Нанотехнологии испытаний и диагностики материалов, конструкций и элементов инженерных систем зданий с огнезащитными покрытиями. Часть 2

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

струкций из них [1, 2]. Однако методов и средств текущей эффективности огнезащиты нет, а существующая методика оценки разделяет ОЗП на семь групп, в зависимости от времени прогрева до 500оС стальной колонны двутаврового сечения профиля № 20 или профиля № 20Б1 высотой 1700 мм, покрытой ОЗП [3]:

1-я группа – не менее 150 мин.;

2-я группа – не менее 120 мин.;

3-я группа – не менее 90 мин.;

4-я группа – не менее 60 мин.;

5-я группа – не менее 45 мин.;

6-я группа – не менее 30 мин.;

7-я группа – не менее 15 мин.

При этом методика не распространяется на определение предела огнестойкости строительных конструкций с огнезащитой, а устанавливает только группу эффективности самих ОЗП.Такой же подход используется для ОЗП, применяемых для защиты древесины, кабелей и т.д. [2–5].

Таким образом, опять налицо латентная форма оценки эффективности ОЗП – не по работоспособности (прочности, термостойкости, изолирующей способности и т.д.) защищаемого материала, а по косвенным характеристикам самого ОЗП [6].

Именно поэтому для оценки качества и долговечности ОЗП в реальных условиях эксплуатации, при условии обеспечения ими параметров устойчивости к воздействию защищаемых материалов, конструкций и элементов инженерных систем объектов (зданий, сооружений), необходимо было разработать экспресс-метод и переносной диагностический комплекс огнезащитных покрытий (ПДК ОЗП).

МЕТОДЫ, МОДЕЛИ И СРЕДСТВА

На основе системного анализа существующих технологий противопожарной защиты строительных

материалов из дерева, металлов, резины и полимеров была разработана методология экспресс-анали-за и переносной диагностический комплекс (ПДК) термо-электро-акустического (ТЭА) зондирования ОЗП, использующие термо-акустические методы, что позволило определять теплопроводность, скорость ультразвука и коэффициент его поглощения в ОЗП на объекте, а также провести сравнительный анализ «образа ОЗП», включающего его эксплуатационное старение, полученного на БЭТА-анализа-торе, с измеренными характеристиками на объекте во время проверки, по которым вычислить время его работоспособности [6–10].

Разработанный способ термо-электро-акусти-ческого (ТЭА) зондирования использует не только метод акустической эмиссии (АЭ), но и метод молекулярно-акустического анализа (МА), что позволяет определить скорость – с(Т) и частоту – ω(Т) ультразвука в ОЗП, после чего вычислить коэффициент его поглощения – α с и проверить значение Е – модуля Юнга, полученного на БЭТА-анализаторе [9–11]:

Е = ρ • с ², were с ( Т ) = (2 l _в + d/2)/(τ_г–τ_п), (1)

ac =-----7

^c 2 p^ c ³

— n + s + Л ■

—

C C

V Vy -

, p )_

где l _в – длина акустического волновода, d – диаметр образца, τ_г – время возбуждения первым датчиком импульса от эталонного генератора, τ_п – время приема вторым датчиком импульса от эталонного генератора, ρ – плотность образца, с – скорость звука в образце, ω – круговая частота звуковой волны, η – коэффициент сдвиговой вязкости, ε – коэффициент объемной вязкости, λ – коэффициент теплопроводности, C_V – теплоемкость при постоянном объеме, C_P – теплоемкость при постоянном давлении.

Рис. 1. Плата ТЭА-зондов

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

ТЭА-зондирование осуществляется с помощью специальной платы (рис. 1), которая содержит три металлических зонда, установленных на фторопластовой пластине по прямой линии на фиксированных расстояниях, на каждом из которых установлен акустический датчик. Крайние датчики подключаются на отдельные входы осциллографической приставки через предусилители, регистрируя акустические сигналы, а центральный – на выход ее эталонного генератора через управляемый электронный ключ, работая как излучатель ультразвуковых сигналов [7, 9].

На каждом из трех зондов установлено по одному тепловому датчику, подключаемому на вход измерителя иммитанса через управляемый коммутатор, измеряя температуру (по изменению их сопротивлений). Каждый из трех зондов представляет заостренный термо-электро-акустический волновод из молибдена, подключаемый на вход измерителя иммитанса через управляемый коммутатор, для измерения электрических и тепловых параметров ОЗП между зондами, а к осциллографической приставке – для измерения акустических сигналов [9].

При калибровке по известной плотности стенки корпуса ПДК ОЗП из алюминиевого сплава (ρ), теплоемкости (Ср) и модулю объемной упругости (К = 1/β), а также калиброванных расстояний между зон- дами (lц и lк) специальное программное обеспечение (рис. 2) управляет ПДК и определяет следующие параметры [9, 12]:

– механические – модуль Юнга ( Е = ρС ²), модуль сдвига ( G = 3 E/ (9 -E/K ) и коэффициент Пуассона ( ν = E/ 2 G- 1);

– тепловые – температуры поверхности ( Т ц и Т к), коэффициенты теплопроводности ( λ ) и температуропроводности ( а = λ/ ( ρ • С р);

– электрические – проводимость ( G ), комплексное сопротивление ( Z ), тангенс угла потерь (tgσ), диэлектрическую (ε) и магнитную проницаемость (µ), решая уравнение характеристического (поверхностного по Леонтовичу) импеданса ( Z = (µ/ε)1/2);

– акустических – интенсивности потока (количества в единицу времени) актов акустической эмиссии (АЭ) dN_a/dt , их общего количества N_a , амплитуды Aи спектрального состава излучения U ( f ), а также скорости звука ( С ).

РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБСУЖДЕНИЕ

В ходе калибровки осуществляется настройка всех измерительных каналов на параметры «корпуса-шунта» из алюминиевого сплава (рис. 3), путем вычисления соответствующих погрешностей элек-

3. Aktakom 3002

1. Ноутбук (Pentium Dual-Core)

dNa₂/dt, А₂ (u), U₂(f),:

И (JTdo 100°C)

Предусилители

*■ 2. Е 7-25 G, R, Z,

*: D, L, Q, ф, I

Коммутатор

*

ХвьОЗв; •

<      »

*Xoj,tooi

“Диспетчер” Программный модуль ввода-вывода, транзита и первичной обработки данных (вычисления температур, про-

ИЗВОДНЫХ, рашений, метров и

при-паракрите-

риев подобия -«образов ОЗП»), а также их сравнения с БД и формирования команд и заданий приборам и блоку ТЭА-зондирования

♦

“База данных” Комплекс программ, обеспечивающих запись процесса испытаний в реальном масштабе времени, хранение и архивацию данных и «образа» ОЗП

“Анализатор” Программный модуль, вычисляющий и отображающий (в соответствующих координатах) параметры процесса и ОЗП, которые выбирает оператор из полного набора при запуске.

GSM-модем

Рис. 2. Структурная схема СПО

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ трических (∆э), температурных (∆т) и акустических (∆а) измерительных каналов и их корректировка.

ПДК ОЗП состоит из корпуса (1) с ноутбуком (2), с измерителем иммитанса (3) и двухканальной осциллографической приставкой (4), подключенных к ноутбуку, на входы которых соответствующими кабелями подключается блок термо-электро-аку-стического (ТЭА) зондирования (5), прижимаемый к ОЗП проверяемого объекта (конструкции, материала, кабеля) по тепловым, электрическим и акустическим сигналам, с которых специальное программное обеспечение (СПО) ноутбука идентифицирует свойства и стадии эксплуатационной устойчивости ОЗП. При этом осциллографическая приставка подключается и питается от разъема USB ноутбука (рис. 4), а измеритель иммитанса питается от встроенного в него аккумулятора и подключается к другому разъему USB. Блок ТЭА зондирования входит в переносной комплекс, состоит из двух предусилителей (6), коммутатора (7), многожильного соединительного кабеля (9) и платы ТЭА-зондов (8), на которой установлен эталонный зонд (10), центральный измерительный зонд (11) и крайний измерительный зонд (12). Эталонный зонд содержит акустический датчик, излучающий ультразвуковой импульс, тепловой датчик-нагреватель молибденового щупа до температуры 100оС. Центральный и крайний измерительные зонды одинаковы и представляют собой заостренные металлические стержни, выполняющие функции термо-электро-акустических щупов-волноводов, на которых смонтированы тепловые и акустические датчики. Для измерения температуры и сопротивления ОЗП между зондами используется измеритель иммитанса с коммутатором, а датчики, регистрирующие акустические сигналы, подключаются к осциллографической приставке [9, 12].

Ноутбук может представлять собой любой двухпроцессорный компьютер с ОЗУ не менее 4 Гбайт и ОС Windows 7, программное обеспечение (ПО) которого помимо пакетов программных модулей (ППМ), измерителя иммитанса и двухканальной осциллографической приставки включает в себя специальное программное обеспечение (СПО), которое синхронизирует работу всех указанных составных частей ПК и, обрабатывая получаемые ТЭА-данные, вычисляет текущие параметры ОЗП, по которым идентифицирует стадии его эксплуатационной устойчивости и определяет эффективность защиты [9, 12].

В качестве измерителя иммитанса использован Е7-25 с автономным питанием, а осциллографическая приставка должна быть двухканальной (например, Актаком 3002) с функцией анализатора спектра и питанием от USB – разъема ноутбука (рис. 4).

ПДК ОЗП приводится в действие включением ноутбука и измерителя иммитанса с выбором из «меню» процедуры «калибровка», после которой блок ТЭА-зондирования вынимается из корпуса ПК и прижимается к проверяемому объекту с ОЗП (конструкции, кабелю, материалу), после чего запускается режим «диагностика ОЗП» с помощью того же специального программного обеспечения (рис. 2). При этом для идентификации состояния

Рис. 3. Общий вид ПКД ОЗП с вариантами исполнения

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 4. Блок-схема программно-технического комплекса

ОЗП, т.е. стадии его эксплуатационного старения, в базе данных ПК должен быть «образ ОЗП», который представляет собой его вектор-функцию жизненного цикла в интервале температур от минус 55 до плюс 65оС, полученный на БЭТА-анализаторе, по которым определяется стадия устойчивости и вычисляется время обновления ОЗП [12, 13].

ПДК ОЗП и предлагаемый подход позволили осуществить системный синтез модели Интернет-системы термо-электро-акустической диагностики ОЗП и эксплуатационной устойчивости защищаемых материалов (конструкций и элементов инженерных систем), которая может стать основой национальной системы надзора в данной предметной области [12, 14].

Такая национальная макросистема надзора представляет собой автоматизированную лабораторнооперативную Интернет-систему (рис. 5), состоящую из 3-х отдельных, но функционально связанных систем – испытательной, контрольной и информаци-онной[14].

Испытательная система должна состоять из БЭТА-анализаторов с предлагаемой адаптацией, которыми должны быть оснащены все региональные судебно-экспертные учреждения «Испытательные пожарные лаборатории» (СЭУ ИПЛ) МЧС России и Центры стандартизации, метрологии и сертификации (ЦСМ) Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт) [10, 15, 16].

Контрольная система состоит из ПКД ОЗП, которые с помощью ТЭА-зондов позволят измерять, обрабатывать и осуществлять специалистами указанных испытательных подразделений диагностику состояния защищаемых материалов и ОЗП в условиях эксплуатации на объектах [8, 12, 14].

Информационная система (рис. 5) будет состоять из серверов и сайтов Росстандарта и ВНИИ ПО МЧС России, с банком ТЭА-данных ОЗП и защищаемых материалов, наполняемых ЦСМ и ИПЛ МЧС России, а также базой данных текущей ТЭА-диагностики ОЗП на объектах, наполняемых в «on-line» режиме через указанные сайты органами по сертификации продукции, объектами и органами надзора [14].

Решение задач в информационной системе может быть осуществлено с помощью имеющихся Интер-нет-порталов [12,14]:

– ФГБУ ВНИИ ПО МЧС России (http://www.

– Росстандарта .

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемый подход и ПДК ОЗП реализуют экспресс-анализ ОЗП на объекте эксплуатации, дополняя известные методы определения огнезащитной эффективности, которые отражены в соответствующих нормативных документах [2–5] и исследованиях [6–8], в т. ч. методами термического [17] и термо-электро-акустического анализа [18, 19], создавая «образ ОЗП» для последующей идентификации стадий его «старения», а следовательно, и для определения фактического времени его обновления на любых объектах надзора [12, 14, 15].

Предлагаемый подход и ПДК ОЗП позволили синтезировать модель Интернет-системы термо-электро-акустической диагностики ОЗП и эксплуатационной устойчивости защищаемых материалов (конструкций и элементов инженерных систем), которая может стать основой национальной системы надзора в данной предметной области [14].

ПРОБЛЕМЫ ПРИМЕНЕНИЯ НАНОМАТЕРИАЛОВ И НАНОТЕХНОЛОГИЙ В СТРОИТЕЛЬСТВЕ

Рис. 5. Общий вид схемы обмена информации

Часть I статьи «Нанотехнологии испытаний и диагностики материалов, конструкций и элементов инженерных систем зданий с огнезащитными покрытиями» опубликована в номере 3/2020 журнала «Нанотехнологии в строительстве».