Прогнозирование долговечности кровельных битумно-полимерных композитов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.23.05, кандидат технических наук Долженкова, Марина Валентиновна

• Долженкова, Марина Валентиновна
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Долженкова, Марина Валентиновна

Введение - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

1 Кровельные материалы на основе битумов- - -- -- -- - -- -- -- -- ю

1.1 Битумы и их основные свойства - -- -- -- -- -- -- -- --

1.2 Способы модификации битумов

1.2.1 Выбором и совершенствованием технологии производства - -

1.2.2 Физико-химической обработкой

1.2.3 Введением активных добавок -----------------

1.3 Основные виды мягких кровельных материалов - -- -- -- -- --

1.3.1 Битумы в производстве кровли

1.3.2 Битумные композиты на картонной основе (рубероиды) - - - -

1.3.3 Стеклонаполненные битумно-полимерные кровли

1.3.4 Битумные композиты на основе фольги и слюдобумаги - - - -

1.4 Применение и основные эксплуатационные свойства рулонных кровельных материалов - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

1.5 0 долговечности рулонных кровельных материалов- - -- -- -- -- 28 Выводы по главе 1---------------------------

2 Объекты, установки, приборы и приспособления для исследований, способы обработки экспериметальных результатов - - -- -- -- --

2.1 Объекты исследований - - -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

2.2 Изготовление образцов - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

2.3 Выбор внешних эксплуатационных факторов - -- -- -- -- -- -

2.4 Установки для механических испытаний - -- -- -- -- -- --

2.4.1 Стенд для испытаний на одноосное растяжение- - -- -- --

2.4.2 Установка для испытаний на одноосный срез - -- -- -- --

2.4.3 Установка для испытаний на сжатие - -- -- -- -- -- --

2.4.4 Установка для испытаний на пенетрацию - -- -- -- -- --

2.5 Приспособления для испытания битумных кровельных материалов на водопоглощение и адгезию - -- -- -- -- -- --

2.6 Прибор для определения коэффициента линейного термического расширения - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

2.7 Способы получения и обработки экспериментальных результатов- -

2.7.1 Обработка результатов физико-механических испытаний кровельных материалов- - -- -- -- -- -- -- -- -- --

2.7.2 Определение долговечности при разрушении и деформации битумных композитов- - -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

2.7.3 Расчет термофлукционных констант при длительных механических испытаниях - -- -- -- -- -- -- -- -- --

2.7.4 Определение коэффициентов уравнения Аррениуса методом графоаналитического дифференцирования- ------

2.7.5 Статистическая обработка экспериментальных результатов - -

2.7.6 Проверка нормальности распределения экспериментальных результатов - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

2.7.7 Математическое планирование эксперимента для определения механической долговечности битумных композитов- - -- --

Выводы по главе 2---------------------------

3 Закономерности разрушения и деформирования кровельных битумных композитов - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -

3.1 Термофлуктуационная концепция механического поведения органических строительных материалов

3.2 Влияние нагрузки и температуры на долговечность время до разрушения) битумной кровли - -- -- -- -- -- -- --

3.3 Влияние вида нагружения на долговечность кровельных битумных композитов - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -

3.4 Влияние температуры и нагрузки на закономерности разрушения и долговечность битумно-полимерной кровли марки «стеклобит» - -

3.5 Определение предельного времени теплового старения битумной кровли- - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

3.6 Закономерности деформирования кровельных битумно-полимерных композитов при сжатии -

3.7 Закономерности длительной пенетрации кровельных битумно-полимерных композитов - -- -- -- -- -- -- -- --

Выводы по главе 3

4 Влияние физико-химических факторов внешней среды на долговечность кровельных битумных композитов-

4.1 Влияние УФ-облучения на прочность и долговечность битумных кровель - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

4.2 Влияние жидких агрессивных сред на прочность и долговечность битумных кровель - -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- -- --

4.3 Влияние циклических температурно-влажностных воздействий на механические характеристики битумной кровли - -- -- --

4.4 Исследование адгезионной прочности соединений битумной кровли с конструкциями покрытия

4.5 Влияние состава на коэффициент линейного термического расширения кровельных битумных композитов - -- -- -- --

Выводы по главе 4-------------

5 Прогнозирование долговечности битумных композитов в кровле зданий с учетом конкретных условий эксплуатации - -- -- -- --

5.1 Оценка качества битумной кровли по изменению прочностных и деформационных характеристик - -- -- -- --

5.2 Определение долговечности битумных композитов в конструкциях # кровли различных зданий. Практические предложения по выбору марки битумной кровли - - - -- -- -- -- -- -- -- -- --

5.3 Определение долговечности с помощью диаграмм - - -- -- -- -

5.4 Экспресс-метод прогнозирования долговечности битумных кровель 143 Выводы по главе 5---------------------------

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Прогнозирование долговечности кровельных битумно-полимерных композитов»

Актуальность работы. Одним из важнейших эксплуатационных параметров кровельных материалов является долговечность (потенциальный срок службы). Для многих битумных материалов она, как правило, невысокая (порядка 10. 15 лет). Уже через несколько лет эксплуатации мягкая битумная кровля начинает протекать. Разрушение происходит путем механических повреждений в процессе монтажа и эксплуатации, а также в результате старения при воздействии окружающей среды.

Основными эксплуатационными параметрами, определяющими долговечность любого конструкционного материала являются нагрузка и температура. Кроме того, в течение всего срока эксплуатации большинство строительных материалов, включая и кровельные, подвергаются воздействию агрессивных факторов внешней среды (активные жидкости, УФ-облучение), что значительно снижает их долговечность.

Влияние температуры и силового воздействия на долговечность битумных кровельных композитов можно учесть с позиций термоактивационной (кинетической) концепции разрушения и деформирования.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью разработки надежного и простого метода прогнозирования долговечности битумных кровельных материалов, основанного на изучении закономерностей их разрушения и деформирования в широком эксплуатационном диапазоне нагрузок и температур с учетом дополнительного воздействия климатических и активных физико-химических факторов.

Целью работы является разработка методики прогнозирования долговечности (потенциального срока службы) битумно-полимерных кровельных композитов в эксплуатационном диапазоне напряжений и температур с учетом дополнительных неблагоприятных воздействий внешней среды.

Исходя из этого, в работе поставлены следующие задачи:

- исследование закономерностей разрушения и деформирования би-тумно-полимерных кровельных материалов на различной основе в заданном интервале напряжений и температур при различных видах нагружения;

- выявление аналитических зависимостей для расчета физических и эмпирических констант материалов, определяющих их долговечность (время до разрушения или заданной величины деформации);

- выявление графоаналитических зависимостей для определения предельного времени теплового старения битумно-полимерных кровельных композитов при эксплуатации в свободном состоянии (без нагрузки);

- изучение влияния жидких активных сред и УФ-облучения на константы, определяющие долговечность битумно-полимерных кровельных композитов;

- изучение влияния климатических факторов на долговечность битумно-полимерных кровельных композитов;

- разработка методики прогнозирования долговечности битумно-полимерных кровельных материалов;

- выдача рекомендаций по использованию вида и марки мягкого кровельного материала для зданий с определенными условиями эксплуатации.

Научная новизна работы состоит в следующем:

- выявлены термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования битумно-полимерных кровельных материалов при разных видах нагружения;

- впервые получены величины физических и эмпирических констант кровельных битумно-полимерных композитов, определяющих их долговечность при разрушении и деформировании;

- впервые предложены и определены «линии теплового старения» битумно-полимерных кровель для расчета предельного времени эксплуатации;

- получены экспериментальные результаты по влиянию УФ-облучения, жидких активных сред и климатических факторов на закономерности разрушения битумно-полимерных кровельных материалов и величины констант, определяющих их долговечность;

- получены поправки, учитывающие действие неблагоприятных факто6 ров внешней среды на долговечность битумно-полимерных композитов;

- разработана экспресс-методика прогнозирования долговечности битумно-полимерных композитов в кровлях зданий различного назначения в заданном диапазоне эксплуатационных параметров (напряжений и температур).

Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивалась проведением экспериментов с достаточной воспроизводимостью; статистической обработкой с заданной вероятностью и необходимым количеством повторных испытаний; сопоставлением результатов, полученных разными методами, а также сравнением их с аналогичными результатами, полученными другими авторами. Достоверность теоретических решений проверялась сравнением их с экспериментальными результатами.

Практическое значение работы. Предложен графоаналитический способ построения «предельной линии теплового старения» битумно-полимерных кровельных материалов, работающих в свободном состоянии (без механической нагрузки). Разработана экспресс-методика прогнозирования долговечности битумно-полимерных композитов при разных видах нагружения в заданном интервале напряжений и температур при наличии неблагоприятных факторов внешней среды. Ее внедрение позволит сократить расход кровли в период эксплуатации здания в 2.3 раза. Даны рекомендации по применению вида мягкого кровельного материала в конкретных зданиях.

Внедрение результатов. Теоретические разработки и результаты экспериментальных исследований использованы в ОАО «Тамбовстройпроект», ОАО «Тамбовжилстрой», а также в учебном процессе при чтении лекций и проведении лабораторных работ по дисциплинам «Материаловедение. ТКМ.» и «Технология композитных материалов».

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на VII-X научных конференциях ТГТУ (Тамбов, 2002-2005 г.); Международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (Пенза, 2002-2004 г.); Международной конференции

Наука на рубеже тысячелетий» (Тамбов, 2004 г.); Международной научно-практической конференции «Прогрессивные технологии развития» ( Тамбов, 2004 г.); Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы современного строительства» (Пенза, 2005 г.); 62-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре. Образование. Наука. Практика.» (Самара, 2005 г.); IV Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов» (Волгоград, 2005 г.); Международной научно-практической интернет-конференции «Проблемы и достижения строительного материаловедения» (Белгород, 2005 г.); Международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы» (Пенза, 2005 г.); IV Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии» (Тула, 2005 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 17 печатных трудов, среди них 14 статей (3 входящих в перечень ВАК), 2 тезисов докладов и методические указания к лабораторным работам.

Автор защищает:

- результаты исследований по влиянию состава (связующего, основы, посыпки), вида нагружения и внешней среды (УФ-облучения, активных жидкостей, климатических факторов) на закономерности разрушения и деформирования битумно-полимерных кровельных материалов, а также физические и эмпирические константы, определяющие их долговечность;

- графоаналитический способ построения «предельной линии теплового старения» битумно-полимерной кровли;

- результаты исследования влияния вида мягкого кровельного материала на коэффициент линейного термического расширения и адгезию к ограждающим строительным конструкциям;

- метод оценки качества мягкого кровельного материала по изменению величин механических характеристик;

- экспресс-методику прогнозирования долговечности битумно-полимерных кровельных материалов в зданиях с различными условиями эксплуатации.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 165 страниц машинописного текста, включая 28 таблиц, 78 рисунков, список литературы из 152 наименований и 2 приложения.

Заключение диссертации по теме «Строительные материалы и изделия», Долженкова, Марина Валентиновна

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

С позиций кинетической (термофлукционной ) концепции исследованы закономерности разрушения и деформирования битумных кровельных композитов в заданном диапазоне постоянных напряжений и температур. Выявлены аналитические зависимости для долговечности, связывающие время эксплуатации с напряжением и температурой. Получены значения физических и эмпирических констант материалов, входящие в данные зависимости.

Изучено влияние вида нагружения (одноосное растяжение, срез, сжатие и пенетрация) на закономерности разрушения и деформирования битумных кровельных композитов на различной основе. Показано, что изменение вида нагружения для большинства материалов проявляется в основном на константе у. Это открывает возможности при расчете долговечности перехода от одного вида нагрузки к другому. Разрушение кровельного материала марки «стеклобит» ПСП-30 в эксплуатационном температурном интервале от -5.°С до +60 °С происходит по сложному механизму. Полученные зависимости для долговечности делятся на три зоны: хрупкого разрушения, хрупко-пластического и пластического. Наиболее предпочтительной для эксплуатации является зона хрупко-пластического разрушения. В этой области структура максимально стабильна. Она не зависит от напряжения и температуры. Впервые предложен графоаналитический способ расчета времени теплового старения битумной кровли. Для этого необходимо определить величину максимальной энергии активации разрушения Uq при простом виде нагружения и построить «линию теплового старения», по которой при любой заданной температуре можно определить предельное время эксплуатации битумной кровли.

Показано, что зависимости времени и скорости деформирования битумных кровельных композитов при сжатии и пенетрации в широком диапазоне постоянных нагрузок и температур представляют собой семейства веерообразных прямых в виде «прямого пучка». Форма индентора при пенетрации оказывает несущественное влияние на константы уравнения, описывающее этот процесс. Скорость деформации битумных кровель в основном определяется их составом.

6. Исследовано влияние УФ-облучения и жидких агрессивных сред на прочностные характеристики и долговечность кровельных битумных композитов. Показано, что после 100 часов облучения лампами ПРК характер зависимости долговечности от напряжения и температуры не меняется, но меняются значения констант, что и приводит к снижению предельной прочности на 15 %.

7. Изучено влияние циклических температурно-влажностных воздействий (замачивания-высушивания и замораживания-оттаивания) на прочность и долговечность битумных кровельных материалов. Установлено, что после воздействий не происходит изменение вида зависимости долговечности от напряжения и температуры. Для долговечности битумных кровель определены поправки, позволяющие учитывать многократные температурно-влажностные воздействия.

8. Установлено, что адгезионная прочность битумных кровель определяется в основном связующим. Показано, что введение в битум жесткой основы приводит к существенному увеличению термического расширения: для битумных композитов различного состава в 1,2-ь7 раз.

9. Полученные аналитические зависимости и величины, входящих в них констант, позволяют прогнозировать долговечность кровельных битумных материалов при заданных параметрах и условиях эксплуатации. Разработана экспресс-методика прогнозирования долговечности с учетом реальных условий эксплуатации. Приведены конкретные примеры расчета долговечности битумной кровли.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Долженкова, Марина Валентиновна, 2005 год

1. Гунн, Р.Б. Нефтяные битумы Текст. / Р.Б.Гун М.: Химия, 1973.- 343 с.

2. Строительные материалы Текст. : Учебник / Под общей ред. Микульского В. Г. -М.: Изд-во АСВ, 1996.-488 с.

3. Строительные материалы Текст. : Битумные материалы // http://www. StroiLIST.ru

4. Мурузина, Е. В. Битум полимерные композиции кровельного назначения Текст. : дисс. канд. техн. наук / Мурузина Е. В. - Казань, 2000. -219 с.

5. Кисина, A.M. Полимербитумные кровельные и гидроизоляционные материалы Текст. / А.М.Кисина , В.Н.Куценко Л., 1983.-133с.

6. Печеный, Б.Г. Битумы и битумные композиции Текст. / Печеный Б.Г. -М.: Химия, 1990.-256 с.

7. Руденская, И.Н. Органические вяжущие для дорожного строительства Текст. / И.Н.Руденская, А.В. Руденский М.: Транспорт, 1984. - 229 с.

8. ГОСТ 11501-78. Битумы нефтяные. Метод определения глубины проникновения иглы Текст. М.: Изд-во стандартов, 1978. - 9 с.

9. ГОСТ 11506-73*. Битумы нефтяные. Метод определения температуры размягчения Текст. -М.: Изд-во стандартов, 1973. 11 с.

10. ГОСТ 11505-75 . Битумы нефтяные. Метод определения растяжимости Текст. М.: Изд-во стандартов, 1975. - 12 с.

11. Строительные материалы. Справочник Текст. М., 1989. - 423 с.

12. Ребиндер, П.А. Физико -химическая механика Текст. / П.А.Ребиндер // В кн. Поверхностные явления в дисперсных системах. -М.: Наука, 1979. -382 с.

13. Гунн, Р. Б. Производство нефтяных битумов Текст. / Р. Б.Гун , И. Л. Гуревич М.: ГосИНТИ, 1960. - 360 с.

14. Иванов, А. И. Структурно-механические свойства различно окисленных битумов Текст. / А. И.Иванов, И. В.Михайлов // Колл. журн., 1960. Т. 22. - № 2. - С. 76-79.

15. Горшенина, Г. И. Полимербитумные изоляционные материалы Текст. / Г. И. Горшенина, И. В.Михайлов М.: Недра, 1967. - 210 с.

16. Розенталь, Д. А. Битумы. Получение и способы модификации Текст. / Д. А.Розенталь, В. Н. Березников, И. Н. Кудрявцева JL, 1979. - 86 с.

17. Руденский, А. В. Реологические свойства битумоминеральных материалов Текст. / А.В. Руденский, И.Н. Руденская М.: Высшая школа, 1971. - 131 с.

18. Розенталь, Д. А. Модификация свойств битума полимерными добавками Текст. / Д. А. Розенталь, JI. С.Таболина, В. А. Федосеева // В сб. «Переработка нефти». -М.: ЦНИИТЭнефтехим, 1988. -№ 6. С. 49-54.

19. Розенталь, Д. А. Нефтяные окислительные битумы Текст. / Д. А Розенталь Л.: ЛТИ, 1973. - 47 с.

20. Полякова, С. В. Применение модифицированных битумов в дорожном строительстве Текст. / С. В. Полякова // СтройПРОФИль, 2001. № 10. -С. 12-15.

21. Товкес, И. Н. Влияние компонентного состава битума на свойства поли-мербитумных композиций Текст. / И.Н. Товкес // СтройПРОФИль, 2001.-№ 10,-С. 31-32

22. Братчиков, А.В. Битумное вяжущее для изготовления кровельной горячей мастики, модифицированное атактическим полипропиленом Текст.

23. А.В. Братчиков и др. // ИВУЗ Строительство. Новосибирск, 1983. - № З.-С. 8-11.

24. Д'Андреа, М. Битумная гидроизоляция с АЛЛ или СБС как помочь в выборе Текст. / М. Д'Андреа // Строительные материалы. - М., 2001. -№ 3. - С. 10-11.

25. Горелов, Ю. А. Особенности применения битумно-полимерных материалов в холодном климате / Ю.А.Горелов, Д.А.Фисюренко // СтройПРО-ФИль, 2002.-№ З.-С. 22.

26. Дармов, П. И. Битумно-полимерные материалы: обоснованность применения, нюансы Текст. / П. И.Дармов, А. А.Дармов // СтройПРОФИль, 2003.-№6.-С. 28-30.

27. Lu Xiaohu Fundamental Studies on Styrene-Butadiene-Styrene Polymer Modified Road Bitumens / Lu Xiaohu // Licentiate Thesis, Royal Institute of Technology, Sweden, TRITA-IP FR 96-17, 1996.

28. Lu X. Characterization of Styrene-Butadiene-Styrene Polymer Modified Bitumens—Comparison of Conventional Methods and Dynamic Mechanical Analyses / Lu X., Isacsson U. // Journal of Testing and Evaluation, 1997. -№4.-P. 31-35.

29. Marechal J. Ch. Kennzeichnung und Alterung von SBS Polymer - Bitumen. / Marechal J. Ch. - Bitumen, 1984. - № 3. - P. 114-120.

30. Herrenschmidt M. Comparison de deux tests de viellissement accelere des milanges bitume — SBS pour mosses de toiture. / Herrenschmidt M.- Praceed-ings of Second International Symposium on Roofs and Roofing. Brigston, 2124 Sept., 1981.-P. 211-214.

31. Горелов, Ю.А. Новые кровельные материалы отечественного производства Текст. / Ю.А.Горелов // Строительные материалы М., 2001 - № 3. -С. 15.

32. Горелов, Ю.А. Новые рулонные кровельные и гидроизоляционные материалы завода «Технофлекс» Текст. / Ю.А. Горелов // Строительные материалы. М., 2002. - № 5. - С. 26-27.33