автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Развитие теории и практики повышения стойкости антикоррозионных покрытий и металлических строительных конструкций



Президиум ВАК Минобрнауки России (решение от » ^ 20р/г. № решил выдать диплом ДОКТОРА _/^/есс^ наук

Начальник отдела ур у

/б'7>

НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ И ПРОЕКТНЫЙ ИНСТИТУТ СТРОИТЕЛЬНЫХ МАТЕРИАЛОВ ЗАО «НИИСТРОМПРОЕКТ»

На правах рукописи УДК 624.014.2:691.72.025.4 ^ /0 ^^ __1

АБСИМЕТОВ ВЛАДИМИР ЭСКЕНДЕРОВИЧ

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПОВЫШЕНИЯ СТОЙКОСТИ АНТИКОРРОЗИОННЫХ ПОКРЫТИИ и МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИИ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия 05.23.01 - Строительные конструкции, здания и сооружения

ДИССЕРТАЦИЯ соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант Академик МИАиИА РК Почетный член Российской академии архитектуры и строительных наук, д-р техн.наук, профессор Т.Ж.Жунусов

Республика Казахстан Алматы 2002

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ.......................5

ВВЕДЕНИЕ...............................................................................................................

1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ........................13

1.1 Основные факторы повышения стойкости металлических строительных конструкций........................................................................13

1.2 Научно-технический анализ исследований стойкости металлических строительных конструкций...........................................................15

1.2.1 Основные положения теории коррозии металлов.........................15

1.2.2 Обзор работ по исследованию коррозии металлов под напряжением......................................................................................24

1.2.3 Анализ исследований по защите металлов от коррозии полимерными покрытиями ...,..........................................................31

1.2.4 Технологические факторы обеспечения стойкости металлических строительных конструкций.............................................43

1.2.5 Выводы по разделу 1........................................................................54

1.3 Постановка целей и задач...........................................................................57

1.3.1 Цель и задачи работы....................................................................... 57

1.3.2 Рабочая гипотеза...............................................................................57

2 О КОНЦЕПЦИИ ТРЕХКОМПОНЕНТНОЙ СИСТЕМЫ МЕТАЛЛ-ПОКРЫТИЕ-СРЕДА......................................................................60

2.1 Равновесия на межфазной границе металл-покрытие в присутствии проникающей среды.........................................................................60

2.2 Кинетика превращений на межфазных границах гетеросистем

в проникающих средах...............................................................................70

2.2.1 Физическое взаимодействие агрессивных веществ с межфазной границей металл-покрытие..........................................74

2.2.2 Химическое (электрохимическое) взаимодействие агрессивных веществ с межфазной'границей металл-покрытие..........75

2.3 Предложения по единой классификации видов превращений...............76

2.4 Выводы по разделу 2...................................................................................84

3 РАЗРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ........................86

3.1 Сырьевая база Казахстана для производства средств антикоррозионной защиты.....................................................................................86

3.2 Исследования физико-технологических свойств лакокрасочных материалов с применением отходов и побочных продуктов промышленности.........................................................................................89

3.3 Способы подготовки поверхности металлических строительных конструкций при восстановлении защитных покрытий...............111

3.3.1 Механические способы...................................................................112

3.3.2 Термический способ.......................................................................113

3.3.3 Химические способы......................................................................113

3.3.4 Подготовка поверхности под окраску без удаления ржавчины..................................................................................................117

3.4 Научные основы метода механохимической стабилизации продуктов коррозии на поверхностях металлических строительных конструкций...............................................................................................121

3.5 Принципы подбора компонентов полимерных ингибированных ремонтных составов (ПИРС)....................................................................134

3.6 Исследование физико-технологических свойств полимерных ингибированных ремонтных составов....................................................146

3.6.1 Влияние соотношения компонентов наполненных антикоррозионных составов на физико-механические свойства покрытий из них.........................................................................146

3.6.2 Сравнительные испытания наполненных антикоррозионных составов в агрессивных средах..............................................151

3.6.3 Влияние неорганических ингибиторов коррозии на свойства ненаполненных антикоррозионных материалов и покрытий на их основе...................................................................164

3.6.4 Исследование свойств полимерных ингибированных ремонтных составов (ПИРС) и покрытий из них............................170

3.7 Технологические схемы производства и применения материалов защитных покрытий...........................................................................176

3.7.1 Технологические схемы производства материалов защитных покрытий...........................................................................176

3.7.2 Технологические схемы применения материалов защитных покрытий при ремонте и восстановлении антикоррозионной защиты металлоконструкций в условиях действующих производств......................................................................180

3.8 Выводы по разделу 3.................................................................................188

4 СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ СВАРНЫХ ДВУТАВРОВЫХ ПРОФИЛЕЙ..........................................191

4.1 Экспериментально-теоретические йсследования сварных двутавровых профилей с рациональным размещением вспомогательных элементов....................................................................................191

4.2 Технико-экономический анализ рассмотренных конструктивных решений и предложения по проектированию и изготовлению сварных балок повышенной технологичности и коррозионной стойкости........................................................................................201

«

4.3 Усовершенствование метода испытаний элементов металлических строительных конструкций на коррозионную усталость............204

4.4 Результаты сравнительных испытаний образцов с различными типами защитных покрытий на коррозионную усталость....................209

4.5 Развитие метода расчета усталостного ресурса сварных подкрановых балок с учетом воздействия агрессивных сред....................219

4.6 Выводы по разделу 4................................................................................ 221

5 ОПЫТ ВНЕДРЕНИЯ АНТИКОРРОЗИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОРРОЗИОННОСТОЙКИХ

МЕТАЛЛИЧЕСКИХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ......................223

5.1 Опыт внедрения разработанных антикоррозионных материалов.......223

5.1.1 Опытно-производственные работы на Карагандинском металлургическом комбинате........................................................223

5.1.2 Опыт внедрения разработанных материалов и технологий

на предприятиях строительной индустрии..................................237

5.1.3 Внедрение в технологию противокоррозионной защиты разработанных материалов и методов производства работ

на зарубежных предприятиях........................................................242

5.2 Опыт внедрения коррозионностойких металлических строительных конструкций................................................................................247

5.3 Технико-экономический анализ результатов внедрения......................252

5.4 Предложения по технологии реновации строительных конструкций.................................................................................................. 255

5.4.1 Понятие о реновации строительных конструкций......................255

5.4.2 Технология реновации строительных конструкций....................256

5.5 Выводы по разделу 5.................................................................................258

ЗАКЛЮЧЕНИЕ....................................................................................................260

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ..........................................264

ПРИЛОЖЕНИЯ...................л............97«

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ И УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

АВ - агрессивные вещества

ЛКМ - лакокрасочные материалы

ЛКП - лакокрасочное покрытие

М-П-С - трехфазная система металл-полимер-среда

МФГ - межфазная граница

МХСПК - механохимическая стабилизация продуктов коррозии

ПИРС - полимерный ингибированный ремонтный состав

УППМ - универсальная передвижная противокоррозионная мастерская

На рентгенограммах:

а - гетит a-FeOOH

Р - акаганеит /?-FeOOH ,

7 - лепидокрокит ^-FeOOH

М - магнетит Fe304

Fe - феррит a-Fe

Г - гематит a-Fe203

В - вюстит FeO

Кц - кальцит СаСОз

Кв - кварц C£-Si02 f

Q - сомольникит FeS04 • Н20

С4 - розенит FeS04 • 4Н20

Су - мелантерит FeS04 • 7Н20

Гп - гипс CaS04 • 2Н20

п - пигменты лакокрасочных материалов

rtg - дифрактограмма

t

ВВЕДЕНИЕ

В Программе научно-технологического развития промышленности Республики Казахстан отмечено, что реализация топливно-сырьевой модели развития промышленности страны не решает проблемы выхода Республики Казахстан из экономических трудностей, особенно в периоды мировых финансовых кризисов, и, как отметил Президент РК Н.А. Назарбаев, необходимо уделять самое серьезное внимание развитию обрабатывающей промышленности. Такое развитие возможно только на основе разработки и внедрения в производство современных и постоянно обновляемых технологий и материалов, способных обеспечить конкурентоспособность отечественной продукции на основе реализации научно-технологических разработок промышленной направленности. В современных условиях только государства, располагающие развитой научно-технологической сферой, могут занять достойную нишу на мировом рынке, стимулировать инновационную деятельность и обеспечить рост благосостояния населения.

Одним из приоритетных направлений прикладных исследований вышеназванной программы является создание и опытно-промышленное освоение производства строительных материалов и конструкций с использованием местного сырья и промышленных отходов, конкурентоспособных в условиях открытой экономики.

Кроме того, ставится задача по решению комплексной проблемы сохранения основных фондов, затрагивающая все отрасли промышленности РК.

В практике современной строительной индустрии стальные строительные конструкции, наряду с железобетонными, находят наиболее массовое применение. Значительная часть таких конструкций работает в условиях сложного напряженного состояния при воздействии активных природных и технологических сред, вызывающих необратимые физико-химические изменения свойств материалов. Указанные изменения происходят вследствие коррозионных, сорбционных, эрозионных, радиационных, усталостных и других процессов, а также их комплексного воздействия, и приводят к потере несущей способности конструкций.

В таких условиях надежность стальных строительных конструкций определяется стойкостью материалов, т.е. его сопротивляемостью воздействию активных сред и внешних силовых нагрузок, с учетом изменения исходных свойств в процессе изготовления конструкций и их эксплуатации. Если воздействия от внешних нагрузок воспринимаются материалом самой конструкции, форма и размеры которой определяются расчетом по законам строительной механики и сопротивления материалов, то воздействия агрессивных сред воспринимаются материалом противокоррозионных покрытий, свойства которых должны обеспечивать защитную функцию в течение расчетного периода эксплуатации.

В настоящее время в качестве антикоррозионных наибольшее распространение получили лакокрасочные материалы на основе полимеров различных видов. Широкое использование защитных покрытий на полимерной ос-

нове обусловлено их невысокой стоимостью, технологичностью нанесения и высокой ремонтопригодностью. Номенклатура этих материалов достаточно обширна, однако их выбор и применение далеко не всегда научно обоснованы. Как показывает анализ научной литературы, объективно это обусловлено многокомпонентностью системы металл-защитное покрытие, многогранностью физико-химических процессов и воздействием различных факторов на поведение этой системы в проникающих средах, недостаточной изученностью отдельных стадий и процессов, их взаимовлияние. Вместе с тем, в практике проектирования и эксплуатации защитных покрытий стальных строительных конструкций нередко допускаются необоснованные решения по субъективным причинам. К ним следует отнести:

- отсутствие соответствующих материалов для защитных покрытий;

- большие трудности, а иногда и невозможность, выполнения требований нормативных документов; t

- недобросовестность исполнителей при подготовке поверхностей конструкций и при нанесении защитных покрытий (подмена технологии создания защитного покрытия технологией простого окрашивания);

- превышение расчетных показателей агрессивности технологических сред при эксплуатации неисправного оборудования и ряд других.

В связи с этим все большую актуальность приобретает проблема целенаправленного создания новых антикоррозионных полимерных композиций путем научно-обоснованного управления технологическими и эксплуатационными свойствами защитных покрытий в условиях агрессивного воздействия технологических сред и действующих на защищаемую конструкцию механических нагрузок.

Крайне важны научно-обоснованные рекомендации по выбору и применению средств повышения стойкости стальных строительных конструкций, при проведении ремонтных, восстановительных и реновационных мероприятий в настоящее время, когда десятки предприятий длительное время или не эксплуатировались, или, из-за недостатка оборотных средств, эксплуатировались с грубыми нарушениями технологии эксплуатации, в том числе и защитных покрытий.

Особо актуальна эта проблема в Казахстане, где практически отсутствует индустрия лакокрасочных и антикоррозионных материалов. Вместе с тем, в номенклатуру сырьевых ресурсов республики входит ряд основных и побочных продуктов и отходов производств, физико-химические свойства которых и комплексное их использование позволяют создавать достаточно широкий спектр материалов для антикоррозионной защиты стальных строительных конструкций.

В развитие современных представлений о механизмах защитного действия покрытий на основе синтетических полимеров внесли существенный вклад такие ученые, как Бахвалов Г.Т., Вайт M.JI, Верхоланцев В.В., Войтович В.А., Вольберг Ю.Л., Габриэли К., Говерс К.Р., Елисаветский A.M., Жигалова К.А., Заврашина В.И., Карякина М.И., Каргин В.А., Кинлох А.Д., Ко-

лотыркин Я.М., Кукурс О., Лобанов Ю.Е., Мартин Д., Михайловский Ю.Н., Муров В.А., Ненахов С.А., Пьянкова В.Л., Рейбман А.И., Розенфельд И.Л., Рубинштейн Ф.И., Сатори Ö., Санжаровский А.Т., Такахачи М., Улит Г.Г., Фиговский О.Л., Хартли P.A., Хаас О., Цикерман Л.Я., Четвильд X., Шиго-рин В.Г., Штерензон А.Л., Яковлев А.Д. и др.

Основные положения коррозии металлов под напряжением были выдвинуты и обоснованы в трудах Е. Дикса, И. Ленгмюра, Г. Улига, О. Кокса, О. Стеклова, Ф. Ожогина, И. Василенко, Ю. Вольберга, А. Кикина и др.

Анализ научно-технической литературы, собственного производственного опыта и критическая оценка свойств применяемых в настоящее время материалов для защиты от коррозии стальных строительных конструкций показал, что наиболее перспективными должны быть полимерные композиции на основе кристаллических и пространственно-сшитых аморфных пленкообра-зователей, не имеющих активных функциональных групп и обладающих высокой стойкостью к старению. Такие композиции должны содержать ингибиторы (пассиваторы) коррозии, а их структура - обеспечивать диффузию молекул ингибиторов в первые мгновения после нанесения покрытия на поверхность защищаемого металла. Кроме того, покрытия на такой основе должны обладать высокой^ и стабильной адгезией и водовытесняющими свойствами, хорошо пропитывать имеющиеся на металле слои ржавчины.

Работа выполнена в соответствии с планом научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ Минчермета СССР, планом научно-исследовательских работ Минхимпрома СССР, заданиями отраслевых научно-исследовательских программ Госстроя Казахстана при координации и участии в этих исследованиях ЦНИИСК им. В.А. Кучеренко, МИСИ им. В.В. Куйбышева и Карагандинского политехнического института (приложение Л). В 1995-2002 гг. экспериментально-теоретические и внедренческие работы выполнялись в Алмг&инском научно-исследовательском и проектном институте строительных материалов ЗАО «НИИстромпроект» в соответствии с государственной научно-технической программой ГНТП 0.14.01.04 «Стройпро-гресс-2000».

Цель и задачи работы

Целью данной диссертационной работы является развитие теории и практики повышения стойкости антикоррозионных покрытий и металлических строительных конструкций, »работающих в условиях сложного напряженного состояния при воздействии активных технологических и природных сред, с учетом изменения их свойств в процессе изготовления и эксплуатации конструкции, а также обеспечение более широкого применения металлических конструкций повышенной коррозионной стойкости и антикоррозионных защитных материалов, разработанных на основе сырьевых ресурсов, отходов и побочных продуктов промышленности Республики Казахстан.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить ряд задач, основными из которых явилис�