Магнитные герметизирующие эпоксидные композиционные материалы с наполнителями из отходов производств

Актуальность темы

Важные промышленные объекты должны устойчиво функционировать не только в обычном режиме, но и в условиях чрезвычайных ситуаций военного и мирного времени, как при воздействии боевых средств поражения, так и при возникновении аварий и катастроф техногенного характера.

Для решения проблемы устойчивого функционирования промышленных объектов в чрезвычайных ситуациях используют специальные защитные сооружения гражданской обороны: убежища, пункты управления, укрытия резервных источников электроэнергии и другие. Они позволяют в случае воздействия различных поражающих факторов снизить, а в отдельных случаях и полностью исключить людские потери, сохранить в сооружениях технологическое оборудование и инженерные системы.

Создание непроницаемого защитного контура герметизации в ограждающих конструкциях специальных защитных сооружений из железобетона является в настоящее время проблематичной задачей, так как в мелкозернистом бетоне, применяемом для заполнения полостей стыков между сборными изделиями, а также в бетоне на контактах с металлом в местах пропуска через стены и покрытие металлических деталей входных устройств и инженерных коммуникаций при воздействии температурных, осадочных и усадочных деформаций, возникают значительные дефектные образования в виде трещин и пустот, через которые во внутреннее пространство сооружения может затекать вредная наружная газовая среда с продуктами распада радиоактивных элементов и вредных химических веществ.

Заделка трещин на контакте металл-бетон традиционными способами силикатизации и цементации не дает положительного эффекта. Жидкое стекло для этой цели применять нельзя, так как оно ускоряет скорость коррозии. Герметизировать мелкие трещины с их малым сечением способом цементации практически невозможно, так как при их заполнении составами с высоким водоцементным соотношением из них в виде осадка откладывается цемент, закупоривая трещину в устье, в то время как весь остальной объем трещины остается незаполненным. Если производить герметизацию трещин на контакте металл-бетон эпоксидными и другими смолами, то до их отверждения из крупных и вертикальных трещин эти составы вытекают под собственной тяжестью, в результате чего отмечается низкое качество работ и большой расход материалов. Для улучшения качества герметизационных работ и снижения затрат требуются новые материалы и новый нетрадиционный способ заполнения и удержания в трещинах герметизирующих составов до их отверждения. Была выдвинута идея создания магнитных герметизирующих композиционных материалов, которые инъецировались бы в трещины и удерживались там не только избыточным давлением нагнетания, но и каким либо внешним воздействием, например, индукцией локального магнитного поля в случае наполнения герметизирующих материалов ферромагнитным наполнителем.

В связи с вышесказанным, целью работы являлась решение научных и практических проблем по разработке новых составов магнитных герметизирующих эпоксидных композиционных материалов (МГЭКМ) с ферромагнитным наполнителем (ФН) из отходов промышленных производств для эффективной заделки трещин на поверхности раздела металл-бетон в железобетонных конструкциях сооружений специального строительства под воздействием внешнего локального магнитного поля.

Для достижения цели были определены следующие задачи:

1. Проанализировать отечественный и зарубежный опыт по созданию герметизирующих материалов для заделки трещин и, на основе сделанного анализа, теоретически и экспериментально подтвердить возможность создания эффективных МГЭКМ с ФН из отходов промышленных производств для качественной заделки трещин на поверхности раздела металл-бетон в железобетонных конструкциях специальных сооружений под воздействием внешнего локального магнитного поля.

2. Разработать оптимальные составы МГЭКМ с ФН из тонкомолотого конвертерного шлака и продуктов обработки металлов абразивными материалами.

3. Исследовать особенностей структурообразования МГЭКМ с ФН под воздействием внешнего локального магнитного поля.

4. Произвести оценку реологических свойств, адгезии, прочностных и магнитных характеристик МГЭКМ, изготовленных под воздействием внешнего локального магнитного поля.

5.Определить оптимальные параметры магнитного поля и давления нагнетания для эффективных составов МГЭКМ.

6. Разработать технологию герметизации трещин составами МГЭКМ на поверхности раздела металл-бетон в железобетонных конструкциях под воздействием внешнего локального магнитного поля.

7. Разработать способ оценки качества герметизационных работ для составов МГЭКМ с ФН из отходов промышленных производств.

8. Произвести оценку технико-экономической эффективности применения МГЭКМ с ФН из отходов промышленных производств для герметизации трещин на поверхности раздела металл-бетон в железобетонных конструкциях сооружений специального строительства.

В работе над диссертацией автор опирался на научные труды отечественных и зарубежных ученых: Атабекова Г. И., Ахвердова И. Н., Баженова Ю. М., Бессонова JI.A., Биндер К., Бобрышева А. Н., Болотских Н. С., Буданова А. Р., Бочарникова A.C., Боровской С. Н., Глебова А. Р., Деева И. С., Заварова В. А., Зайцева Ю. С., Комохова П. Г., Корнеева А. Д., Крока Р., Ландау Л. Д., Липатова Ю. С., Литвинова И. М., Ли X., Лосье А., Малиновского М. С., Огороднева Б. Е., Пакен A.M., Перцева В. Т., Прошина А. П., Слободкина Д. О., Соломатова В. И.,.

Федосова C.B., Фрейдина A.C., Френкеля Я. И., Чернышова Е. М., Шкловского Б. И., Шмитько Е. И., Штауфер Д. и др.

Научная новизна работы:

— теоретически обоснована и экспериментально подтверждена возможность использования ферромагнитных наполнителей из отходов производств в виде тонкомолотого конвертерного шлака и продуктов обработки металлов абразивными материалами для создания магнитных герметизирующих эпоксидных композиционных материалов (МГЭКМ) с необходимыми прочностными и технологическими свойствами для качественной герметизации трещин на поверхности раздела металл-бетон в железобетонных конструкциях сооружений специального строительства под воздействием внешнего локального магнитного поля;

— определены оптимальные составы МГЭКМ с ферромагнитным наполнителем из конвертерного шлака и продуктов обработки металлов абразивными материалами для изготовления и нагнетания в трещины под воздействием внешнего локального магнитного поля;

— дополнена и развита теория структурообразования МГЭКМ как мало-наполненного полимерного композиционного материала с более полным предельным насыщением эпоксидной матрицы ферромагнитным наполнителем под воздействием внешнего локального магнитного поля, в процессе ее перехода из объемного состояния в пленочное;

— определены магнитные свойства материалов: магнитная проницаемость металлов и магнитная восприимчивость составов МГЭКМ при различной степени насыщения эпоксидной матрицы наполнителем и различных значениях индукции внешнего локального магнитного поля;

— разработана методика расчета вязкости неотвержденных смесей МГЭКМ, изготавливаемых под воздействием локального магнитного поля, с учетом степени насыщения эпоксидной матрицы наполнителем и параметров магнитного поля;

— определены эффективные граничные параметры внешнего локального магнитного поля и давления нагнетания МГЭКМ в трещины на поверхности раздела металл-бетон в железобетонных конструкциях;

— разработана методика расчета параметров нагнетания и технология герметизации трещин на поверхности раздела металл-бетон составами МГЭКМ с ферромагнитным наполнителем из отходов промышленных производств под воздействием внешнего локального магнитного поля;

— предложен способ оценки качества герметизационных работ составами МГЭКМ по коэффициенту воздухопроницаемости и определены предельно-допустимые объемы фильтрации воздуха мест контакта металл-бетон для ограждающих конструкций входных устройств и вводов инженерных коммуникаций в сооружения с толщинами стен 0,1. 0,6 м.

Практическая значимость работы заключается в использовании научных результатов диссертации в решении прикладных задач, связанных с разработкой нормативной, проектной и технической документации для организации работ по обеспечению требуемой степени герметичности специальных защитных сооруженийв практическом применении в специальном и промышленном строительстве предложенных составов МГЭКМ и технологии герметизации трещин на поверхностях раздела металл-бетон под воздействием внешнего локального магнитного поля для улучшения качества работ и снижения затрат на их выполнение.

Внедрение результатов диссертационной работы осуществлено в следующем виде.

1 Герметизация трещин по поверхностям раздела металл-бетон металлического обрамления дверного полотна герметической двери в помещении резервной электростанции убежища ГО ОАО «Новолипецкий металлургический комбинат» (ОАО HJ1MK).

2 Заделка швов (11 088 пм) при устройстве плиточных полов в электропомещении и помещении газоотводящих трактов КЦ-1 ОАО HJIMK (1400 м2).

3 В использовании результатов диссертационной работы в учебном процессе при изучении дисциплин «Строительные материалы» и «Безопасность жизнедеятельности».

Достоверность и обоснованность результатов и выводов диссертационной работы подтверждены:

— корректностью постановки теоретических задач, принятых допущений, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований;

— удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований;

— успешным использованием составов МГЭКМ и технологии герметизации трещин указанными составами под воздействием внешнего локального магнитного поля на объектах специального строительства ОАО НЛМК.

Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждены на Всероссийской научно-технической конференции «Социально-экономические и технологические проблемы развития строительного комплекса и жилищно-коммунального хозяйства региона» (г.Волгоград г. Михайловка, 2006 г.), на научно-практической конференции «Эффективные конструкции, материалы и технологии в строительстве и архитектуре», посвященной 50-летию Липецкого государственного технического университета (г.Липецк, 2006 г.), на международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве.- 81В-2008» (г.Воронеж, 2008 г.).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 печатных работ, из них одна работа в издании из перечня, определенного ВАК.

Основные результаты, выносимые на защиту:

— теоретическое и экспериментальное обоснование механизма влияния степени наполнения и параметров внешнего локального магнитного поля на структурообразование, прочностные и технологические свойства составов МГЭКМ;

— математическая модель напряженного состояния двухэлементной системы «частица наполнителя — граничный слой пленочной структуры эпоксидной матрицы», позволяющая анализировать процесс структурообразования МГЭКМ, определять величины внутренних напряжений в структурных элементах и прогнозировать характер изменения прочности МГЭКМ в процессе насыщения эпоксидной матрицы наполнителем;

— оптимальные составы МГЭКМ с наполнителем из отходов производств (тонкомолотый конвертерный шлак и продукты обточки стали на электрокорунде) и технологию герметизации трещин на поверхности раздела металл-бетон в железобетонных конструкциях под воздействием внешнего локального магнитного поля;

— результаты оценки магнитных свойств материалов: степени магнитной проницаемости металлов и магнитной восприимчивости составов МГЭКМ при воздействии на них параметров внешнего локального магнитного поля;

— методика расчета параметров нагнетания и способ оценки качества герметизационных работ по коэффициенту воздухопроницаемости загерметизированных мест на основе предельно-допустимых объемов фильтрации воздуха через них, определенных экспериментальными исследованиями;

— результаты исследований зависимости основных прочностных и технологических свойств МГЭКМ от степени насыщения, геометрических размеров наполнителя и параметров внешнего локального магнитного поля.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, основных выводов. Общий объем диссертации составляет 194 страницу машинописного текста, включая 50 таблиц, 63 рисунка, а также списка литературы из 105 наименований. Кроме того, в диссертацию включено приложение с актами внедрения на 3 страницах.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ.

1 Установлена особенность структурообразования МГЭКМ как малона-полненного полимерного композиционного материала, у которого объемная критическая степень насыщения матрицы ферромагнитным наполнителем повышается под воздействием индукции внешнего локального магнитного поля (В=0,012.0,049 Тл) с 0,16 до 0,20. 0,24, что в значительной мере улучшает прочностные и адгезионные свойства материала.

2. Определены оптимальные составы МГЭКМ с ферромагнитным наполнителем из продуктов обработки стали абразивными материалами и конвертерного шлака для изготовления и нагнетания в трещины на контакте металл-бетон под воздействием внешнего локального магнитного поля с содержанием компонентов в массовых частях: эпоксидная смола ЭД-20: отверди-тель ПЭПА: наполнитель, соответственно 69,0: 3,5: 27,5 -и 64,5: 3,2: 32,3.

3. Разработана модель напряженного состояния двухэлементной системы «частица' наполнителя — граничный слой пленочной структуры эпоксидной матрицы МГЭКМ» вследствие усадки матрицы и воздействия на нее повышенных температур в процессе отверждения, которая позволила:

— получить формулы для определения внутренних напряжений сжатия частиц наполнителя и растяжения пленочной структуры эпоксидной матрицы МГЭКМ:

9).

Н I' ам=Ем-8(-ку) — (10).

— определить причины уменьшении прочности МГЭКМ в процессе объемного насыщения матрицы наполнителем от 0 до 0,12. 0,16 за счет превышения внутренних растягивающих напряжений, воздействующих на матрицу в процессе ее усадки, над силами сцепления матрицы с поверхностью частицы наполнителя, в результате чего на контактных поверхностях матрицы с частицами наполнителей возникают так называемые псевдопоры и дальнейшего возрастания прочности МГЭКМ при степени наполнении 0,16. 0,24 за счет снижения (выравнивания) разности между внутренними растягивающими и сжимающими напряжениями.

4. Получена формула расчета вязкости неотвержденных смесей МГЭКМ, изготавливаемых под воздействием внешнего локального магнитного поля:

5.Определены эффективные граничные параметры индукции внешнего локального магнитного поля и давления нагнетания МГЭКМ в трещины на поверхности раздела металл-бетон (В=0,01. 0,05 Тл и 170. 190 кПа).

6. Определены магнитные свойства материалов: степень магнитного насыщения и магнитная проницаемость металлов, а также магнитная восприимчивость МГЭКМ при различных значениях индукции внешнего локального магнитного поля.

7. Разработана методика расчета параметров нагнетания и технология герметизации трещин на контакте металл-бетон составами МГЭКМ с ферромагнитными наполнителями из отходов производств под воздействием внешнего локального магнитного поля.

8. Предложен способ оценки качества герметизационных работ по коэффициенту воздухопроницаемости и определены предельно-допустимые объемы фильтрации воздуха мест контакта металл-бетон для конструкций входных устройств и вводов инженерных коммуникаций с толщинами 0,1. 0,6 м (степени герметичности специальных защитных сооружений.

9. Установлен экономический эффект применения МГЭКМ с ферромагнитным наполнителем из отходов промышленных производств (более 130 тысяч рублей на 1 м³ МГЭКМ).

И).

1,5−10″ 3. З-Ю" 3 — 0,5−10″ 3. 1- 10 г3 м ч-мдаПа для обеспечения требуемой.