При разработке рецептуры таких красочных составов, технологии их нанесения основное внимание уделяется повышению трещиностойкости защитно-декоративных покрытий [1, 4, 5].

В данном исследовании изучалась возможность регулирования эксплуатационных свойств покрытий на основе поливиниацетатцементного красочного состава (ПВАЦ). Установлено, что эффективным способом повышения трещиностойкости ПВАЦ покрытий является введение волокнистого микронаполнителя асбеста.

Для оценки трещинообразования покрытий была применена методика, основанная на соотношении между длиной трещины, отпечатком индентора Виккерса и вязкостью разрушения [1]. При этом трещиностойкость материала оценивается по показателю коэффициента интенсивности напряжений K_1с, который определяется по длине радиальных трещин, образующихся в хрупких материалах из углов отпечатка индентора Виккерса. Коэффициент интенсивности напряжений в соответствии с [1] предлагается определять пo формуле:

К_1с= 0,028 На^0,5(Е/Н)^0,5 (С/а)^-1,5

где Н – твердость по Виккерсу;

Р – нагрузка на индентор;

С – полудлина радиальных трещин.

а – полудлина диагонали отпечатка.

Сравнительный анализ данных показывает, что при одной и той же интенсивности воздействий среды покрытия с волокнистым микронаполнителем обладают меньшими значениями твердости и коэффициента интенсивности напряжений (рис. 1-4).

Рисунок 1 – Зависимость изменения твердости покрытия ПВАЦ в процессе эксплуатации

Рисунок 2 – Зависимость изменения твердости покрытия ПВАЦ (с добавлением 1% микроасбеста) в процессе эксплуатации

Рисунок 3 – Зависимость изменения коэффициента интенсивности напряжений покрытия ПВАЦ в процессе эксплуатации

Рисунок 4 – Зависимость изменения коэффициента интенсивности напряжений покрытия ПВАЦ (с добавлением 1% асбеста) в процессе эксплуатации

 Так, после 8 циклов попеременного замораживания-оттаивания значение коэффициента интенсивности напряжений составляет К_1(ПВАЦ)=0,078 МН/м^3/2, а К_{1(ПВАЦ с 1% асбеста)}=0,073 МН/м^3/2. Значение критического коэффициента интенсивности напряжений ПВАЦ покрытия с волокнистым микронаполнителем равно К_1с=0,082 МН/м^3/2.

Для анализа характера разрушения защитно-декоративных покрытий использовался метод акустической эмиссии (АЭ) [5, 6]. Анализ полученных данных позволяет сделать вывод о том, что введение в состав ПВАЦ покрытия волокон микронаполнителя приводит к повышению когезионной прочности покрытия [1]. В то же время наличие микронаполнителя приводит к некоторому искажению структуры материала покрытия, о чем свидетельствуют более высокие абсолютные значения величин излучения АЭ. Так, например, величина излучения АЭ для покрытий ПВАЦ на последней стадии нагружения была равна Э_пвац=0,65 В²×см^-2, а для покрытий с микронаполнителем Э_{ПВАЦ с микронап.}=4,06 В²×см^-2.

Кроме того, выявлено, что покрытия с микронаполнителем характеризуются более высокими абсолютными значениями величин излучения АЭ при отслаивании. Так, например, величина излучения АЭ для покрытий ПВАЦ на последней стадии нагружения составила Э_пвац=1,58 В², а для покрытий с микронаполнителем Э_{ПВАЦ с микронап.}=2,31 В². При этом характер отрыва покрытий был различный. У ПВАЦ покрытий наблюдался смешанный характер разрушения, а покрытия с микронаполнителем характеризовались чисто адгезионным отрывом, что доказывает повышение когезионной прочности материала [1].

Результаты, полученные при испытании ПВАЦ покрытия с волоконами микронаполнителя, свидетельствуют о том, что данное покрытие является более стойким к воздействию климатических факторов. Установлено, что после 15 циклов воздействия попеременного замораживания-оттаивания происходит смена характера разрушения ПВАЦ покрытий от когезионного (по покрытию) к адгезионному. Смены характера отслаивания для покрытий с волокнистым микронаполнителем не наблюдается.

Таким образом, введение волокнистого микронаполнителя асбеста позволяет повысить трещиностойкость покрытий.

Трещина – это полость, образованная без удаления материала двумя соединенными внутри тела поверхностями, которые при отсутствии в нем напряжений удалены друг от друга на расстояния, во много раз меньше протяженности самой полости.

Будет ли трещина по внешнему виду рассматриваться как дефект, зависит как от ее ширины, повторяемости и длины, так и от структуры поверхности. Не в последнюю очередь это зависит от субъективной оценки эксперта. В общем случае можно считать, что если трещина становится неразличимой с расстояния около 3 м, то это несущественное ухудшение внешнего вида здания.

Трещины также могут быть обусловлены дефектами основания под лакокрасочное покрытие. Образование трещин такого рода может происходить в переходных зонах между различными основаниями из-за значительно различающихся коэффициентов термического или влажностного расширения [1, 4]. Трещины также могут быть обусловлены дефектами самого покрытия [5]. Среди них различают усадочные, тупиковые и трещины вследствие внутренних напряжений [6].

Усадочные трещины касаются только верхнего слоя защитно-декоративного покрытия. Они также называются сетевыми, имеют, как правило, ширину менее 0,15 мм и расстояние между узлами более 4 см. Причиной этих трещин является неправильная окончательная обработка или слишком быстрое высыхание покрытия.

Тупиковые трещины, обусловленные нанесением слишком толстого верхнего слоя покрытия, имеют ширину до 0,2 мм, а в отдельных случаях и больше и чаще всего располагаются горизонтально (с изгибом вниз).

Трещины вследствие внутренних напряжений проходят, как правило, по всей толщине соответствующего слоя покрытия. Они имеют ширину до 0,4 мм.

Причина появления таких трещин может заключаться в неправильном перепаде прочности между защитно-декоративным покрытием и основанием или между ее отдельными слоями, а также из-за слишком толстых слоев покрытия или слишком больших деформаций за счет усадки.

В соответствии с теорией хрупкого разрушения растрескивание покрытий будет происходить, если внутренние растягивающие напряжения σ будут больше или равны когезионной прочности R_p [7]. В случае длительного воздействия напряжений должно выполняться условие:

σ≥0,5R_р

Одной из наиболее распространенных причин образования внутренних напряжений является усадка покрытий. Собственные усадочные напряжения могут суммироваться с напряжениями, возникающими в процессе эксплуатации при воздействии климатических факторов, или, наоборот, релаксировать [8].

Таким образом, для оценки монолитности отделочного слоя необходимо изучение напряженного состояния покрытий.

Для исследования закономерностей развития внутренних напряжений в покрытиях в процессе воздействия различных климатических факторов были использованы следующие красочные составы: поливинилацетатцементное покрытие (ПВАЦ), полимеризвестковое покрытие, ПФ-115.

В процессе увлажнения у всех рассматриваемых покрытий наблюдается релаксация внутренних напряжений. На начальной стадии увлажнения наблюдается набухание покрытий, что в свою очередь приводит к смене знака напряжений. Так, у ПВАЦ покрытий смена знака напряжений происходит после 3 часов, а у покрытий ПФ-115 покрытий – после 5 часов увлажнения. Стабилизация значений внутренних напряжений у ПВАЦ покрытий наблюдается после 70 ч увлажнения на уровне σ = 0,189 МПа, у алкидных ПФ-115 покрытий – после 80 часов на уровне σ = 0,113 МПа (рисунок 1).

Рис.1. Изменение внутренних напряжений покрытий в процессе  увлажнения: 1-    покрытие ПВАЦ; 2- покрытие ПФ-115

Анализ представленных результатов свидетельствует, что увлажнение покрытий вызывает резкое снижение их твердости, что уменьшает опасность образования трещин.

В природных условиях красочные составы фасадов зданий, кроме влияния влаги (в виде осадков) и различной относительной влажности воздуха, испытывают воздействие температурного фактора. Старение покрытий под действием повышенных положительных, отрицательных и знакопеременных температур связано с термической деструкцией пленкообразователя и с процессами структурообразования [9].

При действии знакопеременной температуры в покрытиях происходят смены деформированного состояния, характеризующиеся чередованием сжимающих и растягивающих напряжений [10].

Для оценки изменения внутренних напряжений при стационарной температуре образцы покрытий после их отверждения были помещены в сушильный шкаф и выдерживались при температуре t=+50°C. Анализ экспериментальных данных свидетельствует, что при термостарении покрытий под действием положительных температур наблюдается рост внутренних напряжений. Стабилизация внутренних напряжений у ПВАЦ покрытий наблюдается через 90 часов на уровне σ = 0,135 МПа; у полимеризвестковых покрытий – через 70 часов на уровне σ = 0,052 МПа, а у покрытий ПФ-115 – через 100 часов на уровне σ = 0,119 МПа.

В процессе термостарения покрытий происходит изменение их физико-механических свойств. Результаты эксперимента свидетельствуют, что в начальный период термостарения наблюдается рост твердости полимерминеральных свободных пленок, что, очевидно, обусловлено процессами структурообразования. При этом растет жесткость пленок, наблюдается увеличение модуля упругости. Нарастание жесткости покрытия, а, следовательно, и внутренних напряжений, свидетельствует, что происходит дальнейшее доотверждение покрытий (таблица 1).

В работе были сопоставлены значения внутренних напряжений и когезионной прочности, представленные в таблице 1. Анализ данных свидетельствует о том, что растрескивание покрытий на рассматриваемых этапах термостарения наблюдаться не будет.

Таблица 1. Изменение физико-механических свойств покрытий в процессе термостарения

На трещиностойкость защитно-декоративных покрытий также значительное действие оказывает воздействие солнечного света в процессе их эксплуатации. Разрушение покрытий под действием солнечного света в начальной стадии старения обусловлено фотоокислительной деструкцией. В процессе фотоокисления покрытий образуются жидкие и газообразные продукты деструкции, способствующие процессу структурообразования при старении покрытий.

Анализ данных, приведенных на рис. 2, свидетельствует о том, что при действии УФ-облучения у покрытий наблюдается релаксация внутренних напряжений и смена знака напряжений. Это, очевидно, можно объяснить  тем, что под действием УФ-облучения происходит разрыхление структуры, увеличение количества пор, трещин и дефектов, которые были заложены в процессе формирования внутренних слоев покрытия. При этом происходит увеличение шероховатости поверхности пленок и, следовательно, площади поверхности покрытия.

Стабилизация внутренних напряжений у ПВАЦ покрытий  наблюдается через 50 часов на уровне σ = 0,299 МПа, а у ПФ-115 покрытий – через 80 часов на уровне σ = 0,48 МПа.

Рис. 2. Изменение внутренних напряжений в процессе УФ- облучения 1-покрытие ПВАЦ; 2-ПФ-115 покрытие

Высокие внутренние напряжения в покрытиях способствуют быстрому их разрушению в процессе эксплуатации. Результаты исследований свидетельствуют, что более интенсивное разрушение покрытий происходит в процессе их циклического замораживания и оттаивания. Полученные физико-механические свойства покрытий представлены в таблице 2.

Таблица 2. Изменение физико-механических свойств покрытий в процессе попеременного замораживания и оттаивания

Анализ полученных результатов свидетельствует о значительном снижении величины прочности защитно-декоративных покрытий при увеличении количества циклов попеременного замораживания и оттаивания.

Расчет напряжений, возникающих в покрытиях, при изменении температуры, проводился по следующей формуле:

где α₁ - термический коэффициент линейного  расширения ТКЛР покрытия, 1/град;

α₂ - ТКЛР подложки, 1/град;

ΔT - разность температур, град;

Е – модуль упругости покрытия, МПа;

μ – коэффициент Пуассона.

В качестве подложек рассматривались материалы, характеризующиеся различным значением ТКЛР: тяжелый бетон, керамзитобетон, керамзитовый раствор, бетон на известняке. Значения ТКЛР для рассматриваемых материалов представлены в табл.1. Среднемесячную температуру воздуха принимали в соответствии с СНиП 23-01-99^* «Строительные нормы и правила. Строительная климатология»  для условий г. Пензы [8]. В качестве объектов исследования в работе использовались ПВАЦ и полимеризвестковые покрытия.

На рис.1-3 представлены расчетные данные изменения напряжений в покрытиях в результате сезонных колебаний температуры воздуха. Напряжения представляют собой алгебраическую сумму термических напряжений σ_t и растягивающих напряжений, возникающих в покрытиях в процессе отверждения σ_o, т.е.

Напряжения, возникающие в покрытиях в процессе отверждения, фиксировались автоматическим измерителем деформаций АИД-4.

Таблица 1. Значения термических коэффициентов линейного расширения

 Анализ данных, приведенных на рисунке 1, свидетельствует о том, что покрытия ПВАЦ независимо от типа подложки в течение года воспринимают растягивающие температурные напряжения. Максимальные значения напряжений характерны для ПВАЦ покрытий на подложке из тяжелого бетона в ноябре-марте месяце, составляющие σ=(0,023-0,026) МПа. Однако, принимая во внимание, что растрескивание покрытий происходит когда внутренние растягивающие напряжения будут больше или равны когезионной прочности, трещинообразование ПВАЦ покрытия наблюдаться не будет, так как величина его когезионной прочности в этот период составляет R=0,45 МПа.

Рисунок 1 – Сезонные колебания температурных напряжений для ПВАЦ покрытий

Применение в качестве подложки керамзитового раствора приводит к снижению температурных напряжений, т.е. покрытие как бы «разгружается». Максимальные суммарные напряжения на подложке из керамзитового раствора составляют σ =0,007 МПа.

На рисунке 2 представлены расчетные данные изменения температурных напряжений в полимеризвестковых покрытиях в результате сезонных колебаний температуры воздуха. В виду того, что ТКЛР полимеризвесткового покрытия по сравнению с подложками имеет меньшее значение, напряжения, возникающие в покрытии при изменении температуры, будут растягивающими. Максимальная величина напряжений характерна для ноября-марта месяца независимо от типа подложки. Наибольшие значения напряжений наблюдаются для полимеризвестковых покрытий на подложке из тяжелого бетона. Суммарные напряжения составляют σ =(0,031-0,039) МПа.

На рисунке 3 представлена зависимость изменения внутренних напряжений от действия температуры в течение года для покрытий с учетом их влажности. Результаты исследований показывают, что увлажнение покрытий приводит к уменьшению значения ТКЛР. Так, для ПВАЦ покрытий при влажности 20% значение ТКЛР составляет 3,00×10^-6 1/град, в то время как для сухого – 8,43×10^-6 1/град. Результаты расчетов свидетельствует, что увлажнение покрытий приводит к значительному увеличению значений растягивающих температурных напряжений. Так, суммарные напряжения для ПВАЦ покрытий составляют σ=(0,045-0,056)МПа, а для полимеризвестковых покрытий σ=(0,042-0,055)МПа.

Анализ полученных результатов дает возможность предполагать, что вследствие разности термических коэффициентов линейного расширения покрытий и подложки и в результате комплексного воздействия внешних факторов в процессе эксплуатации вполне вероятно трещинообразование рассматриваемых защитно-декоративных покрытий. При этом максимальная величина напряжений, возникающих в покрытиях, будет наблюдаться при нанесении их на подложки из тяжелого бетона. Это необходимо учитывать при проектировании видов отделки фасадов зданий.