автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Прогнозирование долговечности кровельных битумно-полимерных композитов

На правах рукописи

ДОЛЖЕНКОВА Марина Валентиновна

оЖфш

ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ КРОВЕЛЬНЫХ БИТУМНО-ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИТОВ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Воронеж 2005

Работа выполнена в Тамбовском государственном техническом университете

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Ярцев Виктор Петрович

Официальные оппоненты: советник РААСН,

доктор технических наук, профессор Корнеев Ачександр Дмитриевич

кандидат технических наук, доцент Еремин Владимир Георгиевич

Ведущая организация: ОАО «Тамбовгражданпроект», г.Тамбов

Защита состоится «23» декабря 2005 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул. ХХ-летия Октября, д. 84, ауд. 20, корпус 3.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке университета. Автореферат разослан «

2005 г

Учёный секретарь диссертационного совета

В.В. Власов

«ш

21*514$

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 термоактиваци-онной (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 битумно-полимерных кровельных материалов на различной основе в заданном интервале напряжений и температур при различных видах нагружен ия;

- 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 кровель-

ных композитов;

- изучение влияния климатических факторов на долговечность битум-но-полимерных кровельных композитов;

- разработка методики прогнозирования долговечности бипумно-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 факторов 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 «Тамбовстройп-роект», 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 У11-Х научных конференциях 11 IУ (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 бигумно-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 мате-

риала 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.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность проблемы; сформулированы цель и задачи исследований; основные положения, которые выносятся на защиту.

В нервов главе проведен анализ литературных данных по теме диссертации.

В строительстве битумы благодаря уникальным физико-химическим и механическим свойствам наибольшее распространение получили при производстве кровельных и гидроизоляционных материалов. Значительный вклад в развитие теоретических представлений о свойствах битумов и композитов на их основе внесли работы Бурмистрова Г.Н., Горшениной Г.И., Гуна Р.Б., Кисиной А.М., Колбановской A.C., Куценко В.Н., Михайлова Н.В., Печеного Б.Г., Розенталя ДА., Руденской И.Н., Руденского A.B., Рыбьева И.А, Сунгатовой З.О., Сюняева З.И., Хозина В.Г, Хойберга Дж. и др.

Для повышения эксплуатационных свойств битумов предложены различные способы модификации: совершенствованием технологии производства; физико-химической обработкой; введением активных добавок. В качестве добавок в кровельные битумы используют различные полимерные материалы. Такой способ модификации является наиболее распространенным.

В последние годы традиционные битумные кровельные материалы на основе картона (толь, рубероид, пергамин) вытесняются современными битумно-полимерными на основе стеклоткани, сгеклохолста, полиэфирного полотна (стекломает, линокром, бикрост, биполь, техноэласт и др.).

Рассмотрены основные эксплуатационные свойства (теплостойкость, гибкость, прочность, условное удлинение, водопоглощение) битумных кровельных материалов, а также их применение в городском и дачно-котгеджном строительстве. Более широкое применение битумных кровельных покрытий сдерживается отсутствием данных по долговечности, а,

следовательно, и надежности в эксплуатационных условиях. При устройстве кровельных покрытий расчетная долговечность с точки зрения экономической эффективности должна быть не менее 25 лет, а в ряде случаев достигать 100 лет. Это ставит задачу прогнозирования долговечности композиционных битумных материалов на требуемый срок по результатам кратковременных испытаний.

Описанные способы прогнозирования долговечности битумных кровельных и гидроизоляционных материалов основаны на изменении какого-либо одного эксплуатационного параметра и не дают достаточно надежного результата. В работах Ратнера С.Б., Ярцева В.П. и их учеников, начиная с 1970 года и по настоящее время, разрабатываются методы прогноза долговечности органических строительных материалов, основанные на тер-мофлуктуационной (кинетической) концепции разрушения и деформирования твердого тела. Фроловой М.К., Кисиной А.М. и Куценко В.Н. также сделана попытка использовать формулу Журкова С.Н. для прогноза долговечности полимербитумов. Однако, в чистом виде эта формула никогда не реализуется для органических материалов. При прогнозе долговечности указанные авторы не учитывали явление смещения полюса по оси абсцисс (температуры полюса) и ординат (времени полюса). Последнее для органических материалов всегда на много порядков выше, чем период колебания атомов в твердом теле (10'13 с).

Во второй главе приведена характеристика исследуемых материалов и описаны методические вопросы.

В качестве объектов исследования взяты битумные и битумно-полимерные кровельные материалы на различной основе (на картонной -рубероид, рубемаст; на полимерной и стекловолокнисгой - стекломаст, стеклобит, бикрост, биполь, линокром, техноэласг, унифлекс, ондулин, черепица битумная). Образцы вырубали на механическом прессе специальными ножами в разных зонах кровельного листа.

Для проведения длительных и кратковременных механических испытаний при разных видах нагружения (растяжении, срезе, сжатии и пенет-рации) использовали специальные много- и однопозиционные стенды и установки рычажного типа. Линейное термическое расширение кровельных материалов изучали с помощью оптического дилатометра.

Описана методика проведения испытаний после УФ-облучения, жидких агрессивных сред и циклических температурно-влажностных воздействий (замораживания-оттаивания, замачивания - высушивания).

Изложены методики проведения длительных механических испытаний, способы обработки экспериментальных результатов, определения физических и эмпирических констант при разрушении и деформировании; приведены формулы для расчета долговечности (прочностной и деформационной) и скорости деформации.

Все полученные экспериментальные данные подвергали статистиче-

ской обработке по программам «Konstanta exe», «Grafdifer exe», «Excel 2000», согласно ГОСТ 14359-69*.

При исследовании долговечности кровельных битумных композитов использована методика математического планирования эксперимента, разработанная Буниной Л О для блочных термопластов. Она позволяет получить необходимую информацию при минимальном количестве испытываемых образцов.

В третьей главе изучены закономерности разрушения и деформирования кровельных битумных композитов при разных видах нагружения (растяжении, срезе, сжатии и пенетрации) в широком диапазоне заданных постоянных напряжений и температур. Исследования основаны на кинетической (термофлуктуационный) концепции, возникновение и развитие которой обязано, в первую очередь, фундаментальным работам школ Журкова С H и Александрова А П. Эта концепция рассматривает тепловое движение атомов как решающий фактор процесса механического разрушения и деформирования.

Время до разрушения или заданной деформации (долговечность /) для ряда органических строительных материалов описывается обобщенной формулой Журкова-Александрова, физически обоснованной и экспериментально подтвержденной Ратнером С Б. и Ярцевым В.П.

YI

* = /мехр

RT

1-Л

А

J

(1)

где при разрушении /т=тя> при деформировании - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов); Пй - максимальная энергия активации разрушения (размягчения); у - структурно-механическая константа; Тт - предельная температура существования твёрдого тела (термостойкость или теплостойкость), а - напряжение, Г- температура, Я - универсальная газовая постоянная.

В этом случае экспериментальные результаты представляют собой семейство веерообразных прямых, сходящихся в полюс.

Для некоторых органических материалов формула (1) не реализуется. Зависимости принимают вид параллельных прямых или кривых линий описываемых уравнениями:

для первого случая t = tt ехр-^-ехр(- рсг) (2)

КТ

и для второго í = Ва т ехр-^- (3)

где и,и, В,т- эмпирические константы; /?- структурно-силовой фактор.

Наблюдаются также случаи обращения пучка прямых, когда зависимости образуют полюс не при малых, а при больших значениях долговечности. Для описания такой зависимости Ярцевым 8.П предложена формула

кг и М

(4)

где <Уо\ У и Тт' - эмпирические константы.

Концепция Журкова-Александрова о механизме разрушения и деформирования твердых тел и формулы (1)-(4) дают основу для прогнозирования долговечности битумно-полимерных кровель различного состава.

Для выявления закономерностей разрушения битумно-полимерных композитов при одноосном растяжении в режиме заданных постоянных напряжений и температуре 18±1 °С провели длительные испытания 14 видов кровель. Результаты показали, что временные зависимости прочности в полулогарифмических координатах при постоянной температуре для

4,(

2,(

> л

\

V >16

\

X

) ^

N

3 6 V 12

гч V

с_______ л

1ят[с] 5,5 5 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0

* V

«с

*

• V

5Й 1

8 12 16 а,МПа

Рисунок 1 - Зависимость долговечности при одноосном растяжении от напряжения и температуры (цифры у прямых, °С) для рубероида РКК-420А (а) и стекло-

маста (б).

рубероида, рубемаста, стекломаста, стеклобита, биполя, бикроста, ондули-на и битумной черепицы имеют линейный характер (1-я группа), а для ли-нокрома, унифлекса и техноэласта - нелинейный (2-я группа). Нелинейность указывает на нестабильность структуры кровельных материалов 2-ой группы под нагрузкой.

При вариации заданных постоянных температур зависимости для первой группы кровельных материалов образуют семейства прямых в координатах ^т—<т (рисунок 1). Веерообразные прямые могут сходиться в «прямой пучок» (рисунок 1 а) или «обратный» (рисунок 1 б).

Для определения констант, входящих в уравнения (1) и (4) зависимости перестроили в координаты 1§т-103/Г. Константы определили графоаналитическим способом по программе «Кот1ап1а». Их величины для кровельных материалов с разной основой и вяжущим приведены в таблице 1. Таблица 1 - Влияние вида нагрузки на физические и эмпирические кон-

Материал Вид нагрузки Констант

и0 (и0\ кДж/моль Г(Л кД»/ (МП ах моль) Т». (О, с Тт (О к

Рубероид РКК-420А Растяжение 90 14 10"1*2 400

Срез 90 40 10^ 434

Рубероид РПП-ЗООБ Растяжение 96 20 Ю-' 343

Рубемаст Растяжение 145 5,9 385

Стскломаст Растяжение 30 -8 263

Срез 30 -25 208

Черепица битумная Растяжение 35 -12 105-1 238

Срез 120 70 ю^5 387

Бикрост Растяжение 195 35 10"м 368

Для рубероида разных марок при одноосном растяжении величины констант и,о и т„ близки. Существенно различаются Тт - предельная температура существования твердого тела и у - структурно-механическая константа. Для битумных композитов Тт связана с температурой размягчения битума (перехода его в жидкое состояние). У рубемаста Г/0 увеличивается в 1,5 раза, /уменьшается в 2...3 раза, т„ повышается на порядок и Тт близка кровельному рубероиду. В комплексе такое поведение констант определяет существенный рост долговечности рубемаста по сравнению с рубероидом.

Для стекломаста и битумной черепицы при одноосном растяжении характер зависимости меняется, что, по-видимому, связано со стеклово-локнистой основой. Рассчитанные для них константы не имеют физиче-

ского смысла. Однако, для битумной черепицы у меньше, а Тт больше чем у стекломаста, что также определяет более высокую долговечность битумной черепицы и указывает на некую физическую основу эмпирических констант.

Влияние вида нагружения на константы, определяющие долговечность битумно-полимерной кровли изучали при одноосном растяжении и срезе для рубероида, стекломаста, стеклобита и битумной черепицы. Полученные зависимости для всех исследованных материалов имеют линейный характер и образуют семейства веерообразных прямых, сходящихся в одну точку («прямой» и «обратный пучок»). За исключение стекл обита, разрушение которого в широком интервале температур происходит по сложному механизму (рисунок 2).

Значения констант уравнений (1) и (4) при разных видах нагружения представлены в таблицах 1 и 2. Из таблицы 1 видно, что для рубероида и стекломаста величины и„ при растяжении и срезе совпадают, а у изменяются в одинаковое число раз (~3), что подтверждают результаты, полученные ранее Ярцевым В.П. с сотрудниками, при разрушении ряда органических строительных материалов. Величина тт при срезе на порядок больше; Тт для рубероида и стекломаста падает на 35.. .45 градусов.

Для битумной черепицы при изменении вида нагрузки меняется характер зависимости долговечности от напряжения и температуры, что, по-

видимому, связано с изменением структуры материала (?) в процессе испытания растяжением. Константы для битумной черепицы при растяжении близки стекломасту, а при срезе рубероиду-

Вид нагрузки Температурный интервал и* кДж/ моль и, кДж/ моль Г, кДж1 (молю МПа) А 1/МПа ^пъ С 7пъ К

-5°++18°С 236 - 56 - Ю0,6 307

Растяжение +18°-5- +50°С - 43,5 - 0,5 - -

+50°+ +60°С 288 - 56 - 10~°'6 341

+18° н- +30°С 209 - 54 - 326

Срез +30°-г+50°С - 25,1 - 0,73 - -

+50Ч+60°С 524 - 134 - Ю-М* 333

Зависимости долговечности от напряжения и обратной температуры при одноосном растяжении стеклобита (рисунок 2) могут быть разделены по температурным интервалам на три участка: 1 - от -5 до +18 °С, 2 - от +18 до +50 "С и 3 - от +50 до +60 °С. На первом и третьем участках зависимости описываются уравнением (1); на втором - уравнением (2). Аналогичные зависимости получены и при срезе. Таким образом, при прогнозе долговечности эксплуатационный интервал температур необходимо разбить на три области: хрупкого разрушения, хрупко-пластического и пластического. Наиболее предпочтительной является область хрупко-пластическопз разрушения В этой области структура максимально стабильна. Она не зависит от напряжения и температуры. Значения констант стекл обита представлены в таблице 2. Из таблицы видно, что в области хрупкого разрушения иа соответствует энергии активации разрыва химических связей стекловолокна. В области пластического разрушения Щ возрастает за счет вклада энергии адгезионного взаимодействия связующего и основы. При срезе в хрупкой и хрупко-пластической областях С/о и и падают, поскольку при этом виде нагружения не происходит проскальзывания стекловолокна в связующем и, следовательно, адгезионное взаимодействие не участвует в процессе разрушения.

При срезе структурный коэффициент Р увеличивается в 1,5 раза, а константа ув пластической области - в 2,5 раза, что соответствует результатам ранее полученным Ярцевым В.П. с сотрудниками. Предельная температура критического разрушения Тт соответствует в хрупкой области начальной температуре размягчения, а в пластической - температуре плавления.

Бигумно-полимерные кровли в ряде зданий в процессе эксплуатации практически не подвергаются длительным силовым воздействиям. Поэтому основным параметром определяющим их долговечность является тем-

пература, приводящая к тепловому старению материала. Процесс разрушения в отсутствии нагрузки (тепловое старение) можно описать уравнением

т = гмехр

ЯТ

"и» А

(5)

где Е,~и9 - максимальная энергия активации термохимической деструкции

Физико-химические константы (хт и Тт), входящие в уравнение (5) аналогичны и равны константам уравнения (1). Из уравнения (5) видно, что тепловое старение определяется в основном химической природой материала. Влияние физической структуры проявляется в изменении констант ти и Тт.

Время теплового старения можно определить из схемы, представленной на рисунке 3. Для её построения необходимо минимум при трех постоянных температурах (Гь Т2, Т3) и трех напряжениях (оь ст2> а3) определить время до разрушения исследуемого материала при любом простом

Рисунок 3 - Схема построения линии теплового старения битумной кровли, процесс разрушения которой описывается уравнением (1)

виде нагружения (растяжении или срезе битумной кровли). Полученные при температурах Гь Тъ Т3 линейные зависимости экстраполируем на ось

ординат (при о=0). Точки пересечения с осью дают нам время теплового старения при заданных температурах испытания.

Для прогноза времени теплового старения битумных кровель в широком интервале температур зависимости в координатах ^т-о необходимо перестроить в координаты ^т-10 3/Т (рисунок 3 б). Константы тт, и0, Тт определяют графоаналитическим способом по программе «Копз1а1йа». Зная величину ий- строим «линию теплового старения», по которой при любой заданной температуре можно определить предельное время эксплуатации битумной кровли.

Процесс разрушения кровельных материалов с нестабильной структурой описывается формулами (2), (3) и (4). Для них по аналогичной схеме также можно построить «линии теплового старения».

При эксплуатации битумно-полимерные кровельные материалы могут воспринимать длительные сжимающие и контактные нагрузки, приводящие к деформации и нарушению целостности покрытия. В связи с этим были изучены закономерности деформирования кровельных битумных композитных материалов сжатием и пенетрацией в режиме заданных постоянных напряжений и температур. При сжатии фиксировали время достижения заданной деформации (5, 10, 15 и 20 %). Полученные зависимости 1§|9 - ст и - 103/Т для всех уровней деформации имеют линейный характер и описываются уравнением (1) Значения физических констант для стекломаста представлены в таблице 3. Из таблицы видно, что с ростом деформации С/0 и у падают, а 0„ и Т„ меняются экстремально. По-видимому деформация 10% является переходной от эластической к пластической (необратимой).

Таблица 3 - Значения физических констант при сжатии стекломаста

Величина относительной деформации, % Величины констант

е„,с Тт, К Оо, кДж/моль У, кДж/ (мольМПа)

5 Ю"1'25 355 462 660

10 388 220 259

15 Ю-*6 379 186 205

20 379 156 176

При пенетрации в качестве индентора использовали стальной шарик 0 10мм и стальной конус с углом в вершине 65°. Пример зависимостей скорости деформирования битумных кровельных материалов при пенетрации представлен на рисунке 4. Аналогичные зависимости получены для других кровельных материалов (ондулина, бикроста, унифлекса, биполя и линокрома)

Графоаналитическим дифференцированием по программе «СггаГсййег» построены зависимости в координатах 1§у0-Ю3/Т (ув- на-

чальная скорость). Для всех исследуемых материалов они имеют линейный характер, образуя «прямой пучок» (рисунок 4 в), описываемый уравнением

и оэ~ГдМ(1_ Т

КГ

I

(6)

где V - скорость деформирования, мм/с; у0т - предельная начальная скорость, мм/с; и0д - максимальная энергия активации деформирования; у» ~ структурно-механическая константа, Ттд - температура размягчения; N -усилие вдавливания при пенетрации.

я)

7 8 9Ь, мм

В)

-2,5

-0,5 -1

-1,5

-2

1яУ0( {мм/с]

3.0

103

.150 и по

"50 Н

К-1

Рисунок 4 - Определение физических констант кровли техноэласга при длительной пенетрации инден-тором-конусом (при 30 °С):

а) зависимость глубины внедрения

от времени;

б) скорости внедрения от глубины;

в)начальной скорости пенетрации от обратной температуры

Для всех зависимостей по программе Котйа1йа определены величины констант уравнения (б).

Результаты показали, что форма контертела на константы оказывает существенно меньшее влияние, чем вид кровельного материала.

Зная величины констант, для всех исследованных материалов по формуле (6) можно рассчитать значения скоростей пенетрации в широком диапазоне на1рузок и температур.

В четвертой главе рассмотрено влияние физико-химических и климатических факторов на долговечность бигумно-полимерных композитов.

Исследовано влияние УФ-облучения на кратковременные и длительные механические характеристики битумных кровель. Установлено, что для бикроста, стекломаста и стеклобита прочность после 12-ти часов облучения лампами ПРК падает на 20...25 %, после 100 часов облучения приближается к исходной. Таким образом, УФ-облучение экстремально влияет на прочность кровельных материалов, что, по-видимому, связано с физико-химическими процессами, протекающими при их фотодеструкции.

Длительные испытания при температуре 18±1 °С проводили при одноосном растяжении и срезе после 108 часов облучения. Результаты показали, что облучение не влияет на долговечность стеклобита, снижает её у бикроста и, по-разному, проявляется у стекломаста - ниже напряжения 1,75 МПа долговечность падает, а выше растет. Последнее, по-видимому, связано с комбинацией процессов фото- и механодеструкции в данном кровельном материале Для бикроста при одноосном растяжении получены зависимости lgx-o при вариации заданных постоянных температур Величины констант U0 и /после облучения существенно возрастают. Это указывает на изменение кинетики механохимической деструкции, приводящей к разрушению физической структуры В результате на 30 градусов снижается температура размягчения (Тт) и увеличивается период колебания кинетических единиц (т„) за счет их укрупнения (образования ассо-циатов), что ранее наблюдалось Ярцевым В.П. для термопластов. Величина предельной прочности ат= Щу после облучения бикроста падает на 15 %.

Влияние жидких агрессивных сред на прочность и долговечность битумной кровли изучали на примере рубероида РПП-300Б и бикроста. Прочность рубероида в воде и масле вначале падает, а после 70 часов выдержки начинает расти; в бензине, наоборот, в течение суток растет, а затем линейно падает во времени. Оценку долговечности проводили после выдержки бикроста в течение 1, 3 и 18 часов в машинном масле. Установлено, что после контакта с машинным маслом характер зависимости не меняется, но долговечность резко падает и далее не зависит от времени выдержки. Влияние агрессивной среды при прогнозировании долговечности можно учесть введением эмпирических поправок.

Циклические температурно-влажностные воздействия проводили в режимах замораживания-оттаивания и замачивания-высушивания. Результаты кратковременных испытаний показали снижение прочности порядка 15... 20 % после 70 циклов воздействия.

При длительных испытаниях после 70 циклов долговечность падает, но зависимости 1§т-о при комнатной температуре сохраняют линейный характер, что позволило определить поправки, учитывающие влияние климатических воздействий.

Для оценки адгезионной прочности проведена серия испытаний методом неравномерного отрыва битумных композитов от бетона, кирпича, стали, цемента о-стружечной плиты и древесины. Показано, что адгезионная прочность битумных кровель определяется в основном связующим.

Термическое расширение битума и кровельных битумных композитов происходит по разному. Чистый битум при нагревании до 50 °С достигает начальной температуры размягчения, на участке от 50 до 75 °С температурного расширения не происходит и весь материал переходит в пластическое состояние На участке свыше 75 °С полностью размягченный битум уже с большей скоростью расширяется с увеличением температуры. Для девяти исследованных кровельных материалов характер зависимости одинаков: с ростом температуры происходит непрерывное увеличение длины образцов. При этом скорость увеличения, отражающая коэффициент термического расширения для разных материалов различна и с ростом температуры падает. По-видимому, в кровельных битумных композитах непрерывное термическое расширение определяется удлинением твердой основы. Наличие основы приводит к увеличению коэффициента термического расширения в 1Д... 7 раз.

В пятой главе даны практические рекомендации и приведена методика определения долговечности битумно-полимерных кровельных материалов.

Качество битумной кровли можно оценить значениями физико-механических характеристик При этом разброс полученных значений никак не учитывается, хотя эта величина является основной характеристикой однородности материала. При отработке оптимального технологического режима производства битумной кровли, а также для периодического его контроля целесообразно использовать показатель «разброс значений прочности или времени до критического деформирования и разрушения образца». Для этого строятся кривые распределения по прочности или долговечности, которые для всех исследованных кровельных материалов носят нормальный характер. Чем выше степень однородности материала, тем более узким должен бьгть пик кривой нормального распределения Поэтому для оценки качества битумной кровли целесообразно нормировать площадь под кривой.

По формулам (1) - (4) выполнен расчет долговечности исследованных материалов при заданных значениях основных эксплуатационных параметров (напряжения и температуры) в условиях воздействия внешних физико-химических и климатических факторов. Построены диаграммы, по-

зволяющие прогнозировать долговечность в широком диапазоне нагрузок и температур.

Полученные результаты подтвердили надежность и точность методики прогнозирования долговечности битумно-полимерных кровельных композитов, основанной на положениях термофлуктуационной концепции разрушения и деформирования.

Разработан экспресс метод прогнозирования долговечности битумных кровель Он учитывает, что в процессе эксплуатации нагрузка и температура не постоянны. Они колеблются суточно и сезонно, а нагрузка еще и в периоды техобслуживания и ремонта кровли. Переменность нагрузок и температур можно учесть с помощью принципа Бейли

'' Л *' Л

(7)

где ^ - время потери несущей способности по первой группе предельных состояний, Г, и о, - постоянные температура и напряжение эквивалентные суммарному действию переменных температур и напряжений в рассмат-

Рисунок 5 - Схема определения потенциального срока службы битумных кровель. Тер л - среднемесячная температура июля, Тф 3 - среднемесячная температура января, среднегодовая температура.

риваемый период эксплуатации.

Суточные и сезонные колебания температур учитываются поправками, определенными экспериментально. Для этого в режиме заданных постоянных напряжений длительные испытания проводятся на открытом воздухе. Одновременно учитываются колебания влажности и действие УФ-облучения. Периоды испытания принимаются равными часу, суткам, неделе, месяцу, кварталу и году (рисунок 5). Испытания можно провести в лабораторных условиях при средних температурах июля и января.

Из рисунка 5 видно, что в полученных в течение года зависимостях 1/2 составляют часовые и 2/3 суточные экспериментальные результаты. Это позволяет с большой достоверностью при прогнозе долговечности ограничиться экспресс- испытаниями в течение 1 часа или 1 суток в самом холодном и теплом месяцах года.

При определении долговечности необходимо учитывать загибы на прямых 1§т-о в объеме малых напряжений связанных с рекомбинацией разорванных тепловым движением химических связей. Существует пороговое напряжение (о^) ниже которого скорость рекомбинации близка скорости разрыва.

Расчет долговечности рекомендуется согласно математическому эквиваленту нагрузки - МЭН выполнять при о=0,5 МПа. Из экспериментальных результатов для биполя при среднегодовой температуре Т^г, она составит около 35 лет. С учетом колебаний температуры и влажности 35/1,5 - более 23 лет. Для переноса полученных результатов в другие климатические районы используем уравнения (1)-(4), в которые подставляем стэ и среднюю годовую температуру района строительства.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1 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.

2 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.

3 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 де-

лятся 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.

4 Впервые предложен графоаналитический способ расчета времени теплового старения битумной кровли. Для этого необходимо определить величину максимальной энергии активации разрушения 1/ц при простом виде нагружения и построить «линию теплового старения», по которой при любой заданной температуре можно определить предельное время эксплуатации битумной кровли.

5 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 ГТРК 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-влажносгных 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-влажноспше воздействия.

8 Установлено, что адгезионная прочность битумных кровель определяется в основном связующим. Показано, что введение в битум жесткой основы приводит к существенному увеличению коэффициента термического расширения: для б шумных композитов различного состава в 1,2. .7 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.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ярцев, В.П. Закономерности разрушения мягких кровельных материалов на битумной основе / В.ПЛрцев, М.В.Горюшинская // VII научная конференция ТГТУ: Пленарные доклады и тезисы стендовых докладов. -Тамбов, 2002. - С. 80-81. Лично автором выполнена 1 с.

2. Гурова, Е.В. Определение долговечности композиционного материала на основе битума / Е.В.Гурова, В.П.Ярцев, М.В.Горюшинская // Эффективные строительные конструкции. Теория и практика: Сб. ст. международной научно-технической конференции. - Пенза, 2002. - С. 154-158. Лично автором выполнено 2 с.

3. Долженкова, М.В. Влияние состава на коэффициент линейного термического расширения кровельных битумных композитов / МВ.Долженкова , Е.В.Гурова, В.П.Ярцев // Прогрессивные технологии развития' Сборник научных статей по материалам международной научно-технической конференции - Тамбов, 2004 - С. 236-237 Лично автором выполнено 0,7 с.

4 Ярцев, В.П. Влияние эксплуатационных факторов на долговечность кровельных битумных материалов / В.ПЛрцев , М В Долженкова // Вестник ТГТУ - Тамбов, 2004. - Т 10. - № 4Б. - С 1088-1093. Лично автором выполнено 3 с.

5 Долженкова, М. В. Прогнозирование долговечности битумных кровельных материалов / МВ.Долженкова ,В.П Ярцев // Жилищное строительство. - М., 2005. - №1. - С. 9 Лично автором выполнено 0,5 с.

6. Долженкова, М.В. Экспресс-метод прогнозирования долговечности кровельных битумных материалов / МВ.Долженкова, ВЛЛрцев // Актуальные проблемы современного строительства Строительные материалы и конструкции- Материалы международной научно-технической конференции. - Пенза: ПГУАС, 2005. - С. 119-124. Лично автором выполнено 3 с.

7 Долженкова, М.В. Адгезионная прочность соединений битумной кровли с конструкциями покрытия / М В Долженкова, Е.В.Гурова, ВП.Ярцев // Труды ТГТУ: Сборник научных статей молодых ученых и студентов - Тамбов, 2005 -Вып.17 - С 179-180. Лично автором выполнено 0,7 с.

8 Долженкова, М.В. Влияние вяжущего и основы на долговечность мягких кровельных материалов // X научная конференция: Пленарные доклады и краткие тезисы - Тамбов: ТГТУ, 2005. - С. 132-133. Лично автором выполнено 2 с.

9 Ярцев, В.П. Определение предельного времени теплового старения битумной кровли / ВЛЛрцев, М.В Долженкова // Актуальные проблемы в строительстве и архитектуре Образование Наука Практика Материалы

62-й Всероссийской научно-технической конференции. - Самара: СГАСУ, 2005. - Часть 1. - С. 287-289. Лично автором выполнено 1,5 с.

10.Ярцев, В.П. Влияние структуры на закономерности разрушения (долговечность) битумных кровельных композитов / В.ПЛрцев, М.В. Долженкова // Надежность и долговечность строительных материалов, конструкций и оснований фундаментов. Материалы IV Международной научно-технической конференции, - Волгоград: ВолгГАСУ, 2005. -Часть1. - С. 125-129. Лично автором выполнено 2,5 с.

11 .Ярцев, В.П. Влияние жидких агрессивных сред на механические характеристики битумных кровель / В.ПЯрцев, Е.В.Гурова, М.В. Долженкова // Проблемы и достижения строительного материаловедения. Сборник докладов Международной научно-практической интернет-конференции. - Белгород. Издательство БГТУ им В Г Шухова, 2005. - С. 275-276 Лично автором выполнено 0,7 с.

12.Ярцев, В.П. Влияние циклических температурно-влажностных воздействий на механические характеристики битумной кровли. / В.П. Ярцев, М.В.Долженкова // Проблемы и достижения строительного материаловедения. Сборник докладов Международной научно-практической интернет-конференции. - Белгород: Издательство БГТУ им ВГ.Шухова, 2005. - С. 277-278. Лично автором выполнено 1 с.

13.Ярцев, В.П. Влияние вида нагружения на долговечность кровельных битумных композитов ! В.ПЛрцев, М.В.Долженкова // Композиционные строительные материалы. Теория и практика. Сборник статей международной научно-технической конференции. - Пенза, 2005. - С. 245-248. Лично автором выполнено 2 с.

14.Ярцев, В.П. Влияние температуры и нагрузки на закономерности разрушения и долговечность битумно-полимерной кровли марки «стекло-бит»/ В.П_Ярцев, М.В. Долженкова , HB. Грачева // Композиционные строительные материалы. Теория и практика. Сборник статей международной научно-технической конференции. - Пенза, 2005. - С. 251-255. Лично автором выполнено 1,7 с.

15.Ярцев, В.П. Закономерности деформирования кровельных битум-но-полимерных композитов при пенетрации / В.ПЯрцев, М.В.Долженкова // Сборник материалов VI Международной научно-техн. конф. «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии». - Тула, 2005. -С. 76-77. Лично автором выполнена 1 с.

16. Ярцев, В.П. Оценка качества битумной кровли по изменению прочностных и деформационных характеристик / В.П Ярцев, М.В. Долженкова // Кровельные и изоляционные материалы. - Москва, 2005.- № 3. - С. 66-67. Лично автором выполнено 1 с.

17.Гурова, RB. Испытание битумных кровельных материалов: лабораторные работы / Е.В.Гурова, М.В .Долженкова, В ПЯрцев //Тамбов: Изд-во Тамб. гос техн. ун-та, 2005. 16 с. Лично автором выполнено 5 с.

(

I

-I

Отпечатано ПБОЮЛ Першиной Т.В. Тамбов, Советская, 24, а/я №7. Подписано в печать 03.11.2005. Заказ № 031105-01. Печать трафаретная. Бумага офсетная. Гарнитура Times. Формат 60x90/16. Объем 1,5 усл.печ.л. Тираж 100 экз.

?5 767

РНБ Русский фонд

2006-4 30081

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---------------------------

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.

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.

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