-химических свойств стекловидных покрытий для отделки бетона 145
4.4.1. Свойства глазурных покрытий на бетоне 145
4.4.2. Свойства покрытий из стеклобоя на бетоне 151
4.5. Исследование влияния глазурования на физико-механические свойства бетона 153
4.6. Сравнительный расчет экономической эффективности применения новых стекловидных покрытий для отделки бетона (железобетона) 158
4.7. Выводы 160
Глава 5. Анализ процессов теплопереноса и их влияния на структуру и свойства бетона при его высокотемпературной отделке 161
5.1. Общие положения 162
5.2. Тепломассоперенос при высокотемпературной отделке бетона стекловидными покрытиями с помощью глазурования и плазменного оплавления 173
5.3. Математическое моделирование теплообмена в процессе нанесения стекловидного покрытия на бетон в системе стекло - бетон 177
5.4. Изучение теплопереноса при высокотемпературной отделке бетона экспериментальным путем 183
5.4.1. Изучение распределения динамики полей температур при высокотемпературной отделке бетона плазменной ацетиленовой горелкой 183
5.4.2. Изучение влияния температуры и времени на прогрев и остывание бетона при отделке его с помощью экранной печи 195
5.5.Применение компьютерной программы «Глазурь» для анализа кинетики распределения фронта температур в бетоне при его высокотемпературной обработке 208
5.5.1. Применение программы «Глазурь» для изучения теплопереноса при плавлении глазури на поверхности бетона экранной печью 211
5.5.2. Применение программы «Глазурь» для изучения теплопереноса при плавлении стеклянного покрытия на поверхности бетона плазмой газовой горелки 217
5.5.3. Применение программы «Глазурь» для изучения теплопереноса при плавлении бетона плазмой индукционного разряда 223
5.б.Основные результаты и выводы 229
Глава 6. Физико-химические особенности поведения тяжелого бетона при высокотемпературном нагреве 232
6.1. Общие положения 232
6.2. Исследование влияния высокотемпературной отделки на структуру и свойства бетонов методами дифференциально-термического и рентгеноструктурного анализа 237
6.2.1. Термографический анализ влияния высокотемпературной обработки на структуру бетона 238
6.2.2. Анализ влияния высокотемпературной отделки на структуру бетона рентгеноструктурными методами 257
6.3. Выводы 272
7.Выводы 274
Литература 280
Приложение 306
- Характеристика влияния агрессивных сред на здания и сооружения
- Используемые материалы и оборудование
- Изучение влияния температуры и времени на прогрев и остывание бетона при отделке его с помощью экранной печи
- Анализ влияния высокотемпературной отделки на структуру бетона рентгеноструктурными методами
Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время в области строительства произошли большие изменения. Известные в России виды отделки строительных материалов, а особенно бетона, не удовлетворяют современным требованиям, и рынок наводнен импортными видами отделочных материалов.
Использование нетрадиционных технологий, основанных на
использовании электрохимических, плазменных, лазерных,
электроимпульсных и других высокоэффективных способов обработки материалов существенно улучшает свойства строительных изделий. Высокотемпературные методы отделки бетона, силикатного кирпича и других материалов, такие как плазменная обработка бетона, глазурование бетона, плазменное напыление металлов на бетон и другие, вызывают большой интерес у строителей, как у нас, так и за рубежом, так как являются достаточно простыми и эффективными. В данных видах отделки используются эффективные источники концентрированной тепловой энергии. Это генераторы низкотемпературной плазмы и экранные обжиговые печи.
Использование низкотемпературной плазмы как источника теплового воздействия открывает новые возможности технологического характера в отделке строительных изделий. При высоких температурах можно осуществлять процессы, которые при обычных условиях не протекают. Это позволяет получать материалы с принципиально новыми физико-химическими и физико-механическими характеристиками.
Плазменные технологии получения стекловидного расплава из различных тугоплавких соединений, к которым относится и бетон, имеют ряд преимуществ перед другими технологиями. Это экономичность, экологическая чистота, возможность создания на бетоне покрытий с большим разнообразием фактуры по поверхности изделия и высокими декоративно-художественными качествами. Кроме декоративных функций такой вид отделки решает проблему антикоррозийной защиты, увеличивает водостойкость, морозостойкость и, снижая водопоглощение материалов, сохраняет прочность материала и увеличивает долговечность. Актуальность разработки научных основ высокотемпературных процессов многофункциональной отделки изделий на основе бетонов обусловлена:
отсутствием систематизированного теоретического и технологического исследования процессов, происходящих при высокотемпературной отделке бетона;
отсутствием моделирования процессов тепло- и массопереноса при воздействии концентрированного теплороге потока ил "Оцінную подложку; P^SSPT
- необходимостью создания новых малоэнергоемких и экологически
чистых технологий и оборудования для высокотемпературной
отделки бетона.
Актуальность работы подтверждается включением ее в базовые программы ИГАСА с 1998 года, в две межвузовские программы «Архитектура и строительство» с 1998 года по настоящее время, в Грант Министерства образования РФ (шифр 98-21-2, 4-109) в области архитектуры и строительных наук 1999/2000 гг., Грант Министерства образования РФ 2001/2002г., Грант Министерства образования РФ 2003/2004г.
Цель и задачи исследований. В соответствии с научным направлением основной целью данной работы является решение научной проблемы разработки теоретических положений и исследование физико-химических и физико-механических характеристик высокотемпературных процессов многофункциональной отделки изделий на основе бетонов для обеспечения возможности создания новых малоэнергоемких и экологически чистых технологий отделки бетона с высокими декоративными и антикоррозионными свойствами.
Для достижения поставленной цели необходимо было решить следующие задачи:
- обобщить теоретические и практические разработки в области
высокотемпературной отделки изделий на основе бетонов и
классифицировать их по различным признакам - температуре применения,
видам используемых аппаратов и т. д.;
- определить оптимальные технологические схемы и оборудование для
осуществления качественной высокотемпературной отделки бетонов;
- определить физические и физико-химические основы процессов,
происходящих при высокотемпературной отделке изделий на основе
бетонов;
провести исследования по определению влияния различных способов высокотемпературной отделки на физико-химические и физико-механические свойства бетонов;
изучить процессы теплопереноса при действии теплового потока во время высокотемпературной отделки бетона и разработать математическую модель, позволяющую проводить оценку влияния теплового удара на бетонный камень;
разработать декоративные и жаростойкие покрытия для различных способов высокотемпературной отделки бетонов;
- разработать научные принципы отделки бетона стекловидными
покрытиями с использованием физической и математической моделей
процесса обработки бетона высокотемпературным лучистым тепловым
потоком, численного эксперимента и анализа на этой основе влияния
термообработки на свойства бетона;
- разработать усовершенствованные установки для оплавления глазурных
и стекловидных покрытий на бетоне;
усовершенствовать технологию отделки бетона (железобетона) стекловидными покрытиями, улучшающую качество отделки и снижающей ее негативное воздействие на бетон.
Научная новизна состоит в разработке теоретических положений научных основ высокотемпературных процессов многофункциональной отделки изделий на основе бетонов и их практической реализации, что конкретизируется следующим:
обобщены теоретические и экспериментальные результаты технологий плазменной отделки бетона, газоплазменной металлизации, глазурования и предложена классификация способов высокотемпературной отделки бетонных изделий;
определены оптимальные параметры и предложен специальный декоративный и жаростойкий состав для плазменной отделки бетона на установке;
разработана обобщенная модель физико-химических и физико-механических процессов, происходящих при плазменной металлизации бетона;
разработаны научные принципы отделки бетона стекловидными покрытиями с использованием физической и математической моделей процесса обработки бетона высокотемпературным лучистым тепловым потоком;
предложен и обоснован принцип подбора составов стекловидных покрытий для отделки бетона и железобетона, в основе которого лежит наличие одинаковых оксидов, входящих в само покрытие и цементно-песчаную составляющую бетонного камня;
впервые установлены закономерности, отражающие взаимосвязь между адгезией стекловидных покрытий к бетонной подложке и их химическим составом;
изучены закономерности распределения температурных полей в бетонном камне при его термической обработке при различной продолжительности термического воздействия и разных видах покрытия, на основе чего разработана компьютерная программа расчета температурных полей в образце бетона, покрытом смесью для глазурования «Глазурь»;
изучены закономерности изменения механических характеристик бетона под действием теплового потока экранных печей при его глазуровании по известным технологиям, предложена усовершенствованная технология отделки бетона (железобетона) стекловидными покрытиями с исключением стадии предварительного прогрева бетона;
изучены закономерности изменения физико-химических свойств цементной и цементно-песчанной составляющих бетонного камня под действием теплового потока при плазменной обработке,
металлизации и глазуровании бетонных изделий с применением рентгеноструктурного и дериватографического методов анализа. Практическая значимость работы. Разработаны научные основы
высокотемпературных процессов многофункциональной отделки изделий на основе бетонов. Обобщены теоретические и экспериментальные результаты технологий плазменной отделки бетона, газоплазменной металлизации, глазурования и разработана классификация способов высокотемпературной отделки бетонных изделий; предложены оптимальные схемы и оборудование для высокотемпературной отделки бетонов; определена сущность процессов, происходящих при высокотемпературной отделке изделий на основе бетонов; проведены исследования по определению влияния различных способов высокотемпературной отделки на физико-химические и физико-механические свойства бетонов; изучены процессы теплопереноса при действии теплового потока во время высокотемпературной отделки бетона и разработана математическую модель, позволяющая проводить оценку влияния теплового удара на бетонный камень.
Рекомендованы оптимальные режимы высокотемпературных отделок бетона, предложены: специальный жаростойкий слой для плазменной отделки бетона, новые составы легкоплавких глазурей (температура оплавления 750-850С), включающие преимущественно недорогие, недефицитные, экологически безопасные сырьевые компоненты. Предложены усовершенствованные конструкции генераторов высокой температуры для плавления глазурных и стекловидных покрытий на бетоне. Усовершенствована технология глазурования бетона. Ожидаемая экономическая эффективность (по сырью) от использования стекловидных покрытий в сравнении с покрытиями НИИ "Стройкерамика", принятыми за базовый вариант, составляет 255,0 - 295,8 тыс. руб. (в ценах 1999 г.).
Глазурование бетона рекомендовано для использования на ОАО "Домостроительная компания" (г. Иваново) при выпуске декоративных плит.
Технологический процесс плазменного декорирования испытывался при изготовлении промышленной партии балконных ограждений типа БО и цокольных панелей типа ЦП (см. приложение).
Теоретические и экспериментальные результаты исследований, полученные в работе, используются в учебном процессе при чтении лекций и выполнении дипломных работ специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» на кафедре «Строительное материаловедение и специальные технологии» Ивановской архитектурно-строительной академии.
Методология работы. Исследования основаны на использовании и развитии теоретических положений в области строительных наук и, в частности, отделки бетона, разработанных Ю.М.Баженовым, В.Ф.Черных, К.Д. Некрасовым, В.М. Москвиным, А.Г. Комаром, П.Г. Комоховым, В.И.Логаниной, В.Н.Соковым, ВА Воробьевым, Л.Н. Поповым,
С.В.Федосовым, А.В.Лыковым, В.В. Козловым а также на результатах исследованийв области низкотемпературной плазмы В.В. Кудинова, Л.С. Полака, Н.Н.Рыкалина, А.И. Максимова, Л.А. Арцимовича, Л.К. Дружинина и др.
В проводимых исследованиях применялись современные приборы и оборудование Ивановской государственной архитектурно-строительной академии, Санкт-Петербургских институтов ЛензНИИЭП и ВНИИЭСО.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы представлены на Международных, Всесоюзных и Российских симпозиумах и конференциях, в частности, на: IV, X Всесоюзных научно-технических конференциях «Бенардосовские чтения» (Иваново, 1989, 2001 гг.), Международной научно-технической конференции «Polytechnic Krakowska» (Краков-Могиляны, 1996 г.), Международной ХТІГГ научной конференции «Krynica»-97 (Криница, 1997 г.), Международных научно-технических конференциях «Повышение эффективности теплообменных процессов и систем» (Вологда, 1998, 2000 г.), XXX, XXXI Всероссийских научно-технических конференциях «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 1999, 2001 гг.), Юбилейной международной научно-технической конференции «Строительство-99» (Ростов на Дону, 1999 г.), II Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы химии и химической технологии» (Иваново, 1999 г.), I, II Международных семинарах «Нетрадиционные технологии в строительстве» (Томск, 1999, 2001 гг.), VI Академических чтениях РААСН (Иваново, 2000 г.), ГХ,Х,Х1 Польско-российских семинарах «Теоретические основы строительства» (2000, 2001, 2002 гг.), Международном семинаре «Плазмохимические технологии» (Иваново, 2002 г.), Международной конференции «Аналитические методы анализа и дифференциальных уравнений» (Минск. Беларусь, 2003 г.), Международной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки в АПК» (Кострома, 2004 г.) и др.
Публикации. Основные положения диссертационной работы отражены в 73 печатных работах, в том числе монографии, патенте, 2 свидетельствах на полезную модель, компьютерной программе. На защиту выносятся:
теоретические и экспериментальные результаты исследований
плазменной отделки бетона, газоплазменной металлизации,
глазурования и классификация способов высокотемпературной
отделки бетонных изделий;
оптимальные параметры и специальный декоративный и жаростойкий состав для плазменной отделки бетона;
обобщенная модель физико-химических и физико-механических процессов, происходящих при плазменной металлизации бетона;
физико-химические основы отделки бетона стекловидными покрытиями с использованием физической и математической моделей процесса обработки бетона лучистым высокотемпературным тепловым потоком;
принцип подбора составов стекловидных покрытий для отделки бетона и железобетона, в основе которого лежит наличие одинаковых оксидов, входящих в само покрытие и цементно-песчаную составляющую бетонного камня;
закономерности, отражающие взаимосвязь между адгезией стекловидных покрытий к бетонной подложке и их химическим составом;
закономерности распределения температурных полей в бетонном камне при его термической обработке при различной продолжительности термического воздействия и разных видах покрытия, компьютерную программу расчета температурных полей в образце бетона, покрытом смесью для глазурования «Глазурь»;
закономерности изменения механических характеристик бетона под действием теплового потока экранных печей при его глазуровании по известным технологиям, усовершенствованную технологию отделки бетона (железобетона) стекловидными покрытиями с исключением стадии предварительного прогрева бетона;
усовершенствованную установку экранной печи для глазурования бетона;
специальную конструкцию аппарата для плавления стекловидных покрытий на основе плазмы ацетиленовой горелки;
закономерности изменения физико-химических свойств цементной и цементно-песчанной составляющих бетонного камня под действием теплового потока при плазменной обработке, металлизации и глазуровании бетонных изделий с применением рентгеноструктурного и дериватографического методов анализа.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, основных выводов, списка использованной литературы, включающего 278 наименований и 13 приложений. Содержит 305 страниц машинописного текста, в том числе 109 рисунков и 62 таблицы.
Характеристика влияния агрессивных сред на здания и сооружения
Отделка строительных материалов и изделий широко используется для предохранения конструкций зданий от разрушающего химического воздействия внешней среды. Большинство зданий и сооружений промышленных цехов, химических заводов и фабрик построено из бетона и железобетона. Там на них, кроме экологической загрязненности атмосферы, действуют испарения агрессивных веществ, газов. Полы и станины оборудования, а также зачастую и стены подвергаются проливам кислот, щелочей и других химически агрессивных веществ. Для определения стойкости бетона, отделки, строительных материалов к действию агрессивных сред основным показателем является коррозионная (химическая) стойкость [52,53,54].
Коррозионная стойкость - это способность материала противостоять агрессивным внешним веществам без потери при этом эксплуатационных показателей.
Внешние воздействия бывают двух видов: химическое и эрозионное. Химическое взаимодействие материала с окружающей агрессивной средой сопровождается разрушением с частичным растворением защитного материала. При эрозионном воздействии происходит механическое разрушение отделочного материала, вызванное быстрым перемещением среды относительно материала и наоборот[53].
Коррозионно-стойкие материалы делятся на две группы: щелочестойкие и кислотостойкие[52,53,60].
Различают два вида кислотостойких материалов: металлические и неметаллические. К металлическим относятся сплавы железа, а также цветные металлы (никель, медь, титан, золото) и их сплавы (никель кремнистые и др.). К неметаллическим кислотостойким материалам обычно относят материалы на основе солей силикатных кислот, повышенная кислотостойкость которых вызвана наличием значительного количества кислотного оксида. Это — каменное литье из диабаза и базальта, плавленый кварц, стеклоуглерод, стекло, кислотостойкие эмали и замазки, кислотостойкий бетон, керамические материалы, шлакоситаллы, гранит, асбест и др.
Щелочестойкие материалы также подразделяются на металлические и неметаллические. К щелочестойким металлическим относятся многие металлы и сплавы (сталь, чугун, никель, латунь), а к неметаллическим - материалы, со держащие значительное количество основных оксидов. Это известняки, магне-зиты, портландцементы, шлакощелочные цементы и пр., а так же стеклоугле-род, эмали, силикатные стекла с добавкой бора и т.д. высокие показатели щелочности и у органических полимерных материалов. В щелочах низких и средних концентраций стойки керамические изделия определенного химического состава[53].
Требования к коррозионно-стойким материалам: не вступать в химическое взаимодействие с внешней средой; не разрушаться в результате физического (процессы тепло - и массообмена с окружающей средой, фазовые превращения), физико-химического (электрохимические процессы, температурно-влажностные воздействия в присутствии химических реагентов), биологического (физическое разрушение материала в результате жизнедеятельности организмов под действием агрессивных сред) и другого вида внешнего воздействия ].
Строительные конструкции производственных зданий и сооружений на предприятиях металлургической, химической, целлюлозно-бумажной и пищевой промышленности, а также сельскохозяйственных зданий и животноводческих помещений на основе бетона подвержены интенсивному воздействию агрессивных сред. Установлено, что разрушающему воздействию атмосферных и агрессивных производственных сред подвергается от 15 до 75% всех строительных конструкций зданий и сооружений. При эксплуатации таких зданий затрачивается до 15% средств от капитальных вложений на ремонт и их коррозионную защиту. Параллельно предприятия несут значительные убытки, связанные с простоем основного производства [54].
Особенно сильное воздействие на строительные конструкции испытывают предприятия химической промышленности. В производственных зданиях таких предприятий кроме наличия в воздушной среде аммиака, сероводорода, сероуглерода, сернистого ангидрида и других агрессивных газов наблюдается высокая влажность, а так же проливы кислот, щелочей и растворителей. Повышенное выделение пара в зданиях целлюлозно-бумажной промышленности, на заводах железобетонных изделий и шиферного производства приводит к переувлажнению строительных конструкций, снижению их теплотехнических свойств и к преждевременному разрушению. Такой же результат наблюдается на текстильных предприятиях, предприятиях пищевой и др. про-мышленностей.
Исследования, проведенные автором данной работы на различных предприятиях г. Иваново, показывают, как влияет агрессивная среда на физико-механические свойства бетона и физико-химические свойства бетонного камня. Так на заводе АО «Ивановоискож» в разные годы проводились исследования на коррозию бетонных плит, пропитанных маслом [56], появление на колоннах пенистых образований [56], плит перекрытий и ригеля, пропитанных пластификаторами - высшими спиртами фталатов ДОС, ЭДОС, ДОФ [57]. В результате исследований оказалось, что потеря прочности бетона, промоченного маслом [56], по сравнению с сухим составляет 17%. Это происходит в результате увлажнения бетона и в результате физико-химического разрушения бетонного камня под действием масла, протекающего из краскотерки. Бетонная стяжка вокруг краскотерки потеряла прочность сверх допустимых значений и подлежит замене. По заключениям химического анализа чистый бетон в цехе подвергался коррозии парами и газами химических веществ и изменил щелочность с РН более 7 до РН 5,5-6. Химический и дериватографический анализ пенистого образования у колонны [56,76] показал, что в результате промочки у колонны вымывается пластификатор и водорастворимые вещества, которые, вступая в реакцию с обычным отделочным слоем колонны, дают пенистое образование. При этом прочность материала нарушается, а значит, снижается и несущая способность колонны.
При обследовании плит перекрытий и ригеля, пропитанных разлившимся пластификатором [57], оказалось, что при глубине промочки от 2 до 7 мм плиты теряют прочность от проектной от 3,44 до 4,8%, а ригель 11-15%. Автором данной работы проводились исследования коррозионной стойкости бетона на образцах, взятых из цеха Ивановского химического завода имени Батурина. Бетонный камень был сколот с панелей, колонн и ригелей. Проведенный физико-механический, химический и рентгеноструктурный анализ образцов показал снижение прочности до 20% в результате химического разрушения бетонного камня [42,48].
На всех обследованных предприятиях применялись традиционные способы отделки стен: покрытия из различных минеральных (побелка) и органических красок. Как показали вышеприведенные обследования заводов, такой способ защиты ненадежен в условиях агрессивных сред и мало защищает бетон от действия газов и переувлажнения паром. Поэтому остро встает вопрос о разработке таких способов отделки бетонных изделий, которые вместе с высокими декоративными качествами надежно защищали бы материал от действия агрессивных сред.
Используемые материалы и оборудование
Для изготовления образцов бетона были использованы следующие сырьевые материалы:
- портландцемент М400 по ГОСТ 10178-85,
- песок строительный по ГОСТ 8736-93,
- вода по ГОСТ 23732-79. Напылению подвергали поверхность:
- образцов балочек 4x4x16 см из чистого портландцемента,
- образцов балочек 4x4x16 см из смеси портландцемента с песком 1:3 (В/Ц-0,43),
- образцов из тяжелого бетона и в виде пластин 10x10x5 см - для испытания покрытий на адгезию.
Часть образцов бетонных балочек для приближения к реальным условиям изготовлены на Ивановском ДСК по технологии изготовления плит перекрытий кассетным способом. Все образцы выдерживались перед обработкой в нормальных условиях в течение 28 суток. Нанесение металла производилось на установке «Тимез-500».
Образцы испытывались на водопоглощение по ГОСТ 12730.3-78, на предел прочности на изгиб и сжатие по ГОСТ 310.4-81.
На коррозию испытания проводили в реальных заводских и лабораторных условиях.
В реальных условиях балочки, покрытые алюминием, цинком, и оксидом алюминия, в течение месяца находились в кислой среде на химическом заводе им. Дзержинского г. Иваново, цех № 3. После этого их подвергали испытанию на прочность при сжатии и изгибе.
В лабораторных условиях проводились испытания на быструю коррозию в среде раствора сульфата магния (Mg S04) 15 % [10]. После выдержки в растворе образцы помещались в сушильный шкаф на 24 часа. Затем процесс повторялся. Испытание проводилось в течение месяца, после чего образцы подвергались испытанию на прочность при изгибе и сжатии.
В табл. 18 даны характеристики проволок для нанесения металлизацион-ных покрытий [125].
Плазменные установки
В данной работе плазменная металлизация образцов проводится на установке КДМ-2, которая состоит из источника питания для металлизации «Тимез-500» и ручного электро дугового аппарата ЭМ-14М. Аппарат предназначен для распыления токоведущей проволоки цинка или алюминия [182].
Описание установки «Тимез-500»
Источник для металлизации «Тимез-500» чехословацкого завода «Поло-видиче» благодаря широкому диапазону регулировки его выходного тока и напряжения можно использовать для металлизации разными металлами.
Полупроводниковый выпрямитель «Тимез-500» - статический преобразователь на полупроводниках, служит для преобразования переменного напряжения на постоянное. Его можно применять в качестве регулируемого источника постоянного напряжения. Особенно подходящее его применение как источника к комплексу для металлизации алюминием, цинком, бронзой, железом. Технические параметры установки приведены в табл. 19.
Аппарат ручной электродуговой ЭМ-14М
Паспорт 36 4852 1402 ПС
Аппарат ЭМ-14М (ЛенЗНИИЭП, ВНИИЭСО г. Санкт-Петербург) предназначен для нанесения противокоррозионных покрытий из цинка, алюминия в монтажных и цеховых условиях. Аппарат позволяет производить работы, связанные с восстановлением изношенных поверхностей, получением жаростойких, износостойких и других покрытий, при этом допускается применять металлические материалы в виде проволоки с температурой плавления до 3000С.
Принципиальная схема электродугового металлизатора приведена на рис.28. В левой части электрометаллизатора установлены направляющие, через которые непрерывно производится подача двух напыляемых проволок. Между концами этих проволок возбуждается электрическая дуга. В центральной части электрометаллизатора имеется сопло, через которое подается сжатый воздух. Струя сжатого воздуха отрывает с электродов частицы расплавленного металла и уносит их к напыляемой поверхности [123].
Электрометаллизатор может работать как на постоянном, так и на переменном токе. При использовании переменного тока дуга горит неустойчиво и сопровождается большим шумом. При постоянном токе характер работы является устойчивым, напыленный материал имеет мелкозернистую структуру. Стабилизация горения дуги обеспечивается подведением высокочастотного напряжения. Для напыления используется проволока диаметром 0,8; 1,0; 1,6 и 2,0 мм. При силе тока 750 А можно напылять стальное покрытие с производительностью 36 кг/ч.
При использовании в качестве электродов проволок из двух различных металлов, можно получать покрытие из их сплава. Эксплуатационные затраты элек-трометаллизатора довольно небольшие. При напылении покрытия распылением двух электродов из разных материалов желательно использовать такие электрометаллизаторы, которые позволяли бы производить отдельную регулировку скорости подачи каждого электрода.
Недостатком рассматриваемого метода является перегрев, и окисление напыляемого материала при малых скоростях подачи распыляемой проволоки. Кроме того, большое количество теплоты, выделяющейся при горении дуги, приводит к значительному выгоранию легирующих элементов, входящих в напыляемый сплав (например, содержание углерода в материале покрытия снижается на 40-60%, а кремния и марганца - на 10-15%). Это необходимо иметь в виду и применять для напыления проволоку, содержащую повышенное количество легирующих элементов.
Изучение влияния температуры и времени на прогрев и остывание бетона при отделке его с помощью экранной печи
В задачи исследования входили разработка методик и изучение влияния температуры и времени на прогрев и остывание разных видов бетонов при обработке их экранной печью при температуре у поверхности бетона 500 С.
Экспериментальные данные представлены в табл. 46-53. По табличным данным построены графики распределения температуры в бетонном камне по времени при нагреве (рис. 57 - 61) и остывании (рис. 62 - 66). Причем для большей наглядности графики на рисунках объединялись по одинаковой глубине прогрева у разных видов бетона, по видам отделки одного и того же бетона, по разной глубине прогрева у одного и того же бетона.
На рис. 57 представлены графики изменения температуры в образцах разных видов бетонов - керамзитобетоне, керамзитобетоне со стеклом и мелкозернистом бетоне на почти одинаковом расстоянии от поверхности в пределах 1 см. Как видно из приведенных графиков в первые минуты нагрева зависимость температуры от времени нагрева почти линейна. Причем в случае керамзитобе-тона слой стекла почти в 3 раза снижает скорость нагрева бетона. Также можно отметить, что мелкозернистый бетон прогревается медленнее керамзитобетона. Снижение температуры на графике при применении мелкозернистого бетона по сравнению с керамзитобетоном на графике можно объяснить по - разному, но возможно из-за того, что термопара располагалась в керамзитобетоне почти на одну треть ближе к поверхности, чем в мелкозернистом бетоне.
Через три минуты нагрева температура в керамзитобетоне на глубине 0,7 см не поднимается выше 150С (рис. 57), т.е. температурный интервал лежит в области испарения капиллярной воды. При нанесении на керамзитобетон слоя стекла температура слоя на глубине 0,7 см через 3 минуты составляет всего 80 С, что ниже температуры кипения воды.
На рис. 58 приведен сравнительный график распределения температуры в керамзитобетоне, керамзитобетоне со стеклом и мелкозернистом бетоне во время обработки экранной печью на глубине 3-4 см. Анализ рис. 58 показывает, что графики подъема температуры в зависимости от времени прогрева, как и в случае кинетики температуры на глубине 1 см (рис.57) имеют линейную зависимость, однако в отличие от зависимостей, приведенных на рис. 57 больше всего прогревается мелкозернистый бетон. Причем даже в мелкозернистом бетоне через 5 минут нагрева (по технологии глазурования - время максимального подъема температур) температура на глубине 3,2 см не поднимается больше, чем до 85С.
На глубине 5 - 5,5 см (рис.59) температура 80С в мелкозернистом бетоне достигается только через 10 минут после нагрева. Температура в керамзитобетоне с нанесенным стеклом в это время достигает только 60 С.
Как видно из графиков на рис. 60 в тяжелом бетоне покрытие стеклом уменьшает прогрев бетона в полтора раза, а изменение глубины с 2 см до 4,8 см - более двух раз.
Из рис. 61 видно, что покрытие тяжелого бетона стеклом практически сравнивает температуру на глубине 5,3 см с температурой на глубине 7,1 см у бетона без покрытия.
Следует также отметить, что в отличие от нагрева газовой горелкой (рис. 49-52) зависимости степени нагрева бетонов от времени термической обработки экранной печью на разной глубине (рис. 57-61) более линейны.
Распределение температуры в тяжелом бетоне по времени при остывании после обработки его поверхности экранной печью приведено в табл. 50 и на рис. 62. Из приведенных данных видно, что остывание тяжелого бетона после его нагрева экранной печью происходит нелинейно, причем, чем больше глубина образца бетона, тем больше «температурная волна». Температурная волна явно видна, начиная с глубины бетона 4,8 см.
В табл. 51 и на рис. 63 показано распределение температуры в тяжелом бетоне с нанесенным стеклом по времени при остывании после обработки экранной печью на разной глубине от поверхности. Как видно из проведенных графиков остывание бетона с нанесенным стеклом происходит более плавно, чем просто тяжелого бетона (рис.62, 63), что должно положительно сказаться на физико-механических характеристиках бетона. Однако и в этом случае на глубине 3,2 см появляется температурная волна, а на глубине 2,4 см — намечается, хотя в случае бетона с нанесенным стеклом пик температурной волны сдвигается с 500 сек (у просто бетона) на 250 секунд (рис.63).
Графики на рис. 64 также показывают максимальный пик температурной волны остывания тяжелого бетона с нанесенным стеклом через 500 сек. на глубине 4,5 и 5,3 см, как и в случае просто тяжелого бетона на такой же глубине. Из представленных данных видно, что при остывании тяжелого бетона с нанесенным стеклом сначала температуры на глубине 4,5 см и 5,3 см близки, затем температуры повышаются, причем в большей степени на глубине 4,5 см, чем на глубине 5,3 см. температурная волна достигает максимума через 8 минут с начала остывания. После этого времени температура образца начинает резко падать, более близкие к поверхности слои остывают быстрее.
Анализ влияния высокотемпературной отделки на структуру бетона рентгеноструктурными методами
Рентгеновский анализ производится на дифрактометрах, таких как ДРОН-ЗМ и аппарате фирмы «Philips». Для проведения рентгенофазового анализа исследуемый материал измельчается, после чего набивается в держатель из органического стекла, имеющий диаметр кольца 25 мм и глубину 3 мм [192,193]. Набивка производится послойно, каждый слой смачивается несколькими каплями спирта. Излишек порошка с поверхности заполненной до краев кюветы срезается так, чтобы поверхность была гладкой. Заполненная материалом кювета устанавливается в препаратодержатель, производится запись рентгенограмм. Их расшифровка производится по табл. [266-268]. В табл. 61 [191] показаны пики минералов, показанных на приведенных ниже рентгенограммах.
Рентгеноструктурный анализ бетона после плазменной металлизации
Так как поверхность обрабатываемых образцов была подвергнута кратковременному тепловому воздействию (температура на поверхности обрабатываемого материала при расстоянии напыления 70-100мм составляет 500-1000С рис. 98) возможно протекание физических и химических превращений в структуре цементного камня. Рентгеноструктурный анализ проводился на рентгеновском дифрактометре Дрон-3 порошковым методом Дебая-Шерера [40,182]. Съемки части образцов вели на отфильтрованном излучении железного анода Fe с длиной волны А,=1,937А. Условия съемки: режим рентгеновской трубки 258 кВ x 28 мА, скорость сканирования 2/мин, чувствительность шкалы (скорость счета) 1000 импульсов, метка через каждый градус поворота счетчика, Уг оборота образца. Съемки другой части образцов - с помощью медного анода Си, режим 35 х 15.
Исследовались образцы бетона с напыленными металлами как до, так и после их обработки в 15-% растворе MgS04. Исследовались поверхностный, подосновный и внутренний слой бетона. Эти слои натирались с образцов, измельчались в фарфоровой ступке и просеивались через сито № 0,08 мм. Затем с каждой из навесок слоев снималась рентгенограмма и расшифровывалась. На рис. 99 показаны рентгенограммы цементного камня с плазмонапыленным цинковым покрытием и с цинковым покрытием, подвергнутый коррозии в 15% MgSC 4. При сравнении рентгенограмм внутреннего и наружного слоев цемент ного камня отчетливо видны пики цинка (1,68; 2,09; 2,47) в поверхностных слоях.
Рентгеноструктурный анализ показал, что металл в покрытии находится в аморфном состоянии, поэтому пики проявляются слабо. Рентгенограммы поверхностного и внутреннего слоев цемента с цинковым покрытием практически не отличаются друг от друга. Отличие заключается в наличии пиков цинка и некотором уменьшении интенсивности пиков оксида кремния (1,33) в верхнем слое. Снижение интенсивности пиков в поверхностном слое может происходить из-за некоторой перекристаллизации оксида кремния под действием высокой температуры, но, скорее всего это связано с наличием большого количества цинка в пробах и поэтому снижения концентрации других компонентов.
Чтобы посмотреть возможность защиты бетона слоем напыленного металла от действия агрессивных сред образцы подвергали ускоренной коррозии в растворе MgSC 4 в течение месяца. После ускоренной коррозии в 15-% растворе MgSC 4 в течение месяца рентгенограммы контрольных образцов цементного камня и подосновных слоев образца с нанесенным цинком практически не отличались друг от друга. В поверхностном слое цементного камня с нанесенным цинком и подвергнутым коррозии (рис. 99) видны следы сульфатной коррозии пики (2,41; 2,69; 2,75; 3,26).однако они очень незначительны и не обнаруживаются в глубине образца. Также в пиках было заметно увеличение концентрации СаСОз в контрольных образцах. Таким образом, на основе рентгено-структурного анализа можно сделать вывод, что плазменное напыление металлов не разрушает структуру цементного камня и может служить для защиты бетона от коррозии.
На рис. 100 показаны рентгенограммы цементного камня с песком покрытого цинком на различной глубине от поверхности. Как видно из графиков в поверхностном слое видны пики цинка (1,68; 2,09; 2,31; 2,47), снижение интенсивности пиков кристаллогидратов, полевого шпата, оксида кремния, углекислого кальция по сравнению с более глубокими слоями. Как и в случае с напылением цинка на чистый цементный камень снижение интенсивности пиков в поверхностном слое может быть за счет большого содержания в пробе цинка, так и за счет некоторых структурных изменений. Рентгенограммы внутреннего и среднего слоев практически одинаковы, что показывает ограниченное влияние высокотемпературной обработки на структуру мелкозернистого бетона. Изменения в структуре среднего и внутренних слоев незначительны, поэтому можно сказать, что плазменное напыление не влияет на основную структуру цементного камня.
На рис. 101 показаны рентгенограммы портландцемента с песком, покрытых алюминием с помощью плазменного напыления. Как и в случае с напыляемым цинком в верхнем слое отчетливо видны пики оксида алюминия (2,09; 2,32; 2,55) и некоторое снижение интенсивности пиков кристаллогидратов, оксида кремния, СаСОз в верхнем слое. Это может происходить из-за присутствия в пробе оксида алюминия и в результате небольших изменений в структуре мелкозернистого бетона. В более глубоких слоях мелкозернистого бетона различий в структуре практически не обнаружено.
На рис. 102 показаны рентгенограммы портландцемента с песком, покрытого порошком оксида алюминия. Покрытие отличается от покрытия алюминием тем, что в случае покрытия алюминием в плазме происходит испарение алюминиевой проволоки, а в случае покрытия оксидом алюминия происходило испарение порошка оксида алюминия. В наружном слое образца видны небольшие пики оксида алюминия (1,37; 2,09; 2,55), однако они неявные, что показывает на аморфное состояние оксида алюминия. В остальном рентгенограммы поверхностного, среднего и внутреннего слоев практически одинаковы, что можно отнести за счет более мягкого действия напыляемого оксида алюминия по сравнению с металлическим алюминием. Единственные изменения видны на пиках полевого шпата (2,85) - разное содержание песка в пробе, и на пиках алита и белита (2,69; 2,73; 2,77; 3,02; 3,17) - эффект вторичного «самозапаривания» клинкерных минералов [29]. Рентгеноструктурный анализ бетона после оплавления индукционным разрядом
Известно, что коррозия начинается с разрушения структуры бетона в поверхностных слоях конструкции, поэтому для оценки эффективности плазменной обработки корродированного бетона были проведены исследования по сравнению данных рентгеноструктурного анализа корродированного бетона, некорродированного бетона и корродированного бетона после плазменной обработки в трех слоях на различной глубине от исследуемой поверхности.
Рентгеноструктурные исследования, проведенные на установке ДРОН-3, показали, что в результате плазменной активации происходит изменение структуры белого портландцемента: выделение связанной воды 4,69 и уменьшение интенсивности пиков алита, что показывает на образование аморфных структур, содержащих определенное количество исходных клинкерных минералов.
