Применение пенополистирола

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

В настоящее время отсутствуют унифицированные методы дли­тельных испытаний нагруженных пенопластов. Физико-механические характеристики, определённые при кратковременных испытаниях, не могут служить критерием оценки их длительной работоспособности.

При действии длительно приложенных статических напряжений образцы пенопластов зачастую не имеют явного характера разруше­ния, в этих условиях развиваются деформации ползучести. Оценка влияния длительных статических напряжений на пеноматериалы зави­сит от вида напряжённого состояния. Если происходит квазиупругое разрушение пенопласта, то долговечность определяется по агрегатив - ной устойчивости, при появлении повышенной деформативности - по величине предельно допустимой деформации [49, 50].

Ползучесть. В зависимости от величины действующей нагрузки деформации носят различный характер. По особенностям развития их можно условно разделить на четыре вида [49, 50]:

1. Затухание деформаций происходит сравнительно быстро (че­рез 30 ... 60 суток). Величина деформаций не превышает 1%. Верхняя граница нагрузок составляет при различных видах напряжённого со­стояния 0,2 ... 0,35 от предела прочности при кратковременных испы­таниях (ствр).

2. Затухающие деформации. Величина деформаций может дос­тигать 2%, нагрузки - (0,3 ... 0,5) ствр.

3. Установившаяся ползучесть. Не обнаруживается тенденция перехода к затухающим деформациям, при нагрузках - (0,5 ... 0,7) ствр.

4. Нагрузки (0,7 ... 0,9) ствр - деформации такого вида быстро разрушают материал.

Однако такая классификация носит условный характер и в неко­торых случаях деформации одного и того же образца могут быть отне­сены к различным видам [49]. В [7, 10] при повышенной деформатив - ности пенопласта определение коэффициента долговременного сопро­тивления и длительной прочности проводится исходя из величины затухающих деформаций, не превышающих заданной величины. До­пустимая деформация определяется из значений характерных точек на диаграммах деформирования пенопластов, если е > [екр] - то эта вели­чина принимается за величину длительной прочности (стдл), если же е < [екр], то коэффициент долговременного сопротивления оценивается по уровню соответствующей асимптоты кривой длительного дефор­мирования. Рекомендовано определять упругие характеристики при различных видах напряжённого состояния пенопластов в диапазоне нагрузок (0,2 ... 0,5) ствр.

Деформации ползучести в большей мере проявляются под дейст­вием сжимающих и сдвигающих напряжений. При действии таких ста­тических напряжений пенопласты не имеют явного характера разру­шения, ведущего к потере агрегативной устойчивости материала. На­блюдается постепенное нарастание деформаций ползучести, отсутст­вует период резкого увеличения деформативности, который мог бы быть принят за начало явного разрушения материала. Кроме того, де­формируемость пенопластов во времени существенно зависит от вели­чины приложенных напряжений. В области малых сжимающих на­пряжений ячеистые структуры пенопластов деформируются незначи­тельно. Обусловлена эта деформация сжатием ячеек структуры. При действии напряжений близких к критическим, в пенопластах имеют место значительные деформации, вызванные изгибными деформация­ми полимерных плёнок, образующих стенки ячеек структуры [49, 50].

Действие повторных (с периодическим "отдыхом") нагрузок на развитие деформации ползучести пенополистирола является более невыгодным по сравнению с режимом постоянной нагрузки. По мере увеличения циклов периодического нагружения наблюдается увеличе­ние доли остаточных деформаций и уменьшение упругих [36].

В [7, 10] установлено, что модули упругости и сдвига при дли­тельных испытаниях составляют (0,3 ... 0,5) от Е и О, определённых при кратковременных испытаниях.

По результатам длительных испытаний в [10] определены коэф­фициенты долговременного сопротивления при растяжении Кр, сжатии Кс и сдвиге Ксд пенопластов. Соотношение этих коэффициентов при­ведено в табл. 11. При растяжении коэффициенты долговременной прочности определены из условия длительной прочности, а при сжа­тии и сдвиге - из условия деформативности.

Характер кривых ползучести при длительном изгибе такой же, как и при других напряжённых состояниях.

Пример кривых ползучести для пенополистирола ПСБ-С при раз­личных видах нагрузки приведён на рис. 14 [33, 44, 45].

С повышением температуры скорость развития деформаций пол­зучести пенопластов возрастает [49, 50].

11. Соотношение коэффициентов долговременного сопротивления пенополистиролов

При испытаниях длительно действующими сжимающими нагруз­ками величины кратковременной прочности ствр и критического на­пряжения сткр имеют условный характер. В связи с отсутствием хруп­кого разрушения образцов под длительной нагрузкой в качестве ос­новной характеристики кратковременной прочности рекомендуют принимать сткр, а не ствр [12]. Образцы, напряжения в которых превос­ходят сткр, деформируются сразу после приложения нагрузки до недо­пустимо больших величин. По результатам длительных испытаний построены зависимости различных деформаций от напряжения и про­должительности его действия (линии равных деформаций) (рис. 15).

В координатах ст/сткр - ^т зависимости близки к прямым. Принимая за начало отсчёта время, равное 1 ч испытаний, уравнение прямых рав­ных деформаций можно записать следующим образом [56]:

Стт,- = сти - А, ^т, (4)

Где стт,- - напряжение, при котором в образце за время т создаётся де­формация, равная г; ст1,- - напряжение, при котором деформация в 1% достигается через 1 ч; А, - угловой коэффициент соответствующего графика (рис. 16).

При постоянном напряжении полная деформация складывается из мгновенной упругой, которая не зависит от времени и определяется при одноосном напряжённом состоянии, и пластической. В основу определения расчётных характеристик положены величины предель­но-допустимых деформаций, определённые с учётом их развития в течение заданного срока эксплуатации. Прочностные характеристики определяются как:

Кратковременные = пределу прочности; длительные = кратковременные х коэффициенты длительного сопротивления.

Для ускоренного определения ползучести пенопластов возможно использовать экспресс-методы: температурно-временной; напряжённо­временной и плотностно-временной аналогий [16, 18]. Недостатком методов является то, что они действуют в определённых пределах прочности, температуры и плотности. Принимается, что макрострук­тура в процессе срока службы не изменяется.

Долговечность. На рисунке 16 приведены диаграммы, характери­зующие долговременную прочность пенополистиролов в условиях растяжения. Графики построены в координатах ^т - ст, где т - время до разрушения образца (долговечность). Экстраполяция зависимости ^т (ст) для пенополистиролов различных плотностей при постоянной температуре на ось ^т дала сходимость в одной точке, что соответст­вует представлениям о зависимости долговечности от напряжения при изменении структуры материала. Отмечается отклонение от линейно­сти зависимости ^т (ст) с повышением температуры. Явление хрупкого разрушения становится менее вероятным, так как увеличивается вы­нужденно-эластическая деформация [12].

1бт, [с]

6 4 2

В [36, 39, 49] отмечается, что исследование долговечности пено - полистирола возможно с точки зрения термофлуктуационной концеп­ции прочности, основанной на том, что процесс разрушения материала носит кинетический характер и осуществляется путём преодоления взаимодействующими частицами энергетического барьера в результа­те тепловых флуктуаций. При постоянной температуре и напряжении зависимость выражается уравнением [56]:

Х = А ехр(-Р ст), (5)

Где х - долговечность образца; А = х0 ехр(и/кТ); V = и0 - уст - энергия активации (разрыва) связей между кинетическими единицами; ст - постоянное напряжение; к - постоянная Больцмана; у - структур­ный коэффициент, определяющий эффективность механического поля; х0 - период колебания кинетических единиц.

Величины коэффициентов уравнения 4 приведены в табл. 12 [39].

С учётом температуры формула имеет вид [43]:

Х = Хо ехр[(и - у ст)/ЯТ]. (6)

Необходимо отметить, что при применении кинетической кон­цепции разрушения твёрдых тел в рассмотренных работах [49, 56] не учитывается смещение полюса (х0 определяют не из графиков, а принимают равным 10-13 с). Значения физических констант уравнения Журкова (5) не соответствуют графикам, показанным на рис. 17.

Авторами были перестроены эти зависимости в координаты ^х - 103/Т (см. рис. 18).

^Ьг

х'^/гр-щ/а 2 \

/>ч&

0,2 0,4 0,6 0,8 0,2 0,4 0,6 0,8

А) б) в)

Рис. 17. Корреляционные зависимости долговечности при повышенных температурах для пенопластов ПСБ (а); ПСБ-С (б); ПС-4 (в):

7 - 18°С; 2 - 40°С; 3 - 60°С

13. Значения констант уравнения (6), определённые из зависимостей, показанных на рисунках 17 и 18

На рисунке 18 наблюдается смещение полюса. В этом случае, со­гласно [47, 63], уравнение (5) не работает. Появляется четвёртая кон­станта в уравнении Журкова - величина смещения температуры полю­са (6), которая показывает, что энергия активации снижается линейно не только с напряжением, но и с температурой, т. е. существует пре­дельная температура для данного материала. Из зависимостей и - ст были вычислены значения максимальной энергии активации и0 для пенопластов (табл. 13 и рис. 18). Из таблицы видно, что величины кон­стант не соответствуют значениям табл. 12. Кроме того, размерность параметров в табл. 12 не соответствует физическому смыслу констант уравнения (2).

Формула (5) с учётом смещения полюса:

И о - уа

X = ттехр

Я

Где 1/Тт - величина смещения температуры полюса (подробнее см. в гл. 10).

В ряде работ указывается, что кинетическая концепция для пено - пластов имеет условный характер, однако проведённые исследования [12] показывают, что эти высказывания не соответствуют действи­тельности.

В работе [15, 26] была сделана попытка установить соответствие характерных точек для кривых ползучести и диаграммы сжатия на примере пенополиуретанов. Отмечается, что на диаграмме сжатия для
полимеров и в некоторых случаях для пенопластов имеется отрезок, где наблюдается резкий спад напряжения. В этом месте находится ве­личина критической деформации (переход через предел вынужденной эластичности). Однако выше отмечалось, что такого спада напряжения не наблюдается для пенополистиролов низкой кажущейся плотности, так как не происходит хрупкого разрушения материала, и величина критической деформации носит условный характер. Это подтвержда­ется построением кривых ползучести пенополистирола при разных напряжениях и времени его действия [15, 26]. Поэтому при описании процессов деформирования формулой Журкова константы, входящие в него, приобретают иной физический смысл, нежели при разрушении.

Применение кривых ползучести для определения долговремен­ных характеристик пенопластов не позволяет учитывать изменение структуры материала в процессе испытаний. Значения нагрузок при­нимают равными значению от 0,5 до 0,95 величины ствр, которая явля­ется условной и находится из диаграммы "напряжение - деформация" при кратковременных испытаниях. Но, как говорилось выше, её вели­чина зависит от скорости приложения нагрузки. Кинетическая концеп­ция же рассматривает процесс свершения критического события как процесс накопления повреждений в теле под действием теплового движения атомов, являющегося решающим фактором свершения кри­тического события, а нагрузка лишь ускоряет этот процесс. Кроме то­го, при действии нагрузок низкой интенсивности (0,1 ... 0,4 ствр) не может быть линейной зависимости, так как связи успевают рекомби­нировать, согласно кинетической концепции, происходит загиб на за­висимости логарифма времени от напряжения.

Поскольку долговечность строительных конструкций зависит в первую очередь от срока службы (долговечности) теплоизоляционного материала, то в следующей главе нами предложено определить эту характеристику с помощью кинетической концепции прочности твер­дых тел, предложенной в [56] и развитой [47, 63].