ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРИМЕНЕНИЯ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ПРИ ДОПОЛНИТЕЛЬНОМ УТЕПЛЕНИИ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Долговечность - свойство элемента или системы длительно со­хранять работоспособность до наступления предельного состояния при определённых условиях эксплуатации [69]. В ранних работах [47] про­блема долговечности рассматривалась на основе представлений клас­сической механики о пластических деформациях. При этом разруше­ние твёрдых тел считалось критическим событием, наступающим, ко­гда действующие в материале напряжения достигают некоторой пре­дельной величины.

Впоследствии долговечность стали рассматривать как часть об­щей теории надёжности, и расчёты её проводились с использованием математического аппарата теории вероятностей, а также теории мно­жеств. Сложность этого подхода заключается в ограниченных возмож­ностях получения достаточного статистического материала [55].

Следующий путь к построению теории долговечности основан на изучении физико-химических свойств и параметров объектов, процес­сов, происходящих в них, физической природы и механизма разруше­ния. При этом используются уравнения, отражающие физические зако­номерности. Согласно кинетической концепции прочности разрушение твёрдого тела рассматривается не как критическое событие, а как посте­пенный кинетический, термоактивационный процесс, развивающийся в механически напряжённом теле во времени с момента приложения к нему нагрузки, в том числе меньше критической [48, 56].

Развитие кинетической концепции обязано в первую очередь фундаментальным работам школы С. Н. Журкова. Первоначально был установлен универсальный характер временной зависимости прочно­сти (5) [56], т. е. для разрушения материала необходимо время т, 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 и0 в известной формуле Журкова для долговечности (6):

Где х - время до разрушения (долговечность); х0 - период колебания ки­нетических единиц; и - эффективная энергия активации; и0 - начальная энергия активации; у - структурно-чувствительная константа; Я - уни­версальная газовая постоянная; ст - напряжение; Т - температура.

Из формулы (4) вытекает неизменность состояния вещества и по­стоянство констант во всем диапазоне температур и нагрузок. Однако для каждого вещества существует предельная температура, достигнув которой происходит его распад на фрагменты. Этой предельной тем­пературе отвечает положение полюса [47, 63] (рис. 54). Формула (6) с учётом смещения полюса принимает вид:

И о - уа

X = х„ехр

Я

Где 1/Тт - величина смещения температуры полюса.

Величина хт 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 хт оказывается раз-

Введение в формулу (6) четвёртой константы Tm не отразилось ни на трактовке роли и вклада теплового движения и работы внешних сил, ни на физическом смысле констант U0 и g [46, 63].

В уравнении (7) Tm - предельная температура существования твёрдого тела, при которой все химические связи рвутся за одно теп­ловое колебание и вещество полностью распадается; tm - минимальное время разрушения вещества (при T = Tm) часто гораздо больше, чем х0 = 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; g - структурно-механическая константа, характеризующая эф­фективность механического поля при действии нагрузки. Величина g пропорциональна прочности и имеет размерность объёма: g = Xю (ю - флуктуационный объём, в котором происходит всплеск тепловой энергии, достаточной для разрыва лимитирующей связи и отвечает размерности химической связи, »10-23 см; х - характеризует концен­трацию перенапряжений на разрываемой связи).

Константы U0, Tm, tm различаются при разных предельных со­стояниях (разрушении и деформировании) и являются атомно­молекулярными характеристиками материала, не зависящими от вида нагрузки и напряжённого состояния; g показывает, насколько снижает­ся основной потенциал работоспособности материала U0 при разруше­нии или деформировании.

Часто формула (7) не оправдывается. Это наблюдается при хрупком разрушении ряда полимеров и композитов на их основе. В результате получаем семейство прямых, которые в координатах lgt - ст и lgt - 1/T не сходятся в полюс (рис. 55, а). В этом случае реализуются два вари­анта формул:

T = Ba-m exp—; (8)

RT

Т = т* exPUexP(-PCT), (9)

RT

Где t* - эмпирическая константа.

Формула (9) по роли нагрузки является промежуточной между формулой (7), в которой напряжение влияет экспоненциально (но со­вместно с температурой через отношение ст/7), и формулой (8), в кото­рой напряжение действует независимо от температуры, как и в форму­ле (9), но менее сильно.

Рис. 55. Зависимость логарифма долговечности от напряжения:

А - при изгибе для ДСП плотностью 800 кг/м3;

Б - при сжатии для ДСП плотностью 800 кг/м3

Наблюдаются также и случаи обращения пучка прямых: они схо­дятся в полюс не при предельно высокой, а при предельно низкой тем­пературе (рис. 55, б).

* U0 — уст

Т = тт exp

RT

Где тт, П0 , у, Тт - эмпирические константы.

Трансформация вида температурно-временной зависимости, по - видимому, связана с нестабильностью структуры полимеров. В про­цессе длительных испытаний при вариации нагрузки и температуры происходит изменение константы у по различным законам, в результа­те получаемые зависимости описываются уравнениями вида (8) - (10).

Формулы (7) - (10) 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, и0 и понижать у [48, 63].

Предельные значения границ работоспособности для прямого пучка, параллельных прямых и обратного пучка можно представить графически (рис. 56).

Из рисунка видно, что формально максимальная долговечность мо­жет быть бесконечной при абсолютном нуле, что нереально. При конеч­ных температурах максимальная долговечность будет в отсутствии на­грузки; это отвечает времени, необходимому для термодеструкции [63].

Необходимо отметить, что в процессе эксплуатации все строи­тельные конструкции работают под действием длительных нагрузок и температур, кроме того, они подвергаются действию агрессивных сред. В табл. 15 произведён анализ видов воздействия на конструкции с применением пенополистирола.

Вид

Конструкций

Состав конструкции и

*

Характеристики материалов

Основные виды воздействий

Бетон на гравии или щебне из природного камня [у = 2400 кг/м3, 1 = 1,74 Вт/(мК)], 5 = 120 ... 200 мм	Сжатие, Адгезия, Термическое Расширение
ДСП [у = 700 кг/м3, 1 = 0,11 Вт/(м К)], 5 = 20 мм
6 2
£
Ак Ю
ЦСП [у = 1350 кг/м3, 1 = 0,17 Вт/(м К)], 5 = 20 мм

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(м К)], 5 = 50 мм

Бетон на гравии или щебне из природного камня [у = 2400 кг/м3, 1 = 1,74 Вт/(мК)], 5 = 230 мм

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(м К)], 5 = 50 мм

Поперечный

Изгиб,

Климатические

Воздействия,

Концентрация

Напряжения,

Пенетрация,

Агрессивные

Среды

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(м К)], 5 = 60 мм

Бетон на гравии или щебне из природного камня [у = 2400 кг/м3,

1 = 1,74 Вт/(мК)],

5 = 120 . 200 мм

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(м К)], 5 = 50 мм

Поперечный

Изгиб,

Климатические

Воздействия,

Концентрация

Напряжения,

Пенетрация,

Агрессивные

Среды

В [12] было проведено исследование долговечности пенополи - стирола марки ПСБ-С М35 и экструзионного пенополистирола ТЕХНОПЛЕКС 45 в [25] с позиций термоактивационной концепции прочности твёрдых тел. Испытания проводились при поперечном из­гибе и сжатии до 10% относительной деформации по методике, изло­женной в [48] при заданных постоянных температурах и напряжениях. По результатам исследований получены зависимости, приведённые на рис. 57. Значения констант, рассчитанные из этих зависимостей, пред­ставлены в табл. 16.

Lgx (с)

Б)

Рис. 58. Зависимости времени достижения относительной деформации 10% от напряжения:

А - пенополистирол ПСБ-С М35; б - ТЕХНОПЛЕКС 45

Семейства прямых на рис. 57, а и 58 имеют вид веерообразных прямых, сходящихся в одну точку - полюс и согласно [41] описывают­ся уравнением (8). Семейство прямых, представленных на рис. 57, б является параллельным при различных температурах. В этом случае, согласно [63], реализуется формула (10). Подставив константы из таб­лицы 15 в уравнения (8), (10) можно прогнозировать долговечность (работоспособность материала).

Кинетическая концепция позволяет осуществлять прогноз долго­вечности с учётом всех видов воздействия и их комбинаций.

Прогнозирование долговечности пенополистирола в инженерных конструкциях необходимо проводить по методике, изложенной в прил. 1.

В прил. 2 проведён прогноз долговечности пенополистирола в ре­альных инженерных сооружениях с использованием эксперименталь­ных зависимостей, представленных на рис. 56, 57 и значений табл. 16.