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

ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Характер деформации и разрушения пенопластов определяется как строением и физическим состоянием полимера-основы, так и спе­цификой работы элементов макроструктуры при нагружении, влияни­ем свойств сырья и технологии изготовления.

У пенопластов в условиях напряжённого состояния наблюдаются резко выраженные отклонения как от свойств идеально упругих тел, так и от свойств идеально вязких жидкостей, т. е. напряжение одновре­менно зависит и от деформации, и от её скорости.

Сжатие. У лёгких пенопластов (с объёмным содержанием поли­мера-основы менее 30%) наблюдается разрушение ячеистой структуры за счёт потери устойчивости тяжей при достижении разрушающего на­пряжения при сжатии. У крупнопористых жёстких пенопластов сначала происходит разрушение тяжей наиболее ослабленного слоя приблизи­тельно на высоту одной ячейки с одновременным снижением напряже­ния. Далее последовательно и необратимо разрушаются тяжи каждого соседнего прилегающего слоя. У мелкопористых лёгких пенопластов также происходит смятие наиболее ослабленного поперечного слоя, но на высоту не одной, а нескольких ячеек. Поперечные размеры образцов практически не меняются даже при деформациях сжатия до 50%. У пе­нопластов же повышенной плотности при испытании на сжатие проис­ходит хрупкое разрушение образцов с образованием трещин по наклон­ным или продольным плоскостям [18, 20, 23, 33].

При испытании пенопластов на сжатие хрупкое разрушение в большинстве случаев отсутствует и чётко выраженного предела проч­ности не наблюдается. Происходит значительная деформация пенопо - листирола без потери несущей способности, поэтому эта характери­стика определяется условно как напряжение, отвечающее заданной деформации материала (2, 5 и 10% относительной деформации).

В общем случае диаграмма "напряжение - деформация" состоит из двух участков (рис. 8) [3, 52, 53]. Первая область ("докритическая"), соответствующая участку ОА, характеризуется сжатием стенок ячеек. Для второй области ("закритической"), соответствующей участку АБС, характерна потеря устойчивости ячеек и их уплотнение ("сплющива­ние"). Соотношение этих областей на диаграмме определяется свойст­вами полимерной основы и параметрами ячеистой структуры пено - пластов.

За предел прочности при сжатии принимается напряжение (ствр), соответствующее площадке текучести. Оно зависит от скорости испы­таний. Несущую же способность пенопластов при сжатии рекоменду­ют оценивать по критическим напряжениям (акр) из диаграммы ст - е. Для оценки прочности при кратковременных испытаниях рекоменду­ют применять критическое напряжение, соответствующее 5%-ному деформированию образцов (напряжение, при котором резко меняется характер деформирования пенопластов, и развиваются значительные вязкие деформации) [3, 12, 36].

Растяжение. При растяжении в нагруженном пенопласте возни­кает концентрация напряжений на одиночных тяжах или стенках яче­ек. В зоне таких перенапряжённых участков формируются дискретные поверхности разрушения по этим элементам макроструктуры, поэтому при растяжении для пенопластов характерна нелинейная зависимость деформации от напряжения. Отклонения от линейности проявляются уже в области малых деформаций, причём кривизна постоянно увели­чивается с ростом напряжений. Наклон кривой на начальном участке, где напряжение более или менее пропорционально деформации, опре­деляется жёсткостью полимерной композиции, составляющей основу пенопласта [36, 49, 50].

Диаграмма "напряжение - деформация" состоит из характерных точек (пример показан на рис. 10): точка А - соответствует участку упругих деформаций; точка В - пластического течения. Чтобы устано­вить допустимые значения деформаций пенопластов для их эксплуата­ции в ограждающих конструкциях зданий без разрушения структуры необходимо определить эти точки. Точка А определяется из построе­

Ния графиков разностей деформаций, т. е. отрезок ОА соответствует участку, где деформация постоянна при увеличении нагрузки.

При приложении напряжений, соответствующих точке А, проис­ходит резкое увеличение разности деформаций. Эта точка соответст­вует упругой зоне деформации (еу). При определении точки В изучают раздельно упругие и остаточные деформации при ступенчато возрас­тающих нагрузках с разгрузкой до нуля на каждой ступени нагруже­ния (точка соответствует пересечению упругих и остаточных дефор­маций, когда остаточные деформации равняются упругим) - предельно допустимая деформация (еп). Точка Б находится между точками А и В и соответствует критическим величинам напряжения и деформации упруго-эластических пенопластов (екр) типа ПСБ [49].

Сдвиг. Пенополистирол типов ПС-1 и ПСБ при сдвиге разруша­ются по винтовой поверхности. Разрушение образцов ПС-4 характери­зуется образованием в средней части шейки, в зоне которой материал является настолько пластичным, что величина воспринимаемого кру­тящего момента резко падает [39].

Изгиб. Характер диаграммы "напряжение - деформация" при из­гибе сходен с диаграммами при других напряжённых состояниях. Прочность образцов в значительной степени определяется работой материала в растянутой зоне и в большинстве случаев предел прочно­сти при изгибе близок к пределу прочности при растяжении [12, 39].

Для пенопласта, обладающего значительными по величине неуп­ругими (пластическими) деформациями, в момент разрушения предел прочности при изгибе больше, чем при растяжении. Например, у пено­пласта ПС-1 (р = 195 кг/м3) предел прочности при изгибе выше в 1,7 раза, чем при растяжении, а у ПС-4 (р = 30 кг/м3) предел прочности при растяжении выше в 1,5 раза, чем при изгибе, так как не наблюда­ется хрупкого разрушения при изгибе.

Остаточные деформации. Остаточные деформации зависят от величины нагрузки. Зависимость остаточных деформаций еост от пол­ных показана на рис. 9. Остаточные деформации заметно растут с уве­личением количества циклов загрузки. Их нарастание определяет рост полных деформаций, так как величина упругих деформаций остаётся почти постоянной, убывая незначительно. При ступенчато возрастаю­щей нагрузке с выдержкой на каждой ступени 5 ... 10 мин наблюдает­ся деформация последействия. Характер развития деформаций после­действия пенопластов при сжатии при ст < сткр имеет несущественное отклонение от закона Гука. В этой области напряжений имеются не­значительные остаточные деформации после разгрузки и малые скоро­сти развития деформации последействия. При ст > сткр происходит за­метное нарастание полных деформаций, резко возрастают остаточные деформации и деформации последействия при выдержке под постоян­ной нагрузкой [14]. В [43] установлено соотношение прочностных и упругих характеристик полистирольных пенопластов (табл. 4).

4. Соотношение прочностных и упругих характеристик полистирольных пенопластов

Влияние структуры пенополистирола на механические свой­ства. Из полистирольных пенопластов наиболее высокими механиче­скими характеристиками обладает пенопласт ПС-1. Из-за пониженной плотности пенопласт ПС-4 имеет более низкие прочностные и упругие показатели [16, 33, 46].

По механическим свойствам бесспрессовый пенополистирол ус­тупает прессовому из-за низкой прочности суспензионного полисти­рола, из которого его получают. Кроме того, прессовые пенополисти - ролы (ПС-1, ПС-4) изготавливают на основе эмульсионного полисти­рола, имеющего более высокий молекулярный вес, а прочность поли­мера, как правило, с повышением молекулярного веса возрастает. Бес - прессовый же пенополистирол, полученный спеканием отдельных гранул между собой, при растяжении может разрушаться по межгра - нульным поверхностям вследствие их недостаточного спекания. Нали­чие антипиренов в составе этих пенопластов также снижает механиче­ские характеристики пенопластов [12].

Характерной особенностью пенистых пластмасс является зависи­мость кратковременных механических показателей от кажущейся плотности. С её повышением прочность и жёсткость возрастают по параболическому закону. Диаграммы "напряжение - деформация" при растяжении и сжатии пенопласта ПСБ-С в зависимости от плотности показаны на рис. 10 [17, 44].

На прочность пенопласта ПСБ в зависимости от вида напряжён­ного состояния материала влияет размер гранул. При действии растя­гивающих и сдвигающих напряжений с увеличением диаметра проис­ходит снижение прочности, при действии сжимающих напряже­ний влияние размера гранул на прочность пенопласта не наблюдается.

Рис. 10. Диаграммы "а - е" пенопласта ПСБ-С при сжатии (а) и растяжении (б) различной кажущейся плотности:

1 - 19,3; 2 - 22,6; 3 - 37,2; 4 - 59,1; 5 - 25,4; 6 - 37,8; 7 - 42,6; в - 54,2 кг/м3

Деформационные характеристики (Ер, Ес, О) практически не зависят от размера гранул. Отмечено, что размер гранул пенопласта оказывает влияние на разброс механических характеристик [50].

Анизотропия. У пенопластов анизотропия механических характе­ристик зависит от вида напряжённого состояния и в большей степени проявляется при растяжении. Пенопласт ПС-1 является изотропным - механические характеристики практически одинаковы во всех направ­лениях плиты, у пенопластов ПС-4 и ПСБ наблюдается анизотропия прочностных показателей. При этом прочностные показатели в на­правлении, перпендикулярном поверхности плиты, на 20 ... 40% выше по сравнению с показателями, полученными на образцах, вырезанных в продольном направлении. С уменьшением кажущейся плотности анизотропия возрастает [17, 20]. Отмечается, что у пенопласта ПСБ при р = 15 ... 20 кг/м3 - изотропная структура, р = 35 кг/м3 - наблюда­ется наибольшая анизотропия (максимальное значение отношения продольного размера гранул к поперечному - 1,5 . 1,7), далее вытя-

Нутость гранул уменьшается и при р = 90 ... 100 кг/м3 равна единице.

Коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона (|тп) для пено - пластов зависит не только от кажущейся плотности, а в большей сте­пени от вытянутости ячеек. При растяжении и сжатии лёгких анизо­тропных пенопластов в различных направлениях коэффициент Пуас­сона может быть представлен в виде[16, 18]:

, (1) где ТТ - направление вспенивания; ®Т - направление, перпендику­лярное вспениванию; т - коэффициент Пуассона (верхний индекс - направление растяжения-сжатия, нижний - направление измерения поперечной деформации).

В [49, 50] вместо коэффициента Пуассона рекомендуется исполь­зовать коэффициент поперечной деформации (т), так как поперечное деформирование пенопластов обусловливается не столько особенностя­ми полимерной основы, сколько спецификой их ячеистой структуры. Для полистирольных пенопластов его значение равняется 0,1 ... 0,35 и зависит от кажущейся плотности и анизотропии их ячеистого строе­ния. Установлено, что т для пенополистирола при растяжении больше, чем при сжатии.

Влияние температуры на механические характеристики пе­нополистирола. Характер влияния температурных факторов на меха­нические свойства пенопластов определяется свойствами полимерной основы, состоянием ячеистой структуры, наличием начальных внут­ренних напряжений, развитием релаксационных и ориентационных процессов в её структурных элементах, величиной давления газов в ячейках.

При повышенных температурах под действием механических на­пряжений возрастает роль эластических и пластических деформаций, проявляющихся в увеличении отклонения диаграммы "напряжение - деформация" от линейности. Так как полистирол является термопла­стичным полимером, то механические характеристики интенсивно сни­жаются вблизи температуры стеклования полимерной основы. При тем­пературах более 60 ... 75°С пенополистирол ведёт себя как нелинейное вязкоупругое тело, способное к необратимому течению, наблюдается квазихрупкое разрушение, сопровождающееся вынужденно эластиче­скими деформациями элементов ячеистой структуры [36, 49, 50]. Несколько большую стабильность механических показателей имеет самозатухающий пенополистирол ПСБ-С. Можно отметить, что изме­нение деформационных показателей при повышенных температурах происходит несколько в большей степени.

При понижении температуры диаграмма приближается к линей­ной, при этом повышаются все механические характеристики. При отрицательных температурах имеет место хрупкое разрушение пено - полистирола, прочность и упругость увеличиваются.

Пример изменения прочностных и деформационных характери­стик при различных температурах показан на рис. 11.