автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Долговечные декоративно-защитные плиты на основе древесных композитов для фасадной отделки зданий

На правах рукописи

ЕРОФЕЕВ Александр Владимирович

ДОЛГОВЕЧНЫЕ ДЕКОРАТИВНО-ЗАЩИТНЫЕ ПЛИТЫ НА ОСНОВЕ ДРЕВЕСНЫХ КОМПОЗИТОВ ДЛЯ ФАСАДНОЙ ОТДЕЛКИ ЗДАНИЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

3 О ОКТ 2014

Воронеж —2014

005554135

005554135

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Тамбовский государственный технический университет».

Официальные оппоненты:

Научный руководитель Ярцев Виктор Петрович,

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Конструкции зданий и сооружений» ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет»

Гончарова Маргарита Александровна, доктор технических наук, доцент, заведующая кафедрой «Строительные материалы» ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет»

Панфилов Дмитрий Вячеславович, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Строительные конструкции, основания и фундаменты имени профессора Ю. М. Борисова» ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный архитектурно-строительный университет»

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Защита диссертации состоится 26 декабря 2014 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 при Воронежском государственном архитектурно-строительном университете (ГАСУ) по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. 20-летия Октября, д. 84, корпус 3, ауд. 3220, тел. (факс) (4732)71-53-21.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского ГАСУ и на сайте http://edu.vgasu.vrn.ru/SiteDirectory/DisSov.

Автореферат разослан 24 октября 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.033.01 /' Власов Виктор Васильевич

Ведущая организация

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Долгое время в связи с низкой стоимостью топливно-энергетических ресурсов в нашей стране к их расходу применялся экономически необоснованный подход, ориентированный на массовое производство однослойных сборных железобетонных конструкций при недостаточном учете вопросов энергосбережения. Однако в связи с угрожающим ростом темпов энергопотребления в мире проблема энергосбережения в строительстве в последнее время приобрела высокую актуальность. Одним из определяющих направлений энергосберегающей политики государства в строительной области является повышение тепловой защиты зданий, которая позволит снизить их энергопотребление на 20...30 %. Поэтому в конце XX века повысились требования по теплозащите зданий и сооружений.

Основной потенциал энергосбережения связан с эксплуатационной сферой, в связи с этим снижение энергопотребления может быть достигнуто путем повышения теплозащитных качеств ограждающих конструкций до уровня нормативных требований. Для обеспечения нормативной теплозащиты реконструируемых или вновь возводимых зданий необходимо применять утеплитель. Большинство из них имеют низкие эксплуатационные характеристики, поэтому возникает необходимость их защиты от внешних неблагоприятных атмосферных воздействий. Вопрос защиты утеплителя решается путем устройства облицовки, которая также должна придать фасаду здания уникальный неповторимый вид. В выборе того или иного вида облицовки немаловажную роль играют стоимость и экологич-ность материала. Несмотря на разнообразие рынка облицовочных фасадных материалов, ни один вид не имеет оптимального сочетания параметров: эксплуатационных свойств, эстетического вида, стоимости и эколо-гичности. Поэтому разработка новых фасадных облицовочных материалов с оптимальным сочетанием приведенных параметров является актуальной задачей.

Цель и задачи работы. Целью работы является разработка долговечных декоративно-защитных плит на основе древесных композитов. Для достижения поставленной цели необходимо изучить динамику изменения эксплуатационных характеристик декоративно-защитных плит при использовании их в качестве фасадной отделки зданий.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1) на основе теоретических исследований обосновать необходимость дополнительного утепления жилых и общественных зданий с последующей облицовкой фасадов;

2) на основе физических представлений о работоспособности материалов предложить соответствующие исходные компоненты композиций и их сочетания для получения декоративно-защитных плит для фасадной отделки зданий с заданным комплексом эксплуатационных свойств;

3) предложить технологическую схему и параметры производства декоративно-защитных плит;

4) комплексно оценить характеристики разработанных декоративно-защитных плит и степень влияния на них исходных компонентов;

5) исследовать влияние атмосферных воздействий (цикличное замораживание-оттаивание, тепловое и ультрафиолетовое старение) на характеристики декоративно-защитных плит;

6) исследовать влияние жидких агрессивных сред на структуру декоративно-защитных плит;

7) с позиции термофлуктуационной концепции разрушения и деформирования твердых тел изучить закономерности разрушения декоративно-защитных плит в эксплуатационном интервале напряжений и температур и проанализировать полученные константы для определения долговечности;

8) на основании сравнения стоимости и долговечности различных вариантов финишной отделки фасадов здания обосновать экономическую целесообразность применения разработанных декоративно-защитных плит для отделки фасадов;

9) на основании проведенных исследований выдать рекомендации по применению разработанных декоративно-защитных плит.

Объектом исследования выступают декоративно-защитные плиты.

Предметом исследования является динамика изменения эксплуатационных характеристик декоративно-защитных плит.

Научная идея работы. На основе древесных композитов возможно получение фасадных плит для отделки зданий при условии обеспечения долговечности поверхностного слоя плит посредством нанесения долговечного декоративного слоя, образующего с основой монолитное соединение за счет механического заклинивания адгезива в порах и пропитанных граничных слоях основы и обеспечивающего необходимое сопротивление воздействию эксплуатационных факторов.

Научная новизна работы.

1. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены возможность и целесообразность создания декоративно-защитных плит на основе древесных композитов со связующим из полиэфирной и эпоксидной смол для фасадной отделки зданий, отличающихся от аналогов оптимальным сочетанием эксплуатационных характеристик.

2. Комплексно оценены эксплуатационные характеристики разработанных декоративно-защитных плит и установлено, что свойства плит преимущественно определяются свойствами основы.

3. Изучено и определено влияние атмосферных факторов и агрессивных сред на работоспособность предложенных декоративно-защитных плит, заключающееся в ухудшении их свойств в процессе эксплуатации.

4. Выявлены термофлуктуационные закономерности разрушения и деформирования декоративно-защитных плит на основе фанеры со связующим из полиэфирной и эпоксидной смол и определены термофлуктуационные константы, позволяющие прогнозировать их долговечность в широком диапазоне нагрузок и температур.

Степень достоверности. Для проведения экспериментов использовалось оборудование, прошедшее метрологическую поверку. Эксперименты выполнены с достаточной воспроизводимостью. Достоверность результатов подтверждена их сходимостью с теоретическими предпосылками. Полученные результаты логичны, обоснованы и не противоречат известным законам и теориям.

Практическое значение работы определяется возможностями решения на основе ее научных результатов прикладных задач материаловедения. Результаты исследований позволили:

1) расширить ассортимент фасадных облицовочных материалов;

2) повысить срок службы вертикальных ограждающих конструкций путем защиты утеплителя от действия атмосферных факторов;

3) снизить стоимость фасадов малоэтажных жилых зданий посредством замены дорогостоящих облицовочных материалов декоративно-защитными плитами на основе фанеры.

Реализация работы:

1) разработаны новые декоративно-защитные плиты на основе древесных композитов для фасадной отделки зданий;

2) предложена технологическая схема и параметры производства декоративно-защитных плит;

3) получены зависимости, позволяющие оценивать характеристики декоративно-защитных плит в определенный момент эксплуатации;

4) даны рекомендации по применению предложенных декоративно-защитных плит в качестве фасадной отделки зданий.

Результаты диссертационной работы внедрены в производство (ООО «СВС-Техника» и МУП «ЖКХ Рассказовского района») и образовательный процесс ФГБОУ ВПО «Тамбовский государственный технический университет», о чем свидетельствуют 3 акта о внедрении.

Апробация работы. Основные положения работы докладывались на X - XIV Международных научно-технических конференциях «Актуаль-

ные проблемы строительства и строительной индустрии» (г. Тула, 2009 -2013 гг.); на VIII — XI Международных научно-практических интернет-конференциях «Состояние современной строительной науки» (г. Полтава, 2010 — 2013 гг.); на II Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Прогрессивные технологии и перспективы развития» (г. Тамбов, 2010 г.); на III Международной научно-инновационной молодежной конференции «Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент» (г. Тамбов, 2011 г.); на Международной заочной научно-практической конференции «Актуальные проблемы науки и образования: прошлое, настоящее, будущее» (г. Тамбов, 2012 г.); на пленарном заседании V (2010 г.) и VIII (2013 г.) научно-технической конференции ассоциации «Объединенный университет им. В. И. Вернадского» (г. Тамбов).

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликовано 37 научных работ, в том числе 7 статей в журналах, входящих в перечень ведущих периодических изданий для опубликования основных научных результатов (перечень ВАК). По результатам исследований издана 1 монография.

Автор защищает:

1) необходимость дополнительного утепления жилых и общественных зданий с последующей облицовкой их фасадов;

2) предложенные исходные компоненты композиций и их сочетания для получения декоративно-защитных плит;

3) технологическую схему производства декоративно-защитных плит;

4) результаты исследования эксплуатационных характеристик декоративно-защитных плит;

5) результаты исследования влияния атмосферных воздействий на эксплуатационные характеристики декоративно-защитных плит;

6) результаты исследования влияния жидких агрессивных сред на структуру декоративно-защитных плит;

7) полученные значения термофлуктуационных констант, позволяющих прогнозировать долговечность декоративно-защитных плит;

8) экономическую целесообразность применения разработанных декоративно-защитных плит для отделки фасадов зданий;

9) рекомендации по применению разработанных декоративно-защитных плит для фасадной отделки зданий.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, выводов, списка литературы и приложений. Содержит 168 страниц, в том числе 130 страниц машинописного текста, 36 таблиц, 46 рисунков, 121 наименование используемой литературы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследований, показана их научная и практическая значимость, а также сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе анализируются поставленные цели и задачи исследования, а также пути их решения.

Защитить утеплитель от атмосферных воздействий возможно двумя способами. В первом случае утеплитель располагается в теле конструкции так, что атмосферные воздействия воспринимает ее несущая часть. Во втором случае, когда утеплитель располагается снаружи здания, поверх него устраивают дополнительный слой, получивший название финишной отделки или облицовки, который выполняет сразу же две функции: защищает утеплитель от атмосферных воздействий, придает фасаду здания уникальный неповторимый облик. Проведенный в работе анализ достоинств и недостатков различных систем утепления показывает, что оптимальной является система, в которой теплоизоляционный слой располагается снаружи здания.

Несмотря на разнообразие рынка фасадных облицовочных материалов, непрерывно идет поиск новых решений, способных конкурировать с существующими видами. Одним из вариантов такого решения являются разработанные декоративно-защитные плиты (рис. 1), представляющие собой композитный материал слоистого вида, полученный путем закрепления связующим на подложке (основе) материала декоративного слоя.

а) б) в)

Рис. 1. Декоративно-защитные плиты с использованием в качестве материала декоративного слоя керамзитового песка (а), древесных опилок (б), природного песка (в)

В качестве основы декоративно-защитных плит предложены: це-ментно-стружечная плита марки ЦСП-1, древесно-стружечная плита марки П-Б, древесно-волокнистая плита, фанера марки ФСФ. Приведенные материалы являются широко распространенными, отличаются высоким уровнем теплозащитных свойств и прогнозируемой способностью создания прочного адгезионного соединения со смолами. В качестве связую-

7

щего декоративно-защитных плит предложены термореактивные смолы: полиэфирная смола марки ГТН-1 и эпоксидная смола марки ЭД-20, которые после полимеризации становятся экологически безопасными материалами. В качестве материала декоративного слоя предложены: керамзитовый песок фракции 0...5 мм с размером частиц от 0,14 до 5 мм, древесные опилки хвойных пород длиной не более 5 мм и влажностью не более 10 % и природный песок средней крупности. Выбор материала декоративного слоя обусловлен низкой стоимостью и доступностью.

Во второй главе изложены методические вопросы.

Приведены основные физико-механические характеристики исходных материалов и описание методик проведения испытаний и обработки полученных экспериментальных данных. Описаны приборы и приспособления, использованные при проведении экспериментов, проведено математическое планирование эксперимента.

Технология изготовления декоративно-защитных плит состоит из четырех основных этапов. На первом этапе производства из выбранной основы выпиливаются плиты необходимых размеров с последующей очисткой поверхности от пыли, масляных пятен и т.п.

В связи с тем, что для полной полимеризации смолы требуются еще два дополнительных компонента (акселератор и катализатор), на втором этапе выполняют следующие технологические операции: 1) определение необходимого количества смолы; 2) добавление к смоле акселератора (0,5 % от массы полиэфирной смолы); 3) перемешивание смолы с акселератором в течение двух минут; 4) добавление к полученной смоле катализатора (2 и 10 % от массы полиэфирной и эпоксидной смолы соответственно); 5) перемешивание полученной смолы с катализатором в течение двух минут. Для полиэфирной смолы акселератором является нафтенат кобальта, а катализатором - пероксид метилэтилкетон. В эпоксидную смолу добавляется только катализатор (полиэтипенполиамин).

На третьем этапе подготовленное связующее наносится на основу в течение времени жизнеспособности клеевого состава (от 30 до 60 мин). Под временем жизнеспособности смолы понимается время, прошедшее с момента введения катализатора до желеобразного состояния. Связующее должно наноситься равномерно толщиной 1...2 мм специальным оборудованием для нанесения клея.

На последнем этапе производства материал декоративного слоя наносится на связующее. Технологический перерыв между третьим и четвертым этапом не должен превышать 5 минут. Для завершения процесса полимеризации смолы требуется 2 суток. Процесс протекает при комнатных температурах. При повышении температуры скорость процесса полимеризации увеличивается.

Исследование свойств декоративно-защитных плит проводилось на образцах размерами 1x5, 1x12, 5x5 и 10x10 см.

В третьей главе представлены результаты исследования основных эксплуатационных свойств декоративно-защитных плит.

Для рационального использования материальных ресурсов при производстве декоративно-защитных плит необходимо знать оптимальный расход материала декоративного слоя на единицу площади, который определялся экспериментально путем нанесения на основу материала декоративного слоя массой в 20, 40, 60 и 80 % от максимального. Оптимальный расход керамзитового песка составляет 80 % (2,94 кг/м2 / 2,1 кг/м2) от максимального, древесных опилок - 60 % (0,251 кг/м2 / 0,083 кг/м2) и природного песка - 40% (0,276 кг/м2 / 0,152 кг/м2) для декоративно-защитных плит со связующим из полиэфирной / эпоксидной смолы.

Основными эксплуатационными прочностными характеристиками декоративно-защитных плит являются прочность при поперечном изгибе, адгезионная прочность соединения «связующее - основа» и твердость декоративного слоя.

Сравнительно небольшой разброс прочности при поперечном изгибе (табл. 1) для декоративно-защитных плит на идентичной основе позволяет сделать вывод о том, что прочность плит преимущественно зависит от материала основы. Данный вывод позволяет снизить стоимость декоративно-защитных плит путем применения дешевых видов смол. Однако такая замена не должна ухудшать экологичность плит.

Таблица 1

Прочность декоративно-защитных плит при поперечном изгибе

Вид Вид связующего Прочность при поперечном изгибе, МПа, плит с материалом декоративного слоя из:

основы керамзитового песка древесных опилок природного песка

ЦСП Полиэфирная смола 5,622 9,861 9.598

Эпоксидная смола 5,829 9,602 11,41

ДСП Полиэфирная смола 11,598 8,759 12,29

Эпоксидная смола 12,2 8,61 10,155

ДВП Полиэфирная смола 28,434 24,281 26,368

Эпоксидная смола 22,826 27,978 25,481

Фанера Полиэфирная смола 51,813 51,469 52,695

Эпоксидная смола 55,151 51,987 54,82

Наименьшую адгезионную прочность имеет соединение «полиэфирная смола - ЦСП» (0,53 МПа) и «эпоксидная смола - ЦСП» (0,74 МПа). Данный факт объясняется с позиции механической теории адгезии: ЦСП имеет низкую степень шероховатости поверхности (80 мкм) и пористости, смолы не пропитывают граничные слои. Следовательно, площадь контакта в данном случае значительно ниже площади контакта в соединениях «смола - ДСП» и «смола - фанера», в которых смолы пропитывают

граничные слои основы. Причем в первом случае глубина пропитки в несколько раз выше, чем во втором. Тогда согласно механической теории адгезионная прочность соединений «полиэфирная смола - ДСП» (1,4 МПа) и «эпоксидная смола - ДСП» (1,55 МПа) должна быть выше, чем для соединений «полиэфирная смола - фанера» (2,4 МПа) и «эпоксидная смола - фанера» (3,17 МПа). Полученные опытным путем данные дают диаметрально противоположную картину. Данный факт объясняется тем, что разрушение соединений происходит вне зоны пропитки граничных слоев, т.е. происходит не адгезионное, а когезионное разрушение.

Проведенный эксперимент показал, что твердость декоративного слоя плиты зависит от многих факторов: материала декоративного слоя, его фракционного состава и картины распределения, связующего, основы. Таким образом, даже использование при производстве декоративно-защитных плит идентичных исходных материалов не даст постоянных значений твердости декоративного слоя, т.е. полученные в работе значения твердости декоративного слоя необходимо считать условными величинами.

Следующей важной эксплуатационной характеристикой декоративно-защитных плит является водопоглощение. Процессы водопоглощения и набухания обусловлены заполнением макрокапилляров и пор материала. В работе экспериментально установлено, что процесс водопоглощения для декоративно-защитных плит описывается логарифмической зависимостью:

\¥=ак\пМ + Ьт (1)

где ак - тангенс угла наклона прямой водопоглощения, построенной в логарифмических координатах.

Таким образом, процесс водопоглощения протекает наиболее интенсивно в начальный период времени, а затем стабилизируется. Скорость протекания процесса водопоглощения является производной от функции водопоглощения и имеет вид:

= (2)

Следовательно, коэффициент ак определяет величину скорости протекания процесса водопоглощения.

Для декоративно-защитных плит процесс набухания описывается зависимостью, аналогичной зависимости (1). Хотя процессы водопоглощения и набухания подчиняются логарифмическим зависимостям, скорость их протекания зависит от водопоглощения и набухания основы (рис. 2). В работе установлено, что скорость протекания процессов водопоглощения и набухания при использовании идентичного связующего и материала декоративного слоя для декоративно-защитных плит на основе ДСП - максимальна, а для декоративно-защитных плит на основе ЦСП — минимальна.

Вид связующего напрямую не оказывает влияния на процессы водопоглощения и набухания. Это связано с тем, что смолы обладают схожими свойствами, а их масса незначительна по сравнению с массой основы.

Однако стоит отметить, что смолы закрепляют на основе разное количество материала декоративного слоя, оказывая тем самым косвенное влияние на процессы водопоглощения и набухания плит.

60 50 40 30 20 10 0

! 1 _

—Г - 1

— 1

|----"Г ___— \

т

40 30 20 10

ч

1 н, % . ! ! _ ______ - • ♦ ♦

! -А к _

! / /А- 1 / -Ш-4

Н/^'- \\ 1,4

50

100 а)

150

200

50

100

б)

150

200

Рис. 2. Зависимость водопоглощения (я), набухания (б) декоративно-защитной плиты на основе:

1 - ЦСП; 2 — ДСП; 3 - ДВП; 4 - фанеры при использовании древесных опилок в качестве материала декоративного слоя от продолжительности замачивания

Основными эксплуатационными теплофизическими свойствами декоративно-защитных плит являются тепловое сопротивление, коэффициенты линейного термического расширения и теплопроводности.

Коэффициент линейного термического расширения для плиты на основе фанеры со связующим из полиэфирной смолы равен 5,82-10~7 °С-1 , а со связующим из эпоксидной смолы - 2,92-Ю-6 °С-1.

Расположение дилатометрических кривых на рис. 3, а говорит о том, что фанера сдерживает процесс расширения полиэфирной смолы (дилатометрическая кривая декоративно-защитной плиты располагается рядом с дилатометрической кривой фанеры).

ДИ0 \мм

•100 550 300 250

:оо

150 100 50

о

по

ДМ 0~2. мм

И 80 I л к • 1

• 1 л 2 » 3 60 I.....г ■'10 / > V ,/* 1 | -;. л ; ^ 1 • 3

0 ' ...... , .„с

0 20 Ю 60 50 100 120 ПО

а)

0 20 4 0 60 80 100 120 140

б)

Рис. 3. Дилатометрическая кривая:

1 - фанера; 2 — полиэфирная смола (а), эпоксидная смола (б); 3 - декоративно-защитная плита со связующим из полиэфирной смолы (а), эпоксидной смолы (б) на основе фанеры с древесными опилками

Расположение дилатометрических кривых на рис. 3, б говорит о том, что эпоксидная смола только частично пропитывает верхний слой фанеры, а оставшаяся часть смолы может свободно расширяться (дилатометрическая кривая декоративно-защитной плиты располагается рядом с дилатометрической кривой эпоксидной смолы).

Испытания показали, что для рассмотренных плит различие коэффициентов линейного термического расширения исходных материалов не приводит к разрушению комбинированного материала.

Коэффициенты теплопроводности декоративно-защитных плит на основе фанеры в зависимости от вида связующего и материала декоративного слоя лежат в диапазоне от 0,116 до 0,123 Вт/(мК). В полученный диапазон попадает коэффициент теплопроводности фанеры (0,12 Вт/(м К)). Следовательно, связующие и материал декоративного слоя практически не оказывают влияния на коэффициент теплопроводности и тепловое сопротивление декоративно-защитных плит, которые определяются теплофизиче-скими свойствами основы плиты.

В четвертой главе представлены результаты исследования влияния неблагоприятных факторов (атмосферные воздействия и жидкие активные среды) на свойства декоративно-защитных плит.

Атмосферные воздействия в работе моделировались климатическими испытаниями: 1) систематический переход температур через 0 °С в осенне-весенний период — циклами замораживания-оттаивания по схеме: замачивание в течение 2 ч, замораживание при температуре —30 °С в течение 2 ч, оттаивание в диапазоне температур от 20 до 40 °С в течение 4 ч (ГОСТ 28199-89); 2) действие повышенных температур в летний период — тепловым старением в термокамере при температуре +80 °С (ГОСТ 28200-89); 3) действие солнечного света — ультрафиолетовым облучением под лампой ДРТ-1000 (ГОСТ 28202-89).

Экспериментальную зависимость изменения прочности декоративно-защитных плит после атмосферных воздействий выбирали из нескольких аппроксимирующих кривых. Критерием выбора служила величина достоверности аппроксимации. Сравнение коэффициентов корреляции аппроксимирующих кривых позволило сделать вывод о том, что изменение прочности декоративно-защитных плит после теплового и ультрафиолетового старения подчиняется зависимости:

а = а/ + А^+Со, (3)

где а - прочность при поперечном изгибе, МПа; I - время действия рассматриваемых атмосферных факторов, ч; а„, Ьс, са - коэффициенты, зависящие от вида основы, связующего и материала декоративного слоя, а также от вида воздействия. Значение коэффициента с„ определяет исходную прочность декоративно-защитной плиты.

Изменение прочности декоративно-защитных плит при цикличном замораживании-оттаивании подчиняется зависимости:

о = аап2 + Ьап + с,

(4)

где п — количество циклов замораживания-оттаивания, шт.

Изменение твердости декоративного слоя после рассматриваемых атмосферных воздействий в большинстве случаев подчиняется зависимости, аналогичной зависимости (4).

При цикличном замораживании-оттаивании наблюдается падение прочности и твердости декоративного слоя, которое объясняется деструкцией материала при переходе жидкости из одного агрегатного состояния в другое с увеличением объема.

Декоративно-защитные плиты на основе ЦСП со связующим из полиэфирной и эпоксидной смол не выдержали четырех и восьми циклов замораживания-оттаивания соответственно, так как произошло отслоение декоративного слоя от основы. Следовательно, можно сделать вывод о низкой адгезионной прочности соединений «ЦСП - полиэфирная смола» и «ЦСП - эпоксидная смола».

При тепловом и ультрафиолетовом старении наблюдается увеличение начальной прочности вследствие дополнительной полимеризации термореактивной смолы. После завершения процесса полимеризации смолы прочность декоративно-защитных плит начинает падать.

Падение прочности декоративно-защитных плит и твердости декоративного слоя после теплового старения объясняется с позиции термофлук-туационной концепции. Кинетическая единица, находящаяся в потенциальной яме, колеблется около положения равновесия. Существует вероятность того, что в определенный момент времени она сможет преодолеть энергетический барьер. Следовательно, кинетическая единица потеряет свое местоположение, образовав в структуре материала дефект. При повышении температуры вероятность образования дефектов возрастает. Образование большого числа дефектов приводит к падению прочности и твердости.

Падение прочности декоративно-защитных плит и твердости декоративного слоя после ультрафиолетового старения обусловлено тем, что уровень УФ-радиации выше, чем уровень, при котором происходит разрушение химических связей в полимерных цепях. Таким образом, поглощенная энергия вызывает разрушение наиболее слабых химических связей. При этом образуются активные свободные радикалы, которые инициируют деструкцию полимера.

Изменение массы образцов после рассматриваемых атмосферных воздействий с учетом жизнедеятельности человека подчиняется зависимости:

М=а1п1 + Ь1п, (5)

где М - изменение массы декоративно-защитных плит после рассматриваемых циклов атмосферных воздействий, %;п — количество циклов атмосферных воздействий, шт.; аи Ь, - коэффициенты, зависящие от вида основы, связующего и материала декоративного слоя, а также от вида воздействия.

После циклов замораживания-оттаивания с учетом жизнедеятельности человека наблюдается увеличение массы образцов, которое связано с остаточной влажностью после сушки. После теплового и ультрафиолетового старения с учетом жизнедеятельности человека происходит уменьшение массы образцов, которое связано с выкрашиванием материала декоративного слоя под действием инородного тела.

Под эксплуатационной долговечностью понимается время, в течение которого декоративно-защитная плита под действием атмосферных факторов сохраняет функцию декоративности. Эксплуатационная долговечность является условной величиной, так как функция декоративности плиты определяется визуально и зависит от субъективного мнения эксперта. Методика определения эксплуатационной долговечности сводится к определению разницы между массой декоративно-защитной плиты с оптимальным расходом материала декоративного слоя на единицу площади и массой аналогичной декоративно-защитной плиты с минимально возможным с эстетичной точки зрения расходом материала декоративного слоя на единицу площади. Далее по полученным в работе зависимостям определяется время, в течение которого разница масс превысит расчетную.

На основании полученной информации об эксплуатационных характеристиках декоративно-защитных плит и о влиянии атмосферных факторов на твердость декоративного слоя и изменение массы от применения плит на основе ЦСП, ДСП и ДВП для фасадной отделки зданий рекомендуется отказаться. Причины отказа сведены в табл. 2.

Таблица 2

Причины отказа от основ декоративно-защитпых плит

Вид Вид связующего

основы Полиэфирная смола Эпоксидная смола

ЦСП Низкая адгезионная прочность соединения «ЦСП - полиэфирная смола» (соединение не выдержало 4 циклов замораживания-оттаивания) Низкая адгезионная прочность соединения «ЦСП - эпоксидная смола» (соединение не выдержало 8 циклов замораживания-оттаивания)

ДСП Высокие влажностные деформации (набухание за 24 ч до 30 %) Высокие влажностные деформации (набухание за 24 ч до 30 %)

ДВП Коробление плит при циклическом замачивании-высушивании Коробление плит при циклическом замачивании—высушивании

Рассматриваемые атмосферные воздействия не влияют на характер протекания процессов водопоглощения и набухания декоративно-защитных плит. Однако установлено, что с увеличением времени атмосферных воздействий скорость протекания процессов водопоглощения и набухания декоративно-защитных плит растет.

Дилатометрическая кривая декоративно-защитной плиты на основе фанеры со связующим из полиэфирной смолы и древесными опилками в качестве материала декоративного слоя после рассматриваемых атмосферных воздействий в диапазоне температур от 30 до 120 °С представляет собой ломаную линию, образованную тремя отрезками. Вид атмосферного воздействия и его продолжительность не оказывают влияния на характер дилатометрических кривых. Однако коэффициент линейного термического расширения после рассматриваемых атмосферных воздействий изменяется, что говорит о незначительных изменениях, происходящих в структуре материала.

Влияние жидких активных сред на свойства декоративно-защитных плит на основе фанеры рассмотрено на примере пресной и соленой воды, 10 %-ных растворов серной и соляной кислот, которые входят в состав кислотных дождей. Такой выбор жидких сред обусловлен тем, что существует вероятность эксплуатации плит в подобных условиях. Экспериментально установлено, что после воздействия рассматриваемых сред прочность декоративно-защитных плит на основе фанеры снижается. Падение происходит по логарифмической зависимости.

Наименьшее падение прочности декоративно-защитных плит наблюдается на седьмые сутки после воздействия пресной и соленой воды. Вода не является для данного материала химически агрессивной средой. Она только облегчает механическую деструкцию путем увеличения расстояния между макромолекулами.

Воздействие 10 %-ных растворов рассматриваемых кислот приводит к химической деструкции плиты. Воздействие 10 %-ных растворов серной и соляной кислот уже через сутки приводит к полному разрушению основы, т.е. наблюдается расслоение шпона фанеры. Следовательно, можно сделать вывод о том, что данные растворы кислот разрушают химическую связь в главной цепи макромолекулы. С увеличением концентрации кислоты скорость процесса химической деструкции возрастает.

После воздействия 10 %-ных растворов серной и соляной кислот декоративно-защитные плиты изменили свой цвет. Так декоративный слой и основа плиты после воздействия серной кислоты приобрели коричневый цвет, а после соляной кислоты — темно-желтый.

В пятой главе приведена экономическая обоснованность применения декоративно-защитных плит для защиты утеплителя и рассчитана прочностная долговечность плиты.

Учитывая, что прочность декоративно-защитных плит определяется прочностью основы, логично предположить, что долговечность рассматриваемых декоративно-защитных плит также будет определяться долговечностью основы. Если выдвинутая гипотеза подтвердится, то за долговечность декоративно-защитных плит можно будет принимать долговечность основы плиты. Поэтому константы в обобщенном уравнении

Журкова (6) определим только для двух декоративно-защитных плит: на основе фанеры, со связующим из полиэфирной и эпоксидной смол и материалом декоративного слоя - древесные опилки. Обобщенное уравнение Журкова имеет вид:

,ехр

Я

(6)

где т,„. и,о, у и Тт — физические константы материала: т,„ - период колебания кинетических единиц, с; (70 — максимальная энергия активации разрушения, кДж/моль; у — структурно-механическая константа, кДж/(моль-МПа); Тт — предельная температура существования твёрдого тела, К; Я — универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); т — долговечность, с; а — напряжение, МПа; Т- температура, К.

Для рассматриваемых декоративно-защитных плит в диапазоне температур от 20 до 60 °С получено семейство веерообразных прямых (рис. 4), сходящихся в точке (полюс). Полученные константы в обобщенном уравнении Журкова, позволяющие прогнозировать прочностную долговечность рассматриваемых плит, сведены в табл. 3. г с

4,5 4 3,5 3 2,5 2 1,5 1

0,5 0

*— 1

1 • / = 30

----- / = 40

• / = 50

■

•

■ к

о, МП

46

47

48

49

50

52

53

54

Рис. 4. Зависимость времени до разрушения декоративно-защитной плиты на основе фанеры со связующим из эпоксидной смолы и древесными опилками от напряжений при поперечном изгибе

Таблица 3

Константы в обобщенном уравнении Журкова

Материал То, С тт, К и0, кДж/моль у, кДж/(моль-МПа)

Фанера марки ФСФ 369 633 7

Декоративно-защитная плита на основе фанеры и связующим из: полиэфирной смолы эпоксидной смолы Ю-1 1,86-10 1 454,5 400 701 963 15,85 18,4

Определение констант в обобщенном уравнении Журкова графоаналитическим методом дает ряд неизбежных погрешностей, а учитывая близкие значения (табл. 3) полученных констант, можно утверждать, что выдвинутая гипотеза верна.

Экономическая обоснованность применения декоративно-защитных плит базируется на сравнении стоимости устройства финишной отделки жилого дома при использовании в качестве облицовки декоративно-защитных плит на основе фанеры, облицовочного кирпича, винилового сайдинга и керамогранита. В качестве примера рассмотрен кирпичный трехэтажный двухподъездный жилой дом с общей площадью фасадов 700 м2 и толщиной кирпичных стен 510 мм. Район предполагаемого строительства — город Тамбов. Стоимость облицовки фасада рассматриваемого дома декоративно-защитными плитами на основе фанеры составила 1222,2 тыс. р., облицовочным кирпичом - 1712,2 тыс. р., виниловым сайдингом - 747,6 тыс. р., керамогранитом - 1867,6 тыс. р.

Декоративно-защитные плиты на основе фанеры в качестве облицовки фасадов можно применять повсеместно, за исключением случаев, в которых плиты будут подвержены воздействию жидких агрессивных сред. Однако с учетом требований пожарной безопасности (на основании проведенных в работе исследований декоративно-защитные плиты на основе фанеры относятся к группе Г4 по горючести и В2 по воспламеняемости), внешнего вида плит, а также сложившихся приоритетов декоративно-защитные плиты на основе фанеры рекомендуется использовать при устройстве финишной отделки малоэтажных жилых зданий, вспомогательных построек, а также промышленных зданий категории Д по взрывопожарной и пожарной опасности. Прогнозируемая эксплуатационная долговечность декоративно-защитных плит на основе фанеры составляет не менее 15 лет.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Повышение требований по теплозащите зданий и сооружений привело к необходимости применения утеплителя при строительстве и реконструкции. На основании анализа трех основных схем утепления зданий установлено, что система утепления, при которой теплоизоляционный слой располагается снаружи здания, является оптимальной. Показано, что утеплитель необходимо защищать от неблагоприятных воздействий путем облицовки фасадов здания.

2. Исходя из физических представлений о работоспособности материала и требуемого комплекса предъявляемых к нему эксплуатационных свойств, предложены соответствующие исходные компоненты композиций и их сочетания для получения декоративно-защитных плит для фасадной отделки зданий.

3. Разработана технологическая схема изготовления декоративно-защитных плит, состоящая из четырех основных этапов. Приведены их

технологические параметры. Установлено, что расход на единицу площади керамзитового песка, древесных опилок и природного песка в 80 % (2,94 кг/м2 / 2,1 кг/м2), 60 % (0,251 кг/м2 / 0,083 кг/м2) и 40 % (0,276 кг/м2 / 0,152 кг/м2) соответственно от максимального является оптимальным при использовании в качестве связующего полиэфирной / эпоксидной смолы.

4. Экспериментально установлено, что прочность при поперечном изгибе декоративно-защитных плит определяется прочностью основы. Запас по прочности для Тамбовской области составит не менее 90, 85, 65 и 95 % для декоративно-защитных плит размерами 60x60 см на основе ЦСП, ДСП, ДВП и фанеры соответственно.

Экспериментально установлено, что эпоксидная смола создает с основой более прочное соединение, чем полиэфирная (в 1,1 - 1,4 раза в зависимости от вида основы).

Показано, что твердость декоративного слоя плиты является условной величиной, зависящей от многих факторов.

На основании исследования процессов водопоглощения и набухания оценены влажностные деформации декоративно-защитных плит.

На основе расчета дополнительных напряжений, возникающих в материале при отсутствии возможности свободного расширения при повышении температуры, доказано, что при монтаже декоративно-защитных плит необходимость устройства зазора отсутствует, так как дополнительные напряжения не превышают 1 МПа. Также установлено, что различие коэффициентов линейного термического расширения исходных материалов не приводит к разрушению комбинированного.

Установлено, что коэффициент теплопроводности и тепловое сопротивление декоративно-защитных плит определяются теплофизическими свойствами основы.

5. Исследовано влияние цикличного замораживания-оттаивания, теплового и ультрафиолетового старения на эксплуатационные характеристики декоративно-защитных плит. Выявлены зависимости изменения их прочности и массы, а также твердости декоративного слоя от вида и продолжительности атмосферного воздействия. Установлено, что при цикличном замораживании-оттаивании эксплуатационные характеристики декоративно-защитных плит снижаются вследствие деструкции основы материала при переходе жидкости из одного агрегатного состояния в другое. Также установлено, что после теплового и ультрафиолетового старения прочность плит на начальном этапе увеличивается в связи с дополнительной полимеризацией термореактивной смолы. После завершения процесса характеристики плит ухудшаются вследствие разрушения слабых химических связей в материале.

6. Экспериментально изучено влияние жидких агрессивных сред на структуру декоративно-защитных плит. Установлено, что пресная и соленая вода не разрушают химические связи в главной цепи макромолекулы.

Растворы соляной и серной кислот для декоративно-защитных плит на основе фанеры являются агрессивными средами, так как разрушают химическую связь в главной цепи макромолекулы. С увеличением концентрации кислоты скорость процесса химической деструкции возрастает.

7. С позиции термофлуктуационной концепции разрушения и деформирования твердых тел исследованы закономерности разрушения декоративно-защитных плит в диапазоне температур от +20 до +60 °С. Для плит на основе фанеры зависимость долговечности от температуры и напряжения имеет вид прямого пучка. На основе анализа полученных термофлуктуационных констант установлено, что долговечность декоративно-защитных плит определяется долговечностью их основы.

Предложена методика определения эксплуатационной долговечности декоративно-защитных плит. Прогнозируемая эксплуатационная долговечность плиты на основе фанеры составит не менее 15 лет.

8. На основании анализа стоимости и долговечности четырех вариантов финишной отделки фасадов здания доказана экономическая целесообразность применения декоративно-защитных плит для отделки фасадов.

9. На основании проведенных исследований для фасадной отделки зданий можно рекомендовать декоративно-защитные плиты на основе фанеры.

ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ОСНОВНЫХ ПУБЛИКАЦИЯХ

Публикации в ведущих рецензируемых изданиях

1. Ерофеев, А. В. Эксплуатационные характеристики декоративно-защитных плит покрытия зданий и сооружений / А. В. Ерофеев // ACADEMIA. Архитектура и строительство. - 2011. - № 3. - С. 112-113.

2. Ерофеев, А. В. Влияние агрессивных сред на прочность декоративных плит / А. В. Ерофеев, В. П. Ярцев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. — Тамбов, 2012. — №2(40).-С. 14-17.

3. Ерофеев, А. В. Влияние атмосферных воздействий на эксплуатационные свойства декоративной плиты / А. В. Ерофеев, В. П. Ярцев // Вестник Тамбовского государственного технического университета. — Тамбов, 2013. - Т. 19, № 1. - С. 181 - 185.

4. Ерофеев, А. В. Влияние атмосферных воздействий на твердость декоративных плит / А. В. Ерофеев // Вестник Череповецкого государственного университета. — 2013. - Т. 2, № 1(46). — С. 14 - 17.

5. Ерофеев, А. В. О рациональном использовании материала декоративного слоя при производстве защитных плит / А. В. Ерофеев, В. П. Ярцев // Интернет-вестник ВолгГАСУ. - Волгоград, 2013. - № 1. -http://vestnik.vgasu.ru.

6. Ерофеев, А. В. Влияние атмосферных воздействий на процессы водопоглощения и набухания декоративных плит / А. В. Ерофеев // Вестник гражданских инженеров. -2013. -№3(38). -С. 113- 116.

7. Ерофеев, А. В. Влияние атмосферных воздействий на прочность декоративных плит / А. В. Ерофеев, В. П. Ярцев // Вопросы современной науки и практики. Университет им. В. И. Вернадского. — Тамбов, 2014. — № 1(50).-С. 114-118.

Публикации в других изданиях

8. Ерофеев, А. В. Влияние теплового старения на коэффициент линейного термического расширения декоративных плит / А. В. Ерофеев,

B. П. Ярцев // Состояние современной строительной науки — 2012: сб. науч. тр. X Междунар. науч.-практ. интернет-конф. - Полтава, 2012. -

C. 151-153.

9. Ерофеев, А. В. О коэффициенте линейного термического расширения при сочетании органических строительных материалов / А. В. Ерофеев,

B. П. Ярцев // Бетон и железобетон в Украине. - 2011. — № 4. - С. 29 - 30.

10. Ерофеев, А. В. Технология изготовления декоративно-защитных плит покрытия / А. В. Ерофеев, В. П. Ярцев // Современные твердофазные технологии: теория, практика и инновационный менеджмент: материалы Ш Междунар. науч.-инновац. молодеж. конф. — Тамбов, 2011. — С. 79 — 81.

11. Ерофеев, А. В. Декоративные плиты. Новый вид облицовки / А. В. Ерофеев. - Германия LAP LAMBERT Academic Publishing, 2012. - 85 с.

12. Ярцев, В. П. Анализ рынка облицовочных фасадных материалов. Пути развития / В. П. Ярцев, А. В. Ерофеев // Вестник Центрального регионального отделения Российской академии архитектуры и строительных наук : материалы академических научных чтений «Проблемы развития регионов в свете концепции безопасности и живучести урбанизированных территорий». - Курск-Воронеж, 2013. - Вып. 12. - С. 196 - 203.

13. Ерофеев, А. В. Процессы водопоглощения и набухания декоративных плит / А. В. Ерофеев // Актуальные инновационные исследования: наука и практика : электронное научное издание. — Тамбов, 2013. — № 1. — http://www.actualresearch.ru/nn/2013_l/Article/arc/erofeev20131 .htm.

14. Ярцев, В. П. О целесообразности применения декоративных плит при дополнительном утеплении зданий / В. П. Ярцев, А. В. Ерофеев // Кровельные и изоляционные материалы. - Москва, 2013. - № 5. -

C. 32-34.

15. Ерофеев, А. В. О коэффициенте теплопроводности и тепловом сопротивлении декоративных плит / А. В. Ерофеев, Е. А. Овчаренко // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития : сб. науч. ст. молодых ученых, аспирантов и студентов. - Тамбов : Изд-во ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2014. - С. 295 - 298.

Подписано в печать 20.10.2014. Формат 60 х 84/16. 1,00 усл. печ. л. Тираж 100 экз. Заказ № 477

Издательско-полиграфический центр ФГБОУ ВПО «ТГТУ» 392000, г. Тамбов, ул. Советская, д. 106, к. 14 Тел./факс (4752) 63-81-08, 63-81-33. E-mail: izdatelstvo@admin.tstu.i