CC BY
53
МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ НЕРАВНОМЕРНЫХ ЛОКАЛЬНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ НА ТРЕЩИНОСТОЙКОСТЬ ЗАЩИТНЫХ ПОКРЫТИЙ
METHODS OF INVESTIGATING THE EFFECT OF NON-UNIFORM LOCAL TENSIONS ON RESISTANCE TO CRACKING IN PROTECTIVE COATINGS
B.H. Савостьянов, Л.Ю. Фриштер, Л.В. Макарова*
V.N. Savostjanov, L.U. Frishter, L.V. Makarova*
ГОУ ВПО МГСУ,
*Пензенский государственный университет архитектуры и строительства
В настоящей статье приводится комплексный анализ, обобщение и разработка перспективных методов оценки трещиностойкости защитно-декоративных покрытий строительных изделий и конструкций.
The present article undertakes a systematic analysis, generalization and formulation of promising methods of evaluating resistance to cracking in protective and decorative coatings for items and structures used in construction.
Настоящая работа проводится по гранту НШ-8684.2010.8 Президента Российской Федерации для государственной поддержки научных исследований научных школ на 2010-2011гг «Многоуровневые численные, аналитические и экспериментальные методы исследования прочности зданий и сооружений с учетом конструктивных и физических особенностей».
Строительство и поддержание рабочего состояния зданий и сооружений требуют большого количества красочных составов, которые образуют на поверхностях строительных конструкций (чаще всего бетонных и штукатурке) покрытия, выполняющие защитные, декоративные и специальные функции. Результаты натурных обследований состояния окрашенной поверхности и анализ литературных данных свидетельствуют, что основным видом разрушения покрытий является их растрескивание. Создание высококачественных защитно-декоративных покрытий невозможно без объективных методов оценки и прогнозирования их трещиностойкости, что способствует повышению срока службы защитно-декоративных покрытий.
Качество защитно-декоративных покрытий наружных стен зданий в соответствии с нормативной литературой производится по натурно-фактологическим показателям обобщенных оценок декоративных и защитных свойств [4,6,7].
В работах Л.В. Макаровой [5,1,8] классифицированы результаты многолетних натурных обследований состояния окрашенной поверхности фасадов зданий в городе Пензе, что позволило определить основные виды дефектов, оказывающих влияние на качество защитно-декоративных покрытий.
Обследованы жилые дома, расположенные согласно ГОСТ 9.039-74 «Коррозионная агрессивность среды» в климатическом районе IV (умеренно-холодном). При осмотре окрашенной поверхности были зафиксированы следующие виды дефектов: растрескивание, отслаивание, выветривание, грязеудержание покрытий, мокрые пятна, разнотонность. Согласно полученным данным такой дефект, как трещины по покрытию вдоль вертикального стыка панелей, встречаются наиболее часто и составляют 22,6-66,6% от общего числа дефектов в зависимости от вида покрытия и срока эксплуатации. После 5 лет эксплуатации, в число приоритетных дефектов по-прежнему входят трещины по покрытию вдоль вертикального стыка по торцу здания.
В настоящее время отсутствуют подходы или методы по качественной и количественной оценкам трещиностойкости материалов [9]. Среди наиболее известных методов оценки трещиностойкости выделяются следующие основные группы:
- косвенные методы оценки по физико-механическим свойствам;
- методы непосредственной оценки трещиностойкости;
- методы оценки, основанные на моделировании структуры материала;
- методы оценки по энергетическим параметрам разрушения и деформирования материала;
- теоретико-экспериментальные методы решения задачи о напряженно - деформированном состоянии (НДС) в области локальной концентрации напряжений, обусловленной формой границы, например, угловым вырезом.
Косвенные методы оценивают трещиностойкость по коэффициентам, учитывающим сочетание физико-механических свойств, или сами свойства: модуль упругости, предел прочности на растяжение, предельную растяжимость, деформацию усадки и другие свойства. Такой подход предложен Л. П. Орентлихер, И. П. Новиковой, В. В. Стольниковым, Е. С. Силаенковым, А. Е. Шейкиным и др.
Методы непосредственной оценки трещиностойкости основаны на визуальном наблюдении трещин. Самый распространенный из таких методов - метод колец, стандартизированный во Франции и США. Суть его заключается в обжатии датчика цементной системой при усадке. При этом суммируется не только влияние усадки, но и ползучести, предельной растяжимости, модуля упругости и других. Критерием трещиностойкости является время появления первых трещин при обжатии. Метод прост, но дает только качественную оценку трещиностойкости. Разработан такими авторами, как H.A. Попов, Л.П. Орентлихер, Р. Лермит, Г.М. Рущук, Б.Г. Скрамтаев и др.
Метод, основанный на энергетическом подходе, стандартизирован в России (ГОСТ 29167-91 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении»). На компьютеризированной установке автоматически производится запись диаграммы деформирования и разрушения и расчет количественных показателей трещиностойкости. Удельные энергозатраты определяются на единицу площади поперечного сечения образца.
Широкое распространение в области механики разрушения получил метод акустической эмиссии, основанный на возбуждении, регистрации и последующем анализе сигналов акустической эмиссии, принятых в виде волн напряжений соответствующим преобразователем [2,3].
Метод акустической эмиссии позволяет количественно и качество оценить структурные изменения, пластические деформации, кинетику развития дефектов при различных видах механического воздействия на материалы. Учитывая, что основным видом разрушения защитно-декоративных покрытий является растрескивание, использование метода акустической эмиссии для прогнозирования трещиностойкости покры-
тий является одним из вариантов решения актуальной, на сегодняшний день, задачи -повышения срока их службы.
Применительно к защитно-декоративным покрытиям, проблема трещиностойко-сти практически не разрабатывалась и не решена.
В настоящее время оценку трещиностойкости защитно-декоративных покрытий производят по методике В.В. Шнейдеровой [13]. Суть метода заключается в моделировании процесса образования трещин в железобетонном элементе, при растяжении которого в бетоне под покрытием создаются трещины. Состояние покрытия над трещиной замеряемой ширины оценивают по его сплошности при 20-30-кратном увеличении через оптический прибор. За показатель трещиностойкости принимают ширину раскрытия трещины, предшествующей той, когда было замечено образование первого дефекта в покрытии над трещиной.
При феноменологическом изучении дефектов покрытий [5] выявлены наиболее часто встречающиеся и принятые как характерные виды растрескивания покрытий (10 видов) и проверено подразделение трещин в зависимости от их плотности распределения (4 вида ). Проведено исследование применения покрытий по их свойствам в зависимости от состава покрытия, дана оценка адгезионной прочности покрытий, выявлены закономерности трещинообразования покрытий в процессе старения [5].
На основе анализа результатов, полученных с использованием предлагаемой методики оценки трещиностойкости покрытий [5] и метода акустической эмиссии, установлен различный характер изменения коэффициента интенсивности напряжений в покрытиях в зависимости от вида покрытия, продолжительности и характера старения, а так же предложены материаловедческие пути повышения трещиностойкости защитно-декоративных покрытий.
Предложенные Л.В.Макаровой методики оценки трещиностойкости защитно-декоративных покрытий позволяют разработать состав шпатлевки, предназначенной для выравнивания бетонных и штукатурных поверхностей и включающий шлам нейтрализации полировальной смеси стекольного производства, гидроксид натрия, известь-пушонку, клей КМЦ, раствор жидкого стекла, и определить основные физико-механические свойства разработанной шпатлевки.
Проведенный анализ экспериментальных методов оценки прочности и долговечности покрытий, основанные на натурных данных, приводит к необходимости разработки теоретико-экспериментальных методов определения напряженно-деформированного состояния покрытия в зоне трещины при учете усадки и периодического изменения температуры, прочностных характеристик.
Исследование НДС конструкций: покрытие-основание, в зоне локальной концентрации напряжений, обусловленной формой (угловыми вырезами), необходимо для дальнейшего исследования процесса трещинообразования.
В работах [11,12] рассматривается расчетно-экспериментальный метод исследования зон локальной концентрации конструкций, обусловленной формой границы (угловые вырезы) при действии разрывных вынужденных деформаций, выходящих в источник геометрической концентрации напряжений.
Согласно теоретическому анализу [10,11] решение задачи теории упругости ^ в окрестности нерегулярной точки границы плоской области, в которую выходит конечный разрыв (скачок) вынужденных деформаций, представимо в виде:
л = лс , (1)
где - "собственное" решение однородной краевой задачи в окрестности нере-
гулярной точки границы области, характеризующее особенность решения;
_ НДС, обусловленное действием заданных нагрузок, зависит от геометрического параметра - "степени приближения" к особой точке. Представление (1) справедливо в пространственном случае для точек на особой линии границы области.
Согласно теоретическому представлению НДС в виде (1) в окрестности особой точки границы плоской области существует два самоуравновешенных напряженных состояния. Первое - самоуравновешенное радиальное НС, полученное как решение плоской однородной краевой задачи в окрестности нерегулярной точки границы области, переходящее в сингулярное НС при приближении к нерегулярной точке границы изнутри области. Другая оставшаяся часть самоуравновешенного плоского НС в области вершины углового выреза границы, соответствует напряжениям, обусловленным действием заданных нагрузок или общего поля напряжений.
Экспериментальное решение методом фотупругости в окрестности нерегулярной точки границы плоской области рассматривается на составной плоской модели, в одной из областей которой (О2) созданы свободные температурные деформации а ТЬу , а другая область (О^ свободна от нагрузок. Линия контакта областей выходит в нерегулярную точку границы - вершину углового выреза границы пластины с различными углами раствора.
В области несингулярного решения однородной плоской упругой задачи возможно привести оценки, используя которые можно экстраполировать данные на сечения, близко расположенные к нерегулярной точке границы, с учетом данных эксперимента и практической точности измерения методом фотоупругости.
Согласно теоретико-экспериментальному анализу НС в окрестности нерегулярной точки границы плоской области, в которую выходит скачок вынужденных деформаций, предлагается следующая формула для экстраполяции экспериментальных данных:
С
ш,, (2)
m, м =
V ri+1 У
где mj порядки полос по данным эксперимента в расчетном сечении ri в окрестности несингулярного решения однородной краевой задачи, mi+1 порядки полос в сечении меньшего радиуса ri+1 < ri, , расположенного в области с нечитаемой или "плохо" читаемой картиной изохром модели, X0 = minRe X - минимальное значение действительной части комплексного корня характеристического уравнения однородной краевой задачи для модельного клина, определяется расчетно [12].
В рассмотренных сечениях практически совпадают эпюры порядков полос, построенные по соотношению (2) и по экспериментальным данным напрямую по картине полос модели. Совпадение эпюр порядков полос позволяет применить формулу (2) для экстраполяции данных эксперимента [12].
Предлагаемый расчетно-экспериментальный метод позволяет получить и анализировать НДС конструкций в зоне концентрации напряжений, обусловленной конструктивной формой границы и разрывными вынужденными деформациями. Возможно рассмотреть образование трещины, в частности, угловой, и в самом покрытии, и в основании по мере роста трещины, а также образование трещин в области торца сопряжения покрытия и основания.
На основе данных, полученных с использованием предложенного комплекса натурно - фактологических и расчетно-экспериментальных методик, возможна достоверная оценка трещиностойкости защитных покрытий и оснований, а так же разработка рекомендаций и путей повышения трещиностойкости и долговечности защитно-декоративных покрытий строительных изделий и конструкций.
Литература
1. Аронов И.З. Обзор применения диаграмм Парето для целей статистического анализа // Надежность и контроль качества.1995. №8. С. 15-18.
2. Грешников, В. А. Акустическая эмиссия. / В. А. Грешников, Ю. Б. Дробот. М.: Изд-во стандартов. 1976. 272 с.
3. Кудрявцева, Е.Г. Исследование обжиговых процессов в керамических материалах методом АЭ. /Е.Г.Кудрявцева, М.И. Роговой, Г.А. Фокин и др. // Известия ВУЗов. Строительство. 1982. №3. С. 72-76.
4. Логанина, В.И. Стойкость защитно-декоративных покрытий наружных стен зданий. / В.И. Логанина, Л.П. Орентлихер, Ю.А. Соколова. М.: Издательство Ассоциации строительных вузов, 1999. 105 с.
5. Логанина В.И., Макарова Л.В., Макридин Н.И. Прогнозирование трещиностойкости декоративных покрытий наружных стен зданий. Монография, Пенза, Приволжский дом знаний, 2004.
6. Орентлихер, Л.П. Прогнозирование эксплуатационной стойкости защитно-декоративных покрытий. / Л.П. Орентлихер, В.И. Логанина // Известия вузов. Строительство и архитектура. 1988. №8. С. 63-64.
7. Орентлихер, Л.П. Разработка параметров отказа защитно-декоративных покрытий наружных ограждений. / Л.П. Орентлихер, В.И. Логанина // Строительные материалы. 1986. № 10. С. 27-29.
8. Орентлихер, Л.П. Анализ качества защитно-декоративных покрытий наружных стен зданий с помощью диаграммы Парето. / Л.П. Орентлихер, В.И. Логанина // Известия вузов. Строительство. 2001. №6. С. 128-130.
9. Орешкин, Д.В. Проблемы трещиностойкости цементных материалов. / Д.В. Орешкин, Г.Н. Первушкин // Седьмые академические чтения РААСН. Белгород. С. 396-402.
10.Фриштер Л.Ю. Исследование напряженно-деформированного состояния конструкций при действии вынужденных деформаций в зонах концентрации напряжений. Academia. Архитектура и строительство. Российская академия архитектуры и строительных наук. № 4, М., 2008, с. 94-97.
11. Фриштер Л.Ю. О возможностях получения методом фотоупругости напряженного состояния в области концентрации напряжений. Вестник МГСУ. №1, 2008.
12. Фриштер Л.Ю. Экстраполяция экспериментальных данных метода размораживания деформаций в области концентрации напряжений. Вестник МГСУ. М., МГСУ. 2008, с. 272-276.
13. Шнейдерова, В.В. Антикоррозийные лакокрасочные покрытия. М.: Стройиздат., 1982. -132 с.
The literature
1. Aronov, I.Z., 'Survey of use of Pareto diagrams in statistical analysis' in: Nadezhnost' i kon-trol' kachestva, 1995, No. 8, pp. 15-18.
2. Greshnikov, V.A., Akusticheskaya emissiya (V.A. Greshnikov, Y.B. Drobot), Moscow: Izda-tel'stvo standartov, 1976, p. 272.
3. Kudryavtseva, Y.G., 'A study of firing processes in ceramic materials using the Acoustic Emission method' (Y.G. Kudryavtseva, M.I. Rogovoy, G.A. Forkin, et al.) in: Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo, 1982, No. 3, pp. 72-76.
4. Loganina, V.I., Stoykost' zashchitno-dekorativnykhpokrytiy naruzhnykh sten zdaniy (V.I. Loganina, L.P. Orentlikher, Y.A. Sokolova), Moscow: Izdatel'stvo Assotsiatsii stroitel'nykh vuzov, 1999, p. 105
5. Loganina V.I., Makarova L.V., Makridin, N.I., Prognozirovanie treshchinostoikosti dekorativ-nykh pokritiy naruzhnykh sten zdaniy. Monografya, Penza, Privolzhskiy dom znaniy, 2004.
6. Orentlikher, L.P., 'Predicting stability of protective and decorative coatings' (L.P. Orentlikher, V.I. Loganina) in: Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo i arkhitektura, 1988, No. 8, pp. 63-64.
7. Orentlikher L.P., 'Formulating parameters for failure of protective and decorative coatings on external perimeter structures' (L.P. Orentlikher, V.I. Loganina) in: Stroitel'nye materialy, 1986, No. 10, pp. 27-29.
8. Orentlikher, L.P., 'Analysis of the quality of protective and decorative coatings for external walls of buildings using a Pareto diagram' (L.P. Orentlikher, V.I. Loganina) in: Izvestiya vuzov. Stroitel'stvo, 2001, No. 6, pp. 128-130.
9. Oreshkin, D.V., 'Issues relating to resistance to cracking in cement materials' (D.V. Oreshkin, G.N. Pervushkin) in: Sed'mye akademicheskie chteniya RAASN, Belgorod, pp. 396-402.
10. Frishter, L.Y., 'A study of the stressed-deformed state of structures when subject to enforced deformation in zones of concentrated tension', Academia. Arkhitektura i stroitel'stvo. Rossiyskaya akademiya arkhitektury i stroitel'nykh nauk, No. 4, Moscow, 2008, pp. 94-97.
11. Frishter, L.Y., 'On possibilities for using the photoelasticity method to achieve a state of tension in areas of concentrated tension' in: Vestnik MGSU, No. 1, 2008.
12. Frishter, L.Y., 'Extrapolation of experimental data from a method of unfreezing deformation in areas of concentrated tension' in: Vestnik MGSU, Moscow, MGSU, 2008, pp. 272-276.
13. Shneyderova, V.V., Antikorroziynye lakokrasochnyepokrytiya, Moscow, Stroyizdat, 1982, p.
132
Ключевые слова: трещиностойкость защитных покрытий конструкций, показатели и методы оценки трещиностойкости, локальное напряженное состояние, метод фотоупруготи
Keywords: resistance to cracking in protective coatings for structures; indices and methods of evaluation of resistance to cracking; local tensed state; photoelasticity method
129337, Ярославское шоссе, 26, МГСУ, тел.:8 (499)183-30-38, e-mail: [email protected]
Рецензент: Сидоров Владимир Николаевич, д. т.н., проф. ГОУ ВПО Московского государственного строительного университета
