Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
КАУЧУКОВЫЕ БЕТОНЫ - НОВЫЙ КЛАСС СТРОИТЕЛЬНЫХ
КОМПОЗИТОВ В РЯДУ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ
АНАЛИЗ 14
Новые коррозионно-стойкие строительные материалы — закономерная диалектически инициированная составляющая современного строительного материаловедения 14
Полимербетоны - эффективные современные строительные композиты. Сравнительный анализ 17
1.3 Структурообразование полимербетонов. Основные вопросы тех
нологии их получения 26
1.4 Коррозионная стойкость полимербетонов. Методы теоретического
прогнозирования коррозионной стойкости и проницаемости. Со
вместное влияние факторов времени и среды 34
1.5 Армированный полимербетон 50
1.6 Выводы 57
КАУТОНЫ. КОМПОНЕНТЫ КАУТОНОВЫХ КОМПОЗИЦИЙ. КАУ
ТОНЫ С ПОЗИЦИЙ ФИЗИКОХИМИИ И СТРУКТУРООБРАЗОВА-
НИЯ 58
2.1 Каутоны (каучуковые бетоны) — новый класс строительных компо
зитов в ряду полимербетонов 58
2.1.1 Жидкие каучуки 60
Отверждение жидких каучуков 65
Усиление жидких каучуков 71
Классификация каутонов 74
Цель и задачи исследований 76
Изучение структурирующих свойств жидкого каучука 78
Изучение и моделирование структурно-физических параметров
жидкого каучука КС каутона при решении вопроса оптимизаци-
онного соотношения его вулканизационной активности и техно
логичности в каутоновой композиции 85
2.4 Выводы 96
РАЗРАБОТКА ЭФФЕКТИВНЫХ СОСТАВОВ КАУТОНА 98
3.1 Разработка и исследование каучукового связующего каутоновой
композиции 98
Определение значений эффективной вязкости каучука и рациональных интервалов его содержания в каутоновой композиции 98
Проектирование системы ускорителей для отверждающей группы 103
Проектирование рациональных составов каучукового связующего 111
Исследование возможности понижения температуры отверждения каучукового связующего за счет рецептурного фактора 117
3.2 Разработка и исследование каучуковой матрицы 121
Определение количества и параметров дисперсности наполнителя 122
Рекомендации по проектированию составов каучуковой матрицы 130
Проектирование составов каучукового бетона 132
Выводы 136
ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА КАУТОНОВ В НОР
МАЛЬНЫХ УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПРИ КРАТКОВРЕ
МЕННО И ДЛИТЕЛЬНО ДЕЙСТВУЮЩИХ НАГРУЗКАХ 138
4.1 Физические свойства 138
Плотность, пористость 138
Износостойкость 139
4.1.3 Теплостойкость, термостойкость и теплопроводность 141
4.1.4 Ударная вязкость 144
4.2 Механические свойства 146
Масштабный фактор 146
Прочность 148
Анализ объемно-деформированного состояния каутона при сжатии 150
Полная диаграмма деформирования каутона при сжатии и её аналитическое описание 155
Усадка и внутренние усадочные напряжения каутона 159
Определение среднего коэффициента линейного теплового расширения каутона 162
4.3 Прочность и деформативность при длительно приложенной на
грузке 164
Ползучесть каутона при сжатии 164
Прочность и деформативность каутона при длительно при-
ложенной изгибающей нагрузке 171
4.3.3 Анализ процесса ползучести 174
4.4 Выводы 182
СВОЙСТВА КАУТОНОВ С УЧЁТОМ ВОЗДЕЙСТВИЯ СРЕДЫ И
ВРЕМЕНИ 184
Воздухо- и водопроницаемость 184
Водостойкость каутона 184
Сопротивление каутона действию различных агрессивных сред 186
Стойкость в неорганических кислотах 187
Стойкость в органических кислотах 193
Стойкость в растворах щелочей и оснований 196
Стойкость в растворах солей, растворителях и нефтепродуктах 198
5.4 Аналитическая оценка химической стойкости каутона 202
5.4.1 Аналитическая оценка химической стойкости при действии
агрессивных сред 202
5.4.2 Прогнозирование долговечности каутона в условиях воздей
ствия агрессивных сред 212
5.5 Прочность и деформативность каутона при одновременном воз-
действии длительно приложенной сжимающей нагрузки и агрес
сивной среды 213
Исследование влияния повышенных и пониженных температур на прочность и деформативность каутона 221
Стойкость каутона в условиях совместного длительного воздействия температуры и агрессивной среды 226
Сопротивление каутона термо-окислительному старению и ульт-
рафиолетовому облучению 232
5.9 Морозостойкость каутона 235
Радиационно-защитные свойства каутона 237
Разработка составов каутона, высокостойких к действию соляной кислоты 240
5.12 Выводы 248
6 ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ УСИЛЕНИЯ КАУТОНА АРМИ
РОВАНИЕМ. СТРОИТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ, ВЫПОЛНЕННЫЕ ИЗ
АРМИРОВАННОГО КАУТОНА 251
6.1 Каутон дисперсно армированный волокнами 251
6.1.1 Выбор базового вида волокон 251
6.1.2 Исследование влияния количества и параметров вводимой
фибры на физико-механические характеристики каутона 253
Деформационно-прочностные характеристики фиброкаутона.. 259
Исследование длительной прочности фиброкаутона 260
6.1.5 Сопротивление фиброкаутона действию различных агрес
сивных сред 264
6.2 Армокаутон со стержневой арматурой 267
6.2.1 Исследование сил сцепления арматуры и каутона 267
Сжатые армированные каутоновые элементы 273
Изгибаемые элементы 284
6.3 Выводы 299
ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ КОМПОЗИЦИЙ И ИЗДЕЛИЙ НА ОСНОВЕ ЖИДКИХ КАУЧУКОВ. ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ПЕРСПЕКТИВЫ ПРИМЕНЕНИЯ, ОПЫТ ПРОИЗВОДСТВЕННОГО
ВНЕДРЕНИЯ 302
7.1 Исследование влияния технологических факторов на свойства ка-
утона 302
Параметры перемешивания каутоновой композиции 302
Влияние температуры отверждения на прочность каутона ... 305
Влияние температуры формовочной смеси на свойства кау-
тона 311
7.1.4 Определение очередности введения компонентов в кауто-
новую композицию 311
7.1.5 Основные принципы производственной технологии кауто-
новых композитов и вопросы охраны труда при их произ
водстве 313
7.2 Технология расчета каутоновых элементов 315
Сжатые элементы 315
Изгибаемые элементы 325
7.3 Экономическая эффективность каутона и области его перспектив
ного применения и опыт производственного внедрения 341
7.4 Выводы 350
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 351
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 356
ПРИЛОЖЕНИЯ 388
Приложение А 388
Приложение Б 424
Введение к работе
Актуальность работы. Решение проблемы коррозии, отрицательного воздействия радиации и температуры, повышенного УФ-излучения и др. неблагоприятных природных и техногенных факторов на строительные конструкции зданий и сооружений - важнейшая народно-хозяйственная задача, актуальность которой в строительстве обусловлена не только огромными материальными потерями, сравнимыми с затратами на развитие крупнейших отраслей промышленности, но и социальной значимостью вопроса, поскольку безопасная эксплуатация зданий и сооружений является гарантированной составляющей обеспечения безопасности среды жизнедеятельности человека.
Результат решения выше обозначенных проблем в строительстве — это обеспечение сохранности и безопасности зданий и сооружений в течение заданного срока эксплуатации, увеличение межремонтного периода, надежности и долговечности строительных конструкций, особенно если это касается вопроса их эксплуатации в условиях воздействия агрессивных сред различного характера. В настоящее время решение указанных проблем идет несколькими путями, причем одним из наиболее эффективных представляется путь создания высокоэффективных коррозионно-стойких материалов и конструкций на основе полимеров.
Среди коррозионно-стойких композитов, основой для которых служат полимеры, бетоны или как их ещё называют, полимербетоны являются наиболее наукоемкими строительными материалами, сконцентрировавшими в себе передовые научные знания и технические достижения материаловедческой науки, что гарантирует перспективность их развития и подтверждает актуальность изучения.
Стремление строительной отрасли получить конструкционный материал, обладающий универсальной химической стойкостью и лишенный определенных недостатков, которыми обладают известные виды полимербетонов, специфические требования ряда других отраслей промышленности к конструкционным материалам подобного рода, социально-экономические преобразования, проведенные в нашем государстве в 90-х годах и приведшие к резкому удоро-
жанию и сокращению производства синтетических смол, непрерывно растущие требования к экологической безопасности химических и прочих объектов, а также ряд других экономических и социальных факторов вызвали необходимость поиска в обозначенной области альтернативных решений.
Одной из таких альтернатив является использование новых видов полимерных связующих, например диеновых олигомеров, принадлежащих к классу жидких каучуков и принципиально отличающихся от применяемых ранее полимеров.
Идея использования жидких каучуков в качестве основы связующего коррозионно-стойких строительных материалов возникла в конце 80-х годов. Жидкие каучуки выпускаются ведущими зарубежными и отечественными предприятиями (в том числе центрально-черноземного региона) в промышленных объемах, что делает их бездефицитным, а в ценовом отношении достаточно доступным и конкурентоспособным сырьем. Первые исследования, проведенные сотрудниками ВГАСУ в данной области и доказавшие принципиальную возможность создания на основе жидких каучуков материалов с широким комплексом положительных свойств, подтвердили не только правильность выбранного направления, но и показали перспективность его развития, поскольку первые образцы каучукового бетона или сокращенно каутона, название, которое было затем перенесено на весь класс композитов, основой которых являются жидкие каучуки, обладали набором эксплуатационных характеристик выгодно отличающих их по ряду показателей от существующих аналогов. Именно каутонам - материалам и изделиям на основе каучукового связующего и посвящена настоящая работа.
Основная цель и задачи исследований. Целью работы является теоретическое обобщение и практическое решение крупной научно-инженерной проблемы, заключающейся в создании нового класса эффективных композиционных строительных материалов и изделий специального назначения с комплексом заданных свойств, выполненных на основе жидких каучуков, композитов — имеющих важное хозяйственное значение и полностью отвечающих требованиям современной строительной индустрии.
Методологической основой достижения поставленной цели является концепция системно-структурного подхода в управлении качеством материала, предполагающая переход от принципа фрагментарности к комплексности, при котором структура материала, технология изделий и конструкций представлены в виде взаимосвязанных систем.
Научная новизна и практическое значение работы, выносимые на защиту:
Научная новизна заключается в создании на основе теоретических обобщений и экспериментальных исследований нового класса строительных материалов - каучуковых бетонов (каутонов), не имеющих отечественных и зарубежных аналогов.
Автором установлены закономерности структурообразования каутоновых композитов. Разработаны и научно обоснованны принципы использования диеновых олигомеров в качестве связующего строительных материалов, позволяющие качественно и количественно оценить влияние структурных параметров жидкого каучука на технологические свойства композиции и эксплутаци-онные характеристики конечного продукта.
Предложены и разработаны теоретические и практические основы проектирования эффективных отверждающих систем. Оценено влияние компонентов отверждающих групп на основные эксплуатационные характеристики и кинетику отверждения каутонов.
Установлены закономерности, связывающие физико-механические и экс-плутационные свойства с количеством, дисперсностью, видом наполнителя и количеством заполнителя. Доказана возможность получения каутонов требуемого качества при наполнении их крупнотоннажными техногенными отходами.
Получены данные, а также графоаналитические и математические модели, позволяющие оценить физико-механические, химические, технологические свойства и радиационную сопротивляемость, разработанных композитов, в том числе с учетом комплексного влияния времени и среды. Определены методы аналитической оценки и прогнозирования коррозионной стойкости каутона. Доказана конструкционность свойств каутонов в условиях совместного длительного действия нагрузки и агрессивной среды.
Исследованы и определены условия, обеспечивающие совместную работу каутона и стали. Доказана эффективность усиления каутона армированием, в том числе дисперсным. Созданы и изучены сжатые и изгибаемые каутоновые элементы. Предложены методы их расчета.
Исследовано влияние технологических параметров приготовления кауто-новой композиции на свойства конечного продукта. На базе системного анализа полученных данных научно обоснованы и сформулированы принципы технологии каутоновых композиций и изделий.
Научная новизна исследований подтверждена патентами РФ на изобретение.
Практическое значение работы состоит в обеспечении возможности на основе её научных результатов решать комплекс задач, связанных с получением конкурентоспособных полимерных композитов нового класса - каучуковых бетонов. Разработанные композиты отличает высокая прочность, плотность, высокая химическая стойкость в широком спектре агрессивных сред, высокая адгезия к поверхностям различного рода, малая усадка, возможность получения композитов в широком диапазоне жесткостей, высокая морозостойкость, долговечность, технологичность и др. Все это позволяет рекомендовать разработанные составы каутона для изготовления новых и защиты уже существующих строительных элементов и изделий от агрессивного воздействия среды.
Научно-практически доказано, что использование жидких каучуков снижает расход полимерного связующего по сравнению с аналогами на 10...20 % по массе, а введение в композицию в качестве наполнителя крупнотоннажных техногенных отходов различной природы не только способствует решению экологических проблем, связанных с их утилизацией, но и гарантирует получение композитов с требуемыми эксплутационными характеристиками.
Кроме этого, практическая значимость проведенных исследований заключается в получении научно-прикладных знаний, позволяющих на основании установленных аналитических и экспериментальных зависимостей проводить оценку и прогнозирование долговечности каутонов, а также выполнять проектирование элементов и изделий, выполненных на их основе.
Внедрение каутонов в практику строительства позволит повысить эффективность и надежность строительных сооружений, а значит и общую безопасность среды жизнедеятельности человека.
Реализация работы. Разработаны: "Временная инструкция по приготовлению каучуковой матрицы (мастики) для производства полимербетонной смеси", Технологический регламент "Приготовления бетона на основе жидкого каучука", технических условий "Плиты бетонные на основе жидких каучуков для полов производственных зданий", изданы "Рекомендации по расчету и конструированию сжатых элементов и конструкций из каутона" и "Рекомендации по проектированию наклонных сечений изгибаемых элементов и конструкций из каутона". Рекомендации по подбору составов каутоновых композиций и проектированию изделий на их основе использованы в проектной работе институтов "Воронежагропромпроект" и ДОАО "Газпроектинжиниринг".
В период с 1994 по 2004 г. проведена опытно-техническая проверка экс-плутационных свойств каутоновых композитов на ряде предприятий региона в условиях реального воздействия агрессивных сред производства. Результаты исследований реализованы путем организации опытно-промышленного внедрения каутона на Воронежском заводе радиодеталей АООТ "ВЗР" при производстве работ по ремонту покрытий пола цеха, на Воронежском горнообогатительном заводе ЗАО "Рудгормаш" в виде износо- коррозионно-стойкого покрытия поверхности сепараторных барабанов, на Воронежском авиационном заводе в гальваническом цехе при производстве ремонтно-восстановительных работ в виде коррозионно-стойкого покрытия, плиток пола и фундаментных стоек травильных ванн, на ООО "Продвижение" п. Кантемировка Воронежской области при производстве работ по реконструкции сливных лотков канализационных стоков.
Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс Воронежского государственного архитектурно строительного университета: использованы при чтении лекций по спецкурсу, проведении практических занятий у студентов строительного факультета, а также в курсовом и дипломном проектировании.
Достоверность. Достоверность полученных результатов и выводов, сделанных по работе, обуславливается современной методологией исследования, использованием фундаментальных основ и закономерностей материаловедения как науки в целом и её раздела, посвященного композиционным материалам в частности, а также основополагающих научных положений и технологий, разработанных ведущими учеными данной области Ю.М. Баженовым, П.Г. Комо-ховым, А.Н. Мощанским, В.В. Патуроевым, В.И. Соломатовым и др. Кроме этого, достоверность обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств исследований и измерений, применением математических методов планирования экспериментов и вероятностно-статистических методов обработки результатов, опытно-промышленными испытаниями и их положительным практическим эффектом.
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены более чем на 40 научно-практических и научно-технических форумах, конференциях и семинарах, в том числе:
1) Ежегодных научно-технических конференциях ВГАСУ (1995...2004 г);
2) Международном симпозиуме (ЩОРІЧНИК ПУВ НК ІСОМОС)
"Реставрація, реконструкція, урбоекологія" (г. Одесса, 1998 г.);
Международной научно-технической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 1998 г.);
Международной научно-технической конференции "Проблемы строительного и дорожного комплексов" (г. Брянск, 1998г.);
Международной научно-практической конференции "Передовые технологии в промышленности и строительстве " (г. Белгород, 1998 г.);
6) IV Академических чтениях РААСН "Актуальные проблемы строи
тельного материаловедения" (г. Пенза, 1998 г.);
Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в экологии" (г. Воронеж, 1999 г.);
Международной научно-практической конференции "Строительство -2000" (г. Ростов-на-Дону, 2000 г.);
10) Седьмых академических чтений РААСН (г. Белгород, 2001 г.);
11) Материалы международной научно-технической конференции "Итоги
строительной науки" (г. Владимир, 2001 г.);
Научно-практической конференции "Долговечность строительных материалов и конструкций" (г. Саранск, Мордов. ун-т, 2001 г.);
RubberChem 2002, The Third International Rubber Chemicals, Compounding and Mixing Conference, Conference Proceedings, Munich, Germany;
17— Annual Technical Conference American Society for composites, Stewart Center Purdue University West Lafayette, Indiana, USA, 2002;
ISSI/9, Ninth annual international conference on composites engineering, University of New Orleans, San Diego, California, USA, 2002;
Второй Международной научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" (г. Ростов-на-Дону, 2002 г.);
Международном форуме "Образование, наука..." (г.Белгород, 2002 г);
9 — Российской научно-практической конференции "Резиновая промышленность. Технология" (г. Москва: НИИШП, 2002 г.);
Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы строительного материаловедения: 1-е Соломатовские чтения" (г. Саранск, 2003 г.);
4 международной конференции молодых ученых "Актуальные проблемы в современной науке. Архитектура, строительство..." (г. Самара, 2003 г);
56 международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.);
III Международных академических чтений РААСН "Проблемы обеспечения безопасности строительного фонда России" (г. Курск, 2004 г.);
Научные чтения, посвященные памяти проф. В.В. Помазкова (ВГА-СУ, г. Воронеж, 2004 г.);
24) Восьмых академических чтений РААСН (СГАСУ, г. Самара, 2004г.).
Публикации. По теме диссертации в отечественных и зарубежных изда
ниях опубликовано 103 работы и получено 4 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, семь разделов, общие выводы, список использованных источников и приложения. Вся работа изложена на 387 страницах машинописного текста, в 72 таблицах, на 123 рисунках, списке литературы из 347 наименований.
