автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных свойств материалов слоистых ограждающих конструкций

БРЕСТСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

НИКИТИН Вадим Иванович

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ СВОЙСТВ МАТЕРИАЛОВ СЛОИСТЫХ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ

Специальность 05.23.05 - Строительные материалы и изделия

... . М

1 ^иссещция0;'

V; на соискгание ученой степени ^ - доктора технических наук

Брест-1998

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................................................5

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ...............................................12

2. ЗАКОНОМЕРНОСТИ РАСТЕКАНИЯ, ВСПЕНИВАНИЯ И ОТВЕРЖДЕНИЯ ЗАЛИВОЧНЫХ КОМПОЗИЦИЙ ПРИ ФОРМОВАНИИ ПЕНОПЛАСТОВ В ПОЛОСТИ ИЗДЕЛИЯ........................28

2.1. Общие положения..........................................................................28

2.2. Растекание полимерной композиции по твердой поверхности.......31

2.3. Вспенивание и отверждение заливочных композиций при формовании пенопластов в закрытых полостях изделий................47

3. РАЗРАБОТКА НАУЧНЫХ ОСНОВ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ И СНИЖЕНИЯ ОТКАЗОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ СЛОИСТЫХ ИЗДЕЛИЙ С УТЕПЛИТЕЛЕМ ИЗ ЗАЛИВОЧНЫХ ПЕНОПЛАСТОВ..............................................................................................58

3.1. Описание и постановка задачи, предварительной физический эксперимент....................................................................................58

3.2. Математическое описание процесса движения вспенивающихся полимеров в перфорированном инъекторе..........63

3.3. Вычислительный эксперимент и критические геометрические параметры перфорированных инъекторов......................................72

3.4. Инженерный расчет технологических параметров заливки полимерных композиций в полость панели по стендовому способу...........................................................................................83

3.5. Расчет технологических параметров непрерывной заливки полимерных композиций при производстве многослойных панелей...........................................................................................90

3.5.1.Литье композиции в полость панели с помощью осциллирующей головки................................................................91

3.5.2.Процесс литья композиции на нижнюю обшивку панели с помощью перфорированного инъектора.........................................93

3.5.3.0 заливочной технологии изготовления термопакета.....................98

3.6. Оценка усадочных и температурных напряжений в пенопласте

при производстве многослойных панелей....................................101

4. ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИЙ В УСЛОВИЯХ ВОЗДЕЙСТВИЯ СОЛЕЙ........117

4.1. Снижение эксплуатационной надежности и отказы ограждающих конструкций, подверженных воздействию солей..........................117

4.1.1.Состояние материалов ограждающих конструкций зданий

при воздействии солей..................................................................117

4.1.2.Отказы ограждающих конструкций в условиях солевого

воздействия и подходы к их устранению......................................129

4.2. Соли, их свойства и влияние на основные показатели материалов ограждений................................................................133

4.2.1.Некоторые свойства солей, накапливающихся в пористых материалах....................................................................................133

4.2.2.Влияние солей на сорбционные свойства пористых

материалов...................................................................................137

4.2.3.Влияние солей на паропроницаемость и влагопроводность материалов ограждений................................................................148

4.3. Теплопроводность материалов, подверженных воздействию

солей.............................................................................................151

4.3.1.Описание процесса теплопроводности пористых влаго- и

солесодержащих материалов........................................................151

4.3.2.Прогнозирование теплопроводности пористых влаго- и солесодержащих материалов на основе математического моделирования и вычислительного эксперимента........................160

5. МЕРОПРИЯТИЯ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НАДЕЖНОСТИ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ЗДАНИИЙ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ СОЛЕЙ И ОЦЕНКА ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ.................174

5.1. Обеспечение безотказности ограждающих конструкций

зданий в условиях интенсивного солевого воздействия...............174

5.1.1. Начальное резервирование эксплуатационных качеств

ограждающих конструкций и выбор типа защитных покрытий............174

5.1.2.Усталостная выносливость и долговечность лакокрасочных

покрытий......................................................................................180

5.2. Обеспечение эксплуатационных качеств монолитных стен из бетона с противоморозными добавками и пенопластовым утеплителем........................................................189

5.3. Восстановление эксплуатационных качеств ограждающих конструкций старинных зданий....................................................192

5.3.1,Обессоливание материалов ограждающих конструкций и

восстановление гидроизоляции....................................................192

5.3.2. Удельное электрическое сопротивление строительных

материалов...................................................................................203

5.3.3.0 беспечение долговечности наружных слоев

восстановленной поверхности ограждений старинных зданий.....209

5.3.4.Прогнозирование остаточной долговечности материалов

ограждений старинных зданий.....................................................223

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..............................................................................................237

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ..............................................243

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................................................264

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. Повышенные требования к теплоизолирующим показателям качества наружных ограждений существующих и вновь строящихся зданий вызывают необходимость использования эффективных теплоизоляционных материалов, способных в сочетании с другими материалами ограждений сохранять свои свойства в течение заданного промежутка времени в определенных условиях эксплуатации. Этим требованиям и прогрессивным тенденциям развития строительной технологии в наиболее полной мере отвечают слоистые ограждающие конструкции с утеплителем из заливочных пенопластов.

Однако данные обследований показывают, что несовершенная технология изготовления и неблагоприятные воздействия окружающей среды приводят к ухудшению показателей эксплуатационных свойств материалов слоистых ограждающих конструкций. Прежде всего, это относится к слою утеплителя из заливочных пенопластов, работающему в сложных температурно-влажностных условиях. В результате возникают различные отказы конструкций и не обеспечивается проектируемый уровень их надежности.

Проблема повышения и сохранения эксплуатационных свойств материалов указанных конструкций может быть решена на основе достаточно полного и точного описания закономерностей процессов формования отдельных слоев изделий, взаимодействия слоев между собой и с окружающей средой; корректных методов расчета технологических режимов и оборудования для их реализации; оценки изменения во времени основных эксплуатационных свойств материалов ограждений и своевременного восстановления утраченного уровня этих показателей.

Работа выполнена в соответствии с координационным планом проблемной комиссии 4.2 Национального комитета Рабочей группы социалистических стран, общесоюзной научно-технической программой 0.55.01 (задание

03.01.04.06Т и 03.03.04), межвузовской научно-технической программой КНП-2000 (задание 04.75 и 05.54).

Цель работы. Повышение эксплуатационных свойств материалов слоистых ограждающих конструкций с утеплителем из заливочных пенопластов.

Задачи исследований:

1. Разработка теоретических положений по повышению эксплуатационных свойств материалов слоистых ограждающих конструкций с утеплителем из заливочных пенопластов при их изготовлении и эксплуатации.

2. Разработка эффективной технологии производства слоистых изделий и способов сохранения и восстановления их эксплуатационных качеств.

Научная новизна.

Разработаны теоретические положения повышения эксплуатационных свойств материалов слоистых ограждающих конструкций с утеплителем из заливочных пенопластов путем уменьшения неоднородности формуемого пенопласта за счет согласования параметров технологического оборудования с зависящими от состава и температуры композиции кинетическими характеристиками процесса ее растекания и вспенивания в полости утепляемого изделия, позволяющего создать условия для направленного формирования ячеистой структуры пенопласта; прогнозирования и восстановления показателей основных эксплуатационных свойств материалов ограждений.

Получены зависимости параметров свободного растекания полимерных композиций по твердой поверхности от их массы, вязкости, плотности, поверхностного натяжения и краевого угла смачивания, позволяющие управлять распределением жидкой композиции в полости утепляемого изделия и выбирать оптимальные параметры заливочного оборудования.

Построено математическое описание процесса движения высоковязкой вспенивающейся полимерной композиции в перфорированном инъекторе и истечения из его отверстий ( установившееся и неустановившееся, с переменным расходом и напором), учитывающее заливаемый объем, вязкость, плотность и

время индукции композиции, плотность пенопласта, напор в смесительной головке заливочной машины и ее производительность, геометрические параметры инъектора (длину рабочей части, внутренний и наружный диаметры, угол наклона к горизонту, число выпускных отверстий и их диаметры) и позволяющее выбирать необходимые режимы процесса заливки композиции с высокой точностью.

Получены зависимости критических с точки зрения устойчивости процесса заливки геометрических параметров инъекторов от вязкости композиции и основных технических характеристик заливочного оборудования, а также формулы для оценки усадочных и температурных напряжений в пенопласте при производстве и эксплуатации слоистых конструкций, позволяющие оперативно выбирать эффективные технологические решения, обеспечивающие повышение эксплуатационных качеств изделий.

Получены кинетические характеристики процесса соленакопления в ограждающих конструкциях зданий калийных заводов. Установлено влияние солей на повышение сорбционного влагосодержания материалов ограждений.

Разработана математическая модель и программа для вычисления теплопроводности пористых влаго- и солесодержащих материалов с учетом диффузии паров воды в поровом пространстве. Установлено, что при одинаковом приращении объемной концентрации воды и соли теплопроводность пенопластов увеличивается значительно сильнее, чем традиционных стеновых материалов и проблема защиты слоистых ограждений с пенопластовым утеплителем от накопления влаги и солей является более острой.

Доказана осуществимость объемного обессоливания каменных конструкций в поле постоянного электрического тока малой плотности. Выявлены условия реализации этого процесса на кирпичных стенах и установлена зависимость удельного электрического сопротивления каменных материалов от их влажности, содержания и смесевого состава солей.

Установлена зависимость адгезии стыкуемых материалов при темпера-турно-влажностных воздействиях от засоленности и способа подготовки реставрируемой поверхности, типа и толщины восстанавливаемого слоя.

Предложены методы прогнозирования усталостной выносливости и долговечности трещиностойких лакокрасочных покрытий для защиты бетонной поверхности, а также остаточного срока службы материалов ограждений старинных зданий.

Практическое значение работы.

Разработана технология производства слоистых изделий с утеплителем из заливочных пенопластов, а также технология изготовления термопакета для стен строящихся и реконструируемых зданий.

Предложен способ объемного обессоливания и гидроизоляции каменных стен старинных зданий, а также способы повышения и сохранения эксплуатационных качеств ограждающих конструкций зданий, работающих в условиях солевого воздействия.

Предложены составы материалов для восстановления разрушенных поверхностей стен старинных зданий, увеличивающие межремонтные сроки.

Новизна и полезность подтверждены патентом, шестью авторскими свидетельствами и двумя положительными решениями на изобретение.

Результаты внедрения.

Результаты работы использованы на предприятиях корпорации «Мон-тажспецстрой» и ГПО «Мосметаллоконструкция» при изготовлении трехслойных панелей, а также институтом ГОСГОРХИМПРОЕКТ при проектировании стеновой панели.

Методы расчета режимов процесса заливки полимерных композиций и формования пенопласта при производстве слоистых конструкций изложены в учебном пособии «Математическое моделировании и ЭВМ». Полученные сорбционные характеристики стеновых материалов учтены в пособии в раз-

витие СНиП П-3-79** «Строительная теплотехника». Зависимости для прогнозирования усталостной выносливости и долговечности лакокрасочных покрытий на основе ХСПЭ отражены в «Пособии по защите от коррозии железобетонных конструкций лакокрасочными покрытиями (к СНиП 2.03.11-85 и СНиП 3.04.03-85)». Разработан реставрационный норматив «Обессоливание кирпичных стен памятников архитектуры в поле постоянного электрического тока», который опробован при удалении солей из ограждений памятника архитектуры XVII в.

Разработанные составы строительных растворов использованы при до-компоновке белого камня на ряде памятников архитектуры.

Результаты диссертационной работы используются в учебном процессе при чтении лекций и выполнении дипломных научно-исследовательских работ.

Апробация. Результаты рйботы докладывались на: ежегодных научно-технических конференциях Брестского политехнического института (19821998 г.г.), I Международном Совещании по проблеме 4 «Научные исследования в области реставрации памятников истории, культуры и музейных ценностей» (Москва, 1982г.), VI Всесоюзной конференции «Экспериментальные исследования инженерных сооружений» (Новополоцк, 1986г.), Московской городской научно-практической конференции «Технический прогресс и ускорение строительства» (1988г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Повышение качества и надежности продукции, программного обеспечения ЭВМ и технических средств обучения» (Куйбышев, 1989г.), Международной конференции «Проблемы прочности и снижения материалоемкости конструкций» (Люблин, 1992г.), Международной научно-технической конференции «Состояние и перспективы развития науки и подготовки инженеров высокой квалификации в Белорусской государственной политехнической академии» (Минск, 1995г.), Международной конференции «Податливые соединения в стальных конструкциях» (Белосток, 1997г.), На-

учно-методическом межвузовском семинаре «Перспективы развития новых технологий в строительстве и подготовке инженерных кадров Республики Беларусь» (Гомель, 1997г.), Международном научно-техническом семинаре «Реконструкция зданий, сооружений и транспортных объектов» (Брест, 1997 г.).

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, библиографического списка из 299 наименований и 3 приложений. Работа изложена на 269 страницах и включает 17 таблиц, 41 рисунок.

На защиту выносятся:

- теоретические положения повышения эксплуатационных свойств материалов слоистых ограждающих конструкций с утеплителем из заливочных пенопластов;

- математическое описание процесса движения в перфорированном инъекторе и в полости утепляемой конструкции высоковязких вспенивающихся полимерных композиций, имеющих различные химические и реологические характеристики;

- методы расчета параметров заливочного оборудования, технологических режимов и напряженно-деформированного состояния пенопласта при производстве слоистых изделий по периодическому и непрерывному способам;

- закономерности и математическое описание процесса сорбционного увлажнения материалов ограждений, содержащих соли и их смеси;

- зависимости и программная модель для расчета теплопроводности со-лесодержащих материалов;

- зависимости для оценки усталостной выносливости и долговечности лакокрасочных покрытий при защите бетонных поверхностей;

- основные закономерности способа объемного обессоливания и гидроизоляции материалов ограждений с помощью полей постоянного электриче-

ского тока;

- зависимости для оценки долговечности наружных слоев восстановленной поверхности и принципы прогнозирования остаточной долговечности материалов ограждений старинных зданий;

- результаты внедрения разработок.

ГЛАВА 1

СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

В соответствии с современной концепцией ресурсо- и энергосбережения при строительстве и эксплуатации зданий совершенствование ограждающих конструкций идет в направлении повышения уровня теплозащиты, герметичности, долговечности и технологичности изготовления. Причем проблема повышения теплоизолирующей способности ограждающих конструкций стоит наиболее остро /53, 83,87,237/.

Отмечается /152, 173/, что повышение теплозащитных свойств ограждающих конструкций вновь возводимых и эксплуатируемых зданий до требуемого уровня путем испол