ВВЕДЕНИЕ
Актуальность работы. Решение проблемы коррозии, отрицательного воздействия радиации и температуры, повышенного УФ-излучения и др. неблагоприятных природных и техногенных факторов на строительные конструкции зданий и сооружений - важнейшая народно-хозяйственная задача, актуальность которой в строительстве обусловлена не только огромными материальными потерями, сравнимыми с затратами на развитие крупнейших отраслей промышленности, но и социальной значимостью вопроса, поскольку безопасная эксплуатация зданий и сооружений является гарантированной составляющей обеспечения безопасности среды жизнедеятельности человека.
Результат решения выше обозначенных проблем в строительстве — это обеспечение сохранности и безопасности зданий и сооружений в течение заданного срока эксплуатации, увеличение межремонтного периода, надежности и долговечности строительных конструкций, особенно если это касается вопроса их эксплуатации в условиях воздействия агрессивных сред различного характера. В настоящее время решение указанных проблем идет несколькими путями, причем одним из наиболее эффективных представляется путь создания высокоэффективных коррозионно-стойких материалов и конструкций на основе полимеров.
Среди коррозионно-стойких композитов, основой для которых служат полимеры, бетоны или как их ещё называют, полимербетоны являются наиболее наукоемкими строительными материалами, сконцентрировавшими в себе передовые научные знания и технические достижения материаловедческой науки, что гарантирует перспективность их развития и подтверждает актуальность изучения.
Стремление строительной отрасли получить конструкционный материал, обладающий универсальной химической стойкостью и лишенный определенных недостатков, которыми обладают известные виды полимербетонов, специфические требования ряда других отраслей промышленности к конструкционным материалам подобного рода, социально-экономические преобразования, проведенные в нашем государстве в 90-х годах и приведшие к резкому удоро-
жанию и сокращению производства синтетических смол, непрерывно растущие требования к экологической безопасности химических и прочих объектов, а также ряд других экономических и социальных факторов вызвали необходимость поиска в обозначенной области альтернативных решений.
Одной из таких альтернатив является использование новых видов полимерных связующих, например диеновых олигомеров, принадлежащих к классу жидких каучуков и принципиально отличающихся от применяемых ранее полимеров.
Идея использования жидких каучуков в качестве основы связующего коррозионно-стойких строительных материалов возникла в конце 80-х годов. Жидкие каучуки выпускаются ведущими зарубежными и отечественными предприятиями (в том числе центрально-черноземного региона) в промышленных объемах, что делает их бездефицитным, а в ценовом отношении достаточно доступным и конкурентоспособным сырьем. Первые исследования, проведенные сотрудниками ВГАСУ в данной области и доказавшие принципиальную возможность создания на основе жидких каучуков материалов с широким комплексом положительных свойств, подтвердили не только правильность выбранного направления, но и показали перспективность его развития, поскольку первые образцы каучукового бетона или сокращенно каутона, название, которое было затем перенесено на весь класс композитов, основой которых являются жидкие каучуки, обладали набором эксплуатационных характеристик выгодно отличающих их по ряду показателей от существующих аналогов. Именно каутонам — материалам и изделиям на основе каучукового связующего и посвящена настоящая работа.
Основная цель и задачи исследований. Целью работы является теоретическое обобщение и практическое решение крупной научно-инженерной проблемы, заключающейся в создании нового класса эффективных композиционных строительных материалов и изделий специального назначения с комплексом заданных свойств, выполненных на основе жидких каучуков, композитов — имеющих важное хозяйственное значение и полностью отвечающих требованиям современной строительной индустрии.
Методологической основой достижения поставленной цели является концепция системно-структурного подхода в управлении качеством материала, предполагающая переход от принципа фрагментарности к комплексности, при котором структура материала, технология изделий и конструкций представлены в виде взаимосвязанных систем.
Научная новизна и практическое значение работы, выносимые на защиту:
Научная новизна заключается в создании на основе теоретических обобщений и экспериментальных исследований нового класса строительных материалов - каучуковых бетонов (каутонов), не имеющих отечественных и зарубежных аналогов.
Автором установлены закономерности структурообразования каутоновых композитов. Разработаны и научно обоснованны принципы использования диеновых олигомеров в качестве связующего строительных материалов, позволяющие качественно и количественно оценить влияние структурных параметров жидкого каучука на технологические свойства композиции и эксплутаци-онные характеристики конечного продукта.
Предложены и разработаны теоретические и практические основы проектирования эффективных отверждающих систем. Оценено влияние компонентов отверждающих групп на основные эксплутационные характеристики и кинетику отверждения каутонов.
Установлены закономерности, связывающие физико-механические и эксплутационные свойства с количеством, дисперсностью, видом наполнителя и количеством заполнителя. Доказана возможность получения каутонов требуемого качества при наполнении их крупнотоннажными техногенными отходами.
Получены данные, а также графоаналитические и математические модели, позволяющие оценить физико-механические, химические, технологические свойства и радиационную сопротивляемость, разработанных композитов, в том числе с учетом комплексного влияния времени и среды. Определены методы аналитической оценки и прогнозирования коррозионной стойкости каутона. Доказана конструкционность свойств каутонов в условиях совместного длительного действия нагрузки и агрессивной среды.
Исследованы и определены условия, обеспечивающие совместную работу каутона и стали. Доказана эффективность усиления каутона армированием, в том числе дисперсным. Созданы и изучены сжатые и изгибаемые каутоновые элементы. Предложены методы их расчета.
Исследовано влияние технологических параметров приготовления кауто-новой композиции на свойства конечного продукта. На базе системного анализа полученных данных научно обоснованы и сформулированы принципы технологии каутоновых композиций и изделий.
Научная новизна исследований подтверждена патентами РФ на изобретение.
Практическое значение работы состоит в обеспечении возможности на основе её научных результатов решать комплекс задач, связанных с получением конкурентоспособных полимерных композитов нового класса - каучуковых бетонов. Разработанные композиты отличает высокая прочность, плотность, высокая химическая стойкость в широком спектре агрессивных сред, высокая адгезия к поверхностям различного рода, малая усадка, возможность получения композитов в широком диапазоне жесткостей, высокая морозостойкость, долговечность, технологичность и др. Все это позволяет рекомендовать разработанные составы каутона для изготовления новых и защиты уже существующих строительных элементов и изделий от агрессивного воздействия среды.
Научно-практически доказано, что использование жидких каучуков снижает расход полимерного связующего по сравнению с аналогами на 10...20 % по массе, а введение в композицию в качестве наполнителя крупнотоннажных техногенных отходов различной природы не только способствует решению экологических проблем, связанных с их утилизацией, но и гарантирует получение композитов с требуемыми эксплутационными характеристиками.
Кроме этого, практическая значимость проведенных исследований заключается в получении научно-прикладных знаний, позволяющих на основании установленных аналитических и экспериментальных зависимостей проводить оценку и прогнозирование долговечности каутонов, а также выполнять проектирование элементов и изделий, выполненных на их основе.
10
Внедрение каутонов в практику строительства позволит повысить эффективность и надежность строительных сооружений, а значит и общую безопасность среды жизнедеятельности человека.
Реализация работы. Разработаны: "Временная инструкция по приготовлению каучуковой матрицы (мастики) для производства полимербетонной смеси", Технологический регламент "Приготовления бетона на основе жидкого каучука", технических условий "Плиты бетонные на основе жидких каучуков для полов производственных зданий", изданы "Рекомендации по расчету и конструированию сжатых элементов и конструкций из каутона" и "Рекомендации по проектированию наклонных сечений изгибаемых элементов и конструкций из каутона". Рекомендации по подбору составов каутоновых композиций и проектированию изделий на их основе использованы в проектной работе институтов "Воронежагропромпроект" и ДОАО "Газпроектинжиниринг".
В период с 1994 по 2004 г. проведена опытно-техническая проверка экс-плутационных свойств каутоновых композитов на ряде предприятий региона в условиях реального воздействия агрессивных сред производства. Результаты исследований реализованы путем организации опытно-промышленного внедрения каутона на Воронежском заводе радиодеталей АООТ "ВЗР" при производстве работ по ремонту покрытий пола цеха, на Воронежском горно-обогатительном заводе ЗАО "Рудгормаш" в виде износо- коррозионно-стойкого покрытия поверхности сепараторных барабанов, на Воронежском авиационном заводе в гальваническом цехе при производстве ремонтно-восстановительных работ в виде коррозионно-стойкого покрытия, плиток пола и фундаментных стоек травильных ванн, на ООО "Продвижение" п. Кантемировка Воронежской области при производстве работ по реконструкции сливных лотков канализационных стоков.
Результаты исследований автора внедрены в учебный процесс Воронежского государственного архитектурно строительного университета: использованы при чтении лекций по спецкурсу, проведении практических занятий у студентов строительного факультета, а также в курсовом и дипломном проектировании.
11
Достоверность. Достоверность полученных результатов и выводов, сделанных по работе, обуславливается современной методологией исследования, использованием фундаментальных основ и закономерностей материаловедения как науки в целом и её раздела, посвященного композиционным материалам в частности, а также основополагающих научных положений и технологий, разработанных ведущими учеными данной области Ю.М. Баженовым, П.Г. Комо-ховым, А.Н. Мощанским, В.В. Патуроевым, В.И. Соломатовым и др. Кроме этого, достоверность обеспечена методически обоснованным комплексом исследований с использованием современных средств исследований и измерений, применением математических методов планирования экспериментов и вероятностно-статистических методов обработки результатов, опытно-промышленными испытаниями и их положительным практическим эффектом.
Апробация работы. Основные положения диссертации были представлены более чем на 40 научно-практических и научно-технических форумах, конференциях и семинарах, в том числе:
1) Ежегодных научно-технических конференциях ВГАСУ (1995...2004 г);
2) Международном симпозиуме (ЩОР1ЧНИК ПУВ НК ICOMOC) "Реставращя, реконструкщя, урбоеколопя" (г. Одесса, 1998 г.);
3) Международной научно-технической конференции молодых ученых (Санкт-Петербург, 1998 г.);
4) Международной научно-технической конференции "Проблемы строительного и дорожного комплексов" (г. Брянск, 1998г.);
5) Международной научно-практической конференции "Передовые технологии в промышленности и строительстве " (г. Белгород, 1998 г.);
6) IV Академических чтениях РААСН "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (г. Пенза, 1998 г.);
8) Международной научно-технической конференции "Высокие технологии в экологии" (г. Воронеж, 1999 г.);
9) Международной научно-практической конференции "Строительство -2000" (г. Ростов-на-Дону, 2000 г.);
10) Седьмых академических чтений РААСН (г. Белгород, 2001 г.);
12
11) Материалы международной научно-технической конференции "Итоги строительной науки" (г. Владимир, 2001 г.);
12) Научно-практической конференции "Долговечность строительных материалов и конструкций" (г. Саранск, Мордов. ун-т, 2001 г.);
13) RubberChem 2002, The Third International Rubber Chemicals, Compounding and Mixing Conference, Conference Proceedings, Munich, Germany;
14) 17— Annual Technical Conference American Society for composites, Stewart Center Purdue University West Lafayette, Indiana, USA, 2002;
15) ISSI/9, Ninth annual international conference on composites engineering, University of New Orleans, San Diego, California, USA, 2002;
16) Второй Международной научно-практической конференции "Бетон и железобетон в третьем тысячелетии" (г. Ростов-на-Дону, 2002 г.);
17) Международном форуме "Образование, наука..." (г.Белгород, 2002 г);
18) 9 °— Российской научно-практической конференции "Резиновая промышленность. Технология" (г. Москва: НИИШП, 2002 г.);
19) Всероссийской научно-технической конференции "Проблемы строительного материаловедения: 1-е Соломатовские чтения" (г. Саранск, 2003 г.);
20) 4 международной конференции молодых ученых "Актуальные проблемы в современной науке. Архитектура, строительство..." (г. Самара, 2003 г);
21) 56 международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (г. Санкт-Петербург, 2003 г.);
22) III Международных академических чтений РААСН "Проблемы обеспечения безопасности строительного фонда России" (г. Курск, 2004 г.);
23) Научные чтения, посвященные памяти проф. В.В. Помазкова (ВГА-СУ, г. Воронеж, 2004 г.);
24) Восьмых академических чтений РААСН (СГАСУ, г. Самара, 2004г.). Публикации. По теме диссертации в отечественных и зарубежных изданиях опубликовано 103 работы и получено 4 патента РФ на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертация содержит введение, семь разделов, общие выводы, список использованных источников и приложения. Вся работа изложена на 387 страницах машинописного текста, в 72 таблицах, на 123 рисунках, списке литературы из 347 наименований.
13
1 КАУЧУКОВЫЕ БЕТОНЫ - НОВЫЙ КЛАСС СТРОИТЕЛЬНЫХ КОМПОЗИТОВ В РЯДУ ПОЛИМЕРБЕТОНОВ. СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ
1.1 Новые коррозионно-стойкие строительные материалы — закономерная диалектически инициированная составляющая современного строительного материаловедения
Появление новых строительных материалов - одна из гарантированных составляющих научно-технического прогресса. История их создания, изучения и внедрения в производство диалектически неразрывно связаны с историей развития общества и производственной деятельностью людей. Материалы выступают в качестве специфического класса существующих форм материи, развитие и существование которой подчиняется общепризнанным Гегелевским законам диалектики.
По мере развития общества, аналогично тому, как количественные изменения перерастают в качественные, век камня, кости и древесины эволюционно подталкивал людей к получению и использованию меди, керамики, стекла и т.д., что в свою очередь послужило базой для революционных шагов в развитии человечества в бронзовом веке, достижения которого подготовили и обеспечили прорыв человека в век железа, машин и бетона. Научные знания, технические решения и технологические приемы, накопленные людьми за этот период, привели к научно-технической революции, одним из главных достижений которой является возможность массового промышленного производства полимеров - материалов, определяющих и характеризующих облик не только действительности, но и в значительной мере будущности.
Сегодня наблюдается стремительный рост производства полимерных материалов, проникновение их в самые различные области техники, успешное вытеснение ими многих традиционных материалов: металла, керамики, стекла, древесины и т.д. Однако, главная роль полимеров, по нашему мнению, состоит не в том, чтобы служить заменителем каких-то материалов, а в том что, охва-
14
тывая множество технических и экономических категорий, они открывают специальные - новые области использования.
По значению, которое придается в мировом масштабе полимерным материалам, а также с учетом уже имеющихся успехов в области их синтеза и модификации, можно утверждать, что в ближайшее время производство полимерных материалов по объему превысит производство черных и цветных металлов. Образно говоря: ** "Железный век " в старом понимании окончательно уходит, а "век полимеров" уже возвестил о своем наступлении".
И если современность с точки зрения технической революции — это век полимеров, то с точки зрения технических проблем - это век коррозии, которую без преувеличения можно назвать технической болезнью этого века. Полимеры и коррозия, являясь продуктами своего времени, имеют и своих потребителей, крупнейший из которых — строительная индустрия, использующая до 35 % общего мирового объема полимерной продукции и одновременно несущая огромные материальные потери от "технической болезни века".
Следует отметить, что актуальность антикоррозионной проблемы в строительстве обусловлена не только огромными материальными потерями, но и социальной значимостью данного вопроса, поскольку безопасная эксплуатация зданий и сооружений — это необходимая составляющая обеспечения безопасности среды жизнедеятельности человека.
По оценке независимых экспертов потери от "болезни века" достигают
размеров сравнимых с затратами на развитие крупнейших отраслей промышленности. Согласно заключению американского экономиста Вебстера: "Ежегодные потери от пожаров, наводнений, ураганов, землетрясений в Северной Америке не превышают самых малых ... прямых потерь от коррозии ". Так в 1949 г. потери от коррозии в США оценивались в 5 млрд. долларов. Спустя четверть века они достигли 15 млрд. долларов, в 1975 г. 70 млрд. долларов, а в 90-х годах превысили уже сумму в 100 млрд. долларов. Сопоставимые потери от коррозии, по оценке экономистов Физико-химического института им. Л. Карпова, несет и наше государство. И это только прямые потери, составляющие
15
лишь часть, и притом не главную, коррозионных потерь, которые включают в себя лишние затраты, связанные с простоем оборудования, снижением его производительности, порчей или снижением качества выпускаемой продукции, авариями, экологическими катастрофами, сопровождающимся большим материальным ущербом или, что наиболее страшно, человеческими жертвами.
Результат решения антикоррозионной проблемы в строительстве — это увеличение срока службы конструкций и изделий, повышения их надежности и долговечности, а в конечном итоге обеспечение безопасности зданий и сооружений в целом, особенно если это касается вопроса их эксплуатации в условиях действия агрессивных сред различного характера. В настоящее время решение антикоррозионной проблемы идет несколькими путями, причем одним из наиболее эффективных представляется путь создания на основе полимеров широкого спектра высокоэффективных коррозионно-стойких материалов и конструкций.
К сожалению, научно-технический прогресс, расширение опыта и накопление знаний приводят общество не только к успехам в различных областях его жизнедеятельности, но и к возникновению проблем, способных по значимости сравниться с достигнутыми успехами. Здесь напрямую проявляется единство и борьба противоположностей, отрицание-отрицания, а количественные изменения переходят в качественные. Человечество, решая текущие проблемы, порождает новые, зачастую более острые, требующие для своего решения мобилизации качественно новых и количественно ещё больших усилий. Этим самым оно обеспечивает следующий положительный или же отрицательный виток своего развития и т.д. до бесконечности по замкнутому кругу.
Анализируя изложенное, становится очевидным, что появление новых материалов есть закономерная диалектически инициированная составляющая процесса развития общества и безусловно — это заключение полностью правомерно для строительного материаловедения как неотъемлемой части этого общества в целом и его строительной отрасли в частности.
16
1.2 Полимербетоны - эффективные современные строительные композиты. Сравнительный анализ
При выборе материалов и конструкций для зданий и сооружений, эксплуатирующихся в условиях агрессивного воздействия среды, определяющим критерием пригодности к нормальной эксплуатации становится их химическое сопротивление.
Решение проблемы коррозии в век полимеров не может быть эффективным без широкого использования самих полимеров, являющихся носителем и основой многих передовых технологических принципов и приемов, разработанных и привнесенных в действительность современной наукой [9, 14, 48, 78, 109,115,138,143,345].
В строительной отрасли полимеры при лечении "болезни века" применяют в качестве основы композиций из которых или на основе которых возможно получение широкого перечня коррозионно-стойких мастик, замазок, растворов и бетонов. Полимер, являясь основой уже нового материала и обладая требуемыми свойствами и строением, определяет техническое значение конечного продукта и более того, позволяет ещё на стадии проектирования материала во многом планировать его эксплутационные характеристики (коррозию, износ, старение и т.д.).
Среди коррозионно-стойких материалов, основой для которых служат полимеры, бетоны или как их ещё называют, полимербетоны являются наиболее наукоемкими строительными материалами, сконцентрировавшими в себе передовые научные знания и технические достижения материаловедческой науки, что гарантирует перспективность их развития и подтверждает актуальность изучения.
Полимербетонами принято называть искусственно подобранные конгломератные составы на основе синтетических смол и химически стойких наполнителей и заполнителей без активного участия минеральных вяжущих и. Составы с отсутствием щебня и песка — мастики, или щебня — полимеррастворы
17

 Часть из работы     Получить работу