разное

Механическая прочность

Прочность пеностекла примерно в 10 раз больше прочно­сти других изоляционных материалов такой же теплопровод­ности или объемной массы. Поэтому в некоторых работах [394, 395] прослеживается мнение о том, что не следует спе­циально изучать прочностные свойства пеностекла, поскольку оно по сравнению с конкурирующими материалами обладает большими резервами.

Полученные нами данные при расчете скорости отжига блоков свидетельствуют о необходимости изучения его проч­ностных характеристик для того, чтобы правильно проектиро­вать технологический процесс получения пеностекла. Результа­ты натурных исследований заводской технологии (см. гл. I) также подтверждают значительное влияние режима вспенива­ния на формирование важнейших свойств пеностекла. Поэтому прочности пеностекла необходимо уделять большее внимание.

Прочность пеностекла можно характеризовать пределом прочности при сжатии. Существует несколько методов оценки: по методике, принятой для хрупких материалов,— по разру­шающей нагрузке иди как для упругих материалов — по на­грузке, соответствующей определенной деформации образца. В СССР [194, 396] и ЧССР [397] для расчета предела проч­ности при сжатии используют максимальную нагруаку, при которой происходит разрушение испытуемого образца. По американскому стандарту [398] Rcж пеностекла рассчитывают по величине нагрузки, при которой образец сжимается до тол­щины, соответствующей 5% его первоначальной толщины, за исключением тех случаев, когда разрушение образцов произой­дет раньше, чем наступит эта деформация.

Следует отметить, что при испытании пеностекла на сжа­тие (у^200 кг/м3) почти никогда не наблюдается резкого раз­рушения образцов, характерного для хрупких материалов. С повышением нагрузки образец начинает деформироваться, при этом тонкие стенки ячеек последовательно разрушаются на обеих упорных поверхностях. Образующийся порошок стек­ла вдавливается во вновь разрушаемые ячейки.

Начало деформации образцов (рис. 6.4, кривые 1—3) на­ступает при сравнительно небольших нагрузках; так, усилие сжатия, соответствующее 1 % деформации, находится в преде­
л ах 3—5 кгс/см2-, стабилизация давления происходит при 8— 16%-ной деформации образцов. При снятии нагрузки до нача­ла разрушения оставшаяся часть образца не имеет каких-ли­бо видимых повреждений. Поэтому за предел прочности сжа­тия в данном случае можно принять величину давления при стабилизировавшейся деформации.

Чтобы избежать предотвращения послойного разрушения пеностекла при сжатии, упорные поверхности образцов покры-

Вали битумной мастикой толщиной около 1 мм. Характер раз­рушения их различен (рис. 6.4, кривые 4, 5). Если в первом случае образцы разрушаются лишь при предельной величине линейной деформации, то во втором они раскалываются при предельной нагрузке, почти не деформируясь. Такой харак­тер разрушения можно объяснить более равномерным распре­делением нагрузки на поверхностях испытуемых образцов, что исключает послойное разрушение из-за возникающих локаль­ных напряжений.

С повышением объемной массы (150—400 кг/ж3) величина линейной деформации образцов уменьшается, и при у = = 350 кг/ж3 значения Rcж, полученные по обеим методикам ис­пытаний, выравниваются, что свидетельствует о приближении прочностных свойств пеностекла к аналогичным свойствам
жестких теплоизоляционных материалов с повышенной плот­ностью.

Представим данные прочности влагозащитного пеностекла в зависимости от его объемной массы (рис. 6.5, кривая 2) в виде линейной функции. В результате обработки этих данных по способу наименьших квадратов прочность пеностекла мо­жет быть выражена уравнением

Rcm = 0,283 у — 24,4. (6.1)

И. И. Китайгородский и Т. Н. Кешишян [12] приводят бо­лее низкие значения прочности пеностекла. Для функции /?CHf=/(Y), по данным авторов, в интервале 150—400 кг/м3 справедлива зависимость

Ясж = 0,2v - 20, (6.2)

Что, по нашим данным, соответствует промышленному пено­стеклу (рис. 6.5, кривая 7).

Акустическое пеностекло по отношению к влагозащитному и строительному имеет наиболее низкую прочность (рис. 6.5, кривая 8). Оно отличается выраженным характером гетеро­генной структуры, что подтверждается высоким водопоглоще - нием, и имеет настолько большой разброс результатов по прочности, что исключает возможность установления зависи­мости между прочностью на сжатие и объемной массой.

Анализ данных прочности пеностекла различных видов по­казывает, что зависимость RCm=f(y) определяется в основном структурным фактором, который в свою очередь зависит от состава пенообразующей смеси и условий получения пеностек­ла. Здесь, как показано нами в параграфе 5.5, не в меньшей мере налагается влияние режима отжига, являющегося за­вершающим этапом в технологии получения пеностекла.

Влияние технологических параметров процесса получения пеностекла на его прочность показано на рис. 6.6. Здесь пред­ставлены зависимости і? сш=/(у) Для промышленного стро­ительного пеностекла на основе стекла 6Н и антрацита (1,7%). Данные соответствуют результатам определений прочности об­разцов, выпиленных из промышленных блоков, вспененных в одноярусной (рис. 6.6, кривая 1) и многоярусной (рис. 6.6, кривая 2) печах. Для пеностекла с одноярусных печей харак­терно постоянство прочностных характеристик, что, как отме­чалось выше, является результатом стабильности режимов вспенивания и отжига.

При исследовании длительного воздействия влаги на проч­ность влагозащитного пеностекла его образцы (кубы 7Х7Х Х7 см) выдерживали в воде в течение 30 сут, после чего опре­деляли их влагосодержание и механическую прочность. Со­гласно полученным данным, пеностекло с объемной массой
160—184 кг/м3 при максимальном водонасыщении 0,9%, прак­тически сохраняет свою прочность после 30-суточного пребы­вания в воде.. Отклонения от исходной прочности (до ±10%) объясняются, вероятно, неидент. ичностью их структуры.

Для исследования механической прочности пеностекла в условиях низких температур образцы выдерживали в жидком азоте в течение 4, 240 и 720 ч, а затем непосредственно после извлечения определяли их прочность (табл. 28). Среднеобъем - ная температура образцов за вре­мя испытания изменялась от -190 до —180 °С.

При глубоком охлаждении влагозащитного пеностекла (до /5- ■—190 °С) повышается сопротив-

Рис. 6.6. Зависимость прочности сжатия от объемной массы пеностекла (данные Гомельского стеклозавода за 1973 г.): 1 — продукция с одноярусной печи; 2 — то же с многоярусной

Ление сжатию на 20—33% и на 42—48% падает сопротивление изгибу. Причиной этого, очевидно, является возрастающая с понижением температуры «хрупкость» стекла вследствие уве­личения его модуля упругости и снижения удельной ударной вязкости [400].

Длительное охлаждение влагозащитного пеностекла (табл. 29) не вызвало изменений в его структуре, образцы сохрани­ли послойный характер разрушения. Сопротивление сжатию возросло соответственно на 23 и 36% после их хранения в тече­ние 240 и 720 ч при —196 °С.

Для определения влияния знакопеременных температур на физико-механические свойства влагозащитного пеностекла его

Образцы подвергались многократному замораживанию и от­таиванию. Замораживание производилось в криостате,.в кожух которого заливался жидкий азот, оттаивание—на воздухе или в воде при +20 °С. Каждый цикл состоял из 4 ч замора­живания и 4 ч оттаивания. Температура в криостате поддер­живалась в пределах от —160 до —180 °С. Образцы одной се­рии перед охлаждением находились в воздушно-сухом со­стоянии, другие предварительно выдерживали в воде в течение 48 ч. Было проведено 25 циклов замораживания и оттаивания, после чего для оценки нарушений в структуре пеностекла оп­ределяли его механическую прочность, потери массы и водо - поглощение.

Результаты испытаний показали (табл. 30), что большин­ство воздушно-сухих образцов пеностекла после 25 циклов за­мораживания и оттаивания на воздухе визуально не измени­лось. У влажных образцов, оттаивавших как в воде, так и на воздухе, уже после первых циклов (2—3-й циклы) начинается разрушение углов, ребер и выкрошивание материала с поверх­ности, которая постепенно приобретает «ооповидный» харак­тер. Вследствие этого прочность влажных образцов, оттаивав­ших на воздухе, снизилась с 21 до 12 кгс/см2, т. е. на 38%, а потери массы хотя и несколько увеличились по сравнению с воздушно-сухим пеностеклом, но также невелики. Однако во­допоглощение этих образцов увеличилось после испытаний в 2—2,5 раза. У влажных образцов, оттаивавших в воде, види­мое разрушение поверхности наступило после 3-го цикла, а после 16-го цикла образцы разрушились.

Исследование термостойкости пеностекла было проведено по режиму, выбранному в соответствии с условиями его эксплуатации, при которой теплосмены вода — холод (—180 °С)—вода отсутствуют, а охлаждение и нагрев про­текают относительно медленно вследствие его незначительной теплопроводности. По данному режиму образцы охлаждали в криостате до —180 °С со скоростью 13 °С/ч, выдерживали при температуре от —160 до —180 °С в течение 35—40 ч, а затем нагревали в криостате до +20 °С со скоростью 9—10 °С/ч.

После 20 циклов охлаждения и нагрева воздушно-сухие кубики пеностекла не имели каких-либо признаков разруше-

Таблица 30 некоторых видов пеностекла

Потери массы после 25-кратного замора­живания и оттаива­ния на воздухе, %

Об разды

Сухие влажные

3,0 2-2,5

32,4 ния и практически сохраня­ли свою первоначальную прочность.

Более длительным испы­таниям на хладостойкость (50 циклов теплосмен) были подвергнуты воздушно-сухие образцы, а также предвари­тельно выдержанные в воде в течение 48 ч и 10 сут. Все исследуемые кубики пено­стекла не изменили своего внешнего вида: на их поверх­ности, углах и ребрах не на­блюдали следов выкрошива - ния и видимых трещин. Об­разцы, охлажденные как в воздушно-сухом состоянии, так и после увлажнения до 1—2% объема, сохранили после испытания механиче-

Скую прочность, соответствующую их структуре и объемной массе. Менее прочными оказались образцы, обладающие по­вышенной влагоемкостью (>10% объема за 24 ч) при малой объемной массе (у=150 кг/м3): их сопротивление сжатию со­ставило лишь 5,3—5,6 кгс/см2. Некоторый разброс данных по прочности у образцов практически равной плотности объясня­ется неидентичностью их структуры.

В результате выполненных нами работ по изучению проч­ности различных видов пеностекла и обобщения данных дру­гих исследователей установлено, что механические свойства находятся в тесной взаимосвязи с его структурой и объемной массой, они закладываются на стадии подготовки пенообра­зующей смбси и формируются в процессе вспенивания и отжига пеностекла. Снижение прочности с повышением водопоглоще - ния свидетельствует об увеличении числа дефектов структуры в пеностекле, возникающих вследствие отклонений от тре­буемых темлературно-временных режимов вспенивания и от­жига, а также кристаллизации .пеностекла. Это подтверждает­ся тем, что Rсш и Япзг имеют меньшие значения для акустиче­ского пеностекла, а для влагозащитного, характеризуемого упорядоченной структурой и минимальным водопоглощением, эти показатели самые высокие.

Анализ результатов исследований, полученных при исполь­зовании различных методик испытаний, показал, что для пено­стекла с высоким значением объемной массы (>350 кг/м3) (обычно используемого для устройства самонесущих изоляци­онных конструкций) прочность можно определять по макси­мально установленной нагрузке, при которой наступает разру­шение образца. В - случае применения легкого пеностекла в качестве несущего изоляционного материала (основания под резервуары, фундаменты) значения требуемой нагрузки необ­ходимо устанавливать с учетом линейной деформации под на­грузкой. При таких испытаниях упорные поверхности испытуе­мых образцов необходимо покрывать слоем эластичного мате­риала (мастика, картон, асбест).

В области низких температур (до —190 °С) Rcm и /?ИЗг из­меняются в соответствии с закономерностями изменения удельной вязкости и модуля упругости стекла, причем с повы­шением объемной массы пеностекла прирост прочности при сжатии и снижение ее при изгибе уменьшаются. При одном и том же значении объемной массы прочность при сжатии пено­стекла повышается (до 35%) с увеличением продолжительно­сти выдержки образцов в условиях отрицательных температур (—196 °С).

Установленная ЗакОНОМбрНОСТЬ изменения Лсж в области глубокого холода может учитываться при расчете несущей спо­собности изоляционных 'конструкций.

В воздушно-сухом состоянии все виды пеностекла являются морозостойкими, здесь влияние отрицательных температур аналогично положительным. Морозостойкость увлажненного пеностекла (в воде) снижается по мере увеличения в нем дефектов структуры. и открытой пористости. Разрушение струк­туры происходит вследствие деструктивного воздействия льда и направлено с поверхности к центру испытуемого образца.