Результаты научных исследований
Оптимизация физико-механических свойств кислотостойких полимерных композитов.
В.А. ХУДЯКОВ, канд. техн. наук, Л.В. ЛЕВИЦКАЯ, М.А. ГАВРИЛОВ, Н.Г. ЛЕСОВА, инженеры,
Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
Рост числа предприятий химической промышленности сопровождается увеличением доли конструкций, подвергающихся воздействию азотной кислоты и оксидов азота. Низкая коррозионная стойкость большинства материалов обусловливает необходимость защитных мероприятий. Весьма эффективным является применение футеровок, выполненных на основе кислотостойких полимерных композиционных материалов (КМ) на термореактивных связующих.
К материалам для футеровок предъявляется ряд требований, связанных с прочностными показателями. Прежде всего это прочность при изгибе и сопротивление ударным нагрузкам. Известным недостатком КМ на основе термореактивных матриц (связующих) являются повышенная хрупкость и низкое сопротивление удару, что ограничивает область их применения.
Повышение сопротивления удару может быть достигнуто уменьшением степени сшивки полимера или за счет включения каучуковой фазы. Однако это приводит к снижению теплостойкости и некоторых прочностных показателей КМ [1, 2].
Дисперсное армирование короткими волокнами лишено указанных недостатков. Помимо того введение коротких волокон позволяет уменьшить усадку материала.
Для изготовления КМ в качестве армирующих волокон были использованы волокнистые отходы химической промышленности (ВОХП), представляющие собой тонкодисперсные волокна асбеста.
Матричный материал защитных КМ должен обладать также такими свойствами, как возможность отверждения без выделения побочных продуктов, адгезия к дисперсным фазам и подложке. Перечисленные требования делают целесообразным применение эпоксидных смол. В качестве дисперсных фаз КМ были использованы аморфный углерод как наполнитель и кварцевый
песок как мелкий заполнитель.
Улучшения реологических свойств композиции можно достичь не только пластификацией матричного материала, но и применением различных добавок. Особенно эффективны фторхлоруглеродные жидкости (ФХУЖ). Введение оптимальных количеств ФХУЖ помимо улучшения реологических свойств композиции приводит к получению КМ с повышенными физико-механическими свойствами и сниженной пористостью.
Для исследования влияния коэффициента армирования и концентрации ФХУЖ (по отношению к объему матричного материала) была выполнена серия экспериментов в соответствии с девятиточечным центральным композиционным планом для квадратичной модели. Основные уровни и интервалы варьирования действующих переменных определены по результатам предварительных исследований. Коэффициент армирования (объемная доля ВОХП по отношению к матричному материалу) варьировался в пределах [0; 0,2]; концентрации ФХУЖ – в пределах [0; 2]. В результате обработки эмпирического материала получены экспериментально-статистические (ЭС) модели для трех исследованных показателей (входные переменные даны в кодовом выражении).
Для определения предела прочности при сжатии ЭС-модель имеет вид (МПа):
Абсолютная величина коэффициента при произведении действующих переменных сравнительно мала.
Это указывает на то, что в рассматриваемой области варьируемые факторы действуют практически независимо друг от друга. Модули коэффициентов при вторых степенях превосходят модули при первых; с удалением от центра плана значение прочности при сжатии падает. Изменение коэффициента армирования оказывает наиболее существенное влияние на прочность. Варьирование концентрации ФХУЖ, в особенности вблизи оптимальных значений коэффициента армирования, оказывает не столь выраженное влияние. Характер изменения прочности при увеличении коэффициента армирования выше оптимального значения можно объяснить снижением технологических свойств композиции и увеличением доли волокон, для которых характерно неполное смачивание матричным материалом.
Максимальное значение прочности, равное 139,3 МПа достигается вблизи центра плана (коэффициент армирования 0,12; концентрация ФХУЖ 0,9%).
Относительное упрочнение по сравнению с базовым составом (116 МПа) составляет 20%.
ЭС-модель для расчета предела прочности при изгибе (МПа):
Если на предел прочности при сжатии коэффициент армирования и концентрация ФХУЖ влияют независимо друг от друга, то для предела прочности при изгибе имеет место синергетический эффект в совместном влиянии варьируемых факторов. Коэффициент при произведении переменных положителен и по модулю близок к коэффициентам при вторых степенях. Увеличение концентрации добавки позволяет получить материал, который при бóльших коэффициентах армирования имеет лучшие прочностные показатели: максимальная прочность (29 МПа) достигается в точке, соответствующей коэффициенту армирования 0,15>0,12.
Относительное упрочнение по сравнению с базовым составом составляет 47%.
ЭС-модель для сопротивления ударным нагрузкамимеет вид (МДж/м3):
На значение сопротивления удару оказывают совместное влияние оба варьируемых фактора. При увеличении концентрации ФХУЖ выше оптимальной для сохранения высокого сопротивления удару требуется снизить коэффициент армирования, и наоборот. Влияние концентрации ФХУЖ на исследуемый показатель незначительно. Наибольшее сопротивление удару
(120,5 МДж/м3) достигается при коэффициенте армирования 0,17 и концентрации ФХУЖ 0,6%. Упрочнение по сравнению с базовым составом 44%.
Для всех трех исследованных показателей оптимальные значения достигаются во внутренней части исследованной факторной области. Это свидетельствует о рациональном выборе интервалов варьирования действующих переменных. Очевидно, что, ожидая близость рецептур, соответствующих оптимальным значениям свойств «одного класса», например, физико-механических, не следует ожидать их совпадения. Разработанные методы решения применимы только для однокритериальных задач, поэтому реально достичь лишь некоторого компромисса, формальным выражением которого является целевая функция, количественно выражающая принятое в данной задаче понятие качества материала [3].
Для выполнения расчетов был выбран метод скаляризации введением целевой функции на основе неформально определенных контрольных показателей [3]. Результат оптимизации – подобласть допустимых рецептур исследованной факторной области, возможно, пустая. Точка, соответствующая экстремуму целевой функции, принадлежит этой подобласти. Достоинством метода является его гибкость: как правило, принятая в качестве оптимальной рецептура не соответствует точке экстремума целевой функции и выбирается исходя из дополнительных соображений (стоимость, технологические свойства композиции и т. д.).
Максимум целевой функции:
Контрольные показатели имеют смысл значений, определяющих границы области допустимых рецептур;
уравнение границ q(x1,x2) = 1. Для конкретной практической задачи примем в качестве контрольных: Rc*=138, Rb*=28 и Ri*=120. Изолинии (4) приведены на рисунке. Значения целевых функций полностью основаны на «первичных» полных квадратичных моделях (1)–(3), которые на уровне 0,05 адекватны полученным в эксперименте данным.
Максимум (4) достигается при коэффициенте армирования 0,15 и концентрации ФХУЖ 0,87%. Физико-механические свойства состава оптимальной рецептуры:
Предел прочности при сжатии, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . .138,4
Предел прочности при изгибе, МПа . . . . . . . . . . . . . . . . . .28,14
Сопротивление удару, МДж/м3. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .120,2
Непустая подобласть q(x1,x2) >1 свидетельствует о том, что армирование короткими волокнами в сочетании с введением модифицирующих добавок позволяет получить материал, обладающий показателями не ниже контрольных.
Изменение поверхностных свойств наполнителей и цементных композитов под воздействием ультрафиолетового облучения
В.В. ЯДЫКИНА, д-р техн. наук, Е.А. ЛУКАШ, инженер,Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Одним из путей улучшения структуры и свойств цементных композитов является применение дисперсных минеральных наполнителей, модифицирующих структуру цементного камня и позволяющих придать материалу требуемые характеристики [1]. Определяющую роль в активации процессов гидратации вяжущего играют природа и состояние поверхности таких материалов. Любая поверхность твердого тела пространственно, химически и физически неоднородна. Источниками
неоднородностей могут быть изломы, ступени, дефекты, дислокации, выходы на поверхность различных кристаллографических граней и элементов структурных ячеек, продукты адсорбции, образующиеся в результате контакта материала с окружающей средой или его предварительной обработки. Наличие на поверхности разнообразных макро- и микродефектов, а также различных химических соединений приводит к появлению широкого спектра поверхностных состояний – кислотных и основных центров адсорбции.
Анализ состояния поверхности дисперсных материалов и механизма контактных взаимодействий в наполненных композиционных строительных материалах позволяет наметить пути активации наполнителей с целью усиления их адгезии к связующему и повышения структурообразующей роли. Активацию адгезионной способности наполнителей за счет увеличения их свободной поверхностной энергии можно осуществлять воздействием с помощью ионизирующих излучений, электрического и магнитного полей [2].
Установлено, что под действием ультрафиолетового облучения происходит изменение поверхности кремнезема, в результате чего образуются свободные валентности, играющие роль новых активных центров адсорбции [3, 4].
В данной работе исследовалась возможность влияния УФ-излучения на свойства наиболее перспективных с точки зрения использования местных сырьевых материалов с целью расширения производственной базы наполнителей цементобетонов – кварцитопесчаника Лебединского ГОКа Курской магнитной аномалии и отхода мокрой магнитной сепарации железистых кварцитов (ММС). Для сравнения использовался кварцевый песок Нижнеольшанского месторождения. Мерой концентрации активных центров адсорбции на поверхности наполнителей служила величина обменной емкости, которую определяли методом ионообмена с гидроксидом кальция. Подтверждением целесообразности использования именно этого метода является то,что в строительных растворах и бетонах наполнители постоянно контактируют с гидроксидом кальция. Для определения зависимости обменной емкости материалов от продолжительности их УФ-облучения были подготовлены навески наполнителей фракции 0,14 – 0,315 мм одинаковой массы. Источником УФ-излучения служила кварцевая лампа Q-139. Наполнитель тонким слоем располагался на расстоянии 0,3 м от кварцевой лампы и подвергался облучению при периодическом перемешивании. Обработка продолжалась от 3 до 20 мин. Изменение состояния поверхности дисперсных материалов фиксировали с помощью ИК-спектроскопии [3].
Анализ графиков на рис. 1 показал, что зависимость концентрации обменных центров от времени облучения для всех материалов носит экстремальный характер с максимумами при продолжительности облучения 10–12 мин для кварцитопесчаника, 12–15 мин для отходов ММС и 7–10 мин для песка. Необходимо отметить, что обменная емкость всех исследуемых наполнителей при оптимальной продолжительности облучения по сравнению с исходными материалами возрастает более чем на 100%. Это, по-видимому, связано с увеличением реакционной способности поверхности, вызванной частичной дегидратацией наполнителей. Методом ИК-спектроскопии установлено, что гидроксильный покров поверхности исследуемых материалов значительно отличается и УФ-облучение по-разному влияет на состояние воды и ее фрагментов на поверхности кварцевого песка и кварцитопесчаника.
ИК-спектры кварцевого песка до и после УФ-облучения показывают, что на поверхности песка до обработки присутствовало значительное количество воды. После 7 мин УФ-облучения наблюдается снижение интенсивности спектров поглощения в области 3400–3450см-1, что обусловлено удалением значительной части молекул воды, связанных водородными связями с гидроксильными группами и между собой. При этом происходит ослабление связей ОН-групп с тетраэдрами SiO2, что способствует ускорению процесса дегидроксилирования поверхности наполнителей при оптимальном времени УФ-облучения, а также существенному изменению кислотно-основных свойств минеральных частиц. Частичное дегидроксилирование поверхности SiO2 приводит к образованию на наполнителе кислотных центров Льюиса и Бренстеда. При дальнейшей дегидратации происходит удаление свободных ОН-групп, поэтому с увеличением продолжительности облучения обменная емкость наполнителей снижается. Количество адсорбированной воды на поверхности кварцитопесчаника значительно меньше, и поэтому УФ-обработка незначительно отражается на состоянии поверхности, которое характеризует этот участок спектра.
На ИК-спектрах образцов исходного и активированного наполнителя из кварцитопесчаника наблюдается появление максимумов, свидетельствующих об увеличении количества гидроксильных групп, не связанных водородными связями, то есть способных к ионному обмену, что подтверждено увеличением обменной емкости.
Аналогичные спектры получены для отходов ММС. Для наполнителя из кварцевого песка в этой области спектра после УФ-обработки изменений практически не наблюдается. Кварцевый песок и кварцитопесчаник по-разному реагируют на активацию.
Кварцевый песок и кварцитопесчаник имеют практически одинаковые химический (90–92% SiO2) и минералогический составы. Однако установлено, что метаморфогенный кварц, входящий в состав кварцитопесчаника Лебединского ГОКа, благодаря специфике генезиса имеет ряд структурных дефектов, что способствует повышению энергетического потенциала сырья для стройиндустрии, приготовленного из кварцитопесчаника [5] .Количество активных центров на поверхности кварцитопесчаника значительно больше, чем на песке. Для подтверждения гипотезы относительно положительного влияния УФ-облучения наполнителей на усиление их адгезии к цементу, повышения структурообразующей роли и прочности композитов из смеси
цемент : наполнитель=1:3 были изготовлены образцы-балочки размером 2,5х2,5х10 см, которые подвергли пропарке.
Результаты испытаний образцов (рис. 2, 3) показывают, что наблюдается четкая взаимосвязь между количеством обменных центров на поверхности наполнителей и прочностью образцов наполненного цементного композита. Максимальный (34,2%) прирост прочности при сжатии наблюдается у образцов с дисперсными материалами из кварцитопесчаника при обработке в течение 10 мин и 28,6% из песка при 7 мин УФ-активации.
УФ-обработка наполнителей позволяет сократить расход цемента в бетоне до 20%: при применении неактивированных наполнителей эта величина составляет 15% для кварцитопесчаника и отхода ММС и 10% для кварцевого песка.
Таким образом, подтверждено различие в состоянии поверхности между кварцевым песком и кварцитопесчаником; установлено влияние УФ-обработки на концентрацию обменных центров, причем механизм воздействия отличается для этих исследуемых материалов. Показано, что при использовании УФ-обработки дисперсных наполнителей прочность композитов повышается пропорционально увеличению концентрации активных центров.
Биостойкость минеральных наполнителей строительных композиционных материалов
Л.Ю. ОГРЕЛЬ, д-р.техн. наук, Р.В. ЛЕСОВИК, канд. техн. наук,
О.В. ДОРОГАНОВА, инженер, А.В. ГРАБАЗЕЙ, инженер,
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Большие успехи достигнуты в совершенствовании процессов и оборудования для производства высоконаполненных строительных композитов. Использование наполнителей позволяет не только значительно уменьшить дозировку дорогостоящих вяжущих, но и улучшить их строительно-технические свойства.
Очевидно, что существует тенденция к возрастанию в вяжущих доли различных наполнителей, при этом наблюдается не только увеличение спроса, но и расширение номенклатуры наполнителей, а также ужесточение требований к их свойствам. Выбор наполнителей строительных композитов определяется комплексом различных факторов, главными из которых являются себестоимость, доступность, технические (физические и химические) характеристики, размер и форма частиц, полидисперсность, характер упаковки. Существующее деление наполнителей на классы довольно произвольное. Классификация учитывает лишь происхождение наполнителей (минеральные, органические; природные, техногенные), размеры и форму частиц, площадь их поверхности. Большинство используемых наполнителей – это либо доведенные до требуемой дисперсности продукты целенаправленного дробления, либо отсевы различных горных пород, в том числе и рудных. В силу преимущественно механического способа получения большинства наполнителей можно говорить об их кластогенном (обломочном) характере. Морфология частиц наполнителя определяется его минералогическим составом, типоморфными признаками, а также типом кристаллической структуры породообразующих минералов и степенью их кристалличности. Химический и минералогический составы, размеры частиц, их форма и морфология поверхности могут служить основой для оценки их влияния на свойства систем наполнитель–связующее, т. е. конечные свойства композиционного материала.
Эксплуатация промышленных и сельскохозяйственных сооружений часто происходит в условиях повышенной влажности, это провоцирует биологическую коррозию и выводит ее в разряд факторов, определяющих сроки эксплуатации строительных конструкций.
Биологическую коррозию провоцируют не только внешние факторы (влажность, температура, наличие органических загрязнений), но и внутренние, связанные с составом, структурой и происхождением, композиционного вяжущего и его составляющих. Установлено, что наличие в его составе хотя бы одного негрибостойкого компонента снижает биостойкость строительного материала в целом [1–3]. Плесневые грибы (микромицеты) относятся к числу наиболее опасных биодеструкторов строительных материалов. Это обусловлено мощностью и лабильностью ферментативного аппарата плесневых грибов, быстрым ростом их мицелия, коротким вегетативным и мутагенным периодами [4, 5]. Однако природные и техногенные минеральные наполнители могут быть в различной степени подвержены поражению плесневыми грибами.
Для проектирования композиционных строительных материалов, устойчивых к микологической агрессии, необходимо знать грибостойкость составляющих их компонентов. Однако классификация минеральных наполнителей по биостойкости и фунгицидности (способности подавлять развитие плесневых грибов) отсутствует. Отсутствие систематических сведений об интенсивности поражения плесневыми грибами наиболее распространенных и перспективных композиционных наполнителей строительных материалов обусловливает необходимость изучения их индивидуальной грибостойкости. Представляет интерес оценить их биостойкость, т. е. способность материала сохранять исходные нормативные показатели в течение заданного времени службы в процессе или после воздействия биофактора, а именно грибостойкость наиболее распространенных минеральных наполнителей строительных композитов и попытаться установить взаимосвязь грибостойкости с происхождением наполнителя и его химическим составом. Исследования грибостойкости проводили по ГОСТ 9.048–89 «Единая система защиты от коррозии и старения. Изделия технические. Методы лабораторных испытаний на стойкость к воздействию плесневых грибов»
методами А и Б.
Сущность метода А заключается в том, что образцы минеральных наполнителей заражали водной суспензией спор плесневых грибов и выдерживали в условиях, оптимальных для их развития в течение 28 суток.
Сущность метода Б в том, что образцы заражали суспензией спор грибов в питательной среде (Чапека–Докса) и также выдерживали в условиях, оптимальных для их развития в течение 28 суток. Методом А устанавливали грибостойкость образцов, методом Б – фунгицидность.
Объектами исследований служили образцы минеральных наполнителей различного происхождения и состава, большая часть которых добывается в Белгородской области (ЦентральноЧерноземный регион РФ) либо производится из сырья вскрышных пород КМА (Курская магнитная аномалия). Результаты исследований минеральных наполнителей различных генетических типов позволили ранжировать их по степени грибостойкости и фунгицидности и предложить следующую классификацию (см. таблицу).
Анализ полученных данных показал, что наименьшей грибостойкостью (3 балла по методу А и 3–5 баллов по методу Б) обладают: мономинеральные кварцевые и полиминеральные наполнители, содержащие более 60% диоксида кремния и менее 15% по массе оксида алюминия (пески, кварциты, сланцы, граниты, кварцитопесчаники, вспученный перлит, вулканический туф,
хвосты мокрой сепарации Лебединского ГОКа); мономинеральные карбонатные наполнители механогенного происхождения (известняки Яковлевского и Крымского месторождений). Уменьшение содержания диоксида кремния и увеличение содержания оксида алюминия сопровождается ростом грибостойкости минеральных заполнителей до 0–2 баллов (метод А).
Установлено, что ни один из исследованных минеральных наполнителей не обладает фунгицидными свойствами. Грибостойкость по методу Б составила 2–5 баллов. Замечено, что их грибостойкость зависит от содержания и соотношения оксидов алюминия и
кремния, т. е. определяется так называемым модулем активности:
Для уточнения зависимости грибостойкости от соотношения оксидов кремния и алюминия в минералах была исследована грибостойкость модельных систем и получена зависимость степени обрастания образцов плесневыми грибами от модуля активности минеральных компонентов (рисунок).
Результаты исследований на грибостойкость модельных минеральных систем показывают, что негрибостойкими (степень обрастания плесневыми грибами 3 и более баллов) являются системы с модулем активности менее 0,215. Поэтому по величине модуля активности как природного, так и техногенного наполнителя можно прогнозировать его грибостойкость.
Таким образом, наиболее распространенные генетические типы природного и техногенного сырья, используемого для производства наполнителей, проранжированы по степени грибостойкости. Полученные результаты позволяют рекомендовать использование тех или иных наполнителей для производства строительных изделий и конструкций, работающих в условиях
повышенной биокоррозионной опасности, и в частности на предприятиях пищевой промышленности и в животноводческих и птицеводческих комплексах.
Структурные изменения в строительных сталях при термическом воздействии
В.Е. ГОРДИЕНКО, канд. техн. наук, Н.В. ОВЧИННИКОВ, А.О. БАКШЕЕВ, инженеры,
Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет
Одной из важных характеристик строительных сталей, работающих при низких температурах, является температура перехода из вязкого в хрупкое состояние, которая существенно зависит от исходной структуры металла: чем меньше размер зерен, тем выше ударная вязкость и пластичность
стали при низких температурах. В некоторых случаях сталь, выбранная в соответствии с требованиями нормативных документов, не обеспечивает надежную с точки зрения хрупких разрушений работу строительных конструкций.
Так, например, 1 января 2003 г. в здании электросталеплавильного цеха ОМЗ «Спецсталь» (бывший
мартеновский цех Ижорского завода, г. Колпино Ленинградской обл.) при температуре наружного
воздуха ниже -30оС произошло обрушение 30-метровой подстропильной фермы и опирающихся
на нее 8 стропильных ферм шихтового и печного пролетов (рис. 1).
В различных частях металлоконструкции могут иметь разную микроструктуру в отдельных элементах, в частности в сварных швах, которая в процессе эксплуатации может претерпевать существенные изменения. Микроструктура определяет механические свойства сталей, и они могут отличаться в различных зонах металлоконструкции.
Поэтому представляет интерес проследить процесс формирования структуры с различной степенью
дисперсности в зависимости от воздействия различных факторов в малоуглеродистых и низколегированных строительных сталях. Анализ литературных данных показал, что наиболее приемлемыми способами получения мелкозернистой структуры в строительных
сталях являются рекристаллизационный отжиг и термоциклическая обработка (ТЦО).
Для исследований были взяты малоуглеродистая сталь 08пс и низколегированные стали 09Г2С
и 10ХСНД. Процесс получения мелкозернистой структуры в сталях при рекристаллизационном отжиге включал предварительную холодную пластическую деформацию (прокатку) сталей на степень деформации ε=50% с последующим отжигом при температурах 20–800оС.
ТЦО сталей проводилась в следующих состояниях: состояние поставки; поставка + отжиг при 900оС
и поставка + холодная прокатка на степень деформации ε=50%. ТЦО состояла из 5 циклов нагрева стали до 770оС с последующим охлаждением в печи до 690оС и в конце 5-го цикла – с 690оС на воздухе. Процесс формирования мелкозернистой структуры при проведении рекристаллизационного отжига и ТЦО контролировался методом магнитной памяти металла и с помощью микроструктурного анализа. Структуры сталей 08пс и 09Г2С в исходном состоянии, после дробной прокатки и после завершения первичной рекристаллизации приведены на рис. 2.
По данным металлографического исследования, начало рекристаллизации у стали 08пс наблюдается при 550оС, а у сталей 09Г2С и 10ХСНД – при 600оС. Температура конца рекристаллизации
составляет у стали 08пс 700оС и у 09Г2С и 10ХСНД 725оС. В процессе первичной рекристаллизации
у сталей формируется мелкозернистая структура с размером зерен: 08пс – 8 мкм, 09Г2С – 6 мкм
и 10ХСНД – 5 мкм. Дальнейшее повышение температуры отжига приводит к увеличению размера зерен.
При ТЦО наибольшее изменение значений напряженности магнитного поля рассеяния H
p наблюдается в процессе первых циклов нагрев – охлаждение. Дальнейшее увеличение числа циклов уменьшает магнитную амплитуду, что, вероятно, связано с менее значительным измельчением структуры при последующих циклах.
Металлографические исследования показали, что независимо от исходного состояния после 2-го
цикла ТЦО во всех исследуемых сталях формируется мелкозернистая структура. Дальнейший рост
числа циклов менее существенно повышает степень мелкозернистости (рис. 3, 4).
На рис. 3 видно, что после первого цикла формируется микроструктура с различным размером зерен. При этом даже в соседних областях наблюдается существенная разнозернистость. С ростом числа циклов наблюдается измельчение зерен в областях, где они были крупнее; в областях с мелким зерном, полученным после первого цикла нагрева, отмечается дальнейшее измельчение. Аналогичная картина наблюдается для сталей и с другими исходными структурными состояниями.
Значительное влияние на формирование структуры в процессе ТЦО оказывает химический состав
сталей. Так, если у стали 08пс разнозернистость значительно уменьшается после 2-го цикла, то у стали
09Г2С, в которой феррит упрочнен марганцем и кремнием, – после 3-го цикла, а у стали 10ХСНД,
имеющей более высокую степень легирования, – после 4-го цикла, что, вероятно, связано со спецификой ТЦО. Следует отметить, что у низколегированных сталей 09Г2С и 10ХСНД по сравнению с малоуглеродистой 08пс процесс уменьшения разнозернистости смещается в сторону большего числа циклов. Это объясняется тем, что у легированных сталей термодинамическая активность углерода ни-
же, чем в углеродистых сталях и, следовательно, структурные изменения при ТЦО в них происходят
медленнее. Поэтому при увеличении процентного содержания в стали легирующих элементов для
получения равноосной мелкозернистой структуры требуется увеличение числа циклов ТЦО.
Существенное влияние на конечный размер зерен оказывает микроструктура сталей перед ТЦО. Более крупнозернистой исходной структуре сталей (поставка + отжиг при 900оС) по сравнению со структурой в состоянии поставки соответствует и более крупнозернистая структура после ТЦО. Следует отметить, что с увеличением степени легированности сталей (в ряду 08пс, 09Г2С и 10ХСНД) в них формируется более мелкозернистая структура как в состоянии поставка + отжиг при 900оС, так и в состоянии поставки.
Предварительная деформация перед ТЦО вносит значительные коррективы как для малоуглеродистой стали 08пс, так и для низколегированных 09Г2С и 10ХСНД. Существенным отличием ТЦО предварительно деформированных образцов является получение более мелкозернистой структуры, чем у образцов в состоянии поставки и в состоянии поставка + отжиг при 900оС, что, вероятно, связано с активизацией структурных изменений, происходящих при нагреве и охлаждении. Так, значительное измельчение структуры при ТЦО после холодной пластической деформации авторы объясняют тем, что
холодная деформация перераспределяет и повышает плотность несовершенств кристаллического
строения – дислокаций, вакансий, дефектов упаковки и, кроме того, способствует образованию и развитию мало- и высокоугловых границ.
Так как дефекты кристаллической решетки сильно влияют на формирование структуры сплавов при фазовых и структурных переходах, пластическую деформацию перед ними, а также в период их прохождения можно эффективно использовать для создания оптимальной структуры при ТЦО сталей.
Получение более мелкозернистой структуры при ТЦО в отличие от рекристаллизационного отжига
связано с воздействием на структуру дополнительных источников, присущих процессу непрерывного
изменения температуры – фазовых, превращений, градиентов температуры, термических (объемных) и межфазных напряжений, обусловленных разницей теплофизических характеристик составляющих структуру фаз. В процессе рекристаллизационного отжига и ТЦО строительных сталей удается получить мелкозернистую структуру с разной степенью дисперсности, которая зависит от температуры отжига, исходной микроструктуры, химического состава сталей и количества циклов ТЦО.
Таким образом, на ранней стадии завершения первичной рекристаллизации сталей 08пс,
09Г2С и 10ХСНД удается получать равноосную структуру, мелкозернистость которой с увеличением
степени легирования стали возрастает. При этом при контроле качества малоуглеродистых и низколегированных сталей в процессе отжига можно использовать достаточно высокую чувствительность напряженности магнитного поля рассеяния к температуре рекристаллизационного обжига.
Нанотехнологии в дорожно-строительной индустрии
В.С. ЛЕСОВИК, д-р техн. наук, М.А. ВЫСОЦКАЯ, канд. техн. наук,
В.В. ЯДЫКИНА, д-р техн. наук, Д.А. КУЗНЕЦОВ, канд. техн. наук,
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
Подавляющая часть покрытий проезжей части автомобильных дорог общего пользования в России построена с использованием органических вяжущих
материалов. В подобных конструкциях дорожной одежды битум является одним из важнейших компонентов, предопределяющих работоспособность
и долговечность композита. В силу определенных особенностей развития экономики страны, связанных с бурными темпами гражданского и промышленного строительства, цементобетонные покрытия автомобильных дорог составляют чуть более 3%, что на наш взгляд является недопустимым.
Общеизвестно, что Россия занимает лидирующие позиции по объемам добычи и экспорта нефти. Это совершенно закономерно, так как в недрах страны находится, по разным данным, от 6 до 13% нефти. Однако нефть относится к невосполнимым ресурсным запасам, а снижение объемов их прироста во многих нефтедобывающих регионах мира, в том числе на территории России, вызывает необходимость интенсивной разработки технологий, сокращающих расход битума в процессе приготовления композита, а также вовлечения в хозяйственный оборот альтернативных источников вяжущего сырья. Особенно эта проблема актуальна
в свете ведущихся разработок в области нефтехимии.
По самым смелым прогнозам специалистов запасы нефти будут исчерпаны через 20–30 лет. Однако в соответствии с наметившейся тенденцией дорожное строительство лишится возможности использовать битум в качестве основного вяжущего материала значительно раньше.
В соответствии с Транспортной стратегией РФ на период до 2020 г. к наиболее поощряемым и перспективным направлениям исследований относятся разработки транспортных энергетических установок, ориентированных на применение альтернативных видов топлива, а также гибридных энергетических установок. Действительно, есть, о чем задуматься, особенно если учесть ажиотаж, периодически возникающий в странах Европы в связи с повышением цен на нефтепродукты. Очевидно, что в сложившихся обстоятельствах получение битумов для дорожного строительства из нефти не самый острый вопрос, назревший в мировом сообществе.
Сложившуюся нерадужную картину можно дополнить несколькими штрихами экологического характера. В настоящее время производство материалов на основе битума в развитых странах значительно сокращается и по возможности переводится в третьи страны. Это связано с тем, что для работы с битумом необходим его разогрев до технологических температур, в результате чего выделяются пары ядовитых веществ. Очевидно, с этим связаны особенности в организации труда дорожных фирм Новой Зеландии, экологически чистого региона, на территории которого недопустимо приготовление горячих асфальтобетонных смесей. Все дорожно-строительные операции базируются на использовании битумной эмульсии.
Достижения в области техники позволяют создавать новые виды углеводородных, арамидных и других волокон, по прочности и деформативным показателям превышающих свойства стали. Использование этих нитей в композиционных материалах позволит обеспечить новый уровень технологии. В ближайшем будущем следует ожидать развитие нанотехнологий в строительстве.
Совершено очевидно, что существующие основы материаловедения, в том числе дорожно-строительного, в свете новых научных направлений и практических потребностей постепенно устаревают. В истории разработки составов, технологии производства и эксплуатации асфальто- и цементобетонных конструкций наблюдается переломный момент. Эти композиты еще имеют право на жизнь, но они рудимент материаловедения. Уже разрабатывается уникальная технология, позволяющая создавать материалы с уникальными свойствами – листы полимера, гибкие и упругие, как резина, и проводящие ток как металл; нанотрубки, прочные как сталь.
Ученые настолько увлечены открывающимися перспективами, что даже в технологии приготовления асфальтобетона имеются попытки управлять структурой композита за счет варьирования дисперсностью частиц в битумных эмульсиях. Полученные результаты обнадеживают: прослеживается позитивное изменение физико-механических свойств асфальтобетона с уменьшением размеров частиц дисперсной фазы битумных
эмульсий.
Другим, не менее перспективным направлением на пути экономии битума и, возможно, создания альтернативного вида вяжущего является использование отработанной резины. Разработанный метод высокотемпературного сдвигового измельчения [4] позволяет получать из резины тонкий полимерный порошок, выступающий не в качестве наполнителя, а как компонент химического процесса структурообразования композита.
Вероятно, на ближайшую перспективу идеальная конструкция покрытия автомобильной дороги будет представлять собой двухъярусную систему.
Нижний ярус – композит на основе неорганических вяжущих материалов или мелкозернистый бетон, обеспечивающий высокую несущую способность и прочность системы. Верхний тонкий или ультратонкий слой из эластичных деформативных материалов на основе нетрадиционных в настоящее время композиционных вяжущих с использованием нанопорошковых модификаторов будет обеспечивать комфортабельность и безопасность
передвижений по автомобильной дороге. Для поиска модификатора, который позволил бы уменьшить толщину слоя органоминерального покрытия с сохранением всех его свойств и признаков, была предпринята попытка замены минерального порошка для асфальтобетона известьсодержащим микронаполнителем с содержанием оксида кальция в количестве 30–40% от массы наполнителя. Было установлено, что основным отличием межмолекулярного взаимодействия в асфальтовых системах, содержащих
оксид кальция, является формирование коагуляционно-конденсационной структуры композита, связывающей отдельные зерна порошка или их агрегаты в каркас. В результате межпоровое пространство органоминерального композита оказывалось как бы армированным новообразованиями, за счет чего стало возможным снизить толщину слоя, увеличить прочность, тепло- и сдвигоустойчивость, деформативную
способность, а также долговечность и коррозионную стойкость подобного композита.
Опыт строительства дорог с использованием органического вяжущего насчитывает не один десяток лет, поэтому моментальный отказ от сложившихся технологий и технологических приемов невозможен. Однако стремления авторов использовать мелкие и ультрамелкие модификаторы для регулирования свойств строительных материалов на молекулярном уровне являются теми небольшими шагами, которые должны вывести строительное материаловедение на качественно иной уровень. Еще одним показателем постепенного развития дорожного строительства является повсеместное использование специализированных деформационных швов при строительстве.
Приведенные выше работы не имеют отношения к нанотехнологиям, однако их существование свидетельствует о назревающем поворотном моменте в материаловедении и разработке новых материалов, обладающих заданными показателями свойств, на основе эффективных вяжущих, синтезированных при помощи нанотехнологий.
Действительно, нанотехнологии позволят придать конструкционным материалам весьма разнообразные свойства. Один из основных законов развития техники приводит к тому, что все больше функций, обычно возлагаемых на устройства, будут выполнять сами материалы. Область материаловедения существенно изменится – появятся так называемые умные материалы, сверхпрочные, сверхлегкие и негорючие (на основе алмазоида) материалы. По предварительным прогнозам нанотехнологии произведут такую же революцию в манипулировании материей, какую произвели компьютеры в манипулировании информацией. Сейчас сложно что-то прогнозировать. Для внедрения в дорожно-строительную индустрию сверхтонких технологий необходимо значительно повысить уровень производства и качество выполнения работ. Однако хочется верить, что нанотехнологии найдут развитие и применение в дорожно-строительном материаловедении и станут отправным пунктом в новую эпоху
человечества.
Подтверждение соответствия защитно-декоративных покрытий строительных изделий
В.И. ЛОГАНИНА, д-р техн. наук, А.А. ФЕДОСЕЕВ, канд. техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
В соответствии с Законом РФ «О техническом регулировании» основными элементами технического регулирования являются нормирование требований, обеспечивающих безопасность, и подтверждение соответствия продукции установленным требованиям. Для количественной оценки ущерба вводят показатели риска. Уровень допустимого риска в нормативных документах выражается обычно через предельно допустимые значения контролируемых показателей (нормативы безопасности).
Нормативы безопасности часто задаются некоторыми ограничениями на значения показателей безопасности без указания вероятности, например:
x ≥ xmin;
x ≤ xmax; (1)
xmin ≤ x ≤ xmax.
Любой выход за границы допуска считается нарушением. Известно, что любой процесс изготовления связан с вариациями параметров, вызванными большим количеством воздействующих факторов. При этом даже самый совершенный процесс имеет некоторый уровень дефектности — вероятности выхода параметров за границы допуска. В связи с этим значения допусков на показатели качества должны быть обозначены с указанием вероятности, например:
P{x ≥ xmax}= pз;
P{x ≥ xmin}= pз; (2)
P{xmin ≥ x ≥ xmax}= pз,
где рз — заданная вероятность; (1—рз) — допустимый уровень дефектности.
Существующая в настоящее время научно-техническая и нормативная документация на показатели качества отделки не содержит сведений, касающихся требований безопасности лакокрасочных покрытий, что делает невозможным оценить уровень их качества с определенной гарантией.
Рассмотрим применение существующих в настоящее время статистических методов контроля и управления качеством продукции, позволяющих оценить вероятность получения продукции с определенной долей брака на примере покрытий на основе поливинилацетатцементной краски. В качестве критерия качества покрытия была принята прочность сцепления. Показатели α0 и β0 соответственно будут характеризовать риски поставщика и потребителя окрашенной поверхности. Показатель риска потребителя β0 характеризует вероятность приобретения некачественной продукции, показатель риска поставщика α0 — вероятность браковки качественной продукции. Значение риска потребителя а зависит от степени доверия Т. В соответствии с ГОСТ Р 50779.30—95 и 50779.50—95 при отсутствии надежной информации о возможностях поставщика обеспечить требуемое качество β0 принимается равным 0,1; при отсутствии сертификата на продукцию в0 = 0,25; при отсутствии у поставщика сертификата на систему обеспечения качества β0 = 0,5.
Анализ научно-технической и нормативной документации показывает, что нижний допуск на показатель прочности сцепления составляет R =1 МПа. Математическое ожидание прочности качественного и некачественного покрытия будем обозначать соответственно MR0 и MRy Среднее квадратическое отклонение а принимается неизменным и определяется из условия 6 сигм (рис. 1).
Рис. 1. Законы распределения средних значений показателя прочности сцепления R качественного и некачественного покрытия
Тогда значение математического ожидания а прочности сцепления MR0 качественного покрытия можно определить из соотношения:
MR0 = 3σ + Rн. (3)
Результаты расчета по (3) показывают, что качественное покрытие при а = 0,313 МПа можно охарактеризовать значением показателя прочности сцепления, равным R0 = 1,94 МПа с долей дефектности, не превышающей значения уровня дефектности р0 = 0,027%. Однако, как показывают проведенные испытания, среднее значение прочности сцепления составляет R = 1,7 МПа, что приводит к возрастанию уровня дефектности (рис. 1) до какого-то значения. Критическое значение уровня дефектности некачественного покрытия р: = NQL (NQL — процент или число несоответствующих единиц продукции в партии) должно быть задано в нормативной документации (стандарт организации) либо потребителем при заключении контракта.
Партия продукции должна быть признана годной, если фактический уровень несоответствий в партии не превышает установленного нормативного значения NQL. Наиболее приемлемым методом оценки соответствия или несоответствия является правило принятия решения по методу доверительных границ. В соответствии с этим методом необходимо рассчитать нижнюю доверительную границу уровня несоответствий — с уровнем доверия γ0= 1 – β0. Решение о соответствии партии требованию к качеству принимают, если нижняя доверительная граница уровня несоответствий не превышает нормативный уровень несоответствий q < NQL.
Нижнюю доверительную границу уровня несоответствий рассчитывают по формуле:
где Ф – функция распределения стандартного нормального закона; μ – верхняя доверительная граница математического ожидания; σ – среднее квадратическое отклонение.
Верхнюю доверительную границу математического ожидания рассчитывают по формуле:
где R — выборочное среднее; z1-0, 1/2 — квантиль уровня (1 — β0/2) стандартного нормального распределения z1-0, 1/2 =1,28.
Рассмотрим пример расчета уровня дефектности партии окрашенных строительных конструкций. Установлено, что распределение значений показателей прочности сцепления поливинилацетатцементной краски с цементной подложкой является нормальным со средним квадратическим отклонением о = 0,313 МПа, R = 1,7 МПа; показатели рассчитывались по результатам 20 испытаний. Допустим, что по согласованию с потребителем установлен нормативный уровень несоответствий NQL=3%. Нормативное значение риска потребителя при контроле поставщика в0=0,1 и соответствует степени доверия Т2 — отсутствие надежной информации о возможностях поставщика обеспечить требуемое качество.
В результате расчета получим:
Таким образом, по показателям прочности сцепления при объеме выборки n=20 данная партия принимается.
Предлагаемая методология оценки качества лакокрасочных покрытий позволит потребителю получить высокое качество отделки с определенной гарантией.
Фильтрация воздуха в стенах зданий с вентилируемым фасадом
А.М. ПРОТАСЕВИЧ, канд. техн. наук, Д.Д. ЯКИМОВИЧ, старший научный сотрудник, А.Б. КРУТИЛИН, инженер, Белорусский национальный технический университет (Минск)
Проектирование теплоизоляции наружных стен зданий с вентилируемым зазором предполагает решение трех основных задач: определение толщины слоя теплоизоляции на основании теплотехнического расчета; определение потока диффундирующей влаги через ограждение и расхода воздуха в воздушном вентилируемом зазоре; определение характеристик вентилируемого зазора на основании расчета аэродинамического режима.
В работах русской (советской) школы теплотехники достаточно полно представлены вопросы расчета наружных стен зданий с размещением вентилируемого зазора как внутри их, так и с внутренней или наружной сторон. Учтены также условия микроклимата помещений зданий, влияющих на условия эксплуатации ограждений. Общий подход к теплотехническому расчету вентилируемых прослоек наружных стен представлен В.Н. Богословским [1].
В то же время есть ряд вопросов, на которые полного ответа нет. К ним, в частности, относится оценка влияния аэродинамического режима в воздушном зазоре на формирование избыточного давления на слой утеплителя; отсутствие характеристик воздухопроницаемости современных изделий из минеральной ваты; отсутствие рекомендаций по проектированию ветрозащиты слоя утеплителя.
Для оценки формирования статического давления в воздушном зазоре с различной конструкцией узлов выхода от ветрового воздействия на испытательном стенде выполнены исследования вентилируемого фасада со сплошным экраном на моделях зданий простой конфигурации.
В экспериментах определялось статическое давление в воздушном зазоре. Для этого в местах выхода воздуха из зазора размещались штуцера отбора, соединенные с микроманометром. Отсчеты по приборам выполнялись фотосистемой. Модели устанавливались на поворотной платформе, что позволяло ориентировать их относительно потока. Исследования проводились при скорости воздуха и = 1,1 и 2,4 м/с.
На рис. 1 представлены величины статических давлений, измеренные у входных и выходных отверстий воздушного зазора двух моделей, отличающихся друг от друга конструкцией узлов выхода воздуха.
Результаты испытаний подтвердили зависимость формирования статического давления в вентилируемом зазоре как от скорости потока воздуха, так и от конфигурации модели; возможность опрокидывания потока воздуха в зазоре на заветренной стороне зданий. Кроме того, исследования показали, что величины статического давления воздуха зависят от конструктивного решения узлов входа и выхода воздуха.
Анализ результатов стендовых испытаний и натурных исследований зданий с вентилируемыми фасадами показал, что существенное влияние на распределение давления по поверхности стены оказывает размещение здания в застройке.
На основании стендовых и натурных исследований предложена схема аэродинамического режима воздушного зазора для установившегося режима движения воздуха в зимний период. На рис. 2 показано формирование величины давления по его высоте при одновременном гравитационном и ветровом воздействиях.
Рис. 2. Схема формирования воздушного режима вентилируемого зазора (tв > tн)
Воздушный зазор толщиной 8 имеет узел входа воздуха площадью живого сечения F1 и узел выхода площадью живого сечения F2. Узлы расположены на расстояниях h2 и h2 от осевой линии. Расстояние между ними h0.
Различие в температуре воздуха по высоте зазора вызывает появление гравитационного давления Ргр. Избыточное гравитационное давление в нижней части воздушного зазора направлено внутрь, а в верхней — наружу.
Ветровой поток создает у нижнего узла входа в зазор избыточное статическое давление:
где С1 и С2 — аэродинамические коэффициенты, определяющие избыточное статическое давление у входа и выхода потока воздуха в зазор в долях от динамического давления прямолинейного ветрового потока; ин — скорость ветра, м/с; р — плотность воздуха, кг/м3.
Характер развития статического давления на наветренной и заветренной сторонах здания можно оценить по эпюрам, полученным при проведении стендовых испытаний на моделях (рис. 1).
Рис. 1. Схемы движения воздуха и величины статических давлений (Р, Па) в зазоре и на поверхности моделей при скоростях υ = 1,1 м/с и 2,1 м/с
Внешнее давление, возникающее у узлов зазора, передается вовнутрь, формируя внутреннее давление, равное:
— потери давления при входе и выходе в зазор; Е1 и Е2 — коэффициенты местных сопротивлений; и1 и и2 — скорости воздуха в узлах, м/с.
Величина давления, возникающего вследствие ветрового напора, определяется как:
Рв = Рв1— Рв2; (4)
полное давление в зазоре с учетом гравитационного давления равно:
Некоторые результаты расчета давлений по предлагаемой методике для систем утепления со сплошным экраном из металлического сайдинга приведены в [2].
Выбор способа ветрозащиты слоя утеплителя требует знания результирующего давления в местах размещения узлов входа и выхода. Определение указанной величины по методике, составленной с учетом описанной выше схемы развития полного давления на входе и выходе, позволяет определить величину градиента давления на рассчитываемом участке.
Поведение теплоизоляционного слоя из минераловатных изделий при воздействии потока воздуха зависит от их воздухопроницаемости. Интенсивность фильтрации воздуха через пористые материалы характеризуется коэффициентами воздухопроницаемости, а защитные качества от фильтрации — величиной сопротивления воздухопроницанию:
где Rie — сопротивление воздухопроницанию материалов, (м2 • с- Па)/кг; in — условные коэффициенты воздухопроницания отдельных слоев материала, кг/(м- с- Па); 8n — толщины слоев материалов, м.
Коэффициенты воздухопроницаемости для волокнистых материалов определены как условные величины, так как структура минеральной ваты практически всегда неравномерна по толщине изделия. Кроме того, коэффициент воздухопроницаемости не является величиной, пропорциональной общей толщине изделий, поскольку фильтрационному потоку оказывают большее сопротивление поверхностные уплотненные слои.
Анализ результатов исследований различных авторов [3—6] показывает их разобщенность, что не позволяет сделать выводы о зависимости коэффициентов воздухопроницаемости минеральной ваты от различных факторов. Поэтому при оценке воздухопроницаемости следует использовать величину сопротивления воздухопроницанию конкретного материала или изделия.
Для оценки ветрозащитных качеств плитных теплоизоляционных материалов проведены экспериментальные исследования их воздухопроницаемости. Одновременно выполнена оценка сопротивления воздухопроницанию образцов утеплителя, составленных из минераловатных изделий разной плотности и назначения.
Для проведения испытаний был создан экспериментальный стенд для образцов с размером 1000×1000 мм и различной толщины. Стенд состоит из камеры с пятью жесткими металлическими стенками, воздуходувки и измерительных приборов. Для плотной установки образцов по контуру камеры размещена рамка из металлического уголка. Результаты определения воздухопроницаемости образцов минеральной ваты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Минеральная вата |
Плотность р, кг/м3 |
Толщина 8, м |
i ,кг/(мсПа) |
Ri, (м2ч*да*Па)/кг |
Гомель-1 (Г1) |
69 |
0,059 |
0,00015 |
0,011 |
Гомель-2 (Г2) |
120 |
0,06 |
0,000071 |
0,023 |
Гомель-3 (Г3) |
166 |
0,061 |
0,000056 |
0,03 |
Гомель-4 (Г4) |
170 |
0,065 |
0,000055 |
0,033 |
Parock IL |
30 |
0,1 |
0,00025 |
0,011 |
Parock WAS 25t |
90 |
0,03 |
0,000046 |
0,018 |
Ventirock 8=80 мм |
102 |
0,08 |
0,000071 |
0,031 |
Ventirock 8=50 мм |
103 |
0,05 |
0,000045 |
0,03 |
Fasrock |
135 |
0,023 |
0,000031 |
0,021 |
Parock IL +Parock WAS 25t |
— |
0,13 |
0,00014 |
0,03 |
Parock IL + Fasrock |
— |
0,123 |
0,00012 |
0,03 |
Г1 + Parock WAS 25t |
— |
0,089 |
0,000102 |
0,025 |
Г2 + Parock WAS 25t |
— |
0,09 |
0,000069 |
0,036 |
Г3 + Parock WAS 25t |
— |
0,091 |
0,000056 |
0,045 |
Г4 + Parock WAS 25t |
— |
0,095 |
0,000051 |
0,051 |
Анализ результатов исследований показывает, что коэффициент воздухопроницаемости зависит от плотности минеральной ваты, толщины изделий. Плитные изделия из минеральной ваты при большей толщине имеют характеристики хуже, чем изделия меньшей толщины, но с защищенной поверхностью, специально предназначенные для систем утепления с вентилируемым воздушным зазором. В то же время высокое сопротивление воздухопроницанию изделий не исключает фильтрацию воздуха во внутренних слоях утеплителя, а следовательно, интенсификацию переноса теплоты через него.
Движение воздуха вдоль слоя утеплителя, имеющего волокнистую структуру, определяет возможность фильтрации по объему минеральной ваты. Воздух проникает внутрь утеплителя как через поры материала, так и через швы между плитами под совместным действием статического и части динамического давлений вихревого потока. Продольная фильтрация обычно возникает в вертикальных щелях, образованных между основной стеной и неплотно прилегающими к ней плитами утеплителя.
Чтобы оценить влияние фильтрации, необходимо знать градиент давлений по высоте зазора. Следует отметить, что у различных типов вентилируемых фасадов градиент давлений будет различным. Так, вентилируемые фасады с наружной облицовкой плиткой с открытыми швами будут иметь совершенно иное распределение давлений по высоте по сравнению с вентилируемыми фасадами, имеющими возухонепроницаемые экраны, например из металлического сайдинга.
Отсутствие достоверных данных по градиентам давлений определяет необходимость иного подхода к выбору мероприятий по ветрозащите утеплителя.
На основании результатов экспериментальных лабораторных и натурных исследований зазоры по поступлению наружного воздуха предлагается классифицировать на слабо вентилируемые, вентилируемые и интенсивно вентилируемые (табл. 2).
Таблица 2
Вид воздушной прослойки |
Суммарная площадь входных и выходных вентиляционных узлов, F0T, мм2/(м2 поверхности стены) |
Защитный экран прослойки |
Слабо вентилируемая |
F0T < 3000 |
Кладка из кирпича, листовые материалы с воздухопроницаемыми швами |
Вентилируемая |
3000 < F0T < 12000 |
Из материалов, непроницаемых для воздуха, с отверстиями для входа и выхода воздуха внизу и вверху вентилируемого участка |
Интенсивновентилируемая |
F0T > 12000 |
Малоформатные плитные материалы с открытыми горизонтальными швами |
Предлагаемая классификация позволяет обозначить требования по ветрозащите слоя утеплителя.
При использовании в наружных стенах со слабо вентилируемым воздушным зазором в качестве утеплителя изделий из минеральной ваты их плотность должна быть ρ > 75 кг/м3, а сопротивление воздухопроницанию Ri > 0,025 (м2⋅с⋅даПа)/кг.
Для стен с вентилируемым воздушным зазором в качестве утеплителя рекомендуются изделия из минеральной ваты р > 120 кг/м3 или изделия, имеющие уплотненную поверхность и специально предназначенные для использования в ограждениях с воздушным зазором. Сопротивление воздухопроницанию слоя утеплителя или ветрозащитного слоя должно быть Ri > 0,03 (м2чдаПа)/кг.
В стенах с интенсивно вентилируемыми воздушными прослойками рекомендуются минераловатные плиты с р > 175 кг/м3. При использовании утеплителя с р < 175 кг/м3 следует предусмотреть защиту его поверхности с использованием паропроницаемых листовых материалов или ветрозащитных пленок и мембран со специальной микроперфорацией или с устройством двухслойного утепления из минеральной ваты с наружным защитным слоем из изделий с р > 175 кг/м3 или меньшей плотности, но имеющих обращенную к потоку воздуха ветрозащитную поверхность.
Исключение фильтрации воздуха в слоях утеплителя путем организации ветрозащиты позволит повысить теплозащитные качества систем наружной теплоизоляции ограждений с вентилируемым воздушным зазором.
Список литературы
- Богословский В.Н. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа. 1982. 414 с.
- Протасевич А.М., Крутилин А.Б., Якимович Д.Д. Теплоизоляция наружных стен зданий по системе вентилируемый фасад // Жилищное строительство. 2006. № 2. С. 8-13.
- Брилинг Р.Е. Воздухопроницаемость ограждающих конструкций и материалов. М.: Стройиздат. 1948. 120 с.
- Франчук А.У. Таблицы теплотехнических показателей строительных материалов. М., 1969. 138 с.
- Ильинский В.М. Строительная теплофизика. М.: Высшая школа. 1974. 318 с.
- Блюджюс Р., Самаяаускас Р. Воздействие движения воздуха на теплопередачу конструкций с теплоизоляцией из минеральных плит // Сб. докладов VI научнопрактической конференции «Проблемы строительной теплофизики систем обеспечения микроклимата и энергосбережения в зданиях». 2001. С. 183-187.
- Езерский В.А., Монастырев П.В. Влияние вентилируемого фасада на теплозащитные качества утеплителя // Жилищное строительство. 2003. № 3. С. 18-20.
Совершенствование технологии производства керамических строительных материалов Социалистической Республике Вьетнам
БАК ДИНЬ ТХИЕН, канд. техн. наук, Ю.М. БАЖЕНОВ, д-р техн. наук, Московский государственный строительный университет
До объединения Вьетнама в 1975 г. выпуск стеновой керамики на cевере страны был незначителен и составлял менее 1 млрд шт. усл. кирпича вьетнамского формата размерами 220x110x60 мм в год. Лишь небольшая доля кирпича выпускалась на двух заводах, оборудованных туннельными сушилками и печами.
Впервые кирпичные заводы во Вьетнаме с использованием современных туннельных сушилок и печей были запроектированы в 1976—1978 гг. болгарскими фирмами. Недостатками этих разработок является высокая энергоемкость технологического оборудования и не использование отработанных дымовых газов печи и энергии солнечной радиации для сушки отформованного сырца [1, 2, 3]. Учитывая эти недоработки и низкий уровень технологических разработок с учетом особенностей местных ресурсов и климатических условий Вьетнама, была поставлена задача изучения состава основных глинистых материалов и их технологических свойств, а также разработки технологии изготовления из них керамических строительных материалов. Решение этой проблемы соответствует задачам, которые были поставлены в постановлении Правительства Социалистической Республики Вьетнам «О Генеральном плане развития промышленности строительных материалов Вьетнама на период до 2010 гг.» от 1 августа 2001 г. № 115/2001/QD-TTg.
В работе исследованы глины главных карьеров на севере Вьетнама: Ха Лонг, Суан Хоа, Донг Ань, Ким Шень, Суан Май, Куэ Во, которые снабжают сырьем производства керамических строительных материалов. Их химический состав колеблется в широких пределах, %: SiO2 — 45,2-79,85; А12О3 — 8,59-35,2; Fe2O3 -0,5-10,26; СаО — 0,06-3,96; MgO — 0,2-2,8; К2О -0,5-2,95; Na2O — 0,16-1,9; S03 — 0,01-0,6. Температура спекания составляет 950—1150оС. По гранулометриче-кому составу эти глины относятся к тонкодисперсному сырью с высоким содержанием глинистой фракции и низким содержанием включений. Число пластичности от 17 до 25.
Результаты рентгенофазового и микроструктурного анализа (рис. 1) показывают, что исследованные глины являются полиминеральным сырьем и представлены каолинитом — Al2Si5O5 (OH)4, иллитом -K0jAl21(Si,Al)4O10(OH)2, полуокатанными обломками кварца — SiO2, полевого шпата — K2OAl2O36H2O и Na2O-Al2O3—6H2O, тонкими чешуйками мусковита -KAl2(Si3Al)O10(OH,F)2, гематитом — Fe2O3, а также кальцитом, хлоритом, галлуазитом и плагиоклазом.
Рис. 1. Микрофотографии глин основных месторождений северного Вьетнама: а) — глины месторождения Халонг; б) — глины месторождения Суан Хоа; в) — глины месторождения Донг Ань
Были исследованы формовочные и сушильные свойства смесей глин изучаемых месторождений с кварцевым песком Красной реки полидисперсного состава с размером зерен 0,14-1,25 мм. Сделан вывод, что для производства рядового строительного кирпича массовую долю песка в сырьевой смеси можно доводить до 50%, обеспечивая марку кирпича 100, а для лицевых и декоративных изделий — не более 25-30%. По формуемым свойствам массы с добавлением кварцевого песка до 25% имеют число пластичности больше 15, поэтому они хорошо формуются способом экструзии.
Дилатометрические кривые образцов из халонгской глины (рис. 2), полученные при обжиге в лабораторной печи, показывают возможность построения безопасных кривых обжига изделий из этих глин. На рис. 2 видно, что интервал спекания халонгской глины довольно длинный и достигает 120-130о. Оптимальный температурный интервал обжига для халонгской глины составляет 880— 1010оС.
Рис. 2. Дилатометрические кривые обжига образцов из халонгской глины, снятые на приборе L 75/38C linseis. Первоначальная длина образцов 19,6 мм.
Результаты исследований зависимости плотности, водопоглощения, открытой пористости образцов от температуры обжига приведенны в табл. 1 и 2. Из данных, приведенных в табл. 1 и 2, видно, что при повышении температуры обжига средний диаметр пор увеличивается. При этом общий объем пор уменьшается. Это подтверждают микрофотографии структуры обожженного черепка керамических изделий при температуре 970 и 1045оС (рис. 3).
Таблица 1
Температура обжига, оС |
Плотность образцов, г/см3 |
Водопоглощение, % |
Открытая пористость, % |
855 |
1,78-1,8 |
16,7-17,8 |
29,8-32 |
890 |
1,78-1,82 |
16,8-17,4 |
29,7-31,7 |
920 |
1,79-1,83 |
16,8-17,5 |
30,1-32 |
970 |
1,83-1,85 |
15,6-16,6 |
28,5-30,9 |
1005 |
1,92-1,95 |
12,3-13,4 |
23,7-26,1 |
1045 |
1,98-2,1 |
10,2-11,9 |
20,2-23,9 |
Таблица 2
Температура обжига, oС |
Средний диаметр пор, мкм |
Объем пор, % |
890 |
0,082-0,05 |
34,3-32,43 |
970 |
0,108-0,082 |
31,72-31,14 |
1045 |
0,173-0,147 |
25,43-25,93 |
Исследование различных составов сырьевых смесей из разных глин, позволило отработать основные переделы технологии производства изделий из них с учетом особенностей влажно-жаркого климата Вьетнама.
Рис. 3. Структура керамического черепка плиток завода «Донг Ань», обожженных при различной температуре: а) — температура обжига 970оС; б) — температура обжига 1045оС.
Песок и глина в необходимых соотношениях смешиваются предварительно бульдозером на открытой площадке глинозапасника и оставляются для вылеживания в течение 10-12 месяцев. После вылеживания смесь подают в крытый склад. Далее она поступает в ящичный питатель, ленточным транспортом подается в валковые дробилки грубого и тонкого помола, в смеситель с фильтрующей решеткой, а затем в вакуумный ленточный пресс.
Во Вьетнаме для возведения стен и перегородок, начиная со второго этажа жилых и общественных зданий применяется главным образом пустотелый кирпич, а для первого этажа — полнотелый. По TCVN 1450:1986 «Керамические пустотелые кирпичи» пустотелые кирпичи разделяют по марке 35, 50, 75, 100 и 125, а полнотелые кирпичи по TCVN 1451:1986 «Керамические полнотелые кирпичи» — 50, 75, 125, 150. Кирпичи 3-, 4-, 6-, 10-пустотные применяются главным образом для изоляции самых верхних этажей от солнечной радиации.
Кровельные керамические материалы производят способом пластического формования сырцовых заготовок с последующей подпрессовкой после того как сырцы высушатся до влажности 14—15%. Пластическое формование кирпича, черепицы, плитки для полов из массы с влажностью 18—22% производится на шнековых горизонтальных вакуумных прессах с давлением 1,6—2 МПа. Отформованный глиняный брус разрезается на изделия резательным автоматом. Сырые керамические изделия подаются на тележки и потом в цех подсушки с использованием солнечной энергии [4].
При заданной мощности завода можно рассчитать требуемую площадь для естественной сушки:
где П — производственная мощность завода, шт. усл. кирпича в год; F — требуемая площадь для естетсвенной сушки сырца, м2; t4 — время одного цикла сушки на площадке от влажности 18—22% до 8—12%, ч, принимаемая 42—48 ч за вычетом неблагоприятного для сушки времени; Ко — коэффициент брака продукции при обжиге, принимаемый равным 0,03—0,05; Кс — коэффициент брака продукции при сушке, принимаемый равным 0,03—0,05; m — плотность садки сырца на сушильной площадке, штук/ м2, принимаемая равной 80—120 шт. усл. кирпича на 1 м2 в зависимости от начальной влажности; Ки — коэффициент использования площади сушильной площадки, принимаемый равным 0,65—0,75 в зависимости от конструкции укрытия площадки, ^аб — эффективное время работы сушильной площадки с учетом погодных условий сушки.
Эффективное время работы сушильной площадки рассчитывается следующим образом:
tраб=tкал+Kл·tл-Kд·tд-Kн·tн-Kт·tт-Kобл·tобл-Kноч·tн.ноч, (2)
где tкал – календарное время работы в году, принятое равным 8760 ч; Kл– коэффициент благоприятности сушки благодаря ветру Лао, принятый равным 0,2—0,3;— время ветра Лао, ч; Кд — коэффициент не благоприятности из-за дожливых дней, принятый равным 0,5—0,6; ^ — дневное время дождей в году, ч; Кн — коэффициент не благоприятности из-за погоды Ном, принятый равным 0,8—0,9; tB — время погоды Ном в году, ч; Кт— коэффициент не благоприятности из-за тумана, принятый равным 0,7—0,8; С — время тумана, ч; Кобл — коэффициент не благоприятности из-за облачной погоды; Сбл — дневное время облачной погоды в году, ч; Кноч — коэффициент не благоприятности из-за ночного времени, принятый равным 0,6—0,7; tH.H04 — необыкновенное ночное время по погоде, ч.
Выше указанные коэффициенты благоприятности и не благоприятности сушки получают экспериментальным путем в зависимости от месторасположения завода и принимаются по национальному стандарту TCVN-4088—85 «Климатические данные для проектирования».
Высушенные изделия, имеющие влажность 10—11% вручную укладывают на сушильные и обжиговые вагонетки. Сушка и обжиг изделий производятся в туннельных сушилах и печах. В качестве топлива используется молотый уголь. При производстве черепицы и плитки для полов совместно с углем при обжиге используется мазут.
Для оптимизации теплового режима обжига и видов садки изделий на вагонетке применялась контрольная вагонетка с комплексом приборов, регистрирующих температуру рабочего пространства печи по сечению садки и длине печи. Кривая тепловой обработки изделий записывалась на компьютере, расположенном в кабинете обслуживающего персонала.
Сушильный агент является смесью из горячего воздуха, полученного из зоны охлаждения туннельной печи и дымовых газов печи. Смесь воздуха с дымовыми газами подается в зону сушки с мягким режимом, а горячий воздух подается в зону сушки с жестким режимом. На разработанных технологических линиях в отделении сушки и обжига для отбора их отработанных газов используется общая дымовая труба с высотой по расчету. В сезоне при относительной влажности окружающего воздуха около 95—100%, небольшая часть дымовых газов печи сбрасывается в специальный канал, который соединяется с дымовой трубой.
При обследовании ряда заводов были обнаружены факты нарушения охраны окружающей среды. Концентрации СО, СО2, SO2 воздуха окружающей среды превышали допустимые нормы по Вьетнамскому стандарту «Нормы окружающего воздуха в промышленной зоне» . Для решения этой проблемы были разработаны системы очистки дымовых газов туннельной печи.
Отработанные дымовые газы после камеры отбора подаются по стальному трубопроводу в камеру первичной механической пылеочистки, а затем в камеру химической очистки раствором извести. Количество раствора извести для нейтрализации SO2 определяется расчетом в зависимости от времени года. В проекте для завода мощностью 25 млн шт. усл. кирпича вьетнамского формата дымовая труба строится из железобетона с кирпичной кладкой, внутренний диаметр которой у основания 2250 мм, у выхода трубы — 1500 мм, высота трубы 25 м.
При расчете для завода объединения «Кау Дуонг» при производительности линии 3100 шт. усл. кирпича в час, количество отходящих дымовых газов печи составляет 28,2 тыс. м3/ч при температуре 100оС, а количество отработанных газов из сушилки составляет 20,9 тыс. м3/ч при температуре 45оС. По расчету количество СО2, SO2, максимально допустимое для выброса в окружающую среду составляет соответственно 603 и 5,7 м3. Количество СО2, SO2, содержащеся в дымовых газах в нормальных условиях соответственно составляет 1184,5 и 17,6 кг/ч. Для нейтрализации этих количеств газов необходимо 18,5 м3/ч раствора извести с концентрацией 10% (количество СаО по расчету 1523 кг/ч). Первая построенная система очистки дымовых газов была сдана в эксплуатацию в 1996 г. Опыты эксплуатации этой системы показывают, что концентрации СО, СО2, SO2 воздуха окружающей среды ниже допустимых норм. Производительность печи увеличилась на 8—10%. Расход условного топлива составляет 110 кг на 1000 шт. условного кирпича, экономия топлива на линии после реконструкции составляет 10—15 кг условного топлива на 1000 шт. усл. кирпича. Выход продукции категории А 97—98%.
Система очистки дымовых газов туннельной печи дает высокую экономическую и экологическую эффективность. В настоящее время эта система внедряется на многих действующих кирпичных заводах во Вьетнаме.
За последние 15 лет (1990—2005 гг.) во Вьетнаме было построено больше 250 керамических заводов мощностью 30, 20, 15, 10—12 и 5—7 млн шт. усл. кирпича вьетнамского формата в год. В отличие от первых построенных линий, при проектировании новых технологических линий применяются новейшие национальные достижения научно-исследовательских работ по переработке сырьевых смесей, используется естественная сушка. В этих проектах почти все технологическое оборудование отечественное. В 2005 г. из объема 10,94 млрд шт. условного кирпича стеновых изделий, керамический кирпич составлял больше 96%.
Список литературы
- Бак Динь Тхиен. Современная технология строительной керамики // Сб. материалов совместного международного симпозиума «Научные достижения в исследованиях о новых современных строительных материалах». Ханой, 2006. С. 39—45.
- Bach Dinh Thien, Bui Van Boi, Hoang Vinh Long, Stark J. Research and development of ceramic glued tiles for external decoration of buildings using tightly-fusible clays // NOCMAT/3 — «Vietnam International Conference Non-Conventional Materials and Technologies». 12—13 March 2002. Hanoi, Vietnam. P. 280-286.
- Бурлаков Г.С., Бак Динь Тхиен., Баландина В.В. Крупноразмерные стеновые блоки из легкого бетона на обжиговой связке с использованием производственных отходов // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1984. № 1. С. 79-83.
- Бак Динь Тхиен, Баженов Ю.М. Определение производительности технологических переделов на заводах керамических стеновых материалов с естественной сушкой сырых кирпичей // Сб. материалов 3-й международной (VIII традиционной) научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и докторантов «Строительство — формирование среды жизнедеятельности». Москва, 25-26 мая 2005 г. C. 191-193.
Строительные материалы как системы
А.М. ДАНИЛОВ, д-р техн. наук, советник РААСН,
Е.В. КОРОЛЕВ, д-р техн. наук, советник РААСН,
И.А. ГАРЬКИНА, канд. техн. наук, Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
В последнее время в связи с недостаточностью традиционных подходов формируется системология [1] как новая методология научных исследований.
В данной работе предлагается новый подход к созданию строительных материалов как систем с использованием методов системного анализа.
Системология состоит из четырех разделов. Каждый из них имеет характер самостоятельной научной дисциплины и содержит разработку системного, синергетического, информационного и гомеостатического подхода к исследованию систем соответственно.
В системном подходе предполагается: целостное видение сложного объекта (явления, процесса); наличие доминирующей роли целого над частным, сложного над простым; невозможность познания главных свойств системы на уровне изучения только характеристик ее элементов (свойства системы не сводятся к сумме свойств ее элементов); количество свойств системы больше, чем сумма свойств элементов, отношения между элементами порождают новое особое качество целостности — интегративное; исследование свойств, структуры и функции объектов (явлений, процессов) в целом как систем.
Здесь под системой (рис. 1) понимается совокупность элементов, соединенных отношениями, порождающими интегративное качество. При отсутствии интегративного качества сложный объект не является системой.
Рис. 1. Характерные признаки системы
С точки зрения синергетического подхода порядок и хаос взаимосвязаны и порождают друг друга; наряду с детерминизмом неотъемлемыми свойствами природы и общества являются неопределенность и случайность; хаос не только полная дезорганизация и разрушение структуры (процесса или явления), но и потенциальный источник нового развития более сложной и высокоорганизованной системы.
В информационном подходе информация рассматривается как мера порядка, противостоящего хаосу; мера сложности системы; характеристика внутреннего разнообразия системы; мера вероятностного выбора одной из возможных траекторий развития.
Синергетический и информационный подходы фактически являются развитием системного подхода.
В основе гомеостатического подхода лежат системный подход к гармонии и дисгармонии сложных систем и определение механизмов управления системами для поддержания в допустимых пределах жизненно важных параметров (поддержание путем управления интегративными параметрами системы в допустимых пределах и, следовательно, сохранение системы — гомеостаз системы).
При этом предполагается двойственность мира: устойчивая гомеостатическая система состоит из балансирующих объединенных между собой противоположностей. Нарушение двойственности приводит к потере устойчивости системы. Сохранение основных определяющих систему параметров поддерживает существование системы и определяет ее гомеостаз. Наличие изоморфизма структур систем дает возможность переноса и распространения результатов исследований с одной гомеостатической системы в другую. Интегративное качество системы сохраняется, пока значение системообразующего параметра не выходит за пределы заданной области, а при выходе за пределы области частичного гомеостаза ведет к переходу системы в новое качественное состояние без разрушения системы. Системный, общий гомеостаз обеспечивает сохранение интегративного качества, а частный — конкретной компоненты. При приближении интегративных параметров системы к предельно допустимым наступает системный кризис — система вступает в зону бифуркации.
Очевидно, строительные материалы являются системами, так как обладают соответствующими системными атрибутами (рис. 2). Легко обнаруживаются присущие при системном подходе к изучению строительных материалов внутренняя противоречивость и парадоксальность.
Рис. 2. Строительный материал как система
Парадокс целостности: познание строительного материала как целостности невозможно без анализа ее частей.
Возможны два способа декомпозиции (разбиения) целостной системы «строительный материал».
- После разбиения целостной системы получаются элементы (части), которые не несут на себе целостных свойств исходной системы. Так, при разработке бетона (системы) естественным представляется разбиение системы на отдельные входящие в него компоненты. Однако такое представление бетона не позволяет с необходимой достоверностью предсказать его свойства на основе изучения свойств компонентов (элементов). Такая декомпозиция практической ценности не имеет. В известной мере это справедливо и для декомпозиции материала по масштабному структурному признаку (макро- и микроструктура в полиструктурной теории).
- Выделяются такие части (элементарные образования), которые в специфической форме сохраняют целостные свойства исследуемого материала (условно это называется «целостным» разбиением). Так, в качестве элементарного образования служит образец материала, свойства которого определяются как свойствами составляющих компонентов, так и присущих материалу (системе) интегративными свойствами.
Без целостного системного подхода невозможно изучение материала с целью прогноза возможности его практической эксплуатации.
Парадокс целостности состоит в том, что целостное описание строительного материала возможно лишь при «целостном» его разбиении на части (при описании как некоторой целостности). Однако даже интегративное свойство системы на качественном уровне может изучаться по существу вне системы. Так, смачиваемость поверхности заполнителя вяжущим может быть определена в отдельном эксперименте. При этом полученные результаты могут служить лишь качественным описанием процесса структурообразования и не позволяют осуществить целостное описание системы. Используемый элемент декомпозиции не позволяет последующее агрегирование системы.
Выделяются четыре вида свойств системы:
- Целостное свойство материала: свойство принадлежит материалу в целом, но не принадлежит составным элементам. Например, прочность, эксплуатационная стойкость, определяющие строительные композиты, не принадлежат ее отдельным элементам.
- Нецелостное свойство материала: свойство принадлежит составным элементам, но не принадлежит системе в целом. Так, компоненты композита обладают свойствами, которыми материал не обладает. Например, цемент (элемент) как минеральное вяжущее имеет определенную дисперсность. В бетоне (системе) цемент образует цементный камень, равномерно распределенный в объеме композита.
- Целостно-нецелостное свойство материала: свойство принадлежит как системе в целом, так и его составным элементам. Так, прочность и деформативность бетона (системы) зависят от прочности и деформатив-ности заполнителя (элемента).
- «Небытийное» свойство: свойство не принадлежит ни системе в целом, ни его элементам. Так, снег можно использовать в качестве строительного материала в условиях низких температур. Однако невозможно его применение в условиях повышенных температур, то есть как элементы (снег), так и сама система (строение) не обладают стойкостью (свойство) в эксплуатационной среде.
Таким образом, целостное разбиение материала возможно лишь при наличии целостно-нецелостного свойства материала как системы.
Изучая только свойства компонентов как подсистем (при декомпозиции) нельзя судить о свойствах системы в целом.
При определении строительного материала как системы предполагается наличие целостного, интегративного свойства системы.
Отличительной особенностью композиционных материалов от механической смеси компонентов является наличие границы раздела фаз, определяющей интенсивность процессов структурообразования и свойства материала (системы). На границе раздела фаз формируется контактный слой, обеспечивающий сцепление компонентов — адгезионную прочность — новое интегративное свойство, которым не обладают входящие в систему элементы и свойства материала. Объединение компонентов приводит к образованию на границе раздела фаз слоев с измененными свойствами, оказывающими влияние на формирование свойств системы, отличных от характеристик компонентов, например твердение цемента в большом объеме отличается от твердения в тонких слоях на границе раздела фаз.
Как видим, при изучении строительных материалов налицо наличие парадокса целостности. С одной стороны, оценку и анализ строительных материалов можно производить лишь на основе рассмотрения материала как целостной и единой системы; с другой — изучение материала невозможно без анализа ее частей. Именно поэтому исследования структуры и свойств материала должны осуществляться и на основе изготовления опытных образцов с изучением межэлементных связей при сохранении целостности системы, например так изучаются кинетические процессы формирования физико-механических характеристик материала.
Парадокс иерархичности: описание строительного материала как системы возможно только при наличии его описания как элемента надсистемы (более широкой системы) и обратно, описание строительного материала как элемента надсистемы возможно только при наличии описания системы «строительные материалы». Характеристика надсистем для системы «строительные материалы» приводится на рис. 3. В частности, для строительных материалов, пригодных для использования в заданных условиях эксплуатации, надсистемой является система «строительные материалы».
Рис. 3. Надсистемы для системы «строительные материалы»
Выделение приоритетов и оптимизация основных параметров строительных материалов осуществляется на основе междисциплинарных исследований и интеграции различных знаний для изучения отдельных аспектов.
Качество строительных материалов оценивается с учетом их места как элемента в иерархической структуре целостной надсистемы.
В соответствии с так называемым организмическим принципом критерий качества подсистемы должен быть частью общего критерия качества системы, определяемого ее интегративными свойствами.
Выделение систем при изучении строительных материалов можно осуществить путем расчленения сложных явлений, процессов на множество составных элементов (систем различной природы). Между ними выявляются системообразующие межэлементные связи и отношения, придающие целостность.
Возможен и другой способ выделения системы — это представление не всего исследуемого объекта, явления или процесса как системы, а только его отдельных сторон, аспектов, граней, разрезов, являющихся существенными для исследуемой проблемы. Здесь каждая система в одном и том же объекте (строительный материал) выражает лишь определенную грань его сущности. Такое применение понятия системы позволяет досконально и цельно изучать разные аспекты или грани единого объекта, например поверхностные явления — смачиваемость, капиллярные процесссы и др.
Во многих случаях целостность системы подразумевает, что изменение любого элемента системы оказывает воздействие на другие ее элементы и ведет к изменению всей системы, поэтому часто невозможно разложить строительный материал как целостную систему на отдельные компоненты без потерь ее интегративных свойств.
В качестве примера приведем результаты разработки иерархической структуры критериев качества радиационно-защитного композита (рис. 4). На верхнем (первом) уровне находятся следующие основные критерии: полезность системы (выходные характеристики материала, важность, актуальность, перспективность); качество функционирования (помехозащищенность, точность, надежность, чувствительность, качество управления); организация системы (совершенство структуры, сложность и т. д.); эволюционная эффективность (осуществимость, ресурсы, возможности модификаций и др.).
Рис. 4. Иерархическая структура критериев качества радиационно-защитного композита
Декомпозиция системы в рамках этой иерархии продолжается до тех пор, пока на нижнем уровне не будут получены элементы, принадлежащие разработанным типам или сформулированы технические задачи создания необходимых элементов.
При применении каждого критерия в отдельных задачах, возникающих на рассматриваемом этапе разработки материала, определяются характеризующие его количественные показатели, единицы и способы измерения (расчетные, экспериментальные или экспертные оценки), альтернативой которым, естественно, будут лишь бездоказательные суждения о качестве системы. Зависимости между критериями выявляются методами факторного анализа, математической статистики и др. и представляют собой эмпирические закономерности или получаются на основе процедур оценки гипотез и взвешивания факторов.
В соответствии с введенной иерархией критериев и выделенными комплексами решаемых частных задач строится иерархическая структура материала (системы) с оценками ее элементов. Она и служит основой перспективного планирования всего комплекса разработок и отдельных систем. Определяются ее части для уровней микро-, мезо- и макроструктуры применительно к композитам специального назначения.
На примере синтеза материала на основе серы с классификацией рецептурно-технологических факторов изучалась роль ингредиентов в формировании интегративных, системообразующих свойств материала как системы. Был осуществлен отбор ингредиентов для последующего определения рецептурно-технологических параметров с подтверждением эффективности и перспективности использования системного подхода при разработке композитов специального назначения.
Литература
- Прангишвили И.В. Системный подход и общесистемные закономерности. Москва: СИНТЕГ. 2000. 528 с.
Радиационное загрязнение древесины
Н.П. ЛУКУТЦОВА, д-р техн. наук, С.В. ВАСЮНИНА, инженер, Брянская государственная инженерно-технологическая академия
26 апреля 2006 г. исполнилось 20 лет чернобыльской трагедии, в результате которой в воздух было выброшено более 8,5 Мт радионуклидов.
Брянская область является наиболее пострадавшим регионом в России. Общая площадь лесного фонда Брянской области, загрязненного радионуклидами, составила 369,1 тыс. га из 1153,9 тыс. га лесов области, что составляет 32% от общей площади.
После распада короткоживущих изотопов основную роль в загрязнении территорий играют долгоживущие радионуклиды стронций-90 (период полураспада 29,1 лет) и цезий-137 (период полураспада 30 лет).
В общем радиационном фоне доля цезия-137 существенна и составляет 80%, далее следует стронций-90 — 19,8%. На остальные техногенные радионуклиды приходится 0,2%.
Радиоактивные изотопы стронция-90 и цезия-137, которые являются аналогами кальция и калия, отличаются высокой биологической подвижностью. При внекорневом пути поступления питательных веществ в древесные растения наиболее подвижен цезий-137, значительная часть которого довольно быстро переходит в органы и ткани растений. Внекорневое поступление стронция-90 происходит медленнее.
Поглощение и передвижение радионуклидов из почвы в надземные части древесных растений существенно различны. Наиболее подвижным, сравнительно легко поступающим из почвы по корневому пути в древесные растения является стронций-90; цезий-137 сорбируется почвами сильнее, чем стронций-90, и поэтому переходит в древесные растения в относительно меньших количествах.
Загрязнение древесины после аварии на Чернобыльской АЭС вызвало необходимость разработки допустимых уровней содержания цезия-137 и стронция-90 в продукции лесного хозяйства и установление области применения древесного сырья.
В зависимости от зоны загрязнения в соответствии с ГОСТ Р 50801—95 «Древесное сырье, материалы, полуфабрикаты, изделия из древесины и древесных материалов. Допустимая удельная активность радионуклидов, отбор проб и методы измерения удельной активности радионуклидов» и ГН 2.6.1670—97 «Допустимые уровни содержания цезия-137 и стронция-90 в продуктах лесного хозяйства» определены следующие области использования древесины.
Древесина из лесов зоны I с плотностью загрязнения до 15 Ки/км2 может применяться для строительных целей без всяких ограничений и не представляет опасности при ее переработке и использовании.
Древесина из лесов зоны II с плотностью загрязнения от 15 до 40 Ки/км2 может применяться в окоренном виде. При этом заготовка разрешается при наличии снежного покрова и оставления коры на лесосеке.
Использование древесины из зоны III при плотности радиационного загрязнения свыше 40 Ки/км2 не допускается.
СП 2.6.1.759—99 «Допустимые уровни содержания цезия-137 и стронция-90 в продукции лесного хозяйства» устанавливают допустимые значения удельной активности цезия-137 менее 370 Бк/кг, а стронция-90 — 5200 Бк/кг в древесине для строительства жилых помещений и домов, для изготовления бруса и бревен, досок половых и потолочных, балок, стропил и перекрытий, дверных и оконных рам и др.
Исследования, выполненные в первые годы после аварии на Чернобыльской АЭС и на протяжении последних пяти лет, подтвердили, что основными факторами накопления цезия-137 и стронция-90 в древесине являются плотность загрязнения, видовая принадлежность и условия произрастания деревьев, биологическая доступность радионуклидов.
Определение содержания цезия-137 выполнялось на гамма-спектрометрическом комплексе с полупроводниковым детектором типа ДГДК-80 в стальной защите. Собственный фон детектора в диапазоне энергий 100—3000 кэВ составлял 5,8 с-1. Энергетическое разрешение спектрометра — 2,5 кэВ при Еу = 1,332 МэВ (60Со). Программное обеспечение комплекса позволяет выделять гамма-линии в аппаратурном спектре, производить их идентификацию, расчет удельных активностей проб, определение погрешностей.
Проведенные исследования накопления радионуклидов различными породами деревьев и различными частями показали, что в среднем в одних и тех же зонах радиоактивного загрязнения мелкие ветви, листва и кора более загрязнены цезием-137, чем древесина без коры (табл. 1).
Таблица 1
Порода |
Среднее значение удельной активности цезия-137 (Бк/кг) в древесине в зоне с плотностью загрязнения почвы до 5 Ки/км2 |
|||
древесина без коры |
кора |
мелкие ветви |
листья |
|
Береза |
170 |
930 |
390 |
145 |
Дуб |
100 |
565 |
60 |
60 |
При переработке древесины необходимо учитывать, что более высокую удельную активность имеют растущие органы: листья, хвоя и побеги текущего года, а также кора (см. рисунок).
Цезий-137. Бк/кг
Плотность загрязнения, Ки/км2
Зависимость содержания цезия-137 в коре (1, 2, 3), ветках (4) и хвое (5) различных пород в зависимости от плотности загрязнения почвы: 1, 5 — сосна; 2 — дуб; 3, 4 — береза
Хвойные породы (сосна, ель) менее загрязнены цезием-137, чем лиственные (береза, осина) (табл. 2).
Таблица 2
Порода |
Удельная активность цезия-137 (Бк/кг) в древесине в зоне с плотностью загрязнения почвы от 5 до 15 Ки/км2 |
|||
древесина без коры |
кора |
мелкие ветви |
хвоя, листья |
|
Сосна |
37 |
74 |
185-1776 |
148 |
Береза |
183 |
1314 |
1920-2316 |
2014 |
Установлено, что во всех частях ствола березы концентрация цезия-137 возрастает пропорционально плотности загрязнения почвы, что у других пород выражено значительно слабее.
По степени накопления цезия-137 в древесине различных пород деревьев установлен ряд: береза, осина, дуб, ель, сосна. Это связано со строением клеток лиственных и хвойных пород.
Хвойные породы имеют более мелкие, с плотной оболочкой клетки, в которых миграция цезия-137 происходит медленнее, чем в крупных с тонкими оболочками лиственных пород. Это способствует более интенсивному накоплению цезия-137.
При переработке древесины необходимо учитывать, что более высокую удельную активность цезия-137 имеют растущие части дерева, а также первые два наружных слоя, толщиной в один сантиметр каждый, прилегающих к коре. Удаление этой части древесного ствола позволит снизить загрязнение цезием-137 пилопродукции на 90—100%.
Кроме того, на содержание радионуклидов в древесине оказывает влияние такой фактор, как ее возраст.
Древесина молодых деревьев накапливает радионуклиды в значительно большей степени, чем древесина спелых и перестойных насаждений в одних и тех же условиях произрастания [1].
Анализ динамики накопления цезия-137 в древесине обнаружил крайне негативные тенденции, которые существенно ограничивают возможности ее переработки по причине все более глубокого проникновения соединений цезия в глубь древесных стволов. Исходя из расчетов экономически обоснованную заготовку древесины на территориях с плотностью радиационного загрязнения 15—40 Ки/км2 и более можно будет производить только до 2010 г., после чего древесина станет практически непригодна к использованию и будет подлежать полному захоронению.
В условиях рыночной экономики обеспечение лесоперерабатывающей промышленности Брянской области сырьем и лесоматериалами за счет собственных лесосырьевых ресурсов без их истощения становится актуальной проблемой. В решении этой задачи важную роль должно сыграть кроме рационального использования древесины, заготовленной в загрязненных радионуклидами районах, разработка способов снижения содержания цезия-137 в продукции строительного назначения.
Литература
- Самошкин Е.Н., Глазун И.Н., Алешин И.В., Цимбалист М.А. Удельная активность, особенности накопления и перехода 137Cs в компоненты древесных лесных растений зоны отчуждения ЧАЭС (территория Брянской области) // Чернобыль — 20 лет спустя. Социально-экономические проблемы и перспективы развития пострадавших территорий. Материалы междунар. научн.-практ. конф. Брянск. 7—8 декабря 2005 г. С. 105-108.
Волновой характер деформирования материала
П.Г. КОМОХОВ, д-р техн. наук, академик РААСН, Ю.А. БЕЛЕНЦОВ, канд. техн. наук, Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения
Характер разрушения композиционных материалов определяется его внутренней структурой и текстурой. Структура материала — результат протекания двух противоположно направленных процессов — формирования (самоорганизации) и разрушения. Внешняя энергия, приложенная к образцу, затрачивается на изменение положения структурных элементов, растяжение или сжатие внутренних связей, развитие дефектов и нарушение сплошности структуры материала, что, в свою очередь, приводит к его разрушению. Изучение характера деформирования и разрушения позволяет выделить несколько общих характерных черт:
- характер разрушения зависит от скорости приложения нагрузки и возраста материала;
- структура материала характеризуется параметрами регулярности и дефектности, определяющими взаимодействие структурных элементов;
- материал включает структурные элементы различных геометрических размеров и уровня значимости;
- в процессе деформирования в зависимости от основных характеристик проявляются упругие, пластические или вязкие свойства и деформации ползучести.
Процессы деформирования, трещинообразования и разрушения протекают неравномерно во всем объеме материала. При этом трещины обычно распространяются по направлению действия растягивающих, сдвигающих и скручивающих напряжений.
Неоднородность во времени и в объеме процесса деформирования и разрушения материалов можно объяснить, предположив, что перемещение деформаций структурных элементов при приложении нагрузки соответствует движению волны деформаций — смещению фронта развития и передачи деформаций между структурными элементами разного уровня. Схематично это можно представить как передачу внутренних усилий между соседними структурными элементами, как представлено на рис. 1. Для упрощения на схеме структурные элементы моделируются сферическими, а связи представлены упругими элементами.
Рис. 1. Схема взаимодействия структурных элементов при продвижении волны деформаций
Учет временного фактора приводит к тому, что волна деформаций распространяется с конечной скоростью, равной приблизительно 2/3—1 скорости звука. В волне деформации движутся со скоростью, сопоставимой со скоростью звука в данном материале [1].
Учет волнового характера развития деформаций в материале позволяет увязать этот процесс с характером трещинообразования в материале и во многом объясняет сложность данного процесса. Трещины в зависимости от скорости деформирования и уровня действующих усилий могут медленно затухать или лавинообразно продвигаться. А.В. Саталкин считал, что деформации ползучести и пластические имеют схожий механизм проявления [2]. Сложен и вопрос проявления длительного упругого последействия в материалах, например в бетоне [3].
Объяснить это возможно тем, что достижение первичной волной деформирования границы материала приводит к ее отражению с изменением направления продвижения. Схема движения волны деформаций в образце кубической формы представлена на рис. 2. Необходимо выделить первичную волну и отраженные волны, продвижение которых и будет обусловливать развитие длительных, хотя и затухающих, деформаций ползучести, что обусловливается потерей энергии за счет внутреннего трения и развития дефектов. Разрушение материала прекращает процесс деформирования за счет нарушения сплошности структуры при образовании магистральных трещин.
Рис. 2. Схемы продвижения волн деформирования
На схеме, приведенной на рис. 2. видно, что волны деформирования двигаются непрерывно, это обусловливает развитие длительных упругих деформаций последействия, ползучести и т. п. Фронт волны, достигнув границы материала, отражается и изменяет свое направление. Отражение волн в разных точках объема приводит к временному отставанию даже вторичных волн, рождающихся в разных точках. Подобный процесс приводит к формированию протяженных опасных зон, в которых встречаются одновременно волны деформаций, что определяет места формирования магистральных трещин, приводящих к разрушению материала. Опасную зону для развития магистральных трещин представляет линия наиболее вероятной встречи отраженных волн деформаций, что будет определять схему разрушения материала. При этом существенное значение будет иметь форма образца, поскольку расположение границ влияет на протяженность и положение опасной зоны, а значит, на скорость продвижения трещин и характер разрушения материала.
Отраженные волны продвигаются в направлении, перпендикулярном линии первоначального приложения нагрузки, что вызывает поперечные растягивающие деформации в материале. При этом часть энергии теряется за счет рассеяния, развития дефектов и трещин, что объясняет меньшую предельной величину поперечных деформаций.
Часть энергии волны затрачивается на нарушение целостности структуры и развитие дефектов и трещин, а также на запасание энергии упругих деформаций. При накоплении дефектов до критического уровня происходит лавинообразное продвижение трещины, что приводит к разрушению материала. Суммарная энергия волн будет определять постепенно затухающее или лавинообразное развитие трещин, а значит, изменяя скорость продвижения волны в материале, можно регулировать его трещиностойкость, стремясь снизить количество волн, одновременно встречающихся в опасной зоне. Этого же, например, можно добиваться, меняя контуры конструкции, а также изменяя структуру и свойства материалов, вводя демпфирующие добавки.
Предположение о волновом характере деформирования связывает этот процесс с трещинообразованием в характерных зонах, а также с нарушением целостности структуры и объясняет его неравномерность во времени и в объеме материала.
Список литературы
- Филин А.П. Прикладная механика твердого деформируемого тела. Т. 1. М.: Наука. 1975. 828 с.
- Саталкин А.В., Сенченко Б.А. Раннее нагружение бетона и железобетона в мостостроении. М.: Автотрансиздат. 1956. 250 с.
- Гансен Г. Ползучесть и релаксация напряжений в бетоне. М.: Госстройиздат. 1963. 125 с.
Повышение трещиностойкости тонкослойных цементных покрытий
В.Ю. ШАНГИН, канд. техн. наук, Петербургский государственный университет путей сообщения
Широко используемые цементные смеси — штукатурные, гидроизоляционные, литые и самовыравнивающиеся в выравнивающих покрытиях имеют ряд отличительных особенностей. В этих покрытиях толщина слоя несоизмеримо мала по сравнению с площадью выравниваемой поверхности, высокоподвижные цементные смеси необходимо наносить тонкими слоями без специального механического уплотнения по пористому основанию — кирпичу, бетону, часто уже имеющему поверхностные трещины.
Известно, что цементный камень аккумулирует потенциальную энергию упругой деформации и в некоторый момент концентрация местных напряжений от усадки тонкослойной цементной композиции вызывает появление трещин. Энергия, которую высвобождает трещина, взаимосвязана с теплосодержанием компонентов или веществ, формирующих фазовое состояние материала. Согласно законам термодинамики для сложных многокомпонентных систем теплосодержание веществ, образующих искусственный камень, характеризуется молярным значением стандартной энтальпии образования соединения: -ДН0298, кДж/моль. Следовательно, при прочих равных условиях вводимые в композицию неорганические вещества как фазы различной физико-химической природы должны влиять на механические свойства цементного камня в тонкослойном покрытии, а величина параметра теплосодержания -ДН°298 вводимой фазы должна отражать закономерности этого влияния. Для проверки изложенной гипотезы были проведены настоящие исследования применительно к тонкослойным цементным покрытиям.
На трещиностойкость цементных композиционных материалов оказывают определяющее влияние два параметра: прочность при растяжении (ор) и усадка (е) композита. Свойства тонкослойных цементных покрытий толщиной от 5 до 15 мм являются малоизученными, поскольку стандартные методы испытания растворов не позволяют моделировать работу цементного камня в тонком слое. Приведенные ниже результаты получены по методике экспериментальных исследований тонкослойных цементных композиций [1], основанной на способе определения трещиностойкости, изложенном в [2], и параллельно подтверждены стандартными испытаниями, показавшими корреляционную взаимосвязь изучаемых параметров ор и е с одними и теми же факторами.
Суть методологии испытания заключалась в том, что образец-кольцо из тонкого слоя раствора толщиной 10 мм подвергался растягивающим напряжениям до разрушения, которые создаются нагнетанием воздуха в сферическую камеру, помещенную внутри кольца. Причем до испытания данного образца-кольца производились замеры его наружного диаметра для определения кинетики усадки материала. Важно обратить внимание на то, что при таком способе испытания величины прочности при растяжении и относительной деформации усадки определяются на одном и том же образце, что позволяет свести к минимуму погрешность измерений. При прочих равных условиях определяющим признаком при изготовлении образцов является равная подвижность укладываемой смеси при расплыве 25 см по вискозиметру Суттардта. Испытания по определению прочности при растяжении проводились на образцах в возрасте 14 сут. Такой возраст образцов был принят по результатам натурных исследований, которые показали, что риск появления усадочных трещин на поверхности штукатурного слоя наиболее вероятен в течение двух недель после укладки раствора. Также проводились исследования по водопоглощению (W) этих же образцов, поскольку этот параметр характеризует структуру композиционного материала.
Результаты испытаний тонкослойных цементных покрытий при введении оксидов CuO, PbO, NiO, PbO2, MnO2 и Fe2O3 в количестве 0,5% от массы портландцемента М 500 Д° ОАО «Осколцемент» приведены на рис. 1, 2 и 3; на рис. 4 показана гистограмма водотвердых отношений укладываемых растворов.
-∧Н0298кДж/моль |
-∧Н0298кДж/моль |
-∧Н0298кДж/моль |
Рис. 1. Зависимость прочности при растяжении от величины -∧Н0298 введенных оксидов; К — контрольный образец | Рис. 2. Зависимость относительной усадки от величины -∧Н0298 введенных оксидов; К -контрольный образец | Рис. 3. Зависимость водопоглощения от величины -∧Н0298 введенных оксидов; К — контрольный образец |
Оказалось, что введение в композицию оксидов обеспечивает рост прочности при растяжении, снижение усадки и водопоглощения тонкослойной цементной композиции по мере снижения теплосодержания вводимых фаз при изменении значения параметра -AH°298 от 240 до 823 кДж/моль. Максимальный прирост прочности 142% получен при введении оксида Fe2O3 (рис. 1). При этом величины усадки и водопоглощения имеют минимальные значения (рис. 2 и 3). Следует отметить, что введение оксидов вызвало увеличение водотвердых отношений по сравнению с контрольным значением (рис. 4).
Рис. 4. Гистограмма водотвердых отношений при введении оксидов: 1 — Fe2O3; 2 — МПО2; 3 — PbO2; 4 — NiO; 5 — PbO; 6— CuO; 7— контрольный образец
Поскольку для массивных бетонных конструкций характеристиками трещиностойкости являются соотношения прочности при изгибе к сжатию и прочности при растяжении к усадке, по аналогии для тонкослойных цементных композиций были подсчитаны соотношения прочности при растяжении к сжатию (К3) и прочности при растяжении к усадке (К2), которые приведены в табл. 1. При этом параметр К1=σр/σсж является условным коэффициентом, безразмерной величиной отношения значений прочности, а параметр К2=σр/ε — характеристикой трещиностойкости.
Таблица 1
Добавка |
К1 = σр/σсж |
К2 = σр/ε, ГПа |
Нет (контрольный образец Пц 500 Д0) |
0,033 |
0,536 |
0,5% CuO |
0,029 |
0,413 |
0,5% PbO |
0,032 |
0,489 |
0,5% NiO |
0,037 |
0,61 |
0,5% PbO2 |
0,038 |
0,637 |
0,5% MnO2 |
0,043 |
0,763 |
0,5% Fe2O3 |
0,046 |
0,84 |
Улучшили параметры σр, ε и W, а также характеристики трещиностойкости тонкого слоя композиции: К и К2 (табл. 1) следующие вводимые оксиды: NiO, PbO2, MnO2, Fe2O3.
Результаты дериватографического анализа при введении Fe2O3 (значение параметра теплосодержания —ЛН°298 максимально в рассматриваемой группе веществ) в возрасте образцов 1 год приведены табл. 2.
Таблица 2
Добавка |
Эффекты на дериватограммах, °С |
Потеря H2O, мг |
Общая потеря H2O, мг |
Гелевая H2O, мг |
ор, МПа |
||||
130-137 |
310-320 |
495-515 |
800-815 |
850-865 |
|||||
Нет (контрольный образец) |
38 |
4 |
10 |
18 |
3 |
73 |
80 |
7 |
1,63 |
0,5% Fe2O3 |
50 |
5 |
16 |
20 |
4 |
95 |
103,4 |
8,4 |
2,31 |
Полученные методом ДТА результаты показали увеличение химически связанной воды при введении Fe2O3 по сравнению с контрольным значением. Результаты рентгенофазового анализа также подтвердили положительное влияние Fe2O3: степень гидролиза C3S и количество Ca(OH)2 увеличилось по сравнению с контрольным образцом.
Таким образом, на примере оксида Fe2O3 показано, что введение оксидов металлов, у которых величина ДН°298 > 240 кДж/моль, способно повысить характеристики трещиностойкости тонкослойных цементных покрытий (табл. 2) по параметрам К до 39,4% и К2 до 56,7%.
Следует сказать, что быстрый набор прочности является необходимым техническим свойством многих строительных растворов, например это важно в том случае, когда раствор высокой подвижности используется для выравнивания поверхности пола. Однако практически все известные в технологии бетона добавки-ускорители увеличивают усадку и снижают трещиностойкость бетонов. С использованием описанного выше метода было установлено, что такая же тенденция сохраняется для тонкослойных цементных композиций. Использование хлоридов CuCl2, CoCl2, ZnCl2, MnCl2 и CaCl2 в количестве 0,5% от массы цемента снижает прочность при растяжении тонкослойного камня до 36%, увеличивает усадку до 40%, водопоглощение — до 14% и повышает водотвердое соотношение. Параметр К1 уменьшается при использовании хлорида кальция в тонкослойной цементной композиции на 36%, а параметр К2 — на 54%. Использование же в качестве добавки Fe2O3 позволяет получить выравнивающие покрытия с высокой ранней прочностью и повышенной трещиностойкостью.
Список литературы
- Сватовская Л.Б., Шангин В.Ю., Шангина Н.Н. и др. Особенности получения и свойства композиционных неорганических покрытий на цементной основе. СПб.: Петербургский гос. ун-т путей сообщения. 2005. 98 с.
- Шангин В.Ю., Громов Н.А., Гогишвили Г.Б. Способ определения трещиностойкости строительного материала. Патент 2242740 РФ // Бюл. № 35. 2004. С. 775.
Новые возможности ускорения процесса получения жидкого стекла при атмосферном давлении
А.А. ВИШНЕВСКИЙ, инженер, Уральский государственный технический университет — УПИ (Екатеринбург)
Основным способом получения жидкого стекла является растворение стекловидных щелочных силикатов (силикат-глыбы). Чаще всего растворение осуществляется в автоклавах различного типа при Т=130—150оС и давлении до 1 МПа [1]. Альтернативой традиционному автоклавному способу получения жидкого стекла является растворение силиката при атмосферном давлении. Главное преимущество безавтоклавных способов — это исключение из схемы автоклава, благодаря чему упрощается технология, повышается уровень безопасности, отпадает необходимость подачи пара, снижаются энергетические и капитальные затраты. Основной недостаток — низкая скорость растворения силиката по сравнению с автоклавным производством.
В настоящее время накоплен обширный опыт по интенсификации растворения твердых тел при атмосферном давлении: применение механоактивации растворяемого вещества, увеличение скорости обтекания твердой фазы жидкостью, применение катализаторов и др. [2, 3]. Однако сведений об использовании этих достижений при безавтоклавном производстве жидкого стекла в литературе не приводится.
Изучена возможность ускорения процесса растворения щелочных силикатов при атмосферном давлении за счет их предварительной механической активации. Механическая обработка осуществлялась в вибрационной мельнице. Сравнительный анализ мелющих установок показал, что данный аппарат может рассматриваться как надежный диспергатор и эффективный активатор щелочных силикатов [4]. В эксперименте использовался натриевый силикат (силикат-глыба) с кремнеземистым модулем 3,27 и исходным размером зерен 3—5 мм. Растворение проводили в лабораторной мешалке при Т = 90оС.
Исследования показали, что полнота растворения возрастает с увеличением продолжительности обработки силиката и достигает максимума для продукта, измельчавшегося в течение 80—100 мин (см. таблицу). При этом получается более плотный раствор и количество непрореагировавшей силикатглыбы минимально. Силикат, измельченный в течение 100 мин, удается растворить практически полностью за 30 мин.
Продолжительность измельчения силикат-глыбы в вибромельнице, мин |
Параметры жидкого стекла |
Количество непрореагировавшего силиката, мас. % |
|
плотность, г/см3 |
вязкость, сПз |
||
20 |
1,415 |
197 |
21 |
40 |
1,438 |
592 |
11 |
60 |
1,449 |
776 |
5 |
80 |
1,455 |
962 |
2 |
100 |
1,456 |
1000 |
0,3 |
120 |
1,452 |
900 |
1,1 |
Повышение растворимости можно было бы объяснить повышением дисперсности частиц силиката, которое должно происходить с увеличением продолжительности механической обработки. Однако исследования показали, что существенный рост удельной поверхности (по БЭТ) в процессе виброизмельчения щелочных силикатов заканчивается к 20 мин (см. рисунок). После 40 мин обработки имеет место снижение ее величины, что связано с агрегацией частиц. Следовательно, повышение растворимости силиката не может объясняться только изменением размера частиц.
Изменение избыточной энтальпии (АН), удельной поверхности (Sw), количества непрореагировавшего (Р) натриевого силиката с М = 3,27 в процессе виброизмельчения
Было зафиксировано, что в процессе измельчения происходит разуплотнение обрабатываемого вещества — за 80 мин плотность силиката снижается с 2,43 до 2,38 г/см3. Подобное разуплотнение вероятнее всего свидетельствует о формировании дефектов структуры. В данном случае дефектность структуры меняется за счет микротрещин, вакансий, дырок.
Для изучения структурных изменений образцы щелочного силиката исследовали методом инфракрасной спектроскопии и спектроскопии комбинационного рассеяния. Механическая обработка силиката приводит к значительным структурным нарушениям и влияет на ближний порядок стеклообразного силиката натрия. Нарушения структуры, происходящие в ходе обработки, заключаются в частичном разрушении и ослаблении связей Si—O—Si и Ме—О. При этом разрыв силоксановых связей приводит к деполимеризации анионного каркаса и увеличению количества немостиковых атомов кислорода. В частности, происходит замещение кремнекислородных тетраэдров с двумя немостиковыми атомами кислорода на тетраэдры SiO4 c четырьмя немостиковыми атомами кислорода. Также разрыв мостика Si—O—Si приводит к появлению анионной вакансии. Компенсация возникшей вакансии может происходить за счет перегруппировки структуры, например перемещения иона-модификатора, или за счет частичного гидролиза.
Разрушение связи Na—O приводит к миграции щелочного иона по структуре стекла и образованию различных гидратных соединений.
Отмечено, что деструкция щелочных силикатов вызывает изменение его энергетического состояния. По данным ДТА, в ходе процесса измельчения силикат приобретает дополнительную энергию. Особенно интенсивно величина приобретенной энергии растет в первые 80 мин обработки, достигая 44 кДж/моль (см. рисунок). Далее она практически не меняется.
Таким образом, можно говорить о том, что деструкция обрабатываемого силиката приводит к повышению его внутренней энергии. Приобретенная энергия, как показывают литературные данные [5, 6], может реализоваться в так называемых эффектах последствия при последующем растворении активированного силиката и ускорить данный процесс.
В связи с этим появляется возможность по-новому интерпретировать результаты растворения щелочного силиката, приведенные выше. Повышение растворимости силиката в начальный период обработки можно объяснить как приростом удельной поверхности, так и вкладом приобретенной энергии. Однако после 20 мин измельчения поверхность перестает существенно увеличиваться за счет агрегации частиц, тогда как растворимость силиката продолжает оставаться высокой. В то же время в этот период происходит существенное повышение величины избыточной энтальпии. В связи с этим можно предположить, что у образцов, измельченных в течение 20—100 мин, растворимость повышается за счет энергии, приобретаемой на стадии активации, вследствие нарушения структуры обрабатываемого силиката. Что касается дальнейшего уменьшения растворимости силиката (более 120 мин обработки), то оно скорее всего связано со снижением эффективности механической обработки вследствие повышенной агрегации зерен.
Таким образом, обработка щелочных силикатов в вибромельнице приводит к повышению их растворимости. При этом растворимость силиката возрастает как за счет повышения дисперсности обрабатываемого силиката, так и за счет структурных нарушений. При этом, как показал эксперимент, последние оказывают более существенное влияние на растворимость силиката.
Предложен возможный механизм повышения растворимости щелочных силикатов в процессе их механической активации. Деструкция силиката заключается в ослаблении и разрушении его силоксановых связей. Ослабление связей приводит к снижению их энергии, следовательно, требуется меньше подводимой энергии в процессе активации для разрушения связей и перевода вещества в раствор. Разрушение силоксановых связей приводит к деполимеризации трехмерной сетки SiO2 и образованию менее полимеризованных кремнекислородных группировок. Благодаря этому снижается прочность кремнеземистого каркаса и процесс высвобождения мономерных и полимерных анионов идет интенсивнее. Кроме того, разрушение анионного каркаса приводит к частичному гидролизу силиката, что также интенсифицирует процесс его растворения.
Наконец, образование дефектов структуры (трещин, вакансий, дырок) будет ускорять миграцию щелочных ионов в раствор, а также движение молекул воды в фазу стекла.
Таким образом, предварительная механическая активация силиката в вибромельнице может рассматриваться как способ, позволяющий существенно интенсифицировать процесс растворения щелочного силиката при атмосферном давлении.
На основе изложенных выше принципов предложен новый способ безавтоклавного получения жидкого стекла [7]. По данному способу силикат подвергается предварительной механической активации в вибрационной мельнице в течение 60—120 мин с последующим растворением при температуре 90—100оС в виброреакторе. Последний представляет собой вибрационный массообменный аппарат, перемешивание в котором осуществляется за счет вертикальных возвратно поступательных перемещений двух перфорированных дисков. Продолжительность растворения силиката составляет 20—40 мин.
Данный способ лег в основу новой безавтоклавной технологии получения жидкого стекла [8]. Предложена конструкция нового виброреактора АВ-300, позволяющая получать за 1 цикл (20—40 мин) до 300 кг жидкого стекла различного вида, в том числе высокомодульного (М>3).
Жидкое стекло, полученное по разработанной технологии, по своей структуре и основным технологическим свойствам не отличается от продукта автоклавного растворения [9]. А при производстве сварочных материалов выявлены преимущества от использования данного стекла по сравнению с автоклавным аналогом [8].
Стекло, произведенное по предложенной технологии, успешно использовалось в производстве электродов различного назначения, лакокрасочных материалов, для модификации бетонов, пропитки деревянных конструкций, склеивания бумажных изделий, грануляции мелкодисперсных материалов. Во всех случаях конечный продукт удовлетворял всем предъявляемым требованиям.
Разработанная технология внедрена в условиях ЗАО «Завод сварочных материалов» (г. Березовский, Свердловская область).
Список литературы
- Корнеев В.И., Данилов В.В. Растворимое и жидкое стекло. СПб.: Стройиздат. 1996. 216 с.
- Аввакумов Е.Г. Механические методы активации химических процессов. Новосибирск: Наука. 1986. 305 с.
- Аксельруд Г.А., Молчанов А.Д. Растворение твердых веществ. М.: Химия. 1977. 272 с.
- Семериков И. С., Вишневский А.А, Татауров В.В. Изучение процесса измельчения щелочных силикатов. // Сб. научных трудов «Строительство и образование». Екатеринбург: УГТУ—УПИ, 2002. Вып. 5. С. 167-169.
- Молчанов В.И., Селезнева О.Г., Жирнов Е.Н. Активация минералов при измельчении. М.: Недра, 1988. 208 с.
- Осокин А.П., Сулименко Л.М. Механическая активация — перспективное направление в совершенствовании силикатных материалов // Труды научно -практической конференции «Наука и технология силикатных материалов — настоящее и будущее». М.: ЦПО «Информация и образование». 2003. Т. 1. С. 144-162.
- Вишневский А.А., Вишневский А.А., Балин А.Н. Способ получения жидкого стекла. Патент РФ № 2491011 С01 В 33/32 // Опубл. 10.12.2002. БИ. № С.
- Вишневский А.А, Вишневский А.А. Балин А.Н. Технология получения жидкого стекла для сварочного производства // Сварочное производство. 2005. № 2. С. 45-46.
- Вишневский А.А, Семериков И.С. Получение жидкого стекла по безавтоклавному способу // Стекло и керамика. 2004. №. С. 25-26.
Работа, старение и разрушение материалов ограждений мягких оболочек
А.М. СУЛЕЙМАНОВ, канд. техн. наук, Казанский государственный архитектурно-строительный университет
С момента широкого внедрения и бурного развития мягких оболочек пневматических и тентовых сооружений прошло более 50 лет. С тех пор значительно расширилась область применения мягких оболочек как строительных сооружений, накопился опыт эксплуатации, получила развитие теория расчета и формообразования, сформулированы требования и разработаны новые эффективные материалы ограждений. В настоящее время остаются малоизученными вопросы долговечности и прогнозирования срока службы этих материалов. Напряженно-деформированное состояние является условием существования мягких оболочек в ограждающих конструкциях и их расчет производится по главным растягивающим нагрузкам. Однако изучение большого числа аварий мягких оболочек показывает [1], что места разрыва материалов ограждений во многих типах сооружений, находившихся в эксплуатации, как правило, не совпадают ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий, выявленных в результате расчета.
Цель исследований — выявление механизма старения и разрушения материалов мягких оболочек под воздействием эксплуатационных факторов.
Для обеспечения сопоставимости и строгой регламентации условий испытания исследования проводили по лабораторным режимам на специально разработанных установках [2, 3], где моделировали основные факторы, приводящие к старению материалов в сооружениях, такие как УФ-радиация, температура, влага, жидкие химически активные среды, механическая нагрузка. В лабораторных режимах энергетические значения климатических факторов были приведены к условному году [4]. При проведении испытаний напряженнодеформированное состояние материалов охватывало весь реальный диапазон механических нагрузок в сооружениях — от одноосного по одному ортогональному направлению, через различные степени двухосности, до одноосного по другому ортогональному направлению материала. Соотношения растягивающих нагрузок при испытаниях на старение, их векторы и уровни приведены в табл. 1.
Степень двухосности (а) — соотношение нагрузок по ортогональным направлениям.
Параллельно образцы испытывали в натурных условиях на стендах крышной станции под воздействием естественных климатических факторов в том же диапазоне соотношений и уровней механических нагрузок. В процессе старения регистрировали деформации образцов и остаточную прочность по ортогональным направлениям.
Результаты экспериментальных исследований приведены на рис. 1—3 и в табл. 2. На рис. 1а показано падение прочности материала при воздействии только температуры и механических нагрузок. При таком старении снижение прочности материала тем интенсивнее, чем больше нагрузка в данном направлении. При этом максимальное падение прочности происходит при увеличении степени двухосности. Простое объяснение такой закономерности можно найти из соотношений, приведенных в [5]:
P0(2) = P0(1)· n0 ·cosγ0; (1)
Py(2) = Py(1)·ny·cosγy, (2)
где P0(2), Py (2) — прочность материала по ортогональным направлениям (по основе и утку соответственно) при двухосном напряженном состоянии; P0(1), Py (1) — то же при одноосном напряженном состоянии; n0, ny — плотность нитей на единицу ширины по основе и утку материала; cosy0, cosγy — угол искривления нитей основы и утка в плоскости материала (табл. 2.1).
Из формул 1 и 2 следует, что в двухосно нагруженном материале напряжение в армирующих нитях всегда больше нагрузки, прикладываемой в данном направлении. Таким образом, при одинаковом уровне нагрузки с увеличением степени двухосности возрастает искривление армирующих нитей, а вместе с тем и напряжение в них. В итоге максимальное понижение прочности в обоих направлениях материала под воздействием температуры и механических нагрузок при старении приходится на соотношение нагрузок а = 2:2, то есть на область максимальных напряжений в нитях.
При дополнительном воздействии климатических факторов (в основном УФ-облучения) механизм старения и разрушения материала резко изменяется. Максимальное падение прочности (рис 1б) смещается на соотношения а = 1:2 и а = 2:1 соответственно по основе и утку материала. При соотношении а = 1:2 материал старится при нагрузке 5% по основе и 10% по утку от разрушающей нагрузки, а падение прочности по этим направлениям — 35 и 20% соответственно. В направлении, где старение образцов проводили без нагрузки, например при соотношении а = 0:2 основа, а при соотношении а = 2:0 уток не нагружены, падение прочности происходит на 10 и 20% соответственно. Такое на первый взгляд парадоксальное явление нашло объяснение после исследования микрофотографий исходных и «состаренных» материалов, представленных на рис. 1 и 2. Материалы мягких оболочек представляют собой композиты (табл. 2.1) пленочного покрытия (матрицы) из эластомеров или термопластов с тканой армирующей основой из высокопрочных синтетических нитей. Эластичная матрица служит для фиксации и защиты армирующей основы от действия атмосферных факторов и придания мягким оболочкам герметичности.
Таблица 1
Рис. 1. Падение прочности материалов мягких оболочек при воздействии эксплуатационных факторов в зависимости от соотношения нагрузок при старении: а — действие температуры и механических нагрузок; б — действие температуры, механических нагрузок и климатических факторов, в основном УФ-облучения для материала симметричной структуры; в — то же для материала несимметричной структуры
Таблица 2
Анализ результатов показал, что механизм старения и разрушения материалов мягких оболочек в напряженном состоянии под действием климатических факторов при двухосном растяжении композита происходит в результате кинематического взаимодействия ортогональных нитей тканой структуры с выпрямлением более нагруженных и искривлением менее нагруженных нитей (табл. 2.2). Искривленные нити создают локальные зоны перенапряжений в пленочном покрытии, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости старения матрицы в этих зонах с образованием сквозных трещин (табл. 2.3, 4). В результате обнажаются искривленные нити армирующей основы и открывается доступ к ним УФ-радиации, что, в свою очередь, приводит к резкому увеличению скорости старения материала в менее нагруженном направлении. Данный механизм старения и разрушения материалов мягких оболочек подтверждают результаты экспериментов в натурных условиях (табл. 2.5, 6).
Рис. 2. Ползучесть материалов ограждений мягких оболочек при воздействии эксплуатационных факторов в зависимости от соотношения нагрузок |
На рис. 2 и 3 приведены графики ползучести и падения прочности материалов ограждений мягких оболочек под воздействием эксплуатационных факторов. Ползучесть определяли при нагружении с помощью датчиков во времени по формуле:
где ε — относительное удлинение (ползучесть); l — длина образца после деформации; l0 — исходная длина.
Падение прочности определяли в % от исходной прочности материала при разрыве при растяжении на разрывной машине.
При сопоставлении зависимости деформации материалов для различных соотношений нагрузок при старении (рис. 2), с зависимостью падения прочности при тех же соотношениях нагрузок (рис. 1в и 3), наблюдается отрицательная корреляция между величиной деформации и остаточной прочностью в данном направлении. Долговечность материала в данном направлении тем ниже, чем выше деформации при эксплуатации в ортогональном направлении. Причем если исходная искривленность армирующих нитей по ортогональным направлениям имеет одинаковый угол наклона, то есть Y0 — Yy, то поверхности ползучести и падения прочности по ортогональным направлениям (рис. 2а и 3) симметричны относительно друг друга. У материалов с несимметричной исходной структурой армирующих нитей при воздействии эксплуатационных нагрузок появляются значительные (более 15%) деформации в направлении утка (большей исходной искривленности нитей), и соответственно в значительном диапазоне соотношения нагрузок (рис. 2б) в ортогональном направлении появляются отрицательные деформации — в направлении основы материал сжимается. Соответственно отличается и скорость старения материала по ортогональным направлениям. В направлении основы, где армирующие нити изначально были практически прямыми, при воздействии эксплуатационных нагрузок происходит их искривление, что приводит к появлению над ними локальных зон перенапряжений в матрице композита и к разрушению материала по вышеуказанному механизму. Падение прочности материала в этом направлении (рис. 1в) в диапазоне соотношения нагрузок от а = 0:2 до а = 2:2 находится практически на одном уровне. Это говорит о том, что сквозные трещины в матрице композита в этом диапазоне соотношения нагрузок образовались примерно в одно время.
Выявленный в результате экспериментальных исследований механизм климатического старения и разрушения композиционных материалов данного типа в напряженном состоянии позволяет сделать следующие выводы и рекомендации по монтажу и эксплуатации мягких оболочек.
Результаты экспериментальных исследований подтвердили и объяснили ранее приведенные в [1] данные о том, что места разрывов материалов в мягких оболочках, как правило, не совпадают ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий. Таким образом, возникает противоречие: оболочки разрушаются в тех местах, которые не считаются критическими. Поэтому в теории мягких оболочек расчетный аппарат создается для таких ситуаций, которые для оболочек не являются критическими. Задача расчета прочности мягких оболочек в настоящее время ставится конструкторами неточно или неполно, так как из нее выпадает весьма существенный аспект — действие климатических факторов, что приводит к сложным изменениям свойств материалов во времени.
а) Соотношение нагрузок при старении |
б) |
Рис. 3. Падение прочности материалов ограждений мягких оболочек с симметричной структурой при воздействии эксплуатационных факторов: а — по основе; б — по утку |
К сожалению, не все отечественные изготовители материалов мягких оболочек комплектуют свои технологические линии устройствами, обеспечивающими сохранение геометрических размеров по ширине при каландровании, то есть исключающими «каландровый эффект». При нанесении полимерной матрицы на тканую армирующую основу на каландрах или шпрединг-машинах происходит выпрямление нитей основы и искривление нитей утка, затем фиксация их в таком положении. В результате формируется композит с анизотропией физико-механических свойств, что создает дополнительные трудности при раскрое и формообразовании мягких оболочек.
Учитывая специфику эксплуатационных свойств материалов мягких оболочек, конструкторам и специалистам по монтажу и обслуживанию такого рода строительных сооружений можно рекомендовать:
- для симметричных структур армирующей основы материалов (Yo ~ Yy) при монтаже и эксплуатации мягких оболочек необходимо добиваться равных нагрузок по ортогональным направлениям материала. При таком соотношении нагрузок (рис. 1б) скорость старения материала минимальна и равна по ортогональным направлениям;
- при использовании материалов с несимметричной структурой оболочку необходимо рассчитывать так, чтобы максимальные нагрузки совпадали по направлению с меньшим искривлением армирующих нитей, что обеспечит снижение напряжений в полимерной матрице композита и тем самым приведет к увеличению долговечности материала.
Список литературы
- Ермолов В.В., Берд У.У., Бубнер Э. и др. Прошлое, настоящее и будущее пневматических строительных конструкций // Пневматические строительные конструкции. / Под ред. В.В. Ермолова. М.:Стройиздат. 1983. 439 с.
- Сулейманов А.М., Куприянов В.Н. Установка и методы оценки работоспособности тентовых материалов в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов // Работоспособность строительных материалов в условиях воздействия различных эксплуатационных факторов. Межвузовский сборник. Казань: КХТИ им. С.М. Кирова. 1981. С. 40-43.
- Куприянов В.Н., Шелихов Н.С., Камалова З.А., Сулейманов А.М. Стенды и методы для оценки долговечности тканепленочных материалов // Труды Седьмой Дальневосточной конференции по мягким оболочкам. ДВВИМУ. Владивосток. 1983. С. 60—62.
- Сулейманов А.М. Исследования эксплуатационных свойств композиционных материалов для мягких оболочек // Материалы докладов Академических чтений РААСН. Ч. II. Белгород, 2005. С. 150—162.
- Гогешвили А.А. Геометрическая структура ткани и ее влияние на прочность и деформативность // Сообщение ДВВИМУ. Вып. 25. Владивосток. 1973. С. 52—59.
Развитие метрологии и ее роль в научных исследованиях
«А таковы есми меры послал во все города ровны».
Грамота Ивана IV, датированная 21 декабря 1550 г.
Из-за высоких темпов экономических, политических и организационных преобразований в нашей стране в течение последних 20 лет ряд вопросов, связанных с подготовкой инженерных кадров, оказался «забытым». Одним из таких вопросов, по нашему мнению, является понятие о системных и внесистемных единицах. При подготовке к публикации присланных авторами рукописей одной из наиболее часто встречающихся неточностей как раз и является незнание современных систем измерения, способов перевода величин из устаревших систем в СИ, недопонимание важности применения международной системы измерений, правильности употребления тех или иных терминов и понятий. Этот факт побудил к публикации следующего материала, печатаемого в нашем журнале последовательно в двух номерах.
Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Метрология является научной основой всей измерительной техники, ее теоретической базой. Нет ни одной области практической деятельности людей, где можно было бы обойтись без общепринятых и понятных всем количественных оценок. Объектами измерений являются свойства объективных реальностей — вещей, тел, явлений, процессов.
Метрология развилась как раздел физики и является сейчас основой современного приборостроения, которое обеспечивает ученых, специалистов всех областей деятельности средствами объективной оценки окружающего мира. Без метрологии невозможно развитие ни одной отрасли знаний о мире.
Различают метрологию теоретическую, законодательную и прикладную.
Непосредственно к процессу познания имеют отношения следующие разделы метрологии.
- Физические величины. Метрологические характеристики физических величин — виды единиц, определение, наименование, обозначение, размер единиц, числовое значение. Основные, производные, дополнительные физические величины. Уравнения связи между физическими величинами и их числовыми значениями. Размерность, размерные и безразмерные величины. Безразмерные логарифмические и относительные величины. Системы физических величин. Системные и внесистемные величины. Когерентность. Когерентные и некогерентные физические величины.
- Методы и средства измерений. Измерения прямые, косвенные, совокупные, статистические, динамические. Средства измерений — меры, измерительные приборы и измерительные преобразования. Эталоны физических величин. Образцовые средства измерения, образцовые вещества. Виды эталонов. Погрешность и точность измерений.
- Стандарты. Вопросы стандартизации, сертификации и надзора за соблюдением стандартов.
История метрологии корнями уходит в глубокую древность. Человек начал заниматься измерениями, когда стал строить жилище, пахать землю, изготовлять предметы обихода. В древности за единицу измерения принималось то, что окружало человека, — камень, ячменное зерно, стопа (фут), толщина основания большого пальца руки (дюйм) и т. д. В результате в разных концах земли люди использовали похожие меры, однако одна и та же мера была различной по величине.
Древний Египет является первым государством, которое сильно разнящиеся исходные единицы измерения привело к определенной норме. Затем в Вавилоне египетская система мер подверглась видоизменению, была создана шестидесятичная система исчисления, частично дошедшая до наших дней. Именно на ее основе разделили час на 60 минут и минуту на 60 секунд.
Древней русской мерой длины было поприще — расстояние, которое пробегает лошадь от отдыха до отдыха. В X—XVI вв. русскими мерами веса были берковец, пуд, большая гривенка и золотник, которые в начале XVIII в. были узаконены несколько в видоизмененном выражении — доля, золотник, лот, фунт, пуд, берковец. В единицах массы одна доля составляла 44,435 мг. Золотник был равен 96 долям, один лот — трем золотникам, один фунт — 32 лотам, один пуд — 40 фунтам, а один берковец — 10 пудам. Мерами жидкостей были шкалик (осьмушка), равный 0,0615 л; чарка равная двум шкаликам, бутылка — 5 чаркам, штоф — двум бутылкам, четверть — 5 бутылкам, ведро — 10 штофам, бочка — 10 ведрам. В настоящее время мы сталкиваемся с неожиданными, неметрическими объемами стеклянной тары — 0,33 л, 0,68 или 3 л, которые являются отзвуками древних мер.
Такие системы мер, сложившиеся к XVIII в., были сложны в применении и приводили к трудности понимания. Для примера приведем цитату из диссертации М.В. Ломоносова, написанной в 1749 г.: «Для разрыва медной проволоки, диаметр которой составляет 1/10 дюйма — рейнского фута, разделенного на 12 равных частей, или 1 и 19/120 линии королевского парижского фута, требуется 299 и 1/4 амстердамских фунтов, каковой фунт равен парижскому».
Не проще было и в торговле. К примеру, для измерения длины ткани (только ткани) на севере Франции употреблялась мера под названием «он», а на юге — «кон», но под этими двумя названиями в различных местностях одного государства обращалось свыше десятка различных единиц длины для измерения тканей.
Грузики. Городецкая культура, 1 тыс. до н. э., глина
В России, по мере стирания обособленности отдельных русских княжеств, завершившегося образованием централизованного государства, многочисленные системы мер объединялись в две группы: Псковско-Новгородскую и Московскую; последняя распространялась на Владимир и Чернигов. Но и такое отсутствие единообразия было недопустимо в едином государстве, и Иван IV стал проводить жесткую политику введения общегосударственных мер. В 1556 г. вышел на Руси указ об изготовлении и клеймении гирь, разных мер и о хранении их в таможнях. На уровне потребностей и возможностей того времени эта цель была достигнута.
Развитие торговли, межгосударственного обмена требовало упорядочения и узаконивания мер и весов.
Наиболее активно борьба за создание единых мер и весов началась в средние века в наиболее развитых европейских странах — в Англии, Франции, Австрии. Но каждая страна решала эти вопросы только в пределах своей территории и с учетом своих национальных особенностей и традиций.
Франция играла главную роль в установлении метрической системы мер. В 1789 г. решением Национального собрания Франции была создана специальная комиссия по установлению единых французских мер под председательством П. Лапласа. Но ученые, вошедшие в эту комиссию, решили создать систему мер, предназначенную для всех времен и народов. В основу новой системы была положена единица длины. За единицу длины по предложению Лапласа была взята одна десятимиллионная часть четверти длины Парижского меридиана. Тогда считалось, что размеры Земли неизменны и эта единица могла стать эталоном. Всю длину четверти меридиана ученые замерить не могли, но часть меридиана между Дюнкерком и Барселоной находилась на хорошо обжитой части суши, начальные и конечные точки лежали на одном уровне моря. Остальное можно было определить посредством вычислений. Полученную величину решено было назвать метром от греческого metrov — мера, на ее основе создать единицы площади, вместимости (объема). За единицу массы была принята масса одного кубического сантиметра чистой воды при температуре 4оС, названная граммом; единицей времени стала секунда. Названа система метрической. Впервые была введена десятичная система образования кратных и дольных единиц с помощью приставок кило-, гекто-, дека-, деци-, санти-, милли-, которые существуют до сих пор. Помимо простоты, присущей метрической системе, ее важное достоинство было также в том, что основой ее были неизменные прототипы, взятые из самой природы.
В 1791 г. Национальное собрание Франции и французское правительство утверждают проект Метрической системы единиц с основными единицами метром и граммом. А в 1799 г. платиновые эталоны метра и килограмма утверждены декретом Национального собрания Франции и переданы в Национальный архив Франции на хранение.
При Британской ассоциации развития наук в 1891 г. создан особый Комитет по эталонам электрического сопротивления, который вскоре стал Комитетом по электрическим эталонам. Комитет сыграл большую роль в разработке, унификации единиц и создании систем единиц физических величин.
К концу XVII в. в России также сложилась некая единая общерусская система мер, изготовлялись образцовые «заорленные» меры (с оттиском царского орла), создавались начатки метрологического надзора — ревизия и наложение наказаний за несоблюдение правильности мер; появился ряд книг с описанием действующей системы мер — «Торговая книга», «Книга сошного письма», «Роспись полевой меры», «Арифметика» Л.Ф. Магницкого. Все это составляло серьезную базу для выработки и узаконивания единой системы мер.
В конце 1736 г. Сенат образовал комиссию весов и мер, в которую вошли авторитетные и известные ученые того времени — Л. Эйлер, А.К. Нартов и др. Перед комиссией стояли следующие задачи: создать образцовые меры, определить отношение различных мер друг к другу, разработать проект организации поверочного дела. Все эти задачи были поставлены для осуществления главной цели — найти твердые основания, созданные природой, для установления основных единиц, через которые выражались бы все остальные. Предполагалось также перейти на десятичный принцип деления единиц системы. Десятичный принцип образования единиц в России существовал в денежной системе.
Сажень, основную меру длины в России, было задумано привести к градусной мере земного шара, то есть сделать то, что позднее было сделано для установления размера метра. Эту работу должна была сделать Академия наук, но она ее не сделала.
Просуществовала комиссия до 1742 г., деятельность ее завершилась представлением в Сенат «Регламента, или инструкции, по которой имеет поступь в смотрении в Российском государстве над весами и мерами», который так и не был принят.
И только почти через сто лет после создания комиссии был обнародован «Указ Сенату о системе российских мер и весов» от 11 октября 1835 г. Появлению этого Указа предшествовала работа нескольких комиссий, последняя из которых именовалась «Комиссия для приведения в единообразие российских мер и веса» и которая продолжила свою работу и после принятия Указа в 1835 г. Ею были созданы нормальные меры — эталоны, был установлен принцип организации поверочного дела в России. Деятельность комиссии завершилась после принятия «Положения о мерах и весах 1842 г.», все ее материалы, включая нормальные меры, передали в первое метрологическое учреждение России — Депо образцовых мер и весов.
Гирьки, коромысло, чашки весов. Городище Спруты, Тульская обл., X в.
Гиря для безмена. Россия, XVII в., железо, свинец, литье | Шагомер подвесной. Аугсбург, конец XVII в., латунь, золочение |
Узаконенная таким образом русская система мер и весов была увязана с английской. Указ 1835 г. гласил: «Основанием российской линейной меры оставить навсегда сажень в 7 настоящих английских футов с разделением на 3 аршина, каждый в 28 дюймов, или 16 вершков».
Наблюдение за поддержанием единообразия мер и весов в пределах Российской империи осуществляло Министерство внутренних дел, а Депо образцовых мер и весов хранило образцовые меры. Поверка мер и весов была вменена в обязанность казенным палатам, городским думам и управам, которые пользовались копиями образцовых мер, поверенных в Депо.
Метрология этого периода носила в основном описательный характер. Завершился этот этап развития метрологии капитальным трудом Ф.И. Петрушевского «Общая метрология» (1849 г.), который был удостоен Демидовской премии от императорской Академии наук.
Для русских ученых того времени характерно глубокое понимание места метрологии в науке и в жизни. Передовые ученые видели необходимость распространения метрической системы мер как основы развития торговых, научных, экономических связей между странами. Совместно с учеными других стран петербургские академики О.В. Струве, Б.С. Якоби и Г.И. Вильд разработали метрическую конвенцию, подписанную в Париже в 1875 г. семнадцатью государствами мира, которая стала основой международного научного сотрудничества.
«Считание удобное». Москва, 1682 г. Первая русская книга по математике, приведенные в ней таблицы умножения предназначались для облегчения торговых сделок
На основе метрической конвенции был учрежден Международный комитет мер, весов и монет (МКМВ) и при нем создано Международное бюро мер и весов (МБМВ). МБМВ, которое и в настоящее время находится в Севре близ Парижа, занимается созданием и хранением международных эталонов физических величин, определением и согласованием значений фундаментальных физических констант. МКМВ на ежегодных заседаниях рассматривает вопросы, связанные с определениями и размерами единиц физических величин, а генеральные конференции по мерам и весам (ГКМВ), которые должны собираться не реже одного раза в шесть лет, законодательно их принимать.
Несмотря на подписание Россией в 1875 г. метрической конвенции и принятия тем самым метрической системы под покровительство государства, внедрение ее было длительным процессом. Значительную роль в развитии метрологии и введении на территории России метрической системы сыграл выдающийся ученый Д.И. Менделеев. Труды Д.И. Менделеева в годы работы в Депо образцовых мер и весов (1892—1918 гг.) подготовили страну к этому переходу технически и идеологически. В 1899 г. Д.И. Менделеев добился правительственного разрешения на факультативное применение метрической системы мер в России, горячим сторонником и пропагандистом которой он являлся.
В 1893 г. Д.И. Менделеев преобразовал Депо образцовых мер и весов в Главную палату мер и весов, которая стала одним из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля.
В Англии лишь в 1900 г. было создано метрологическое отделение Национальной физической лаборатории, в США в 1901 г. — Национальное бюро эталонов.
Таким образом, история развития метрологии, влияние национальных особенностей и приоритетов, потребности развития науки и техники привели в конечном итоге к существованию большого количества видов систем единиц, различающихся между собой как числом основных единиц, так и принципами заданной системы.
О развитии современных систем единиц, о создании и практике применения международной системы единиц (СИ) читайте в следующем номере журнала.
Полезная литература
- Калинина В.Н. Аршин, ярд и другие меры. Калининград: Янтарная сказка. 1999. 64 с.
- Азимов А. Мир измерений. От локтей и ярдов к эргам и квантам. М.: Центрполиграф. 2003. 219 с.
- Имени Менделеева. Очерк о НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» / Под ред. д-ра техн. наук Ю.В. Тарбеева. М.: Изд-во стандартов. 1984. 184 с.
Алгоритм и программа расчета влажностного режима наружных стен с учетом диффузионного и молярного переноса пара
А.К. ГОНЧАРОВ, канд. техн. наук, М.А. ХОТЕЕВА, А.Н. ПОЛЯНСКИЙ, инженеры, Конструкторско-технологическое бюро бетона и железобетона (Москва)
В связи с проектированием и строительством высотных зданий в Москве возникает необходимость в разработке новых методов расчета ограждающих конструкций зданий, так как с увеличением высоты зданий физические процессы в наружных ограждающих конструкциях, такие как теплопередача и массоперенос пара и воздуха, должны интенсифицироваться под влиянием разности барометрических давлений воздуха в помещении и окружающей среде. Процессы инфильтрации и эксфильтрации проходят наиболее интенсивно в зимний период года. Отсутствие подобных расчетов при разработке проекта может привести к созданию дискомфортных условий в помещениях многофункциональных высотных зданий и появлению дефектов в наружных ограждающих конструкциях.
Математически разность барометрических давлений воздуха в первом приближении можно вычислять по формуле, приведенной в СНиП 23-02—2003 «Тепловая защита зданий»:
Δр = 0,55Н(γн−γв)+0,03γнυ2.
Практически разность давлений воздуха в высотных зданиях в Москве может составлять порядка 40 Па и более, однако и эта величина оказывает существенное воздействие на интенсивность изменения влагосодержания наружных стен. Особое место в высотных зданиях занимают лифтовые шахты и лестничные блоки, выходящие на кровлю. Скорости восходящих воздушных потоков в таких вертикальных полостях могут быть выше среднемесячных значений скорости воздуха. При этом может возникнуть необходимость выполнять теплотехнические расчеты внутренних стен, выходящих к лестничным блокам и лифтовым шахтам, и в ряде случаев теплотехнические требования к внутренним стенам могут превышать требования для наружных стен. Размещение на верхних этажах здания зимних садов, спортивных залов, бассейнов, ресторанов и т. д. со своими санитарными и санитарно-эпидемиологическими и климатическими требованиями внутри общей фасадной системы естественным образом приводит к необходимости введения понятия климатического блока и проведения теплофизических расчетов внутри жилого комплекса. Требования к точности расчета микроклимата помещений высотных зданий должны возрасти, так как рекомендуемые в настоящее время в строительных нормах теплотехнические методы расчета ограждающих конструкций основаны в первой половине ХХ в. на стационарных методах. Эти методы: не в полном объеме предлагают решения суточного и сезонного влияния климатического воздействия на изменение тепловлажностного состояния наружных ограждающих конструкций, и, как следствие, при проектировании жилых комплексов высотных зданий авторы проекта вынуждены решать этот вопрос, основываясь часто на эмпирическом опыте. Для повышения точности теплофизических расчетов наружных стен нами был разработан математический алгоритм и программа нестационарного переноса пара в однослойной стене под влиянием разности парциального давления пара и разности барометрического давления воздуха, которые учитывают влияние начального влагосодержания на сезонный влажностный режим наружных стен в первые годы эксплуатации здания.
При составлении алгоритма по расчету влажностного режима однослойных наружных стен высотных многофункциональных зданий, эксплуатирующихся в районах с продолжительным зимним периодом, были положены в основу следующие процессы и физические закономерности.
- Теплопередача через стены осуществляется путем теплопроводности по закону Фурье, решение уравнения осуществляется для одномерного случая в стационарном режиме с граничными условиями III рода для каждого месяца года.
- Фильтрация смеси водяного пара и воздуха через стены из твердых пористых строительных материалов происходит в ламинарном режиме по закону Дарси, задача решается для одномерного случая с граничными условиями I рода для каждого месяца года.
- Задача об изменении начального влажностного и сезонного влажностного состояния наружных стен решается на основе рассмотрения нестационарного процесса диффузии пара через пористое тело по закону Фика и стационарного, для каждого зимнего месяца, процесса фильтрации воздуха по закону Дарси с учетом молярного содержания водяных паров в объеме движущегося воздуха; при этом молярное содержание водяных паров в единице объема воздуха (смеси воздуха и пара) заменяется выражением n1/N = е/р, где n1/N — молярная доля одного компонента n1 в общем количестве молей смеси N; е — парциальное давление паров; р — барометрическое давление воздуха.
Изменение влагосодержания в стене происходит за счет изменения потоков водяного пара, а также конденсации или испарения влаги в сорбционном материале стены, для чего в расчет привлекаются соответствующие экспериментальные данные по сорбционным характеристикам материала стен (кривые сорбции и десорбции).
Процесс вычислений производится разностным методом. В основу вычислений положена разностная схема с интервалами по времени Δt и разбивкой толщины стены на условные слои толщиной Δx. Процесс движения воздуха и пара осуществляется через наружную стену толщиной h, разбиваемую на n условных слоев, в центре которых вычисляются средние значения температуры и барометрического давления за каждый холодный месяц года. Величина парциального давления пара в каждом слое зависит от температуры слоя и содержания влаги в этом слое. Если пористый стеновой материал обладает сорбционными свойствами, то парциальное давление пара при влажности материала ниже максимального сорбционного влагосодержания определяется с помощью сорбционной или десорбционной кривой (в программе эти данные закладываются в табличной форме). При влажности материала выше максимального сорбционного содержания при относительной влажности 100% величина парциального давления e приравнивается к величине максимальной упругости пара Е при известной температуре воздуха в данном слое. В программе задается начальное влагосодержание в каждом слое. Таким образом, при известном распределении по толщине стены температуры, давлении воздуха, влагосодержании, данных о сорбционных свойствах материала, при известных данных о максимальной упругости пара при разных температурах вычисляются величины парциального давления водяного пара в центре каждого условного слоя. Диффузионный поток пара от одного слоя к соседнему вычисляется известным уравнением:
где μ — коэффициент паропроницаемости материала; Δх — толщина условного слоя стены.
Молярный поток пара q2 к соседнему слою (за счет потока воздуха с содержанием пара е/p) выражается уравнением:
где G — коэффициент воздухопроницаемости; Δр — разность давлений воздуха между соседними слоями; р — барометрическое давление воздуха в слое.
Суммарный поток пара q = q1 + q2.
Разность потоков пара Δq за интервал времени Δτ равна абсолютной величине изменения влаги в слое.
Граничные условия для переноса пара в стене приняты I рода.
Изложенное выше было взято за основу программы расчета на языке Delphi, которая была отлажена на численном примере, приведенном ниже: район — Москва; административное здание (tв = 20oC, ϕв = 40%); наружные стены толщиной 40 см из газобетона (γ= 600кг/м3).
Рис. 1. Начальное распределение весовой влажности по толщине стены в сентябре
Рис. 2. Зависимость распределения весовой влажности по слоям стены на конец сентября следующего года: 1 — экфильтрация, 2 — диффузия; 3 — инфильтрация
Рис. 3. Изменение средней весовой влажности стены в течение 12 месяцев: 1 — экфильтрация, 2 — диффузия; 3 — инфильтрация
Начальная средняя по толщине стены весовая влажность принята равной 19%, начало эксплуатации здания — конец сентября, разность барометрического давления равна 13,33 Па и постоянна для холодного периода года, численные значения теплофизических характеристик газобетона взяты на основе экспериментальных данных. Стена разделена на 10 слоев, графики распределения влажности представлены на рис. 1—3.
Оценка прочности и деформативности каменной кладки при сжатии согласно СНиП И-22-81 и Eurocode 6
ГВ. МАРЧЮКАЙТИС, д-р техн. наук, Б.Б. ЙОНАЙТИС,
Ю.С. ВАЛИВОНИС, кандидаты техн. наук, Вильнюсский технический университет им. Гедиминаса, И.Я. ГНИП, канд. техн. наук, институт «Термоизоляция» Вильнюсского технического университета им. Гедиминаса (Литва)
В настоящей статье представлены результаты исследований, позволяющие более точно оценить прочность и деформативность при сжатии каменной кладки, используя прочностные показатели камня (кирпича) и раствора, определенные как по ГОСТ [1, 2], так и по EN [3, 4].
Согласно СНиП II-22—81 [5] расчетные сопротивления сжатию каменной кладки принимают по прочностным показателям камня (кирпича) и раствора при сжатии. В основу норм проектирования каменных конструкций [5] для определения средней прочности каменной кладки при кратковременной нагрузке положена зависимость, предложенная Л.И. Онищиком:
где fu — кратковременная прочность каменной кладки при сжатии (нормативная прочность fk = 0,7fu); А — коэффициент, учитывающий конструктивные особенности кладки; fb и fm — прочность при сжатии кирпича (камня) и раствора соответственно; а и b — коэффициенты, зависящие от вида и размеров кирпича (камня); η — поправочный коэффициент, зависящий от соотношения прочности раствора и камня при сжатии.
В [5] при определении прочности каменной кладки при сжатии не учитывается толщина швов кладки, принимая, что толщина последних не более 12 мм. Согласно Eurocode 6 по проектированию каменных конструкций [6] нормативную прочность каменной кладки определяют по эмпирическим формулам в зависимости от толщины швов кладки. При толщине горизонтальных швов 3—15 мм нормативная прочность каменной кладки при сжатии составляет
а при толщине менее 3 мм
где К – коэффициент, учитывающий вид, форму и пустотность камней кладки.
В Eurocode 6 также рекомендуется нормативную прочность кладки определять по экспериментальным
данным, в частности
где f и fmin — средняя и минимальная прочность кладки, определяемая испытанием фрагментов каменной кладки на сжатие в соответствии с требованиями [6].
Согласно [6] расчетная прочность каменной кладки принимается равной
где γм— коэффициент надежности каменной кладки, учитывающий вид и качество кладки и принимаемый от 1,7 до 3 (ниже при сравнении расчетных значений прочности кладки по СНиП II-22-8 и Eurocode 6 принято γм = 3).
Таким образом, прочность каменной кладки при сжатии по СНиП II-22—81 и Eurocode 6 зависит от двух оказывающих наибольшее влияние факторов — прочности камня (кирпича) и раствора.
Следующим важным показателем каменной кладки является ее деформативность, характеризуемая модулем упругости, который также зависит от прочностных свойств материалов кладки. Согласно [5, 6] модуль упругости при кратковременной нагрузке принимается равным
где Е0 — модуль упругости (начальный модуль деформаций) кладки; а — упругая характеристика кладки.
Известно, что упругие свойства кладки зависят от деформационных свойств камня и раствора. В частности, упругая характеристика кладки а принимается в зависимости от вида и марок кирпича и раствора и колеблется в пределах от 350 до 1500 в [5], а согласно [6] принимается равной 1000. Последнее значение a в нормативе [5] соответствует только некоторым видам кладки.
Поэтому при проектировании и возведении каменных конструкций по действующей главе СНиП II-22—81 важно знать, по какой методике определены прочностные свойства материалов кладки при сжатии.
Рис. 1. Эмпирическая зависимость коэффициента km от прочности раствора при сжатии, определенной по ГОСТ 5802-86
Рис. 2. Зависимости прочности каменной кладки, принимаемой согласно СНиП 11-22—81 от прочности материалов, определяемой по методам ГОСТ [1,2] (линия 1) и EN [3, 4] (линия 2): для марки сплошного кирпича всех видов М25 (а) и М15 (б)
Прочность раствора, принимаемую в СНиП II-22—81, определяют согласно ГОСТ 5802—86, а в Eurocode 6 — согласно EN 1015-11:1999.
Из 10 растворов различных прочностей было изготовлено по 5 образцов в соответствии с требованиями [2, 4]. Анализ результатов испытаний образцов на сжатие показал, что методы испытаний дают разные значения прочности раствора.
На основании статистической обработки результатов испытаний была построена зависимость отношения прочностей раствора при сжатии, определенных по [4] и [2] кт =fmEN/fm ГОСТ,, от значения прочности раствора при сжатии, определенной по [2] (рис. 1):
kт = 1,224—0,058lnfт ГОСТ. (7)
Среднее квадратическое отклонение Star = 0,036.
Здесь fт ГОСТ, fт EN — прочность раствора при сжатии, определенная по ГОСТ 5802-86 и EN 101511:1999 соответственно.
Прочность кирпича, применяемую в СНиП II-22—81, определяют согласно ГОСТ 8462-85, а марку кирпича принимают по прочности при сжатии и изгибе.
При оценке прочности кладки при сжатии согласно Eurocode 6 прочность кирпича определяют по методике [3]. Были выполнены испытания сплошного кирпича одних и тех же партий по методам [1] и [3]. Следует отметить, что прочность кирпича, определенная по [3], больше значения, получаемого по методике [1]. Коэффициент увеличения kb = fb EN/fb ГОСТ составляет в среднем 1,1 и 1,14 для керамического и силикатного кирпича соответственно.
Прочность кладки при сжатии, определяемая по нормативам [5] и [6], различна и зависит от соотношения прочности кирпича и раствора (fb/fm) с учетом коэффициентов km и kb. При fb/fm < 5 и марке кирпича М12,5 прочность кладки при сжатии согласно СНиП II-22—81 в среднем на 6% меньше прочности, определяемой по Eurocode 6, а при марке кирпича М25 это уменьшение составляет в среднем 18%. При увеличении соотношения fb/fm > 10 прочность каменной кладки по [5] превышает прочность кладки по [6] практически не более чем на 5%.
Сравнение прочности кладки при сжатии, принимаемой согласно СНиП II-22—81 исходя из прочности кирпича и раствора, определенной по методам ГОСТ [1, 2] и по EN [3, 4], показывает, что при уменьшении отношения fb/fm различие в значениях прочности кладки при сжатии может достигать 25 и 18% при марке сплошного кирпича всех видов М15 и М25 соответственно. При снижении прочности раствора влияние методик определения прочности материалов менее сказывается на прочности кладки, принимаемой по СНиП [5]. Например, при марке кирпича М15 и раствора М1,5 прочность кладки по СНиП [5] при определении прочности материалов по ГОСТ [1, 2] практически одинаковая, как и при определении прочности материалов по EN [3, 4]. При соотношении fb/fm > 10 (кирпич М15) и > 20 (кирпич М25) наблюдается меньшая прочность кладки при применении прочности материалов, определенной по EN [3, 4]. Так, при марке кирпича М25 и fb/fm, равным 30, это уменьшение составляет 10%, а при М15 — 20% (рис. 2).
Прочность кладки при сжатии по Eurocode 6 [6], формула (2), при использовании прочностных показателей материалов, определенных по ГОСТ [1, 2], получаем заниженной.
На основании формулы (6) и анализа результатов определения прочности материалов при сжатии по методам [1—4] можно отметить, что модули упругости, определенные по [6], значительно выше, чем по [5]. Например, при марке сплошного силикатного кирпича М25 и раствора М2—М2,5 модуль упругости по [6] почти в 2,1 раза больше, чем по [1] при кратковременной нагрузке и в 2,7 раза — при длительной нагрузке (рис. 3). При меньшей прочности раствора разница между модулями упругости по [5] и [6] несколько уменьшается (рис. 3). Однако согласно [6] при кратковременной нагрузке значение модуля упругости каменной кладки из керамического и силикатного кирпича одно и то же, а по [5] зависит от вида кирпича и прочности раствора.
Рис. 3. Зависимость модуля упругости каменной кладки из сплошного кирпича М25 от соотношения fb/fm, определенного по СНиП II-22-81 при кратковременном нагружении: ▼ — силикатный кирпич; ■ — керамический. При длительном нагружении: ВД -силикатный кирпич; ■ — керамический. По Eurocode 6, Part 1-1 при кратковременном нагружении: • — силикатный кирпич; ▲ — керамический. При длительном нагружении: К -силикатный кирпич; И — керамический
На основании проведенных исследований нами сделаны следующие выводы.
- Значения прочности кирпича и раствора, определенные по ГОСТ 8462—85 и 5802—86, меньше, чем по EN 772-1:2000 и 1015-11:1999. Для раствора это уменьшение может достигать 30%, а для сплошного керамического и силикатного кирпича — 10 и 14 % соответственно.
- При применении относительно более прочного раствора (до 1/10 прочности кирпича) прочность кладки, принимаемая согласно СНиП П-22—81, может быть на 18% меньше по сравнению с Eurocode 6.
- При использовании прочностных характеристик кирпича и раствора, определенных согласно EN 772-1:2000 и 1015-11:1999, прочность каменной кладки, определенная по СНиП II-22-81 при fb/fm не более 10, будет завышенной. Во избежание такого несоответствия рекомендуется использовать переходные коэффициенты кт и кь или проверять прочность каменной кладки экспериментально, как рекомендует Eurocode 6.
- Во всех случаях модуль упругости каменной кладки, определенный по Eurocode 6, больше, чем по СНиП П-22—81. Это увеличение зависит от прочностных характеристик материалов, вида кирпича, продолжительности действия нагрузки и может достигать 2,7 раза.
Список литературы
- ГОСТ 8462—85. Материалы стеновые. Методы определения пределов прочности при сжатии и изгибе. М.: Изд. стандартов. 1985. 8 с.
- ГОСТ 5802—86. Растворы строительные. Методы испытания. М.: Изд. стандартов. 1986. 22 с.
- EN 772-1:2000. Methods of test for masonry units. Part 1: Determination of compressive strength. 2000. 10 p.
- EN 1015-11:1999. Methods of test for mortar of masonry. Part 11: Determination of flexural and compressive strength of hardened mortar. 1999. 12 p.
- СНиП II-22—81. Каменные и армокаменные конструкции. М.: Стройиздат. 1983. 40 с.
- Eurocode 6. Design of Masonry Structures. Part 1-1: General Rules for Buildings. Rules for Reinforced and Unreinforced Masonry. Brussels. 1994. 200 p.
Структурная механика разрушения кирпичной кладки
П.Г КОМОХОВ, д-р техн. наук, Ю.А. БЕЛЕНЦОВ, канд. техн наук, Санкт-Петербургский государственный университет путей сообщения
Обеспечение надежности и долговечности кирпичных конструкций является актуальной проблемой сегодняшнего дня.
Существующие методы расчета и моделирования работы кирпичных и каменных конструкций основаны на представлении о кирпичной (каменной) кладке как изготовленной из псевдотвердого квазиоднородного материала. Это приводит к невозможности реального учета особенностей работы кладки и требует введения большого количества эмпирических коэффициентов. Определение основных характеристик в существующих методах расчета основано на предположении В.А. Гастева и Л.И. Онищика о том, что кладка находится в условиях сложного напряженно-деформированного состояния и одновременно подвержена сжатию, изгибу, растяжению и срезу.
Такой подход не отражает фактических структурных и физикомеханических особенностей кирпичной кладки как сложно-структурированного композиционного материала.
Для учета влияния реальных условий работы кладки необходимо изучать и моделировать ее свойства на пяти основных уровнях.
Мегауровень определяет работу кирпичной кладки в целом, ее взаимодействие с другими конструкциями или элементами здания.
Макроуровень — уровень взаимодействия основных элементов структуры кладки (растворных швов, кирпича керамического или силикатного) и незаполненных раствором зон швов (дефектов кладки).
Мезоуровень — уровень цементно-песчаного раствора, силикатного или керамического камня, зоны поверхности контакта кирпича и раствора. Макро — и мезоуровень определяют прочностные и деформационные свойства кладки, ее тре-щино- и морозостойкость.
Микроуровень — это уровень структурного взаимодействия цементного камня и мелкого заполнителя с керамическим или силикатным кирпичом (камнем).
Субмикроуровень представлен сложным фазовым составом цементного камня и входящего в его структуру цементного геля, амор-физированным и кристаллическим сростком, системой пор и пустот, включая поры геля. Этот уровень определяется также структурой керамического черепка или силикатного камня в кирпиче.
На каждом уровне будем рассматривать структуру кладки, состоящую из нескольких квазиоднородных систем элементов.
На мегауровне кирпичные конструкции рассматриваются как изготовленные из псевдооднородного материала. Кладка эффективно работает на центральное сжатие в направлении по перевязанным швам. При этом необходимо учитывать физическую нелинейность материала. В расчетах возможно использование гипотетической зависимости между напряжениями и деформациями в виде диаграммы Прандтля, реальная и идеализированная ее формы приведены на рис. 1. Эта диаграмма воспроизводит зависимость между напряжениями и деформациями кладки как идеального упругопластического тела.
Рис. 1. Диаграмма напряжений — деформаций при растяжении и сжатии кирпичной кладки
Изучение работы кладки на макроуровне и взаимодействие ее элементов было проведено экспериментально на образцах из кладки, выполненной из силикатного модульного кирпича с круглыми пустотами на цементно-песчаном растворе (см. таблицу). При испытаниях деформации отдельных элементов кладки, кирпича, раствора, горизонтальных швов вдоль и перпендикулярно линии приложения нагрузки их поперечные деформации измерялись с помощью тензометров. Основные причины и степень приоритетного влияния указанных элементов структуры на разрушение образцов кирпичной кладки проанализируем далее.
Напряжения, МПа |
Оносительные деформации, х104 |
||||||||||
Вдоль линии приложения нагрузки |
Перпендикулярно линии приложения нагрузки |
||||||||||
Кладка |
Кирпич |
Горизонтальный шов |
Кирпич |
Горизонтальный шов |
Вертикальный шов |
||||||
величина деформации |
отношение к деформации кладки, % |
величина деформации |
отношение к деформации кладки, % |
величина деформации |
отношение к деформации кладки, % |
величина деформации |
отношение к деформации кладки, % |
величина деформации |
отношение к деформации кладки, % |
||
0 |
0 |
0 |
0% |
0 |
0% |
0 |
0% |
0 |
0% |
0 |
0% |
0,8 |
7,2 |
5 |
69% |
38,75 |
538% |
-3,25 |
45% |
-2,75 |
-38% |
-10 |
-139% |
1,6 |
14,6 |
10 |
68% |
55 |
377% |
-5,5 |
38% |
-3,25 |
-22% |
-76 |
-521% |
2,4 |
26,6 |
6 |
23% |
123,75 |
465% |
-7,25 |
27% |
-4,5 |
-17% |
-89 |
-335% |
3,2 |
36,8 |
7 |
19% |
126,5 |
344% |
-11,5 |
31% |
-6 |
-16% |
-83,5 |
-227% |
4,84 |
Разрушение образцов |
Разрушение кирпича или раствора в кладке при сжатии маловероятно, потому что прочность кладки составляет примерно 25—35% прочности кирпича и раствора при сжатии. Сжимающие напряжения в кирпиче и растворе горизонтальных швов равны, но деформации вдоль линии приложения нагрузки в растворе горизонтальных швов в 10—12 раз больше, чем в кирпиче. Это объясняется наличием зоны контакта кирпича и раствора как промежуточного элемента структуры. Физико-механические свойства зоны контакта существенно отличаются от свойств раствора шва.
Разрушение кирпича при изгибе возможно из-за неполного заполнения горизонтальных швов и неравномерности растворной постели шва кладки. Распределение раствора в горизонтальном шве носит случайный характер и зависит от подвижности растворной смеси и ее состава, вида поверхности кирпича, квалификации каменщика. Проведенные испытания образцов кирпичной кладки позволяют установить, что незаполненные зоны в кирпиче могут достигать 6—7 см по длине кирпича. Поэтому необходимо подбирать прочность кирпича при изгибе с учетом возможных дефектов кирпичной кладки.
Рассмотрим влияние растяжения перпендикулярно линии приложения нагрузки в горизонтальных растворных швах и кирпиче с учетом сил сцепления кирпича с раствором горизонтальных швов. Растягивающие напряжения, действующие перпендикулярно линии приложения нагрузки в кирпиче и растворе, пропорциональны коэффициенту поперечных деформаций кирпича и раствора. Значение коэффициента Пуассона раствора колеблется в пределах 0,2—0,25, а для кирпича в зависимости от его вида — 0,05—0,15. При достаточном сцеплении деформации на границе контакта кирпича и раствора горизонтальных швов выравниваются, при небольшой толщине шва они распределяются равномерно практически по всей его высоте. Из условия выравнивания деформаций можно определить изменение напряжений, действующих перпендикулярно линии приложения нагрузки в кирпиче и растворе. В кирпиче они увеличивают растягивающие напряжения в 2—2,5 раза, а в растворе их значения уменьшаются на 10%. Для обеспечения совместности деформаций кладки в зоне контакта необходимо, чтобы сцепление кирпича и раствора было больше по величине, чем разница поперечных напряжений и деформаций кирпича и раствора, что составляет величину порядка 15—20% прочности кладки.
При неполном заполнении горизонтальных швов в месте контакта возникают концентрации поперечных растягивающих напряжений приблизительно в 2—3 раза больше поперечного растягивающего напряжения в кирпиче. Это показывает, насколько опасно неполное заполнение горизонтальных швов раствором.
Наличие пустот в кирпиче влечет за собой возникновение дополнительных напряжений, в том числе в растворе горизонтальных швов, пропорциональных отношению площади контакта кирпича и раствора к площади эффективной условной поверхности кирпича. При пустотности кирпича, равной 50%, в растворе увеличивается концентрация напряжений в 2 раза, а на границе контакта появляется эффект ослабления прочности кладки за счет концентрации локальных напряжений.
При полном заполнении шва в зоне контакта на кирпич действуют разгружающие продольные растягивающие напряжения вдоль линии приложения нагрузки, равные 50% от напряжений, сжимающих кладку. В зоне угла кирпича сжимающие напряжения снижаются на 20—25%. Это обусловлено неоднородностью деформаций структурных элементов кладки. При неполном заполнении вертикальных швов разгружающий эффект отсутствует, исчезают обжимающие краевые усилия в кирпиче и соответственно снижается прочность кладки, проявляется эффект концентрации напряжений с возникновением и развитием трещин. Это один из основных видов дефектов кирпичной кладки.
На мезоуровне необходимо рассматривать взаимосвязь составляющих цементного раствора, керамического или силикатного камня, а также зоны контакта кирпича и раствора. Деформативность и прочность зоны контакта кирпича и раствора, их ползучесть, усадка и набухание, температурные деформации определяются данным уровнем структуры кладки. Деформации кладки от внешней нагрузки, усадка и ползучесть частично демпфируются зоной контакта. Механизм компенсации можно объяснить тем, что при примерно одинаковых деформациях от нагрузки и температуры площадь раствора в зоне контакта и зона перераспределения нагрузок в кирпиче одинаковы и много меньше, чем площадь кирпича и раствора в шве. При этом необходимо учитывать, что скорость водоотделения раствора в зоне контакта много выше, чем у раствора основного шва. Поэтому относительные деформации этой зоны много больше, чем остальных элементов данного уровня. Приведенная на рис. 2 фотография образца в зоне контакта керамического кирпича и цементно-песчаного раствора позволяет определить геометрические характеристики зоны контакта раствора в кладке.
Рис. 2. Зона контакта кирпича и раствора
Площадь поверхности непосредственного контакта составляет примерно 45% общей площади образца и высота зоны контакта порядка 1—2 мм.
На микро- и субмикроуровне рассматриваются свойства и структура цементного камня [1] и заполнителя, входящего в состав раствора, а также керамического черепка или силикатного камня. При этом необходимо учитывать, что каждый из структурных элементов обладает системой пор, пустот и субмикротрещин. В растворе преобладает заполнитель, объем межзерновых пустот заполняется цементным камнем. Общая пористость цементного раствора составляет порядка 38%, кирпича керамического — 27,7%, силикатного кирпича — 35—40%. В соответствии с вышесказанным и влиянием структурной механики разрушения составляющей долей заполнителя раствора можно пренебречь при определении расчетной прочности и морозостойкости кладки на этом уровне.
Литература
- Бабков В.В., Мохов В.Н., Капитонов С.М., Комохов П.Г. Структурообразование и разрушение цементных бетонов. Уфа: ГУП «Уфимский полиграфкомбинат». 2002. 317 с.
Получение низкоплотного пенобетона для производства изделий и монолитного бетонирования
Т.Е. КОБИДЗЕ, канд. техн. наук, В.Ф. КОРОВЯКОВ, д-р техн. наук, ГУП «НИИМосстрой»,
С.А. САМБОРСКИЙ, инженер, ООО «СОТИМ плюс» (г Старый Оскол, Белгородская обл.)
Одной из важнейших задач повышения теплоизоляционных свойств ограждающих конструкций зданий, снижения их веса и экономии материальных ресурсов является производство легких строительных материалов и изделий. К числу таких эффективных материалов относятся материалы и изделия, получаемые из ячеистого бетона, в том числе пенобетона.
К преимуществам технологии пенобетона относится пониженная зависимость процесса поризации и конечных свойств материала от внешних факторов и возможность направленно регулировать объем и характер пористой структуры материала с получением мелкодисперсной однородной ячеистой структуры (размеры пор 50—200 мкм). Это определяет повышенную стабильность технологических процессов и качественных показателей пенобетонных материалов, производимых в заводских и особенно в построечных условиях.
Известны два способа получения пенобетона: раздельный, или двухстадийный и одностадийный.
Второй способ прост, но качество пенобетона, получаемого этим способом, ниже. Поэтому чаще применяют раздельный способ приготовления пенобетонной смеси, несмотря на то, что в этом случае требуется дополнительное оборудование.
Названные способы достаточно эффективны для получения пенобетонов средней плотности выше 600 кг/м3, но оказались неподходящими для получения пенобетона средней плотности 500 кг/м3 и ниже.
В конце 80-х годов прошлого столетия в МИСИ им. В.В. Куйбышева (ныне МГСУ) был разработан метод получения пенобетона низкой плотности, названный «обжатие-релаксация» (а.с. № 1524428, № 1559642).
Принципиальная оригинальность метода заключается в том, что впервые в мировой практике технологии пенобетона предложен прием, согласно которому процесс приготовления пенобетонной смеси, включающий два этапа — поризацию и гомогенизацию — производится под давлением, то есть в обжатом состоянии пены и пенобетонной смеси. Затем происходит релаксация пенобетонной смеси до исходного объема за счет плавного снятия обжимающего усилия и выравнивания давления внутри смеси до атмосферного.
Обжатие пеномасс вызывает искусственное снижение ее изначальной кратности. Это приводит к перестройке пористой структуры и изменению ее свойств за счет уменьшения размера и взаимоудаления воздушных пузырьков, в том числе в зонах их соприкосновения, обусловливающих жесткость пеноструктуры. При этом с повышением степени обжатия увеличивается толщина межпоровых прослоек, плотность и дисперсность пеноструктуры, устраняется жесткость ее строения, повышается подвижность пеномассы (табл. 1).
Таблица 1
Технологические параметры |
Технологические характеристики пены при кратности |
||||||
2 |
3 |
4 |
6 |
8 |
10 |
12 |
|
Плотность, г/см3 |
0,5 |
0,33 |
0,25 |
0,166 |
0,125 |
0,1 |
0,083 |
Консистенция |
текучая |
текучая |
текучая |
литьевая |
полужесткая |
жесткая |
жесткая |
Подвижность, см |
37 |
30 |
25 |
15 |
8 |
0 |
0 |
Объем воздушной фазы, % |
50 |
67 |
75 |
83,33 |
87,5 |
90 |
91,66 |
Изменение объема пены от исходного при минерализации сухим порошком вяжущего (В/Т — 0,5), % |
91 |
94 |
92 |
84 |
70 |
62 |
58 |
Все это способствует упрочнению воздушных пузырьков, повышению удобообрабатываемости и устойчивости пеноструктур в процессе минерализации, гомогенизации и перекачки смеси. Данный метод способствует увеличению коэффициента использования пены, сокращению времени приготовления пенобетонной смеси, использованию смесителей непрерывного действия, повышению гомогенности и дисперсности, снижению В/Т, а после восстановления пеномассы до исходного объема — получению пенобетона с высокими характеристиками.
Научно-экспериментальными исследованиями установлены зависимости между основными технологическими параметрами приготовления пенобетонных смесей при избыточном давлении и получаемыми характеристиками пенобетона. Был проведен математический анализ процесса обжатия пеноструктур, подтвердивший изменение взаимоудаления соседних пузырьков в зонах соприкосновения при обжатии системы по приведенной схеме (рис. 1). Получены математические описания, отражающие взаимосвязь тех структурных параметров, подбором которых возможно направленное регулирование толщины прослоек соприкосновения соседних пузырьков (А) и, следовательно, установление условий для устранения жесткости пеноструктур разной плотности и обеспечения соизмеримости толщины данных прослоек с частицами вяжущего, обусловливающих создание оптимальных технологических условий для получения полностью и равномерно минерализованных, качественных пенобетонных масс. Этими параметрами являются радиус воздушных пузырьков до обжатия (г0), кратность пеноструктуры (пенобетонной смеси) до (k0) и после обжатия (k):
Этим же способом можно обрабатывать пеномассы, полученные традиционными способами, особенно при низких В/Т (табл. 2).
Таблица 2
Технология приготовления пенобетона |
В/Т |
Диапазон времени гомоге-низации(с сохранением данной плотности при традиционной технологии), с |
Свойства пенобетона, р = 350 кг/м3 |
||
Средний диаметр пор, мм |
Среднее квадратичное отклонение |
Прочность при сжатии, МПа |
|||
Традиционная двухстадийная |
0,8 |
30-90 |
0,32 |
4,3 |
0,42 |
То же + обжатие-релаксация |
0,8 |
10-20 |
0,3 |
4,1 |
0,46 |
Традиционная двухстадийная |
0,6 |
45-120 |
0,28 |
5,2 |
0,54 |
То же + обжатие-релаксация |
0,6 |
10-45 |
0,25 |
4,3 |
0,63 |
Традиционная двухстадийная |
0,5 |
10-15 |
0,3 |
7,3 |
0,38 |
То же + обжатие-релаксация |
0,5 |
10-60 |
0,22 |
4,6 |
0,7 |
Рис. 1. Схема трансформации пеноструктуры при обжатии: А — толщина прослойки соприкосновения соседних пузырьков после обжатия; r01, r02, r03 — исходные радиусы воздушных пузырьков; r1, r2, r3 — радиусы обжатых пузырьков; Т — треугольник Гиббса (жидкая фаза при исходной кратности пеноструктуры)
I. Циклический режим производства
(источник обжимающего и транспортирующего усилия — сжатый воздух)
Рис. 2. Принципиальные технологические схемы производства пенобетона под давлением на основе метода «обжатие-релаксация»
Универсальность метода подтверждается и тем, что технологический принцип, заложенный в основу, позволяет применять его для транспортирования пенобетонных масс, совмещая процесс приготовления качественной смеси (на стадии обжатия) с процессом ее перекачивания по трубопроводу под давлением. При этом в процессе перекачивания и формования смеси происходит релаксация пеномассы до начального объема за счет выравнивания давления.
Таким образом, при разработке данного метода максимально использован внутренний потенциал технологических свойств пеноструктур, решены принципиальные научно-практические вопросы технологии пенобетона, а именно:
- возможность получения высокопоризованных гомогенных материалов с пониженным В/Т отношением и высоким коэффициентом использования пены за счет направленного регулирования структурных и пластично-вязких характеристик пеноструктур в процессе приготовления пенобетонных смесей;
- разработан эффективный современный способ транспортирования пенобетонных смесей к месту укладки в заводских и построечных условиях;
- обеспечена возможность применения метода совместно с существующими способами приготовления пенобетонных смесей.
Для практического воплощения данного метода были разработаны технологические схемы (рис. 2) и оборудование для приготовления и перекачивания пенобетонных смесей в обжатом состоянии под избыточным давлением с использованием мешалок-пневмонагнетателей циклического действия и аэратора непрерывного действия нагнетательного типа (а.с. № 1601969 (1989); а.с. № 1726459 (1992); а.с. № 1745550 (1992)).
Практическая реализация метода была начата в 1987—1989 гг. На ряде объектов согласно схеме Б с применением мобильных установок было уложено до 20 тыс. м2 прослойки под полы и теплоизоляционного основания из монолитного пенобетона под кровли и переданы в эксплуатацию четыре установки [1, 2]. С их помощью получены пенобетоны средней плотности 350—500 кг/м3, с пределом прочности при сжатии 0,65—1,6 МПа и коэффициентом теплопроводности 0,075-0,1 Вт/(моС).
В развитие выполненных работ была апробирована возможность получения пенобетонных масс непрерывным способом в процессе перекачки малопоризованной смеси через аэратор нагнетательного типа (схема В). В аэраторе поток смеси, обжатый избыточным давлением, в непрерывном режиме подвергался поризации сжатым воздухом и перекачивался к месту заливки гибким шлангом [2, 3].
Перспективно использование запатентованного пори-затора [4], который представляет собой малогабаритную цилиндрическую сверхскоростную мешалку непрерывного действия с совмещенными отсеками пеногенерации и смешивания пены с раствором вяжущего. Напорный метод подачи исходных компонентов (сжатый воздух — компрессором, водные растворы пенообразователя и вяжущего — соответствующими насосами) и конструкция поризатора обусловливают возможность создания внутри агрегата избыточного давления, под воздействием которого в непрерывном режиме согласно методу «обжатие-релаксация» может происходить обжатие приготовленной пены, ее смешивание в данном состоянии с вяжущим, а затем разжатие-релаксация приготовленной под давлением пенобетонной смеси (в процессе транспортирования и заливки смеси с помощью гибкого шланга) — схема Г.
По данной технологии можно получать пенобетонные материалы со средней плотностью от 200 до 1200 кг/м3 при производительности 4—16 м3/ч и дальности его подачи поризатором по горизонтали до 15 м и по вертикали до 10 м. Расстояние от водяной станции, раствора пенообразователя, компрессора и героторного растворонасоса до поризатора может составлять от 2 до 100 м по горизонтали и 50 м по высоте. На рис. 3 показан комплекс оборудования для рассматриваемой технологической схемы.
Рис. 3. Технологическая схема производства пенобетона
Принципиальным отличием и несомненным преимуществом данной технологии и оборудования являются непрерывный режим работы, малые масса и габариты поризатора-нагнетателя (210×600 мм), возможность приготовления и выдачи пенобетонной смеси поризатором в непосредственной близости от места укладки, что облегчает развертывание производства пенобетонной смеси в любом месте, в том числе непосредственно на стройплощадке, обеспечивает стабильность технологических процессов и качественных показателей получаемых материалов.
На производственно-технологической базе ООО «СОТИМ плюс» (г. Старый Оскол) с использованием данного оборудования по методу обжатия-релаксации освоено производство резательной технологии пенобетонных блоков плотностью 400—500 кг/м3 и прочностью не менее 1,5 МПа (производительностью 30—60 м3/сут). Также с использованием мобильного комплекса «Пенобетон МК1» производятся монолитные теплоизоляционные основания под кровли и прослойки под полы средней плотности 200—600 кг/м3. Получены теплоизоляционные плиты из пенобетона плотностью 200—230 кг/м3 и прочностью от 0. 12.до 0,2 МПа. Накоплен большой опыт по организации производства указанных материалов в заводских и построечных условиях.
Совместно с ООО «Приват Деал» и РУП «Волковысский завод КСОМ» организовано изготовление оборудования для производства пенобетона по данной технологии.
В развитие рассмотренного метода разрабатываются технологические приемы, позволяющие получать пенобетонные материалы средней плотности ниже 200 кг/м3. Это достигается благодаря подбору оптимальной дисперсности и однородности пенобетонной смеси, повышению ее устойчивости при одновременном снижении В/Т отношения.
Одновременно решаются задачи ускорения твердения пенобетонных масс и снижения усадки до допустимых величин. Особенно эффективным быстротвердеющим вяжущим для получения пенобетона оказалось композиционное гипсовое вяжущее (КГВ). Это вяжущее и бетоны на его основе [5] характеризуются короткими регулируемыми сроками схватывания, быстрым набором прочности, гидравлическим твердением. Возможность варьирования состава и дисперсности КГВ при его производстве позволяет выбрать вяжущее, обеспечивающее необходимые характеристики получаемому из него пенобетону. Долговечность бетонов на основе КГВ доказана результатами комплексных исследований.
Список литературы
- Меркин А.П., Кобидзе Т.Е., Зудяев Е.А., Фрейдин К.Б. Опыт устройства монолитной пенобетонной звукотеплоизоляции полов жилых зданий на строительстве Хмельницкой АЭС // Энергетическое строительство. 1988. № 11. С. 47-49.
- Меркин А.П., Кобидзе Т.Е., Зудяев Е.А. В стационарном и мобильном вариантах (о технологии и оборудовании для производства монолитного пенобетона) // Механизация строительства. 1990. № 10. С. 7-9.
- Меркин А.П., Зудяев Е.А. Установка для получения и транспортирования пенобетонных смесей // Строительные и дорожные машины. 1992. № 11. С. 4-7.
- Патент РФ № 2077421. Устройство для аэрации строительного раствора. Киселев А.Ю., Трифонов Ю.П., Кушу Э.Х., Токарев В.И. 1997.
- Коровяков В.Ф. Теоретические аспекты и практические результаты создания гидравлических композиционных гипсовых вяжущих повышенной долговечности. Проблемы и пути создания композиционных материалов из отходов промышленности. СибТИУ. Новокузнецк. 1999.
Керамические строительные материалы на основе местного сырья и отходов теплоэнергетики Татарстана
П.Н. ЖЕЛЕЗНЫЙ, инженер, И.А. ЖЕНЖУРИСТ, В.Г. ХОЗИН, кандидаты техн. наук,
Казанская государственная архитектурно-строительная академия
О возможности применения зол и шлаков ТЭС в различных отраслях промышленности известно давно. В настоящее время, когда традиционные сырьевые материалы стали дефицитны и часто дороги, к зольным отходам снова появляется интерес [1, 2].
Минерально-сырьевая база керамической промышленности Республики Татарстан бедна запасами качественного глинистого сырья. Эта проблема стоит остро и для Казанского региона. Растущие темпы гражданского строительства нуждаются в качественном керамическом рядовом и лицевом кирпиче.
За долгие годы в республике накоплены значительные объемы отходов различных производств, в том числе золы ТЭС. Их использование — важная экологическая и экономическая задача.
В настоящей работе была изучена возможность применения зольных отходов Казанской ТЭС-2 в производстве строительной керамики из суглинков Казанского региона. Для исследования были выбраны перспективные с точки зрения местонахождения суглинки Новониколаевского, Калининского и Кощаковского месторождений. Суглинок Новониколаевского месторождения лежит вблизи отвалов зольных отходов ТЭС-2 (объем залегания суглинка 1,25 млн м3, объем зольных отходов — 780 тыс. т). Химический состав используемых сырьевых компонентов представлен в табл. 1. Гранулометрический состав Новониколаевского суглинка представлен следующими фракциями: <0,005 мм — 20—30%, 0,005—0,05 мм — 60-70%, 0,05-1 мм — 10-20%. Зола представляет собой порошок серого цвета, гранулометрический состав которого представлен в табл. 2.
Минеральный состав золы формируется из связанных оксидов Si, Al, Ti, Fe, Ca, Mg, S, микроэлементов Sr, Mn, Cd, Ba, Zr, Pb и представлен на 70% стеклофазой и 15% аморфизированным глинистым веществом, кварцем, карбонатами Ca, Mg, гематитом, муллитом. Содержание углерода в пределах 8—10% [3, 4]. Характеристика глинистого сырья представлена в табл. 3.
Было проведено сравнение прочностных характеристик образцов-цилиндров, изготовленных по полусухой технологии из суглинков Новониколаевского, Калининского и Кощаковского месторождений. Оптимальный гранулометрический состав пресс-порошков следующий: фракция 3-1 мм — 45-55%, фракция <1 мм — 55-45%. Влажность пресспорошков — 8-9%. Плотность образцов, отформованных при давлении прессования 22-27 МПа, составляла 2-2,2 г/см3. Образцы сушились и обжигались в муфельной печи при скорости поднятия температуры 40-50оС/ч. Выдержка при максимальной температуре — 1 ч.
Было установлено, что максимальная прочность при сжатии для кощаковской и калининской глин достигается в интервале температур 900— 1000оС с дальнейшим ее снижением при повышении температуры. Та же прочность для образцов из новониколаевской глины достигается в зоне 1000—1100оС. Таким образом, производство кирпича из новониколаевского суглинка потребует повышенных энергозатрат. В связи с этим были проведены исследования возможности повышения прочности керамического черепка из новониколаевского суглинка в интервале температур 900— 1000оС. Был проведен подбор шихты на основе нковониколаевского суглинка и золы ТЭС.
Образцы прессовали и обжигали по вышеописанной технологии. Медленный подъем температуры от 700оС до максимальной обеспечивает полное выгорание углерода и равномерный по объему обжиг.
Таблица 1
Сырье |
SiО2 |
Аl2O3 |
ТiO2 |
Fe2O3 |
СаО |
МgО |
SO3 |
Nа2О+К2О |
п.п.п. |
Суглинок калининский |
67-72 |
12,6-14,5 |
4,6-7,5 |
1,4-2,9 |
1,8—2,2 |
следы |
1,98 |
4,5 |
|
Суглинок кощаковский |
68-72 |
10,9-12,1 |
0,72 |
3,6-3,8 |
2,28 |
1,8 |
0,04 |
3,4-3,6 |
3,8-4,6 |
Суглинок новониколаевский |
73-74 |
10-11 |
0,54 |
4,17 |
2,49 |
1,59 |
0,06 |
1,89 |
3,87 |
Зола ТЭС-2 (Казань) |
48-52 |
19-24 |
0,6-0,7 |
4-6 |
3-6 |
2-4 |
0,2-0,7 |
1,3-2,3 |
8-19 |
Таблица 2
Фракция, мм |
1 |
0,5 |
0,315 |
0,2 |
0,1 |
0,063 |
0,05 |
< 0,05 |
Содержание,% |
1,7 |
2,5 |
3,4 |
6,7 |
28,7 |
12,8 |
23,9 |
13,3 |
Таблица 3
Суглинок |
Содержание тонкой фракции <0,001 мм, % |
Содержание Аl203 в пересчете на простое вещество, % |
Содержание гигро-скопической воды, % |
Число пластичности |
Чувствительность к сушке (по Чижскому), с |
Спекаемость |
Огнеупорность, оС |
Rсж, МПа |
Rиз, МПа |
Калининский |
40 |
14,45 |
3 |
12-20 |
98-110 высокочувствительный |
Неспекающийся |
1288 |
26-40 |
18-26 |
Кощаковский |
20,16 |
12,92 |
2,95 |
10-12 |
125 среднечувствительный |
Неспекающийся |
1295 |
13-23 |
13-20 |
Новониколаевский |
24,2 |
10,51 |
2,46 |
8-12 |
152 среднечувствительный |
Неспекающийся |
1350 |
40-56 |
3-7 |
В процессе обжига золокерамический материал дополнительно разогревается за счет внутреннего тепловыделения при выгорании частиц кокса, окиси углерода, содержащихся в порах стеклофазы. Температура образцов может превышать температуру среды на 80-100оС, что оказывает существенное влияние на формирование прочной структуры керамического черепка [1, 5].
Зологлиняная шихта на основе новониколаевского суглинка представляет собой высокодисперсную композицию (содержание фракции <1 мм для состава с 20% золы — более 70%), которая при увлажнении водой представляет собой малопластичную массу. На рис. 1 показана зависимость прочности при сжатии образцов из 100% новониколаевского суглинка и шихты с 20% золы ТЭС от влажности шихты.
Из рис. 1 видно, что при температуре обжига 1000оС для новониколаевского суглинка наибольшая прочность достигается при полусухом прессовании. Это может быть объяснено высоким содержанием в суглинке высокодисперсного кварца (фракция 0,005—0,05 мм — 60—70%). Введение в суглинок мелкодисперсной золы ТЭС и увеличение влажности формовочной смеси повышает пластические свойства массы, способствует равномерному уплотнению сырца при прессовании. Это обусловило увеличение прочности образцов при 1000оС в диапазоне влажности пластического формования. Для этого диапазона влажности были испытаны составы с различным содержанием золы (рис. 2).
Rсж,МПа | Rсж,МПа |
Рис. 1. Зависимость прочности при сжатии образцов от влажности шихты: 1 — суглинок новониколаевский (100%), Тобж = 1000оС; 2 — шихта: суглинок новониколаевский (80%) + зола (20%), Тобж = 950оС; 3 — шихта: суглинок новониколаевский (80%) + зола (20%), Тобж = 1000оС | Рис. 2. Зависимость прочности при сжатии образцов от количества добавки золы (влажность шихты 20%): 1 — Тобж = 950оС; 2 — Тобж = 1000оС; 3 — Тобж = 1050оС |
Структурообразование в глинах и керамических материалах, представляющих собой полиминерально-коллоидные и композиционные системы, описывается в рамках физико-химической механики дисперсных структур [1, 2, 5, 6]. Технологические свойства глин и формируемого из них сырца определяются взаимопревращениями коагуляционных и конденсационных структур, а свойства керамики — образующимися при обжиге кристаллизационными образованиями [1, 5]. В нашем случае предполагается различие в механизме формирования оптимальной коагуляционно-кристаллизационной структуры сырца при переходе от пластичного формования к полусухому и закрепленной при обжиге. Кроме того, формированию кристаллизационной структуры при обжиге способствует повышенное содержание кварца в глине. Удовлетворительная прочность материала достигается при температуре около 1000оС.
Проведенные исследования показали хорошие перспективы использования новониколаевского суглинка и золы ТЭС для получения строительной керамики. Современные технологии производства строительной керамики могут обеспечить высокое качество изделий из отходов и местного низкосортного сырья.
Список литературы
- Сайбулатов С.Ж. Ресурсосберегающая технология керамического кирпича на основе зол ТЭС. М.: Стройиздат. 1990. 248 с.
- Семин М.А., Джумагулов С.Д. Золы и шлаки ТЭС — ценное минеральное сырье для силикатной отрасли // Стекло и керамика. 2003. № 8. С. 22-23.
- Исследование сырья Подгорен-ского кирпичного завода на пригодность для производства кирпича методом полусухого прессования с пластической переработкой массы / Отчет о научно-исследовательской работе. ВНИИстром им. П.П. Будникова. 1985. 87 с.
- Разработать способы повышения качества изделий полусухого прессования путем обработки пресс-порошка различными химически активными веществами / Отчет о научно-исследовательской работе. ВНИИстром им. П.П. Будникова. 1984. 38 с.
- Женжурист И.А. Об особенностях формирования керамического черепка из пресс-порошков пылеватого суглинка // Строит. материалы. 2000. № 6. С. 26-28.
- Стороженко Г.И., Завадский В.Ф. Технология производства и сравнительный анализ пресс-порошков для строительной керамики и механоактивированного сырья // Строит. материалы. 1998. № 12. С. 6.
Значение уровня риска в теории возможностей
В.С. УТКИН, д-р техн. наук, Вологодский государственный университет
Для оценки качества продукции при ограниченной информации о показателе качества используются методы на основе теории возможностей. Исследуемая нечеткая переменная в этом случае характеризуется функцией распределения возможностей (ФРВоз), возможностью R и необходимостью N реализации события.
Одним из параметров ФРВоз является уровень риска ае[0,1], которым специалисту приходится задаваться. От принятого значения а зависит характеристика степени реализации показателя качества продукции. В [1] было рассмотрено влияние значения а на показатели качества продукции и приведена его зависимость от числа образцов при испытаниях. Чтобы облегчить специалисту выбор значения а, рассмотрим дополнительные условия для сужения интервала [0,1]. На практике часто используются треугольные, трапециевидные и экспоненциальные ФРВоз [2]. На рис. 1 показан график треугольной ФРВоз πx(x).
Рис. 1. Вид функции распределения возможностей πх(х): а = (Xmax+Xmin)/2, α∈[0,1]
Из рис. 1 видно, что ФРВоз (восходящая ветвь) имеет вид
πх(x) = ((a-x)a + (x-Xmin))/(a-Xmin). (1)
Для нисходящей ветви
πх (x) = ((x-a)α + (Xmax-x))/(Xmax-a).
Значение πx (x) возрастает с ростом α. Однако значение αmax ограничено сверху. Во-первых, показатель качества может, например, принимать только положительные значения. В этом случае значение x ограничено условиями x≥0 и πх (x)≥0. Крайний случай соответствует условию x = 0 и πх (0) = 0. Тогда из (1) amax = Xmin/a. Во-вторых, значение x может быть ограничено условием x≥xo, где x0 наименьшее (наибольшее для правой ветви ФРВоз πх (x)) значение, невыполнение которого приводит к браковке данной продукции. Кроме того, имеется ограничение по степени обеспеченности реализации значения x = x0. Если обеспеченность значения x0 xарактеризовать необходимостью (нижнее значение вероятности) реализации события x = x0 равной N0 = N(x0) = 1-πх (x0), то из (1) найдем αmax = 1-N0(a-xmin)/(a-x0).
Пример. Пусть известны Xmax = 10, Xmin = 6, a = 8, x0 = 5, N0 = 0,9. Тогда αmax = 1-0,92/3 = 0,4.
Рассмотрим экспоненциальную ФРВоз вида
πx (x0) = exp{−[(x-a)/b]2}. (2)
Рис. 2. ФРВоз πx(x), a = (Xmax + Xmin)/2, b = (Xmax − Xmin)/2√−lnα
На рис. 2 представлен график этой функции. Возможность реализации события обозначается R, а необходимость N(x) находится по условию N = 1-πх (x) [1].
Из рис. 2 видно, что с увеличением a возрастает πх (x) при одном и том же значении x, например при x = хmax. Для нахождения значения b задаются ae [0,1]. Чтобы облегчить выбор a, найдем его наибольшее возможное значение amax. При характеристике продукции в виде показателя x>0 всегда имеется некоторый порог его значения x0, ниже которого он не должен быть. Качество продукции характеризуется значением x и степенью обеспеченности этого значения, которая определяется интервалом [R,N = 1-πX(x)] (рис. 2). Например, при оценке качества древесины по влажности при x≤a будем иметь R = 1, при оценке прочности R = 1 при x≥a. В этих случаях ограничение по x0 приводит к ограничению N(x) или πх (x0) = α0.
Найдем наибольшее значение уровня риска αmax, при ограниченных условиях x≥x0, α≤αmax, используя (2). Чтобы обеспечить значение πх(x0) = α0 при x0, нужно найти значение amax в параметре b = (Xmax-Xmin)/2√−lnαmax. Подставляя в (2) α0 = πх(x0), x=x0, a и b, получим
αmax = exp{-(Xmax-Xmin)2)(-lnα0)/4(a-X0)2}. (3)
Пример. Пусть Xmax = 10, Xmin = 6, a = 8, x0 = 4, α0 = 1-10—2, lnα0 = -4,6. Из (2) найдем αmax = exp{-16×4,6/4×16} = 0,3.
В этом случае значение α выбирается не из [0,1], а из [0;0,3], то есть принятие решения о значении α упрощается и уточняется.
Для окончательного выбора значения α≤αmax в параметре b учитывается число измерений (испытаний), ответственность конструкции, стоимость, например, последствий разрушения и т. д. Пусть в предыдущем примере принято значение α = 0,2, то есть меньше αmax = 0,3. Найдем обеспеченность значения x = 4. В этом случае имеем b = (10-6)/22√-ln0,2 = 1,6; a = 8, R = 1, так как x = 4< a = 8 и πх(4) = 1,9х10-3, N(4) = 0,998.
Возможность и необходимость реализации события x = 4 при исходных статистических данных о величине x характеризуется интервалом [1;0,998].
Список литературы
- Уткин В.С., Кошелева Ж.В. Об оценке качества строительных материалов в зависимости от числа образцов // Строит. материалы. 2001. № 9. С. 26—27.
- Уткин В.С., Уткин Л.В. Определение надежности строительных конструкций: Учебное пособие. 2-е изд., перераб. Вологда: ВоГТУ, 2000. 176 с.
Модификация лакокрасочных материалов с помощью электромагнитной обработки
Л.П. КОРТОВЕНКО, Т.В. КИРБЯТЬЕВА, А.Л. АНОХИН, инженеры (Астраханский научно-исследовательский и проектный институт газа)
Аппараты вихревого слоя нашли широкое применение в промышленности. Известно использование аппарата вихревого слоя при производстве лакокрасочных материалов (ЛКМ) [1]. Однако при анализе научно-технической и патентной литературы сведений о применении указанной технологии для улучшения качества уже готовых ЛКМ не выявлено.
Цель проведенной работы — исследование влияния обработки в аппарате вихревого слоя на качество лакокрасочных материалов, в том числе на качество ЛКМ с истекшим сроком хранения.
Для исследований использовали аппарат вихревого слоя типа В-150К-04. Под воздействием вращающегося магнитного поля обрабатываемые вещества подвергаются интенсивному перемешиванию и диспергированию, акустической обработке, трению, высоким локальным давлениям и т. д.
Для исследований были отобраны следующие ЛКМ:
- эмаль ПФ-115 (ГОСТ 6465);
- эмаль ПФ-266 (ТУ 6-10-822-84);
- эмаль Виниколор «Ц» марки А (ТУ 2313-451-0-05034239-95);
- кремнийорганическая эмаль КО-814 (ГОСТ 5494);
- эпоксидная грунтовка ЭП-0259 (ТУ-6-21-88—97).
Эмали ПФ-115 и ПФ-266 имели истекший срок хранения (5 лет).
Для данных лакокрасочных материалов определяли физико-механические свойства до и после активации в аппарате вихревого слоя. Кроме того, определяли физико-механические свойства эмалей ПФ-115 и ПФ-266 с добавкой алюминиевой пудры (в количестве 10 мас. %), также прошедших обработку в аппарате вихревого слоя.
Обработка лакокрасочных материалов в аппарате вихревого слоя проводилась при комнатной температуре в течение 30 с.
Для всех исследованных лакокрасочных покрытий были определены следующие показатели: условная вязкость (ГОСТ 8420), адгезия (ГОСТ 15140), твердость (ГОСТ 5233), прочность пленки при ударе (ГОСТ 4765), эластичность пленки при изгибе (ГОСТ 6806).
Результаты проведенных исследований указанных покрытий представлены в табл. 1, 2.
Как видно из приведенных данных, практически у всех ЛКМ, прошедших обработку в аппарате вихревого слоя, наблюдается улучшение физико-механических показателей.
У эмалей ПФ-115 и ПФ-266 (с истекшим сроком хранения) после обработки в аппарате вихревого слоя приводятся в соответствие с техническими требованиями такие показатели, как эластичность пленки при изгибе и адгезия, а также уменьшение условной вязкости. Таким образом, отпадает необходимость в дополнительном использовании растворителей для их дальнейшего применения. Добавление к исходному ЛКМ алюминиевой пудры с последующей обработкой в аппарате вихревого слоя приводит к более значительному снижению вязкости и увеличению прочности эмали. У эмали ПФ-115 активация в аппарате вихревого слоя не изменяет такой показатель, как прочность при ударе, но при добавлении алюминиевой пудры и последующей активации прочность при ударе возрастает в 2,5 раза. Также окрашивание алюминиевых профилей добавляет им прочности.
С целью исследования влияния обработки в аппарате вихревого слоя на защитные свойства ЛКМ были проведены электрохимические исследования эмалей КО-814, Виниколор и грунтовки ЭП-0259 без обработки и модифицированных в аппарате вихревого слоя.
Электрохимические испытания образцов с нанесенными ЛКМ проводились в ускоряющем лабораторном растворе (3% раствор KCl + 0,5М H3BO3) в диапазоне частот 20 Гц — 200 кГц импедансным методом [2, 3].
Таблица 1
Показатели |
Эмаль ПФ-115 |
Эмаль ПФ-266 |
||||
без обработки в аппарате вихревого слоя |
с обработкой в аппарате вихревого слоя |
с добавкой алюминиевой пудры и обработкой в аппарате вихревого слоя |
без обработки в аппарате вихревого слоя |
с обработкой в аппарате вихревого слоя |
с добавкой алюминиевой пудры и обработкой в аппарате вихревого слоя |
|
Условная вязкость по ВЗ-4 при 20оС, с |
150 |
70 |
25 |
100 |
95 |
35 |
Прочность при ударе по У-2, кгссм |
20 |
20 |
50 |
15 |
40 |
40 |
Адгезия, баллы |
2 |
1 |
2 |
2 |
1 |
1 |
Эластичность пленки при изгибе на стержне диаметром, мм |
5 |
1 |
1 |
5 |
1 |
20 |
Блеск по ФБ-2, % |
75 |
98 |
42 |
80 |
98 |
26 |
Твердость по М-3 при 20оС, усл. ед. |
0,07 |
0,09 |
0,11 |
0,18 |
0,07 |
0,13 |
Таблица 2
Показатели |
ЭП-0259 |
Виниколор |
КО-814 |
|||
без обработки |
с активацией |
без обработки |
с активацией |
без обработки |
с активацией |
|
Условная вязкость по ВЗ-4 при 20оС, с |
25 |
27 |
25 |
27 |
18 |
18 |
Прочность при ударе по У-1, кгс.см |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
50 |
Время высыхания при 18-20оС, до степени 1, не более, ч |
1 |
1 |
3 |
2 |
2 |
1 |
Адгезия, баллы |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
1 |
Эластичность пленки при изгибе на стержне диаметром, мм |
3 |
2 |
3 |
2 |
3 |
1 |
Твердость по М-3, при 20оС, усл. ед. |
0,5 |
0,6 |
0,5 |
0,6 |
0,4 |
0,7 |
В результате исследований установлено, что дифференциальная емкость образцов с эмалью КО-814, прошедшей электромагнитную обработку в аппарате вихревого слоя, по сравнению с образцами с необработанной эмалью снижается вдвое и почти не изменяется в течение всего времени экспозиции в агрессивной среде. Это свидетельствует об улучшении защитных (эксплуатационных) свойств лакокрасочных покрытий.
Проведенные эксперименты показали, что электромагнитная обработка ориентировочно в два раза повышает эффективность покрытия эмалью КО-814 при одной и той же его фактической толщине, что очень важно как с технологической, так и с экономической точки зрения.
Такое увеличение эффективности покрытия на основе эмали КО-814 в результате электромагнитной обработки позволяет существенно повысить его срок службы. Это весьма важно для термостойких ЛКМ, так как толщина этого вида покрытий лимитируется их склонностью к растрескиванию из-за термических напряжений, возникающих при нагревании до высоких температур.
Заметного влияния электромагнитной обработки на электрохимические параметры образцов с эмалью Виниколор и грунтом ЭП-0259 не установлено.
Таким образом, проведенные исследования позволяют сделать вывод, что обработка в аппарате вихревого слоя позволяет улучшить качество готовых лакокрасочных материалов, в том числе ЛКМ с истекшим сроком хранения.
Список литературы
- А.с. 294477. СССР. БИ. 1971. № 6.
- Прогнозирование срока службы лакокрасочных покрытий в агрессивных средах // Проблемы освоения Астраханского газоконденсатного месторождения. Астрахань: ИПЦ «Факел». 1999. С. 282—285.
- Математическая модель и расчет ресурса лакокрасочных покрытий для реальных условий эксплуатации // Проблемы освоения Астраханского газоконденсатного месторождения. Астрахань: ИПЦ «Факел». 1999. С. 276-279.
Статья взята из журнала «Строительные материалы»
Исследования состава природного песка и отходов горно-перерабатывающей промышленности
Е.А. НИКОНЕНКО, канд. хим. наук (Уральский государственный технический университет — УПИ),
Т.П. КОЧНЕВА, инженер-технолог (ООО «Богословский кирпичный завод),
И.Д. КАЩЕЕВ, д-р техн. наук, М.П. КОЛЕСНИКОВА, канд. техн. наук (НОУ ВПО «Институт менеджмента и рынка»)
В качестве отощителя в производстве керамического кирпича применяется обычно природный песок. Песок вводится для снижения влажности массы и усадки, повышения температуры деформации изделия при обжиге. В связи с тем, что в промышленной зоне Северного Урала отсутствуют крупные месторождения песка, на Богословском кирпичном заводе (г. Краснотурьинск) появилась необходимость в поиске подходящего заменителя.
Для исследования возможности применения отходов Турьинского медного рудника (ТМР, г. Краснотурьинск) в качестве отощителя для производства кирпича проведены сравнительные исследования физико-химических свойств отхода ТМР и песка Каменского карьера (г. Краснотурьинск). Отходы ТМР получаются в процессе обогащения железных и медных руд методами магнитной сепарации и флотации. Обогатительная фабрика ТМР работает с 1961 г., и количество отходов на сегодняшний день составляет 4884 тыс. т на площади 1345 тыс. м2. Результаты химического анализа усредненных образцов показали, что отходы ТМР в основном содержат SiO2 (36,2 мас. %), CaO (26,7 мас. %), Fe2O3 (21,3 мас. %), A12O3 (7,3 мас. %), тогда как каменский песок — SiO2 (88,6 мас. %), Fe2O3 (1,2 мас. %), A12O3 (5,3 мас. %).
Для выявления минералогического состава отходов ТМР и каменского песка был проведен рентгенофазовый анализ. Рентгенограммы образцов получены на приборе ДРОН-4 (условия съемки: анод Cu, U = 40 кВ, I = 20 мА). Результаты исследований отходов ТМР и каменского песка приведены в табл. 1 и 2 соответственно. Согласно полученным данным отходы ТМР состоят преимущественно из граната и пироксена (андрадит, диопсид), магнетита. Каменский песок представлен в основном кварцем и опалом, содержит небольшое количество каолинита, граната, полевого шпата (анортит, альбит). В отличие от каменского песка в отходах ТМР имеются: кальцит и сульфиды железа — пирротин, пирит.
Таблица 1
Отходы ТМР |
Андрадит |
Диопсид |
Магнетит |
Кварц |
Кальцит |
||||||
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
4,26 |
28 |
4,47 |
70 |
4,26 |
35 |
||||||
4,02 |
27 |
3,343 |
100 |
||||||||
3,34 |
22 |
||||||||||
3,23 |
17 |
3,23 |
60 |
||||||||
3,189 |
18 |
||||||||||
3,03 |
100 |
3,015 |
60 |
2,98 |
100 |
3,04 |
100 |
||||
2,691 |
66 |
2,696 |
100 |
2,94 |
40 |
||||||
2,532 |
16 |
2,571 |
14 |
2,52 |
100 |
||||||
2,456 |
12 |
2,462 |
45 |
2,458 |
12 |
2,49 |
40 |
||||
2,359 |
16 |
2,365 |
18 |
2,29 |
10 |
2,27 |
60 |
||||
1,953 |
15 |
1,956 |
25 |
1,97 |
8 |
2,1 |
70 |
||||
1,907 |
19 |
1,907 |
12 |
1,92 |
60 |
||||||
1,67 |
15 |
1,673 |
25 |
1,66 |
8 |
||||||
1,61 |
33 |
1,611 |
60 |
1,61 |
64 |
||||||
1,603 |
20 |
1,6 |
70 |
||||||||
1,507 |
12 |
1,507 |
14 |
1,48 |
80 |
1,54 |
20 |
1,52 |
50 |
||
1,345 |
15 |
1,348 |
14 |
1,35 |
40 |
||||||
1,315 |
12 |
1,316 |
20 |
Таблица 2
Песок |
Кварц |
Каолинит |
Андрадит |
Анортит |
Альбит |
||||||
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
d, Å |
J/J0, % |
4,25 |
24 |
4,26 |
35 |
4,31 |
65 |
4,26 |
14 |
||||
4,03 |
4,08 |
30 |
4,11 |
60 |
|||||||
3,85 |
3,8 |
30 |
3,81 |
20 |
|||||||
3,7 |
3,6 |
20 |
3,7 |
30 |
|||||||
3,36 |
100 |
3,343 |
100 |
3,54 |
65 |
3,37 |
20 |
3,4 |
10 |
||
3,24 |
6 |
3,343 |
100 |
3,26 |
100 |
3,21 |
100 |
||||
3,189 |
9 |
3,195 |
8 |
3,2 |
100 |
||||||
2,452 |
9 |
2,458 |
12 |
2,551 |
35 |
2,458 |
12 |
2,44 |
40 |
||
2,278 |
5 |
2,282 |
12 |
2,29 |
10 |
2,31 |
40 |
||||
2,234 |
5 |
2,237 |
6 |
2,32 |
45 |
||||||
2,124 |
10 |
2,128 |
9 |
2,13 |
60 |
2,17 |
10 |
||||
1,977 |
4 |
1,98 |
6 |
1,97 |
8 |
||||||
1,816 |
13 |
1,817 |
17 |
1,832 |
4 |
||||||
1,67 |
5 |
1,672 |
7 |
1,664 |
16 |
1,66 |
8 |
||||
1,54 |
10 |
1,541 |
15 |
1,54 |
20 |
||||||
1,451 |
10 |
1,433 |
3 |
1,488 |
25 |
||||||
1,381 |
2 |
1,382 |
7 |
||||||||
1,373 |
1,375 |
11 |
Сравнительный минералогический состав отходов ТМР и каменского песка показал, что отходы ТМР содержат гранат (андрадит, пироксен, диопсид и гендебергит) в количестве 60—70% и магнезит — 10—15%, немного кальцита — 5—7%, кварц, опал — 5—8%, тогда как каменский песок содержит кварца, опала 75—85%, каолинита — 8—10%, магнезита — 1—3%, граната — 6%.
Для подтверждения данных рентгенофазового анализа были получены ИК-спектры исследуемых образцов каменского песка и отходов ТМР в области 400—4000 см-1 в таблетках с KBr (1 мг вещества на 300 мг KBr). ИК-спектры представлены на рисунке.
В ИК-спектре отходов ТМР (рис. а) присутствуют полосы поглощения при 3450, 1620 см-1, которые можно отнести к валентным и деформационным колебаниям Н2О соответственно. Полосы, обусловленные колебаниями Si-O, проявляются при 440, 510, 680, 1030 и 1070 см-1. О присутствии кальцита свидетельствуют полосы поглощения при 1410, 890 см-1.
ИКAспектры отходов ТМР (а) и каменского песка (б)
В ИК-спектре каменского песка (рис. б) к колебаниям Si-O относятся полосы поглощения в области 680, 770, 790,1070 см-1. О присутствии воды свидетельствуют полосы поглощения при 3430,1610 см-1. Полосы поглощения кальцита отсутствуют.
Таким образом, отходы ТМР, содержащие около 40% SiO2, могут быть рекомендованы для частичной замены природного песка в производстве керамического кирпича. Пониженное по сравнению с песком содержание SiO2 будет улучшать усадочные характеристики кирпича, так как на стадии обжига изделие меньше реагирует на модификационные превращения. Повышенное количество соединений железа будет способствовать улучшению цветности и спекания черепка. Недостатком отходов ТМР является значительное содержание карбонатов, поэтому отходы следует дозировать таким образом, чтобы суммарное количество карбонатов в шихте не превышало предельно допустимой нормы во избежание образования высолов на поверхности кирпичей. Использование техногенных отходов, занимающих большие территории вблизи г. Краснотурьинска, поможет успешному решению экологических проблем и позволит более рационально использовать минеральное сырье.
Статья взята из журнала «Строительные материалы»
Обеспечение надежности нагруженных строительных изделий из полимерных материалов на этапах проектирования, производства и эксплуатации
А.И. РЕУТОВ, канд. техн. наук,
(Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники)
Среди нагруженных строительных изделий из полимерных материалов можно выделить группу изделий для инженерного обеспечения объектов строительства и обустройства территорий [1]. К таким изделиям относятся трубы, соединительные и фасонные изделия из конструкционных термопластов, используемые в системах холодного и горячего водоснабжения, отопления, водоподготовки, пневмопроводах и технологических трубопроводах. В системах поверхностного водоотвода при обустройстве территорий используются пластмассовые водостоки: желоба, дождеприемники, решетки и т. д. На предприятиях, производящих строительные материалы, применяются полимерные противоналипающие футеровочные пластины. Полимерные материалы используются при ремонте технологического оборудования. Конструкционные термопласты широко применяются в зданиях и сооружениях, построенных по технологии домостроительной системы SOPOS: стержневые элементы несъемной опалубки для крепления арматуры, втулки крепления навесных конструкций.
Широко применяемыми полимерными материалами являются термопласты на основе полипропилена (ПП), включающие в себя базовые марки полипропилена, статистические сополимеры, блоксополимеры (БСП), наполненные и морозостойкие композиции (МПП).
В настоящее время отсутствуют методы оценки надежности, учитывающие особенности поведения полимерных строительных материалов на этапах проектирования, производства и эксплуатации. Полимерные композитные материалы (ПКМ) имеют значительное рассеяние прочностных и деформационных характеристик в исходном состоянии, а также в процессе эксплуатации.
В данной работе рассматривается влияние факторов, действующих на надежность строительных изделий из полимерных материалов на этапах проектирования, производства и эксплуатации. Разработана концепция поэтапной оценки надежности строительных изделий из полимерных материалов по различным критериям в зависимости от назначения изделия и характера его работы.
Для поэтапной оценки надежности изделий из полимерных материалов по основным критериям необходимо иметь статистическую информацию по деформационно-прочностным, упругим, дилатометрическим и усадочным характеристикам.
Оценка надежности начинается с анализа изделия, его назначения, режима работы, условий эксплуатации, вида ожидаемых отказов. На этой основе выбирается критерий работоспособности изделия. Наиболее распространенными критериями являются прочность, точность, климатическая устойчивость, стойкость к агрессивным средам и др.
Модель расчета надежности по критерию прочности основана на анализе распределения действующих и предельных напряжений, по критерию точности — на анализе распределения усадочных характеристик и размерного допуска изделия, по критерию климатической устойчивости — на анализе распределения текущего и предельного параметров.
В качестве основного критерия оценки надежности строительных изделий из полимерных материалов, работающих под нагрузкой, является критерий прочности. На рис. 1 приведена структурная схема поэтапной оценки надежности изделий из полимерных композитных материалов по критерию прочности.
Для полимерных покрытий материалов с различными коэффициентами линейного теплового расширения, полимерных деталей, армированных металлическими вставками, металлополимерных изделий оценка надежности также проводится по критерию прочности. Для оценки надежности по критерию прочности необходимо определить вероятность того, что прочность изделия или его элемента больше, чем расчетные напряжения.
Для оценки прочностной надежности необходимо знать распределение случайных величин — максимального эквивалентного напряжения и прочности. Распределение случайных величин напряжения и прочности для элементов конструкций из полимерных материалов может быть описано нормальным законом. Зная это распределение случайных величин, на основе статистической модели надежности можно определить вероятность безотказной работы элемента по критерию прочности [2, 3].
Выражая вероятность безотказной работы R(t) через нормированную функцию нормального распределения, имеем
где — среднее значение предела текучести при растяжении; — среднее значение эквивалентного напряжения; Sσm — среднеквадратическое отклонение предела текучести при растяжении; Sσэкв — среднеквадратическое отклонение эквивалентного напряжения.
В данной работе в качестве объектов исследования были выбраны материалы на основе ПП. Образцы в форме лопаток с площадью поперечного сечения А0: 2,5×1; 5×2; 13×3; 25×8 мм2 были изготовлены методом литья под давлением в количестве 30 шт. для каждого типоразмера. Образцы испытывали на растяжение на испытательной машине 2167 Р-50 при скорости растяжения 50 мм/мин.
На этапе проектирования при выборе материала следует иметь в виду, что при одинаковом коэффициенте безопасности существенное значение для оценки вероятности безотказной работы будет иметь изменчивость этих величин, определяемая их средеквадратическими отклонениями. Коэффициент безопасности определяется как отношение среднего значения предела текучести к среднему значению эквивалентного напряжения .
Таблица 1
Материал |
, МПа |
Sσm, МПа |
Материал |
, МПа |
Sσm, МПа |
ПП 21060-16 |
32 |
0,37 |
ПП 21060-16 А20 |
32 |
0,43 |
МПП 15-04, бесцветный |
24,7 |
0,53 |
ПП 21060-16 Т20 |
33,7 |
0,35 |
МПП 15-04, черный |
26,9 |
0,51 |
БСПЭ 22013-С |
23,6 |
0,52 |
МПП 15-06, бесцветный |
25,4 |
0,7 |
БСПЭ 22015-16 |
29,1 |
0,52 |
МПП 15-06, черный |
25,3 |
0,7 |
БСПЭ 22007-16 |
29,4 |
0,39 |
Примечание. — среднее значение предела текучести измеряли по ГОСТ 11262-80 на образцах сечением 10 мм2; Sσm — среднеквадратическое отклонение предела текучести. БСПЭ — блоксополимер ПП с этиленом. |
Таблица 2
Материал |
Величина площади поперечного сечения А0, мм2 |
||||
2,5 |
10 |
39 |
200 |
||
МПП 15-04 бесцветный | , МПа |
31,85 |
24,74 |
24,69 |
21,94 |
Sσm, МПа |
1,35 |
0,53 |
1,16 |
0,22 |
|
БСПЭ
2200716 |
, МПа |
40 |
29,35 |
28,64 |
28,1 |
Sσm, МПа |
2,28 |
0,39 |
0,31 |
0,1 |
Таблица 3
Материал |
Е, МПа |
μ |
α ст,106 град−1 |
αв.э, 106 град 1 |
Тст, К |
БСПЭ 22007-16 |
1170/95 |
0,37/0,02 |
— |
98/12 |
— |
МПП 15-04, бесцветный |
1110/77 |
0,36/0,018 |
— |
104/14 |
— |
МПП 15-04, черный |
1100/76 |
0,36/0,017 |
— |
101/13 |
— |
СНП 21060-16-С30 |
1500/114 |
0,26/0,016 |
15/2,7 |
30/3,2 |
272/2 |
Примечание. Над чертой — среднее значение, под чертой — среднеквадратическое отклонение модуля упругости Е, коэффициента Пуассона μ, коэффициентов линейного теплового расширения в стеклообразном α ст и в высокоэластическом αв.э состояниях и температуры стеклования Тст соответственно. |
Так, для базовых марок полипропилена (ПП) среднеквадратическое отклонение прочности меньше, чем у наполненных композиций ПП и у морозостойких композиций ПП (МПП), представляющих собой механическую смесь базовых марок ПП с бутилкаучуком или полиизобутиленом (табл. 1). Следует учитывать, что статистические характеристики деформационно-прочностных свойств ПКМ различаются для разных партий одного и того же материала.
В табл. 2 приведены среднее значение и среднеквадратическое отклонение предела текучести при различной величине A0, мм2, для термопластов на основе ПП. Увеличение площади поперечного сечения A0 образцов вызывает уменьшение среднего значения и незначительно изменяет среднеквадратическое отклонение предела текучести исследуемых термопластов. Кроме того, величина А0 оказывает существенное влияние на другие деформационнопрочностные свойства материалов на основе полипропилена.
На разброс значений эквивалентных напряжений влияет рассеяние упругих, деформационных и теплофизических характеристик. В табл. 3 представлены значения средних и среднеквадратических отклонений модуля упругости Е, коэффициента Пуассона μ, коэффициентов линейного теплового расширения в стеклообразном αст и в высокоэластическом αв.э состояниях и температуры стеклования Тст.
Приведенные материалы на основе полипропилена в эксплуатационном диапазоне температур находятся в высокоэластическом состоянии, за исключением стеклонаполненного полипропилена СНП 21060-16-С30.
Рис. 1. Структурная схема поэтапной оценки надежности
На рис. 2 показано влияние среднеквадратических отклонений параметров, составляющих модели надежности: предела текучести, коэффициента Пуассона, модуля упругости на вероятность безотказной работы. Вероятность безотказной работы рассчитана для случая нанесения полимерного покрытия из МПП 15-04-901 на жесткую основу. Равное двухосное напряженное состояние возникает из-за разницы коэффициентов линейного теплового расширения жесткой основы и полимерного покрытия. Зададим коэффициент безопасности n = 1,2. Эквивалентные напряжения рассчитываем по гипотезе наибольших касательных напряжений при постоянной деформации их вызывающей. Среднеквадратическое отклонение исследуемого параметра рассчитывалось при 20, 50 и 100% увеличения его исходного значения, при этом остальные параметры не изменялись. Из графика видно, что наибольшее влияние на вероятность безотказной работы оказывает модуль упругости. При росте среднеквадратического отклонения модуля упругости в два раза от исходного значения вероятность безотказной работы уменьшается с 0,973 до 0,841. Увеличение в два раза среднеквадратических отклонений коэффициента Пуассона и предела текучести приводит к незначительному уменьшению надежности покрытия.
В строительных изделиях из полимерных материалов в местах резкого изменения формы, в полимерных деталях, армированных металлическими вставками, в полимерных покрытиях имеются места концентрации напряжений. Максимальные местные напряжения определяются через коэффициенты концентрации напряжений. Результаты испытаний образцов частично кристаллических полимерных материалов с концентратором напряжений показывают увеличение разброса значений прочностных характеристик. Например, для термопласта блоксополимера БСПЭ 22007-16 среднеквадратическое отклонение прочности при растяжении образцов без концентратора напряжений равно 0,39 МПа, а с концентратором напряжений — 0,53 МПа. Испытания показали, что материалы на основе ПП нечувствительны к концентраторам напряжений.
Результаты экспериментальных исследований средних значений и среднеквадратических отклонений предела текучести термопласта БСПЭ 22015-16 с ростом содержания отходов переработки показали некоторое колебание прочности в пределах 29,4 МПа (при содержании 0% отходов) до 27,6 МПа (при содержании 100% отходов) и незначительное снижение ее среднеквадратического отклонения с 1 до 0,98 [4]. При этом вероятность безотказной работы изделия из термопласта БСПЭ 22015-16 с различным содержанием отходов переработки изменяется нелинейно и равна 0,95 в образцах, не содержащих отходов; 0,82 при добавке 10% отходов; 0,97 и 0,86 при 50 и 100%-ном содержании отходов соответственно. Это связано, вероятно, с незначительным изменением модуля упругости до 6% и значительным изменением его среднего квадратического отклонения до 70% при увеличении содержания массовой доли технологических отходов. Максимальное изменение среднеквадратического отклонения модуля упругости наблюдалось при 10% и 100% содержания массовой доли технологических отходов.
Для оценки влияния эксплуатационных факторов на надежность строительных изделий из полимерных материалов, работающих под нагрузкой, рассмотрим влияние естественных климатических факторов. В качестве примера рассмотрены бесцветные конструкционные термопласты, имеющие значительное изменение свойств при старении.
Экспонирование образцов материала проводилось в течение 12 месяцев на климатической площадке в районе г. Якутска. Оказалось, что в течение года экспонирования предел текучести уменьшается. Например, для образцов МПП 15-04 бесцветного с 24,7 до 10,2 МПа, а для образцов из БСПЭ 2207-16 — с 29,4 до 9,5 МПа. Среднеквадратическое отклонение предела текучести с увеличением времени старения возрастает. Модуль упругости при растяжении за этот же период изменяется незначительно. Так, для МПП 15-04 бесцветного модуль упругости изменяется от 1100 до 920 МПа, а для БСПЭ 2207-16 — с 1170 до 1390 МПа.
На рис. 3 показана зависимость вероятности безотказной работы от времени старения термопластов на основе ПП в условиях холодного климата. Вероятность безотказной работы рассчитана для случая одноосного напряженного состояния при исходном коэффициенте безопасности, равном 1,5 для обоих материалов. Действующие напряжения определялись для постоянной деформации при изменении модуля упругости при старении. Из графика видно, что вероятность безотказной работы для рассмотренной модели существенно зависит от времени старения, особенно для слабо стабилизированных бесцветных термопластов.
Рис. 2. Влияние изменения среднеквадратического отклонения параметра на вероятность безотказной работы: 1 – предел текучести; 2 – коэффициент Пуассона; 3 – модуль упругости
Рис. 3. Зависимость вероятности безотказной работы от времени старения термопластов на основе полипропилена: 1 – МПП 15F04, бесцветный; 2 – БСПЭ 22007F16 в условиях холодного климата
Таким образом, концепция поэтапной оценки надежности строительных изделий из полимерных материалов включает следующие положения.
Первое положение связано с выбором критерия работоспособности на основе анализа изделия, его назначения, режима работы, условий эксплуатации, вида ожидаемых отказов.
Второе — с установлением комплекса свойств выбранного на основе критерия работоспособности изделия. Характеристики этих свойств являются составляющими статистической модели надежности. Важным моментом является выбор предельной характеристики, по отношению к которой осуществляется расчет надежности. Для материалов на основе ПП такой характеристикой является предел текучести.
Третье положение устанавливает этапы оценки надежности, включающие полностью или частично учет влияющих факторов при проектировании, производстве и эксплуатации изделия.
Анализ статистической модели надежности при воздействии конструкторских, технологических и эксплуатационных факторов показывает, что вероятность безотказной работы изделий чувствительна к изменению прочностных и упругих статистических характеристик материала.
Обеспечение надежности осуществляется выбором материала, регулированием и оптимизацией его состава, режимов переработки, видом внешних воздействий.
Список литературы
- Реутов Ю.И. Технология производства изделий для инженерного обеспечения объектов строительства из конструкционных термопластов и отходов их переработки // Строит. материалы. 1995. № 6. С. 2-5.
- Капур К., Ламберсон Л. Надежность и проектирование систем. М.: Мир, 1980. 351 с.
- Reutov A.I. Prediction of the Reliability of Plastic Prodacts. The 7 Korea-Russia Int. Symp. of Science and Technology. KORUS, 2003. Vol. 1. P. 355-359.
- Реутов Ю.И., Реутов А.И., Грошев А.Р. Проблемы качества изделий из вторичных полимерных материалов // Известия Томского политехнического университета. 2002. Т. 305. Вып. 5. С. 192-196.
Поризованная строительная керамика
В.Ф ЗАВАДСКИЙ, д-р техн. наук, Н.Б ПУТРО, Ю.С МАКСИМОВА, инженеры, Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет
Современные жилые и общественные здания проектируются и строятся с применением многослойных стеновых изделий с эффективными утеплителями, дефицит которых отмечается практически во всех регионах России, в том числе в Сибири.
В ближайшие годы государственными программами по строительству предусматривается увеличение выпуска строительных утеплителей в 5 раз за счет отечественных производителей [1]. Проблема увеличения выпуска теплоизоляционных долговечных, экологически и пожаробезопасных материалов из минерального сырья (ячеистые бетоны, газостекло, газо- и пеногипсовые изделия, поризованная керамика и др.) является актуальной [2].
Для получения строительной теплоизоляции вполне могут служить глинистые породы, являющиеся распространенным, недефицитным региональным сырьем. При получении высокопористой керамики формирование пористой структуры возможно как на стадии формования изделий (холодный способ), так и в период высокотемпературного обжига (горячий способ) за счет вспучивания и довспучивания гранул или керамической шихты. Получение газо- и пенокерамических изделий с организацией процесса поризации керамического шликера является технически и экономически доступным способом.
Немногочисленные научные публикации по этой проблеме имеют информационный, частный характер, не раскрывают специфику применяемого глинистого сырья, физико-химическую природу процессов и особенностей технологии на стадии приготовления глиняных шликеров, их поризации, формирования структуры поризованной массы и механизма обжига. Некоторые технологические элементы и закономерности поризации цементно-кремнеземистых шламов при получении ячеистых бетонов могут служить исходными данными для разработки принципов поризации керамических шликеров при получении газо- и пенокерамики. Полностью распространить теорию поризации масс с участием минеральных вяжущих веществ на поризацию системы глина — вода не представляется возможным по следующим основным причинам: во-первых, водоглинистые системы не обладают вяжущими свойствами и имеют нейтральный характер среды; во-вторых, оптимальная для поризации вязкость глиняных шликеров достигается при более высоком водозатворении, которое значительно колеблется в зависимости от минерального состава применяемых глинистых пород; в-третьих, в процессе структурообразования пористого полуфабриката требуется ускоренное повышение вязкости шликера, начиная от процесса газовыделения до стадии фиксации структурной прочности.
Основой теоретической предпосылки установления закономерностей холодной поризации системы глина-вода является положение о тиксотропном упрочнении глиномасс.
При исследовании применялись глинистые породы Новосибирской области различного гранулометрического и минералогического составов: Евсинская глина (содержание глинистых частиц до 40%) относится к группе монтмориллонитовых пород, суглинки Барышевского месторождения (содержание глинистых частиц менее 15%), относящиеся к каолинит-гидрослюдистой группе.
При изготовлении газокерамических изделий осуществляются следующие процессы: приготовление газоглиняного шликера → формование → тиксотропное упрочнение массы → период стабильного сохранения тиксотропной прочности → формирование структурной (сырцовой) прочности.
На рис. 1 представлена принципиальная схема формирования сырцовой прочности поризованных масс для производства изделий высокопористой керамики.
Рис. 1. Формирование структурной прочности керамических поризованных масс: 1 – тиксотропное упрочнение; 2 – стабильное состояние тиксотропной прочности; 3, 4 – структурное упрочнение соответственно при искусственной и естественной сушке
Установлено, что максимально возможная тиксотропная прочность шликера, на основе суглинков достигается по истечении 60-65 мин от момента его приготовления, а у шликера на основе глин это время составляет 30-40 мин, причем эта прочность у глинистого полуфабриката на 15-20% выше, чем у суглинистого.
Для получения поризованных керамических изделий необходима оценка свойств как исходных (плотных) глиняных шликеров, так и формовочной системы шликер -поризующаяся смесь — поризованная масса. Переход от одного структурного состояния в другое сопровождается постоянно изменяющимся соотношением фаз в системе твердая фаза — жидкость — газ. Если при приготовлении керамических шликеров на начальной стадии главенствующим является водоглиняное отношение (В/Г), то на стадии процесса поризации на механизм формирования структуры керамических изделий все большее влияние оказывает газообразная фаза. И наконец, при завершении реакции порообразования в системе глина — вода — газ соотношение фаз стабилизируется.
При термической обработке (сушка, обжиг) начинается процесс изменения соотношения фаз. Практически стабильным остается соотношение твердая фаза — газ и уменьшается содержание жидкой фазы до нулевого показателя при обжиге [2].
Изучалось влияние водоглиняного отношения и температуры формовочного глиняного шликера на основе глин и суглинков на коэффициент его вспучивания (рис. 2, 3).
Рис. 2. Зависимость коэффициента вспучивания от водоглиняного отношения: 1 – барышевский суглинок; 2– евсинская глина; 3– барышевский суглинок с содержанием цеолита 10% |
Рис. 3. Зависимость коэффициента вспучивания от температуры шликера: 1 – барышевский суглинок; 2 – евсинская глина; 3 – барышевский суглинок с содержанием цеолита 10% |
Установлено, что для монтмориллонитовых глин (евсинская глина) В/Г значительно больше, чем для каолинит-гидрослюдистых (барышевские суглинки). Это связано с большей водопотребностью монтмориллонитовых глин при получении пластических формовочных масс или литьевых шликеров. У средних и тяжелых суглинков максимальная влагоемкость составляет 18—22%, а у легких и средних глин — 25—30%.
По показателю коэффициента вспучивания была определена оптимальная температура глиняного шликера для различных по минералогии глинистых пород. Показано, что для обеспечения максимально возможного коэффициента вспучивания шликера температура шликера для каолинито-гидрослюдистых глинистых пород (60оС) выше, чем для монтмориллонитовых (50оС). При использовании тонкодисперсных высокопористых природных минеральных наполнителей, являющихся стабилизаторами структурной прочности поризованных керамических шликеров, оптимальная температура шликера составляет 40оС.
У глин осадка газопоризованной массы достигает 30—40% от первоначального объема поризованной глиняной массы, у суглинистых пород этот показатель составляет 20—25%.
Для снижения осадки поризованной массы в период формирования структурной прочности (после завершения процесса газовыделения) применялись тонкодисперсные природные минеральные наполнители. Для суглинистых пород с добавлением 5—10% таких наполнителей осадка составляет 8—12%, при этом также значительно снижается воздушная и огневая усадка образцов.
С учетом высокопористой структуры необходимо обеспечить условия хорошего спекания межпоровых перегородок с целью обеспечения необходимой прочности обожженных изделий. С этой целью в состав массы (шликера) вводились добавки-плавни в количестве 5—10%.
Величина средней плотности обожженных газокерамических образцов составляет 400—600 кг/м3, прочность 0,8—1,2 МПа.
Газокерамика обладает высокой долговечностью, низкой гигроскопичностью, поэтому использование ее в многослойных стеновых изделиях, чердачных перекрытиях и др. является рациональным направлением.
Список литературы
- Теплоизоляционные материалы — в центре внимания НТС Госстроя России // Строит. материалы. 2000. № 4. С. 38-39.
- Путро Н.Б. Максимова Ю.С. Максимов Д.Е. Свойства формовочных масс для получения поризованных керамических материалов // Структура и свойства искусственных конгломератов. Международный сборник научных трудов. Новосибирск НГАУ. 2003. С. 115-117.
Новый метод комплексной оценки качества
Современные ингибиторы коррозии на основе гетероциклических соединений
А.И. ГАБИТОВ, д-р техн. наук (УГНТУ), Д.Л. РАХМАНКУЛОВ, д-р хим. наук (НИИ «Реактив»)
Защите металлов ингибиторами коррозии (ИК) во многих случаях не существует альтернативы как по соображениям, связанным с природой и особенностями коррозии металла в конкретных ситуациях, так и из-за относительной сложности реализации других технологий.
Однако остается недостаточно изученной проблема создания эффективных ИК для защиты металлов в условиях коррозии под напряжением (механохимическая коррозия [1]), мало исследованы их защитные свойства и механизмы действия. Испытания ингибиторов проводятся либо в статических условиях, либо при действии определенного вида усилий, например изгибающих, растягивающих, сжимающих и т. п. В результате при более сложном напряженно-деформированном состоянии металла, характерном для действующего оборудования различного профиля, эффективность ингибиторов может существенно снижаться. Игнорирование механохимического фактора негативно сказывается и на изучении механизмов их защиты.
Актуальными являются исследования в области теории и методологии создания ИК, проявляющих высокую эффективность при действии на металл механических нагрузок различной природы.
Многие гетероорганические соединения нефтехимии, включая полупродукты и отходы различных производств, наряду с относительно невысокой стоимостью обладают комплексом физико-химических свойств (значительная молекулярная масса, большое количество свободных валентных электронов, высокий дипольный момент, наличие активных центров адсорбции), присущих лучшим ингибиторам, что определяет также актуальность исследования возможности их применения в качестве сырья для производства ингибиторов коррозии под напряжением.
Наиболее последовательно влияние механохимического фактора рассмотрено Э. Гутманом [1] на примере замещенных 1,3-диоксанов, которые значительно замедляют растворение стали в водном растворе H2SO4. Это объясняется их способностью образовывать на металле эластичную адсорбционную пленку, не теряющую сплошность при воздействии растягивающих и сжимающих нагрузок.
Основными факторами, учитываемыми обычно [2, 3] при разработке и исследовании ингибиторов, являются:
- строение и свойства органического соединения;
- характер его взаимодействия с металлической поверхностью;
- состав и специфика контакта коррозионной среды с защищаемым объектом.
До настоящего времени не установлено однозначной зависимости между различными характеристиками этих факторов и защитной эффективностью ингибиторов коррозии.
При действии на металл механических нагрузок существенно повышаются свободная энергия и химический потенциал его поверхности, что должно способствовать ее более активному взаимодействию с молекулами ингибитора [1]. С другой стороны, образующаяся на поверхности пленка ингибитора при приложении к металлу нагрузок, особенно циклических, более склонна к потере сплошности и разрушению, чем в статических условиях. При наличии на поверхности пленок продуктов коррозии (оксидов, гидроксидов, сульфидов и др.) и отложений вероятность потери пленкой ингибитора сплошности значительно возрастает, поскольку последняя начинает зависеть от характера изменения структуры пленок продуктов коррозии и их адгезии к металлу в процессе нагружения. Кроме того, на механически активируемой поверхности может изменяться результат конкуренции адсорбции частиц коррозионной среды и молекул ингибитора, что также непременно скажется на его эффективности. Следовательно, механические напряжения оказывают существенное влияние на взаимодействие металла оборудования с молекулами ингибитора и защитные свойства его пленки, поэтому очевидна необходимость учета этого влияния при создании ингибиторов и исследовании их свойств [2, 3].
Теоретическими критериями создания ингибиторов коррозии под напряжением могут служить количественные и качественные показатели их адсорбируемости на металлической подложке и характер их влияния на кинетику электродных реакций в совокупности с данными коррозионно-механических испытаний, проведенными в ингибированных коррозионных средах при действии на металл нагрузок.
В последнее время для получения ингибиторов все чаще используют полупродукты и отходы различных производств [4]. В этой связи представляется перспективным применение продуктов нефтехимии, включая полупродукты и отходы нефтехимических производств, для создания новых относительно недорогих ИК.
Исследования проводили на образцах из низкоуглеродистой стали Ст 3, углеродистой качественной стали 20 и низколегированной стали 17Г1С, широко используемых для строительства объектов нефтегазового комплекса. В качестве коррозионных сред применяли модельные и натурные среды. Расчетные и лабораторные методы подробно изложены в [2, 3].
В качестве экспериментальных проб использовали индивидуальные гетероорганические соединения нефтехимии класса ацеталей и их аналогов, в том числе содержащих фурановый цикл, а также некоторые другие вещества.
Анализ изотерм адсорбции некоторых простых эфиров 1,3-диоксолана по критерию Б.И. Подловченко и Б.Б. Дамаскина [5] показал, что они могут быть описаны уравнением Темкина. Следовательно, связь «металл — соединение» имеет хемосорбционную природу, а адсорбция — мономолекулярный характер и является практически необратимой.
Изотермы адсорбции азотсодержащих гетероаналогов описываются уравнением Фрумкина. Положительное значение аттракционной постоянной характеризует притягательное взаимодействие молекул соединений в адсорбированном слое. При этом происходит мономолекулярное заполнение поверхности.
При оценке влияния различных факторов на общее торможение коррозионного процесса ингибиторами установлено [6], что в первом приближении наиболее значительными являются блокировочный и энергетический эффекты. Блокировочный эффект заключается в уменьшении свободной доли поверхности металла, на которой протекает коррозия. При энергетическом, или ψ1-эффекте изменяются строение двойного электрического слоя на границе «металл — коррозионная среда» и величина ψ1-потенциала.
Согласно [6] о механизме торможения коррозионного процесса можно судить, сопоставляя величины степени защиты Z, логарифма коэффициента торможения у и lg[ y(1 — б)] от 9, где 9 — степень заполнения поверхности металла ингибитором.
При блокировочном, энергетическом и смешанном (одновременном проявлении блокировочного и энергетического эффектов) эффектах торможения наблюдаются линейные зависимости Z от 9, lg у от 9, и lg[y(1 — 9)] от 9 соответственно. Исследования показали, что при защите стали некоторыми эфирами 1,3-диоксолана степень защиты Z и 9 связаны линейно, что свидетельствует о проявлении блокировочного эффекта. В случае применения азотсодержащих гетероаналогов lg[y(1 — 9)] линейно зависит от 9, то есть одновременно имеют место блокировочный и энергетический эффекты.
С целью разработки корректного механизма защитного действия данной серии соединений был также проведен расчет квантово-химических параметров их молекул [7, 8]. В качестве предполагаемых индексов защитной способности (ИЗС) рассматривали величины зарядов на атомах, потенциалы ионизации молекул, энергии низших свободных молекулярных орбиталей, количество атомов в молекуле, количество валентных электронов, дипольный момент и суммарные заряды на заместителях. Выявление значимых ИЗС проводили при помощи метода группового учета аргументов (МГУА) [9]. Квантово-химические расчеты позволили установить, что наибольшее влияние на степень защиты ингибитора оказывают дипольный момент, количество атомов в молекуле и число валентных электронов.
Полученные результаты позволяют достаточно обоснованно судить о механизмах действия исследованных соединений. Их высокие защитные свойства обусловлены способностью к образованию на поверхности металла эластичных адсорбционных пленок, хорошо выдерживающих воздействие различного рода нагрузок.
Адсорбционными центрами ненасыщенных соединений являются атомы кислорода диоксоланового (тет-рагидрофуранового) кольца и я-связи с подвижными электронами. При адсорбции этих соединений возникает донорно-акцепторная связь между гетероатомами кольца и вакансиями в d-зоне металла. Возможен также переход электронов металла на вакантные орбитали связей С = С. Образующийся в ходе этих процессов адсорбционный слой экранирует поверхность стали.
При адсорбции алкиловых эфиров 4-гидрокси-метил-1,3-диоксолана также образуется донорноакцепторная связь между атомами кислорода диоксоланового кольца и металла. Вероятно, определенную роль при этом играет и кулоновское взаимодействие алкильной группы с отрицательно заряженной поверхностью стали. Адсорбируемость и защитные свойства данных соединений возрастают в ряду С4—С10. Дальнейшее увеличение длины алкильного заместителя приводит к ухудшению защитных свойств соединений, что можно связать с различными стерическими эффектами. Углеводородные радикалы, направленные в сторону раствора, отталкивают активные частицы среды от поверхности стали. При этом также гасятся турбулентные потоки. Наряду с гидрофобностью обеспечивается и экранирование значительных участков поверхности.
Защитные свойства азотсодержащих соединений обусловлены проявлением эффекта внутримолекулярного синергизма. При адсорбции молекул этих соединений часть из них может адсорбироваться за счет атомов кислорода диоксоланового кольца или атома азота аминогруппы, а другая часть — в результате специфического взаимодействия полярной ОН-группы с поверхностью металла. Это приводит к уменьшению сил отталкивания между молекулами ингибитора и способствует формированию более плотной защитной пленки.
Внутримолекулярный синергизм проявляется и у соединений класса оксазинов. Они хемосорбируются на поверхности металла в результате взаимодействия с ней подвижных электронов с атомами азота и кислорода. Высокие защитные свойства указанных соединений обеспечиваются вследствие совместного проявления блокировочного и энергетического эффектов торможения электродных процессов.
Высокая ингибирующая эффективность ряда замещенных карбаматов обусловлена наличием сразу нескольких адсорбционных центров — атомов азота и кислорода, а также электронов я-связей бензольного кольца и двойной связи карбонильной группы. Замедление коррозии происходит в результате блокирования поверхности металла молекулами ингибитора и возникновения при их адсорбции энергетического барьера.
Таким образом, применение выдвинутого в работе критерия к исследованию ингибирующей способности ряда соединений нефтехимии позволило установить, что соединения этого класса могут обладать высокими защитными свойствами в условиях коррозии металла под напряжением. Применение разработанных композиций в качестве ингибиторов коррозионно-механического разрушения строительных сталей защищено пятнадцатью патентами РФ. На ряде промышленных предприятий организовано крупнотоннажное производство ИК нового поколения серии «Реакор». Некоторые из них находят применение и в строительной индустрии.
Список литературы
- Гутман Э.М. Механохимия металлов и защита от ко-розии. М.: Металлургия. 1981. 271 с.
- Рахманкулов Д.Л., Бугай Д.Е., Габитов А.И. и др. Ингибиторы коррозии. Т. 1. Основы теории и практики применения. Уфа: Госуд. изд. научн.-техн. лит-ры «Реактив». 1997. 294 с.
- Гафаров Н.А., Рахманкулов Д.Л., Бугай Д.Е, Габитов А.И. и др. Ингибиторы коррозии. Т. 2. Диагностика и защита от коррозии под напряжением. М.: Химия. 2002. 368 с.
- Габитов А.И. Итоги и перспективы в теории и практике борьбы с коррозией. Уфа: Госуд. изд. научн.-техн. лит-ры «Реактив». 1998. 121 с.
- Подловченко Б.И., Дамаскин Б.Б. О возможности разграничения адсорбционных изотерм, основанных на отталкивательном взаимодействии и неоднородности поверхности // Электрохимия. 1972. Т. 8. № 2. С. 297-300.
- Решетников С.М. Ингибиторы кислотной коррозии металлов. Л.: Химия. 1986. 144 с.
- Бугай Д.Е., Габитов А.И., Злотский С.С., Рахманкулов Д.Л. Комплексный механоэлектрохимический подход к созданию ингибиторов коррозии металлов под напряжением // Доклады АН СССР. 1989. Т. 305. № 4. С. 887-889.
- Д.Е., Габитов А.И., Бреслер И.Г., Рахманкулов Д.Л., Паушкин Я.М. Использование квантово-химических индексов защитной способности ингибиторов коррозии при интерпретации механизма защитного действия // Доклады АН СССР. 1990. Т. 314. № 2. С. 384-386.
- Dewar M., Thiel W. Ground State of molecules. 38 MNDO method. Approxymation and parameter // J.Am.Chem. Soc. 1977-99, № 15. P. 4899-4904.
Влияние состава штукатурного раствора на его деформативные свойства
Г.В. МАРЧЮКАЙТИС, д-р техн. наук, Д.Р. ЗАБУЛЁНИС, канд. техн. наук
(Вильнюсский технический университет им. Гедиминаса),
И.Я. ГНИП, канд. техн. наук (институт «Термоизоляция»
Вильнюсского технического университета им. Гедиминаса, Литва)
Внешний вид зданий и состояние наружных стен зависят от качества их отделочного слоя. Атмосферные осадки, попадая через появившиеся в наружном слое трещины, ухудшают эксплуатационные свойства стен.
Для устройства отделочного слоя наружных стен широко применяют штукатурку из цементно-известкового раствора с окраской. Сведений о деформативных свойствах такого раствора сравнительно мало. Наиболее известны, почти 45-летней давности, данные, приведенные С.В. Поляковым [1, 2]. Однако они относятся к строительному раствору как к составляющему компоненту каменной кладки и почти не содержат сведений о его прочности при растяжении, модуле упругости, предельных деформациях сжатия и растяжения, а также о деформациях усадки. Не зная этих показателей во многих случаях невозможно рассчитать трещиностойкость наружного слоя стен.
В статье представлены результаты исследований влияния состава цементно-известкового раствора на его прочность при сжатии и растяжении при изгибе, на модуль упругости, предельные деформации при сжатии и растяжении при изгибе, а также деформации усадки.
Исследования проводили на образцах, изготовленных с использованием портландцемента М 400 Акмянского завода (Литва), гашеной извести и кварцевого песка. Гранулометрический состав песка: остаток на ситах №№ 2,5 — 1,59%; 1,25 — 0,93%; 0,63 — 2,74%; 0,315 — 27,02%; 0,14 — 56,08%; 0 — 11,64%. Было изготовлено 15 различных составов раствора (см. таблицу). Факторами эксперимента были содержание цемента, извести и песка в долях объема. Составные части раствора изменяли в таких пределах: цемент 0,5<x1<1,5; известь 0,35<х2<0,65; песок 4,5<х3<6,5. Количество воды принимали при условии погружения эталонного конуса на 10±1 см, что позволило использовать раствор как при ручных, так и при автоматизированных штукатурных работах [3, 4].
Прочность и модуль упругости при сжатии и растяжении, а также деформативные свойства определяли на образцах в 28-суточном возрасте. Кубиковая прочность образцов, изготовленных на пористом основании и в формах со стальным основанием, различается незначительно [1]. Поэтому в проводившихся исследованиях образцы готовили в формах со стальным основанием и выдерживали в них 2 сут при температуре помещения 20±2оС и относительной влажности воздуха 95-100%. В дальнейшем образцы в течение 3 сут после распалубки хранили в помещении при относительной влажности воздуха 95-100%, а затем до испытаний — при относительной влажности воздуха 65+10%.
Кубиковую прочность раствора при сжатии определяли на образцах со стороной 7,07 см, призменную прочность, деформации сжатия и усадки — на образцах 4×4×16 см, а прочность на растяжение при изгибе на образцах 7,07×7,07×28 см.
№№ составов |
Состав раствора |
Прочность, МПа |
Модуль упругости Е, МПа |
Предельные значения относительных деформаций |
||||||
х1 |
х2 |
х3 |
при сжатии |
на растяжение при изгибе |
сжатия |
растяжения |
усадки |
|||
кубиковая |
призменная |
|||||||||
1 |
1,5 |
0,35 |
4,5 |
10,2 |
9,39 |
1,53 |
10400 |
123 |
23 |
99 |
2 |
0,5 |
0,35 |
4,5 |
1,5 |
1,36 |
0,7 |
2380 |
85 |
21 |
55 |
3 |
1,5 |
0,65 |
4,5 |
9,5 |
7,83 |
1,29 |
8050 |
144 |
25 |
165 |
4 |
0,5 |
0,65 |
4,5 |
1,5 |
1,1 |
0,6 |
2610 |
91 |
20 |
61 |
5 |
1,5 |
0,35 |
6,5 |
5,7 |
5,25 |
1,2 |
7740 |
86 |
— |
74 |
6 |
0,5 |
0,35 |
6,5 |
0,7 |
0,55 |
0,32 |
2000 |
53 |
19 |
36 |
7 |
1,5 |
0,65 |
6,5 |
5,4 |
4,08 |
1,15 |
5070 |
114 |
— |
75 |
8 |
0,5 |
0,65 |
6,5 |
0,54 |
0,55 |
0,19 |
2470 |
68 |
— |
56 |
9 |
1,5 |
0,5 |
5,5 |
6,85 |
6,15 |
1,22 |
7130 |
185 |
22 |
76 |
10 |
0,5 |
0,5 |
5,5 |
1,1 |
0,9 |
0,42 |
1900 |
132 |
21 |
45 |
11 |
1 |
0,35 |
5,5 |
4 |
3,17 |
1,01 |
5720 |
128 |
16 |
46 |
12 |
1 |
0,65 |
5,5 |
3,16 |
3,22 |
0,91 |
3920 |
184 |
25 |
71 |
13 |
1 |
0,5 |
4,5 |
5,2 |
4,59 |
1,07 |
6470 |
121 |
17 |
75 |
14 |
1 |
0,5 |
6,5 |
2,9 |
2,59 |
0,86 |
4550 |
79 |
— |
69 |
15 |
1 |
0,5 |
5,5 |
4,1 |
3,12 |
0,9 |
4830 |
95 |
20 |
70 |
Деформации образцов из раствора при сжатии и растяжении при изгибе измеряли волочными тензодатчиками и тензометром ALMEMO 5590-2. Деформации усадки начинали измерять в 2-суточном возрасте, не позже чем через 4 ч после их распалубки. Образцы выдерживали в помещении с относительной влажностью воздуха 60±5% и температурой 20±2оС. Общий вид проведения эксперимента по измерению деформаций усадки показан на рис. 1.
Рис. 1. Общий вид проведения эксперимента по измерению деформаций усадки
На основании математико-статистической обработки результатов испытаний (см. таблицу) установлено, что зависимость кубиковой прочности при сжатии (R;k), МПа от состава цементно-известкового раствора имеет вид:
Rck = 6,7+15,9х1-3,9х3+0,4х23-1,7х1х3, (1)
зависимость призменной прочности при сжатии (R™), МПа:
Rcр = —5,2+14,6х1+0,5хз-1,6х1хз. (2)
Прочность на растяжение при изгибе (Rtb), МПа в зависимости от состава раствора можно представить уравнением
Rtb = 1,1+0,8х1-0,4х2-0,15х3. (3)
На трещиностойкость штукатурных растворов основное влияние оказывает как прочность при растяжении, так и деформативные свойства штукатурки. На основаниии экспериментальных данных установлено: модуль упругости раствора Е, МПа описывается уравнением
E = -5874+17213х1+5453х2+472х3-9533хгх2-1280хгх3, (4)
предельные относительные деформации при сжатии
ecul-105 £c,ui=- 1066-79х1-417х2+486х3+50х21+452х|-46х3+48х1-х2. (5)*
Предельные относительные деформации усадки εsh,ul⋅105 можно вычислить по уравнению
εsh,ul = −68+172х1+79х2+8х3−23х1⋅х3. (6)
Имея предельные относительные деформации усадки, характер роста этих деформаций и промежуточные значения во времени, необходимые в расчетах, можно определять
промежуточные деформации усадки по известной формуле
εsh(t) = εsh,ul⋅(1 − e−βt), (7)
где t – продолжительность усадки, сут; β – эмпирический коэффициент, зависящий от состава раствора и скорости протекания усадки.
Для определения коэффициента β на основании регрессионного анализа результатов исследований получено следующее уравнение
β = 0,28−0,17×1+0,055×3. (8)
Согласно уравнениям (1) и (2), прочность при сжатии штукатурного раствора от содержания извести
практически не зависит. Однако непосредственный анализ данных таблицы показывает, что известь увеличивает прочность слабых растворов и снижает прочность более прочных растворов. Как видно из рис. 2 значения кубиковой прочности при сжатии, рассчитанные по уравнению (1) и в соответствии со СН 290–74 [4] при плотности цемента 1,2 кг/л, достаточно хорошо согласуются. Соотношение кубиковой и призменной прочности при сжатии, по данным выполненных испытаний, в среднем составляет Rcp = 0,83 Rck.
Рис. 2. Кубиковая прочность при сжатии раствора различных составов согласно уравнению (1) и ■ СН 290-74 (4)
Трещиностойкость штукатурного слоя в значительной степени зависит от его прочности при растяжении. Составы штукатурного раствора и экспериментальные значения его физико-механических показателей приведены в таблице. Анализ полученных результатов показывает, что при увеличении содержания извести прочность при растяжении снижается у прочных растворов, а у слабых растворов
явной тенденции влияния не наблюдается.
Согласно уравнению (4) наибольшее влияние на величину модуля упругости оказывает соотношение
содержания цемента и песка. При более высокой прочности раствора при сжатии (более 3 МПа) увеличение содержания извести снижает модуль упругости, а при низкой прочности при сжатии (менее 2 МПа) – повышает. Как и для бетона, значения модулей упругости раствора при сжатии и растяжении приняты одинаковыми.
На деформативность штукатурного раствора влияют все три его компонента. Однако наибольшее влияние оказывает соотношение цемента и песка. Результаты испытаний, а также анализ уравнения (5) свидетельствуют о положительном влиянии извести на предельные деформации как при сжатии, так и при растяжении.
При увеличении содержания извести возрастает пластическая составляющая деформации (рис. 3, графики 2, 3). На предельную деформативность при сжатии и растяжении существенное влияние оказывает содержание песка.
Рис. 3. Рост деформаций при сжатии (а) и растяжении при изгибе (б) в зависимости от состава
раствора, об. %: 1 – 1,5:0,35:4,5; 2 – 1:0,5:5,5; 3 – 0,5:0,65:6,5
Результаты выполненных исследований показывают, что основное влияние на усадку раствора оказывает содержание цемента, известь влияет меньше. При повышении содержания цемента и извести усадка увеличивается, и при этом рост ее происходит с меньшей скоростью. Это можно объяснить тем, что повышенное содержание цемента и извести требует большего количества воды для приготовления раствора, что является основной причиной возрастания усадки. Увеличение времени роста деформаций усадки положительно влияет на трещиностойкость штукатурного слоя, так как успевают проявиться релаксационные процессы.
Изображенные на рис. 4 кривые относительных деформаций усадки показывают, что основная их часть происходит в первые 8 сут, а после 20 сут их рост практически прекращается. Следует отметить, что аналогичный характер роста усадки получен и при исследовании раствора для каменной кладки [2, 5].
Рис. 4. Развитие деформаций усадки во времени для состава раствора, об. %: 1 – 1,5:0,35:4,5; 2 – 1:0,5:6,5; 3 – 0,5:0,35:4,5 (экспериментальные значения). 4, 5, 6 – значения, вычисленные по формулам (6–8)
Относительные деформации усадки (рис. 5), рассчитанные по предлагаемым уравнениям (6—8), достаточно хорошо согласуются с результатами, полученными в работе [5]. Подобная аналогия наблюдается и в других исследованиях [1], (рис. 6).
Рис. 5. Деформации усадки раствора составов, мас. ч. (цемент:известь:песок:вода): а) 1:0,2:3,75:0,65; б) 1:0,8:7,5:1,7. Графики согласно [5]: 1 – при температуре воздуха 50оС и относительной влажности 75%; 3 – то же, 50оС, 92%. Графики 2 и 4 вычислены по уравнениям (6–8)
Рис. 6. Деформации усадки раствора состава, мас. ч. 1:0,7:5,5:0,65 (цемент:известь:песок:вода): 1 – данные [1]; 2 – вычислены по формулам (6–8)
Как показывают экспериментальные данные (см. таблицу), при изменении соотношения компонентов в составе раствора с 0,5:0,35:6,5 до 1,5:0,65:4,5 предельные относительные деформации усадки увеличиваются приблизительно в 4,6 раза, прочность на растяжение при изгибе и модуль упругости в 4 раза соответственно, а предельные относительные деформации на растяжение при изгибе только в 1,3 раза. Если слой штукатурки нанесен на стену, которая сдерживает ее деформации усадки, то, как известно, напряжение в слое штукатурки будет равняться произведению величин деформации и модуля упругости. Поэтому увеличение содержания цемента повышает напряжение намного быстрее, чем прочность при растяжении. Эта разница напряжений является одной из главных причин появления трещин в штукатурном слое. Подбором состава раствора можно регулировать величину деформаций усадки и тем самым влиять на появление в штукатурном слое трещин и уменьшение их раскрытия.
На основании результатов исследований, изложенных в статье, можно сделать следующие выводы:
- подбором состава штукатурного раствора можно достичь наибольшей прочности на растяжение при изгибе и деформативности, а также наименьших деформаций усадки и, тем самым, избежать появления трещин в штукатурном слое. Наилучшие результаты получены для составов с соотношением компонентов 0,5:0,35:4,5 и 0,5:0,5:5,5;
- повышенный расход цемента в большей степени увеличивает деформации усадки по сравнению с предельными деформациями растяжения при изгибе. При снижении соотношения цемент:песок деформации усадки уменьшаются;
- содержание извести в тощих (Rсk<2MПа) цементно-известковых растворах увеличивает их прочность при сжатии и модуль упругости, а в любых других растворах увеличивает предельные деформации сжатия, растяжения при изгибе и усадку. Содержание извести в прочных (Rсk>3MПа) цементно-известковых растворах уменьшает прочность при сжатии, растяжение при изгибе, а также модуль упругости и во всех цементно-известковых растворах уменьшает скорость роста деформаций усадки.
Список литературы
- Поляков С.В. Сцепление в кирпичной кладке. М.: Госстройиздат. 1959. 82 с.
- Поляков С.В. Длительное сжатие кирпичной кладки // Научное сообщение. Вып. 11. М.: Госстройиздат. 1959. 181 с.
- ГОСТ 5802—86. Растворы строительные. Методы испытаний. М.: Изд. стандартов. 1986. 22 с.
- СН 290—74. Инструкция по приготовлению и применению строительных растворов. М.: Стройиздат. 1975. 72 с.
- O.Z. Cebei, S.I. A-Noury, W.H. Mirza. Strength and Drying Shrinkage of Masonry Mortars in Various Temperature — Humidity Environments // Jour. «Cement and Concrete Research», vol. 19, № 1. USA: Pergamon, 1989. P. 53—62.
Кровельные и гидроизоляционные материалы на основе битума
В. П. ЯРЦЕВ, д-р техн. наук, Е. В. ГУРОВА, инженер
(Тамбовский государственный технический университет)
В настоящее время на строительном рынке представлен широкий ассортимент кровельных и гидроизоляционных битумных и битумно-полимерных материалов различных производителей. Часто битумные материалы в чистом виде не отвечают возрастающим требованиям, а битумно-полимерные материалы, обладающие высокими физико-механическими характеристиками, слишком дороги. В этой связи актуально использование местных сырьевых ресурсов и отходов производства в качестве наполнителей битумов, улучшающих их экономические и технологические параметры.
На основе строительных битумов и утилизируемых асбофрикционных отходов (АФО), образующихся при производстве фрикционных асбестовых накладок, на тамбовском заводе «АРТИ» получено новое модифицированное битумное вяжущее. В состав АФО входят следующие компоненты (мас. ч.): каучук СКБ-50 — 11,7; смола или фенольное связующее СФ-312 СФП-011П — 8; сера (ГОСТ 127.1—93) сорт 9995 — 2,75; 2 — меркапто-бензотиазол — 0,15; тиурам Д — 0,1; белила цинковые марки БЦО — 3; графит скрытокристаллический ГЛС-1 — 12; концентрат баритовый — 16,2; глинозем Г-00,0,1,2 — 4,6; латунная стружка — 5; асбест А-4-20 — 30; масло И 40А — 1,5; шлифовальная пыль — 5. Асбофрикционные отходы представляют собой мелкодисперсный порошок серого цвета, хорошо смешивающийся с битумом. Введение АФО в битум марок БН 90/10 и БН 70/30 в количестве 10—30 мас. ч. способствует повышению его теплостойкости и механических характеристик. Дальнейшее увеличение количества наполнителя приводит к снижению эластичности и адгезионных свойств.
Результаты исследования композиций на основе битума марок БН-70/30 и БН-90/10 и асбофрикционных отходов в количестве 10, 30 и 50 мас. ч. приведены в таблице.
Введение АФО в битум повышает температуру размягчения по КиШ (ГОСТ 11506-73) для обеих марок битума. Введение 40 мас. ч. АФО в битум БН 90/10 и 50 масс. ч. в битум БН 70/30 приводит к полной потере способности композиций к размягчению. Вязкость (глубина проникания иглы по ГОСТ 11501-78) с увеличением количества наполнителя уменьшается.
Асбофрикционные отходы существенно повышают коэффициент теплопроводности битумных композиций. Так, введение 50 мас. ч. АФО в битум марки БН 70/30 повышает теплопроводность примерно в 6 раз, а в битум БН 90/10 — в 2 раза.
Количество наполнителя свыше 10 мас. ч. снижает коэффициент термического расширения, а именно: при 30—50 мас. ч — до 1,5 раз [1, 2]. Водопоглощение битумных композиций повышается при введении до 10 мас. ч. АФО, при дальнейшем увеличении количества наполнителя оно незначительно снижается. Время выдержки битумного материала в воде на величину водопоглощения практически не влияет. Так, введение 10 мас. ч. не приводит к росту водопоглощения во времени, тогда как водопоглощение композиций с 30 до 50 мас. ч. АФО увеличивается по истечении 365 суток. Такое поведение, по-видимому, связано с повышением неоднородности композиций при введении наполнителя.
Характеристики |
БН 70/30 |
БН 90/10 |
||||||
Количество АФО, мас. ч. |
||||||||
0 |
10 |
30 |
50 |
0 |
10 |
30 |
50 |
|
Температура размягчения по КиШ, оС |
70 |
83 |
102 |
— |
90 |
98 |
110 |
— |
Глубина проникания иглы, мм |
3,21 |
3,01 |
2,88 |
2,79 |
1,23 |
1,2 |
0,87 |
0,73 |
Водопоглощение, %, в течение 48 сут 365 сут |
0 0 |
3.67 3.67 |
1,4 1,58 |
2,38 2,56 |
0 0 |
2,89 2,91 |
2,57 2,69 |
2,22 2,45 |
Коэффициент теплопроводности X, Вт/(м-К) |
0,06 |
0,13 |
0,29 |
0,38 |
0,12 |
0,17 |
0,26 |
0,29 |
Коэффициент термического расширения а, 0С-1 |
15 |
15 |
12 |
10 |
14 |
14 |
10 |
10 |
Напряжения разрушения битума БН 90/10 при срезе (70 циклов замораживания), МПа |
— |
— |
— |
— |
0,59 |
0,68 |
1,1 |
1,07 |
Напряжения отрыва битумных композиций от древесины, 10-6 МПа |
— |
— |
— |
— |
0,5 |
0,2 |
0,05 |
0,01 |
Разрушающие напряжения s, МПа, при срезе (перед чертой) и при растяжении (за чертой) при | ||||||||
–50°С –18°С –10°С |
0,2/0,3
1/1,4 — |
0,4/0,3
1,2/1,5 — |
0,4/0,45
2,4/1,8 — |
0,45/0,3
3/2,2 — |
0,5/0,4
2/1,7 3,4/- |
0,5/0,5
2,3/1,7 3,7/– |
0,65/0,5
2,6/2 4,8/- |
0,8/1
2/2,5 5,3/- |
Испытания битумных материалов, подвергшихся многократным циклическим температурным переходам от +50 до —25оС, показали, что с повышением количества наполнителя пропорционально увеличивается напряжение среза для всех исследованных композиций.
Механические испытания на длительную прочность при срезе и растяжении проводили на специальном стенде в режиме заданных постоянной нагрузки и температуры. Полученные результаты рассматривали с позиции термофлуктуационной концепции прочности. Были предложены уравнения, описывающие процессы разрушения битумных материалов[2]. Из полученных зависимостей для всех исследованных материалов рассчитаны физические и эмпирические константы. Используя значения полученных экспериментально констант, c помощью уравнений можно рассчитать долговечность битумных композиций в любом эксплуатационном интервале напряжений и температур. Анализ полученных результатов показывает значительное повышение долговечности битумных материалов с увеличением количества наполнителя [3, 4].
Разрушающие напряжения среза и растяжения при различных температурах растут с увеличением количества наполнителя. Повышение содержания добавок снижает адгезионное взаимодействие битума с древесиной.
Как следует из данных, приведенных в таблице, введение асбофрикционных отходов в битум улучшает его механические и теплофизические характеристики. Однако введение в битум 30 и более мас. ч. наполнителя снижает адгезионные свойства композиции.
Технико-экономические расчеты показывают, что использование асбофрикционных отходов в качестве модифицирующей добавки в битум позволяет снизить затраты на ремонтные работы покрытий на 10—30%.
Оптимальным, по данным исследований, следует считать вяжущее, содержащее АФО в количестве 10 мас. ч. Такой материал можно использовать для устройства кровель, гидроизоляции и антикоррозионной защиты строительных конструкций. Введение же 30 и более мас. ч. АФО в исследуемый битум делает его жестким и менее текучим, что позволяет эффективно использовать его при герметизации швов строительных конструкций.
Список литературы
- Ярцев В.П., Гурова Е.В. Механические и теплофизические свойства битумных материалов с использованием утилизируемых асбофрикционных отходов. Междунар. научн.-практ. конф. «Качество, безопасность, энерго- и ресурсосбережение в промышленности строительных материалов и строительстве на пороге XXI века». Ч. 2. Белгород. 2000. С. 499—503.
- Ярцев В.П., Гурова Е.В. Композиционный материал на основе битума и отходов завода резинотехнических изделий. Проблемы и пути создания композиционных материалов и технологий из вторичных ресурсов / Под. общ. ред. д-ра техн. наук, проф. С.И. Павленко. Новокузнецк: СибГИУ. 2003. С. 251-259.
- Ярцев В.П., Гурова Е.В., Ляшков В.И. Влияние концентрации наполнителя на теплофизические характеристики битума. Проблемы строительства, инженерного обеспечения и экологии городов. Сб. материалов IV Международной научно-практической конференции. Пенза. 2002. С. 120-123.
- Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? М.: Химия. 1992. 320 с.
Свойства минеральной ваты после длительной эксплуатации в стенах зданий на Среднем Урале*
В.Б. САЛЬНИКОВ (ОАО институт «УралНИИАС», Екатеринбург)
Повышенные требования к теплозащите зданий привели к широкому использованию многослойных ограждающих конструкций, в которых один из слоев выполнен из эффективного утеплителя. В этом случае ограждающая конструкция представляет собой комбинированную систему, состоящую как минимум из двух разнородных материалов, долговечность которой определяется наименьшей долговечностью одной из ее составляющих.
Долговечность традиционно применяющихся в России стеновых материалов (кирпич, различные виды легких и тяжелых бетонов) изучена довольно полно. Сопоставление результатов лабораторных испытаний и оценка поведения этих материалов при длительной эксплуатации позволяет уверенно прогнозировать долговечность ограждающих конструкций из этих материалов.
Таблица 1
Местонахождение здания |
Длительность эксплуатации |
Этажность |
Место отбора пробы |
Толщина слоев, мм |
||
Железобетон |
Минеральная вата 4 |
|||||
наружный |
внутренний |
|||||
г. Березовский, Березовское СУ |
53 |
1 |
Северо-восток1 |
25 |
25 |
150 |
г. Екатеринбург, ул. Энергостроителей, 2 |
50 |
2 |
Север 2 |
25-35 |
25 |
150 |
г. Березовский, БЗСК |
43 |
1 |
Север 3 |
25 |
45-50 |
150 |
1 Пробу отбирали снаружи здания на расстоянии 15-20 см от верха панели. 2 Пробу отбирали снаружи здания на первом этаже в простенке на высоте 50 см от цоколя. 3 Изнутри здания в простенке на расстоянии 20 см от потолка. 4 Минеральная вата находилась в ящике из деревянных реек,обшитых толем или фанерой толщиной 3 мм. |
Таблица 2
Значение показателей для проб минеральной ваты |
|||||
Показатели |
Норма |
Современного производства |
Панель № 1 |
Панель № 2 |
Панель № 3 |
Влажность, мас. % |
< 1 |
0,1 |
1,38 |
0,12 |
0,31 |
Содержание органических веществ, мас. % |
< 2 |
0,15 |
0,15 |
0,13 |
0,21 |
Диаметр волокна, мкм |
< 6 |
6,1 |
5,18 |
5,4 |
5,1 |
Водостойкость, pH |
< 4 |
4,5 |
1,35 |
1,3 |
3,95 |
Плотность, кг/м3 |
100 |
95 |
107 |
105 |
107 |
Химический состав, мас. % | |||||
SiO2 |
39,61 |
44,56 |
44,24 |
47,15 |
|
Fe2O3 |
1,39 |
11,06 |
10 |
9,4 |
|
Al2O3 |
16,68 |
18,94 |
13,3 |
14,6 |
|
CaO |
37,3 |
20,3 |
19,27 |
22,85 |
|
MgO |
1,39 |
6 |
8,2 |
5,16 |
|
Модуль кислотности |
1,33 |
2,41 |
2,47 |
2,2 |
|
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м-“С) |
0,038-0,043 |
0,04 |
0,04 |
0,04 |
Значительно менее изучены изменения свойств эффективных утеплителей при длительной эксплуатации. Известны предложения отечественных ученых по методикам прогнозирования долговечности минераловатных изделий [1, 2]. Однако в действующих нормативных документах и рекомендациях по применению эффективных утеплителей в ограждающих конструкциях полностью отсутствуют или даются в ограниченном объеме сведения о долговечности утеплителей при совокупном воздействии всех факторов, наблюдающихся при длительной эксплуатации. Отсутствуют не только данные лабораторных испытаний, но и сведения, полученные при натурных обследованиях конструкций после длительной эксплуатации. Без этих сведений невозможно корректно оценить экономическую целесообразность использования той или иной системы утепления.
Высокоэкономичным утеплителем является минеральная вата. Однако в последние годы она не применяется для утепления стен зданий. Одной из причин этого является опасение осадки слоя минеральной ваты в стене с образованием воздушного зазора и потерей вследствие этого теплозащитных качеств ограждения.
В Свердловской области в 40-е — 50-е годы на Березовском заводе строительных конструкций (БЗСК) Главуралэнергостроя изготовлялись трехслойные панели из двух железобетонных скорлуп со средним слоем из минеральной ваты, из которых были возведены ряд одно- и двухэтажных жилых домов.
В данной статье приводятся данные обследования состояния слоя минеральной ваты в панелях этих зданий после 50 лет эксплуатации. В табл. 1 приведены сведения об объектах, из стен которых отбирались пробы.
При визуальных обследованиях во всех случаях было отмечено отличное состояние слоя минеральной ваты под железобетонной скорлупой. Минеральная вата не расслаивается, а вынимается слоями. Никаких внешних особенностей образцов минеральной ваты, извлеченных из панелей, которые отличали бы их от свежеизготовленной минеральной ваты, не было отмечено.
По данным опроса жильцов, проживающих в этих домах длительный срок (более 40 лет), в квартирах всегда тепло. Никаких промерзаний или отсыреваний на поверхности стен нет. Промочки при растрескивании швов имели место и ликвидировались закачиванием в разрушившиеся швы пены. Температура внутреннего воздуха во всех квартирах в период замеров превышала нормативную, а перепад температур между температурой внутреннего воздуха и температурой внутренней поверхности наружной стены не превышал 2оС.
Можно отметить, что теплоизоляция — минеральная вата — сохранила при длительной эксплуатации первоначальные теплоизоляционные свойства и обеспечила стабильные теплозащитные качества стен (табл. 2).
Результаты обследования показали, что минеральная вата, не содержащая связующего, после 50летней эксплуатации в качестве утеплителя в трехслойных железобетонных панелях наружных стен в зданиях на Среднем Урале имеет физико-технические свойства, в том числе коэффициент теплопроводности, соответствующие требованиям действующих ГОСТов и аналогичные свойствам минеральной ваты, не подвергавшейся 50летней эксплуатации.
Поэтому долговечность минеральной ваты в утеплении наружных стен зданий на Среднем Урале при соответствующем конструктивном решении наружного и внутреннего слоев стены и отсутствия увлажнения превышает 50 лет. При этом стены должны проектироваться из условий недопустимости накопления влаги в слое утеплителя в годовой период эксплуатации согласно требованиям СНиП II-3—79* (изд. 1998 г.).
Список литературы
- ГоряйновК.Э., Бобров Ю.Л. Теоретические основы метода исследования долговечности минераловатных утеплителей на синтетическом связующем. В кн.: Вопросы улучшения качества минераловатной ваты и изделий из нее // Сб. трудов ВНИПИтеплоизоляции. Вильнюс, 1968 (прототип).
- Бобров Ю.Л. Долговечность теплоизоляционных минераловатных материалов. М.: Стройиздат. 1987.
* Руководитель работы — заслуженный строитель РФ, канд. техн. наук Е.С. Силаенков.
Оценка концентраций волокон асбеста в воздухе Жилых, общественных зданий и атмосферном воздухе в Москве
Е.В. КОВАЛЕВСКИЙ, ст. научн. cотрудник НИИ медицины труда РАМН (Москва)
Широкое использование в современной промышленности и гражданском строительстве волокнистых материалов природного и искусственного происхождения ставит задачи по выявлению и контролю их влияния на окружающую среду и на здоровье человека. До последнего десятилетия в России наиболее часто применялись изделия, содержащие природные минеральные волокна, — хризотиловый асбест. В настоящее время все более широко внедряются материалы, содержащие искусственные минеральные волокна (ИМВ).
Характерный пример асбестосодержащих изделий — асбестоцементные листы различной конфигурации, асбестоцементные блоки и трубы, поставляемые в готовом виде. Для теплоизоляции трубо- и паропроводов используются формованные асбестосодержащие изделия заводского изготовления. На промышленных предприятиях и коммунальных объектах применяются изоляционные покрытия из асбеста с различными связующими материалами, часто изготовляемые непосредственно на месте перед использованием. Существует еще ряд асбестосодержащих материалов, таких как асбокартон, асботкань, асбестосодержащие битум и резина, многие другие.
Многолетние наблюдения показали, что при воздействии на человека свободных волокон асбеста в концентрациях, превышающих допустимые, могут развиваться хронический пылевой бронхит, асбестоз и другие заболевания [1].
В апреле 2000 г. Россия ратифицировала Конвенцию № 162 и Рекомендации № 172 Международной организации труда «Об охране труда при использовании асбеста» [2, 3]. В основе этих документов лежит принцип контролируемого использования хризотилового асбеста, официально поддерживаемый Россией [4].
Принцип контролируемого использования подразумевает обеспечение безопасных условий для работающих и населения при добыче, обогащении асбеста, производстве асбестосодержащих изделий, их транспортировке и утилизации.
У нас в стране этим вопросам в последние годы уделяется пристальное внимание.
Применение асбестосодержащих материалов (АСМ) и асбестосодержащих изделий (АСИ) в строительстве жилых и общественных зданий, других объектов непромышленного назначения до настоящего времени должным образом не регламентировалось. Полностью отсутствовали отечественные данные о концентрациях асбестосодержащей пыли в воздухе жилых и общественных зданий, атмосферном воздухе населенных мест.
В большинстве зарубежных стран для такого контроля используют показатель, выраженный в количестве респирабельных волокон асбеста (частиц длиной более 5 мкм, диаметром менее 3 мкм и их соотношением >3/1) в единице объема воздуха — волокон в миллилитре (в/мл) [1].
В России установлены предельно допустимые концентрации (ПДК) асбестосодержащей пыли (АСП) в воздухе рабочей зоны, выраженные в показателях общей массы пыли, витающей в воздухе с учетом процентного содержания в ней асбеста [5].
Для атмосферного воздуха населенных мест установлена ПДК, выраженная в количестве респирабельных волокон асбеста [6]. Основанием для принятия этой ПДК в отсутствие каких-либо серьезных исследований по зависимости между концентрацией волокон в атмосферном воздухе населенных мест и изменениями в состоянии здоровья лиц, проживающих в этих регионах послужил сравнительный анализ принятых в зарубежных странах нормативов.
Для контроля чистоты воздуха по этому показателю была предложена и утверждена методика [7], за основу которой принят один из наиболее распространенных зарубежных методов RTM-1 с применением оптической фазово-контрольной микроскопии [8]. Разработчики этого метода и аналогичного, разработанного в качестве его замены в 2001 г. [9], не учли, что метод RTM-1, как и аналогичные методы, принятые в других странах [10], разработан только для воздуха рабочей зоны на предприятиях по добыче, обогащению асбеста и производству АСМ и АСИ. Причина таких ограничений — невозможность данным методом определить тип волокон.
На предприятиях по добыче, обогащению асбеста, производству АСМ и АСИ ведется контроль соблюдения установленных в нашей стране нормативов. В атмосферном воздухе населенных мест — только на территориях, прилегающих к предприятиям по добыче и обогащению асбеста (комбинаты «Ураласбест» и «Оренбургасбест»).
В 1999—2001 гг. НИИ медицины труда РАМН провел оценку концентраций волокнистых частиц в атмосферном воздухе Москвы и в воздухе жилых и общественных зданий, при постройке которых использовались различные АСМ и АСИ.
Выбор объектов исследований осуществлялся по согласованию с Центром Госсанэпиднадзора в Москве.
Отбор проб производился:
- на автомагистралях Москвы во время наибольшей интенсивности движения грузового транспорта с асбестосодержащими фрикционными изделиями (тормозные колодки);
- в жилых и общественных зданиях разных лет постройки в различных районах Москвы, в том числе и в период капитального ремонта, замены систем водоснабжения, канализации, вентиляционных камер и противопожарных покрытий, то есть в системах, где применялись как плотные, так и рыхлые материалы, содержащие асбестовые и искусственные минеральные волокна.
На всех точках отобрали пробы воздуха для определения счетных концентраций волокон асбеста:
- методом ФКОМ производилось определение счетных концентраций всех волокнистых частиц с помощью оптического микроскопа с фазово-контрастной приставкой;
- методом сканирующей и трансмиссионной электронной микроскопии (СЭМ и ТЭМ) определялись счетные концентрации волокнистых частиц, когда это было технически осуществимо с достаточной точностью, и тип этих частиц (минеральный состав) с помощью сканирующего электронного и/или трансмиссионного электронного микроскопов с рентгенодифракционными приставками. Часть проб параллельно исследовалась в финском институте медицины труда для контроля качества полученных результатов. Велся подсчет волокнистых частиц, отвечающих критериям подсчета, установленным в методике RTM-1. В некоторых случаях подсчитывались волокна асбеста длиной, равной или выше 1 мкм. Минимально определяемая концентрация волокнистых частиц определялась расчетным методом исходя из объема отобранного воздуха и количества полей зрения при анализе.
На всех точках отбора производился сбор проб мусора (пыли) для рентгенодифрактометрического определения содержания асбеста и исследования на наличие волокнистых частиц.
Массовый процент асбеста определялся путем рентгеноструктурного анализа образца на дифрактометрах рентгеновских общего назначения ДРОН-2 и ДРОН-3 с последующим сравнением полученных результатов с результатами исследования структурного состава эталонного образца хризотилового асбеста.
Анализ проб пыли и мусора на наличие волокнистых частиц выполнялся методом ФКОМ. В некоторых пробах аналогичное исследование производилось методом СЭМ, что позволяло также установить и природу этих частиц.
Результаты исследования проб воздуха и придорожной пыли, отобранных на автомобильных дорогах, показали, что зафиксированные при проведении исследований на улицах Москвы концентрации всех волокнистых частиц (ФКОМ), в том числе и волокон асбеста (СЭМ/ТЭМ), минимальны и находятся на уровне, который считается фоновым для атмосферного воздуха больших городов — 0,001 в/мл. Это касается волокон, попадающих под определение «респирабельные». При исследовании методом СЭМ/ТЭМ оценивалось содержание в воздухе волокон короче респирабельных, длиной от 1 мкм. Их содержание также незначительно. Фактически при исследовании методом СЭМ нами было найдено менее десяти волокон асбеста, из которых только одно соответствовало определению респирабельного волокна.
Только в районе расположения предприятия, на котором широко и бесконтрольно производятся работы с использованием асбестосодержащих материалов, отмечено некоторое повышение содержания волокон асбеста в воздухе, что подтверждается и результатами предыдущих исследований [11].
Обследованные жилые и общественные здания были разделены на три группы.
К первой группе отнесли здания, содержащиеся в удовлетворительном техническом состоянии и с регулярно проводящейся в них уборкой. При визуальном обследовании не было выявлено серьезных нарушений целостности, повреждения материалов, содержащих асбест и ИМВ. В воздухе всех этих объектов концентрации респирабельных волокнистых частиц, определенных методом ФКОМ, не превышали установленного в России ПДК для атмосферного воздуха населенных мест, равной 0,06 респирабельных волокон асбеста [6]. Принятый в большинстве европейских стран и США уровень [12], равный 0,01 волокна в миллилитре воздуха был незначительно превышен только в небольшой части проб, отобранных в этих зданиях.
При рентгенодифракционном анализе отобранных на этих объектах проб пыли, скопившейся на различных труднодоступных для уборки поверхностях (подоконники, батареи центрального отопления и др.), была обнаружена или незначительная массовая доля асбеста, или содержание асбеста ниже порога определения метода.
Принимая во внимание то, что метод ФКОМ не предназначен для определения типа подсчитанных волокнистых частиц, часть проб воздуха была исследована с помощью СЭМ, с использованием тех же критериев подсчета волокон, что и при оптической микроскопии. Было обнаружено, что большинство из подсчитанных с помощью оптической микроскопии частиц — органические волокна, не растворившиеся в парах ацетона, частички сажи (скорее всего от автомобильных выхлопов), гипс, искусственные минеральные волокна различного происхождения. Волокна асбеста составляли лишь малую часть от всех обнаруженных в воздухе зданий первой группы. Их концентрации не превышали не только вышеупомянутые нормативы, но и предложенный Агентством по охране окружающей среды США в 1987 г. уровень принятия решения, равный 0,005 волокна в миллилитре воздуха (по ТЭМ) [12].
Таким образом, результаты, полученные при обследовании зданий первой группы, показывают, что АСМ и АСИ, причем не только высокой плотности (асбестоцементные листы, панели, блоки), но и рыхлые (асбестосодержащая штукатурка, обмазка трубопроводов, асбестосодержащие формованные изделия), при их ответственном использовании и при отсутствии проведения каких-либо работ, затрагивающих их целостность, не являются источником выделения в атмосферный воздух населенных мест волокон асбеста в концентрациях, превышающих допустимые. Аналогичное заключение можно сделать и по материалам, содержащим ИМВ.
Несколько иная ситуация была выявлена нами при обследовании зданий второй и третьей группы.
Во вторую группу были выделены жилые и общественные здания, в которых не производилось никаких работ, связанных с повреждением, нарушением целостности поверхностей материалов, содержащих асбест и ИМВ, но техническое состояние этих объектов в целом или какой-то их части не поддерживалось должным образом. Концентрации всех респирабельных волокнистых частиц, определенные методом ФКОМ, в воздухе жилых зданий превышали определенные в аналогичных точках зданий первой группы в два-три раза. В большинстве проб пыли и мусора, отобранных на этих объектах для рентгенодифрактометрического исследования, было обнаружено наличие асбеста (от 2 до 15%), и при анализе с помощью ФКОМ выявлены волокнистые частицы, большая часть которых была связана в конгломераты с неволокнистыми. При этом, по результатам СЭМ, концентрации респирабельных волокон асбеста сравнительно невелики и не превышают установленных в разных странах нормативов, но обращают на себя внимание значительно большие, чем в воздухе зданий предыдущей группы, концентрации других неорганических волокон, включая искусственные минеральные.
Третью группу составляли объекты, находящиеся в неудовлетворительном техническом состоянии, а также здания, в которых незадолго до обследования производились работы, затрагивающие целостность материалов, содержащих асбест и ИМВ. Данные, полученные при определении концентраций всех респирабельных волокнистых частиц методом ФКОМ, при определении концентраций и природы респирабельных волокнистых частиц методом СЭМ указывают на превышение допустимых уровней содержания волокон асбеста и ИМВ, установленных в различных странах не только для атмосферного воздуха населенных мест, но и для воздуха рабочей зоны. Это создает реальную опасность для здоровья людей, проживающих или работающих в таких зданиях. Исследования проб пыли, мусора и фрагментов строительных материалов подтверждают картину, полученную при исследовании воздуха объектов, отнесенных к третьей группе.
Результаты, полученные при обследовании второй и третьей групп зданий указывают на то, что к загрязнению приводит неадекватное техническое обслуживание объектов различного назначения, где используются материалы, содержащие асбест и ИМВ, отсутствие внимания к поддержанию их в должном санитарно-гигиеническом состоянии.
Необходимо отметить, что данная работа в связи с относительно небольшим количеством обследованных объектов и отобранных проб не может претендовать на всеобъемлющую характеристику содержания волокнистых частиц в воздухе городских объектов непромышленного назначения и воздухе на улицах крупного промышленного города.
Существующий норматив содержания волокон асбеста в атмосферном воздухе населенных мест — 0,06 волокна в миллилитре воздуха, определяемый методом оптической фазово-контрастной микроскопии, может служить только ориентировочным показателем содержания всех респирабельных волокнистых минеральных частиц в воздухе.
Поэтому люди, работающие на производстве и строительно-ремонтных работах, население, а также службы, ответственные за соблюдение техники безопасности при проведении строительно-ремонтных работ, местные органы Госсанэпиднадзора должны быть осведомлены о возможной опасности для здоровья человека в связи с воздействием повышенных концентраций асбестовых и искусственных минеральных волокон.
Вместе с тем полученные данные позволяют сделать следующие выводы:
- использование АСМ и АСИ на промышленных предприятиях Москвы, в автомобильном транспорте, в жилых и общественных зданиях не приводит к общему загрязнению воздуха на улицах города волокнами асбеста в концентрациях, превышающих допустимые. Исключением являются территории, непосредственно прилегающие к предприятиям, где бесконтрольно используются большие объемы асбестосодержащих материалов;
- абестосодержащие материалы, причем не только высокой плотности (асбестоцементные листы, панели, блоки) но и рыхлые (асбестсодержащая штукатурка, обмазка трубопроводов, асбестсодержащие формованные изделия), при их контролируемом использовании не являются источником выделения волокон асбеста в концентрациях, превышающих допустимые, в атмосферный воздух населенных мест и воздух жилых и общественных зданий.
Список литературы
- Асбест и другие природные минеральные волокна / ВОЗ. МПХБ. Гигиенические критерии состояния окружающей среды. Вып. 53 / ВОЗ, Женева, 1991 / Русское издание.
- Safety in the use of asbestos. / ILO Convention No. 162, 1986. / International Labour Organization, Geneva, 1986.
- Safety in the use of asbestos. / ILO Recommendation No. 172, 1986. / International Labour Organization, Geneva, 1986.
- Постановление Правительства Российской Федерации от 31 июля 1998 г. № 869 «Позиция Российской Федерации по вопросу использования хризотилового асбеста».
- Предельно допустимые концентрации (ПДК) вредных веществ в воздухе рабочей зоны. Гигиенические нормативы. ГН 2.2.5.686—98. МЗ России. 1988.
- Предельно допустимые концентрации (ПДК) загрязняющих веществ в атмосферном воздухе населенных мест. Гигиенические нормативы. ГН 2.1.6.695—98. МЗ России. 1988.
- Методические указания по измерению концентраций волокон асбеста в атмосферном воздухе населенных мест. № МУК 4.1.666—97 от 27 апреля 1997 г. 4.1. Методы контроля. Химические факторы. «Определение концентраций загрязняющих веществ в атмосферном воздухе». Сборник методических указаний МУК 4.1.591-96; 4.1.645-96; 4.1.662-97; 4.1.66-97. Минздрав России. М., 1997.
- Reference Method for the Determination of Airborne Asbestos Fibre Concentrations at Workplaces by Light Microscopy (Membrane Filter Method). AIA Health and Safety Publication, Recommended Technical Method No.1 (RTM 1). London: Asbestos International Association.
- Методика выполнения измерений счетной концентрации волокон в атмосферном воздухе и воздухе рабочей зоны. М-1- 2001. Министерство строительства РФ. ОАО «НИИпроектасбест». Асбест. 2001.
- Asbestos and Other Fibers by PCM No 7400, Issue 2. NIOSH Manual of Analytical Methods (NMAN), Fourth Edition, 8/15/94.
- Еловская Л. Т., Ковалевский Е. О мерах по снижению вредного воздействия асбеста и асбестосодержащих веществ на ТЭС // Энергетик. 1993. № 12.
- Recent Assessments of the Hazards and Risks Posed by Asbestos and Substitute Fibres, and Recent Regulation of Fibres Worldwide. // European Commission DJ III., Environmental Resources Management. / Oxford. November 1997. / 200 P.
Биодеградация железобетона в коллекторах сточных вод и эффективные меры защиты
П.Г. КОМОХОВ, академик РААСН, д-р техн. наук (ПГУПС),
В.В. ИНЧИК, д-р техн. наук (СПбГАСУ)
В последние десятилетия при эксплуатации бетонных и железобетонных конструкций проблемным вопросом является биокоррозия этих сооружений [1, 2, 3, 4].
Наряду с физическими и химическими факторами значительную и определяющую роль в разрушении структуры бетона в коллекторах сточных вод могут играть микроорганизмы — бактерии и грибы, для размножения которых там создаются благоприятные условия.
При транспортировании сточной воды по самотечным каналам и трубопроводам со скоростью, меньшей, чем самоочищающая скорость, возможно выпадение взвешенных примесей воды в осадок. Находясь под слоем воды в анаэробных условиях, осадок может загнивать. При этом создаются оптимальные условия для жизнедеятельности сульфатредуци-рующих бактерий, восстанавливающих сульфаты при сопряженном окислении органических веществ с образованием H2S.
Разрушение бетона происходит в основном в верхней части трубопровода над уровнем воды (рис. 1). Условия в этой зоне (наличие кислорода, сероводорода, влаги) оказываются очень благоприятными для развития тионовых бактерий и бесцветных серобактерий.
Механизм биологической деградации в пористой структуре бетона с избирательным воздействием кристаллической фазы портландита является сложным процессом, объединяющим ряд этапов разрушительного действия. Сначала микро-организмы попадают на поверхность материала. Затем происходит адсорбция микроорганизмов и пылевидных частиц поверхностями материала, которая зависит от свойств микроорганизмов, характера поверхности, степени ее шероховатости, температурно-влажностных условий, рН водных пленок. В дальнейшем образуются микроколонии до размеров, видимых невооруженным глазом. При этом происходит образование коррозионно-активных метаболических продуктов с локальным накоплением электролитов.
Последнее обстоятельство является важнейшей особенностью микроорганизмов как инициаторов и активных участников коррозии.
Участие биологических факторов (нитрифицирующих и тионовых бактерий) в коррозионных процессах и их количественная оценка была установлена на основании микробиологического анализа образцов бетона.
Микробиологический анализ в определении общего количества микроорганизмов показал, что в одном грамме образца цементного бетона находится 158-106 микроорганизмов. При этом бактерии были распределены по виду: тионовых — 118 —103 и нитрифицирующих 15103 [2].
Газовая среда коллекторов характеризуется весьма сложным составом и содержит ряд агрессивных соединений — сероводород, сернистый, углекислый газ, а также аммиак. В свободном состоянии сероводород не оказывает отрицательного влияния на свойства бетона, однако он может вступить во взаимодействие с гидроксидом трехвалентного железа — продуктом жизнедеятельности железобактерий. Реакция идет с образованием свободной серы по уравнению
3H2S + 2Fe(OH)3 → 2FeS + S + 6H2O.
В дальнейшем тионовые бактерии окисляют серу до серной кислоты
2S + 3O2 + 2H2O = 2H2SO4.
Еще более агрессивный характер по отношению к бетону проявляют нитрифицирующие бактерии, которые получают энергию за счет окисления аммиака до нитритов и нитратов. Первую стадию процесса ведут бактерии рода Nitrosomonas
2NH3 + 3O2 = 2HNO2 + 2H2O.
Вторая стадия осуществляется при участии бактерий рода Nitrobacter с образованием азотной кислоты [5]
2HNO2 + O2 = 2HNO3.
Определяющим действием в биоповреждении и разрушении бетона является агрессивное воздействие тионовых и нитрифицирующих бактерий, которые способны в массе бетона, примыкающей к поверхностному слою, понижать рН весьма значительно — с 12 до 3.
С учетом высокой влажности (>65%) и температуры (30-40оС) газовая среда по СНиП 2.03.11-85 разделяется по содержанию H2S на три категории: слабоагрессивная, содержащая H2S м3; среднеагрессивная — от 0,01 до 5 мг/м3; сильноагрессивная — более 5 мг/м3.
На основании изложенного и многочисленных анализов установлено, что газовая среда коллектора сточных вод, содержащая до 10 мг/м3 сероводорода, является сильноагрессивной.
Интенсивность коррозионных разрушений при биодеградации протекает по аналогу деградации, связанной со взаимодействием химических агрессивных сред и определяется скоростью химических реакций на поверхности бетона, внутренней диффузией микроорганизмов и продуктов их метаболизма в пористой структуре материала, а также активностью этих реакций.
С точки зрения биодеградации состояние железобетонных коллекторов сточных вод заслуживает особого внимания. Коллекторные сооружения в больших городах относятся к классу конструкций повышенной экологической опасности, так как многие из них построены из железобетона без специальной защитной отделки его внутренней поверхности.
Рис. 1. Схема биодеградации бетонного коллектора сточных вод: 1 — тионовые бактерии; 2 — серная кислота; 3 — нитрифицирующие бактерии; 4 — места разрушения бетона коллектора; 5 — азотная кислота; 6 — кольцо бетонного коллектора; 7 — выделяющийся аммиак; 8 — выделяющийся кислород; 9 — выделяющийся сероводород; 10 — осадок на дне коллектора, содержащий сульфиды; 11 — сточные воды
Содержание микрокремнеэема, % |
Содержание микрокремнеэема, % |
Содержание микрокремнеэема, % |
Содержание микрокремнеэема, % |
Содержание микрокремнеэема, % |
Рис. 2. Гистограммы распределения системы пор в зависимости от содержания микрокремнезема в цементном камне
Систематические наблюдения за состоянием железобетона в коллекторах сточных вод показывают, что скорость разрушения поверхностного слоя бетона варьируется в широких пределах и составляет от 1 до 20 мм в год. Интенсивность разрушения определяется скоростью диффузионно-кинетического показателя, количеством свободной Ca(OH)2 в структуре бетона, системой пор, их размерами и геометрией, концентрацией серной и азотной кислот, а также плотностью этих кислот, которые могут достигать соответственно 1,5 и 1,85 г/см3.
Для предотвращения разрушения бетона и коррозии арматуры в железобетоне применяются следующие способы.
Защита арматуры обеспечивается правильным подбором состава бетона, достаточной толщиной защитного слоя бетона, его уплотнением. В качестве специальных мер применяются предварительное покрытие арматуры слоем битумной краски, смешанной с цементом, и электрохимическая защита. Для защиты бетона применяют битумные покрытия и лаки. Бетон низких марок пропитывают полимеризующими составами, заполняющими капилляры, поры и трещины в бетоне и препятствующими проникновению в него воды.
Для предотвращения развития микробиальных процессов важно поддерживать такую скорость движения воды в трубопроводе, при которой невозможно образование осадков. Следует также избегать турбулентности потока, чтобы предотвратить выделение из воды кислорода. В особо опасных случаях рекомендуются предварительное отстаивание и аэрация сточной воды [5].
Однако практика показывает, что такие меры в условиях сильноагрессивных сред являются недостаточными. Более эффективными мерами защиты бетона являются следующие мероприятия.
В средах малой и средней степеней агрессивности эффективно применять меры надежной первичной защиты, использовать бетон особо низкой проницаемости за счет сокращения количества пор и перевода их в размер суб-микропор и микропористости.
Эффективной мерой является также связывание свободного гидроксида кальция и перевода его в форму низкоосновного гидросиликата кальция. Для этих целей рекомендуется вводить в бетонные смеси ультрадисперсный аморфный кремнезем, а также комплексную добавку модифицирующего действия в сочетании микрокремнезема и суперпластификатора С-3. Эффективность этого метода обусловливается тем, что гидравлическая активность микрокремнезема по показателю пуццоланизации в структуре цементной матрицы более чем в 1,5 раза выше минеральной традиционно применяемой добавки, такой как трепел. 1 г трепела связывает 120—140 мг СаО, а микрокремнезем связывает 220—240 мг.
Экспериментально установлено, что действие микрокремнезема весьма эффективно для обеспечения повышенной стойкости цементных бетонов в агрессивных средах.
В комплексных исследованиях по распределению системы пор в цементном камне с добавкой микрокремнезема анализировался спектр пор от 5А до 500 мкм на основе малоугловой рентгеновской дифракции, протонного магнитного резонанса и электронной сканирующей оптической микроскопии*.
Установлено также, что с введением добавки микрокремнезема до 20% количество гелевых пор уменьшается с 10 до 6%. Подобная зависимость сохраняется и для капиллярной пористости. В то же время макропористость (при размере пор 10—50 мкм) возрастает от 3,3 до 6,5 %.
Серии образцов матрицы |
Объем пор (4V/V), % |
||||||
МК* | Температура,
0С |
Поры геля 5А < R < 25А | Капиллярная пористость | Макропоры 10 мкм < R < 500 мкм | Общая пористость 5А < R < 500 мкм | ||
Субмикропоры 25А < R < 500А | Микропоры 500А < R < 10 мкм |
Общая 25А < R < 10 мкм |
|||||
0 | 14,2 | 5,8 | 5,8 | 15,7 | 8,9 | 38,8 | |
10 | 10,4 | 3,7 | 3,7 | 13,4 | 3,3 | 27,1 | |
20 | 20 | 7,5 | 2 | 2 | 5 | 4,5 | 17 |
30 | 6,2 | 0,63 | 0,63 | 3,73 | 6,5 | 16,4 | |
20+С-З** | 10,4 | 2,1 | 2,1 | 9,7 | 6,6 | 26,7 | |
20 | 40 | 12 | 2,7 | 2,7 | 12,2 | 4 | 28,2 |
20 | 60 | 14,3 | 4,9 | 4,9 | 15,4 | 6,1 | 35,8 |
*МК — добавка в цемент микрокремнезема — попутного продукта Челябинского ферросилиция, мас. %.
**С-З — суперпластификатор, введенный в цемент в количестве 0,6 мас. %.
Температура твердения, °С |
Температура твердения, °С |
Температура твердения, °С |
Температура твердения, °С |
Температура твердения, °С |
Рис. 3. Гистограммы распределения системы пор цементного камня с добавкой микрокремнезема в зависимости от температуры твердения
Тепловлажностная обработка материала приводит к количественному росту всех видов пор, кроме макропористости. Количество всех видов пор в цементном камне с добавкой микрокремнезема по сравнению с контрольными образцами (без добавок) уменьшается в среднем в два раза (см. таблицу).
Однако с повышением температуры твердения бетона активность микрокремнезема при структурообразовании снижается.
Проведенный статический анализ для всех видов пор показал влияние количества добавки в объеме цементного камня. Полученные результаты приведены в виде гистограмм (рис. 2, 3), где площадь каждого прямоугольника пропорциональна частоте нахождения данной величины в изучаемой совокупности.
Установлено, что микрокремнезем более эффективно влияет на образование пор и субмикропор цементного геля. Эффективность воздействия коррелируется последовательностью, обусловленной понижением рН-среды твердеющей системы и соответствующей ей процессу ускорения основных реакций гидратации силикатных фаз цемента. При этом твердые основания действуют по принципу кислотноосновных катализаторов.
Список литературы
- Комохов П.Г., Ларионов Н.М. Защита облицовочных бетонных покрытий от биоразрушения / Материалы семинара «Производство и применение эффективных отделочных материалов в строительстве и способы повышения их качества». Л.: ЛДНТП, 1986. С. 73-77.
- Инчик В.В. Высолы и солевая коррозия кирпичных стен. СПб.: СПбГАСУ, 1998. 324 с.
- Ерофеев В.Т., Соломатов В.И., Морозов Е.А., Веселов А.П.Микроор-ганизмы — разрушители материалов и изделий. Вестник отделения строительных наук РААСН. Вып. 3. М. 2000. С. 76-83.
- Алексеев С.Н., Иванов Ф.М., Мо-дры С., Шиссель П. Долговечность железобетона в агрессивных средах. М.: Стройиздат, 1990. 312 с.
- Карюхина Т.А., Чурбанова И.Н. Химия воды и микробиология. М.: Стройиздат, 1983.
Пленочное жидкостекольное композиционное покрытие для защиты от радиации
В.А. ХУДЯКОВ, В.Р. ТУГУШЕВА, кандидаты техн. наук (Пензенская ГАСА)
С развитием атомной энергетики и увеличением числа предприятий, в технологических процессах которых используются радиоактивные вещества и разнообразные источники ионизирующих излучений, в России растет экологическая опасность.
Кроме вредных веществ, попадающих в окружающую среду со сточными водами и отходящими газами, значительную экологическую опасность представляют токсичные отходы, накапливаемые на свалках, полигонах, шлаконакопителях.
В связи с этим важной экологической и научно-технической задачей является создание различных защитных экранов, бассейнов, контейнеров на основе новых эффективных строительных материалов для хранения, содержания, транспортирования и утилизации токсичных отходов и радиоактивных веществ.
В Пензенской ГАСА проводятся работы по созданию и исследованию свойств композиционных материалов, имеющих высокие физикомеханические и эксплуатационные характеристики и обладающих повышенной радиационной стойкостью на основе местных отходов промышленных предприятий.
Пленочные радиационно стойкие материалы, предназначенные для купирования радиоактивных осадков и пыли после радиационного выброса, должны обладать большой плотностью и однородностью, низкой вязкостью, быстро твердеть на воздухе, обладать хорошей укрывистостью, не растворяться под действием осадков, быть достаточно прочными [1].
Разработано пленочное жидкостекольное покрытие на основе жидкого стекла, которое может быть применено для временной защиты от радиации: в качестве покрытия загрязненных радиоактивными осадками поверхностей при затянувшемся сроке дезактивации, при транспортировке зараженного грунта (в целях предотвращения его пыления), для временного захоронения радиоактивных и токсичных отходов и т. п. Оно является более дешевым по сравнению с существующими полимерными покрытиями, обладает достаточной радиационной стойкостью.
Разработанные жидкостекольные композиции на защищаемую поверхность можно наносить пневматическим распылением, наливом и т. д.. В результате образуется ровная, однородная пленка, время полного высыхания которой составляет 1,5—2 ч.
Для радиационно стойких пленочных материалов в качестве связующего было использовано натриевое жидкое стекло с модулем М = 2 и плотностью 1300—1500 кг/м3. Для повышения защитных свойств покрытий в рецептуру предложено вводить в качестве наполнителя тонкомолотые отходы стекольных и оптических заводов Пензенской области специального химического состава, содержащие большое количество оксида свинца (70,93%). Инициатор твердения — феррохромовый шлак, его основной минералогический компонент — у-модификация двухкальциевого силиката (2CaOSiO2). Использование шлака обусловлено тем, что он ускоряет выпадение геля кремниевой кислоты и, кроме того, в результате взаимодействия жидкого стекла с соединениями железа образуются водонерастворимые силикаты железа, что значительно повышает водостойкость покрытия.
Для повышения водостойкости композиции, снижения вязкости и достижения оптимальной жизнеспособности в композицию вводят модифицирующие добавки — суперпластификатор С-3 и гидрофо-бизирующую кремнийорганическую жидкость 136-41.
Проведены исследования реологических свойств суспензий и некоторых физико-механических характеристик в зависимости от содержания минерального наполнителя, инициатора твердения и пластифицирующих добавок. Реологические свойства жидкостекольных композиций определяли с помощью вискозиметра ВЗ-4.
Анализ экспериментальных данных свидетельствует, что при увеличении содержания наполнителя наблюдается закономерное увеличение вязкости состава.
Получена расчетная зависимость вязкости состава от содержания наполнителя, которая имеет вид:
y = n+27,227 exp(0,0249x), (1)
где n — вязкость жидкого стекла, с.
При введении в жидкостекольную композицию пластификатора С-3 в оптимальном количестве вязкость состава уменьшается, и зависимость вязкости от степени наполнения выражается следующим уравнением:
y = n+19,724exp(0,016x). (2)
Адекватность модели оценивали с помощью коэффициента парной корреляции. При числе степеней свободы 4 и уровне значимости 0,05 коэффициент парной корреляции оказался равным 0,969, что больше табличного значения, равного 0,811 [2].
Анализ уравнений (1) и (2) показывает, что добавка пластификатора С-3 уменьшает степень влияния содержания наполнителя на изменение вязкости. Уравнения (1) и (2) позволяют подобрать оптимальную концентрацию наполнителя в зависимости от способа нанесения состава. Так, например, при пневматическом нанесении вязкость состава равна 35 с, следовательно, содержание наполнителя без пластификатора равно 15%, а с пластификатором — 40%.
Пленочные покрытия твердеют в течение 6—8 ч. Жизнесопособность композиции составила 1,5—2 ч. Для ускорения отверждения композиций в их составы вводили феррохромовый шлак в оптимальной концентрации. При этом отверждение покрытий до степени 2 наблюдается через 6 ч, а до степени 5 — спустя 10 ч (по ГОСТ 19007-73) [2].
Плотность материала в зависимости от состава изменяется от 2360 до 2690 кг/м3. Максимальную плотность, обеспечивающую высокие изолирующие свойства покрытий, имеет состав с содержанием наполнителя 70% и содержанием отвердителя 50%. Дальнейшее повышение содержания наполнителя нецелесообразно из-за значительного повышения вязкости.
Модуль упругости отвержденных покрытий и их твердость определяли методом внедрения конусообразного индентора на консистометре Гепплера, также определяли их плотность. Свойства отвержденных покрытий приведены в таблице.
Содержание наполнителя, % от объема жидкого стекла |
Содержание шлака, % от объема жидкого стекла |
Твердость, МПа |
Модуль упругости, МПа |
Плотность,
кг/м3 |
|
Условно мгновенный |
Равно весный |
||||
50 |
50 | 203 | 10718 | 5737 |
2360 |
30 |
50 | 322 | 14573 | 9337 |
2480 |
50 |
30 | 970 | 37540 | 24863 | 2690 |
70 | 50 | 178 | 5082 | 5649 |
2420 |
50 |
70 | 1792 | 43278 | 30349 |
2520 |
Исследования зависимости когезионной прочности и внутренних напряжений в покрытии в зависимости от его состава были проведены по многофакторному плану. Значения когезионной прочности изменялись в пределах от 0,56 до 1,33 МПа.
При оптимальном содержании наполнителя 70% с увеличением содержания шлака наблюдается увеличение внутренних напряжений и снижение когезионной прочности покрытия. При 50%-ном содержании отвердителя значение когезионной прочности составило 0,75 МПа. Даже при увеличении содержания шлака наблюдается увеличение прочности. Это явление можно объяснить с позиции теории перколяции.
При определенном содержании наполнителя осуществляется структурно-фазовый переход матрицы из ее объемного состояния в пленочное, затрагивающее весь объем материала. Если и далее продолжать наполнение, происходит уменьшение толщины пленки. Причем вследствие стерических эффектов качество ее структурированной упорядоченности снижается. Когда толщина пленки достигает критической, она становится термодинамически неустойчивой и распадается на отдельные островки, что сопровождается возникновением большого числа пор, способствующих резкому снижению прочности композита [3].
Следовательно, оптимальным составам дисперсно-наполненных конденсированных структур композитов соответствует определенная толщина пленки матрицы, являющийся одним из основных показателей структуры.
Таким образом, результаты экспериментальных исследований позволяют предложить оптимальный состав композиции, содержащей 50% шлака и 70% наполнителя, который обладает максимальной плотностью (2420 кг/м3) и твердостью, имеет высокий коэффициент ослабления ионизирующих излучений.
Разработанные составы достаточно радиационно стойки: предел прочности при испытании на сжатие при поглощенной дозе у-излучения до 8,4-106 Гр составляет от 5 до 12%.
Список литературы
- Дубровский В.Б. Радиационная стойкость строительных материалов. М.: Стройиздат, 1977, 279 с.
- Карякина М.И. Физико-химические основы процессов формирования и старения покрытий. М.: Химия, 1980, 216 с.
- Соломатов В.И., Бобрышев А.Н., Прошин А.П. Кластеры в структуре и технологии композиционных материалов // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1993. № 4. С. 56-62.
Сравнительная оценка качества материалов с вероятностными и возмоЖностными характеристиками
В.С. УТКИН, канд. техн. наук (Вологодский государственный технический университет)
Для сравнения материалов по одному и тому же показателю качества, например по прочности, применяют различные способы в зависимости от имеющейся информации и рассмотренные в [1]. Сложнее обстоит вопрос, когда об одном и том же показателе качества материалов информация представлена в различном виде, например один материал характеризуется вероятностными мерами, а другой возможностными. Для первого материала известна функция распределения плотности вероятности (ФРПВ) случайной величины, например предела прочности, и параметры распределения. Для другого материала, при ограниченной статистической информации [2], может быть использована характеристика свойства в виде функции распределения возможностей (ФРВоз) с известными параметрами. Каким образом можно сравнить показатели качества этих двух материалов?
Первый способ заключается в том, что по результатам испытаний первого материала, если они имеются при операции сравнения, находят параметры ФРВоз принятой для второго материала. Полученные результаты позволяют осуществить сравнение материалов по данному показателю качества. Однако результаты испытаний первого материала на момент сравнения, как правило, отсутствуют и кроме этого теряется вероятностная информация о первом материале, а от этого значение показателя его качества огрубляется (дается в размытом интервальном виде).
Второй способ заключается в том, что показатели качества обоих материалов приводятся к унифицированному виду, удобному для их сравнения без потери вероятностной информации.
Для этого вводится понятие нечеткой вероятности состояния (показателя качества), как нечеткого числа Rx (в понятиях теории возможностей) [2].
Пусть z случайная переменная с ФРПВ g(x) = Bep(z = x). Функция распределения Z, например, напряжения до разрушения материала, будет
Унифицированное представление информации о показателе качества с помощью (1) и (2) позволяет находить четкие вероятности R с помощью расчета «центра тяжести» ФП для дискретного нечеткого множества А по формуле [2]
Для двух материалов с R1 и R2 более качественному (по прочности) будет соответствовать большее значение R.
Пример. Пусть для случайной величины одного показателя качества материала (например, разрушающего напряжения) известна ФРПВ g(x) = 0,1 exp(-0,1x). Для другого материала того же показателя качества известна ФРВоз f(x) = exp[-(x-10)2/25]. Сравним материалы по прочности при значении x0 = 6 МПа.
(верхнее значение pr (x) по (2) будет при x>6, то есть при x = 10).
По (3) найдем
Отсюда следует, что качество второго материала (по прочности) будет выше, так как X2>X1.
Таким образом, можно провести сравнение любого числа материалов по любому одному показателю качества.
Список литературы
- Уткин В.С. Сравнительная оценка качества материалов и другой продукции // Строит. материалы. 2000. № 9. С. 29-30.
- Уткин В.С., Уткин Л.В. Определение надежности строительных конструкций: Учеб. пособие. 2-е изд. перераб. Вологда: ВоГТУ, 2000. 175 с.
- Дюбуа Д., Прад А. Теория возможностей. Приложения к представлению знаний в информатике: Пер. с фр. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.
Получение кислотоупорных материалов с применением отходов производств
Е.С. АБДРАХИМОВА, зам. директора ПК «НАУКА», канд. техн. наук,
В.З. АБДРАХИМОВ, профессор Восточно@Казахстанского
технологического университета, канд. техн. наук (Усть@Каменогорск)
Кислотоупорные изделия по признаку применения относятся к строительной керамике. Однако это не буквально строительная керамика, как повсеместно широко используемый кирпич, поэтому в литературе встречается редко. Химически стойкой керамикой принято называть керамику, которая обладает способностью противостоять длительным воздействиям различных химических веществ в жидком и газообразном состоянии.
Кислотоупорные изделия широко применяют в химической и электрохимической, фармацевтической, пищевой и других отраслях промышленности. Производство серной, соляной, азотной, фосфорной и других кислот было бы затруднительно без кислотоупорных керамических изделий, которые с успехом заменяют дорогостоящую металлическую аппаратуру.
В настоящее время для получения кислотоупоров в основном применяют глинистые материалы с повышенным содержанием оксида алюминия (AI2O3 более 20%) и небольшим содержанием оксида железа (Fe2O3 менее 3,5%). В Казахстане тугоплавкие глины в основном содержат AI2O3 менее 20%, а Fe2O3 более 3,5%.
В качестве отощителей при производстве кислотоупоров в керамических массах используется шамот. Шамот получается обжигом глинистых материалов при температуре 1200оС. Получить высококачественный шамот на основе низкосортных Восточно-Казахстанских тугоплавких глин весьма затруднительно. Таким образом, из масс на основе тугоплавких глин с повышенным содержанием Fe2O3 и низким содержанием Al2O3 получить высококачественный шамот и качественные кислотоупоры практически невозможно.
Между тем в Восточном Казахстане развита металлургическая промышленность, требующая значительного увеличения всех видов кислотоупорных керамических изделий, потребность в которых удовлетворяется за счет ввоза из других стран СНГ.
Известно, что в большинстве областей Казахстана, среднеазиатских республик и Западной Сибири России отсутствуют или ограничены месторождения кондиционных глинистых материалов, пригодных для производства кислотоупоров. Поэтому проблема изыскания качественного сырья для производства кислотоупоров является одной из важнейших в республике и Западной Сибири.
Наши исследования показали, что в качестве отощителя целесообразно использовать пирофиллит, в котором содержание Al2O3 более 30%, а Fe2O3 мене 1% [1]. Содержание пирофиллита в керамических массах в пределах 40—50% позволяет получить кислотоупоры на основе низкосортных тугоплавких глин.
Для получения кислотоупоров использовались следующие сырьевые материалы: в качестве глинистых материалов использовались глинистая часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд (ГЦИ) и жана-даурская глина; в качестве отощителя — никольский пирофиллит и в качестве плавня — попутный продукт редкоземельных металлов (ПШК — полевошпатовый концентрат). Химический состав компонентов приведен в табл. 1.
Глинистая часть «хвостов» гравитации циркон-ильменитовых руд (ГЦИ) получается после дезинтеграции и грохочения в виде пульпы влажностью 37—48%, по содержанию частиц размером менее 0,001 мм (42—43%) относится к среднедисперсному сырью, по пластичности — к среднепластичному (число пластичности 20—25), по огнеупорности — к тугоплавкому (огнеупорность 1480—1560оС) с интервалом спекания 120—150оС.
Таблица 1
Компоненты | Содержание оксидов, мас. % | ||||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | R2O | п.п.п. | |
ГЦИ | 58,74 | 21,39 | 6,21 | 1,70 | 1,22 | 1,62 | 7,34 |
Жана-даурская глина | 69,14 | 17,38 | 3,10 | 2,0 | 1,42 | 0,20 | 6,08 |
Пирофиллит | 52,8 | 34,9 | 0,4 | 0,22 | 0,1 | 0,09 | 7,88 |
ПШК | 73,22 | 14,48 | 0,32 | 0,37 | 0,31 | 10,18 | 0,38 |
Таблица 2
Компоненты | Содержание компонентов в составах, мас. % | |||
1 | 2 | 3 | 4 | |
ГЦИ | 50 | 50 | ||
Жана-даурская глина | 50 | 50 | ||
Пирофиллит | 50 | 50 | 40 | 40 |
ПШК | 10 | 10 |
Зависимость кислотостойкости образцов от температуры обжига. Номера кривых на графике соответствуют номерам составов по табл. 2, 3, 4
Таблица 3
Состав | Содержание оксидов, мас. % | ||||||
SiO2 | Al2O3 | Fe2O3 | CaO | MgO | R2O | п.п.п. | |
1 | 55,74 | 28,15 | 0,96 | 0,66 | 3,31 | 0,96 | 7,61 |
2 | 61,0 | 25,64 | 1,21 | 0,76 | 1,75 | 0,15 | 6,98 |
3 | 57,49 | 26,78 | 0,90 | 0,90 | 3,01 | 1,88 | 6,89 |
4 | 62,22 | 24,52 | 1,13 | 0,71 | 1,6 | 1,16 | 6,32 |
Таблица 4
Показатели | Составы | Требования ГОСТ 961-89, марка ТКШ | |||
1 | 2 | 3 | 4 | ||
Температура обжига, 1250оС | |||||
Водопоглощение, % | 3,4 | 4,5 | 2,0 | 2,8 | Менее 5 |
Кислотостойкость, % | 96,0 | 97,2 | 97,5 | 98,2 | Более 97 |
Термостойкость, теплосмены | 5 | 6 | 7 | 9 | Более 8 |
Морозостойкость, циклы | Более 50 циклов | Более 20 | |||
Температура обжига, 1300оС | |||||
Водопоглощение, % | 2,8 | 3,4 | 1,2 | 1,8 | Менее 5 |
Кислотостойкость, % | 98,7 | 98,8 | 99,0 | 99,3 | Более 97 |
Термостойкость, теплосмены | 10 | 12 | 12 | 14 | Более 8 |
Морозостойкость, циклы | Более 100 циклов | Более 20 |
Глины Жана-Даурского месторождения Восточно-Казахстанской области имеют число пластичности 12—18 и огнеупорность 1540—1570оС, а по минералогическому составу исследуемое глинистое сырье относится к группе каолинитовых.
Никольский пирофиллит Восточно-Казахстанской области использовался в качестве отощителя в производстве кислотоупорных плиток. Огнеупорность пирофиллита 1650—1680оС [2].
Попутный продукт редкоземельных металлов является полевошпатовым концентратом. Полевошпатовый концентрат получается после помола исходного сырья, извлечения из него металлов и последующей флотации слюды [3]. После обогащения полевошпатового концентрата (ПШК) в виде пульпы влажностью 60% он по трубопроводу подается в «хвостохранилище». ПШК имеет белый цвет с проблесками слюды и внешне напоминает песок. Минералогический состав представлен следующими минералами, мас. %: кварц 30—40, полевой шпат 60—70, слюда 1—3.
Для получения кислотоупоров исследовались составы, приведенные в табл. 2. Применение в составах керамических масс глинистых материалов менее 50% приводит к снижению пластичности шихты, что значительно ухудшает ее формовочные свойства, а применение более 50% увеличивает время сушки кислотоупоров. Поэтому оптимальное содержание глинистых материалов в керамических составах принято 50%.Ввод в составы керамических масс пирофиллита при обжиге кислотоупоров до 1300оС не способствует повышению их физико-механических свойств. Очевидно, это связано с тем, что пирофиллит, являясь огнеупорным материалом (огнеупорность более 1600оС), не способствует образованию жидкой фазы и отодвигает образование муллита в область более высоких температур.
С целью снижения температуры обжига кислотоупоров в керамическую массу вводился полевошпатовый концентрат (ПШК) в количестве 10%. Применение ПШК более 10% в составах керамических масс нецелесообразно по следующим причинам: во-первых, практически необходимый минимум введения жана-даурской глины, при которой масса сохраняет оптимальные пластические свойства, составляет 50—55%; во-вторых, значительное уменьшение в составах пирофиллита уменьшает содержание в массах AI2O3, что нежелательно, так как уменьшение в стеклофазе глинозема не способствует повышению кислотостойкости. Расчетный химический состав керамических масс приведен в табл. 3.
Как видно из табл. 3, ввод в составы керамических масс пирофиллита значительно увеличивает содержание AI2O3 и уменьшает Fe2O3. ПШК также снижает содержание Fe2O3, но при этом снижает и AI2O3. Таким образом, ввод в составы керамических масс пирофиллита позволяет использовать в производстве кислотоупоров низкосортные глины и отходы производств.
Установлено, что замена кислотоупорного кирпича кислотоупорной плиткой позволяет снизить расход сырья в 2,5 раза, а массу футеровки почти в три раза [1]. Поэтому наши исследования проводились на кислотоупорных плитках.
Из исследуемых составов методом пластического формования при влажности шихты 20—22% формовали квадратные плитки размером 100x100x20 мм, высушивали до остаточной влажности не более 3%, затем обжигали в интервале температур 1100—1300оС.
Как видно из рисунка, кислотостойкость образцов из состава 1 до температуры 1200оС выше, чем у образцов из состава 2. Очевидно, это связано с тем, что в образцах на основе ГЦИ жидкая фаза образуется при 950оС, а муллит, формирующий основные физико-механические свойства, при 1000оС. В образцах на основе жана-даурской глины вышеуказанные фазы сдвигаются на 50оС в область более высоких температур.
В работе [1] указывалось, что образование муллита при обжиге ГЦИ и жана-даурской глины происходит в две стадии. Первая — резкий скачок увеличения муллита в интервале температур: для ГЦИ 1000—1150оС; для жана-даурской глины 1050—1200оС. Вторая стадия — это медленное увеличение содержания муллита и совершенствование его структуры. Муллит, как показано в работе [4], имеющий несовершенную кристаллическую решетку, как правило, не способствует повышению кислтостойкости образцов. Очевидно, что в образцах из состава 2 муллит имеет более совершенную кристаллическую решетку, чем в образцах из состава 1, при температурах обжига более 1200оС.
Рентгеновскими исследованиями муллита (3Al2O3-2SiO2) установлено [5], что кристаллическая решетка муллита имеет «дырки» диаметром 0,64-10-10 м, в которые могут внедряться посторонние ионы радиусом меньшим, немного большим или равным 0,6410-10м и которые частично создают дефектность структуры. Такими ионами в керамических материалах могут быть Fe3+ и Ti4+, которых в ГЦИ значительно больше, чем в жана-даурской глине. Посторонний ион вследствие отличия размера его радиуса от величины «дырки» вызывает в решетке искажение. Кроме того, в работе [1] рентгеновскими, микроскопическими и ИК-спектро-скопическими исследованиями было установлено, что при обжиге образцов из ГЦИ, имеющей повышенное содержание оксида железа, образуется магнетит (Fe2O3-FeO), который относится к химически нестойким материалам.
Ввод в составы керамических масс ПШК способствует повышению кислотостойкости (см. рисунок, кривые 3 и 4). В работе [6] автор указывает, что полевой шпат способствует образованию игольчатой разновидности муллита. В основе формирования игольчатой разно -видности муллита и полевого шпата лежит процесс диффузии щелочных металлов. Покидая решетку альбита (Na2O Al2O3-6SiO2), щелочные металлы высвобождают часть зарядов, что ведет к усилению ионной связи алюминия и образованию шестикоординационных группировок этого элемента, необходимых для синтеза муллита. Кроме того, уменьшение концентрации ионов натрия в расплаве полевошпатового концентрата приводит к образованию матрицы, состав которой сдвигается в поле муллита по фазовой диаграмме системы RO2—Al2O3—SiO2. После диффузии оксидов щелочных металлов в «каолинитовом остатке» достигается определенная концентрация оксидов типа RO2, на которых возникает жидкая фаза. Ее состав непрерывно меняется как за счет поступления новых порций щелочей, так и в связи с расширением кварца, что также приводит к кристаллизации муллита и совершенствованию его структуры [7].
В табл. 4 приведены физико-механические показатели образцов из составов 1—4, обожженных в интервале температур 1250— 1300оС.
Таким образом, полевошпатовый концентрат способствует повышению кислотостойкости. Согласно требованиям ГОСТ 961—91 «Плитки кислотоупорные и термокислотоупорные» плитки марки ТКШ и КШ должны иметь кислотостойкость 97%, КФ — 99 и ТКД — 98%. Вввод полевошпатового концентрата в состав керамических масс на основе жана-даурской глины (состав 4) позволяет получить плитки с кислотостойкостью 98,2% при температуре обжига 1250оС.
Список литературы
- Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Кислотоупорные изделия с использованием отходов цветной металлургии и нетрадиционного сырья Восточного Казахстана. Новосибирск. Новосибирский государственный архитектурно-строительный университет. 2000. 103 с.
- Абдрахимов В.З. Пирофиллит как сырье для керамической промышленности // ВНИИ-ЭСМ. Керамическая промышленность. 1990. Вып. 3. С. 7—8.
- Абдрахимова Е.С., Абдрахимов В.З. Влияние некоторых отходов промышленности Восточного Казахстана на изменение вязкости керамических масс // Известия вузов. Строительство. 1999. № 2-3. С. 73-88.
- Грум-Гржимайло О. С. Муллит в керамических материалах // Тр. НИИстройкерамики. 1975. Вып. 40-41. С. 79-88.
- Будников П.П., Мчедлов-Петросян О.П. К термодинамике изменения каолинита при нагревании // ДАН СССР. 1960. № 12. С. 349-356.
- Грум-Гржимайло О.С. Образование первичного муллита в фарфоровых изделиях // Стекло и керамика. 1973. № 6. С. 26-27.
- Павлюкевич Ю.Г., Левицкий И.А. Фазообразование в керамических массах содержащих метадиабазы // Стекло и керамика. 1999. № 8. С. 19.
Понижение горючести полимербитумного кровельного покрытия
Э.С. ШУЛЬГИНА, канд. хим. наук, доцент, М.Ю. ПАРИЙСКАЯ (Санкт-Петербургский государственный технологический институт (Технический университет),
И.Н. ТОВКЕС, главный инженер (Завод «Изофлекс» ООО» ПО «Киришинефтеоргсинтез»)
В производстве современных строительных материалов широко используются полимеры. Они обеспечивают надежность и долговечность зданий и сооружений при эксплуатации в различных климатических зонах. Современное строительство требует постоянного улучшения свойств, отвечающих за надежность и долговечность материалов и конструкций.
Кровельные материалы, создаваемые преимущественно на полимер-битумных композициях, несмотря на их признание, также нуждаются в специальной доработке. Это связано с тем, что их составляющие — нефтяной битум и синтетические полимеры, являясь органическими по своей природе, чувствительны к повышенным температурам и тем более воздействию огня.
При термическом разложении битумного компонента образуется много органических продуктов с относительно низкой молекулярной массой, которые легко переходят в газовую фазу при нагреве. Горение битума, как и горение полимеров, сопровождается обильной копотью и низким коксообразованием. Для огнезащиты таких полимерных систем коксообразующие добавки (фосфорсодержащие неорганические добавки) и инертные наполнители оказались неэффективными. [1] Исходя из представлений о циклическом и многостадийном процессе горения [2] наиболее эффективным способом огнезащиты органических полимерных систем является подавление (флегматизация, ингибирование) газовой фазы горения.
В данной работе изучена возможность снижения горючести полимербитумной композиции (ПБК) при введении декабромдифенилоксида (ДБДФО) и его смесей с оксидами различных металлов при сохранении ее основных свойств в допустимом интервале.
Для корректного подбора антипирена исходили из температуры его разложения и совместимости с ПБК. Данные термогравиметрического анализа показали, что температура начала разложения ДБДФО составляет 360оС, а исходной ПБК — 330оС. По этим показателям выбор ДБДФО как антипирена ПБК рационален. При исследовании образцов под микроскопом сделан вывод об их относительной однородности.
Таблица 1
Содержание ДБДФО в ПБК, мас. % | Потеря массы при горении, % | Время возгорания, с | Время самостоятельного горения, с |
— | Образец сгорел полностью | ||
5 | Образец сгорел полностью | ||
10 | 8,6 | 20 | 60 |
15 | 4,5 | 25 | 31 |
20 | 4,2 | 25 | 0 |
25 | 7,7 | 30 | 0 |
Таблица 2
Оксид
металла |
Содержание оксида металла, % | Время самостоятельного горения, с | Потеря массы при горении, % | Предел прочности при растяжении, Па-10-4 | Относительное удлинение при разрыве, % | Гибкость на холоде при температуре, оС |
Sb2Og | 3 | 0 | 9,6 | 43 | 75 | -15 |
4 | 1 | 7,1 | 45 | 95 | -15 | |
5 | 0 | 3,9 | 50 | 71 | -15 | |
7,5 | 2 | 6,1 | 48 | 100 | -15 | |
TiO2 | 3 | 11 | 9,7 | 41 | 90 | -15 |
4 | 0 | 4,9 | 45 | 95 | -15 | |
5 | 7 | 6,9 | 51 | 90 | -15 | |
7,5 | 45 | 7,8 | 54 | 90 | -15 | |
Fe2O3 | 3 | 5 | 10,5 | 53 | 75 | -15 |
4 | 11 | 7,5 | 46 | 85 | -15 | |
5 | 40 | 7,7 | 49 | 80 | -15 | |
7,5 | >60 | >20 | 53 | 100 | -15 | |
Примечание. Общее количество функциональной смесевой добавки 15 мас. %. |
Зависимость предела прочности при растяжении и относительного удлинения при разрыве образцов ПБК от содержания в них ДБДФО
Таблица 3
Антипирен | Параметры деструкции | |
Т1, оС | Т10, оС | |
— | 145 | 370 |
ДБДФО | 140 | 350 |
ДБДФО : Sb2O3 | 100 | 322 |
ДБДФО : TiO2 | 123 | 345 |
ДБДФО : Fe2O3 | 90 | 350 |
Примечание. Общее количество антипирена 15 мас. %; соотношение ДБДФО к оксиду металла 10: 5. |
Композиции получали на основе битума кровельного БНК 45/190 (ГОСТ 9548—74) производства ООО «ПО «Киришинефтеорг-синтез» и атактического полипропилена импортного производства.
Функциональные добавки:
- декабромдифенилоксид — ДБДФО (ТУ 6-22-43-79);
- Sb2O3 (ТУ 6-09-3267-87);
- TiO2 (ТУ 6-09-01-629-83);
- Fe2O3 (ТУ 6-09-563-85).
Испытания образцов на огнестойкость проводили по стандартным методикам [3]. Разрушающее напряжение и относительное удлинение при разрыве образцов определяли на разрывной машине РМИ-5А (ГОСТ 11262-80). Термический анализ образцов проводили на дериватографе Q-1500D фирмы МОМ (Венгрия) в атмосфере воздуха при скорости подъема температур 5оС/мин в интервале температур 20-500оС. Гибкость на холоде определяли по ГОСТ 2678-94 на брусе с диаметром скругления 20 мм.
В табл. 1 приведены результаты исследования горючести образцов ПБК, содержащих различные количества ДБДФО. Как видно, только большое (не менее 20%) содержание антипирена подавляет самостоятельное горение ПБК, продлевает время возгорания и снижает потерю массы образцов.
Результаты, иллюстрирующие изменение физико-механических свойств образцов, отличающихся по содержанию в них ДБДФО, представлены на рисунке.
Из приведенных зависимостей следует, что введение в образцы до 10% ДБДФО незначительно изменяет их прочность и эластичность. Такие образцы имеют гибкость -15оС, но горят в пламени более 60 с. Дальнейшее увеличение в образцах количества ДБДФО от 10 до 25% незначительно повышает их предел прочности при растяжении с 52 до 55 Па-10-4 и одновременно уменьшает относительное удлинение при разрыве со 105 до 50%. Образцы не сохраняют гибкость при низкой температуре, но и не горят.
Высокое содержание ДБДФО в ПБК приводит к несоответствию требованиям технических характеристик готовой продукции, делает ее дорогостоящей и одновременно непригодной для дальнейшей переработки в целевой материал.
Известен прием ускорения самозатухания органических веществ, заключающийся в применении си-нергистов, присутствие которых в смеси с основным замедлителем горения заметно усиливает его действие[4]. В качестве последних наиболее часто применяют оксиды [5, 6] и гидроксиды [7] металлов.
При введении в ПБК совместно с ДБДФО соединений металлов II и III групп периодической системы элементов наблюдали снижение огнестойкости композиций. Так, время самостоятельного горения композиций, содержащих 10% ДБДФО, 5% ZnO, MgO, Al2O3, Al(OH)3, Al2O3-B2O3-H2O превышает 60 с. Композиции с Al(OH)3 и ZnO обнаруживают значительное каплепадение.
В ряде случаев огнестойкость ПБК повышают введенные в них оксиды металлов IV, V и VIII групп. В частности, время самостоятельного горения ПБК составляет 0; 7 и 40 с, если синергистами служат Sb2O3, TiO2 и Fe2O3 соответственно. Для определения оптимального состава защищенных ПБК исследовали их свойства исходя из содержания в образцах синергической смеси антипиренов, в которой варьировали количество оксидов при общем количестве добавки в 15 мас. %. Результаты опытов приведены в табл. 2.
Как видно в общем, по огнестойкости образцы, содержащие 5% Sb2O3, 4% TiO2 и 3% Fe2O3, превосходят иные. Составы ПБК, из которых они приготовлены, можно считать оптимальными.
Термогравиметрические исследования и анализ дериватограмм образцов разработанных полимербитумных композиций обнаружили, что введение в них одного броморганического антипирена или в смеси с оксидами уменьшает температуру Т1, соответствующую 1% потери массы на 5-55оС, и температуру Т10, отвечающую 10% потери массы образца на 25-40оС. Это означает, что антипирены промотируют термоокисление ПБК. В меньшей мере это производит ДБДФО, в большей — его смесь со Sb2O3. ДБДФО и его смесь со Sb2O3 известны как эффективные антипирены для полипропилена [8]. Поэтому наблюдаемые тепловые потери можно связать с неустойчивостью битума в составе ПБК к температурным воздействиям. По величине снижения Т1 и Т10 можно заметить, что в исследованной ПБК протекают реакции отщепления. Присутствие в ПБК ДБДФО и его смеси с Sb2O3,TiO2, Fe2O3 снижают ее термические свойства в следующем порядке (табл. 3).
Смесь ДБДФО со Sb2O3, теряющая 10% массы при наиболее низкой температуре, равной 322оС, наиболее эффективно ингибирует горение ПБК. Это можно объяснить следующим образом: Sb2O3 катализирует разложение ДБДФО; образующийся химически активный бром активно присоединяется по С=С-связям, которые маловероятны в структуре полимера, но присутствуют в молекулах битума. Это приводит к существенному увеличению выхода бромсодержащего карбонизованного остатка, который препятствует поступлению горючих продуктов деструкции в зону пламени и кислорода к органической части ПБК. При этом в газовую фазу уже на ранних стадиях разложения ПБК одновременно выделяется HBr и летучие галогенсодержащие углеводороды, ингибирующие реакции в пламени. Подобное мнение изложено в работе [9].
Вероятно, выделение HBr, бромсодержащих углеводородов, бромидов сурьмы происходит в наиболее необходимые для замедления горения моменты времени, когда протекает основная стадия разложения горючего полимера. Такое предположение подтверждается работами А.Н. Праведникова [10]. Эта «своевременность» важна, ибо преждевременное улетучивание галогенида металла в газовую фазу из системы «полимер— антипирен», то есть до наступления стадии интенсивного разложения полимера, не защищает его от горения. Это показано на примере использования ZnO [10].
Таким образом, введение в ПБК ДБДФО в исследованных количествах незначительно повышает огнестойкость и ухудшает физикомеханические показатели. Наиболее эффективно горение ПБК ингибируют смеси ДБДФО с Fe2O3, TiO2, Sb2O3.
Список литературы
- Полимерно-битумное гидроизоляционное покрытие пониженной горючести / Ю.В. Емельянов, В.В. Обносов, В.Н. Мелихов, С.В. Баженов, Л.В. Мотина // Первая междунар. конф. по полимерным материалам пониженной горючести: Тез. докл. Алма-Ата, 1990. С. 18—20.
- Асеева Р.М., Заиков Г.Е. Горение полимерных материалов. М.: Наука, 1981. 280 с.
- Монахов В.Т. Методы исследования пожарной опасности веществ. М.: Химия, 1972. С. 61—63.
- Кодолов В.И. Замедлители горения полимерных материалов. М.: Химия, 1980. 274с.
- Пат. 4512806 США.
- Пат. 5326797 США.
- Пат. 4659381 США.
- Самозатухающая композиция на основе полипропилена / Г.С. Шифрис, Т.А. Бубнова, Р.Ш. Салахова и др. // Пластические массы. 1989. № 7. С. 56-58.
- Brauman S. K. Char — forming syntetic polymers 3. Modification by hologen introduktion and the use of dehydrohalogenation agents to promote charring. / J. Fire Retardant Chemistry 1980. V. 7. p. 119-129.
- Полимерные материалы с пониженной горючестью / В.В. Копылов, С.Н. Новиков, Л.А. Оксентьевич и др. / Под ред. А.Н. Праведникова. М.: Химия, 1986. 224 с.
Использование отходов производства при изготовлении тротуарной плитки
ГП. КОМЛЕВА, В.Г КОМЛЕВ, А.В. КОСТРОВ
(Ивановский государственный химико-технологический университет)
Данная работа посвящена вопросу использования таких отходов производства, как фарфоровый бой, стеклобой и пиритные огарки при изготовлении тротуарной плитки, получившей в последние годы широкое распространение для устройства покрытий пешеходных дорожек и тротуаров. Применение отходов не только является существенным резервом экономии природного сырья и расширения сырьевой базы, но и способствует оздоровлению окружающей среды.
Наряду с перечисленными материалами в работе были использованы портландцемент М400, белый портландцемент и кварцевые пески различных месторождений с модулями крупности (Мкр) равными 1,4; 2 и 3,4. Фарфоровый и стеклянный бой перед применением были предварительно измельчены до получения порошков различной дисперсности.
Приготовление цементного раствора осуществляли по общепринятой методике [1]. Отходы производства вводили вместо соответствующего количества (по массе) песка. Формовали образцы методом вибрирования. Твердение образцов происходило сначала в ванне с гидравлическим затвором (в формах над водой в течение 24 ч), затем в ванне с водой (без форм в течение 7 сут), после чего они подвергались пропариванию (3 ч). Испытания образцов на прочность, водопоглощение и истираемость проводили по стандарту [2—4].
Разработка составов масс для тротуарной плитки была начата с подбора оптимального содержания карьерных песков с различными модулями крупности. Выяснено, что наилучшие показатели по прочности обеспечивали составы, содержащие по 50% песка с Мкр=3,4 и Мкр=2; предел прочности при сжатии составил 28 МПа, при изгибе 5 МПа. Соотношение цемента и песка было равным 25:75 при водоцементном отношении 0,44.
Испытания образцов с введением в исходную смесь 5, 10, 15 и 20% пиритных огарков вместо соответствующего количества смеси песков показали, что предел прочности при сжатии практически не изменяется, а предел прочности при изгибе сначала (10% пиритных огарков) несколько возрастает (до 6 МПа), а затем вновь снижается до 5 МПа. Наименьшим водопоглощением обладают образцы, содержащие 5% пиритных огарков; оно составляет 5% (у исходного состава 5,4%). При увеличении содержания пиритных огарков в смеси до 20% водопоглощение плавно возрастает до 7,8%. Таким образом, лучшим комплексом свойств обладают образцы, в состав которых вводится от 5 до 10% пиритных огарков. Их использование позволяет изменять окраску плитки до красно-коричневой. Истираемость образцов, содержащих 5% пиритных огарков, составила 0,08 г/см2 (без огарков — 0,23 г/см2).
Добавление суперпластификатора к указанным смесям в количестве 0,5% (на сухое вещество) с целью уменьшения водоцементного отношения (с 0,44 до 0,32 при отсутствии пиритных огарков и с 0,47 до 0,41 при 20 %-ном содержании огарков) приводит к снижению прочности. Водопоглощение образцов сначала уменьшается с 6,6% (без пиритных огарков) до 3,7% (10% огарков), а затем увеличивается до 5,3% (20% огарков). Так как существенного улучшения свойств не произошло, введение суперпластификатора было признано нецелесообразным.
Зависимость свойств образцов от содержания в них фарфорового боя показана на рис. 1—3. При введении в смеси фарфорового боя с модулями крупности 1,2 и 3,7, наблюдается различный характер изменения свойств. В случае малого модуля крупности (1, 2) прочность при сжатии и изгибе изменяется с образованием максимумов на кривых зависимости этих свойств от содержания боя в пределах от 20 до 30 %; водопоглощение прямолинейно возрастает. При введении боя с Мкр=3,7 пределы прочности при сжатии и изгибе увеличиваются, а водопоглощение уменьшается. Таким образом, лучше вводить в массы фарфоровый бой с более высоким модулем крупности, так как, во-первых, плитка из таких масс обладает более низким водопоглощением, во-вторых, уменьшаются затраты при дроблении боя и вводить его можно в больших количествах (до 50%).
Таблица 1
Наименование компонентов |
Содержание компонентов, % |
||||
Номер состава |
|||||
1 |
2 | 3 | 4 |
5 |
|
Портландцемент М400 |
25 |
25 | — | — |
— |
Портландцемент белый М400 |
— |
— | 25 | 25 |
25 |
Песок карьерный Мкр=2 |
18,75 |
18,75 | — | — |
— |
Песок карьерный Мкр=3,4 |
18,75 |
18,75 | — | — |
— |
Песок Ташлинский Мкр=1,4 |
— |
— | 75 | 37,5 |
37,5 |
Фарфоровый бой Мкр=3,7 |
37,5 |
— | — | 37,5 |
— |
Стеклобой Мкр=2,3 |
— |
37,5 | — | — |
37,5 |
Таблица 2
№ состава |
Предел прочности при сжатии, МПа | Предел прочности при изгибе, МПа | Водопоглощение,
% |
Истираемость, г/см2 |
1 |
32 | 6 | 4,6 | 0,08 |
2 |
29 | 7 | 5,7 | 0,13 |
3 |
20 | 5 | 6,9 |
— |
4 | 35 | 7 | 5,4 |
0,05 |
5 | 26 | 5 | 6 |
0,06 |
Истираемость образцов, приготовленных из оптимальных составов, по сравнению с исходным составом, т. е. не содержащим фарфорового боя, значительно ниже: при содержании 20% боя с Мкр=1,2 она составляет 0,11 г/см2, при содержании 50% боя с Мкр=3,7 равна 0,08 г/см2 (без боя — 0,23 г/см2). Фарфоровый бой существенно влияет на декоративные характеристики плитки, особенно при введении боя в больших количествах и с высоким Мкр. Плитка получается мраморовидной и более светлых тонов.
Содержание отходов, мае. %
Рис. 1. Зависимость предела прочности при сжатии образцов от содержания в них отходов производства. Здесь и на рис. 2, 3: 1 — фарфоровый бой с модулем крупности 1,2; 2 — фарфоровый бой с модулем крупности 3,7; 3 — стеклянный бой с модулем крупности 2,3
Содержание отходов, мае. %
Рис. 2. Зависимость предела прочности при изгибе образцов от содержания в них отходов производства
Рис. 3. Зависимость водопоглощения образцов от содержания в них отходов производства
При замене в шихте песка (Мкр=2) соответствующим количеством стеклобоя с Мкр=2,3 увеличиваются пределы прочности при сжатии и изгибе; водопоглощение практически не изменяется (см. рис. 1—3). Истираемость образцов, содержащих 50% стеклобоя, составляет 0,13 г/см2. Декоративный вид также существенно улучшается.
Наряду с обычным портландцементом М400 были исследованы составы на основе белого цемента М400 с добавками песка Ташлин-ского месторождения (Мкр=1,4), фарфорового боя (Мкр=3,7) и стеклобоя (Мкр= 2,3). Эти плитки имели белый цвет, высокую прочность, низкое водопоглощение и малую истираемость. Проанализировав все полученные данные, выбрали оптимальные составы масс (табл. 1).
Характеристики материала оптимальных составов приведены в табл. 2. Все они соответствуют требованиям стандарта [5] и имеют высокую устойчивость к истиранию.
С теоретической точки зрения наблюдаемые зависимости можно объяснить изменением плотности упаковки зерен в бетоне при введении песков с разным размером зерен и отходов производства с тем или иным модулем крупности. Замечено, чем плотность упаковки зерен больше, тем выше пределы прочности при изгибе и сжатии и ниже водопоглощение, т. е. пористость. Наиболее наглядно это видно при введении в массу фарфорового боя с модулями крупности 3,7 и 1,2. При добавлении стеклобоя с Мкр=2,3 к массе, содержащей карьерный песок с Мкр=2, водопоглощение почти не изменяется в связи с тем, что плотность упаковки практически остается такой же (Мкр близки). Прочность материала растет, возможно, за счет протекания реакций между стеклобоем (с поверхности) и гидроксидом кальция, который образуется при гидратации алитовой и белитовой фаз портландцемента с возникновением дополнительного количества гидросиликатов кальция и повышением прочности сцепления с заполнителем.
Таким образом, использование таких отходов, как пиритные огарки, фарфоровый бой и стеклобой, является весьма целесообразным в технологии изготовления тротуарной плитки.
Список литературы
- Воробьев В.А., Комар А.Г. Строительные материалы. М.: Строй-издат, 1976. 475 с.
- ГОСТ 10180—78. Бетоны. Методы определения прочности на сжатие и растяжение. Взамен ГОСТ 10180-74. Введ. 01.01.1980. М.: Изд-во стандартов, 1979.
- ГОСТ 12730.3-78. Бетоны. Метод определения водопоглощения. Взамен ГОСТ 12730-67. Введ. 01.01.80. М.: Изд-во стандартов, 1979.
- ГОСТ 13087-81. Бетоны. Метод определения истираемости. Взамен ГОСТ 13087-67. Введ. 01.01.82. М.: Изд-во стандартов, 1981.
- ГОСТ 17608-91. Плиты бетонные тротуарные. Техн. усл. Взамен ГОСТ 17608-81. Введ. 01.01.92. М.: Изд-во стандартов, 1991.
Об оценке качества строительных материалов в зависимости от числа образцов
В.С. УТКИН, канд. техн. наук, Ж.В. КОШЕЛЕВА,
аспирант (Вологодский государственный технический университет)
Теория малой выборки является важнейшим направлением при оценке неопределенностей. В работе [1] был предложен новый метод оценки качества строительных материалов при малом количестве образцов на основе теории возможностей. Для этого была использована функция распределения возможностей (ФРВ) вида
где параметр а можно рассматривать как среднее значение качества, например прочности, определяемое по результатам испытания {X1, X2,…, Xn} в виде a=0,5(Xmax+Xmin). Параметр b (b=0,5(Xmax-Xmin)/εα, умноженный на
можно по аналогии с теорией вероятностей назвать половиной ширины доверительного интервала. a называется уровнем среза или уровнем риска, которым при оценке задаются качества материалов. Если ширина доверительного интервала зависит от того, каким значением уровня риска задаются, это отражает субъективность оценки качества материала. По воле испытателя некачественный материал можно перевести в разряд качественных субъективной заменой одного значения a на другое.
Приведем пример. Пусть по результатам испытаний трех бетонных кубиков на сжатие получены значения разрушающих напряжений, Xmax=30 МПа, Xmin=20 МПа. Найдем прочность бетона при сжатии, используя ФРВ [1]. Определяем параметры ФРВ
Определим, какова возможность того, что прочность бетона будет равна 23 МПа. Принимаем x = 23 МПа. Так как x = 23 < a = 25 МПа, то в обоих случаях возможность того, что прочность бетона будет 23 МПа равна 1.
Необходимость этого утверждения определяется из выражения N = 1-Q, где Q — возможность того, что прочность не равна 23 МПа. Так как x<a, то Q по (1) равна лх(х). Так, в нашем примере
Следовательно, возможность того, что прочность бетона равна 23 МПа, находится в интервалах [0,52; 1] и [0,02; 1] соответственно для принятых а^=0,01 и а2=0,5. Из приведенного примера видно, что не наложив каких-либо ограничений на выбор уровня риска а, нельзя получить надежный результат.
Мерой неопределенности в примере выступает не вероятность, а возможность в интервальном виде, где различают верхнюю P и нижнюю P вероятности. При этом верхняя вероятность P при предполагаемой прочности материала, меньшей среднего значения а, равна P = 1 [1]. А нижнее значение вероятности в этом случае равно P = 1−πX(x), где πX(x) принимается в виде типовой функции (1).
Чтобы избежать выявленной неоднозначности в оценке качества строительных материалов, необходимо на значения а наложить ограничительные условия. В отечественных и зарубежных литературных источниках нам не удалось найти такие условия. В связи с этим были проведены многочисленные испытания бетонных и деревянных стандартных образцов на сжатие до разрушения.
Выбирая случайным образом образцы из совокупности в виде выборок различного объема от n = 1 до n = 50 и проводя обработку результатов испытаний по теории вероятностей и теории возможностей, мы установили следующее. При малом числе образцов (n<10) наблюдалась неустойчивость значений средних арифметических и среднеквадратических отклонений, определяемых методами теории вероятностей, что указывает на ее неприменимость. Тогда математическую обработку результатов испытаний провели методами теории возможностей и нашли параметры а и b функции (1). Так как b зависит от а, то значение его подбирали из построенных графиков Р= 1 и P = 1−πX(x) теории возможностей и графиков различных известных функций распределения теории вероятностей.
n | a |
2 | 0,64 |
3 | 0,501 |
4 | 0,402 |
5 | 0,325 |
6 | 0,262 |
8 | 0,163 |
9 | 0,122 |
Известно [2], что по аксиоме теории возможностей все функции теории вероятностей должны находиться в интервале функций [P, P] при любой прочности материала, то есть P < P < р. В результате обработки экспериментальных данных, построения ФРВ и функций распределения вероятностей удалось найти зависимость между значением а и различным числом образцов в выборках (n = 1,…,9), которая описывается прямой в полулогарифмических осях координат (lnn, а), полученной по теории наименьших квадратов в виде α = A + B · lnn,, где число образцов n<10. Параметры A и B для различных пород древесины (ель, сосна, ольха) колеблются соответственно A от 0,87 до 0,89 и B от -0,33 до -0,36 при n>10 а = 0. С уменьшением числа образцов значение а увеличивается. Значения а находятся в интервале [0,1] и зависят от числа образцов n<10.
Таким образом, при оценке качества строительных материалов значение уровня риска должно быть согласовано с объемом выборки n. Для исследованных пород древесины значения а при различном числе n образцов приведены выше.
При сравнении материалов по тому или иному показателю качества значение а принимается любое, но одно и то же, при одном и том же объеме выборки, то есть сравнение проводится всегда с одним уровнем риска.
Ограничительные условия при выборе значения уровня риска а не являются недостатком нового метода определения качества строительных материалов, так как подобная неопределенность имеет место и при больших выборках, когда применяются методы теории вероятностей, в частности интервальная оценка в виде доверительного интервала. Ширина доверительного интервала, как известно, зависит от выбора значения доверительной вероятности или уровня значимости а, и различия показателей качества могут быть существенными.
Преимущество нового метода оценки качества материала заключается в том, что он разработан и проверен экспериментально для малых по объему выборок, когда вероятностные методы неприменимы.
Список литературы
- Уткин В.С. Оценка качества строительных материалов при малом числе образцов // Строит. материалы, 2001. № 1. С. 32-33.
- Дюбуа Д., Прад А. Теория возможностей. Приложения к представлению знаний в информатике. М.: Радио и связь, 1990. 288 с.
Вспененные стеклокерамические теплоизоляционные материалы из природного сырья
Л.К. КАЗАНЦЕВА, канд. геол.-мин. наук (ИМП СО РАН, Новосибирск),
В.И. ВЕРЕЩАГИН, доктор техн. наук, профессор (Томский политехнический университет),
Г.И. ОВЧАРЕНКО, доктор техн. наук, профессор (Барнаульский технический университет)
Одним из важнейших путей экономии топливно-энергетических ресурсов является сокращение тепловых потерь через ограждающие конструкции зданий. Наряду с минеральной ватой высокоэффективной и надежной теплоизоляцией в строительстве является пеностекло. Пеностекло изготовляется вспениванием тонкоизмельченного порошка с газообразователем в жаростойких формах с последующим отжигом и охлаждением. Температура вспенивания для разных производств составляет 780—900°С.
К сожалению, пеностекольное производство не развито в России. В настоящее время линия по производству пеностекла запущена в Томске и планируется в Омске. Реально такие предприятия должны быть в каждом крупном индустриальном городе для обеспечения местного строительства теплоизоляционными материалами такого профиля. Это утверждение обусловлено высокими теплоизоляционными свойствами пеностекла и надежностью при эксплуатации [1, 2].
Организация производств блочного пеностекла тормозится зачастую отсутствием дешевого и надежного источника сырья. Специально сваренный стеклогранулят является относительно дорогим сырьем, а технический бой стекла — ненадежный источник с непостоянным химическим составом при разнородных производителях. В связи с этим стоит вопрос о разработке альтернативных технологий изготовления блочных пеноматериалов с частичным или полным замещением стеклопорошка природными алюмосиликатными породами.
Практически с первых этапов разработки пеностекла по традиционной технологии из стеклогранулята или боя стекла разрабатывались способы изготовления пеноматериалов из природного сырья без варки из него стекла, т. е. по одностадийному способу производства [2]. Для успешной реализации таких производств сырье должно быть местным, легко добываемым, должно иметь широкую географическую распространенность, что позволит тиражировать производство. В Сибири и на Дальнем Востоке таким условиям отвечают цеолитсодержащие туфы.
Рис. 1. Блочный Сибирфом
Цеолитизированные туфы представляют собой полиминеральные горные породы с различными структурными типами цеолитов. Известно более 40 структурных видов природных цеолитов. Туфовые проявления цеолитов в России представлены преимущественно гейландитовым и клиноптилолитовым типами. В производстве теплоизоляционных строительных материалов более рационально использовать туфы со средней и низкой цеолитизацией (цеолита в породе менее 50%) следующего минерального ряда: цеолит + монтмориллонит (и другие минералы смнектитовой группы), полевой шпат + минералы группы кремнезема (кварц, кристобалит), карбонатные минералы (кальцит, доломит и др.).
Для образования устойчивого расплава ячеистой структуры при формировании пеноматериалов химический состав цеолитизированных пород должен соответствовать составу, мас. %: 56—71 SiO2; 10—16 AI2O3; 0,5—3,5 Fe2O3; 0,7—5,2 CaO; 0,44-3 MgO; 0,7-5,0 Na3O; 0,8-5 K3O, остальное п.п.п. Оптимальная вязкость расплава (105-107 Па с) для образования устойчивой мелкопористой ячеистой структуры формируется при содержании суммы оксидов щелочных и щелочеземельных металлов в породе в пределах 7,5-10%. Нежелательными примесями в породе являются кальцит и минералы группы кремнезема — кварц и кристобалит. Кальцит приводит к образованию неустойчивых, быстро оседающих пен при температуре вспенивания, а при наличии в сырье высокого содержания кварца формируется высоковязкий невспенивающийся расплав. Оптимальным является отношение SiO2/СаО не менее 12. Содержание кварца не должно превышать 30%. Чем выше закварцованность породы, тем больше должно быть оксидов щелочных и щелочноземельных металлов в породе.
На территории СНГ выявлено около 50 крупных месторождений и проявлений цеолитизированных пород с общими прогнозными запасами более 3,5 млрд т. В Сибири и на Дальнем Востоке наиболее крупными и перспективными являются месторождения: Шивыртуйское (Читинская область), Холинское (Бурятия), Хонгуринское (Саха-Якутия), Пегасское (Кузбасс), Сахаптинское и Пашенское (Красноярский край), Середочное и Чугуевское (Приморье), Лютогское (Сахалин) и др.
Породы разрабатываются открытым способом. Многие цеолитизированные породы обладают способностью вспучиваться при высоких температурах, поэтому они наряду со вспучивающимися легкоплавкими глинами, перлитом, вермикулитом представляют собой перспективное минеральное сырье для изготовления пеноматериалов. Эти породы характеризуются высокой народнохозяйственной значимостью и возможностью многоцелевого использования в экологии, животноводстве, сельском хозяйстве и других областях. Вовлечение низкоцеолитизированных пород в многотоннажные производства теплоизоляционных строительных материалов, безусловно, повысит рентабельность горнодобывающих предприятий этого природного сырья.
Показатели | Плотность, кг/м3 | ||
200-350 | 400-650 | 700-950 | |
Предел прочности при сжатии, МПа
Предел прочности при изгибе, МПа Водопоглощение, % Коэффициент теплопроводности, Вт/(мК) Морозостойкость, циклов |
3,5-6,5
1,6-2 3-5,5 0,06-0,07 >100 |
7,5-14,1
2,2-4,3 1,5-3,5 0,08-0,09 >100 |
15-17,5
5-5,8 0,5-0,9 0,1-0,208 >100 |
Рис. 2. Макроструктура Сибирфома: а — однородно-пористая; б — брекчиевидная
К настоящему времени разработаны технологии изготовления гранулированных и блочных пеноматериалов из составов на основе цеолитизированных пород со следующими температурами изготовления:
- 1150— 1200°С (температура естественного плавления породы);
- 900—1000°С (вспенивающиеся составы содержат до 60% цеолитизированных пород, остальное — технологические добавки, в том числе бой стекла);
- 800—900°С (состав содержит 70—80% модифицированной цеолитизированной породы, остальное — технологические добавки);
- Холодное вспучивание на воздухе с последующим термоупрочнением (пенокерамика).
Разработанные пенообразующие составы применимы для изготовления как блочного, так и гранулированного пеноматериала. Любая технология позволяет максимально задействовать местные отходы промышленности. Пеноматериалы — блочные и гранулированные, изготовленные на основе цеолитизированных пород, названы Сибирфомом® (рис. 1).
Изготовление блочных пеноматериалов из цеолитизированных пород осуществляется по одностадийной схеме без предварительного расплавления породы и получения стеклогранулята.
Основные технологические процессы изготовления пеноматериалов из цеолитизированных пород аналогичны процессам при изготовлении пеностекла по традиционной технологии из стеклопорошка. Цеолитизированная порода измельчается, смешивается при необходимости с технологическими добавками, смесь засыпается в жаростойкие формы, вспенивается в печи обжига, затем отжигается для снятия напряжений, охлаждается и разрезается по размерам. Порода, как правило, измельчается до фракции менее 0,25 мм, а в ряде случаев допускается более грубое измельчение. Снижение температуры вспенивания до 800—900°С в предложенных технологических разработках позволяет использовать типовое оборудование пеностекольных заводов. По технологии изготовления пеноматериалов с температурой естественного плавления породы (1150— 1200°С) отработаны методы изготовления блочных пеноматериалов с однородно-пористой и брекчиевидной текстурой [3, 4] (рис. 2).
Однородно-пористая макроструктура пенокамня формируется по порошковой технологии, когда пенообразующая смесь состоит из порошка породы, и при необходимости, с технологическими добавками. Изготовление пеноматериала с низкой плотностью (200—300 кг/м3) по такой технологии осуществляется с добавлением высокотемпературного газообразователя. Брекчиевидная макроструктура образуется при добавлении к порошку до 50% гравия вспучивающегося цеоилитизи-рованного туфа. В связи с неоднородностью туфов по составу гравийная часть смеси после вспенивания окрашивается в различные оттенки коричневого цвета. Такой пеноматериал может быть использован для декоративного оформления зданий.
Образование ячеистого расплава при формировании блочного пеноматериала с температурой 800—900°С осуществляется за счет молекулярной «цеолитовой» воды, удерживаемой в модифицированных цеолитах до более высокой температуры, чем в исходных. Цвет пеноматериала, изготовленного по низкотемпературной технологии, от светло-коричневого или серого до белого, зависит от состава породы конкретного месторождения. Физико-механические свойства блочных пеноматериалов приведены в таблице.
Сибирфом характеризуется закрытой пористостостью, огнестоек, не размокает в воде, экологически безвреден, обрабатывается под любой профиль, имеет оригинальные декоративные качества. Состав Сибирфома представлен стеклом или квазистеклом с недоплавленными тугоплавкими минералами кварца или кристобалита не более 5%. По предварительным расчетам, использование блочного Сибирфома в зданиях позволяет в 4—13 раз уменьшить толщину стен по сравнению с толщиной из обыкновенного керамического кирпича. При строительстве Сибирфом может быть более многофункционален, чем минеральная вата, так как он может быть использован и в качестве декоративного оформления с паро-, звуко- и теплоизоляцией. Сибирфом плотностью выше 300 кг/м3 может быть использован в несущих элементах зданий в связи с высокой механической прочностью таких пеноматериалов.
Список литературы
- Демидович Б.К. Производство и применение пеностекла. Минск: Наука и техника, 1975.
- Китайгородский И.И., Кешишян П.И. Пеностекло. М.: Промсто-ройиздат, 1953.
- Казанцева Л.К., Белицкий И.А., Фурсенко Б.А., Дементьев С.Н. Физико-механические свойства Сибирфома — пористого строительного материала из цеолитсодержащих пород // Стекло и керамика. 1995, № 10.
- Казанцева Л.К., Белицкий И.А., Фурсенко Б.А., Дементьев С.Н. Сибирфом с брекчиевидной текстурой // Стекло и керамика. 1995, № 12.
Исследование процесса биокоррозии строительных материалов методом математического планирования эксперимента
С.В. СВЕРГУЗОВА, канд. техн. наук, Е.Н. ГОНЧАРОВА, канд. биол. наук,
Ю.В. БУРАКОВА, студентка (БелГТАСМ)
Строительные сооружения при эксплуатации подвергаются коррозии. В настоящее время нет эффективных способов определения устойчивости строительных материалов к микробам, несмотря на то, что данный вид коррозии является одним из наиболее опасных, поскольку воздействие микроорганизмов происходит незаметно, а эффект падения прочности может быть значительным [1, 2]. Следовательно, особо актуальной становится задача нахождения коррозионно-устойчивых материалов.
Для максимального ускорения естественных процессов биокоррозии в производственных условиях и выявления главных факторов, влияющих на процесс биокоррозии, нами была поставлена цель создания наиболее благоприятных условий развития бактерий, вызывающих микробную коррозию бетона. Данная работа посвящена экспериментальному определению оптимальных условий развития биокоррозии под воздействием тионовых бактерий и последующей обработке экспериментальных данных с помощью методов математической статистики.
Работа проводилась с целью прогнозирования возможных микробиологических разрушений строительных материалов и создания биокоррозионно-устойчивых строительных композиций.
Таблица 1
Компоненты в г/л дистиллированной воды | Среда Ваксмана для Th. thiooxidans | Среда Бейеринка для Th. thioparus |
Сера | 10 | — |
Na2S2O3-5H2O | 5 | 5 |
(NH4)2SO4 | 0,3 | 0,2 |
K2HPO4 | 3 | 3 |
CaCl2-6H2O | 0,25 | 0,25 |
MaSO4-7H2O | 0,5 | 0,5 |
FeSO4-7H2O | 0,01 | 0,01 |
Раствор микроэлементов по Древсу | 10 мл | 10 мл |
рН | 4,5-5 | 7,5-8 |
Таблица 2
Компонент среды | Обозначение | Фактор | Средний уровень 0 | Нижний уровень | Верхний уровень + | Интервал варьирования |
Na2S2O3 | T | Xi | 5 | 1 | 9 | 4 |
S | S | X2 | 10 | 5 | 15 | 5 |
Ca3(PO4)2 | P | X3 | 2,5 | 0,5 | 4,5 | 2 |
(NH4)2SO4 | N | X4 | 2 | 0,5 | 3,5 | 1,5 |
Na2HPO4-12H2O | постоянный уровень — 0,2 | |||||
MgSO4 | постоянный уровень — 0,5 | |||||
NaHCO3 | постоянный уровень — 1 | |||||
KCl | постоянный уровень — 0,5 | |||||
FeSO4 | постоянный уровень — следы |
С целью повышения эффективности и качества научных исследований нами использован метод математического планирования эксперимента.
Объекты, на которых проводятся эксперименты, отличаются протекающими в них процессами и характеризуются обязательным условием — все входные переменные, или факторы, х1, х2, …хn должны быть управляемыми. Этого требует сама постановка планирования эксперимента, предполагающего активное вмешательство в ход исследований.
В наших исследованиях был использован план дробного факторного эксперимента ДФЭ 24-1, в котором изучалось влияние на процесс биокоррозии четырех различных факторов.
Условие построения плана может быть записано в виде равенства: Х4=Х1Х2Хз, смысл которого в том, что уровни фактора Х4 в плане определяются как произведение факторов Xi, Х2, Х3 [3].
С целью определения оптимальных условий для развития тионовых бактерий, являющихся одной из важных причин биокоррозии строительных материалов, и в соответствии с дробной репликой полного факторного эксперимента было проведено 8 опытов в двух повторностях.
Опытные растворы содержали компоненты, необходимые для развития тионовых бактерий: Na2S2O3, S, Ca3(PO4)2, (NH^SO^ Na2HPO412H2O, MgSO4, NaHCO3, KCl, FeSO4.
Среда для разведения тионовых бактерий составлялась на основе двух известных микробиологических сред для развития тионовых бактерий: среды Бейеринка и среды Ваксмана. Состав этих сред приведен в табл. 1.
Оптимизация проводилась по четырем факторам: Na2S2O3 — (T), S — (S), Ca3(PO4)2 — (P), (NH4)2SO4 — (N). Характеристика факторов, влияющих на развитие тионовых бактерий, и их интервалы варьирования представлены в табл. 2.
В соответствии с планом эксперимента готовилось 8 сред, в которых исчерпаны все возможные комбинации изучаемых факторов на двух уровнях. Выбор среднего уровня (0) и интервала варьирования факторов имеет большое значение для оценки их значимости. Основным уровнем являются концентрации компонентов известных сред (среды Бейеринка и среды Ваксмана). Размах варьирования выбирался с учетом лимитирующей области.
а) — образование кристаллов двуводного гипса на поверхности цементно-песчаных образцов;
б) — коррозионные трещины на поверхности образца, подвергшегося микробной коррозии
Цементно-песчаные образцы-кубы (марка цемента М-400) известной массы и размера 2x2x2 см помещались в стеклянные сосуды и заливались опытной средой. Эксперимент продолжался в течение 480 сут. В среднем через каждые 5 сут снимались значения рН. По окончании эксперимента проводились измерения массы, объема и прочности при сжатии образцов строительных материалов.
Обработка результатов экспериментов выполнялась на ЭВМ РС АТ. Получены уравнения для изменения рН среды — Y1, изменения массы — Y2 и прочности образцов строительных материалов — Y3.
Y1=5,45-0,25-x1+0,27-x3 (1)
Y2=12,5+2,5-x1-3,8-x3 (2)
Y3=8,43-0,29-x1-0,03-x4 (3)
Коэффициенты регрессии значимы по критерию Фишера, и полученная модель адекватна процессу коррозии.
Напомним, что X1 — содержание Na2S2O3, Х3 — Са3(РОЦ2, Х4 -(NH4)2SO4 (табл. 2). Как следует из уравнения (1), значение рН понижается с ростом содержания в среде Na2S2O3 и повышается с ростом Саз(Р04)2. Это объясняется биохимическим окислением Na2S2O3 и образованием H2SO4 микробного происхождения, что влечет за собой снижение рН. Чем ниже рН, тем интенсивнее протекает процесс разрушения бетонного камня.
Как следует из уравнения (2), масса образцов уменьшается с увеличением содержания Na2S2O3 и повышается с увеличением Ca3(PO4)2. Это связано с тем, что основным питательным субстратом для бактерий Th. thioparus является тиосульфат. Наличие серы не является определяющим фактором, так как в ходе биохимических процессов Th. thioparus синтезирует серу микробного происхождения и подкисляет среду до уровня рН=5,5, при котором начинают развиваться Th. thioparus, потребляя серу микробного происхождения.
В растворе Ca3(PO4)2 диссоциирует на Са2+ и фосфат-ионы. Высокое содержание Са2+ в среде препятствует выщелачиванию кальция из образцов. Поэтому масса образцов строительных материалов уменьшается гораздо меньше в растворах, содержащих большие концентрации Ca3(PO4)2.
Как следует из уравнения (3), прочность образцов строительных материалов увеличивается с уменьшением Na2S2O3 (Х1) и (NH4)2SO4 (Х4). Тиосульфат является основным питательным субстратом для бактерий Th. thioparus. Чем больше тиосульфата в среде, тем выше скорость размножения бактерий, больше содержание серной кислоты в среде, а следовательно, меньше прочность образцов. (NH4)2SO4 содержит в своем составе биогенный элемент — азот, который необходим для роста и размножения бактериальных клеток, синтеза белков и нуклеиновых кислот. С повышением в среде солей аммония возрастает интенсивность развития бактерий (при наличии тиосульфата), и тем больше, соответственно, выделяется серной кислоты, вызывающей коррозию бетона.
Микроскопическое исследование поверхности образцов показало, что структура цемента полностью разрушена и на поверхности остался один песок. Эти результаты подтверждены рентгеноструктурным анализом. На поверхности почти всех кубов наблюдались белые включения (рис. а). Как показал рентгеноструктурный анализ, это кристаллы гипса — CaSO4.2H2O.
На рисунке б видно также образование на поверхности образцов глубоких трещин. Данное явление наблюдалось у всех образцов. Наиболее глубокие трещины были на образцах, которые находились в средах, содержащих оптимальное количество необходимых для развития бактерий элементов, что свидетельствует об интенсивной коррозии в этих средах и о глубоких изменениях в структуре цементного камня.
В результате проведенных исследований была определена оптимальная водная среда для протекания биокоррозионных изменений, г/л: Na2S2O3 — 9; S — 5; NaHCO3 — 1; (NH4)2SO4 — 0,5; KCl — 0,5; Ca3(PO4)2 — 0,5; MgSO4 — 0,5; Na2HPO412H2O — 0,2; FeSO4 — следы.
Условия, использованные нами в эксперименте, дают возможность максимально ускорить процесс биокоррозии в лабораторных условиях, что позволяет в короткие сроки исследовать развитие процесса коррозии строительных материалов. Это значительно сокращает сроки испытания строительных материалов на их сопротивляемость биокоррозии и повышает экономичность самого процесса испытания. Разрабатываемая нами методика позволит быстро и эффективно диагностировать строительные материалы на их уязвимость к биокоррозии и создавать строительные композиции, устойчивые к биологическим разрушениям.
Список литературы
- Защита от коррозии, старения и биоповреждений машин, оборудования и сооружений. Под ред. А.А. Герасименко. Справочник. М.: Машиностроение, 1987.
- Иванов Ф.М. Биокоррозия неорганических строительных материалов // Биоповреждения в строительстве: Сб. научн. тр. / Под ред. Иванова Ф.М. М.: Стройиздат, 1984. С. 183—188.
- Максимов В.Н. Многофакторный эксперимент в биологии. М.: Изд-во МГУ, 1980.
Исследования качества керамической плитки радиоволновым методом
В.П. АВДЕЕВ, канд. техн. наук, А.В. РАСПОПОВ, Д.В. МЕРКУЛОВ, инженеры
(Воронежская государственная архитектурно@строительная академия)
Радиоволновый (РВ) неразрушающий контроль основан на регистрации параметров электромагнитной волны (ЭМВ) радиодиапазона, взаимодействующей с контролируемым объектом. Обычно [1] применяют волны СВЧ диапазона длиной 1—100 мм для контроля диэлектриков (пластмассы, керамика, стекловолокно), магнитодиэлектриков (ферриты), полупроводников, тонкостенных металлических объектов и др.
При РВ контроле объект, приемное и излучающее устройства находятся в ближней зоне, где структура электромагнитного поля (ЭМП) имеет сложный характер. Поэтому вопросы взаимодействия объекта контроля с ЭМП решаются экспериментально или приближенными методами.
В работе [2] рассматривалась возможность радиоволнового поляризационного метода контроля качества керамической плитки.
Данная работа основана на использовании совмещенного приема и передачи СВЧ-волн и приближенного импедансного метода. Сущность импедансного метода состоит в том, что реальная система «источник СВЧ-волн — контролируемый объект — приемник» заменяется моделью в виде длинной линии с такими же волновыми сопротивлениями и размерами, как в реальной системе.
Объект контроля зондируется плоской ЭМВ. Традиционно с целью зондирования волной, близкой к плоской, в качестве излучателя используют рупор. Тогда объект можно представить некоторым эквивалентным четырехполюсником. Измеряемыми параметрами являются комплексные коэффициенты отражения этого четырехполюсника для плоской ЭМВ, подаваемой на его вход.
Полную информацию об отражающих и поляризационных свойствах объекта несет его матрица рассеяния [3]. Для четырехполюсника матрица рассеяния имеет следующий вид:
где элементы матрицы Sij — коэффициенты отражения j-й составляющей излученной волны в i-м канале.
Ранее [4] аналитически были получены расчетные формулы для элементов матрицы рассеяния объекта при известных поляризационных характеристиках зондирующего сигнала. Для использования их в эксперименте необходимо к экспериментальной установке предъявить следующие требования:
- зондирующая (излученная) волна может иметь любую заданную поляризацию;
- установка имеет совмещенные приемный и передающий тракты;
- установка позволяет измерять амплитуду и фазу суммарной волны на известном расстоянии от нагрузки.
Данные требования учтены в разработанной экспериментальной установке с рабочей длиной волны 3 см, блок-схема которой представлена на рис.1.
Экспериментальная установка состоит из двух взаимно ортогональных волноводных трактов, опорного канала, элементов для управления поляризацией зондирующего сигнала (интерферометров), измерительных приборов (амплифазометров) и ЭВМ. Для исключения отражения от посторонних предметов антенна и измеряемый образец помещены в безэховую камеру [5] (на рис. 1 не показана).
Длины плеч каналов установки от объекта контроля (х = 0) до точек подключения измерительных приборов (х = x1, х = Х2) не равны (х1≠х2). Также в общем случае не совпадают точки подключения измерительных приборов в опорном канале (х01≠х02). Поэтому измеряемые в каналах разности фаз и отношения амплитуд будут иметь следующий вид:
где i = 1,2 — номер канала; фСi— (xi), ECi (xi) — фаза и амплитуда суммарной ЭМВ в i-м канале в точке xi; ϕon(x0i); Eon(x0i) — фаза и амплитуда ЭМВ в опорном канале в точке x0i.
Для расчета элементов матрицы рассеяния необходимо знать координаты xi в обоих волноводных трактах. Для калибровки установки измеряли амплитуды и фазы ЭМВ сначала в режиме холостого хода, а затем в режиме короткого замыкания. Возможны другие способы калибровки, например приведенные в работе [6].
При проведении измерений в качестве объекта контроля использовалась керамическая плитка. Наиболее распространенными дефектами керамической плитки являются следующие: сколы по краям и углам плитки, трещины, деформации — различные изгибы поверхности плитки.
Был поставлен ряд экспериментов с целью изучения влияния различных дефектов керамической плитки на характеристики (амплитуду и фазу) ЭМВ, отраженной от плитки.
Для этого описанная выше экспериментальная установка была несколько упрощена. Во-первых, измерения проводились только в одном из двух ортогональных каналов. Во-вторых, рассматривалась не суммарная(излученная + отраженная), а отраженная волна, для чего в рабочий канал был добавлен направленный ответвитель. Параметры излученной волны в ходе каждого эксперимента оставались неизменными.
Рис. 1. Блок-схема экспериментальной установки: Г — генератор СВЧ; -> — вентиль; Р — поляризационный разделитель; С — сумматор; Ф1, Ф2, А1, А2— фазовращатели и аттенюаторы, с помощью которых можно устанавливать различную поляризацию излученной волны; ИП1, ИП2— измерительные приборы (амплифазометры)
где Ф01 (x1), E01 (X1) — фаза и амплитуда отраженной ЭМВ в 1-м канале в точке Х1.
Эллипсы, построенные на рисунках 2—4, предназначены для удобства восприятия областей, соответствующих различным типам плитки. Координаты центров эллипсов есть математические ожидания, а полуоси — среднеквадратические отклонения измеряемых величин.
Первоначально эксперимент состоял в том, что для исследований были взяты по одному яркому представителю от каждого типа плитки, а именно: эталонная; с большим сколом на углу; с большой трещиной, идущей вдоль одной из сторон; сильно деформированная с одного угла.
Для эксперимента брали одну из вышеназванных плиток и измеряли Фd1 и Ad1. Затем плитка поворачивалась по часовой стрелке на 90o относительно своего центра, и измерялась следующая пара значений Фd1 и Ad1. И так далее, пока плитка не возвращалась в исходное положение (четыре точки). То же самое проделывалось со всеми остальными плитками. После этого все повторялось сначала, причем измерения начинались с тех же положений плиток, что и первый раз. Таким образом, для каждой плитки было получено по 12 точек (по 3 точки для каждого положения).
Результаты измерений представлены на рис. 2. Их анализ показывает следующее:
- области измеренных параметров, представляющие площади, ограниченные соответствующими эллипсами, не пересекаются, то есть имеется возможность классифицировать дефекты плитки по результатам измерений;
- наибольшее отличие от параметров эталонной плитки имеется у параметров деформированной плитки, а наименьшее — у параметров плитки со сколом;
- для плиток с дефектами области измеренных параметров имеют четкое разделение на две группы, одна из которых соответствует углам поворота плитки 0о и 180о, а вторая — углам 90о и 270о;
- последнее свидетельствует о том, что имеется существенная зависимость измеряемых параметров от поляризации зондирующего сигнала.
На рис. 3 представлены результаты измерений, проведенных по описанной методике, однако для эксперимента было отобрано 28 плиток по 7 штук каждого типа.
Результаты данного эксперимента подтвердили выводы предыдущего эксперимента. Вместе с тем увеличился разброс в измеряемых параметрах, вследствие чего области, соответствующие сколам и трещинам, частично перекрылись.
Чтобы оценить разброс параметров для одного типа плитки, были проведены следующие измерения. В качестве исследуемых образцов было выбрано пять эталонных плиток. Методика измерений оставалась прежней, но увеличилось число измерений.
Результаты измерений представлены на рис. 4. Они показывают, что измерительная установка позволяет различать между собой даже эталонные плитки. Как выяснилось при более внимательном рассмотрении плиток, три из них (на графике — внизу) имели незначительные, почти незаметные глазу дефекты: две плитки со сколом и одна (самая нижняя) — с деформацией.
При производстве керамической плитки представленная выше установка может успешно справиться с выявлением бракованных изделий.
Список литературы
- Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий/ Под ред. В.В. Клюева, Кн. 1. М.: Машиностроение, 1986.
- Авдеев В.П., Бойко Н.И. Проверка возможности радиоволнового поляризационного метода контроля качества строительных материалов// Строит. материалы. 1993. № 4. С. 20-21.
- Канарейкин Д.Б., Павлов Н.Ф., Потехин В.А. Поляризация радиолокационных сигналов. М.: Сов. радио, 1966.
- Меркулов Д.В., Распопов А.В. Определение элементов матрицы рассеяния при радиоволновых измерениях качества СМИ // Материалы 53-й научно-технической конференции. Воронеж: ВГАСА, 2000.
- Мицмахер М.Ю., Торгованов В.А. Безэховые камеры СВЧ. М.: Радио и связь, 1982.
- Ляховский А.Ф., Чепурный Я.Н., Сомов В.А. Автоматизация измерений поляризационных характеристик электромагнитных волн // Радиотехника. 1996. № 8. С. 84-87.