Результаты обследования состояния окрашенных поверхностей фасадов зданий, позволяют сделать вывод, что одним из основных видов дефектов, оказывающие влияние на качество защитно-декоративных покрытий является трещинообразование.

Применительно к защитно-декоративным покрытиям, проблема трещиностойкости практически не разра­батывалась и не решена. Анализ литературных источников [8…10] свидетельствуют, что методы оценки трещиностойкости покрытий, существующие в настоящее время, носят условный характер и не позволяют количественно оценить параметры их трещиностойкости.

Так, в настоящее время оценку трещиностойкости защитно-декоративных покрытий производят по методике В.В. Шнейдеровой [11]. Суть метода заключается в моделировании процесса образования трещин в железобетонном элементе, при растяжении которого в бетоне под покрытием создаются трещины. Состояние покрытия над трещиной замеряемой ширины оценивают по его сплошности при 20-30-кратном увеличении через оптический прибор. За показатель трещиностойкости принимают ширину раскрытия трещины, предшествующей той, когда было замечено образование первого дефекта в покрытии над трещиной.

Однако данный метод не лишен недостатков, а именно, наряду с использованием достаточно сложного оборудования он не дает возможности прогнозировать стойкость покрытий к образованию трещин в процессе их эксплуатации.

Для оценки трещиностойкости конструкционных материалов в настоящее время применяют испытание на изгиб с предварительно созданной трещиной в качестве инициатора разрушения [12]. По результатам неравновесных механических испытаний на трехточечный изгиб образцов типа I с начальным надрезом (рис. 1) вычисляются основные силовые характеристики трещиностойкости. Начальные надрезы наносят при помощи режущего инструмента (фреза толщиной1 ммс алмазным покрытием режущей кромки) или при формировании образцов путем закладывания специальной стальной пластины.

Рисунок 1 – Образец типа I

По результатам неравновесных испытаний образцов определяют коэффициент интенсивности напряжений K^*_c  по следующей зависимости:

где F^*_c -нагрузка начала движения трещины; L₀ -расстояние между опорами, равное 3,8b; b – высота образца; t -ширина образца; a₀ – глубина надреза;

Применение данного метода при оценке трещиностойкости защитно-декоративных покрытий ограничено тем, что толщина образцов с начальной трещиной во много раз превосходят реальные размеры эксплуатируемых покрытий. Кроме того, метод оценки трещиностойкости, основанный на испытании образцов с начальным надрезом, не позволяет оценить степень влияния подложки на трещиностойкость защитно-декоративных покрытий.

При оценке трещиностойкости пластмассовых изделий и некоторых изделий из керамики применяют образцы типа «двойная консоль» (рис. 2) [13].

Рисунок 2 – Схема определения K_1c на образцах типа «двойная консоль» с перемычкой постоянного сечения (а)

и переменного сечения (б)

 При этом образец имеет форму длинной призмы с двумя наружными пазами, расположенными вдоль призмы (рис. 2). Они служат как бы направляющими для развивающейся трещины. Кроме того, на одном из торцов призмы имеется надрез для инициирования развития трещины. Нагрузка прикладывается на одном из концов призмы в виде двух сосредо­точенных сил Р. Критический коэффициент интенсивности напряжений определяется по формуле:

где  P_c – критическое значение нагрузки; l – длина надреза; h-высота образца; b – ширина образца; W - ширина «перемычки».

Данная схема испытания наряду с тем, что не позволяет выявить степень влияния подложки на трещиностойкость покрытий, также требует применения достаточно сложных образцов.

Для оценки трещинообразования полимерных покрытий применение методики, основанной на соотношении между длиной трещины, отпечатком индентора Виккерса и вязкостью разрушения. Данная методика с успехом применяется для оценки трещиностойкости (К_1с) керамики [15].

Интерес к данному методу обусловлен оперативностью получения результата, использованием несложного испытательного оборудования, простотой измерений. В этом методе значение коэффициента интенсивности напряжений К_1с определяется по длине радиальных трещин, образующихся в хрупких материалах из углов отпечатка индентора Виккерса. Для получения полуэмпирической зависимости длины радиальных трещин от трещиностойкости и твердости применяется подход, предложенный А. Эвансом и Е. Чарлзом [15, 16].

Наиболее распространенное полуэмпирическое уравнение этого вида приведено ниже [1, 17, 18]:

К_1с=0,028Нa^1/2(E/H)^0,5(С/a)^-1,5       

где Н – твердость по Виккерсу;

Е – модуль упругости;

С – полудлина радиальных трещин

а – полудлина диагонали отпечатка.

         Метод прост и удобен, так как для его реализации требуется только отполировать поверхность образца и провести испытания на твердость. Причем, метод можно использовать на образцах малых размеров, которые невозможно испытать на трещиностойкость другими способами. Но при этом необходимо, чтобы размер отпечатка и длина радиальных трещин, по крайней мере, на порядок превышали размер зерна для поликристаллических материалов.

Результаты проведенных ранее исследовательских работ показывают, что большинство защитно-декоративных покрытий имеют хрупкий характер разрушения, что дает основание предложить данную методику для оценки трещиностойкости лакокрасочных покрытий [14…17].

Таким образом, решение задачи повышения качества защитно-декоративных покрытий требует использования современных методов оценки и прогнозирования трещиностойкости.

В работе представлен сравнительный анализ оценки трещиностойкости отделочных покрытий, полученных с использованием различных методов, широко используемых на практике.

В качестве объекта исследования в работе использовались ПВАЦ, полимеризвестковое и пентафталевое покрытие.

В ряде случаев оценку трещиностойкости отделочных покрытий производят по методике В.В. Шнейдеровой [11], суть которой заключается в моделировании процесса образования трещин в железобетонном элементе, при растяжении которого в бетоне под покрытием создаются трещины. За показатель трещиностойкости принимают ширину раскрытия трещины, предшествующей той, когда было замечено образование первого дефекта в покрытии над трещиной.

Результаты испытаний исследуемых образцов по методике В.В. Шнейдеровой представлены в табл. 1.

Таблица 1. Оценка трещиностойкости защитно-декоративных покрытий по методу В.В. Шнейдеровой

Анализ полученных данных свидетельствует о том, что наибольшими пластическими свойствами обладает пентафталевая краска (ПФ-115), так как нарушение ее сплошности происходит при большей ширине раскрытия трещины в подложке, равной1,5 мм. Полимеризвестковое и ПВАЦ покрытия отличаются более хрупким характером разрушения. Аналогичные результаты были получены и при оценке трещиностойкости по предлагаемой нами методике.

Однако метод В.В. Шнейдеровой не позволяет количественно оценить параметры трещиностойкости защитно-декоративных покрытий, а значит отсутствует возможность прогнозирования стойкости покрытий к образованию трещин в процессе их эксплуатации.

В работе проведен сравнительный анализ результатов оценки трещиностойкости покрытий с использованием методики, основанной на испытании образцов на изгиб с предварительно созданной трещиной, и метода Виккерса [1, 3, 4].

По результатам неравновесных испытаний на трехточечный изгиб образцов типа I с начальным надрезом определяют коэффициент интенсивности напряжений  по следующей зависимости:

где F_c^* – нагрузка начала движения трещины; L₀-расстояние между опорами, равное 3,8b; b – высота образца; t – ширина образца; a₀ – глубина надреза; λ=a₀/b.

Рисунок 1 – Образец типа I

Для оценки трещинообразования отделочных покрытий по методу Виккерса (рис. 2) значение коэффициента интенсивности напряжений определяется по следующей формуле:

                            К_1с=0,028Нa^1/2(E/H)^0,5(С/a)^-1,5       

где Н – твердость по Виккерсу;

Е – модуль упругости;

С – полудлина радиальных трещин

а – полудлина диагонали отпечатка.

Рисунок 2 – Четырехгранная алмазная пирамида для определения твердости методом Виккерса

Установлено, что критические значения коэффициентов интенсивности напряжений, полученные с применением метода Виккерса имеют меньшие значения по сравнению с методом испытаний образцов с начальным надрезом. Так, например, для ПВАЦ покрытий критическое значение коэффициента интенсивности напряжений, полученное после испытаний образцов с начальным надрезом составляет =0,112 МН/м^3/2, а при испытании образцов с использованием метода Виккерса К₁=0,088 МН/м^3/2. Это может быть обусловлено тем, что толщина образцов с начальной трещиной во много раз превосходит реальные размеры эксплуатируемых покрытий. Кроме того, метод оценки трещиностойкости, основанный на испытании образцов с начальным надрезом, не позволяет оценить степень влияния подложки на трещиностойкость защитно-декоративных покрытий. Применение оценки трещиностойкости покрытий с применением метода Виккерса позволяет исключить эти недостатки.

Анализ полученных результатов свидетельствует, что оценка трещиностойкости с применением метода Виккерса позволяет количественно оценить трещиностойкость защитно-декоративных покрытий.

Представляет практический интерес исследование поведения показателя трещиностойкости К₁ покрытий с помощью методов математической статистики. Это дает возможность оценить достоверность результатов, получаемых при использовании предлагаемого нами метода оценки трещиностойкости защитно-декоративных покрытий. С этой целью нами были рассчитаны средние значения показателей трещиностойкости покрытий из серии экспериментов, среднее квадратическое отклонение и коэффициент вариации.

Следует отметить, что при оценке трещиностойкости покрытий с использованием данной методики наблюдается небольшой разброс получаемых значений. Анализ экспериментальных данных, представленных на рис. 3-6, свидетельствует, что разброс значений коэффициентов интенсивности напряжений поливинилацетатцементных и полимеризвестковых покрытий как в процессе термостарения, так и после попеременного замораживания-оттаивания, не превышает 3-4%. Это характерно и для значений критического коэффициента интенсивности напряжений рассматриваемых покрытий. Так, например, для ПВАЦ покрытий коэффициент вариации для критического коэффициента интенсивности напряжений составляет ν=3,11%.

Рис.3. Изменение коэффициента интенсивности напряжений полимеризвесткового покрытия от действия попеременного замораживания-оттаивания.

Рис.4. Изменение коэффициента интенсивности напряжений ПВАЦ покрытия от действия попеременного замораживания-оттаивания

Рис.5. Изменение коэффициента интенсивности напряжений ПВАЦ покрытия в процессе термостарения.

Рис.6. Изменение коэффициента интенсивности напряжений полимеризвесткового покрытия в процессе термостарения.

Таким образом, оценку трещиностойкости покрытий с использованием метода Виккерса можно проводить как в лабораторных условиях, так и непосредственно на месте эксплуатации.  Кроме того, полученные данные свидетельствуют, что оценка трещиностойкости защитно-декоративных покрытий по предлагаемой методике позволяет получить объективные результаты при прогнозировании долговечности отделочных покрытий.