CC BY
24УДК 628.147.22
A.П. ПИЧУГИН, д-р техн. наук, С.А. ГОРОДЕЦКИЙ, инженер,
B.И. БАРЕЕВ, канд. техн. наук, Новосибирский государственный аграрный университет
Комплексная защита сельскохозяйственных объектов от коррозионного разрушения
В настоящее время в Российской Федерации функционирует более 1600 крупных животноводческих предприятий, птицефабрик с бесподстилочным содержанием животных и птицы. Ежегодно объемы производства жидкого, полужидкого навоза, помета, навозных и пометных стоков в хозяйствах страны превышает 165 млн т. При этом около половины навоза не используется, загрязняя территории. Развитие агропромышленного комплекса в большинстве случаев сопровождается наличием отходов производства, многие из которых представляют угрозу не только для окружающей среды, но и для самих зданий и сооружений сельскохозяйственного назначения. Например, средняя ферма на 1500—2000 коров ежегодно выделяет не менее 50—70 тыс. т отходов. При этом навоз чаще всего складируется вблизи фермы или на ее территории рядом со зданиями. При неправильной организации технологического обеспечения приходят в негодность инженерные объекты и транспортные коммуникации; выходят из строя лотки и каналы навозоудаления, полы в проходах и стойлах, напорные трубопроводы, отстойники, навозожижеприемники и очистные сооружения. Все это приводит к значительным экономическим потерям, к снижению эффективности производства, к ухудшению экологической обстановки вокруг производственных сельскохозяйственных зон [1, 2].
Большинство животноводческих объектов, в том числе полы, лотки, каналы, отстойники, очистные сооружения и навозохранилища, возведены из бетона и железобетона, который наиболее интенсивно разрушается под воздействием агрессивной среды животноводческих помещений. Поэтому защита бетонных и железобетонных элементов и частей зданий сельскохозяйственного назначения — задача актуальная и в настоящее время.
Современные представления о коррозии бетона характеризуют ее как разрушение, вызванное электрохимическими или химическими преобразованиями, происходящими в среде нахождения объекта. При этом степень агрессивности среды может быть представлена по реакции водных растворов, которые определяются по величине водородного показателя рН. Практически нейтральными считаются водные растворы с водородным показателем рН = 6—8. При значении рН 4,5—10 скорость коррозии можно оценивать как среднюю, при значении свыше 10 — как малую и при значении меньше 4,5 — как значительную [1, 2].
Агрессивные реагенты в зависимости от условий производства могут быть в жидкой, парообразной и газообразной фазах, вследствие чего и воздействие их на конструкции различно. На бетон и железобетон наиболее интенсивно действуют кислые среды, особенно в жидкой фазе.
Агрессивные продукты, оказывающие коррозионное воздействие на бетоны, могут встречаться не только в жидком, но и в газообразном состоянии. Скорость развития коррозионных процессов бетона и железобетона зависит от влажности воздуха, которая в животноводческих помещениях в зимнестойловый период до-
стигает 90—100%, что способствует не только интенсивному конденсатообразованию, но и за счет диффузии влаги насыщает ей практически все конструкции. Такое состояние представляет значительную опасность для частей зданий из бетона и железобетона, особенно при наличии в атмосфере С02, SO2 и SOз, а также сероводорода, аммиака, хлористых соединений и других газов. Количество аммиака и углекислого газа, как и других вредных веществ, в два-три раза превышает нормируемые показатели. Так, при допустимой кратковременной норме 5—20 мг/м3 в коровниках и свинарниках отмечалась концентрация аммиака в воздухе животноводческих помещений более 40 мг/м3; при норме углекислого газа 2,5 мг/м3 были отмечены концентрации до 7,2—8,4 мг/м3, что приводило к интенсивному разрушению строительных конструкций. Следует отметить, что зимнестойловый период в сибирских регионах длится 210-230 дней.
Таким образом, для увеличения срока службы строительных конструкций и частей животноводческих зданий и сооружений необходима надежная универсальная защита, способная обеспечить коррозионную стойкость и долговечность. При этом композиция должна быть недефицитной, недорогой, малокомпонентной, неканцерогенной, технологичной и должна создавать надежную защиту подвергаемых интенсивному коррозионному разрушению материалов. Из распространенных в настоящее время полимерных моносоставов трудно подобрать отвечающий всем этим требованиям. Поэтому было определено направление получения бинарных композиций на основе латекса, дисперсии ПВА, акриловых составов, жидкого стекла и др. Основное преимущество выбранных композиций то, что все они могут быть совместимы с водой. Следовательно, при введении воды можно регулировать их реологические характеристики, а за счет введения наполнителей и активных минеральных добавок ускорять набор прочности и снижать усадочные деформации.
Известно, что ненаполненные латексные композиции не позволяют получить прочные водостойкие покрытия с хорошей адгезией к покрываемым материалам. Для улучшения этих свойств в композиции вводят различные ингредиенты: серу, оксид цинка, ускорители вулканизации и др., что является нетехнологичным в условиях сельского строительства. Поэтому практический интерес представляют латексные смеси, модифицированные жидким стеклом. Для активирования вулканизации в некоторые составы вводили в качестве добавок пиритные огарки [3, 4].
Наиболее подходящей с точки зрения удовлетворения предъявляемым требованиям была дополнительно выбрана полимерсиликатная композиция, состоящая из жидкого стекла и дисперсии ПВА. Во-первых, эти жидкости хорошо сочетаются друг с другом; во-вторых, они длительное время сохраняются в совмещенном виде; в-третьих, они могут разжижаться водой. Это делает их универсальной композицией по реологическим параметрам и создает возможность регулирования сроков отверждения, а также использовать их в качестве со-
Вязкость (п), с
100 75 50 25 0
% ПВА
Рис. 1. Зависимость вязкости пропиточной композиции от соотношения компонентов: 1 - 0% воды; 2 - 10% воды; 3 - 30% воды
става для предварительной обработки защищаемой поверхности материала. Таким образом, дальнейшая задача заключалась в отработке рецептур компонентов, определении оптимальных составов для защиты различных материалов, отвечающих заданным критериям. На рис. 1 представлены значения вязкости полимерсили-катной композиции по вискозиметру ВЗ-4 при различном соотношении компонентов.
Таким образом, оптимальное соотношение компонентов жидкое стекло: ПВА находится в пределах от 60:40 до 85:15 мас. %. Аналогичным образом было определено оптимальное соотношение латекса СКС-65ГП и жидкого стекла — жидкое стекло:латекс = 70:30—90:10 мас. %. Следует отметить, что обе эти полимерсиликатные композиции хорошо разбавляются водой, что обеспечивает простое регулирование их технологических и эксплуатационных свойств.
Дальнейшие исследования проводили на защитных покрытиях древесины, каменных материалов, бетона и железобетона. Изучены свойства плит и проведена сравнительная оценка стойкости покрытия к действию воды по показателям диффузии, сорбции и проницаемости. Используемые в качестве пленкообразователя защитные полимерсиликатные составы в виде пленок, полученных методом отлива на стекле, подвергали различным испытаниям в агрессивных средах.
По физико-механическим свойствам (табл. 1) поли-мерсиликатные пленки покрытия значительно лучше моносоставов, а при введении воды в защитную композицию характеризуются повышенными показателями деформативности и водостойкости.
Предварительные исследования полимерсиликатных композиций, показавшие высокие защитные свойства по отношению к бетону и древесине, выявили и недостаток этих составов, заключающийся в высоком показателе усадки при отверждении. Поэтому в дальнейшем было предложено вводить в эти составы минеральные
Рис. 2. Изменение защитных свойств покрытий: 1 - образцы без покрытия; 2 - образцы с покрытием из моносоставов; 3 - образцы с полимерсиликатным защитным покрытием на основе ПВА; 4 - образцы с полимерсиликатным защитным покрытием на основе латекса
порошки, снижающие усадочные напряжения и уменьшающие значения коэффициента линейного температурного расширения. С этой целью было изучено влияние минеральных порошков на адгезию и деформатив-ные свойства защитных композиций (табл. 2) [3, 4].
Как видно из приведенных выше результатов испытаний, все полимерминеральные системы обладают достаточной адгезией к цементному основанию при введении минеральных порошков до 15%. Дальнейшее повышение количества вводимого минерального компонента приводит к увеличению вязкости составов и снижению прочности сцепления. Поскольку максимум адгезионной прочности показали два компонента — цемент и отходы асбестоцементного производства, были исследованы бинарные смеси, которые при совместном введении в полимерсиликатные композиции способствовали повышению адгезионной прочности на 15-25%.
Для определения защитных свойств покрытий (табл. 3) использовали образцы древесины и бетона размером 100x100x10 мм. Для определения водопогло-щения образцы покрытий и образцы, защищенные со всех сторон, погружали в сосуд с водой и через 24 ч взвешивали на аналитических весах. Водопоглощение определяли как разницу массы образцов до и после пребывания в воде, отнесенную к первоначальной их массе. Эластичность пленки изучали с помощью шкалы гибкости ШГ-1, она оказалась высокой. Химическую устойчивость определяли путем визуального осмотра образцов с покрытиями после выдержки в парах аммиака 30% концентрации. Химическую стойкость покрытия оценивали и весовым методом.
Представленные в табл. 3 данные показывают, что предлагаемые композиции, способы их модификации значительно улучшают свойства строительных материалов и условия работы конструкций способствуют снижению диффузионной проницаемости покрытий, а сле-
Таблица 1
Свойства Виды защитных пленок
Латекс Латекс + жидкое стекло Латекс + жидкое стекло + вода ПВА ПВА + жидкое стекло ПВА + жидкое стекло + вода
Прочность пленки, МПа 2,3-2,5 4,8-5,6 3,7-4,4 5,9-6,2 7,9-8,2 5,2-6
Относительное удлинение при разрыве, % 320 240 340 230 210 270
Водопоглощение за 24 ч, % 33,7 8,3 10,9 5,4 3,8 6,7
Разбухание за 24 ч, % 10,4 2,8 3,9 4,2 1,6 2,6
©teD'AÍZJlhrMS.
Ы ®
май 2011
25
Таблица 3
Таблица 2
Вид наполнителя Адгезия защитных композиций к цементному бетону, МПа, при введении минеральных порошков,% , в композиции
латекс + жидкое стекло + вода ПВА + жидкое стекло + вода
5 10 15 5 10 15
Песок речной 2,9 2,9 2,8 3,5 4,1 3,8
Асбестоцементные отходы 4,1 4,9 3,5 4,4 5,7 5,5
Цемент 4,2 5,9 5,0 5,9 8,4 6,3
Гипс 3,1 3,7 3,4 4,1 5,6 4,7
Молотый керамзит 3,4 4,6 4,1 23,5 5,5 4,8-
Глина 2,4 2,7 2,5 3,5 4,9 3,2
Цемент + асбестоцементные отходы 4,7 6,8 6,1 6,2 7,6 7,3
Состав Водопоглощение за 24 ч, % Влагопоглощение за 24 ч, % Поглощение паров аммиака за 24 ч, % Адгезия, МП
древесина бетон древесина бетон древесина бетон древесина бетон
Л 3,4 0,8 0,78 0,21 2,02 0,26 4,93 2,9
Л+ЖС 0,9 0,82 0,49 0,06 0,65 0,09 8,51 4,52
Л+ЖС+В 1,4 0,63 0,63 0,13 0,87 0,12 7,59 4,5
П 2,1 0,62 0,69 0,24 1,23 0,23 6,01 5,48
П+ЖС 0,8 0,41 0,34 0,07 0,54 0,06 7,84 7,87
П+ЖС+В 3,3 0,77 0,52 0,11 0,68 0,09 7,12 6,95
Образцы без покрытия 26,7 10,7 2,91 0,62 3,06 2,03 - -
Примечание. Л - латекс; ЖС - жидкое стекло; В - вода; П - ПВА.
довательно, повышению химической стойкости и снижению влаго- и водопоглощения.
Стойкость модифицированных полимерсиликатных покрытий в условиях воздействия паров аммиака в 3-4 раза выше, чем у образцов с моносоставами независимо от вида материала. При длительном пребывании образцов с покрытиями в среде повышенной влажности на его поверхности появляются различные грибки, разрушающие покрытия. В частности, для латексных покрытий наибольшую опасность представляют плесневые грибки. Длительные испытания в течение 60-90 сут образцов древесины и бетона с полимерсиликатными покрытиями показали незначительное обрастание поверхности пленки — до 5%. Одним из важнейших показателей защитных покрытий является проницаемость, которая характеризует комплекс изолирующих свойств покрытий, их способность препятствовать проникновению жидкостей и других реагентов к поверхности подложки. В практических условиях сельскохозяйственных построек приходится сталкиваться с проницаемостью водных растворов и водяных паров. Результаты исследований по определению коэффициентов диффузии, сорбции и проницаемости приведены на рис. 2.
Анализ рис. 2 показывает изменения сорбции образцов с полимерсиликатным защитным покрытием на основе дисперсии ПВА или латекса СКС-65ГП. Сравнение этих кривых показывает, что поглощение воды пленками с полимерсиликатными композициями значительно меньше, чем у остальных, что свидетельствует о хорошей сплошности покрытия. Коэффициент проницаемости модифицированного полимерсиликат-ного покрытия составил 0,1 10-5 ч-см/с2, что меньше в 2,6 раза покрытия из ПВА и в 7 раз латексного.
Увеличение прочности пленок, уменьшение относительного удлинения при разрыве наряду со значитель-
ным снижением водопоглощения полимерсиликатных покрытий свидетельствует о повышении степени сшивки полимерных молекул, устойчивости сетки к расширению при набухании. Данные ИК-спектроскопии подтверждают результаты физико-механических испытаний предлагаемых полимерсиликатных защитных покрытий. По результатам исследований разработаны и внедрены составы защитных полимерсиликатных покрытий широкого спектра действия для защиты от увлажнения и коррозионных сред различных строительных конструкций и частей зданий сельскохозяйственного назначения.
Ключевые слова: латекс СКС-65ГП, дисперсия ПВА, коррозионные среды, полимерсиликатные защитные композиции.
Список литературы
1. Пичугин А.П. Полы животноводческих помещений и пути повышения их эффективности // Строит. материалы. 2000. № 3. С. 14-15.
2. Пичугин А.П., ДенисовА.С., ХританковВ.Ф., Аврамен-ко В.В. Эффективное применение полимерных материалов в сельском строительстве: В сб. «Полимеры в строительстве». Казань: КазГАСА, 2009. С. 87-89.
3. Хританков В.Ф., Кудряшов А.Ю., Пичугин А.П. Оптимизация составов для защиты крупного органического заполнителя и упрочнения материалов стен // Строит. материалы. 2009. № 3. С. 60-63.
4. Денисов А.С., Пичугин А.П., Кудряшов А.Ю. Повышение прочности стен полимерной пропиткой при устройстве навесных фасадов // Строит. материалы. 2007. № 3. С. 44-47.
