employee
Penza, Penza, Russian Federation
Penza, Russian Federation
Russian Federation
UDK 69 Строительство. Строительные материалы. Строительно-монтажные работы
The issue of assessing the stress state of protective and decorative coatings, depending on the porosity in the contact zone "coating-substrate" is considered. Several schemes are considered: the absence of pores, the pores are filled with a paint composition, the pores are not filled with a paint composition. To assess the stress state of the coatings, the SCAD Office software module is used. It has been established that the presence of pores in the contact zone leads to the appearance of a more inhomogeneous stress state. When a pore is filled with a paint composition, the maximum stresses in the coating occur in the zone of contact between the coating and the substrate. In the absence of filling the pores with paint, the maximum stresses occur on the surface of the coating. The influence of the substrate on the change in the values of internal thermal stresses is revealed. Stresses in coatings on a claydite-concrete substrate are significantly lower compared to the use of heavy concrete as a substrate. The ratio of maximum thermal stresses and long-term cohesive strength is analyzed. It is established that cracking is possible in the polymer lime coating from the action of temperature stresses in the period from August to January
coatings, stresses, contact zone, cracking
Введение. Для отделки фасадов зданий широкое распространение получили декоративные сухие строительные смеси, лакокрасочные материалы [1–4]. Несмотря на прогнозируемый длительный срок службы декоративного отделочного слоя, нередко разрушение покрытий наступает раньше вследствие их растрескивания и отслаивания [5–9]. Для оценки трещиностойкости покрытий применяют различные методы.
Л.П. Орентлихер, И.П. Новиковой и другими авторами предложено оценивать трещиностойкость по коэффициентам, учитывающим предельную растяжимость и деформацию усадки [10–13].
ГОСТ 29167-91 «Бетоны. Методы определения характеристик трещиностойкости (вязкости разрушения) при статическом нагружении» описывает методику оценки трещиностойкости композитов, основанную на энергетическом подходе. Для оценки трещиностойкости нашел широкое распространение метод акустической эмиссии [14].
В работе В.В. Шнейдеровой [15] предложена методика оценки трещиностойкости покрытий, заключающаяся в растяжении бетонных образцов с покрытием. За показатель трещиностойкости принимают ширину раскрытия трещины, предшествующей той, когда было замечено образование первого дефекта в покрытии над трещиной.
В работе [16–18] авторами предложена методика оценки коэффициента трещиностойкости защитно-декоративных покрытий, заключающаяся во внедрении в поверхность покрытия индентора Виккерса и расчете по данным определения размера отпечатка и длины радиальных трещин коэффициента интенсивности напряжений. В работе [19, 20] напряженно-деформированное состояние покрытий в процессе эксплуатации оценивали с помощью голографических методов неразрушающего контроля. Определяют место локализации дефекта по аномалии картины интерференционных полос.
В практике исследовательских работ нашел применение метод оценки трещиностойкости по данным, полученным с помощью программного модуля SCAD Office.
В соответствии с теорией хрупкого разрушения растрескивание покрытий будет происходить, если внутренние растягивающие напряжения σ будут больше или равны когезионной прочности Rp [21]. В случае длительного воздействия напряжений должно выполняться условие:
. (1)
Представляет интерес применение программного модуля SCAD Office для установления закономерностей трещинообразования в зависимости от модуля упругости покрытий и подложки, характера контактной зоны «покрытие-подложка».
Материалы и методы. В качестве подложек рассматривался тяжелый и легкий бетон, характеризующиеся значением модуля упругости, равными соответственно Е=10,0·103 МПа и
8,3·103 МПа. В качестве красочного состава применяли полимеризвестковую и поливинилацетатцементную ПВАЦ краски. Значение КЛТР полимеризвесткового покрытия составляло
3,43·10-6 1/град, поливинилацетатцементного – 6,67,0·10-6 1/град.
Расчеты проводились для условий
г. Москвы. Расчет был выполнен с помощью программного модуля SCAD Office. Расчетная модель представляет из себя конечные элементы оболочки с размером 0,1×0,1 мм. Материал подложки и лакокрасочного покрытия назначался путем присвоения элементу значений модуля упругости, коэффициента Пуассона, а также коэффициента линейного температурного расширения для соответствующего материала. Граничные условия прикладывались к противоположному краю подложки от лакокрасочного слоя и ограничивали перемещения по всем 6 возможным направлениям. Для предотвращения влияния заделки на напряжённо-деформированное состояние (далее – НДС) в лакокрасочном слое и в области контакта с подложкой граничные условия располагались на расстоянии не менее чем 5 толщин лакокрасочного состава. Моделирование пор в подложке выполнялось путем сгущения сетки по окружности. Различный диаметр окружности моделировал различную пористость. Для меньшего влияния краевых напряжений на НДС поры моделировались по центру модели таким образом, чтобы расстояния до края были не менее 2 размеров диаметра поры. Температурное воздействие задавалось как сжимающие или растягивающие усилия, действующие на лакокрасочное покрытие.
Исследования проводились по нескольким схемам (рис. 1), а именно: а –общая схема расчета; тип схемы б – толщина отделочного слоя 1мм, пора не заполнена; тип схемы с – отсутствие пор в зоне контакта; тип схемы д – толщина отделочного слоя 1мм, пора заполнена. Для каждой модели были проведены расчеты и получены значения напряжений, по которым проводился анализ. Для каждого образца намечено по 9 сечений, в которых более подробно рассматривались напряжения.
По всем 9 сечениям строились эпюры sх, sу, sz, t хy, t zy, t zх. Детальный анализ полученных данных показал, что напряжения распределяются равномерно, изменения напряжений по сечениям в основном происходит в месте контакта подложки и лакокрасочного покрытия. Анализируя распределение напряжений по линиям в области поры, можно увидеть, что напряжения показывают экстремальные значения. Рассмотрены наиболее интересные в плане изменения напряжений сечения – это сечение 2,3 и сечение 1.
Основная часть. Результаты расчета напряжений в покрытиях приведены в табл. 1–2 и на рис. 2–3.
На рис. 2–3 приведены значения напряжений в покрытиях в течение года при наличии сплошного контакта в зоне «покрытие-подложка». Установлено, что напряжения в покрытиях на подложке из керамзитобетона значительно ниже по сравнению с применением в качестве подложки тяжелого бетона. Так, максимальные сжимающие напряжения в поливинилацетатцементном покрытии толщиной 1 мм характерны для ноября и составляют sх = -949,92·10-3 МПа, а на подложке из тяжелого бетона – -1076,68·10-3 МПа (рис. 2). Аналогичные закономерности характерны и для полимеризвесткового покрытия (рис. 3). Однако, по абсолютной величине напряжения в полимеризвестковом покрытии значительно больше по сравнению с поливинилацетатцементном покрытии.
С февраля по июль месяц в поливинилацетатцементном покрытии возникают растягивающие напряжения, а в полимеризвестковом покрытии растягивающие напряжения возникают с июля по январь месяц.
Независимо от вида подложки наблюдается закономерное уменьшение напряжений с уменьшением толщины покрытий. Так, в октябре месяце напряжения в поливинилацетатцементном покрытии (толщина покрытия 1 мм) на керамзитобетонной подложке составляют –949,92·10-3 МПа, а в покрытии толщиной
0,2 мм – -299,07·10-3МПа. На подложке из тяжелого бетона напряжения составляют соответственно -1076,68·10-3МПа и -332,15·10-3МПа. Аналогичные закономерности характерны и для полимеризвесткового покрытия.
Рис. 1. Схемы расчета напряженного состояния покрытий:
а – схема расчета напряжений; б – пора не заполнена; с – отсутствие пор; д –пора заполнена
Рис.2. Изменение температурных напряжений в поливинилацетатцементном покрытии в течении
года в г. Москве:
1 – подложка керамзитобетон, толщина покрытия – 1 мм;
2 – подложка керамзитобетон, толщина покрытия – 0,2 мм;
3 – подложка тяжелый бетон, толщина покрытия – 1 мм;
4 – подложка тяжелый бетон, толщина покрытия – 0,2 мм.
Рис. 3. Изменение температурных напряжений в полимеризвестковом покрытии в течении года в г. Москве:
1 – подложка керамзитобетон, толщина покрытия – 1 мм;
2 – подложка керамзитобетон, толщина покрытия – 0,2 мм;
3 – подложка тяжелый бетон, толщина покрытия – 1 мм;
4 – подложка тяжелый бетон, толщина покрытия – 0,2 мм
Таблица 1
Напряжения в ПВАЦ покрытии толщиной 1 мм
(условия эксплуатации г. Москва, пора диаметром 1мм)
|
Месяц |
Напряжения, σх ·10-3, МПа |
|||
|
Подложка |
||||
|
Керамзитобетон |
Тяжелый бетон |
|||
|
Пустая пора |
Заполненная |
Пустая пора |
Заполненная |
|
|
07 |
148,24 |
133,13 |
310,09 |
277,92 |
|
08 |
-148,45 |
-133,12 |
-309,88 |
-277,89 |
|
09 |
-862,55 |
-772,09 |
-899,02 |
-805,89 |
|
10 |
-906,57 |
-812,01 |
-947,01 |
-847,66 |
|
11 |
-891,76 |
-798,74 |
-929,65 |
-833,68 |
|
12 |
-654,19 |
-585,74 |
-682,16 |
-611,41 |
|
01 |
-384,95 |
-346,07 |
-403,13 |
-361,31 |
|
02 |
133,98 |
119,83 |
139,48 |
125,04 |
|
03 |
1164,24 |
1038,36 |
1212,95 |
1083,61 |
|
04 |
1011,27 |
905,19 |
1052,4 |
944,71 |
|
05 |
400,75 |
359,35 |
417,93 |
375,15 |
|
06 |
312,09 |
279,54 |
325,4 |
291,82 |
Таблица 2
Напряжения в полимеризвестковом покрытии толщиной 1 мм
(условия эксплуатации г. Москва, пора диаметром 1мм)
|
Месяц |
Напряжения, σх ꞏ10-3, МПа |
|||
|
Подложка |
||||
|
Керамзитобетон |
Тяжелый бетон |
|||
|
Пустая пора |
Заполненная |
Пустая пора |
Заполненная |
|
|
07 |
-380,56 |
-399 |
-690,23 |
-810,92 |
|
08 |
380,58 |
400,56 |
691,25 |
804,7 |
|
09 |
1103,55 |
1159,94 |
2001,56 |
2337,79 |
|
10 |
1158,57 |
1221,83 |
2109,1 |
2459,85 |
|
11 |
1141,1 |
1199,78 |
2079,75 |
2422,77 |
|
12 |
336,59 |
883,41 |
1521,26 |
1768,85 |
|
01 |
495,22 |
519,17 |
898,46 |
1045,85 |
|
02 |
-170,41 |
-180 |
-311,19 |
-362,97 |
|
03 |
-1487,74 |
-1558,3 |
-2696,99 |
-3153,93 |
|
04 |
-1295,3 |
-1362,03 |
-2346,87 |
-2735,76 |
|
05 |
-513,26 |
-543,47 |
-931,49 |
-1085,74 |
|
06 |
-400,49 |
-420,71 |
-725,64 |
-844,68 |
Рис. 4. Изополя распределение напряжений sх·10-3,МПа, в поливинилацетатцементном покрытии над порой, заполненной красочным составом для условий г.Москвы :
а – в марте месяце; б – в ноябре месяце; подложка тяжелый бетон, толщина покрытия 1 мм, радиус пор 1 мм
При наличии в зоне контакта «покрытие-подложка» пор возникает более неоднородное напряженное состояние (табл. 1, 2, рис. 4). Максимальные напряжения возникают в период сентябрь-ноябрь-месяце и марте-апреле месяце. Так, в ноябре месяце сжимающие напряжения sх в ПВАЦ покрытии на керамзитобетонной подложке (пора не заполнена красочным составом) составляют sх = -906,57·10-3 МПа, в марте месяце возникают растягивающие напряжения, составляющие +1164,24·10-3 МПа (табл. 1). Если пора заполнена красочным составом, то значения напряжений в сечении 1, точка 1 составляют соответственно -812,01·10-3 МПа и 1038,36·10-3 МПа. При применении подложки из тяжелого бетона напряжения увеличиваются и составляют в ноябре месяце (пора не заполнена красочным составов, сечение1, точка 1) sх = -947,01·10-3 МПа, а в случае заполнения краской поры –
-847,66·10-3 МПа.
Для полимеризвестковых покрытий характерно наличие растягивающих напряжений с августа по январь месяц. В ноябре месяце напряжения в покрытии на керамзитобетоне (пора не заполнена красочным составом, сечение 1, точка 1) составляют +1158,57·10-3 МПа, а при заполнении краской поры – +1221,83·10-3 МПа (табл. 2). Для весеннего периода для полимеризвестковых покрытий характерно возникновение сжимающих напряжений.
На рис. 4 приведены изополя распределения напряжений sх в поливинилацетатцементном (ПВАЦ) покрытии над порой, заполненной красочным составом для условий г. Москвы в марте и ноябре месяце (подложка тяжелый бетон, толщина покрытия 1 мм, радиус пор 1 мм). Видна концентрация сжимающих напряжений, равных -833,68·10-3 МПа, в зоне контакта краски с подложкой.
Анализ данных, представленных на рис. 4, свидетельствует о том, что концентрация напряжений происходит в зоне наличия поры, причём концентрация напряжения распространяется на величину, равную 1,2–1,5 размера поры. Также можно заметить, что концентрация напряжения возникает в месте контакта подложки и ПВАЦ краски. Таким образом, можно утверждать, что механизм разрушения адгезионных связей начинается в месте контакта поры и ПВАЦ покрытия и распространяется как по толщине, так и вдоль покрытия на величину, равную 1,2–1,5 размера поры. Данные концентрации зависят только от размера поры и не зависят от напряженно-деформированного состояния (НДС). Выявленные зависимости будут описаны отдельно в будущих работах.
Анализ данных, представленных в табл. 1, 2, свидетельствует, что растрескивание ПВАЦ покрытий от действия температуры наблюдаться не будет, так как длительная когезионная прочность ПВАЦ составляет 0,225 МПа [22]. В полимеризвестковом покрытии возможно образование трещин, длительная когезионная прочность полимеризвесткового покрытия составляет 0,065 МПа. Из этого следует, что выбор лакокрасочных составов для отделки должен осуществляться с учетом коэффициента линейного температурного расширения и упругих свойств покрытий на его основе, а также вида подложки, условий эксплуатации.
Выводы. В ходе экспериментальных исследований установлено, что при наличии в зоне контакта «покрытие-подложка» пор возникает более неоднородное напряженное состояние. При заполнении поры красочным составом максимальные напряжения в покрытии возникают в зоне контакта покрытия с подложкой. При отсутствии заполнения поры краской максимальные напряжения возникают на поверхности покрытия. При применении подложки из тяжелого бетона напряжения увеличиваются по сравнению с применением керамзитобетона. Установлено влияние масштабного фактора на величину температурных напряжений. Проанализирована вероятность растрескивания покрытий.
1. Loganina V.I., Petukhova N.A., Gorbunov V.N., Dmitrieva T.N. Prospects for the manufacture of organo-mineral additives based on domestic raw materials [Pe/rspektivy izgotovleniya organo-mineral'noj dobavki na osnove otechestvennogo syr'ya]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. stroitel'stvo. 2009. No. 9. Pp. 36-39 (rus)
2. Loganina V.I., Makarova L.V. Plaster compositions for restoration work using colored fillers [Shtukaturnye sostavy dlya restavracionnyh rabot s primeneniem okrashennyh napolnitelej]. Regional'naya arhitektura i stroitel'stvo. 2009. No. 1. Pp. 38-40 (rus)
3. Idumah C.I., Obele C.M., Obumneme E.E., Hassan A. Recently Emerging Nanotechnological Advancements in Polymer Nanocomposite Coatings for Anti-corrosion, Anti-fouling and Self-healing. Surfaces and Interfaces. 2020. Vol. 21. 100734. doi:https://doi.org/10.1016/j.surfin.2020.100734.
4. Kitaichik F. Silicate facade paints: composition and structure (literature review) [ Silikatnye fasadnye kraski: sostav i stroenie (obzor literatury)]. Lakokrasochnye materialy i ih primenenie. 2008. No. 3. Pp. 18-21 (rus)
5. Karyakina M.I. Physico-chemical foundations of the processes of formation and aging of coatings [Fiziko-himicheskie osnovy processov formirovaniya i stareniya pokrytij]. Moskva: izd-vo Himiya, 1980. 216 p. (rus)
6. Martirosyan A.H., Stepanyan T.R., Buloyan H.A. Investigation of structural changes of paint-and-varnish copolymers under influence of ageing. Journal of Contemporary Physics. 2012. No. 47(1). Pp. 44-46. doi:https://doi.org/10.3103/S1068337212010100.
7. Zayed A., Garbatov Y., Guedes Soares C. Corrosion degradation of ship hull steel plates accounting for local environmental conditions. Ocean Engineering. 2018. Vol. 163. Pp. 299-306. doi:https://doi.org/10.1016/j.oceaneng.2018.05.047.
8. Eduok U., Faye O., Szpunar J. Recent developments and applications of protective silicone coatings: A review of PDMS functional materials. Progress in Organic Coatings. 2017. Vol. 111. Pp. 124-163. doi:https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2017.05.012.
9. Sukhareva L.A. Durability of polymer coatings [Dolgovechnost' polimernyh pokrytij]. Moskva: Himiya, 1984. 240 p. (rus)
10. Vasilik P.G., Golubev I.V. Cracks in plasters [Treshchiny v shtukaturkah]. Stroitel'nye materialy. 2003. No. 4. Pp.14- 16. (rus)
11. Dyuryagina A.N., Demyanenko A.V., Bolatbaev K.N. Application of the Adobe Photoshop graphics editor to determine the continuity of coatings [Primenenie graficheskogo redaktora Adobe Photoshop dlya opredeleniya sploshnosti pokrytij]. Promyshlennaya okraska. 2003. No.4. Pp. 30-33. (rus)
12. Gorchakov G.I., Orentlicher L.P., Savin V.I. Composition, structure and properties of cement concretes [Sostav, struktura i svojstva cementnyh betonov]. Moskva: Strojizdat, 1976. 144 p. (rus)
13. Loganina V.I., Makridin N.I., Makarova L.V., Karpov V.N. Estimation of cracking of coatings using the method of acoustic emission [Ocenka treshchinoobrazovaniya pokrytij s pomoshch'yu metoda akusticheskoj emissii]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. 2003. No. 6 (534). Pp. 35-38. (rus)
14. Shneiderova V.V. Anti-corrosion paint coatings [Antikorrozijnye lakokrasochnye pokrytiya]. Moskva: Strojizdat, 1982. 132 p.(rus)
15. Evans A.G., Landon T.G. Structural ceramics [Konstrukcionnaya keramika]. Moskva: Metallurgiya, 1980. 255p (rus)
16. Loganina V.I., Makarova L.V. Technique of the assessment of crack resistance of the protective decorative coatings: Contemporary Engineering Sciences. 2014. Vol. 7. No. 33-36. Pp. 1967-1973. doihttps://doi.org/10.12988/ces.2014.411239
17. Loganina V.I., Volkov I.V., Golubev V.V. Evaluation of the stress-strain state of the paint coating depending on the quality of its appearance [Ocenka napryazhenno-deformirovannogo sostoyaniya lakokrasochnogo pokrytiya v zavisimosti ot kachestva ego vneshnego vida]. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenij. Stroitel'stvo. 2008. No. 7 (595). Pp. 26-30. (rus)
18. Szociński M., Darowicki K. Performance of organic coatings upon cyclic mechanical load. Progress in Organic Coatings. 2020. Vol.146. 105718. doi:https://doi.org/10.1016/j.porgcoat.2020.105718
19. Bartenev G.M., Zuev Yu.S. Strength and fracture of highly elastic materials [Prochnost' i razrushenie vysokoelasticheskih materialov]. Moskva, Leningrad: Himiya, 1964. 388 p.(rus)
20. Loganina V.I. Prediction of cracking of polymeric coatings of concrete [Prognozirovanie rastreskivaniya polimernih pokritii betonov]. Izvestiya visshih uchebnih zavedenii. Stroitelstvo.1996. No.9. Pp. 14-16 (rus)
