автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Разработка и исследование модифицированных фурфуролацетоновых окрасочных гидроизоляционных материалов

ВВЕДЕНИЕ.

1. ОКРАСОЧНЫЕ ПОЛИМЕРНЫЕ И ПОЛИМЕРБИТУМНЫЕ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫЕ СОСТАВЫ НА ОСНОВЕ ТЕРМОРЕАКТИВНЫХ СМОЛ И СПОСОШ ИХ НАНЕСЕНИЯ.

2. ХАРАКТЕРИСТИКА ОБЪЕКТОВ И МЕТОДОВ ИССЛЩОВАНИЯ

2.1. Объекты исследования.

2.2. Приборы и методы исследования.

2.3. Разработка прибора и методики испытаний кинетики объемной усадки.

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНО-ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЧНОСТНЫХ И УСАДОЧНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК "ЧИСТЫХ" И ГАЗОНАПОЛНЕННЫХ ФУРШУРОЛАЦЕГОНОВЫХ ПОЛИМЕРОВ

3.1. Усадочные деформации фурфуролацетонового полимера

3.2. Газонаполнение полимера двуокисью углерода и определение основных его параметров.

3.2.1. Газонаполнение полимера

3.2.2. Основные параметры газонаполнения полимера.

3.3. Физико-механические свойства газонаполненного полимера

3.4. Исследование внутренних напряжений газонаполненных полимеров.

3.5. Газонаполнение и модификация фурфуролацетонового полимера резиновой крошкой

4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУРФУР0ЛАЦЕТ0Н0-ТИ0К0Л0В0Г0 ГИДРОИЗОЛЯЦИОННОГО СОСТАВА.

4.1. Свойства полимера пластифицированного тиоколом.

4.2. Наполненная фурфуролацетоно-тиоколовая мастика.

4.3.'-Структурные исследования безусадочной фурфуролаце-тоно-тиоколовой мастики.

4.3.1. Электронно-микроскопические исследования.

4.3.2. Термографические исследования

4.4. Эксплуатационные свойства разработанной фурфурол-ацетоно-тиоколовой мастики.

4.4.1. Водонепроницаемоееь гидроизоляционного материала

4.4.2. Морозостойкость полимерного материала.

4.4.3. Атмосферостойкость полимерного материала.

4.4.4. Водоустойчивость полимерного изоляционного материала

4.4.5. Химическая стойкость полимерной мастики

4.4.6. Долговечность полимерной мастики. III

5. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ФУРФУРОЛАЦЕТОНО-БИТУМНЫХ

ОКРАСОЧНЫХ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.

5.1. Оптимизация и исследование фурфурояацетоно-битум-ной композиции симплексным методом математического планирования экспериментов.

5.2. Проектирование и исследование горячих фурфурол-ацетоно-битумных мастик.

5.3. Исследование основных защитных и эксплуатационных свойств полимербитумных защитных композиций

5.3.1. Водонепроницаемость гидроизоляционных материалов

5.3.2. Атмосферостойкость полимербитумных гидроизоляционных материалов.

5.3.3. Водоустойчивость гидроизоляционных полимербитумных композиций.

5.3.4. Химическая стойкость гидроизоляционных материалов

5.3.5. Долговечность полимербитумных гидроизоляционных материалов.

6. ОШТ ПРИМЕНЕНИЯ РАЗРАБОТАННЫХ ГИДРОИЗОЛЯЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И РАСЧЕТ ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ

6.1. Опыт применения разработанных материалов

6.2. Расчет экономической эффективности разработанных материалов'.

ВЫВОДЫ.

Возрастающий объем гражданского, промышленного и гидротехнического строительства требует высоких темпов производства изоляционных материалов. Развитие, интенсификация технологических процессов и химизация производств приводит к существенному возрастанию воздействия агрессивных сред на строительные конструкции и сооружения. Для удовлетворения потребности в гидроизоляционных материалах и повышения надежности изоляции конструкций необходимо повышать их качество и в первую очередь - долговечность /1-4/. Основной причиной недостаточной долговечности многих конструкций и зданий является низкое качество защитных покрытий /5-7/. Интенсивному старению подвергаются бетонные и железобетонные конструкции фундаментов и стен химических предприятий, разрушающиеся как под воздействием агрессивных грунтовых вод, так и от промышленных выбросов. В выбросах предприятий содержится еще значительное количество газов, образующих агрессивную жидкость при воздействии их с атмосферной влагой. Йце более сильному разрушению подвержены конструкции очистных сооружений, работающих в условиях значительной концентрации различных агрессивных сред. Для нормальной эксплуатации этих сооружений необходима надежная защита их гидроизоляционными покрытиями. Гидроизоляция указанных объектов выполняется окрасочным, оклеечным и торкретным способами из асфальтовых и минеральных материалов / 8, 9 /. Оклеечные и торкретные виды гидроизоляции трудоемки, дороги и имеют низкую производительность производства работ. В связи с этим окрасочная гидроизоляция находит все большее применение, неимеющая указанных недостатков. Однако, она недолговечна при использовании традиционных асфальтовых и битумных материалов, имеет ограниченную область применения и не может быть исподьзована для рассматриваемых сооружений, работающих в агрессивных средах. Наиболее перспективными материалами для окрасочной гидроизоляции указанных объектов являются полимербитумные и полимерные, имеющие сравнительно высокий уровень физико-механических повазателей, обладающие достаточно хорошей стойкостью к агрессивным средам и повышенной долговечностью /4,10,11/. В настоящее время полимербитумные и полимерные материалы получили значительное применение в гидроизоляции и, вероятно, за ними будущее.

В десятой и одиннадцатой пятилетках расширился и значительно увеличился выпуск синтетических смол и пластмасс, и в 1985 года объем их достигнет 6,0.~.6,25 млн.тонн в год, что несомненно щхи-ведет к увеличению цроизводства полимерных гидроизоляционных материалов. В последние годы получили применение, в качестве изоляционных композиций, термореактивные смолы, имеющие высокую прочность, химическую стойкость и технологичность? эти изоляционные материалы имеют повышенный срок службы и хорошие эксплуатационные свойства, что позволяет их использовать в качестве окрасочной гидроизоляции /1,11,12/. Однако, термореактивные смолы имеют повышенную хрупкость и жесткость, требуют пластификации, а также имеют значительную объемную усадку и внутреннее напряжение, вынуждающие применять специальные меры для обеспечения трещиностой-кости защитных податий /13/. Кроме того, они дефицитны и дороги, особенно, эпоксидные и полиэфирные.

К числу химически стойких и в то же время недефицитных полимеров можно отнести фурановые, которые при соответствующих модификациях могут стать наиболее перспективными материалами для защиты от агрессивных воздействий строительных конструкций«

Актуальность исследования. Потребность в полимерных химически стойких защитных окрасочных материалах непрерывно возрастает, изыскание и применение для этих целей менее дефицитных и относительно дешевых фурфуролацетоновых мономеров представляется актуальной задачей. Объем исследований в этом направлении и практический опыт исследования композиций в строительстве еще далеко недостаточны.

Цель и задачи работы. Разработка высокоэффективных холодных безусадочных модифицированных фурфуролацетоновых окрасочных гидроизоляционных материалов с малым внутренним напряжением и горячих эластичных при отрицательной температуре и теплоустойчивых поли-мербитумных мастик для защиты конструкций химических предприятий и очистных сооружений от агрессивных сред.

Задачи работы состояли в :

- исследовании физико-механических и усадочных свойств фур-фуролацетонового полимера;

- разработке усовершенствованного прибора для исследования объемной усадки и жизнеспособности отверждаемых термореактивных полимеров;

- газонаполнении полимера углекислым газом посредством введения в мономер тонкодисперсного порошка карбоната кальция для ликвидации объемной усадки и снижения внутреннего напряжения;

- пластификации фуранового полимера тиоколом и битумом, а также в наполнении полимера дешевыми местными материалами;

- оптимизации холодных безусадочных пластифицированных полимерных композиций с малым внутренним напряжением;

- разработке эффективных горячих фурфуролацетоно-битумных мастик с низкой температурой хрупкости;

- исследовании физико-механических и эксплуатационных свойств разработанных гидроизоляционных материалов;

- создании эжекционной установки с раздельной подачей отвер-дителя и мономера для механизированного приготовления и нанесения разработанных холодных композиций.

Научная новизна. Применен новый метод газонаполнения фурано-вого полимера двуокисью углерода, основанный на химическом взаимодействии между отвердателем (бензодсульфокислотой) и газообразующим агентом (карбонатом кальция), позволяющий разработать безусадочные окрасочные материалы с малым внутренним напряжением. Оптимизированы эластичные, безусадочные, химически стойкие и тре-щиностойкие фурфуролацетоно-тиоколовый и фурфуролацетоно-битумные материалы. Разработан усовершенствованный прибор "усадкомер" для испытания кинетики объемной усадки модифицированных отвервдаемых термореактивных полимеров, позволяющий также повысить точность исследований и определить жизнеспособность полимерных композиций. Предложена эффективная экекционная установка с раздельной подачей мономера и отвердителя в сопле-распылителе для приготовления и нанесения на изолируемую поверхность двух- и трехкомпонентных отверждаемых полимерных окрасочных материалов. Новизна технических решений, положенных в основу исследований, защищены авторскими свидетельствами № 939113, № 1044971.

Практическая полезность. Разработанные безусадочные модифицированные фурфуролацетоновые материалы были применены в качестве окрасочной гидроизоляции конструкций и сооружений на нескольких объектах г.Казани, работающих в условиях воздействия агрессивных сред (кислотных и щелочных), фурфуролацетоно-тиоколовая мастика внедрялась на Казанском химкомбинате им.М.Вахитова для изоляции насосной станции по перекачке жировых соединений. Для внедрения этой мастики разработана "Временная инструкция" по ее приготовлению и применению для защиты инженерных сооружений, работающих в агрессивных средах. Фурфуролацетоно-битумные материалы внедрены в Производственном Управлении "Водоканал" Казгорисполкома и Управлении Подводно-технических Работ треста "Гидроспецстроя" (Минмонтажспецстроя). Холодная полимербитумная композиция применялась для ремонта гидроизоляции очистных сооружений, а горячие мастики - для устройства новых и ремонта старых гидроизоляций фундаментов и стен подвалов, а также кровли цехов химического предприятия. Экономическая эффективность от внедрения разработанных материалов составила более 90 тыс.рублей. В результате применения фурфуролацетоновых окрасочных материалов повышается долговечность защитного покрытия - межремонтный срок эксплуатации резервуаров повышается в 2 раза и составляет 25 лет цри использовании фурфуролапетоно-тиоколовой мастики. Возрастает цроизводитель-улучшаются ность труда' й^словия производства работ изолировщиков за счет применения предложенной механизированной установки.

Автор защищает результаты исследования по :

- разработке нового метода газонаполнения фуранового полимера углекислым газом посредством введения в мономер тонкодисперсного порошка карбоната кальция для ликвидации объемной усадки и снижения внутреннего напряжения;

- пластификации фуранового полимера тиоколом и битумами и наполнению его дешевыми местными материалами;

- оптимизации холодных безусадочных пластифицированных полимерных материалов с малым внутренним напряжением;

- структурным цревращениям холодной полимерной мастики в процессе проектирования;

- проектированию как холодных, так и горячих фурфуролацетоно-битумных материалов;

- определению физико-механических и эксплуатационных свойств разработанных окрасочных гидроизоляционных материалов;

- разработке усовершенствованного прибора для исследования кинетики объемной усадки отвергаемых термореактивных полимеров;

- разработке технологии приготовления и нанесения холодных окрасочных материалов на основе термореактивных смол предложенной эжекционной установкой. +

Автор выражает благодарность руководству кафедр технологии и механизации строительства Казанского инженерно-строительного института и технологии производства строительных конструкций и строительства Саратовского ордена Трудового Красного Знамени политехнического института за предоставленные условия для проведения исследования и сотрудникам этих коллективов за интерес к работе и участие в обсуждении ее результатов.

ВЫВОДЫ

1. Установлено, что фурфуролацетоновый полимер тлеет значит тельную объемную усадку (до 8 %) и внутренние напряжения (до 3,2 МПа). Интенсивное возрастание внутренних напряжений происходит в первые 7 суток, а за этот период полимер набирает при температуре 18-20 °С лишь 45-50 % проектной прочности, что делает его уязвимым в гидроизоляционных покрытиях с точки зрения появления усадочных микротрещин. Оптимальным содержанием отвердителя (БОК) является 15 масс.ч. на 100 масс.ч. мономера ФАМ.

2. Разработан новый прибор "усадкомер" для исследования усадочных явлений модифицированных отверждаемых полимерных композиций. Этот прибор универсальный и позволяет определить кинетику объемной усадки и жизнеспособность отверждающихся материалов.

3. В целях улучшения качества гидроизоляционных материалов из фурановых смол, предложен и исследован новый эффективный метод газонаполнения полимера углекислым газом посредством введения в мономер 0,5 масс.ч. мелкодисперсного порошка карбоната кальция для ликвидации объемной усадки. Безусадочный газонаполненный полимер имеет прочностные свойства на 20-40 % больше, а внутренние напряжения на 45-50 % меньше, чем "чистый" полимер. Для объяснения этих особенностей предложена гипотеза о релаксационном взаимодействии сил внутреннего напряжения полимера и давления газов COg в его порах. При введении мела 0,6-1,0 масс.ч. на 100 масс.ч. мономера полимер становится расширяющимся.

4. Эффективной добавкой полимера является резиновая крошка из отходов производства резино-технических изделий, содержащая в качестве наполнителя мел. Это комплексное соединение придает полимерной композиции газонаполняющее и пластифицирующее действие. Полимер становится безусадочным при количестве резиновой крошки

2 масс.ч. на 100 масс.ч. олигомера ФШ.

5. Исследована пластификация фурфуролацетонового полимера тиоколом и наполнение его песком. Пластификация полимера тиоколом целесообразна при сшивке каучука вулканизатором (пастой В 9). Наполнение полимера эффективно песком фракцией 0,25 мм и менее.

6. Структурными исследованиями установлено глобулярное строение полимер-тиоколовой композиции. Размеры глобул сополимера тиокола в структуре фурфуролацетонового полимера составляют от 160 до 200 нм, а расстояние между ними 804-160 нанометр. В структуре пластифицированного полимера выявлены сдвиговые полосы деформации, свидетельствующие о разрушении старых химических связей между надмолекулярными структурами, перегруппировке структурных элементов и образовании более крупных упорядоченных и ориентированных макромолекул полимера.

7. Оптимизированная безусадочная фурфуролацетоно-тиоколовая мастика имеет высокие физико-механические и эксплуатационные свойства: относительное удлинение - 5,1 %, адгезия к бетону 3,08 МПа, ударная вязкость - 3,7 кДж/м^, водонепроницаемость -1,2-1,5 МПа, коэффициент атмосферостойкости за I год - 0,82, коэффициент водоустойчивости за 12 месяцев - 0,93, коэффициент хим-стойкости 0,92-5-0,98. Долговечность полимерной мастики в агрессивных средах составляет не менее 25 лет. Повышенный срок службы разработанного гидроизоляционного материала является, вероятно, результатом снижения его внутреннего напряжения. Установлено,что полимерная мастика имеет высокую термостойкость, потеря массы начинается при температуре 150 °С и заметно увеличивается при Т=250 °С.

8. Выявлено, что битум в чистом виде свыше 5 масс.ч. неудовлетворительно совмещается с мономером и является плохим пластификатором фурфуролацетонового полимера. Поэтому в качестве дешевого и доступного пластификатора полимера предложена битумная смесь (битум+нефть). Нефть хорошо растворяет битум, способствует хорошему совмещению битума с мономером ФШ и, являясь комплексным органическим соединением, придает полимеру пластические свойства.

9. Оптимизирована симплексным методом математического планирования эксперимента холодная безусадочная фурфуролацетоно-битумная композиция, которая имеет высокие физико-механические и эксплуатационные свойства: разрушающее напряжение при растяжении-2,69 МПа, относительное уд;шнение - 6,5 %, адгезия к бетону -1,2 МПа, водонепроницаемость - 1,1 МПа, коэффициент атмосферо-стойкости за I год - 0,71, коэффициент химической стойкости (по эластичности) за 45 суток - 0,79-0,84, срок службы -не менее 15 лет.

10. Разработаны дешевые горячие фурфуролацетоно-битумные мастики, наполненные как пиритными огарками, так и песком, имеющие низкую температуру хрупкости (-18+22 °С), значительную доктиль-ность (10-12 см), теплостойкость (68-78 °С) и малое водопоглоще-ние (0,081 %). Полимербитумные мастики долговечны (срок службы не менее 12-15 лет), стойки к атмосферным и химическим воздействиям - коэффициенты атмосферо- и химстойкости не ниже 0,7-0,85,-они могут быть использованы в качестве окрасочной гидроизоляции конструкций I и П группы трещиностойкости в I и 2 климатических районах страны.

11. Предложена и внедрена принципиально новая механизированная установка с эжекционной подачей наполнителя и с раздельной подачей отвердителя и мономера в сопле-распылителе для приготовления и нанесения холодных гидроизоляционных материалов на основе термореактивных смол. Эта установка значительно повышает производительность труда и условия производства работ изолировщиков.

12. Разработанные гидроизоляционные материалы всесторонне исследовались в лабораторных условиях и прошли производственную апробацию для устройства и ремонта гидроизоляции конструкций химического предприятия и очистных сооружений в г.Казани. Практическое применение составило более 79 тыс.м2 гидроизоляции, что позволило получить общий экономический эффект в сумме около 91 тыс.рублей.

1. Попченко С.Н. Гидроизоляция сооружений и зданий. J1.: Строй-издат, 1981.

2. Мощанский H.A. Повышение стойкости строительных материалови конструкций, работающих в условиях агрессивных сред. М.: Стройиздат, 1962.

3. Рыбьев И.А. Технология гидроизоляционных материалов. М.:1. Высшая школа, 1964.

4. Горшенина Г.И., Михайлов Н.В. Полимер-битумные изоляционныематериалы. М.: Недра, 1967.

5. Дороненков И.М. Защита промышленных зданий и сооружений откоррозии в химических производствах. М.: Химия, 1969.

6. Балалаев Г.А. Защита строительных конструкций и аппаратурыот коррозии. М.: Госстройиздат, I960.

7. Артамонов B.C. Защита от коррозии транспортных железобетонных конструкций. М.: Транс же лдориз дат, 1961.

8. Попченко С.Н. Справочник по гидроизоляции сооружений. Л.:1. Стройиздат, 1975.

9. Попченко С.Н., Старицкий М.Г. Асфальтовые гидроизоляции бетонных и железобетонных сооружений. М.-Л.: Госэнергоиз-дат, 1962.

10. Стабников Н.В. АсфальтБполимерные материалы для гидроизоляции промышленных и гидротехнических сооружений. Л.: Стройиздат, 1975.

11. Мощанский H.A., Путляев И.Е., Пучнина Е.А., Уварова И.Б.,

12. Хорькова М.А. Химически стойкие мастики, замазки и бетоны на основе термореактивных смол. М.: Стройиздат, 1968.

13. Нечаев Г.А., Федотов Е.Д. Применение пластических масс длягидроизоляции зданий. Л.-М.: Стройиздат, 1963.

14. НИИЖБ. Мастики, полимербетоны и полимерсиликаты./В.В.Патуроев и И.Е.Путляев. М.: Стройиздат, 1975.

15. Завражин H.H. Производство кровельных, гидроизоляционныхработ и устройство полов. М.: Стройиздат, 1975.15