Способ определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений

Способ определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к способам неразрушающего контроля противофильтрационной защиты водохозяйственных гидротехнических и гидромелиоративных объектов и может быть использовано для массового определения долговечности различных мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений, преимущественно противофильтрационных облицовок оросительных каналов и водоемов, в реальных натурных условиях эксплуатации сооружений, подвергающихся комплексному воздействию совокупности факторов природной внешней среды (ультрафиолетовому облучению, воды, циклическому замораживанию и оттаиванию, неравномерным деформациям основания и др.).

Известны способы прогнозирования эксплуатационных свойств композиционных полимерных материалов в строительстве с учетом их теплового старения, на основе которых могут быть решены следующие прикладные задачи: выдача рекомендаций для выбора материала, пригодного для эксплуатации в заданных условиях; определение условий эксплуатации для какого-либо конкретного материала; определение срока службы или работоспособности материала изделия в заданных условиях эксплуатации (см. УДК 620.197. Прогнозирование эксплуатационных свойств композиционных полимерных материалов с учетом их теплового старения / Алоев В.З., Кейдия Г.Ш, Цыганов А.Д., Зеленев Ю.В. Обзорная инф. Сер. Противокоррозионная защита. М.: НИИТЭХИМ, 1992, 64 с.).

Однако отмеченные способы неразрушающего контроля прогнозирования свойств материалов не приемлемы для определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений.

Известна методика лабораторных испытаний мастичных герметиков для водохозяйственного строительства, включающая определение следующих показателей: предела прочности и относительного удлинения мастик при растяжении; водостойкости, атмосферостойкости и морозостойкости мастик; предела прочности, относительного и остаточного удлинения мастик при когезионном разрыве после попеременного замораживания, оттаивания и нагревания в напряженном состоянии; объемной усадки мастик и др. (см. Технические требования и методика испытаний герметизирующих материалов для водохозяйственного строительства / Минводхоз СССР. Научно-технический совет, М., 1970, 64 с.).

Однако в данной методике отсутствует способ определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений.

Сущность заявленного изобретения заключается в следующем.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, - создание метода определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений.

Технический результат - прогнозирование долговечности мастичных герметиков в конструкциях деформационных швов в реальных натурных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений, подвергающихся комплексному воздействию совокупности факторов внешней среды (ультрафиолетовому облучению, воды, циклическому замораживанию и оттаиванию, неравномерным деформациям основания и др.).

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемый способ определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений, преимущественно противофильтрационных облицовок оросительных каналов, включает определение относительного удлинения и предела прочности мастичных герметиков при растяжении опытных образцов герметизированных швов, выдержку опытных образцов в течение не менее восьми дней после их изготовления сначала на воздухе до полного отвердения мастичного герметика в соответствии с нормативными требованиями, а затем в реальных натурных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений подвергают комплексному воздействию совокупности факторов природной внешней среды, причем через равные промежутки времени в течение до семи лет выдержки опытных образцов в реальных натурных условиях эксплуатации определяют основные показатели надежности и долговечности герметиков в деформационных швах - относительное удлинение и предел прочности мастичных герметиков при растяжении, устанавливают зависимость изменения относительного удлинения и предела прочности мастичных герметиков при растяжении от времени выдержки в реальных натурных условиях эксплуатации и определяют долговечность герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений по наименьшему значению показателей, устанавливаемых из следующих выражений:

где Т_ε - продолжительность времени, при котором относительное удлинение ε мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации достигает наименьшего допустимого нормативного значения, лет;

К_э - коэффициент размерности, К_э=0,083 год/месяц;

β - коэффициент, учитывающий скорость изменения относительного удлинения мастичного герметика при растяжении под влиянием совокупности факторов внешней среды в процессе эксплуатации, β=0,005-1,00 1/месяц;

ε₀ - начальное относительное удлинение мастичного герметика при растяжении после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, %;

ε_н - наименьшее допустимое нормативное относительное удлинение мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации, %;

Т_σ - продолжительность времени, при котором предел прочности мастичного герметика с при растяжении в процессе эксплуатации достигает наименьшего допустимого нормативного значения, лет;

К_σ - коэффициент размерности, К_σ=0,083 год/месяц;

α - коэффициент, учитывающий скорость изменения предела прочности мастичного герметика при растяжении под влиянием совокупности факторов внешней среды в процессе эксплуатации, α=0,02-0,80 1/месяц;

σ₀ - начальный предел прочности при растяжении мастичного герметика после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, кгс/см²;

σ_н - наименьшее допустимое нормативное значение предела прочности мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации, кгс/см².

Коэффициент корреляции полученной зависимости (1) составляет 0,95, а зависимости (2) - 0,96.

Сведения, подтверждающие возможность реализации заявленного способа, заключается в следующем.

Заявленный способ определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений осуществляют следующим образом.

Часть подготовленных опытных образцов герметизированных швов подвергают испытанию на определение начальных показателей относительного удлинения и предела прочности мастичных герметиков при растяжении опытных образцов герметизированных швов. Затем после восьмидневной выдержки на воздухе до полного отвердения в соответствии с нормативными требованиями остальную часть опытных образцов с помощью специальных устройств фиксируют в конкретных деформационных швах гидротехнических сооружений подвергают комплексному воздействию совокупности факторов природной внешней среды (ультрафиолетовому облучению, воды, циклическому замораживанию и оттаиванию, неравномерным деформациям основания и др.) и через равные промежутки времени в течение до семи лет выдержки опытных образцов в реальных натурных условиях эксплуатации определяют основные показатели надежности и долговечности герметиков в деформационных швах - относительное удлинение и предел прочности мастичных герметиков при растяжении, устанавливают зависимость изменения относительного удлинения и предела прочности мастичных герметиков при растяжении от времени выдержки в реальных натурных условиях эксплуатации и определяют долговечность герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений по наименьшему значению показателей, устанавливаемых из следующих выражений:

где T_ε - продолжительность времени, при котором относительное удлинение ε мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации достигает наименьшего допустимого нормативного значения, лет;

К_э - коэффициент размерности, К_э=0,083 год/месяц;

β - коэффициент, учитывающий скорость изменения относительного удлинения мастичного герметика при растяжении под влиянием совокупности факторов внешней среды в процессе эксплуатации, β=0,005-1,00 1/месяц;

ε₀ - начальное относительное удлинение мастичного герметика при растяжении после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, %;

ε_н - наименьшее допустимое нормативное относительное удлинение мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации, %;

Т_σ - продолжительность времени, при котором предел прочности мастичного герметика σ при растяжении в процессе эксплуатации достигает наименьшего допустимого нормативного значения, лет;

К_σ - коэффициент размерности, К_σ=0,083 год/месяц;

α - коэффициент, учитывающий скорость изменения предела прочности мастичного герметика при растяжении под влиянием совокупности факторов внешней среды в процессе эксплуатации, α=0,02-0,80 1/месяц;

σ₀ - начальный предел прочности при растяжении мастичного герметика после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, кгс/см²;

σ_н - наименьшее допустимое нормативное значение предела прочности мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации, кгс/см².

Особенностью предложенного способа по изобретению является принципиально новый метод определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений в реальных натурных условиях их эксплуатации, подвергающихся комплексному воздействию совокупности факторов внешней среды (ультрафиолетовому облучению, воды, циклическому замораживанию и оттаиванию, неравномерным деформациям основания и др.).

ПРИМЕР 1. Определить долговечность герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 весовыми частями (в.ч.) каменноугольной смолы (КУС) в деформационных швах противофильтрационной облицовки оросительного канала из сборных железобетонных плит. Параметры оросительного канала: наполнение (Н)-2 м; ширина по дну (в)-1,5 м; коэффициент заложения откосов (M)-2.

Изготовлены опытные образцы герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС в количестве 80 штук, представляющие собой две бетонные плитки с размерами 50×50×20 мм, соединенные мастичным брусочком длиной 50 мм, высотой 20 мм и шириной 10 мм.

Исходными испытаниями при температуре +25°С опытных образцов (10 шт.) герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС после восьмидневной их выдержки на воздухе до полного отвердения установлено следующее:

- начальное относительное удлинение при растяжении герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения составляет ε₀=900%;

- начальный предел прочности герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения - σ₀=6,9 кгс/см².

Наименьшее допустимое нормативное относительное удлинение герметизирующей полимерной мастики при растяжении в процессе эксплуатации составляет ε_н=100%; наименьшее допустимое нормативное значение предела прочности герметизирующей полимерной мастики при растяжении в процессе эксплуатации - σ_н=2 кгс/см² (см. Технические требования и методика испытаний герметизирующих материалов для водохозяйственного строительства / Минводхоз СССР. Научно-технический совет, М., 1970, с.3).

Подготовленные и выдержанные на воздухе в течение восьми дней до полного отвердения опытные образцы (70 шт.) герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС фиксировали с помощью специальных устройств в конкретных деформационных швах противофильтрационной облицовки оросительного канала, подвергали комплексному воздействию совокупности факторов природной внешней среды (ультрафиолетовому облучению, воды, циклическому замораживанию и оттаиванию, неравномерным деформациям основания и др.) и через равные промежутки времени в течение до семи лет выдержки опытных образцов в реальных натурных условиях эксплуатации определяли основные показатели надежности и долговечности герметиков в деформационных швах - относительное удлинение и предел прочности тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС при растяжении в процессе эксплуатации. Результаты испытаний сведены в таблицу 1.

Таблица 1
Время выдержки образцов Т, месяцы	Физико-механические показатели опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС в процессе их выдержки в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала
относительное удлинение при растяжении ε, %	предел прочности при растяжении σ, кгс/см2
0	900	6,9
12	718	6,7
24	598	6,48
36	512	6,29
48	448	6,13
60	398	5,95
72	358	5,77
84	326	5,56

На фиг.1 и 2 показаны кривые изменения относительного удлинения и предела прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС в процессе их выдержки в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала.

Графическая интерпретация и математическая обработка результатов исследований позволили выявить зависимости изменения относительного удлинения и предела прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС от времени их выдержки в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала:

где ε - относительное удлинение опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС, %;

ε₀ - начальное относительное удлинение герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, %;

β - коэффициент, учитывающий скорость изменения относительного удлинения опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС при растяжении под влиянием совокупности факторов природной внешней среды в процессе эксплуатации, β=0,005-1,0 1/месяц;

Т - время выдержки опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала, месяцы;

σ - предел прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС, кгс/см²;

σ₀ - начальный предел прочности при растяжении герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС после изготовления опытных образцов и выдержке их на воздухе до полного отвердения, кгс/см²;

е - основание натурального логарифма, е=2,71828;

α - коэффициент, учитывающий скорость изменения предела прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС под влиянием совокупности факторов природной внешней среды в процессе эксплуатации, α=0,002-0,80 1/месяц.

Аппроксимацией результатов исследований (табл.1, фиг.1 и 2) методом наименьших квадратов установлены значения коэффициентов (β, α), входящих в формулы (3), (4).

Кривые на фиг.1 и 2 соответственно описываются следующими уравнениями убывающих степенных функций:

Подставляя в выражения (1), (2) значения ε₀=300%, ε_н=100%, β=0,021 1/месяц, σ₀=6,9 кгс/см², σ_н=2 кгс/см² и α=0,0025 1/месяц, определим ресурс долговечности герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС в опытных образцах, выдержанных в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала:

Т_σ<Т_ε. Следовательно, долговечность герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала составляет Т=30 лет.

ПРИМЕР 2. Определить долговечность герметизирующей битумно-полимерной мастики в деформационных швах противофильтрационной облицовки оросительного канала из сборных железобетонных плит. Параметры оросительного канала: наполнение (Н)-2 м; ширина по дну (в)-1,5 м; коэффициент заложения откосов (m)-2.

Изготовлены опытные образцы (80 штук) герметизирующей битумно-полимерной мастики следующего состава, мас.%: битум БН 70/30...20, Лак ХП-734 (на основе хлорсульфированного полиэтилена) ...55, асбест хризотиловый ...10, шлифовальная пыль ...10, растворитель (сольвент) ...5. Опытные образцы представляют собой две бетонные плитки с размерами 50×50×20 мм, соединенные мастичным брусочком длиной 50 мм, высотой 20 мм и шириной 10 мм. Для защиты битумно-полимерной мастики от воздействия солнечного ультрафиолетового облучения и повышения ее долговечности поверхность мастичных брусочков в опытных образцах покрыта светозащитным агрессивно-атмосферостойким слоем 0,3...0,5 мм следующего состава, мас.%: лак ХП-734...75, растворитель (сольвент) ...15, алюминиевая пудра ...10.

Исходными испытаниями при температуре +25°С опытных образцов (10 шт.) герметизирующей битумно-полимерной мастики после восьмидневной их выдержки на воздухе до полного отвердения установлено следующее:

- начальное относительное удлинение при растяжении герметизирующей битумно-полимерной мастики после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения составляет ε₀=420%;

- начальный предел прочности герметизирующей битумно-полимерной мастики после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения - σ₀=3,2 кгс/см².

Наименьшее допустимое нормативное относительное удлинение герметизирующей битумно-полимерной мастики при растяжении в процессе эксплуатации составляет ε_н=50%; наименьшее допустимое нормативное значение предела прочности герметизирующей битумно-полимерной мастики при растяжении в процессе эксплуатации - σ_н=1 кгс/см² (см. Технические требования и методика испытаний герметизирующих материалов для водохозяйственного строительства / Минводхоз СССР. Научно-технический совет, М., 1970, с.5).

Подготовленные и выдержанные на воздухе в течение восьми дней до полного отвердения опытные образцы (70 шт.) герметизирующей битумно-полимерной мастики фиксировали с помощью специальных устройств в конкретных деформационных швах противофильтрационной облицовки оросительного канала, подвергали комплексному воздействию совокупности факторов природной внешней среды (ультрафиолетовому облучению, воды, циклическому замораживанию и оттаиванию, неравномерным деформациям основания и др.) и через равные промежутки времени в течение до семи лет выдержки опытных образцов в реальных натурных условиях эксплуатации определяли основные показатели надежности и долговечности герметиков в деформационных швах - относительное удлинение и предел прочности битумно-полимерной мастики при растяжении в процессе эксплуатации. Результаты испытаний сведены в таблицу 2.

Таблица 2
Время выдержки образцов Т, месяцы	Физико-механические показатели опытных образцов герметизирующей тиоколовой мастики КМ-0,5 с 40 в.ч. КУС в процессе их выдержки в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала
относительное удлинение при растяжении ε, %	предел прочности при растяжении σ, кгс/см2
0	420	3,2
12	309	3,02
24	244	2,87
36	201	2,71
48	172	2,57
60	149	2,42
72	133	2,30
84	119	2,17

На фиг.3 и 4 показаны кривые изменения относительного удлинения и предела прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей битумно-полимерной мастики в процессе их выдержки в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала.

Графическая интерпретация и математическая обработка результатов исследований позволили выявить зависимости изменения относительного удлинения и предела прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей битумно-полимерной мастики от времени их выдержки в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала:

где ε - относительное удлинение опытных образцов герметизирующей битумно-полимерной мастики, %;

ε₀ - начальное относительное удлинение герметизирующей битумно-полимерной мастики после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, %;

β - коэффициент, учитывающий скорость изменения относительного удлинения опытных образцов герметизирующей битумно-полимерной мастики при растяжении под влиянием совокупности факторов природной внешней среды в процессе эксплуатации, β=0,005-1,0 1/месяц;

Т - время выдержки опытных образцов герметизирующей битумно-полимерной мастики в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала, месяцы;

σ - предел прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей битумно-полимерной мастики, кгс/см²;

σ₀ - начальный предел прочности при растяжении герметизирующей битумно-полимерной мастики после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, кгс/см²;

е - основание натурального логарифма, е=2,71828;

α - коэффициент, учитывающий скорость изменения предела прочности при растяжении опытных образцов герметизирующей битумно-полимерной мастики под влиянием совокупности факторов природной внешней среды в процессе эксплуатации, α=0,002-0,80 1/месяц.

Аппроксимацией результатов исследований (табл.2, фиг.3 и 4) методом наименьших квадратов установлены значения коэффициентов (β, α), входящих в формулы (9), (10).

Кривые на фиг.1 и 2 соответственно описываются следующими уравнениями убывающих степенных функций:

Подставляя в выражения (1), (2) значения ε₀=420%, ε_н=50%, β=0,03 1/месяц, σ₀=3,2 кгс/см², σ_н=1 кгс/см² и α=0,0046 1/месяц, определим ресурс долговечности герметизирующей битумно-полимерной мастики в опытных образцах, выдержанных в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала:

Т_σ<Т_ε. Следовательно, долговечность герметизирующей битумно-полимерной мастики в реальных условиях эксплуатации деформационных швов противофильтрационной облицовки оросительного канала составляет 20 лет.

Предложенный способ неразрушающего контроля не имеет альтернативы и позволяет повысить точность определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений; погрешность измерений составляет 1...3%.

Способ определения долговечности мастичных герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений, преимущественно противофильтрационных облицовок оросительных каналов, включающий определение относительного удлинения и предела прочности мастичных герметиков при растяжении опытных образцов герметизированных швов, выдержку опытных образцов в течение не менее восьми дней после их изготовления сначала на воздухе до полного отвердения мастичного герметика в соответствии с нормативными требованиями, а затем в реальных натурных условиях эксплуатации гидротехнических сооружений их подвергают комплексному воздействию совокупности факторов внешней среды, причем через равные промежутки времени в течение до семи лет выдержки опытных образцов в реальных натурных условиях эксплуатации определяют основные показатели надежности и долговечности герметиков в деформационных швах - относительное удлинение и предел прочности мастичных герметиков при растяжении, устанавливают зависимость изменения относительного удлинения и предела прочности мастичных герметиков при растяжении от времени выдержки в реальных натурных условиях эксплуатации и определяют долговечность герметиков в деформационных швах гидротехнических сооружений по наименьшему значению показателей, устанавливаемых из следующих выражений:

где Т_ε - продолжительность времени, при котором относительное удлинение ε мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации достигает наименьшего допустимого нормативного значения, лет;

К_ε - коэффициент размерности, К_ε=0,083 год/месяц;

β - коэффициент, учитывающий скорость изменения относительного удлинения мастичного герметика при растяжении под влиянием совокупности факторов внешней среды в процессе эксплуатации, β=0,005-1,00 1/месяц;

ε₀ - начальное относительное удлинение мастичного герметика при растяжении после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, %;

ε_н - наименьшее допустимое нормативное относительное удлинение мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации, %;

Т_σ - продолжительность времени, при котором предел прочности мастичного герметика σ при растяжении в процессе эксплуатации достигает наименьшего допустимого нормативного значения, лет;

К_σ - коэффициент размерности, К_σ=0,083 год/месяц;

α - коэффициент, учитывающий скорость изменения предела прочности мастичного герметика при растяжении под влиянием совокупности факторов внешней среды в процессе эксплуатации, α=0,02-0,80 1/месяц;

σ₀ - начальный предел прочности при растяжении мастичного герметика после изготовления опытных образцов и выдержки их на воздухе до полного отвердения, кгс/см²;

σ_н - наименьшее допустимое нормативное значение предела прочности мастичного герметика при растяжении в процессе эксплуатации, кгс/см².