Биодеструкция и биозащита строительных композитов

Вид материала

Автореферат

Содержание В шестой главе 1 — потери от биоразрушений; 2 — В седьмой главе Основные выводы

Подобный материал:

• Изменения структуры и свойств цементных композитов под влиянием углеродных наномодификаторов, 69.63kb.
• Влияние природы наполнителя и механической активации на свойства композитов на основе, 282.48kb.
• «Химия и технология переработки пластмасс и полимерных композитов», 351.62kb.
• Построение погрешностей для перемещений дискретных моделей двумерных композитов регулярной, 41.39kb.
• Отчет о научно-исследовательской работе за 2008 год Тема нир: Разработка новых нанотехнологий, 100.77kb.
• Вопросы к экзамену (зачету), 21.93kb.
• Рассказывают, 316.73kb.
• Свод правил по проектированию и строительству сп 82-101-98 "Приготовление и применение, 1109.85kb.
• Конкурс Руководителям строительных, проектных, изыскательских организаций и предприятий, 21.12kb.
• Себестоимость строительных работ, 67.79kb.

В пятой главе осуществлена разработка биостойких составов композиционных материалов и исследованы их физико-технические свойства.

Для изучения влияния природы биоцидной добавки и наполнителя на структурно-фазовые превращения, происходящие в композитах, проведены исследования с помощью рентгеноструктурного анализа. Результаты исследования показывают, что вид наполнителя и биоцидной добавки оказывает влияние на структурно-фазовые превращения цементных композитов. С целью установления влияния биоцидных добавок на физико-технические свойства цементных композитов были проведены комплексные исследования. Было установлено, что перманганат калия, медный купорос и фенол оказывают влияние не только на биологическое сопротивление, но и на основные физико-технические свойства материалов. Проведенные исследования показали, что прочность цементных композитов зависит от содержания биоцидных добавок и вида наполнителя. Увеличение прочности наблюдается при введении в цементные композиты, наполненные кварцевым песком добавки перманганата калия в количестве 2,5 мас.ч., медного купороса − 4 мас.ч., фенола − 0,5 мас. ч. на 100 мас.ч. вяжущего. Увеличение содержания добавок снижает прочностные характеристики.

Результаты исследования также показали, что модуль упругости композитов возрастает при использовании более плотных наполнителей, у составов с кварцевым песком этот показатель выше по сравнению с составами, в которых использовался диатомит.

Степень разрушения изделий и конструкций зданий и сооружений, а также степень их зараженности микроорганизмами зависит от плотности материалов, из которых они изготовлены, и определяется также влажностью помещений. В этой связи было изучено совместное влияние фунгицидной добавки «Тефлекс» и уплотняющей добавки «Кристаллизол», фунгицидной добавки «Тефлекс» и противоморозной добавки формиат натрия на биостойкость, прочностные характеристики, водонепроницаемость и морозостойкость цементных композитов. Результаты исследований обрастаемости наполненных и ненаполненных цементных композиций, содержащих биоцидную и уплотняющую добавки приведены в табл. 6.

Таблица 6


Обрастаемость композитов в условиях воздействия мицелиальных грибов

№ состава	Содержание биоцидной добавки, мас. ч.	Содержание уплотняющей добавки, мас. ч.	Наполнитель (песок), мас.ч.	Устойчивость к действию грибов, балл	Характеристика по ГОСТ
Метод 1	Метод 3
1	0	0	-	3	5	негрибостойкий
2	5	0	-	1	4	грибостойкий
3	10	0	-	0	2	грибостойкий
4	0	5	-	0	5	грибостойкий
5	5	5	-	0	4	грибостойкий
6	10	5	-	0	3	грибостойкий
8	5	10	-	0	4	грибостойкий
9	10	10	-	0	3	грибостойкий
10	0	0	300	3	5	негрибостойкий
11	5	0	300	1	4	грибостойкий
12	10	0	300	1	3	грибостойкий
13	0	5	300	1	5	грибостойкий
14	5	5	300	1	4	грибостойкий
15	10	5	300	0	3	грибостойкий
16	0	10	300	1	5	грибостойкий
17	5	10	300	0	4	грибостойкий
18	10	10	300	0	3	грибостойкий

Из результатов исследования следует, что устойчивость композитов к действию мицелиальных грибов, содержащих различное количество биоцидной и уплотняющей добавок – различная. Также выявлено, что введение препарата «Тефлекс» одновременно с уплотняющей добавкой способствует повышению биостойкости.

При испытании по методу 1 у составов, содержащих добавку в количестве 4 мас.ч. повышается грибостойкость, при исследовании биостойкости по методу 3 введение биоцидного препарата в количестве 5 и 10 мас.ч. приводит к снижению обрастаемости, соответственно, от 5 баллов до 4 и 3 баллов.

В результате обработки результатов эксперимента были получены математические модели физико-механических свойств цементных композитов, содержащих биоцидную и уплотняющую добавки. Прочность на сжатие описывается следующими математическими зависимостями:

Y=23,18+2,288·X₁·X₂–3,863·X₂²–0,457·X₁²X₂–0,762·X₁X₂²+4,575·X₁⁴+11,895·X₂⁴ (для ненаполненных композитов)

Y=11,78–1,963·X₂²–0,232·X₁²X₂–0,387· X₁X₂²+2,325·X₁⁴+6,045·X₂⁴ (для наполненных композитов)

Для показателей водонепроницаемости цементных композитов построены уравнения:

Y=1,01–0,159·X₂²–0,181· X₁X₂² +0,352·X₂⁴ (для ненаполненных составов)

Y=0,933–0,106·X₁·X₂–0,133·X₂² +0,114·X₁⁴+0,409·X₂⁴ (для наполненных составов)

Из рис. 2, на котором приводится изменение прочности на сжатие, следует, что изменение показателя для ненаполненных и наполненных составов в зависимости от количественного содержания добавок имеет похожий характер. Наиболее высокие показатели прочности соответствуют составам с повышенным содержанием фунгицидной и уплотняющей добавок.

а) б)



Рисунок 2. Зависимость показателя прочности на сжатие ненаполненных (а) и наполненных (б) цементных композитов от содержания биоцидной и уплотняющей добавок


На рис. 3 приведены результаты испытаний ненаполненных и наполненных цементных композитов на водонепроницаемость. Введение уплотняющей добавки в количестве 5 мас. ч. от массы цемента повышает водонепроницаемость образцов почти в 3 раза. Наибольшего значения показатель водонепроницаемости достигает как у ненаполненных, так и наполненных образцов с повышенным содержанием добавок.

а) б)



Рисунок 3. Зависимость показателя водонепроницаемости ненаполненных (а) и наполненных (б) цементных композитов от содержания биоцидной и уплотняющей добавок


Результаты проведенных исследований позволяют сделать вывод, что совместное введение в цементные составы биоцидной и уплотняющей добавок повышает биостойкость и физико-механические свойства композитов.

Влияние биоцидной и противоморозной добавок на биостойкость и физико-химические свойства цементных композитов показано в табл. 7.

Таблица 7

Составы цементных композитов и их обрастаемость мицелиальными грибами

Содержание биоцидной добавки, мас. ч.	Содержание противоморозной добавки, мас. ч.	Наполнитель	Устойчивость к действию грибов, балл	Характеристика по ГОСТ
Метод 1	Метод 3
1	2	3	4	5	6
0	0	-	1	4	грибостойкий
4	0	-	0	5	грибостойкий
8	0	-	0	4	грибостойкий
0	2,5	-	0	4	грибостойкий
4	2,5	-	0	4	грибостойкий
8	2,5	-	0	5	грибостойкий
0	5	-	0	5	грибостойкий
4	5	-	1	4	грибостойкий
8	5	-	0	4	грибостойкий
0	0	песок	2	5	грибостойкий
4	0	песок	1	5	грибостойкий
8	0	песок	1	4	грибостойкий
0	2,5	песок	1	4	грибостойкий
4	2,5	песок	0	5	грибостойкий
8	2,5	песок	1	5	грибостойкий
0	5	песок	0	5	грибостойкий
4	5	песок	0	4	грибостойкий
8	5	песок	0	5	грибостойкий

Было установлено, что рассматриваемые добавки оказывают влияние не только на биологическое сопротивление, но и на основные физико-технические свойства материалов.

В результате обработки результатов эксперимента были получены математические модели физико-механических свойств цементных композитов, содержащих биоцидную и противоморозную добавки. Прочность на сжатие описывается следующими математическими зависимостями:

Y=0,708+0,011·X₁+0,093·X₂–0,039·X₁X₂+0,059·X₂² +0,103·X₁ X₂²–0,059·X₁²X₂² (для ненаполненных композитов)

Y=0,494+0,136·X₁+0,098·X₂–0,055·X₁X₂+0,003·X₂² –0,094·X₁ X₂²–0,085·X₁²X₂² (для наполненных композитов).

Для показателей морозостойкости цементных композитов построены уравнения:

Y=0,694+0,029·X₁+0,089·X₂–0,053·X₁²+0,002·X₂² –0,007·X₁²X₂+0,040·X₁²X₂² (для ненаполненных составов)

Y=0,624+0,026·X₁+0,080·X₂–0,048·X₁²+0,002·X₂² –0,009·X₁²X₂–0,003·X₁X₂²+0,039·X₁²X₂² (для наполненных составов).

На рис. 4 приведены графики изменения коэффициента стойкости композитов при выдерживании в биологически агрессивных средах в течении 180 суток от содержания фунгицидной и противоморозной добавок.

а) б)



Рис. 4. Зависимость изменения коэффициента стойкости ненаполненных (а) и наполненных (б) цементных композитов от содержания фунгицидной и противоморозной добавок


Более высокую стойкость показали как ненаполненные, так и наполненные составы с повышенным содержанием добавок.

Проведенные исследования морозостойкости цементных композитов показали большее снижение прочности наполненных цементных композитов после замораживания и оттаивания.

По результатам испытаний построены линии равных значений коэффициента морозостойкости (рис. 5). Из графиков следует, что введение противоморозной добавки повышает морозостойкость фунгицидных составов более чем на 15-35%.


а) б)



Рис. 5. Зависимость изменения коэффициента морозостойкости после 100 циклов испытаний ненаполненных (а) и наполненных (б) цементных композитов от количественного содержания фунгицидной и противоморозной добавок.


Таким образом, введение в состав цементных композитов противоморозной добавки – формиата натрия – способствует увеличению срока службы материалов.

В шестой главе проведены исследования по оценке экономических последствий биоповреждений и мероприятий по повышению биостойкости строительных материалов и изделий.

Разработанная методика определения потерь от биоповреждений основывается на сум­марном выражении затрат материальных, трудовых и энергетичес­ких ресурсов, вызываемых биокоррозией строительных конструкций. Общие издержки от биоповреждений связаны с потерями материалов, снижением эффективности использования основных фондов, с затратами на защиту от биоповреждений при производстве продукции и эксплуатации основных фондов. Потери от биокоррозии строительных конструкций при эксплуатации зданий и сооружений разделяются на прямые и косвенные. К прямым потерям относятся: количество и стоимость конструкций и их элементов, подвергнувшихся биоразрушениям, которые заменяются при их полном износе и ликвидации до истечения срока амортизации; стоимость конструкций и их элементов, замененных при проведении капитального и текущего ремонтов; стоимость поврежденных конструкций и полуфабрикатов, списанных по причине разрушительного воздействия биологически агрессивных сред при транспортировке и хранении. К косвенным потерям относятся потери и убытки, связанные с простоем размещенного в производственном здании основного технологического оборудования и машин во время ремонтов строительных конструкций и снижением объема или ухудшением качества выпускаемой продукции, а также потери материалов и продукции и возмещение ущерба смежным отраслям и окружающей среде, возникающего из-за биоповреждений конструктивных элементов зданий и сооружений.

Оценен экологический ущерб от биоповреждений, сопровождающихся загрязнением окружающей среды, который следует подразделять на сумму некоторых дополнительных потерь и затрат из-за аварийных ситуаций, включающую как дополнительные затраты на охрану природы, так и дополнительный экологический ущерб от загрязнения окружающей среды.

Разработанная методика определения экономической эффективности проектных решений защиты от биоповреждений предусматривает сравнение совокупных капитальных вложений и эксплуатационных расходов по рассматриваемым вариантам защиты с учетом фактора времени и срока службы строительного объекта.

Предложено оптимизацию (минимизацию) издержек от биоповреждений проводить в зависимости от степени долговечности кон­струкций, обеспечиваемой различными средствами и методами защиты от биоповреждений при установленной степени воздействия агрес­сивной среды (рис. 6).






Рис. 6. График зависимостей составляющих ущерба от биоповреждений материалов по предлагаемой мето­дике ( 1 — потери от биоразрушений; 2 — затраты на защиту от биоповреждений; 3 - общие (суммарные) издержки от биоповреждений)



В основу разработки расчетной формулы для определения сравнительной экономической эффективности защиты строительных конструкций от биоповреждений положен метод сравнения со­вокупных затрат с учетом фактора их разновремен­ности и сфер приложения. При этом учитываются затраты в сфере создания и поставки биостойких материалов и конструк­ций, в сфере возведения строительных объектов с защитой от биоповреждений и в сфере эксплуатации зданий и сооружений.

В седьмой главе приведены разработанные методики экономической оценки биоповреждений и методов повышения биостойкости в строительной отрасли и сведения о внедрении результатов исследования, в частности повышения биостойкости строительных материалов и изделий и разработки методик для технико-экономической оценки ущерба от повреждений и мероприятий по биозащите зданий и сооружений. Разработана методика проведения исследований на действующих предприятиях с целью определения эксплуатационных расходов и потерь от биоповреждений строительных конструкций, экономической эффективности методов повышения биостойкости, которая прошла апробацию в ОАО «Проектный институт «Мордовгражданпроект» в г. Саранске. Приведены принципиальные технологические схемы изготовления строительных растворных смесей с фунгицидной добавкой «Тефлекс» и биостойких бетонов, прошедшая промышленную апробацию на ОАО «ЖБК-1» в г. Саранске. Осуществлена привязка разработанной технологии изготовления биостойких бетонов к технологии производства фундаментных блоков и строительных растворов. Выпущена опытно-промышленная партия изделий с применением местных сырьевых ресурсов. Определена экономическая эффективность применения фунгицидной добавки «Тефлекс» при изготовлении блоков стен подвала здания. За исходный вариант принималась конструкция подвала здания из бетонных блоков без введения каких-либо добавок в бетон. Предлагаемый вариант представляет собой конструкции подвала здания, при изготовлении которой в бетонную смесь вводится фунгицидная добавка, что позволяет повысить биостойкость бетона и тем самым увеличить межремонтные сроки конструкции. Ожидаемый годовой экономический эффект от внедрения биостойких бетонов составляет: 1530 руб. на 1 м³.


ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ


1. Выявлена роль биокоррозии в разрушении строительных материалов и конструкций. Проведены исследования биодеструкции эпоксидных, полиэфирных, фурановых, жидкостекольных, цементных и гипсовых композитов в стандартных средах мицелиальных грибов и модельных средах метаболитов мицелиальных грибов и бактерий. Установлены количественные зависимости изменения коэффициента стойкости и массосодержания композитов при выдерживании в средах. Сравнение показателей стойкости композитов в водных растворах кислот и щелочей, а также в воде и модельных биологических средах указывает на то, что биологическая среда также приводит к существенному понижению прочности материалов и это необходимо учитывать. Установлено, что разрушение полимерных и жидкостекольных композитов в модельных средах метаболитов микроскопических организмов проходит по диффузионному механизму, а у цементных и гипсовых материалов она идет по гетерогенному механизму.

2. Разработаны способы повышения биостойкости цементных композитов посредством пропитки пористой структуры материалов и изделий фунгицидными составами, введения фунгицидных соединений в составы материалов во время их приготовления, введения в составы заполнителей с модифицированной фунгицидами поверхностью и пористых наполнителей, содержащих в пористой структуре фунгицидные компоненты. На примере использования соединений на основе гуанидина, перманганата калия, медного купороса показана эффективность применения разработанных способов. Установлены закономерности структурообразования цементных композитов с биоцидными добавками. Получены количественные зависимости изменения прочности и биостойкости композитов на уровне микроструктуры от основных факторов: дисперсности и вида наполнителя, количественного содержания и вида биоцидных добавок, модифицирования поверхности наполнителей биоцидными соединениями.

3. Установлено, что при пропитке пористой структуры цементных бетонов композициями на основе жидкого стекла с повышенным содержанием кремнефтористого натрия и эпоксидных композиций с добавкой фенольных соединений у полученных бетонополимеров обрастаемость мицелиальными грибами не наблюдается, т.е. материал становится фунгицидным. Выявлено повышение биостойкости композитов при введении в их состав биоцидной добавки на основе соединений гуанидина. При введении на 100 мас. частей цементного, гипсового, стеклощелочного, эпоксидного и фуранового связующих добавки в количестве, равном соответственно 10, 10, 3, 10 и 10 мас.ч. получены фунгицидные составы. Установлено повышение фунгицидных свойств бетонов за счет введения в их состав модифицированных наполнителей. Получены грибостойкие и фунгицидные составы при наполнении бетонов кварцевым песком, модифицированным перманганатом калия, медным купоросом и фенолом. Установлена возможность повышения биостойкости бетонов посредством введения в их состав пористых наполнителей, содержащих фунгицидные компоненты.

4. Разработаны составы смесей, позволяющих получать высококачественные бетоны, одновременно обладающие повышенной биостойкостью и водонепроницаемостью, биостойкостью и морозостойкостью. Методом математического планирования экспериментов оптимизированы составы ненаполненных и наполненных цементных композитов, содержащих комплексные добавки Тефлекс + формиат натрия, Тефлекс + кристаллизол. Наиболее высокие показатели стойкости соответствуют составам с повышенным содержанием фунгицидной и противоморозной добавок (8 мас.ч. и 5 мас.ч. соответственно). При содержании добавок повышается не только биостойкость, но и морозостойкость композитов (после 96 циклов испытаний коэффициент морозостойкости составил 0,71, что на 25% выше, чем у контрольных составов). Совместное введение фунгицидной и уплотняющей добавок по 10 мас.ч. от массы цемента позволяет достичь показателей прочности в 36,6 МПа для ненаполненных и 18,6 МПа для наполненных составов, что в несколько раз превышает показатели контрольных составов, при этом водонепроницаемость повышается почти в три раза.

5. Определены экономические, экологические и социальные последствия биоповреждений в зданиях и сооружениях. Изложены методы определения и учета эксплуатационных расходов на защиту от биоповреждений зданий и сооружений, последствия простоя активной части основных производственных фондов при проведении ремонтных работ. Приведенная методика технико-экономической эффективности применения биостойких материалов и повышения долговечности строительных конструкций рассматривает во взаимной связи первоначальные капитальные вложения в создание средств защиты, затраты при изготовлении конструкций и возведении строительных объектов, а также затраты и потери, возникающие при эксплуатации зданий и сооружений. Рекомендуемые биоцидные составы были использованы в ОАО «ЖБК-1». Строительный раствор и фундаментные блоки с улучшенными биологическими свойствами в 2008 г были использованы в ГУП РМ «Совхоз «Белотроицкий»» в с. Протасово Республики Мордовия при строительстве животноводческого здания. (г. Саранск). Разработанные методики по оценке ущерба от биоповреждений и затрат на повышение биостойкости строительных конструкций зданий и сооружений приняты для внедрения в ОАО «Проектный институт «Мордовгражданпроект».


Основные положения диссертации отражены в следующих публикациях: