Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ литературных источников по теме диссертации. Цель и задачи исследований 11
1.1. Классификация пенопластов 11
1.2. Структура пенополистирола 13
1.3. Прочностные и деформационные свойства пенополистирола 17
1.4. Физико-химические свойства пенополистирола 26
1.5. Влияние времени эксплуатации пенополистирола на механические характеристики (ползучесть, долговечность). 32
1.6. Влияние климатических факторов на прочностные и теплофизические свойства. Старение пенополистирола 42
1.7. Теплофизические свойства пенополистирола 45
1.8. Применение пенополистирола в ограждающих конструкциях зданий 51
1.9. Выводы по главе 1 57
1.10. Цель и задачи исследований 59
Глава 2. Методические вопросы 60
2.1. Объекты исследований 60
2.1.1. Выбор утеплителя 60
2.1.2. Выбор клея 61
2.1.3. Выбор агрессивных сред 62
2.1.4. Изготовление образцов 62
2.2. Приборы и приспособления для механических испытаний пенопластов 65
2.2.1. Стенд для испытаний при центральном поперечном изгибе и растяжении с изгибом 65
2.2.2. Установка для испытаний кольцевых образцов на растяжение 69
2.2.3. Установка для испытаний на сжатие 71
2.2.4. Установка для испытаний напенетрацию 73
2.3. Приборы и приспособления для физико-химических и климатических испытаний пенопластов 73
2.3.1. Стенд для длительных статических испытаний пенопластов в натурных условиях 73
2.3.2. Приспособления для циклических испытаний 74
2.3.3. Установка для определения прочности клеевых соединений пенополистирола с различными материалами 74
2.3.4. Прибор для определения коэффициента линейного термического расширения 74
2.4. Способы получения и обработки экспериментальных данных 77
2.4.1. Расчёт термофлуктуационных констант при длительных механических испытаниях пенопластов 77
2.4.2. Обработка экспериментальных данных при растяжении с изгибом 80
2.4.3. Применение метода графоаналитического дифференцирования для определения коэффициентов уравнения Аррениуса при пенетрации...80
2.4.4. Обработка экспериментальных данных при физико-химических и климатических испытаниях 82
2.4.5. Статистическая обработка экспериментальных данных...83
2.4.6. Проверка нормальности распределения экспериментальных результатов 86
2.4.7. Математическое планирование эксперимента для определения долговечности пенополистирола 87
2.5. Выводы по главе 2 93
Глава 3. Закономерности разрушения и деформирования пенополистирола 95
3.1. Термофлуктуационная концепция прочности 95
3.2 Закономерности разрушения пенополистирола. Влияние состава и структуры материала на его прочностную работоспособность 99
3.3. Поведение пенополистирола при растяжении и растяжении с изгибом 104
3.4. Закономерности деформирования пенополистирола при сжатии 110
3.4.1. Определение остаточной деформации 110
3.4.2. Влияние степени сжатия на физические константы, определяющие деформационную работоспособность пенополистирола 112
3.4.3. Кинетические кривые сжатия 120
3.5. Температурно-временная зависимость деформирования при пенетрации 125
3.6. Влияние концентраторов напряжения на прочностную и деформационную работоспособность пенополистирола... 132
3.7. Выводы по главе 3 139
Глава 4. Влияние физико-химических и климатических факторов на работоспособность пенополистирола 142
4.1. Влияние жидких агрессивных сред на механические характеристики пенополистирола 142
4.2. Влияние агрессивных сред на физические константы при разрушении и деформировании пенополистирола 143
4.3. Влияние климатических факторов на долговечность пенополистирола 150
4.3.1. Влияние колебаний температуры и влажности на прочностную долговечность пенополистирола 151
4.3.2. Влияние циклических испытаний на прочностные и деформационные характеристики пенополистирола... 153
4.4. Исследование адгезии и прочности клеевых соединений пенополистирола 155
4.4.1. Определение адгезии пенополистирола в зависимости от вида клея 155
4.4.2. Влияние циклов замораживания - оттаивания на прочность соединений с пенополистиролом 158
4.4.3. Прочность соединений пенополистирола с различными материалами 160
4.5. Определение коэффициента линейного термического расширения пенополистирола 165
4.5.1. Влияние скорости нагрева на коэффициент линейного термического расширения пенополистирола 165
4.5.2. Определение коэффициента линейного термического расширения пенополистирола в комбинации с различными материалами 167
4.6. Выводы по главе 4 170
Глава 5. Определение долговечности (работоспособности) пенополистирола в ограждающих конструкциях зданий 173
5.1. Анализ видов воздействий на конструкции утепления 173
5.2. Примеры определения долговечности (работоспособности) пенополистирола в конструкциях утепления. Практические предложения по выбору марки утеплителя 175
5.3. Определение долговечности (работоспособности) пенополистирола в конструкциях утепления при помощи уравнений математического планирования эксперимента 182
5.4. Методика прогнозирования долговечности (работоспособности) утеплителя 184
5.5. Выводы по главе 5 184
Основные выводы 185
Список используемой литературы 189
- Прочностные и деформационные свойства пенополистирола
- Стенд для испытаний при центральном поперечном изгибе и растяжении с изгибом
- Поведение пенополистирола при растяжении и растяжении с изгибом
- Влияние агрессивных сред на физические константы при разрушении и деформировании пенополистирола
Введение к работе
Минстрой России постановлением № 18-81 от 11 августа 1995 г. утвердил и ввёл в действие с 1 сентября 1995г. «Изменения №3 к СНиП II-3-79* "Строительная теплотехника"», требующие существенного повышения теплозащитных качеств новых и реконструируемых зданий за счёт снижения теплопередачи в 3,0 - 3,5 раза. Это позволит снизить теплопотребление в зданиях на 20 -30%.
Для обеспечения требований новых норм необходимо осуществлять дополнительную теплоизоляцию зданий эффективными утеплителями, среди которых наибольшее распространение получил пенополистирол [1,2].
Поскольку новые требования к теплозащите зданий вступили в действие сравнительно недавно, опыта эксплуатации конструкций утепления мало, и не разработана методика прогнозирования их долговечности.
При утеплении наружных стен зданий многослойными конструкциями их долговечность зависит от долговечности отдельных элементов, а в первую очередь утеплителя и плоскости его крепления, что подтверждено многочисленными обследованиями.
Для разработки методики прогнозирования долговечности утеплителя необходимо знать изменение его механических, а также теплофизических и адгезионных свойств во времени при действии различных эксплуатационных факторов (силовых воздействий, температур, активных сред).
Физической основой исследований механических свойств во времени является кинетическая термофлуктуационная концепция разрушения и деформирования [3 - 5], согласно которой определяющим является тепловое движение (всплеск тепловой энергии - флуктуации), а роль нагрузки проявляется в направлении развития этих процессов.
По этой концепции долговечность, т.е. время свершения критического события (разрушения или деформирования твёрдого тела) определяют по уравнению [4, 5]:
i~L
t = tmexp
Lm J
Согласно принципа температурно-временной и силовой эквивалентности Ратнером СБ. и Ярцевым В.П. введены понятия прочностной и деформационной работоспособности материала и определяются ещё два параметра [4, 5]:
прочность (предел вынужденной эластичности)
aKP(")
0 і-т/тя \
и термостойкость (теплостойкость)
1 2,3-Л , t
' кр(р)
—+ lg—
m 0 / m
где /Yn, Uo, у, Tm - физические константы материала; а - напряжение; Т - температура; R -универсальная газовая постоянная.
Актуальность данной работы обусловлена новым подходом к проблеме
прогнозирования основных параметров работоспособности (долговечности, прочности и термостойкости) строительных материалов, связанным с изучением поведения физических констант материала, определяющих эти параметры.
Исследования выполнены в рамках программы госбюджетной научной темы ТГТУ №5г/99 «Разработка теоретических основ и методов расчёта элементов зданий и сооружений на силовые, температурные, влажностные и акустические воздействия».
В данной работе поставлена цель, разработать методику прогнозирования долговечности (работоспособности) утеплителя с позиций кинетической концепции на примере пенополистирола в многослойных ограждающих конструкциях для вновь строящихся или реконструируемых зданий и сооружений.
Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
исследовать закономерности разрушения и деформирования пенополистирола при вариации заданных постоянных напряжений и температур;
изучить влияние состава, структуры и концентраторов напряжения на долговечность (работоспособность) пенополистирола;
изучить влияние агрессивных сред и климатических факторов на
8 долговечность (работоспособность) пенополистирола;
изучить теплофизические и адгезионные свойства в зонах крепления утеплителя;
на основании проведённых исследований разработать методику прогнозирования долговечности (работоспособности) пенополистирола;
дать рекомендации по выбору марки пенополистирола для конкретных конструкций.
Научная новизна и отличительные особенности результатов, полученных в диссертационной работе, состоят в следующем:
исследованы закономерности разрушения и деформирования пенополистирола при разных видах нагружения с позиций термофлуктуационной концепции; установлено влияние состава, структуры и концентраторов напряжений на физические константы, определяющие долговечность (работоспособность) пенополистирола;
изучено влияние агрессивных сред и климатических факторов на долговечность (работоспособность) пенополистирола; определены поправки, учитывающие изменение температуры и влажности в процессе эксплуатации;
разработана методика прогнозирования долговечности (работоспособности) пенополистирола, применяемого при дополнительном утеплении зданий, в многослойных конструкциях и в качестве несъёмной опалубки.
Достоверность полученных экспериментальных результатов обеспечивается проведением экспериментов с достаточной воспроизводимостью, статистической обработкой результатов и необходимым количеством повторных испытаний, применением математического метода планирования эксперимента, сопоставлением результатов, полученных другими учёными. Достоверность теоретических решений проверялась сравнением с экспериментальными результатами.
Практическое значение работы состоит в обеспечении возможности прогнозирования долговечности (работоспособности) пенополистирола в зависимости от вида применяемой конструкции утепления; даны рекомендации по
9 использованию различных видов пенополистирола в зависимости от его физико-технических характеристик с учётом конкретных условий эксплуатации.
Результаты диссертационной работы использованы на предприятиях ОАО «Тамбовстройпроект» и ООО «Тамбовкомплектстрой».
Методика исследований для определения долговечности пенопластов использована в учебном процессе при проведении лабораторных работ по курсу «Строительные материалы».
Автор защищает:
результаты исследования влияния вида нагружения, структуры, состава, концентраторов напряжения, агрессивных сред и климатических факторов на физические константы, определяющие долговечность (работоспособность) пенополистирола;
результаты исследования влияния вида материала и клеящего состава на коэффициент линейного термического расширения и адгезию пенополистирола;
практические рекомендации по выбору марки пенополистирола;
методику прогнозирования долговечности (работоспособности) пенополистирола в ограждающих конструкциях.
Основные положения работы докладывались и обсуждались на V - VII научных конференциях в ТГТУ (г. Тамбов, 2000 - 2002); всероссийской научно-практической конференции молодых учёных «Строительные конструкции -2000» в МГСУ (г. Москва, 2000); IV международной конференции теплофизи-ческой школы «Теплофизические измерения в начале XXI века» в ТГТУ (Тамбов, 2001); 55-й международной научно-технической конференции молодых учёных (аспирантов, докторантов) и студентов «Актуальные проблемы современного строительства» в СПбГАСУ (г. Санкт-Петербург, 2001); V и VII академических чтениях РААСН «Современные проблемы строительного материаловедения» (г. Воронеж, 1999 и г. Белгород, 2001); международной научно-технической конференции «Композиционные строительные материалы. Теория и практика» в ПГАСА (г. Пенза, 2002); международной научно-технической
10 конференции «Эффективные строительные конструкции: теория и практика» в ПГАСА (г. Пенза, 2002).
По материалам диссертации опубликовано 16 печатных трудов [6, 1,9 -14, 72, 88, 139, 174, 185 - 188], в том числе методические указания к лабораторным работам по длительным испытаниям пенопластов.
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, основных выводов и содержит 212 страниц машинописного текста, включая 40 таблиц, 71 рисунок, список литературы из 205 наименований и 3 приложения.
Исследования по теме диссертации выполнены на кафедре «Конструкции зданий и сооружений» в Тамбовском государственном техническом университете.
Прочностные и деформационные свойства пенополистирола
Заполняющая поры пенопластов вода при замерзании увеличивается в объёме и оказывает давление на стенки пор. Способность последних, не разрушаясь противостоять давлению, характеризует морозостойкость. Морозостойкость пенопластов в [2] определяли при циклических испытаниях (25 циклов): образцы замораживали при -17-20 С и оттаивали при +15-18С. Показателем морозостойкости пенопластов являлось отношение прочности при 10%-ном сжатии после испытания к исходной - коэффициент морозостойкости. Исследования показали, что прочность пенополистирола ПСБ после испытания почти не уменьшается, а прочность ПС-4 и ПС-1 снижается примерно на 13 - 15 %. С увеличением числа циклов замораживания и оттаивания во-допоглощение всех пенопластов увеличивалось (табл. 1.2).
Химическая стойкость пенопластов зависит от природы полимера и характера макроструктуры [2, 26, 28, 50]. При оценке химической стойкости необходимо учитывать развитую удельную поверхность пенопластов, которая способствует более интенсивному воздействию на них агрессивных сред. Наличие же на поверхности плит и блоков уплотнённой плёнки (корки) снижает поглощение агрессивных сред, повышая устойчивость пенопластов. Пенополистирол, как и полистирол, обладает высокой химической стойкостью [2].
Полистирольные пенопласты характеризуются высокой стойкостью к действию минеральных агрессивных сред [1]. В [2, 26] отмечается, что пенополистирол устойчив к действию сильных и слабых минеральных кислот, кроме концентрированных азотной и соляной, а также к сильным и слабым щелочам.
Он разрушается под действием эфиров, кетонов, хлорированных и ароматических углеводородов, набухает в бензине и маслах [1, 2, 26, 50, 131, 146, 162, 172, 173]. В [1] отмечается, что пенополистирол к уксусной кислоте и маслам нестоек, к спиртам стоек, а в [2], отмечается, что к уксусной кислоте и маслам стоек, к спиртам слабо стоек. В [26, 172, 173] же отмечается, что пенополистирол к кислотам стоек, кроме концентрированных азотной и соляной, а в спиртах и маслах ограниченно стоек. Гипс, известь, цемент, силиконовые масла и, не содержащий растворители битум, не нарушают структуру пенополистирола. Наиболее высокой химической стойкостью отличается беспрессовый пенополистирол [131, 146, 162]. В табл. 1.3 приведены данные о стойкости пенополистирола к различным реагентам, согласно [1].
Повышение температуры примерно до 70 С ма ло отражается на адгезии пенополистирола, при более высоких температурах наблюдается резкое падение его когезионной прочности из-за размягчения [1]. В конструкциях, в которых пенопласт участвует в совместной работе слоев под нагрузкой лучше применять термопластичные клеи, воспринимающие температурные деформации без концентрации напряжений [42]. Поскольку пе-нополистирол имеет замкнутые ячейки, то растворители из него испаряются плохо. Кроме того, некоторые органические растворители, задерживаясь в ячейках, разрушают пенополистирол. Поэтому, если клей содержит растворитель, то после нанесения его на склеиваемую поверхность даётся открытая выдержка для удаления растворителя из клеевого слоя.
Строительные конструкции с применением пенополистирола можно склеивать при помощи цементных, асбестоцементных и гипсовых растворов, холодной или горячей битумных мастик, поливинилацетатных эмульсий и т.д. [1, 42, 50, 72, 120]. В построечных условиях приклеивание утеплителя и защиту его от атмосферных воздействий удобно устраивать одним и тем же материалом. К таким материалам относятся полимерцементные композиции [19, 73, 125, 194, 196,201].
Пенополистирол, соединяясь с другими материалами с помощью различных клеевых составов, образует клеевые швы, прочность которых значительно превышает прочность пенопласта в диапазоне температур от -40 до +60С [1].
В работе [71 ] исследовалась стойкость клеевых соединений трёхслойных панелей к температурным воздействиям. Обшивки были выполнены из листового дюралюминия и березовой трёхслойной фанеры марки БС-1, в качестве утеплителя применяли пенополистирол ПС-1 с кажущейся плотностью 100-110 кг/м3. Для склеивания применяли фенолоформальдегидный клей ВИАМ-Б-3, а в качестве подслоя для алюминиевых обшивок - клей БФ-2. Из панелей вырезали образцы для определения прочности при сдвиге клеевого шва между обшивкой и пенопластом. Образцы подвергали циклическим испытаниям (20 циклов), нагревая их в течение 12 ч при 40, 60 и 80С и, охлаждая до -20С, в течение того же времени. В процессе испытаний прочность снизилась до 70-80% от первоначальной величины. Более интенсивное уменьшение прочности клеевых соединений происходит в первые 10 циклов. Скажем несколько слов о других физико-химических свойствах, важных при применении пенополистирола в строительных конструкциях, но не будем на них заострять внимание, т.к. данные свойства не входили в задачу исследований диссертации.
Гигроскопичность. Пенополистирол обладает малой гигроскопичностью, которая при уменьшении кажущейся плотности резко возрастает [1].
Паро- и воздухопроницаемость незначительна по сравнению с другими теплоизоляционными материалами. С увеличением кажущейся плотности и при повышенных температурах проницаемость водяных паров в полистироле снижается [1,2].
Стенд для испытаний при центральном поперечном изгибе и растяжении с изгибом
Теплофизические свойства пенопластов определяются природой полимера-основы и ячеистой структурой [1, 2, 20, 26, 50, 56, 57, 84, 108, 109, 113, 117]. Теплостойкость. Деформативность пенопластов складывается из деформаций теплового расширения и усадки. В начальный период прогревания, вплоть до достижения температуры изотермического нагревания, в пенопластах развиваются температурные деформации, характеризующиеся коэффициентом температурного линейного расширения. При её достижении проявляются усадочные (необратимые) деформации. Интенсивность развития усадочных деформаций определяет формостабильность пенопластов. Она зависит от температуры стеклования полимерной основы, характера ячеистой структуры и вида вспенивающего агента [2, 57]. Интенсивное нагревание может привести к до 46 полнительному расширению образцов, развивающемуся за счёт расширения вспенивающего агента или разложения газообразователя.
Развитие во времени усадочных деформаций пенополистирола носит затухающий характер. При кратковременном (в течение 30 мин) нагревании пенополистирола до 100 С почти не происходит объёмной усадки; при дальнейшем повышении температуры объёмная усадка резко возрастает. На усадку заметно влияет влажность окружающей среды и температура. При повышении температуры испытаний усадка возрастает по параболическому закону [1,2, 57, 58]. Результаты кратковременного и продолжительного экспонирования образцов пенопластов при отрицательных температурах свидетельствуют об их высокой стабильности. Периодическое прогревание образцов пенопласта при температуре ниже 60С слабо отражается на их формостабильности, развивающиеся деформации невелики и носят затухающий характер. Периодическое нагревание - охлаждение от +50 до -50С после 50 циклов выявили высокую стабильность температурной усадки: 0,31-0,35% - ПСБ-С; 0,30-0,33% - ПСБ; 0,06 -ПС-1;0,28-ПС-4.
В работах [64, 92] изучалась температурная усадка образцов пенополистирола ПС-4. Выяснилось, что максимально возможная усадка образцов любой плотности составляет 60 ± 5% и мало зависит от длины образца. Полученные данные исследования усадки «тонких образцов» (в этом случае влияние газового наполнения сводилось к минимуму) пенополистирола объясняют кон-формационным перераспределением макромолекул. Поскольку при изготовлении пенопластов после вспенивания при повышенных температурах происходит замораживание ячеистой структуры, то распределение конформаций макромолекул не отвечает термодинамическому равновесию. В результате этого перераспределения материал стремится со скоростью, определяемой временем релаксации, принять форму, отвечающую наименьшей энергии. Время релаксации уменьшается с увеличением температуры. С увеличением толщины образцов описанный механизм сокращения усложняется присутствием газовых включений в замкнутых ячейках. Установлено, что время релаксации с увели 47 чением толщины образца и его кажущейся плотности растут. Делается вывод о невозможности длительного использования пенополистирола в теплоизоляции при температуре выше температуры стеклования.
Температура размягчения зависит от величины механического напряжения, степени замкнутости ячеек, типа вспенивающего агента и порядка величины давления газа внутри и снаружи закрытых ячеек, и может быть сравнима с пределом прочности при сжатии пенопластов [20, 56, 65, 100]. Однако по термомеханическим кривым нельзя определить температуру размягчения и температуру стеклования лёгких пенопластов (р 50 кг/м ) ни дилатометрическим, ни термомеханическим методом.
Критерием теплостойкости пенополистирола служит формоустойчивость, характеризующая поведение материала при повышенных температурах. Условно за характеристику теплостойкости пенополистирола принимают температуру, при которой линейная усадка материала не превышает 1% [1, 2, 26, 50, 57]. Технической характеристикой теплостойкости является показатель рабочей температуры, при которой материал продолжает ещё сохранять свои эксплуатационные свойства, и усадочные деформации не превышают заданных значений [2, 57]. Диапазон рабочих температур пенопласта несколько ниже, чем у соответствующего полимера [26]. Показано, что температура стеклования полимерной основы пенопласта ПС-4 близка к температуре стеклования монолитного полистирола [2, 26, 57].
На теплостойкость пенополистирола и его рабочую температуру влияет природа газообразователя. Пенополистирол ПС-1, изготовляемый с помощью органических газообразователей, оказывающих пластифицирующее действие на полимер, имеет рабочую температуру +65С, а рабочая температура пенополистирола ПС-4, изготовляемого с использованием минеральных газообразователей, +70С. Применение для получения пенопластов хлорпроизводных стирола позволяет повысить их теплостойкость на 20-30С. Введение в рецептуру пенопластов фосфорсодержащих соединений с целью придания материалу свойства самозатухаемости наоборот снижает её [1, 2]. Результаты циклических испытаний пенополистирола ПСБ (охлаждение до -30С и нагревание до +50С) показали, что в этом случае происходит линейная усадка пенополистирола. Изменение линейных размеров образцов характеризуется коэффициентом линейного термического расширения (а). Отмечается, что значения а носят приближённый характер, т.к. снижение формо-устойчивости пенополистирола при повышенных температурах в ряде случаев затрудняет его определение [1, 2, 57]. С увеличением температуры коэффициент уменьшается (табл. 1.7). С увеличением числа циклов испытаний (нагревание - охлаждение) в интервале температур 0-50
Поведение пенополистирола при растяжении и растяжении с изгибом
Развитие кинетической концепции обязано в первую очередь фундаментальным работам школы С.Н. Журкова. Первоначально был установлен универсальный характер временной зависимости прочности [уравнения (1.3) и (2.10)], т.е. для разрушения материала необходимо время, в течение которого в нагруженном теле протекают процессы, приводящие к его разделению на части. Позже возникла концепция о механическом разрушении полимеров, как их термомеханической деструкции. Она явилась результатом трактовки физического смысла константы Uo в известной формуле Журкова для долговечности [см. также уравнение (1.4)]:
Из формулы (3.1) вытекает неизменность состояния вещества и постоянство констант во всем диапазоне температур и нагрузок. Однако для каждого вещества существует предельная температура, достигнув которой происходит распад его на фрагменты. Этой предельной температуре отвечает положение полюса [4, 5, 53]. Формула (3.1) с учётом смещения полюса принимает вид:
Френкелем С.Я. в предисловии к монографии Бартенева Г.М. «Прочность и механизм разрушения полимеров» дано обоснование того, что \ITm Ф 0 и тт Ф 10" с. Поскольку U не является истинной энергией активации, г. у- чувствительна к структуре, то из разложения в ряд функции U (Г, о) следует зависимость обеих констант от температуры.
Величина тт соответствует колебаниям химически несвязанных атомов или молекул в реальных решётках. Однако структура полимера дискретна, т.е. в реальный процесс разрушения «завязаны» разные релаксационные процессы, определяемые перемещением или распадом элементов структуры разной величины. Поэтому тт оказывается размещённым в большом диапазоне времён и не равно 10"13 с [53].
Введение в формулу (3.1) четвёртой константы Тт не отразилось ни на трактовке роли и вклада теплового движения и работы внешних сил, ни на физическом смысле констант U0 и у см. уравнения (2.11) и (2.14) [4].
В уравнении (2.11) Тт - предельная температура существования твёрдого тела, при которой все химические связи рвутся за одно тепловое колебание, и вещество полностью распадается; тт - минимальное время разрушение вещества (при Т= Тт), часто гораздо больше, чем г0 = 10"13 с; U0 - максимальная энергия активации процесса разрушения или размягчения. Она определяет энергетический барьер работоспособности материала и связана с энергией связей, которые препятствуют свершению того или иного критического события, приводящего к данному предельному состоянию - потере целостности тела или его формы; у - структурно-механическая константа, характеризующая эффективность механического поля при действии нагрузки. Величина /пропорциональна прочности и имеет размерность объёма: у %-а (со- флуктуационный объём, в котором происходит всплеск тепловой энергии, достаточной для разрыва лимитирующей связи и отвечает размерности химической связи, »10"23 см; -характеризует концентрацию перенапряжений на разрываемой связи).
Константы Uo, Тт, тт различаются при разных предельных состояниях (разрушении и деформировании) и являются атомно-молекулярными характеристиками материала, не зависящими от вида нагрузки и напряжённого состояния; у показывает, насколько снижается основной потенциал работоспособности материала UQ при разрушении или деформировании.
Формулы (2.11) и (2.14) выражают правило температурно-силовой-временной эквивалентности, т.е. действие каждого параметра - температуры, нагрузки и времени - качественно одинаково. Поэтому повышение или понижение любого из них можно компенсировать изменением любого из двух других. Для одновременного повышения всех этих трёх параметров необходимо направленно регулировать указанные выше константы: повышать Тт, тт, UQ и понижать у [А, 5].
В отличие от общепринятого термина «несущая способность», связанного только с прочностью материала, взаимосвязанный комплекс из трёх параметров - максимальной нагрузки, температуры и времени их воздействия - характеризуется как работоспособность материала: при разрушении - прочностная, при деформировании - деформационная [4].
Кинетическая концепция применительно к полимерным композициям рассматривает механическое разрушение через деструкцию полимерного компонента [4, 5, 53, 74]. При этом она работает как при хрупком, так и при хрупко-эластичном поведении полимеров.
Согласно универсальному закону природы, сформулированному еще Гиб-бсом и развитому применительно к поведению полимеров, в любых телах при любых температурах происходят разрывы любых связей, благодаря которым вещество существует в данном виде. Эти связи разрываются тепловым движением атомов и их групп вследствие всплесков (флуктуации) тепловой энергии на данной связи, превышающих среднюю тепловую энергию (мера которой к-Т) и достигающих энергии связи (мера которой - энергия активации разрыва связи U). Вероятность со разрыва связей определяется по формуле:
Влияние агрессивных сред на физические константы при разрушении и деформировании пенополистирола
Основной характеристикой длительного сопротивления сжимающим нагрузкам пенопластов, как уже говорилось выше, является величина критической (необратимой) деформации. Согласно кинетической концепции деформирования [5, 53, 74] время достижения этого события (деформационная долговечность в) описывается уравнением (2.14).
При длительном сжатии пенопластов происходит постепенное нарастание деформации и на кривых ползучести не заметен переход от упругого деформирования к пластическому, см. рис. 3.10. Для установления этой области в работе проведено исследование поведения пенополистирола при сжатии до разных уровней деформирования в диапазоне от 1 до 20%.
Испытания на долговечность проводили по методике, описанной в п. 2.2.3 в режиме заданного постоянного напряжения на установке, показанной на рис. 2.9а; размеры и форма образцов, см. рис. 2.2в. Способы получения и обработки экспериментальных данных приведены в п. 2.4.1.
Полученные зависимости в координатах lg#- сти lg#- 10 IT для каждого заданного уровня деформации (1, 2, 3, 5, 10 и 20%) представлены на рис. 3.8 и 3.9. Из рисунков видно, что они имеют линейный характер и описываются уравнениями (2.14) - (2.16).
Величины физических констант из зависимостей, показанных на рис. 3.8 и 3.9 определяли по методике, описанной в п. 2.4.1. Значения, рассчитанных констант представлены в табл. 3.5. Из таблицы видно, что величина предэкспоненты 0т почти на два порядка выше для ПСБ-С М35, чем для Ml5 и для обеих марок пенополистирола не зависит от величины деформации. Согласно [4, 5], для чистых аморфных термопластов, включая и полистирол, она соответствует периоду колебания сегментов полимерной цепи, и существенно больше периода колебаний атомов в твёрдом теле (10" с). По своему значению 9т пенополистирола близка величинам вт для чистого полистирола [74]. Величина Щ для последнего равна энергии активации, необходимой для перемещения сегмента. Её значение изменяет 114 ся после ориентации и при введении и увеличении количества пластификатора [74]. Для вспененного полистирола марки Ml5 UQ уменьшается с увеличением деформации до 10%, а для ПСБ-С М35 наоборот увеличивается. Это, по-видимому, связано с разными механизмами их деформирования. Как отмечается в [1, 2, 20, 56-59, 66] характер деформирования пенопластов определяется как строением и физическим состоянием полимера-основы, так и спецификой работы элементов макроструктуры.
У крупнопористых пенопластов (ПСБ-С Ml5) вначале происходит деформирование тяжей приблизительно на высоту одной ячейки [20]. В дальнейшем последовательно деформируются тяжи каждого соседнего прилегающего слоя, что приводит к определённой ориентации структуры и, соответственно, к постепенному уменьшению UQ, СМ. табл. 3.5. Это дополнительно подтверждается падением величины у, отражающей неравномерность силового поля по сечению нагружаемого элемента.
У мелкопористых пенопластов (ПСБ-С М35) наблюдается смятие поперечного слоя сразу на высоту не одной, а нескольких ячеек [20]. В дальнейшем этот слой расширяется за счёт смятия прилегающего слоя. Это определяет коо-перативность перемещения сегментов и подтверждает непрерывный рост UQ ДО деформации 10%, см. табл. 3.5.
Величина у для ПСБ-С М35 при начальной деформации (1 - 2%) в 1,5 раза меньше, чем у Ml5, что очевидно связано с размером пор. С ростом деформации до 10% у для М35 не меняется, поскольку не происходит существенных изменений макроструктуры.
Температура полюса Тт при деформировании соответствует начальной температуре размягчения материала. Как видно из таблицы она изменяется в зависимости от величины деформации. При этом её поведение подтверждает, предложенный в [20, 56] механизм деформирования пенопластов. Для Ml 5 Тт близка температуре разложения, поскольку его деформирование определяется не всей массой слоя образца, а только отдельными тяжами (разрушением их химических связей). Напротив, для М35 Тт при деформировании на 10% соот 115 ветствует температуре размягчения поскольку в работу вступает весь объём образца, что приводит к изменению полного сегмента полимерной цепи.
Полученные экспериментальные результаты позволяют сделать вывод, что деформация 10% для обеих марок пенополистирола является переходной. Это, по-видимому, связано с видом деформации при её непрерывном росте. В [2, 57] отмечается, что при сжатии диаграмма «напряжение - деформация» в общем случае состоит из двух участков. Первый - «докритическая область», характеризующаяся сжатием стенок ячеек (обратимая квазихрупкая деформация). Второй - «закритическая область», характеризуется потерей устойчивости ячеек и их уплотнением «сплющиванием» (необратимая пластическая деформация). Соотношение этих областей на диаграмме и- є определяется свойствами полимерной основы и параметрами ячеистой структуры пенопластов.
Однако проведённые нами исследования показали, что «докритическую область» следует делить на два участка: первый - соответствует упругой области деформирования (до 2%), см. рис. 3.7 - такая деформация является обратимой независимо от кажущейся плотности пенополистирола; второй - соответствует участку вынужденной эластичности (до 10%), что отражается на поведении констант, приведённых в табл. 3.5 - деформация такого рода является обратимой при подогреве материала выше температуры стеклования [53]. Полученные результаты показали, что для исследованных марок пенопластов выше 10% наступает «закритическая область» деформирования, достижения которой при эксплуатации необходимо избегать.
Стоит отметить, что значения трёх констант вт, U0 и Тт при деформации 2% близки по своим значениям к константам при поперечном изгибе (см. табл. 3.1 и 3.5). Изменяется лишь четвёртая константа у, которая, как уже отмечалось выше, связана с видом нагружения. Соотношение структурно-механических констант при поперечном изгибе и сжатии yjy будет 0,32 - для Ml5 и 0,28 -для М35. Теоретическое же значение (см. табл. 3.2) равняется 0,5.
Похожие диссертации на Прогнозирование долговечности (работоспособности) пенополистирола в ограждающих конструкциях зданий
