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

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

Тип

Пенопласта

Кажущаяся плотность, кг/м3

Соотношение коэффициентов долговременного сопротивления

ПСБ-С

2

О

6

О

Кр > Кс ~ Ксд

ПСБ

2

О

6

О

Кр > Кс ~ Ксд

ПС-1

100

Кр > Кс > Ксд

ПС-4

40

К ~ К ~ К

-*^р с -*^сд

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

1000 2000 3000 4000 5000 6000 т, ч

А)

Рис. 14. Деформации ползучести образцов пенополистирола ПСБ с кажущейся плотностью 35 ... 40 кг/м3:

А - при растяжении (от ствр);

1 - 0,8; 2 - 0,7; 3 - 0,6; 4 - 0,5; 5 - 0,4; 6 - 0,35; 7 - 0,25; 8 - 0,1 б - при сжатии (от ствр);

1 - 0,5; 2 - 0,45; 3 - 0,35; 4 - 0,3; 5 - 0,25; 6 - 0,2; 7 - 0,15; 8 - 0,1

Б)

подпись: 
б)
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).

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

А) б)

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Рис. 15. Зависимости деформации пенополистирола от напряжения и продолжительности действия нагрузки:

А - ПС-1; б - ПС-4; в - ПСБ.

Цифры на кривых указывают относительную деформацию в %

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛАВ 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.

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

0

подпись: 0Долговечность. 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

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

1бт, [с]

6

4

2

0 0,4 0,8 1,2 1,6 а, МПа 0 0,8 1,6 2,4 3,2 а, МПа

В) г)

Рис. 16. Долговечность пенополистиролов различной кажущейся плотности при растяжении:

А - 31 ... 34 кг/м3; б - 42 ... 46 кг/м3; в - 62 ... 66 кг/м3; г - 157 ... 164 кг/м3; 1 - 23°С; 2 - 60°С; 3 - 80°С

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).

12. Параметры временной зависимости прочности пенопластов

Тип

Пенопласта

Кажущаяся

Плотность,

Кг/м3

Условные значения параметров временной зависимости прочности при растяжении пенопластов

Х0, с

Ст, кгс/см2

И0, кг-см

У, см3

ПСБ-С

60

10-12

2,68

9,2-10-19

3,4-10-19

ПСБ

40

10-12

2,56

4,9-10-19

1,9-10-19

ПС-1

100

10-12

2,38

5,7-10-19

2,4-10-19

ПС-4

60

10-12

2,60

3,6-10-19

1,4-10-19

^ [с] 10

8

6

4

подпись: ^ [с] 10
8
6
4

Ч

подпись: ►
ч

^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):

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

0,2 0,4 0,6 0,8 а/а

Г)

подпись: 0,2 0,4 0,6 0,8 а/а
г)

Рис. 18. Зависимости времени до разрушения от обратной температуры [42] и эффективной энергии активации от напряжения [63] (г):

А - ПС-4 (р = 60 кг/м3); б - ПСБ (р = 40 кг/м3); в - ПСБ (р = 60 кг/м3)

подпись: рис. 18. зависимости времени до разрушения от обратной температуры [42] и эффективной энергии активации от напряжения [63] (г):
а - пс-4 (р = 60 кг/м3); б - псб (р = 40 кг/м3); в - псб (р = 60 кг/м3)

В)

подпись: в)

А)

подпись: а)7 - 18°С; 2 - 40°С; 3 - 60°С

ВЛИЯНИЕ ВРЕМЕНИ ЭКСПЛУАТАЦИИ НА МЕХАНИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

0,4

0,6

0,8

1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 103/Т, 1/К

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

Тип

Пенополистирола

Физические константы

Хт, с

103/тт, 1/К

И>,

КДж/моль

%

КДж/ (моль - МПа)

ПС-4,

Р = 60 кг/м3

10-1’2

2,12

282

251,1

ПСБ,

Р = 40 кг/м3

Ю+1,2

1,2

116

96,6

ПСБ-С,

Р = 60 кг/м3

10+1,°

0,8

86

77,3

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].

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

ПРИЛОЖЕНИЯ

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 МЕТОДИКА ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ДОЛГОВЕЧНОСТИ В связи с тем, что температура и другие внешние воздействия резко влияют на прочность и долговечность пенополистирола прогноз долговечности возможно провести по методике [75], основанной …

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Активное развитие строительной индустрии и ужесточение тре­бований к теплозащите конструкций зданий и сооружений требует применения наиболее эффективных утеплителей. Для грамотного применения пенополистирола в тех или иных конструкциях утепления необходимо иметь …

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 …

Как с нами связаться:

Украина:
г.Александрия
тел./факс +38 05235  77193 Бухгалтерия
+38 050 512 11 94 — гл. инженер-менеджер (продажи всего оборудования)

+38 050 457 13 30 — Рашид - продажи новинок
e-mail: msd@msd.com.ua
Схема проезда к производственному офису:
Схема проезда к МСД

Оперативная связь

Укажите свой телефон или адрес эл. почты — наш менеджер перезвонит Вам в удобное для Вас время.