Содержание к диссертации
Введение
Анализ литературных источников по теме диссертации. цели и задачи исследований 11
1.1. Основные виды применяемых полимербетонов. Сравнительный анализ 11
1.2. Композиты на основе жидких каучуков 18
1.3. Структурообразование полимерных композиционных материалов 26
1.4. Цели и задачи исследований 32
1.5. Выводы 33
Обоснование исследований. используемые материалы. методы исследований 35
2.1. Обоснование границ факторного пространства экспериментальных исследований 35
2.2. Используемые материалы 36
2.3. Методы исследований
2.3.1. Методика оценки физико-механических свойств 42
2.3.2. Методика определения долговечности 43
2.3.3. Оборудование, приспособления, приборы для испытаний 45
2.3.4. Физико-химические исследования 47
2.4. Математическое планирование и обработка результатов экспериментов 48
2.5. Выводы 49
Проектирование составов каучуковых композитов на микроструктурном уровне 51
3.1. Разработка и исследование матрицы каучуковых композитов 51
3.1.1. Обоснование выбора компонентов отверждающей группы 51
3.1.2. Оптимизация расхода компонентов отверждающей группы 54
3.2. Исследование прочности связующего каучуковых композитов в зависимости от количества, дисперсности и вида наполнителя 64
3.2.1. Влияние степени наполнения композиций с учетом дисперсности наполнителя з
3.2.2. Анализ прочности связующих в зависимости от вида наполнителя в композиции 72
3.2.3. Рекомендации по выбору вида наполнителя 75
3.3. Выводы 76
Проектирование эффективных составов каутонов и исследование прочности и деформативности при статической нагрузке 78
4.1. Проектирование эффективных составов каутонов 78
4.1.1. Гранулометрический подбор заполнителей 78
4.1.2. Расчет составов каутонов 78
4.1.3. Анализ представленных методик 85
4.2. Кратковременное воздействие нагрузок в нормальных условиях 88
4.2.1. Кратковременное воздействие нагрузок 88
4.2.1.1. Масштабный фактор 8 8
4.2.1.2. Определение призменной прочности композита 91
4.2.1.3. Деформационные характеристики композита 93
4.2.2. Нормативные и расчетные характеристики каутона при кратковременном воздействии нагрузок 96
4.3. Длительное действие сжимающих нагрузок в нормальных условиях 97
4.3.1. Деформирование каутонов при длительных сжимающих нагрузках 97
4.3.2. Нормативные и расчетные характеристики каутона при длительном действии нагрузок 105
4.4. Выводы 106
Исследование физико-технических и химических свойств каучуковых композитов. работоспособность каутона 108
5.1. Физико-механические свойства каутона 108
5.1.1. Износостойкость 110
5.1.2. Ударная вязкость каутона 114
5.1.3. Плотность и пористость 117
5.1.4. Воздухо- и водопроницаемость, водопоглощение
5.2. Теплостойкость и термостойкость 119
5.3. Химическая стойкость каутона в агрессивных средах 123
5.4. Работоспособность каутона 135
5.5. Выводы 141
6. Разработка принципов технологии изготовления композитов на основе жидкого каучука. рекомендации по применению и технико-экономические показатели разработанных композиций 143
6.1. Исследование параметров режима вулканизации каутона 143
6.1.1. Оптимизация по прочности на сжатие 145
6.1.2. Оптимизация по прочности на растяжение при изгибе 146
6.1.3. Анализ полученных результатов 149
6.2. Влияние режимов перемешивания на прочность и однородность смеси 151
6.3. Влияние очередности введения компонентов 157
6.4. Разработка принципов производственной технологии 160
6.4.1. Рекомендации по изготовлению композитов и изделий 160
6.4.2. Вопросы охраны труда 164
6.5. Рекомендации по применению и технико-экономические показатели разработанных композиций 165
6.5.1. Области эффективного применения 165
6.5.2. Экономическая эффективность применения композиционного материала 167
6.6. Выводы 170
Основные выводы 172
Список использованных источников 175
- Структурообразование полимерных композиционных материалов
- Методика оценки физико-механических свойств
- Обоснование выбора компонентов отверждающей группы
- Воздухо- и водопроницаемость, водопоглощение
Введение к работе
Актуальность темы. Увеличение срока службы конструкций и изделий, эксплуатирующихся в условиях воздействия агрессивных сред, остается актуальной проблемой современного строительного материаловедения. Потери, связанные с коррозией бетонных и железобетонных конструкций, достигают размеров, сравнимых с затратами на развитие крупнейших отраслей промышленности. Немаловажной проблемой является и утилизация крупнотоннажных промышленных отходов. В настоящее время одним из путей повышения надежности и долговечности строительных конструкций и изделий, подверженных агрессивным воздействиям, является применение полимерных композиционных материалов. Наряду с известными видами химически стойких бетонов наиболее перспективными для разработки связующих следует считать жидкие каучуки на основе диеновых углеводородов. Существенным достоинством жидких каучуков является то, что их производство базируется на нефтехимическом сырье и что сами они вырабатываются отечественной промышленностью в болыпемасшгабном количестве, в то время как производство синтетических смол (эпоксидных, полиэфирных, карбамидных) сократилось, и это привело к их удорожанию. Наибольшее удорожание и дефицитность проявились в отношении фурановых смол, так как предприятия, их выпускающие, оказались за пределами России.
На кафедре железобетонных и каменных конструкций Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (ВГАСА) в течение ряда лет проводятся работы по созданию композиционных материалов на основе жидких каучуков различных марок. Каучуковые композиционные материалы характеризуются ценным набором эксплуатационных характеристик, среди которых высокая стойкость к действию различных агрессивных факторов.
Для создания каучуковых бетонов (каутонов) нашли свое применение отечественные жидкие каучуки марок СКДН-Н, ПБН и СКДП-Н. Обладая рядом преимуществ по отношению к двум последним (значительный объем промышленного выпуска, более высокая реакционная способность, низкая вязкость полимера) каучук марки СКДН-Н позволяет получать каутоны, которые в настоящий момент мало изучены, особенно при рассмотрении влияния ре-цептурно-технологических факторов на эксплуатационные свойства разрабатываемых композитов. Кроме того, требует своего развития вопрос технологии изготовления бетона на основе жидкого каучука СКДН-Н и остается актуальной задача управления технологическими и эксплуатационными свойствами получаемых композиций.
С изучением обозначенных актуальных вопросов связана цель, задачи и содержание исследований.
Исследования по теме диссертации выполнены на кафедре железобетонных и каменных конструкций ВГАСА в русле "Приоритетных направлений ... " и "Критических технологий ... ", а также в соответствии с программами: межвузовской - "Строительство" и региональной - "Черноземье".
Целью диссертационной работы является разработка и исследование эффективных композиционных материалов на основе жидкого каучука марки СКДН-Н с повышенными показателями физико-механических свойств и химического сопротивления на всех уровнях структурной организации с учетом влияния рецептурно-технологических факторов.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
сформулировать критерии выбора компонентов матрицы, оценить эффективность их введения в каучуковые композиции, проанализировать особенности влияния ингредиентов, входящих в состав отверждающеи группы, с учетом их взаимного влияния на основные показатели качества;
установить влияние количества, дисперсности и вида наполнителя, используя для этого техногенные отходы и местные сырьевые ресурсы, а также количественное соотношение заполнителей на основные физико-механические характеристики;
изучить кинетические особенности отверждения изделий при тепловой обработке и определить рациональные параметры приготовления смеси;
по результатам анализа основных критериев качества разработать составы композиций, отличающихся повышенной стабильностью эксплуатационных свойств и технологические режимы, их обеспечивающие; разработать принципы технологии изготовления бетона на основе жидкого каучука;
исследовать поведение разработанных композиций при воздействии кратковременных и длительных нагрузок, определить нормативные и расчетные прочностные и деформационные характеристики разработанных композиций, произвести оценку показателей химического сопротивления в агрессивных средах различной природы;
для определения границ работоспособности выявить связь между силовыми, температурными и временными пределами использования материала на основании принципа температурно-временной и силовой эквивалентности, определить термостойкость материала;
показать перспективы практического применения каучуковых бетонов в народном хозяйстве РФ, оценить технико-экономическую эффективность разработанных композиций.
Научная новизна и отличительные особенности результатов, полученных в диссертационной работе, состоят в:
разработке и исследовании эффективных композитов на основе жидкого каучука марки СКДН-Н, обладающих повышенными физико-техническими и эксплуатационными показателями, а также высокой химической стойкостью в агрессивных средах различного характера;
получении многофакгорной нелинейной модели, позволяющей количественно оценить взаимное влияние компонентов отверждающеи группы на основные прочностные характеристики исследуемых композитов;
установлении зависимости изменения физико-механических и эксплуатационных свойств от количества, дисперсности и вида наполнителя, а также количества заполнителя; доказательстве возможности использования в качестве наполнителя для композиций местных сырьевых ресурсов и техногенных отходов, обеспечивающих возможность получения композитов заданного качества;
получении графо-аналитических моделей, описывающих изменение прочностных параметров наполненных композитов в зависимости от температуры и времени отверждения;
оценке границ работоспособности, долговечности, химстойкости, тепло- и термостойкости разработанного материала.
Достоверность полученных результатов обеспечивается методически обоснованными комплексными исследованиями состава, технологии и свойств каучуковых композитов, использованием современных средств исследований и измерений, в том числе и физическими, применением математических методов планирования экспериментов и вероятностно-статистических методов обработки результатов.
Практическое значение работы состоит в обеспечении возможности решения задач, связанных с разработкой эффективных материалов на основе жидкого каучука марки СКДН-Н, а также в использовании разработанных составов каутонов в производстве новых эффективных коррозионностойких изделий и конструкций; определяется тем, что введение в качестве наполнителей техногенных отходов способствует решению экологических проблем, связанных с их утилизацией, а предлагаемый набор свойств для разработанных составов каучуковых бетонов обеспечит расширение области его применения и позволит повысить потенциал конкурентоспособности в сравнении с распространенными видами полимербетонов.
Внедрение результатов. Результаты диссертационной работы реализованы при разработке "Технологического регламента изготовления бетона на основе жидкого каучука" и проекта технических условий "Плиты бетонные на основе жидких каучуков для полов производственных зданий". Теоретические разработки и результаты экспериментальных исследований использованы в учебном процессе при постановке лекционного курса, а также в дипломном проектировании.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и обсуждались на Международных научно-технических конференциях молодых ученых и студентов СПбГАСУ (г.Санкт-Петербург,199б, 1998гг.); Международной конференции "Актуальные проблемы строительного материаловедения" (IV академические чтения, г.Пенза, 1998г.); Международной научно-технической конференции "Проблемы строительного и дорожного комплексов" (г.Брянск,БГИТА,1998г.); Международной научно-практической конференции - школа-семинар молодых ученых и аспирантов (г.Белгород, 1998г.); Международной научно-практической конференции "Строительство -2000"(г.Ростов-на-Дону,РГСУ,2000г.); а также на научно-технических конфе-
ренциях профессорско-преподавательского состава ВГАС А (г. Воронеж, 1997, 1998, 1999, 2000г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе получен 1 патент (RU №2120425), 8 статей, 2 информационных листка.
Автор защищает: результаты экспериментальных исследований взаимосвязи прочностных характеристик каучукового бетона с его составом; комплекс моделей, описывающих влияние состава на эксплуатационные свойства композиций; схему представлений об условиях и факторах, обеспечивающих формирование стабильной структуры каучукового композита; практические предложения по условиям получения каутона с повышенными показателями прочности; положение о рациональных технологических параметрах, составляющих основу технологии получения каутоновых композиций и производства на их основе изделий и конструкций; комплекс экспериментальных данных по исследованию долговечности материала; показатели экономической эффективности.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести разделов, основных выводов и содержит 234 страниц машинописного текста, включая 35 таблиц, 43 рисунка, список литературы из 155 наименований, 4 приложения.
Структурообразование полимерных композиционных материалов
Расширить область применения составов на основе жидких каучуков, широко применяемых в противокоррозионной технике, улучшить их физико-механические свойства, снизить стоимость композиции возможно при введении в них наполнителей и заполнителей.
Исследования по созданию конструкционных бетонов на основе жидких каучуков (каутонов) впервые были начаты в Воронежской государственной архитектурно-строительной академии под руководством Потапова Ю.Б.[11 ... 31].
Первые разработки и исследования каутонов выполнил Чернышов М.Е. [11 ... 14,17 ... 24]. В качестве связующего был использован отечественный стереорегулярный полибутадиеновый каучук марки СКДН-Н с существенным преобладанием 1,4 цис- звеньев в полимерной цепи. В ходе исследований запроектировано количественное содержание компонентов вулканизирующей системы для матрицы композиционного материала. Поиски оптимума по содержанию вулканизатора, ускорителя и активатора выполнены методом пошагового перебора без учета взаимного влияния компонентов отверждающей группы друг на друга [11]. Прочность при сжатии каучуковой мастики на отработанном составе матрицы составляла 52,5 МПа.
При проектировании состава связующего им были исследованы прочностные и реологические характеристики композита в зависимости от количества, дисперсности и вида наполнителя. В качестве последнего использовали молотый кварцевый песок с различной удельной поверхностью и золу-унос ТЭС. Оптимальное содержание наполнителя, соответствующее максимуму прочности 61 МПа, составило 30 % объемной степени наполнения для золы-унос с Syfl=300 м /кг.
Для разработанных составов каутона М.Е. Чернышов определил основные физико-механические свойства и эксплуатационные характеристики [11]. Было исследовано изменение прочности и деформационных показателей в зависимости от величины и продолжительности действия сжимающей нагрузки. Доказана экспериментально возможность использования каутона для конструкций и изделий, подвергающихся воздействию агрессивных сред. При изучении химической стойкости каутона использовали 20 %-ный раствор серной кислоты, 10 %-ный раствор молочной кислоты, 20 %-ный раствор едкого кали и вода. Коэффициенты химической стойкости, определенные по соотношению показателей прочности при сжатии экспонированных образцов к показателям образцов, не подвергшихся действию агрессивных сред для 270 суток испытания, составили соответственно: 0,97; 0,96; 0,98 и 0,99. Спрогнозировано изменение коэффициента химической стойкости через 10 лет эксплуатации посредством вычисления величины коэффициента износа [11,14].
При отработке технологии приготовления смеси каучукового связующего определены зависимости коэффициента вариации, прочности при сжатии и изгибе, средней плотности композитов от удельных энергозатрат при перемешивании. Установлено, что наиболее эффективными с точки зрения достижения однородности смеси и максимальной прочности композитов являются режимы перемешивания связующих, обеспечивающие величину удельных энергозатрат 3,6 ... 3,8 кВтхч/м3 [20].
Наряду с экспериментальными исследованиями определены рациональные области применения каутона и произведено производственное внедрение.
Несмотря на большое количество экспериментальных исследований, выполненных для каучуковых бетонов на основе СКДН-Н, остался большой круг вопросов, требующих тщательной разработки или доработки. Так, например, известно [50,57,63,64], что механизм действия вулканизаторов, ускорителей и активаторов (то есть компонентов отверждающей системы) правильнее рассматривать как комплекс взаимосвязанных и взаимообусловленных процессов, определяющих конечные прочностные и деформационные характеристики материала. Таким образом, необходимо оценить структурирующую роль ингредиентов по многофакторным экспериментально-статистическим моделям, описывающим влияние состава на прочностные характеристики композита.
Кроме того, не рассмотрена возможность использования в качестве наполнителей большого ассортимента местных сырьевых ресурсов и отходов техногенного характера. Из-за отсутствия экспериментальных исследований с различными наполнителями не представлено анализа прочности связующих в зависимости от вида наполнителя. Физико-механические характеристики и эксплуатационные свойства разработанных композитов определены для весьма небольшого количества составов. Имеются рецептурные и технологические возможности повысить уровень качества разработанных композитов. Необходимым также является выбор приемлемой методики подбора состава каучукового бетона, обеспечивающей максимальное снижение расхода связующего, необходимую удобоукладываемость и максимальную прочность.
Для того, чтобы рекомендовать материал для использования его в условиях агрессивных сред, необходима наиболее полная информация по изменению основных эксплуатационных свойств в агрессивных жидкостях различного характера (в исследованиях Чернышева М.Е коэффициент химической стойкости определен лишь для 4-х агрессивных сред). Необходимым на наш взгляд является также проведение исследований по определению границ долговечности и работоспособности материала, тепло- и термостойкости, что не было сделано в исследованиях
Методика оценки физико-механических свойств
Для проведения исследований по определению долговечности материала и конструкций из каучукового бетона был принят метод, разработанный Ярцевым В.П., основанный на термофлуктуационной концепции разрушения [109 ... 112]. Кинетический термофлуктуационный подход к рассмотрению механизма разрушения твердых тел сформулирован, обоснован и экспериментально подтвержден фундаментальными работами школы Журкова С.Н. [113 ... 117].
Принцип температурно-временной и силовой эквивалентности при механическом разрушении выражается следующей формулой [109,114 ... 116]: где: а, Т, т - соответственно прочность, МПа; температура, К; время до разрушения, с; R - универсальная газовая постоянная; у, U0, Тт и хт - физические константы материала: у - силовой, точнее структурно-механический фактор; U0 - энергия активации разрушения (Uo=Ea - энергия активации термохимической деструкции);
Тт - предельная температура, выше которой материал не работает, величину 1/Т1Л называют смещением полюса (от оси ординат); тт - минимальная долговечность при любой нагрузке или без нее. Из формулы (2.3) следует, что разрушение связей в материале вызывается совместным действием энергии теплового движения атомов и работы внешней силы, преодолевающих энергию связей. Внешняя сила вызывает напряжение в связях, облегчая их разрыв. А тепловое движение вызывает разрыв таких связей, действуя посредством флуктуации кинетической энергии [109]. Поскольку формула (2.3) выражает зависимость временной границы работоспособности от действующих напряжений и температуры, из нее вытекают выражения для двух других границ работоспособности материала: предельного напряжения, зависящего от температуры и времени ее действия и предельной температуры, зависящей от напряжения и времени его действия.
Каждый из указанных основных параметров работоспособности для любого материала определяется значениями небольшого количества констант (у, U0, Тт и хт) . Поэтому, чтобы прогнозировать границы работоспособности материала, нужно определить эти константы.
Поскольку легче задавать напряжение и температуру, вид формулы прочностной долговечности (т.е. значения констант у, Uo, Tm и xm) на практике предлагается определять при ряде заданных напряжений и температур [109].
Время до разрушения образца (прочностная долговечность) определяли при испытании образцов (30x60x700мм) на поперечный изгиб под постоянным напряжением. Испытания проводили на однопозиционном стенде, двумя равными силами, симметрично расположенными в средней трети пролета образца, чтобы получить "чистый изгиб". Уровень напряжений в середине пролета испытываемой балки составлял 5,7, 6,1 и 6,5 МПа.
Для создания повышенных температур использовали спиральные нагревательные элементы, расположенные с двух сторон образца. Задаваемый уровень температур составлял 60 ... 105 С. Нагружение образцов производится после достижения заданной температуры и установления стабильного во времени температурного режима (±1С). Температуру контролировали в зоне максимальных напряжений образца.
При испытаниях на долговечность вопрос о достоверности результатов связан в первую очередь со значительным разбросом отдельных значений времени разрушения. Образцы испытывали при тщательном поддержании постоянства условий опытов (одинаковая технология изготовления образцов, под 45 держание постоянных параметров эксперимента - напряжений и температуры).
Для определения физических констант материала у, Uo, Tm и xm экспериментальные данные обрабатываются в координатах "lg х- 1/Т".
Так как полученные экспериментальные данные описываются формулой (2.3), то образуется семейство прямых линий, сходящихся в пучок (рис. 2.3). Каждая прямая линия этого семейства изобар отвечает заданному напряжению. Каждая точка на прямой является усредненным результатом испытаний 6 образцов. Из координат пучка прямых "1/Тт и lgim", определяем Тт и хт (рис.2.3). Для отыскания остальных двух констант Uo и у, находим значение эффективной энергии активации U (о) из наклона прямых на графиках " lgx-1/Т" по равенству U(a)=2,3RAlgx(a)/A(l/T) [26]. Для каждой заданной нагрузки вычисляли величину U и строили зависимость U(o) (рис. 2.3). Определяли у по тангенсу угла наклона прямой, а U0 - ордината прямой "U - а" при нулевой нагрузке [109].
Отыскание величин физических констант исследуемого материала позволит: во-первых, прогнозировать и повышать прочность изделий или конструкций во времени или при изменении температуры, а во-вторых, их направленно регулировать. При этом каждая константа качественно одинаково влияет на все три границы работоспособности материала: прочность, термостойкость и долговечность.
Обоснование выбора компонентов отверждающей группы
Отверждение эбонитов, полуэбонитов на основе жидких каучуков происходит в результате полимеризации (сшивания) молекулярных цепей каучука в единую пространственную структуру при температурном воздействии (вулканизации).
Вулканизацию проводят с использованием серосодержащих, смоляных, уретановых, металлосодержащих и других вулканизующих систем. Применяется также пероксидная (перекисная) и радиационная вулканизация. Вулканизующие системы - совокупность ингредиентов, используемых для вулканизации каучуковых композитов, включает вулканизующие агенты, ускорители и активаторы вулканизации. Серосодержащая вулканирующая система включает элементарную серу и (или) доноры серы, ускорители и активаторы (обычная отверждающая группа). В большинстве случаев жидкие каучуки без концевых функциональных групп, имеющие в макромолекуле двойные связи (в том числе бутадиеновые каучуки), отверждаются обычными вулканизующими системами (серой с ускорителями) [50].
Основой процесса серной вулканизации является взаимодействие между каучуком и серой с образованием полисульфидных связей между макромолекулами. Стабильная элементарная ромбическая сера при обычных условиях существует в виде кольца Sg . Энергия связей S оценивается в 58 - 62 ккал/моль. Выше 140 С наблюдается распад этих связей (раскрытие кольца серы) и перевод ее в реакционноспособную форму. Композиты, полученные с применением серы, характеризуются высокой прочностью при растяжении и большой выносливостью к многократным нагрузкам, что обусловлено наличием в структуре вулканизата полисульфидных поперечных связей [57].
Серная вулканизация может быть ускорена добавлением небольшого количества органических соединений - ускорителей вулканизации, многие из которых эффективны только в присутствии оксидов металлов (активаторов). Ускорители применяют в основном при серной вулканизации. Они увеличивают скорость химических реакций между серой и каучуком, сокращают продолжительность и снижают температуру вулканизации, влияют на характер и плотность поперечных связей, позволяют уменьшить содержание серы [50]. Кинетика присоединения серы к каучуку при вулканизации с ускорителями дает основание полагать, что вулканизация в данном случае происходит с образованием активных промежуточных соединений при более низкой температуре [57]. При серной вулканизации в присутствии ускорителей и активаторов в значительной степени подавляются побочные реакции, такие как: деструкция молекулярных цепей и возникающих поперечных связей, трансизомеризация, циклизация и модификация молекул, что приводит к ухудшению механических свойств композита [57]. Механизм действия ускорителей и активаторов сложен и окончательно не выяснен.
По химическому составу различают следующие основные классы ускорителей: тиазолы, сульфенамиды, тиурамы, дитиокарбаматы, гуанидины, аль-дегидамины и др. [50]. Тиурамы относятся к наиболее распространенным ускорителям. Для резиновых смесей, содержащих тиурамы, характерна меньшая склонность к подвулканизации [57], они обеспечивают высокую скорость вулканизации при меньшем индукционном периоде. Кроме того, тиурамы являются эффективными донорами серы, активны при температуре 110 ... 120 С [50]. Вулканизаты, полученные с помощью тиурама - Д (тетраметилтиурамди-сульфид), характеризуются высокой теплостойкостью, обусловленной пре 53 имущественно образованием моносульфидных поперечных связей между макромолекулами. Эти композиты имеют также низкую остаточную деформацию.
Соединения ZnO, MgO и СаО известны как активаторы при вулканизации серой. Используют главным образом оксид цинка и магния. Считается [57], что оксиды металлов взаимодействуют с ускорителями вулканизации, способствуя ускорению реакции присоединения серы к каучуку. Основная функция активатора вулканизации - повышение частоты вулканизационной сетки [57].
Активаторы вулканизации участвуют в ряде побочных реакций процесса отверждения. Например, при применении MgO и СаО отмечается сильная реверсия вулканизации, в присутствии ZnO реверсия выражена незначительно.
При вулканизации каучука серой в присутствии ускорителя тетраметил-тиурамдисульфид и ZnO, дисульфид расщепляется под действием сероводорода с образованием сначала диакарбамидовой кислоты, а затем ее цинковой соли. Цинковые соли диакарбамидовой кислоты - комплексные соединения, которые выполняют при вулканизации функции переносчиков серы, присоединяя ее к атому Zn с образованием промежуточного соединения. Распад промежуточного соединения сопровождается выделением активной серы, осуществляющей вулканизацию [57].
Для проведения эксперимента с матрицей каучукового композита выбрана серосодержащая отверждающая система как наиболее распространенная для вулканизации жидких каучуков без концевых функциональных групп [50]. Принимая во внимание вышеизложенные доводы, а также доступность и стоимость компонентов выбрали отверждающую группу включающую: в качестве отвердителя - элементарную серу, в качестве ускорителя и одновременно донора серы - ТМТД (тетраметилтиурамдисульфид), в качестве активатора - оксид цинка. Для предотвращения порообразования, поглощения испарений влаги (содержится в смеси до 1 %) и летучих продуктов вулканизации в иссле 54 дуемый состав вводили дополнительно обезвоженный оксид кальция (СаО) в количестве 3... 8 мас.д. на 100 мас.д. каучука.
Воздухо- и водопроницаемость, водопоглощение
Исследование деформационных характеристик выполняли при испытании на центральное сжатие трех образцов размерами 70x70x280 мм, в соответствии с [92]. Деформации измеряли на базе 150 и 70мм для продольных и поперечных деформаций соответственно. Результаты измерения продольных и поперечных упругих и пластических абсолютных (Д А2) и относительных (Si, S2) деформаций (средние значения) представлены в табл. 4.7 и на рис. 4.2.
Из рассмотрения графика на рис. 4.2 следует, что до точки, соответствующей нагрузкам 0,7ар, продольные и поперечные относительные дефор 94 мации практически пропорциональны напряжениям. Пластические деформации до указанной точки не отмечаются, таким образом, можно заключить, что указанная точка соответствует пределу упругости каутона. С повышением напряжений выше 0,7ср график деформаций получает искривление, что свидетельствует о возникновении в композите пластических деформаций. Это связано с образованием и развитием микротрещин. Рост пластических деформаций происходит до точки, соответствующей 0,8ср. При дальнейшем увеличении нагрузки выше значений, соответствующих на графике значению СУ/СТР -0,8, в эксперименте не удалось зафиксировать деформации вплоть до разрушения образцов. Это свидетельствует о наличии на данном участке необратимых деформаций и характеризует лавинное развитие микротрещин, приводящее в итоге к разрушению образцов.
Для получения информации о поведении каучукового композита под нагрузкой определим модуль упругости и коэффициент Пуассона для разных соотношений испытательной и разрушающей нагрузок. Под испытательной нагрузкой понимается уровень прилагаемой поступенчато нагрузки в долях от разрушающей. Графики зависимостей полученных деформационных характеристик каутона представлены на рис. 4.3 и 4.4.
График изменения модуля упругости до точки, соответствующей a/dp -0,7 имеет незначительное искривление, что в процентном соотношении не превышает 5 % от среднего. В точке, соответствующей з/ар - 0,7, наблюдается перелом и спад характеристик до точки с соотношением о/ор - 0,8. Это можно объяснить влиянием перехода работы материала в пластическую стадию с резким сокращением упругого деформирования. На рис. 4.4 представлен график зависимости коэффициента Пуассона от соотношения испытательной и разрушающей нагрузок. Следует отметить, что изменение для коэффициента Пуассона незначительно и колеблется в пределах 0,254 ... 0,28, что в процентном соотношении не превышает 5 % (от среднего). Следовательно, при точности проведения экспериментов равной 0,95, можно считать, что при любых на 95
В соответствии с требованиями [92] окончательно принимаем значение модуля упругости и коэффициента Пуассона на уровне нагрузки 0,ЗРр. Таким образом, начальный модуль упругости для каутона равен 19200 МПа, коэффициент Пуассона - 0,255.
В ходе испытаний были определены основные прочностные характеристики каутона: кубиковая прочность при сжатии RK, призменная прочность RbK.
Кубиковая прочность RK - временное сопротивление сжатию образцов каутона, является основной характеристикой, контролирующей качество бетона. Известно [139], что кривая распределения прочности при сжатии подчиняется закону Гаусса-Лапласа [140]. Прочность куба с размерами ребер 15 см и достоверностью 0,95 представляет собой класс каутона Вк и определяется по формуле: RnK=Rnm-{l-X-v), (4.47) где х = 1,64 - число стандартов математической статистики (показатель надежности) [140], v = 0,06 коэффициент вариации (изменчивости), принят на основании статистики лабораторных испытаний, RmK - среднее значение кубико-вой прочности каутона (табл.4.5).
Призменная прочность RbK - временное сопротивление осевому сжатию призм из каутона. Призменную прочность определяем из зависимости RbK/RK-Отношение нормативной призменной прочности к нормативной кубиковой прочности каутона равно 0,8 и является экспериментальным коэффициентом (табл. 4.5, 4.6).
Расчетные характеристики каутона для расчета конструкций по первой группе предельных состояний определяют делением нормативных сопротив 97 лений на соответствующие коэффициенты надежности для каутона при сжатии и для модуля упругости [91]. Коэффициент надежности находят по формуле [31,143]: Для определения нормативных и расчетных характеристик был использован состав №2 из табл. 4.4. Значения определенных нормативных и расчетных характеристик каутона и расчетные формулы приведены в табл. 4.8.
