Влияние магнитных полей на свойства герметизирующих материалов аэродромных покрытий

Аэродромные покрытия представляют собой комплекс сложных инженерных сооружений, к эксплуатации которых предъявляются высокие требования [1].

В последние годы наблюдается возрастающая потребность в проведении эксплуатационных ремонтов цементобетонных покрытий аэродромов государственной авиации. Это обусловлено тем, что значительная часть существующих жёстких аэродромных покрытий, расположенных в различных регионах России имеют повреждения, с локальным характером разрушения.

В настоящее время в сложившихся неблагоприятных экономических условиях полномасштабная реконструкция аэродромов представляется проблематичной. Это обуславливает необходимость поиска и применения нетрадиционных методов, основанных на использовании современных способов диагностических обследований и расчётов оценки надежности покрытий, на внедрении прогрессивных ремонтно-строительных технологий и новых эффективных материалов.

Анализ условий эксплуатации цементобетонных аэродромных покрытий показал, что на протяжении всего периода службы, они работают при постоянном напряжении из-за частой смены температурно-влажностного режима, многократно повторяющихся динамических нагрузок, что приводит к возникновению и развитию трещин. Опасность сквозных трещин заключается в снижении несущей способность цементобетонных покрытий, вследствие чего происходит проникновение воды в грунтовое основание.

К характерным разрушениям цементобетонных покрытий относятся нарушения целостности стыковых соединений и заполнителей швов. Для обеспечения качественных долговременных эксплуатационных характеристик покрытий необходимо уделять большое внимание качеству герметизирующего материала аэродромных швов [1].

В нашей стране доказательством необходимости использования качественных аэродромных герметиков является работа специалистов «НПО ПРОГРЕССТЕХ» в области строительства, реконструкции аэродромных покрытий и их ремонта. Проведенные исследования указывают на то, что долговечность аэродромных покрытий напрямую зависит от качества герметизирующих швов [2].

Герметизирующие материалы, применяемые при строительстве аэродромов, имеют различный состав, консистенцию и обладают показателями, изменяющимися в широком диапазоне, в зависимости от типа и условий эксплуатации.

По характеру применения герметики классифицируют на герметики холодного и горячего применения.

Среди герметизирующих материалов горячего применения используют полимернобитумные герметики (ПБГ), резино-битумное вяжущее (РБВ) ТУ 21–27–75, которое представляет собой смесь резиновой крошки и битумов, кумароновой смолы, мягчителей, различных полимерных добавок (полиизобутилен). Применяются битумные смеси, изготовленные с частичным замещением битума гранулами пробки и резины. Проводится модификация полимерами битума [3,4].

Создан ряд более качественных материалов на основе битума, среди которых битумно-полимерный аэродромный герметик (БПАГ), представляющий собой однородную смесь битума, модифицирующих полимерных добавок, мягчителя и тонкомолотого минерального наполнителя.

На большинстве аэродромов иностранных государств применяют в качестве герметизирующего материала битумно-полимерные материалы, такие как герметик Burke 3055 Isotex, Stekox, улучшенная каучуком битумная эмульсия Sulfiton [5].

В последнее время, как в России, так и за рубежом развивается производство герметизирующих материалов холодного применения. Такие герметики имеют более высокую стоимость, но обладают повышенными физикомеханическими показателями.

В аэродромном строительстве применяют тиоколовые герметики марок ГС-1, УТ-38Г, СМ – 0,5, «Гидром», У-30 МЭС-10, а также их модификации [6].

В особую группу можно отнести кремнийорганические (силиконовые) герметики, которые получили широкое распространение и всё чаще применяются в тех случаях, когда для заполнения швов ранее использовались материалы других видов.

Герметики холодного и горячего применения обладают как достоинствами, так и недостатками, то есть ни один из них в полной мере не соответствуют требованиям, предъявляемым к аэродромным герметикам.

Повышение физико-механических и эксплуатационных характеристик возможно достичь с помощью обработки герметизирующих материалов в магнитных полях различной интенсивности.

Магнитная обработка находит широкое применение в промышленности для очистки, обеззараживании вод, интенсификации химических процессов. [7]. Известны положительные результаты, полученные при использовании магнитных полей при отверждении мочевино-формальдегидных смол [8]. Установлено [9], что при воздействии магнитного поля на расплавы термоэластопластов повышается микротвердость и разрывная прочность полимеров

Вестник ВГУИТ/Proceedings of VSUET, № 4, в блочном состоянии. Авторами [10] приведены данные по увеличению адгезионной прочности магнитообработанных полимерных покрытий на металлических подложках. В статьях [11, 12] показано, что обработка бутадиен-стирольного латекса СКС-30 АРК магнитным полем в течение пяти минут и более позволяет снизить расход коагулирующих агентов в 1,5–2,0 раза.

На основе изложенного выше, можно сделать предположение о том, что магнитная обработка герметизирующих составов также должна позволить повысить ряд эксплуатационных показателей аэродромных защитных покрытий и швов.

Цель работы – исследование влияния магнитных полей на свойства герметизирующих материалов аэродромных покрытий.

Экспериментальная часть

В качестве герметизирующего материала использовали герметик горячего применения БПАГ-50. Интерес к изучению поведения данного герметика при воздействии на него магнитного поля основан на том, что данный герметик – материал высокого качества и имеет невысокую стоимость.

В таблице 1 представлены физико-механические характеристики герметизирующего материала.

С целью обработки образцов аэродромных герметиков в постоянном магнитном поле применяли установку, общий вид которой изображен на рисунке 1. На рисунке 2 представлена принципиальная схема установки для обработки герметика в магнитном поле.

Таблица 1.

Физико-механические характеристики герметика БПАГ-50

Table 1.

Physical and mechanical properties of the sealant BPAG-50

Температура размягчения, °С Softening point, °С	Температуро устойчивость, °С Temperature-resistance, °С	Когезионная прочность, МПа Cohesive strength, МРа	Относительное удлинение, % Relative extension,%
170	160	0,5	60–70

Рисунок 1. Общий вид установки для воздействия на образец аэродромного герметика постоянным магнитным полем

• Figure1.    General view of the installation for influencing the pattern of airfield sealant constant magnetic field

  Электромагнитный индуктор состоит из двух подвижных обмоток электромагнита. Магнитное ярмо – 4 смонтировано из двух подвижных башмаков – 2, выполнено из стали марки 10880 (ГОСТ 11036-75). Намагничивающие катушки – 1, выполненные из провода марки ПСД и последовательно соединены между собой. Электромагнит подключен к блоку питания – 5, от которого подаётся ток силой до 12А на обмотку катушек – 1.

Рисунок 2. Принципиальная схема установки для воздействия на образец постоянным магнитным полем: 1 – обмотка электромагнита; 2 – башмаки электромагнита; 3 – нагревательное устройство с образцом; 4 – ярмо; 5 – блок питания; 6 – потенциометр; 7 – источник питания нагревательного устройства; 8 – источник питания

• Figure2.    Schematic diagram of the installation for the exposure of the sample constant magnetic field: 1 – electromagnet coil; 2 – the shoes of an electromagnet; 3 – a heating device with a sample; 4 – yoke; 5 – power supply; 6 – potentiometer; 7 – a heater power supplytion devices; 8 – power supply

Регулируется напряжённость магнитного поля с помощью изменения силы подаваемого тока и расстояния между полюсами электромагнита.

Напряжённость магнитного поля достигает 30⋅104 А/м. В зоне рабочей ячейки необходимый тепловой режим поддерживается с помощью специального нагревательного элемента с универсальным источником питания – 7. Через потенциометр – 6 в рабочей ячейке информация о тепловом режиме поступает от двух хромель– копелевых термопар. Потенциометр в сочетании со специальным устройством регулирует температурный режим.

На рисунке 3 представлены графики зависимости напряжённости магнитного поля от силы тока при изменении расстояния полюсов. Отклонения не превышают 0,01–0,02%.

Рисунок 3. Зависимости напряжённости магнитного поля Н от силы тока I при различном межполюсном расстоянии l

Figure3. Dependence of intensity of a magnetic field H of the current I at different interpolar distance l

Обработка герметика в магнитном поле осуществлялась следующим образом. Устанавливается межполюсное расстояние, затем подаётся электрический ток постоянного напряжения заданной величины, напряженность магнитного поля изменяли от 6⋅104 до 30⋅104А/м. Нагревательным элементом регулируется температура. В рабочую ячейку помещается ёмкость из магнитоневосприимчивого материала (стекло, фторопласт) с образцом аэродромного герметика. Обрабатывают в течение 20 мин.

Анализ аэродромного герметика на морозостойкость. Для проведения экспериментов применяли медицинский морозильник SanyoMDF-U4186S, регулируемый диапазон температуры: -20 ~ -86 °С. Точность контроля температуры: ± 1 °С.

Метод исследования морозостойкости основывается на охлаждении образца герметика и определении температуры, при которой на образце появляются изломы и трещины.

Изготавливают шесть образцов нанесением герметика толщиной 0,5 ±0,05 мм на полоски фольги размером 60 x 15 x 0,025 мм. Образцы выдерживают не менее 1 ч при температуре (23 ±2) °С.

Готовые образцы помешают в морозильную камеру, в которой выдерживают при температуре (-25 ±1) °С в течение (20 ±5) мин. По истечении заданного времени образцы извлекают из морозильной камеры и прикладывают к ровной поверхности бруса. Конец образца изгибают в течение (2 ±1) с вокруг закругленной части бруса до достижения другой ровной поверхности. Визуально оценивают наличие трещин и изломов.

Время испытания одного образца не должно превышать 5 с. При отсутствии трещин испытания проводят, снижая каждый раз температуру в морозильной камере на 3 °С, до появления трещин или изломов не менее чем у двух испытываемых образцов. За результат испытания принимают минимальную температуру, при которой не менее чем у пяти испытанных образцов не обнаружено трещин и изломов [13].

Результаты испытаний представлены на рисунке 4.

Рисунок 4. Зависимость хрупкости герметика от продолжительности магнитной обработки герметика и напряженности магнитного поля

Figure 4. Dependence sealant fragility duration from magnetic treatment of the sealant and the magnetic field strength

На рисунке 4 приведена зависимость хрупкости герметика БПАГ-50 от продолжительности магнитной обработки герметика и напряженности магнитного поля. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что обработка аэродромного герметика магнитным полем приводит к снижению температуры хрупкости. При напряженности 22-30·104 А/м и продолжительности магнитной обработки 20–30 мин герметик растрескивается при температуре (-62)–(-64)°С, тогда как без магнитной обработки растрескивание происходит при температуре -50°С.

Возможно, снижение температуры хрупкости герметика под действием магнитного поля происходит в результате ориентации полимерных цепей. Существует ряд теорий, описывающих упорядочение растворов и расплавов полимеров.

Первая теория упорядочения полимерных цепей была предложена Онсагером в работе [14], в которой рассмотрен случай атермического раствора, где жидко-кристаллическое упорядочение происходит по стерическим причинам. Флори был развит другой подход упорядочения в растворе жестких стержней [15]. Теория Флори основана на предположении, что размер полимера определяется уравновешиванием таких двух факторов, как энтропия упругости полимера и расталкивание мономеров, т. е. определяется минерализацией свободной энергии.

В работе [16] рассмотрено влияние внешнего поля на упорядочение расплавов гибкоцепных полимеров, в рамках решеточной модели проведено рассмотрение проблемы при наложении на них внешнего поля. Исследования указывают на то, что внешнее поле индуцирует в расплаве фазовый переход в сильно упорядоченное состояние с развернутыми цепями.

Влияние магнитного поля на ориентационные процессы жесткоцепных полимеров было обнаружено для расплавов полиэфиров, полученных поликонденсацией2,2'-диметил – 4,4'-азоксибензола с хлоридом двухосновной додекановой и 3-метилэтил-адипиновой кислот, ароматических полиэфиров, сополимеров на основе пимелиновой кислотыи цетоксифе-нил-4-ацетоксибензоата, сополимеров диацета-таметилгидрохинона и пирокатехина, 4,4'-бис (эпоксипропокси) – метилстильбена, отвержденного сульфониламидом [17] и др.

Применяемая мастика состоит из битума, модифицирующих полимерных добавок, тонкомолотых минеральных наполнителей.

Битум является коллоидной системой, в которой диспергированы асфальтены, а дисперсионная среда – смолы и масла. Асфальтены имеют размер частиц 18–20 мкм, являются ядрами, каждое из которых окружено оболочкой с убывающей плотностью –от тяжёлых смол к маслам.

Средний фракционный состав дорожных битумов:

Масла 50–70%;

Смолы 20–40%;

Асфальтены 10–20%.

На рисунке 5 и 6 представлены модели полимерной структуры монослоя асфальтенов и молекулы смолы [18, 19].

Рисунок 5. А) модель полимерной структуры монослоя асфальтенов;Б) модель молекулы смолы.

Figure 5. A) model of a polymer monolayer structure of asphaltenes; B) resin model of the molecule.

Рисунок 6. Модель молекул асфальтенов: А) тип «архипелаг»; Б) тип «континент»

Figure 6. Model asphaltene molecules: a) type of «Archi-pelago»; B) type of «Continent»

Молекулы А способствуют формированию упорядоченных надмолекулярных структур в матрице битума, а молекулы Б отвечают за стабилизацию частиц.

В работе [20] иерархия структур в зависимости от концентрации молекул асфальтенов описывается схемой: молекулы – наноагрегаты – кластеры наноагрегатов (рисунок 7).

А                 Б                 В

Рисунок 5. Модель Йена-Муллинса: А) молекула асфальтена Б) наноагрегаты асфальтенов В) кластеры наноагрегатов

Figure 5. Model Yen-Mullins: A) asphaltene molecule B) nanoaggregates asphaltenes B) clusters nanoagregates

Дисперсная частица может быть представлена как центрально-симметричное образование с плотным ядром, содержащим парамагнитные молекулы (высокомолекулярные парафины, высококонденсированная ароматика, гетероциклические соединения, металлоорганика), вокруг которых группируются ароматические, нафтеновые и парафиновые углеводороды в соответствии со значениями потенциалов парного взаимодействия, с постепенным снижением плотности потенциала межмолекулярного взаимодействия от центра частицы к ее периферии. При этом дисперсионная среда является также многокомпонентным нефтяным раствором [21].

Парамагнетизм нефтепродуктов и нефтеподобных веществ, оцениваемый числом парамагнитных центров (ПМЦ), изменяется от 1015 спин/г для бензиновой фракции, до 1022 спин/г для прокаленных коксов.

Стабильными парамагнитными характеристиками обладают асфальтены или более конденсированные соединения, составляющие ядро дисперсной частицы. Близлежащий к ядру слой молекул, преимущественно смолы, обладает диамагнитными характеристиками. В отсутствие внешнего ориентирующего фактора система мало ориентирована. Надмолекулярные структуры – находятся в хаотическом расположении. Под воздействием определенных внешних факторов система становится ориентированной более однородно. При этом может изменяться соотношение компонентов условного ядра и аморфного переходного слоя локальной флокулы, плотность упаковки молекулярных фрагментов в этих областях, их прочность и т. д.[21].

Исследования [22] показали, то обработка нефти с различным содержанием смолистых компонентов знакопеременным магнитным полем существенно влияет на размеры частиц коллоидно-дисперсной фазы нефтяных систем и, следовательно, на их реологические характеристики. Для нефти, характеризующейся повышенным содержанием полярных кислых смол, после магнитной обработки наблюдается снижение размеров нефтяных ассоциатов, уменьшение вязкости, статического напряжения сдвига и энергии активации вязкого течения. Для нефти с повышенным содержанием неполярных нейтральных смол после магнитной обработки отмечено увеличение размеров ассоциатов и значений реологических параметров. Через определенный промежуток времени происходит частичное или полное восстановление первоначальных размеров ассоциатов и релаксация реологических свойств магнитообработанной нефти [22].

Малоэнергетические технологии (магнитные, электрические и др.), с помощью которых можно без заметных внешних энергетических затрат или с использованием внутренних резервов вещества перестраивать его структуру, являются наиболее перспективными в виду их экономичности, эффективности и доступности. Эти методы находят все более широкое применение в нефтяной промышленности. Их использование позволяет за короткий промежуток времени достичь значительного уровня разрушения структуры нефтяных ассоциатов (т. е. к изменению их размеров и изменению соотношения фаз), образованных смолисто-асфальтеновыми компонентами и кристаллическими парафиновыми углеводородами, и поддерживать этот уровень в течение времени, необходимого для осуществления массообменных процессов [22].

В результате направленного изменения внешними воздействиями происходит перераспределение углеводородов между фазами, реализуются стадии фазового перехода, которые влияют на прочностные свойства.

Внешние воздействия становятся управляющими параметрами, которые позволяют регулировать выход и качество нефтепродуктов.

Выводы

• 1.    Впервые, с целью улучшения качества аэродромных герметиков, была применена обработка материалов в постоянном магнитном поле.

• 2.    Применение магнитной обработки с напряжённостью от 6⋅10⁴ до 30⋅10⁴ А/м в течении 15 мин способствует увеличению морозостойкости герметиков практически в 2 раза. Установлены режимы магнитной обработки герметизирующих материалов, обеспечивающие оптимальное сочетание времени обработки исследуемых показателей.

• 3.    Полученные результаты подтвердили теорию ориентации полимеров под действием магнитной обработки.