автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Защита конструктивных элементов покрытий зданий листопрокатного производства и установление их межремонтных сроков службы

На правах рукописи

005010260

ПАПИН Игорь Васильевич

ЗАЩИТА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ ЛИСТОПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА И УСТАНОВЛЕНИЕ ИХ МЕЖРЕМОНТНЫХ СРОКОВ СЛУЖБЫ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград-2012

005010260

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

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Корнеев Александр Дмитриевич

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук, профессор Ерофеев Владимир Трофимович кандидат технических наук, доцент Пушкарская Ольга Юрьевна

ФГБОУ В ПО «Белгородский государственный технологический университет» им. В.Г. Шухова

Защита состоится «29» февраля 2012 г. в і£00 в ауд. Б-203 на заседании диссертационного совета Д 212.026.04 при ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая, Г

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Автореферат разослан «25~» О \ 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Проблемы повышения долговечности зданий и сооружений в условиях рыночной экономики являются весьма актуальными, поскольку здания изнашиваются быстрее там, где не выделяются средства на нормальную техническую эксплуатацию, а таких зданий становится все больше и больше как в промышленности, так и в коммунальном хозяйстве.

Необходимость разработки теоретических основ эксплуатационной надежности зданий вызывается целым рядом обстоятельств.

Во-первых, изучению строительных материалов в условиях эксплуатации до сих пор не уделяется должного внимания. Сроки службы элементов зданий, определяются нормативными документами весьма ориентировочно. Это объясняется прежде всего тем, что анализ отказов конструкций в течение длительного времени эксплуатации сопряжен с изучением большого количества факторов, комплексное исследование которых затруднено из-за длительности времени эксплуатации.

Во-вторых, ускоренный износ конструкций зданий ведет к сокращению межремонтных сроков службы, что в свою очередь приводит к повышенным затратам на эксплуатацию.

В-третьих, знание закономерностей увеличения износов конструкций во времени необходимо для правильного определения сроков замены или ремонта элементов зданий. Несоответствие фактических сроков службы нормативным требует дальнейших исследований эксплуатационной надежности зданий.

До сих пор не уделяется должного внимания вопросу комплексной оценки технического состояния объектов промышленного строительства, включающей физический и моральный износ. В существовавших до сего времени нормах СНиП, РД Ростехнадзора РФ срок службы зданий, их отдельных элементов конструкций не регламентируется или варьируются весьма широко.

При проектировании и эксплуатации зданий постоянно приходится решать вопросы, связанные с долговечностью основных конструкций зданий. Излишняя долговечность строительных элементов, как в новом строительстве, так и при ремонтах зданий будет связана с удорожанием строительства и реконструкции, а недостаточная долговечность - с удорожанием эксплуатации зданий.

Назревает необходимость создания комплексной технологии позволяющей по результатам визуального и инструментального обследования здания устанавливать закономерности увеличения износов конструкций покрытия производственных зданий листопрокатного производства во времени, для правильного определения сроков замены или ремонта элементов покрытия зданий.

Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью создания инструмента, позволяющего анализировать причины, приводящие к

увеличению эксплуатационных расходов и ускорению износа, как для существующих, так и для проектируемых зданий. Решение вышеприведенных проблем из-за необходимости накапливать, хранить и обрабатывать большие объемы информации, возможно только используя современные технологии.

Цель работы. Разработка составов защитных покрытий конструктивных элементов кровли зданий листопрокатного производства и разработка метода прогнозирования межремотных сроков службы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить влияние агрессивных и климатических факторов на свойства отдельных конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства;

- изучить скорости коррозии материалов кровельных покрытий в лабораторных и натурных условиях производства листопрокатных цехов;

- разработать составы защитных покрытий на основе эпоксидных и фурановых смол, эксплуатирующихся в агрессивных условиях листопрокатного производства;

- исследовать влияние продолжительности и условий эксплуатации на повреждаемость несущих конструкций кровельных покрытий по результатам фактических обследований;

- оценить потенциальный срок службы материалов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства;

- разработать методику прогнозирования предельного срока службы материалов элементов кровельных покрытий и перспективного планирования ремонтов для обеспечения надлежащего содержания с наименьшими затратами.

Научная новизна работы:

- установлены зависимости скорости коррозии от концентрации хлороводорода и диоксида серы, температуры и влажности воздуха;

- разработаны защитные составы на основе эпоксидных и фурановых смол для защиты кровельных конструкций листопрокатного производства с наполнителями из графита и шлака;

- получены модели развития коррозии бетона и теплоизоляционных

материалов в различных производственных средах; •

- разработан новый технико-экономический показатель долговечности конструктивного элемента - показатель функциональности, устанавливающий степень выполнения своей функциональной обязанности;

- разработана методика прогнозирования (планирования) межремонтных сроков службы конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства.

Практическая значимость и реализация результатов работы заключены в следующем:

- разработанные модели и методика могут быть применены при диагностике и прогнозировании напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства и избежать аварийных обрушений. Внедрение результатов работы осуществлено на ОАО «НЛМК» г. Липецк. Использование результатов работы подтверждено актом внедрения;

- результаты исследований используются при обучении студентов по дисциплинам «Вяжущие вещества», «Долговечность материалов и изделий», «Проблемы материаловедения».

Апробация работы. Результаты проведенных исследований доложены на международных научно-технических конференциях: на научно-

практической конференции «Научно-технические достижения в области дорожного строительства, реконструкции, содержания автодорог и искусственных сооружений», г. Липецк, 1995 г.; на Всероссийской научнотехнической конференции, посвященной 40-летию Липецкого государственного технического университета, г. Липецк, 1996 г.; на международной научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов», г. Новосибирск, 1997 г.; на областной научной конференции «Молодежь и наука на рубеже XXI века», г. Липецк, 1997 г.; на международной научнопрактической конференции «Современное строительство» , г. Пенза, 1998 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Социальноэкономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и ЖКХ региона», г. Михайловка, 2006 г.; на научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», г. Липецк, 2006 г.; на IV Российской научнотехнической конференции с международным участием, Волгоград-Михайловка, 2011 г.

Публикации: основные положения диссертации опубликованы в 14 печатных работах, в том числе одна в рецензируемых изданиях.

На защиту выносятся:

- зависимости скорости коррозии от концентрации хлороводорода и диоксида серы, температуры и влажности воздуха;

- защитные составы на основе эпоксидных и фурановых смол для защиты кровельных конструкций листопрокатного производства с наполнителями из графита и шлака;

- модели развития коррозии бетона и теплоизоляционных материалов в различных производственных средах;

- технико-экономический показатель долговечности конструктивного элемента - показатель функциональности, устанавливающий степень выполнения своей функциональной обязанности;

- методика прогнозирования (планирования) межремонтных сроков службы конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства.

Достоверность и обоснованность результатов работы подтверждается комплексом исследований с использованием стандартных средств измерений и подтверждается применением вероятностностатистических методов обработки результатов испытаний, а также опытными испытаниями и положительными результатами, полученными другими авторами.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Она включает 127 страниц, таблиц, 19 рисунков, 176 наименований библиографического списка и два приложения. .

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность выбранного направления исследований, сформулированы цели и задачи,. дается характеристика научной новизны, достоверности полученных результатов, обосновывается практическая значимость работы, приведены основные положения, которые автор выносит на защиту.

В первой главе проведен анализ исследований технического состояния производственных зданий листопрокатного производства. Приведены особенности кровельных покрытий промышленных зданий металлургического производства. Показаны проблемы эксплуатации этих зданий, а также существующих в настоящее время нормативов и способов содержания, обслуживания, а также ремонтов. Анализ литературных источников показал, что для повышения эксплуатационной надежности производственных зданий необходимо решить три следующие задачи.

Во-первых, установить конструктивные элементы, надежность которых не удовлетворяет требованиям эксплуатации и снижает общий уровень надежности здания. Эта задача решается путем сбора информации об отказах конструктивных элементов с последующей разработкой конструктивнотехнологических мероприятий по устранению причин отказов, замене малонадежных элементов, их усилению и т.д. Во-вторых, корректировка старых и разработка новых нормативов периодичности и объема ремонтов, а также продолжительности осуществления ремонтных работ. Для решения этой задачи требуются достоверные данные о надежности и долговечности конструктивных элементов и закономерностях роста темпов износа. В-третьих, определение показателей безотказности и ремонтопригодности конструктивных элементов, учитывающих как техническую, так и экономическую составляющие. В составе промышленных зданий металлургического производства, к которым относятся здания листопрокатного производства, 12% общего объема принадлежит кровельным конструкциям покрытия. Вместе с тем, конструктивные элементы покрытий чувствительны к общим и местным нагрузкам,

температурным влажностным и коррозионным воздействиям. Конструктивные элементы покрытий имеют разные сроки службы, которые в свою очередь зависят не только от климатических и производственных факторов, но и от долговечности материала, из которого они изготовлены.

Опыт капитальных ремонтов кровельных покрытий показывает, что очень часто приходится разбирать и сменять конструктивные элементь;, находящиеся в удовлетворительном состоянии, только потому, что они затрагиваются при ремонте смежных изношенных элементов. Отсюда для разработки метода определения межремонтных сроков службы кровельных покрытий с учетом как технических, так и экономических соображений может быть взят принцип равной долговечности конструктивных элементов.

Во второй главе приведены используемые в работе методики, позволяющие определять долговечность материалов в условиях, моделирующих агрессивное воздействие внешней среды и производственных факторов. Анализ условий эксплуатации конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства показал, что коррозионное разрушение материала развивается как под действием естественной влажности атмосферы цехов, содержащей газообразные хлороводород и диоксид серы, так и под действием капельного увлажнения поверхности материала, не связанного с температурно-влажностными характеристиками воздуха. Именно этими двумя причинами продиктован выбор и использование лабораторных испытаний двух видов: испытания на атмосферную коррозию и испытания, осуществляемые при полном погружении металла в электролит.

Для более точного определения параметров коррозии материалов применяли метод натурных стендовых испытаний, который заключался в следующем. Образцы исследуемых материалов помещали в специально изготовленный стенд, подвешенный под участком кровли, который надо исследовать. Образцы материалов в виде пластин взвешивали на аналитических весах и закрепляли в стендах. После окончания испытаний (через 80 суток) образцы вынимали из стендов, химически удаляли продукты коррозии путем циклического травления в растворе персульфата аммония со взвешиванием после каждого цикла. По результатам обработки данных определяли начальную скорость коррозии в фактических производственных условиях. Длительность испытаний определялась исходя из положения о том. Что период ускоренных испытаний будет достаточным, если наблюдаемая скорость коррозии, выраженная мг/дм2сут, умноженная на количество часов превышает 10000. ’

В третьей главе приведены исследования влияния агрессивных сред на техническое состояние конструктивных элементов кровельного покрытия зданий листопрокатного производства. Листопрокатное производство -комплексное производство, в котором привлечены к использованию различные технологи. Такие как кислотное травление металла и его отжиг нанесение защитного покрытия, использование различных эмульсолов в

процессе прокатки, что определенным образом сказывается на состоянии кровельного покрытия. Технология кислотного травления металла. Используемая в листопрокатном производстве, предусматривает применение раствора соляной кислоты в травильных ваннах, что приводит к появлению паров хлороводорода в атмосфере кровельных покрытий. Важнейшей коррозионно-агрессивной примесью в атмосфере листопрокатных цехов является сернистый газ. Проведенные замеры воздушной среды травильного отделения листопрокатного производства установили изменения концентрации агрессивных ионов в различных местах территории цеха (см. таблицу 1). При этом колебания концентрации хлоридов происходят в пределах от 0,04 до 11,7 мг/м3, а содержание иона 802 равным 0,08 мг/м3.

Таблица 1. Результаты анализа воздушной среды на территории листопрокатного производства (ЛПП ОАО «НЛМК»)

№ п/п Наименование производства Ось [ Пролет НС1, мг/м3 502, мг/м3 Примечание

1 Склад горячекатаных травленых рулонов 66 М-Н 0,61 <0,08

2 Склад холоднокатаных рулонов 48 И-К 0,38 <0,08

3 Агрегат продольной резки 51 Г-Д 0,14 <0,08

4 Агрегат продольной резки 21 Б-В 0,04 <0,08

5 Непрерывнотравильный агрегат (вход) М-Н 11,7 <0,08

6 Непрерывнотравильный агрегат (выход) М-Н 0,68 <0,08 замеры внизу

7 1 Склад рулонов 0,17

Обследования образцов бетона, размещенных на объектах листопрокатного производства при приведенной в таблице I концентрации агрессивной среды приведены в таблице 2.

Таблица .2. Глубина разрушения образцов бетона за 360 суток

№ п/п Наименование объекта 1 Концентрация НС1, мг/м3 Концентрация 802, мг/м3 Глубина разрушения, мм

1 Непрерывнотравильный агрегат (вход) 11,7 0,04 1,11

2 Непрерывнотравильный агрегат (выход) 0,68 - 0,04 0,23

3 Агрегат продольной резки по оси 51 в пролете «Г-Д» 0,14 <0,08 0,11

4 Агрегат продольной резки по оси 21 в пролете «Б-В» 0,04 <0,08 0,056

На основании таблицы 2 можно вывести скорости разрушения бетона в условиях отделений листопрокатного производства. Скорость разрушения бетона в условиях атмосферы входа в непрерывно-травильный агрегат при концентрации НСГ 117 мг/м3 составляет 1,1 мм/год. Данная скорость соответствует сильной агрессии эксплуатационной среды, в которой работают железобетонные плиты кровельных покрытий некоторых объектов листопрокатного производства.

В четвертой главе приведено проектирование составов защитных покрытий кровельных конструкций на основе синтетических смол. Эпоксидные составы были изготовлены на основе смолы ЭД-20, отверждаемой полиэтиленамином. В качестве наполнителя в защитных покрытиях использовали тонкомолотые графит и конвертерный шлак. Для пластификации эпоксидных смол использовали отход коксохимического производства - бензол-толуол-ксилольную фракцию (БТКС).

Полученные составы эпоксидных растворов были исследованы в различных средах в течение года. В качестве испытательных сред были выбраны вода, едкий натр 10 и 30%-ной концентрации, серная кислота 10 30 и 80%-ной концентрации, соляная кислота 30%-ной концентрации. Испытания проводили путем выемки образцов размерами 20 х 20 х 20 мм через определенное время и их испытание на сжатие. Результаты испытаний приведены таблице 3 и на рисунках 1—8.

Таблица 3. Изменение предела прочности при сжатии образцов эпоксидных растворов в различных средах: 1 - графит; 2 - шлак

№ п/п Среда выдержки Составы [Предел прочности, МПа Время выдержки, сутки

0 3 30 90 180 т360

1 Вода 1 98,0 97,0 96,0 92,5 90,0 86,0

2 2 97,5 95,0 91,5 90,5 87,5 84,0

3 Щелочь 1 90,5 89,5 87,5 85,0 82,5 81,5

4 №ОН 10% 2 90,0 85,5 •~Н5 83,5 82,5 80,0

5 Щелочь 1 98,5 (973 95,5 92,5 88,0 85,0

6 №ОН 30% 2 97,5 [96,0 92,5 90,0 87,5 83,0

7 Кислота 1 105,0 и)4^5 102,5 93,5 85,0 80,0

(~8 серная 10% 2 104,5 102,5 187,5 83,6 79,0

9 10 Кислота 1 103,0 102,5 101,0 98,6 95,0 86,3

серная 30% 2 103,0 101,0 100,0 97,5 92,5 86,0

11 12 Кислота 1 104,3 104,0 | 103,0 99,0 94,0

серная 80% 2 104,0 103,9 101,0 95,0 87,5

13 14 Кислота 1 102,5 102,0 100,0 97,5 95,0 87,5

соляная 10% 2 100,5 100,5 97,0 92,5 88,0 82,5

15 Кислота 1 102,5 102,0 100,0 96,0 94,6 90,0

16 соляная 30% 2 100,0 99,5 ^83 92^5 87,5 85,0

100,0

99.0

С 98,0

^ 97,0

1 96,0

^ 95,0

° 94,0

а 93,0

х 92,0

о 91,0 о

* 90,0

§. 89,0 ^ 88,0 5 87.0

а 86,0 С 85,0

84.0

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 Время выдерки, сутки

L87'

| 86,

| 85,0 I 84.0

83.0 : 82,0 ' 81.0

80.0

I

\

—

\

Л Ч

N к N

-Л

- а

I

1- графит -2 - шлак

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 : Время выдержки, сутки

Рисунок 2. Зависимость предела прочности при сжатии эпоксидного раствора от времени выдержки в Ю-% растворе ЫаОН

100,0 99,0

05 С 98,0

«Е 97,0

S S 96,0

ь го 95,0

х- о 94,0

S а 93,0

с 92,0

S h О 91,0

О X 90,0

т о 89,0

а с 88,0

е; 87,0

О) $ 86,0

о а. с 85.0 84.0 83.0

I

Г

\

\ -■

к к

\ \

ч

с.,

к

-

\ —11

-ч

1 - графит -2 - шлак

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Время выдержки, сутки

образцов

105,0 —

го

1 \

99 о ■ Л

S

н*

* \

о

S \

с

\

о 90 0 '

V \

У V

о J S

ч

s

ч ч

ч. к 'ч.

г.

80 0 - -

79,0 -

1- графит -2 - шлак

30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Время выдержки, сутки

Рисунок 4. Зависимость предела прочности при сжатии образцов эпоксидного раствора от времени выдержки в Ю-% растворе серной кислоты

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Время выдержки, сутки

1- графит 2 - шлак

-•— 1- графит -•—2 - шпак

О 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Время выдержки, сутки

Рисунок 6. Зависимость предела прочности при сжатии образцов эпоксидного раствора от времени выдержки в 80'% растворе серной кислоты

103.0

102.0 101,0 100.0

99.0

98.0

97.0

96.0

95.0

94.0

93.0

92.0

91.0

90.0

89.0

88.0

87.0

86.0

85.0

84.0

83.0

82.0

1

ч

V \

\ N

N ч

>4.

ч

V-. К

ч ч

і к ч

\ Ч

к, \

ч Ч

ч

ч

N

1- графит -2 ~ шлак

0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 Время выдержки, сутки

Рисунок 8. Зависимость предела прочности при сжатии образцов эпоксидного раствора от времени выдержки в 30-% растворе соляной кислоты

В пятой главе приведена технико-экономическая эффективность результатов исследований. Подсчитано, что стоимость работ по ремонту покрытия при условии замены железобетонной плиты покрытия возрастает по сравнению со стоимостью работ по ремонту рулонной кровли (полный пирог) с 276 руб./м~ до 3268 руб./м2, т.е. в 11,8 раз. Таким образом, своевременные ремонты рулонного ковра и всей мягкой кровли в целом, а также плит покрытия позволяют уменьшить эксплуатационные расходы на содержание покрытия и всего здания в целом. На диаграмме (рисунок 9) приведена стоимость ремонтных работ покрытий из железобетонных плит.

в Замена рулонного ковра и стяжки (50%)

□ Окраска прогонов и связей 0 Ремонт плиты

ш Полная замена мягкой кровли в Замена плит покрытия+окраска связей и ферм в Усиление плиты + окраска

Рисунок 9. Стоимость ремонтных работ покрытий из железобетонных плит (1

Основная цель методики прогнозирования межремонтных сроков состоит в следующем. В зависимости от величины износа ремонты, которым подвергаются конструктивные элементы покрытия разделяются на текущий выборочный, текущий комплексный, капитальный выборочный и капитальный комплексный с заменой. Вид ремонта определяется величине показателя функциональности конструктивного элемента определяемого по формуле ’

с„

ПФ='-Т^

-V,

где С,, - стоимость ремонтных работ по восстановлению функции конструктивного элемента, руб.; С* - первоначальная (восстановительная) стоимость I - го конструктивного элемента (балансовая), руб.

В зависимости от величины показателя функциональности назначается и вид ремонта конструктивного элемента покрытия:

- при Пф > 0,8 -текущий выборочный ремонт;

- при 0,6 <ПФ < 0,8 - текущий комплексный ремонт;

•- при 0,4 <Пф < 0,6 - капитальный выборочный ремонт;

- при Пф < 0,4 - капитальный комплексный ремонт с заменой).

Основное содержание метода планирования ремонтов элементов

покрытия заключается в следующем (рисунок 10). По фактическим данным обследования или теоретическим расчетам (скорости разрушения материала в данных агрессивных условиях производства) определяются (вычисляются) предельные сроки службы всех конструктивных элементов кровельного покрытия (ферма, балки, железобетонные плиты покрытия, профнастил теплоизоляция, стяжка, гидроизоляционный слой). , '

Затем устанавливаются основные конструктивные элементы, которые

существенно влияют на работу всего кровельного покрытия («пирога»)

чаще всего это элемент перекрытия и гидроизоляционный слой От их

физического износа зависит функциональность других элементов, например

теплоизоляции и „„„ (пароизоляции). № этих .„брани™

конструктивных элементов главную роль играет элемент покрытия т.к

разрешение его моментально вызывает остановку производства и относится к аварийным ситуациям. носится к

Далее по результатам обследований определяется физический износ всех конструктивных элементов кровельного покрытия, составляется ведомость дефектов, вычисляются стоимости ремонтных работ необходимых для устранения этих дефектов и восстановления нарушенных функции данных конструктивных элементов Срь а также его восстановительную стоимость Се/.

гпаАик П° "0ЛуЧеННЫМ величинам показателя функциональности строится график зависимости показателя функциональности главного конструктивного элемента от времени эксплуатации в данных агрессивных условиях (при отсутствии ремонта) и на его основе строитГ “к

зависимости показателя функциональности / - го элемента, например гидроизоляционного слоя, на весь период работы главного конструктивного элемента (железобетонной плиты покрытия). С помощью графика зависимости показателя функциональности гидроизоляционного слоя определяем для него межремонтные сроки, составляем перспективное планирование ремонтов конкретного вида гидроизоляционного слоя и его экономическую эффективность при разных видах материалов гидроизоляционного слоя.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Установлены основные агрессивные и климатические факторы,

оказывающие существенное влияние на процесс развития коррозии материалов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства. При этом выявлено, что основное влияние на развитие коррозии во времени оказывают относительная влажность воздуха, концентрация хлороводорода и диоксида серы, ориентация конструктивных элементов покрытия и качество антикоррозионной защиты. Температура и относительная влажность воздуха внутри помещений аппроксимируются нормальным законом распределения вероятностей, а концентрации хлороводорода и диоксида серы -логарифмическим нормальным законом. Наибольшие коррозионные повреждения наблюдаются у горизонтально расположенных

конструктивных элементов кровельных покрытий, наименьшие - у вертикальных. Существенного влияния на коррозию материалов кровельных покрытий не оказывают следующие факторы: температура воздуха, различия в химическом составе примененных строительных сталей, величины и знак напряжений.

2. Распределение скорости коррозии конструктивных элементов

кровельных покрытий листопрокатных цехов в значительной степени определяется комплексным влиянием коррозионно-агрессивных

компонентов атмосферы и технологическими факторами (температура, влажность, кислотность). В связи с этим они имеют различные межремонтные сроки службы. Для обеспечения нормального функционирования конструктивного элемента установлена оптимальная надежность его работы с наименьшей вероятностью потери работоспособности. Принцип равной долговечности

конструктивных элементов кровельных покрытий взят за основу при разработке метода определения межремонтных сроков службы с учетом как технических, так и экономических соображений. Коррозионные испытания, осуществляемые в лабораторных условиях, позволяют лишь с определенной долей вероятности прогнозировать скорость развития процесса коррозии материала. Наиболее точными являются натурные стендовые испытания, размещенные

непосредственно в цехе, с продолжительностью более 80 суток, которая позволяет экстраполировать наблюдаемую скорость коррозии материала на более длительные сроки и устанавливать предельные сроки службы конструктивных элементов кровельных покрытий.

3. Разработаны новые составы защитных покрытий кровельных конструкций зданий листопрокатного производства, эффективно работающие в условиях химической агрессии воды, соляной и серной кислот 10-, 30- и 80%-ной концентрации, щелочей 10- и 30%- ной концентрации. При этом коэффициент химической стойкости составил для воды - 0,86 - 0,88; для щелочей - 0,84 - 0.90 и для кислот - 0,75 -0,88.

4. Установлено, что конструктивные элементы кровельных покрытий зданий имеют различные сроки службы, которые можно прогнозировать по результатам проведенных фактических обследований. Наименьший срок службы у гидроизоляционных слоев -от 3-х до 10 лет, наибольший - у металлических и бетонных конструкций - от 30 до 60 лет. Прогнозирование сроков службы конструктивных элементов с достаточной точностью можно производить по скорости коррозии материалов в данной производственной среде. Так скорость коррозии бетона в непрерывнотравильном агрегате составляет 1,1 мм/год, а металла- 1,0 мм/год.

5. Предложен новый технико-экономический фактор - показатель функциональности конструктивного элемента кровельного покрытия

^ £ > позволяющий устанавливать вид и очередность

требуемого ремонта, а также его экономическую эффективность. С помощью показателя функциональности гидроизоляционного слоя можно определять межремонтные сроки и составлять перспективное планирование ремонтов конкретных видов гидроизоляционных слоев кровельных покрытий в условиях листопрокатного производства.

6. Разработана и научно обоснована методика определения межремонтных сроков службы конструктивных элементов кровельного покрытия, заключающаяся в установлении их предельных сроков службы, физических износов, стоимости ремонтных работ по устранению физического износа и восстановлению нарушенных функций данных конструктивных элементов, а также восстановительной (первоначальной) стоимости самого конструктивного элемента. Затем устанавливается главный конструктивный элемент кровельного покрытия и на его графике зависимости показателя функциональности от времени эксплуатации сроятся графики зависимости показателей функциональности других конструктивных элементов с меньшими значениями предельных сроков эксплуатации и устанавливаются межремонтные сроки службы

Публикации в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях:

Структурообразование защитных полимерных покрытий/И. В. Папин [и др.] //Вестн. ВолГАСУ. Сер.: Стр-во и архитектура. 2011. Вып. 22 (41). С. 69-72

Публикации в других изданиях:

1. Стеновые изделия для объектов автодорожного комплекса на основе местных отходов/И. В. Папин [и др.]//Научно-технические достижения в области дорожного строительства, реконструкции, содержания автодорог и искусственных сооружений: тезисы докладов 'науч.-практ. конф. Липецк 1995. С. 13-15.

2. Папин И.В. Защита технологического оборудования полимерными

составами: сб. тезисов докладов Всероссийской науч.-техн. конф.,

посвященной 40-летию Липецкого государственного технического университета. Липецк, 1996. С. 160- 161.

3. Папин И.В., Корнеев А.Д., Важинский М.В. Антикоррозионная защита полимерными композитами//Ресурсо- и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов: материалы междунар. науч.-техн. конф. Новосибирск: НГАСА, 1997. С. 59 - 60.

4. ^ Санитарно-экологические особенности устройства защитных покрытий травильного отделения листопрокатного производства ОАО «НЛМК» /И. В. Папин [и др.]//Молодежь и наука на рубеже XXI века. Часть вторая (техническое направление): сб. докладов обл. науч. конф. Липецк, 1997. С. 26 — 28.

5. Папин И.В., Корнеев А.Д. Разработка и оптимизация эпоксидных

композиций// Современное строительство: материалы междунар науч - ппакт конф. Пенза, 1998. С. 151 - 152. ‘

6. Папин И.В., Корнеев А.Д. Оценка эксплуатационной среды зданий листопрокатного производства// Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и ЖКХ региона: материалы Всероссийской науч.-техн. конф. 24-25 ноября 2006 г., г. Волгоград - г.

Михайловка Волгоградской обл.: в 3-х частях/ВолгГАСУ 2006 г Ч 1 С 61

64. ’ ' ‘ ' '

7. Папин И.В., Корнеев А.Д. Математическая модель скорости коррозии строительных материалов на объектах металлургического производства// Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и ЖКХ региона: материалы Всероссийской науч.-техн. конф. 24-25 ноября 2006 г., г. Волгоград - г. Михайловка Волгоградской обл.: в 3-х ч./ВолгГАСУ, 2006 г. Ч. 1. С. 64 - 68.

8. Технологические и экономические аспекты эксплуатации зданий и сооружений/И. В. Папин [и др.]// Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре: сб. ст. науч.-практ. конф.,

посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета. Липецк: ЛГТУ, 2006. С. 61-63

9. Защитные мастики на основе эпоксидных смол и теплофизические свойства/И. В. Панин [и др.]//Материаловедение и ТКМ - важнейшие составляющие компетенции современного инженера. Проблемы качества технологической подготовки: сб. ст. Всероссийского Совещания зав. каф-ми материаловедения и технологии конструкционных материалов. Волгоград: ВолгГАСУ; Волжский ВИСТех (филиал) ВолгГАСУ, 2007. С. 201 - 202.

10. Прогнозирование межремонтных сроков службы кровельной теплоизоляции в условиях листопрокатного производства/И. В. Папин [и др.]//Строительные материалы, оборудование, технологии XXI века. Кровельные и изоляционные материалы. 2007. № 3. С. 56-57.

11. Герметизация протечек в стенах монолитных железобетонных пожарных резервуаров полимерными материалами/ И. В. Папин [и др.]// Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре: сб. статей междунар. конф. - Липецк: ЛГТУ, 2009. С. 186-187.

12. Папин И.В. Долговечность кровельных теплоизоляционных материалов в агрессивных условиях травильного отделения листопрокатного производства//Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование.: сб. ст. IV Российской науч.-техн. конф. с междунар. участием. Волгоград — Михайловка, 17-18 мая 2011 г. С. 187-188.

13. Папин И.В., Корнеев А.Д., Клышников А.А. Установление начальной скорости коррозии бетона и его долговечности в агрессивных условиях металлургического производстваУ/Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса региона. Наука. Практика. Образование.: сб. ст. IV Российской науч.-техн. конф. с междунар. участием. Волгоград - Михайловка, 17-18 мая 2011 г. С. 188 - 190.

Папин Игорь Васильевич

ЗАЩИТА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ ЛИСТОПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА И УСТАНОВЛЕНИЕ ИХ МЕЖРЕМОНТНЫХ СРОКОВ СЛУЖБЫ

Автореферат

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Подписано в печать Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Объем 1,4 п.л. Тираж 120 экз. Заказ № Полиграфическое подразделение Издательства Липецкого государственного технического университета. 398600.Липецк, ул. Московская, 30.

61 12-5/1612

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Липецкий государственный технический университет»

На правах рукописи 'ЛЛ/\\ СЛлЛЛ/^

ПАПИН ИГОРЬ ВАСИЛЬЕВИЧ

ЗАЩИТА КОНСТРУКТИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ПОКРЫТИЙ ЗДАНИЙ ЛИСТОПРОКАТНОГО ПРОИЗВОДСТВА И УСТАНОВЛЕНИЕ ИХ МЕЖРЕМОНТНЫХ СРОКОВ СЛУЖБЫ

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Александр Дмитриевич Корнеев

Липецк 2011

Содержание

Стр.

Введение 5

1. Анализ исследований технического состояния производственных зданий листопрокатного производства......................................................................... 11

1.1 Эксплуатационная надежность строительных

конструкций листопрокатного производства.................... 11

1.2. Воздействия и виды агрессивных производственных выделений в условиях листопрокатного производства..... 21

1.3. Основные показатели надежности объектов...................... 27

1.4. Современные представления о долговечности строительных композиционных материалов в агрессивных условиях.......................................................... 29

1.5. Выводы................................................................................... 40

2. Применяемые материалы, методы исследований и обработка результатов испытаний...................................... 42

2.1. Применяемые материалы..................................................... 42

2.2. Методы оценки микроклимата производственной среды и эксплуатационных повреждений конструкций покрытия................................................................................ 43

2.3. Методика определения коррозионного разрушения металлических элементов покрытия................................... 45

2.4. Методика исследований коррозии металла при периодическом разбрызгивании электролита.................... 47

2.5. Методика стендовых коррозионных испытаний............... 48

2.6. Обработка результатов испытаний образцов..................... 52

3. Экспериментальные исследования образцов бетонов и теплоизоляционных кровельных материалов в условиях

эксплуатации листопрокатного производства.......................................................................... 56

3.1. Лабораторные испытания образцов бетона, эксплуатирующихся в условиях агрессивной среды травильного отделения......................................................... 56

3.2. Долговечность пенополистирольной теплоизоляции в условиях воздействия агрессивной кислотной среды....................................................................................... 63

3.3. Результаты обследования и лабораторные испытания гидроизоляционных слоев.................................................... 73

3.4. Выводы................................................................................... 84

4. Проектирование оптимальных составов защитных покрытий на основе синтетических смол для кровельных конструкций листопрокатного производства......................................................................... 86

4.1. Разработка составов защитных покрытий на основе эпоксидных смол и исследование их химической стойкости................................................................................ 86

4.2. Разработка составов защитных покрытий на основе фурфуролацетоновых смол для реконструкции канала и

его основные компоненты смол........................................... 93

4.3. Оптимальные составы защитных покрытий на основе фурфуролацетоновых смол для подстилающего слоя канала...................................................................................... 95

4.4. Выводы................................................................................... 97

5. Практическая реализация результатов исследований. Технико-экономическая эффективность метода прогнозирования..................................................................... 98

5.1. Экономическая оценка ремонтных работ кровельных

покрытий листопрокатных цехов ОАО «НЛМК».............. 98

5.2. Экономическая оценка устройства кровельного ковра и

его эксплуатации в течение 50 лет....................................... 101

5.3. Методика прогнозирования (планирования) межремонтных сроков у кровельного покрытия для его безаварийной работы............................................................. 104

5.4. Выводы............................................................... 107

Основные выводы............................................................................ 108

Библиографический список............................................................ 111

Приложения

Введение

Проблемы повышения долговечности зданий и сооружений в условиях рыночной экономики являются весьма актуальными, поскольку здания изнашиваются быстрее там, где не выделяются средства на нормальную техническую эксплуатацию, а таких зданий становится все больше и больше как в промышленности, так и в коммунальном хозяйстве.

Необходимость реконструкции зданий требует решения вопросов о надежности существующих материалов, выявлении в них резервов для увеличения нагрузок или, наоборот, дефектов, снижающих вероятность их безаварийной работы.

Теоретические исследования и практические разработки нормативных документов по техническому обслуживанию и ремонтам зданий показали, что как для промышленных, так и для гражданских зданий имеется, в основном, единый подход к рассмотрению вопросов надежности зданий в процессе эксплуатации.

Необходимость разработки теоретических основ эксплуатационной надежности зданий вызывается целым рядом обстоятельств.

Во-первых, изучению строительных материалов в условиях эксплуатации до сих пор не уделяется должного внимания. Сроки службы элементов зданий, определяются нормативными документами весьма ориентировочно. Это объясняется прежде всего тем, что анализ отказов конструкций в течение длительного времени эксплуатации сопряжен с изучением большого количества факторов, комплексное исследование которых затруднено из-за длительности времени эксплуатации.

Во-вторых, ускоренный износ конструкций зданий ведет к сокращению межремонтных сроков службы, что в свою очередь приводит к повышенным затратам на эксплуатацию.

В-третьих, знание закономерностей увеличения износов конструкций во времени необходимо для правильного определения сроков замены или ремонта элементов зданий. Несоответствие фактических сроков службы нормативным требует дальнейших исследований эксплуатационной надежности зданий.

Таким образом, решение задачи повышения эффективности эксплуатации зданий является весьма актуальной.

Совершенствование всей системы эксплуатации промышленных зданий и сооружений требует создания новых технологий анализа и оценки технического состояния объектов строительства. Это продиктовано целым рядом обстоятельств.

До сих пор не уделяется должного внимания вопросу комплексной оценки технического состояния объектов промышленного строительства, включающей физический и моральный износ. В существовавших до сего времени нормах СНиП, РД «ГОСГОРТЕХНАДЗОРА» РФ срок службы зданий, их отдельных элементов конструкций не регламентируется или варьируются весьма широко.

При проектировании и эксплуатации зданий постоянно приходится решать вопросы, связанные с долговечностью основных конструкций зданий. Излишняя долговечность строительных элементов, как в новом строительстве, так и при ремонтах зданий будет связана с удорожанием строительства и реконструкции, а недостаточная долговечность - с удорожанием эксплуатации зданий.

При проведении очередных ремонтных работ в здании необходимо восстанавливать и заменять элементы конструкций, которые к этому моменту не отслужили нормативного срока службы. Это обусловлено тем, что ремонт каждого отдельного элемента по сроку его службы менее экономичен, чем комплексный. Кроме того, непрерывный ремонт в здании неудобен для эксплуатационного и пользующего персонала здания. Таким

образом, общее число ремонтов каждого элемента здания в итоге определится потребностью в ремонте конструкций, имеющих минимальный срок службы. Необходимо решить вопрос оптимизации выбора конструкций, учитывая этот фактор.

Назревает необходимость создания комплексной технологии позволяющей по результатам визуального и инструментального обследования здания устанавливать закономерности увеличения износов конструкций покрытия производственных зданий листопрокатного производства во времени, для правильного определения сроков замены или ремонта элементов покрытия зданий.

Таким образом, актуальность темы определяется необходимостью создания инструмента, позволяющего анализировать причины, приводящие к увеличению эксплуатационных расходов и ускорению износа, как для существующих, так и для проектируемых зданий. Решение вышеприведенных проблем из-за необходимости накапливать, хранить и обрабатывать большие объемы информации, возможно только используя современные технологии.

Цель работы. Разработка составов защитных покрытий конструктивных элементов кровли зданий листопрокатного производства и разработка метода прогнозирования межремотных сроков службы.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить влияние агрессивных и климатических факторов на свойства отдельных конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства;

- изучить скорости коррозии материалов кровельных покрытий в лабораторных и натурных условиях производства листопрокатных цехов;

- разработать составы защитных покрытий на основе эпоксидных и фурановых смол, эксплуатирующихся в агрессивных условиях листопрокатного производства;

- исследовать влияние продолжительности и условий эксплуатации на повреждаемость несущих конструкций кровельных покрытий по результатам фактических обследований;

- оценить потенциальный срок службы материалов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства;

- разработать методику прогнозирования предельного срока службы материалов элементов кровельных покрытий и перспективного планирования ремонтов для обеспечения надлежащего содержания с наименьшими затратами.

Объект исследования: техническое состояние материалов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства и методика его оценки.

Научная новизна работы заключается в том, что:

- установлены зависимости скорости коррозии от концентрации хлороводорода и диоксида серы, температуры и влажности воздуха;

- разработаны защитные составы на основе эпоксидных и фурановых смол для защиты кровельных конструкций листопрокатного производства с наполнителями из графита и шлака;

- получены модели развития коррозии бетона и теплоизоляционных материалов в различных производственных средах;

- разработан новый технико-экономический показатель долговечности конструктивного элемента - показатель функциональности, устанавливающий степень выполнения своей функциональной обязанности;

разработана методика прогнозирования (планирования) межремонтных сроков службы конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства.

Практическая значимость. Разработанные модели и методика могут быть применены при диагностике и прогнозировании напряженно-деформированного состояния конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства и избежать аварийных обрушений. Внедрение результатов работы осуществлено на ОАО «НЛМК» г. Липецк. Использование результатов работы подтверждено актом внедрения. Результаты исследований используются при обучении студентов по дисциплинам «Вяжущие вещества», «Долговечность материалов и изделий», «Проблемы материаловедения».

Апробация работы. Результаты проведенных исследований доложены на международных научно-технических конференциях: на научно-практической конференции «Научно-технические достижения в области дорожного строительства, реконструкции, содержания автодорог и искусственных сооружений», г. Липецк, 1995 г.; на Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию Липецкого государственного технического университета, г. Липецк, 1996 г.; на международной научно-технической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов», г. Новосибирск, 1997 г.; на областной научной конференции «Молодежь и наука на рубеже XXI века», г. Липецк, 1997 г.; на международной научно-практической конференции «Современное строительство» , г. Пенза, 1998 г.; на Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и ЖКХ региона», г. Михайловка, 2006 г.; на научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», г. Липецк, 2006 г.; на IV Российской научно-технической конференции с международным участием, Волгоград-Михайловка, 2011 г.

На защиту выносятся:

- зависимости скорости коррозии от концентрации хлороводорода и диоксида серы, температуры и влажности воздуха;

- защитные составы на основе эпоксидных и фурановых смол для защиты кровельных конструкций листопрокатного производства с наполнителями из графита и шлака;

- модели развития коррозии бетона и теплоизоляционных материалов в различных производственных средах;

- технико-экономический показатель долговечности конструктивного элемента - показатель функциональности, устанавливающий степень выполнения своей функциональной обязанности;

- методика прогнозирования (планирования) межремонтных сроков службы конструктивных элементов кровельных покрытий зданий листопрокатного производства.

Публикации. Основное содержание работы опубликовано в 14 печатных работах, в том числе одна в рецензируемых изданиях.

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка использованной литературы и приложений, содержащих результаты натурных обследований и статистической обработки.

Объем диссертации. Основной текст изложен на 128 страницах машинописного текста, 19 рисунков, списка использованной литературы из 176 наименований.

1. Анализ исследований технического состояния производственных зданий листопрокатного производства

1.1. Эксплуатационная надежность строительных конструкций листопрокатных предприятий

Проблемы качества строительной продукции, ее надежность и долговечность являются важными факторами в процессе эксплуатации промышленных зданий и сооружений металлургической отрасли. При этом есть одно общее свойство, которое характеризует любое техническое изделие в процессе его использования, - это его надежность в эксплуатации или эксплуатационная надежность. Для оценки надежности необходимо определить срок, в течение которого изделие (здания, сооружения, их конструкции и оборудование) будут сохранять требуемые свойства (характеристики) в процессе последующей эксплуатации [1, 20, 35, 60, 101, 164].

В этих условиях одной из главных задач строительной науки является разработка научно обоснованных норм и способов содержания, обслуживания, текущего и капитального ремонта производственных зданий и сооружений [22, 26, 36, 168].

Проблемы эксплуатации зданий и сооружений многозначны и разноплановы. Бурное производственное строительство в 30-е и 70-е годы привело к накоплению огромного фонда зданий и сооружений, для поддержания эксплуатационной пригодности которых требовалось проведение квалифицированных ремонтно-восстановительных работ.

Анализ литературных источников позволил определить объемы затрат за весь жизненный цикл здания, т.е. соотношение между затратами и временем по указанным трем этапам строительства - между проектированием, возведением и эксплуатацией [23, 68].

Анализ причин, приводящих к увеличению эксплуатационных расходов промышленных зданий, показывает, что убытки, связанные прямо или косвенно со строительством и проектированием, можно условно разделить на две группы: недостаточное качество строительных работ и несовершенство проектной документации. В стадии проектирования принимаются конструктивные решения, не обеспечивающие достаточной надежности (конструктивные решения каркаса, стыки, совмещенные невентилируемые крыши, окна, двери и т.п.). Проекты зданий и сооружений, как правило, не содержат указаний по эксплуатации, низка квалификация эксплуатационного персонала, отсутствуют правила и нормы эксплуатации зданий, нуждаются в уточнении нормативы по срокам службы, амортизационным отчислениям [3, 4, 22].

В пересмотре нуждается состав и содержание документации, связанной с эксплуатацией зданий. Предназначенная для хранения в течение всего срока службы здания, она должна содержать все необходимые сведения для текущего и перспективного планирования мероприятий по эксплуатации и контролю за их выполнением, а также статистические материалы за длительный период для проектных и исследовательских организаций [99]. Составление этой документации не должно быть связано с большими затратами труда.

При решении этой задачи большое внимание должно уделяться использованию вычислительной техники. Эффективность ее использования обусловливается возможностью автомати�