ПОЛИМЕРБЕТОНЫ

Совместная работа синтетического связующего и наполнителя

Известно, что высокие показатели физико-механиче­ских свойств наполненных полимерных композиций мо­гут быть получены при условии достаточной прочности адгезионных связей синтетического связующего с поверх­ностью наполнителей. Прочность адгезионных связей многих термореактивних смол с поверхностью минераль­ных наполнителей (силикаты, карбонаты и др.) может достигать 10—15 МГІа [6, 83].

Исходя из этих предпосылок, некоторые исследова­тели считают, что при напряжениях в связующем, превы­шающих прочность адгезионных связей, происходит от­слоение полимерной оболочки-матрицы от поверхности наполнителя, и тогда разрушающие напряжения опреде­ляются только напряжениями, возникающими в остав­шемся сечении полимера. Однако экспериментальные ис­следования кинетики развития деформаций и характера разрушения при различных режимах иагружения не под­тверждают принятых предпосылок.

Диаграммы о — є, записанные шлейфовым осцилло­графом [61, 82] при быстром нагружении образца со ско­ростью более 60 МГІа в 1 мин, доказывают наличие ли­нейной зависимости между а и є до определенного уров­ня напряжений (o<RK). При o<.RK после первого цикла быстрого нагружения и разіружения обнаружены незна­чительные остаточные деформации, при семикратном по­вторении таких циклов остаточных деформаций не на­блюдалось (рис. 45). Это дает основание предположить, что при подобных режимах нагружения адгезионные свя­зи между связующим и наполнителем не нарушаются, и наполнитель, принимая на себя соответствующую на-

Рис. 47. Характерная кривая де­формации полимербетонов на ос­нове термореактивных смол

А — упругая деформация; в — высокоэластическая деформация; с — ограниченная деформация вязкого течения

Грузку, деформируется совместно с полимерной оболоч­кой-матрицей пропорционально своему модулю упру­гости (например, для полиэфирной смолы ПН-1 модуль упругости составляет примерно 2,5- 103, а для кварцевого песка —5-Ю4 МПа).

Выполненные с помощью оптического и электронного микроскопа исследования образцов, наполненных таки­ми прочными наполнителями, как кварц, гранит, андезит и др., не обнаруживали нарушения адгезионных связей связующего с поверхностью наполнителя. Во всех слу­чаях при испытаниях на одноосное растяжение, растя­жение раскалыванием, изгиб и сжатие разрушение про­исходило с разрывом наполнителей и по дефектным ме­стам в объеме полимера. При этом неразрушенные ча­стицы наполнителя, выходящие на поверхность разлома, всегда оказываются покрытыми полимерным чехлом.

Таким образом, прямые опыты не подтвердили существующей точки зрения и показали, что при любых напряжениях, возникающих в наполненных полимерных композициях, в том числе и в полимербетонах, такие си­стемы работают как единое целое вплоть до разрушения без нарушения адгезионных связей между связующим и зернами наполнителей и заполнителей. Следовательно, у большинства видов полимербетонов прочность адгези­онных связей всегда оказывается выше прочности наибо­лее часто применяемых наполнителей и заполнителей и когезнонной прочности полимера. Эти положения хоро­шо согласуются с данными [28, 134] и многих других.

Условия для разрывов связей между молекулами по­лимера и последующего образования субмикроскопиче­ских и микроскопических трещин в наполненных поли­мерных композициях на основе термореактивных смол существенно отличаются от условий, характерных для полимеров первой группы или ненаполненных реакто - пластов. В этом случае разрывы химических связей и образование субмикроскопических трещин наблюдаются прежде всего в дефектных местах, находящихся в объе­ме полимера на значительном удалении от поверхности наполнителя. Слияние мелких трещин в более крупные в результате разрыва перемычек между ними будет про­исходить в более сложных условиях, так как рано или поздно вершины этих трещин попадут в зону более упо­рядоченных структур вблизи поверхности наполнителя. Дальнейшее увеличение такой трещины может происхо­дить или вокруг поверхности наполнителя, или путем разрыва полимерного чехла и самого наполнителя (рис. 46), что и подтверждается прямыми наблюдениями ха­рактера излома наполненных композиций. Как в первом, так и во втором случаях работа, затраченная на разру­шение в зоне наполнителя, увеличивается, что служит дополнительным доказательством проявления эффекта упрочнения полимеров минеральными наполнителями.

Деформирование наполненных полимерных компози­ций на основе термореактивных смол под действием внешне приложенных усилий можно представить следу­ющим образом. В первый момент приложения нагрузки в материале возникнут упругие деформации, затем нач­нут проявляться ограниченные деформации вязкого тече­ния, пропорциональные количеству вязкой фазы, и высо­коэластические деформации (рис. 47). До тех пор, пока не будут закончены деформации вязкого течения, трудно предположить, что в материале могут возникнуть микро­разрушения. Если такие микроразрушения и возникнут, то они будут носить сублокальный характер, не опреде­ляющий поведения материала под нагрузкой. Только после окончания вязкого деформирования в материале могут проявиться процессы микроразрушения, которые, достигнув критического значения, приведут к его разру­шению.

Так как деформации вязкого течения необратимы, то отсюда должно вытекать два следствия: 1) после снятия нагрузки полимербетонные образцы могут иметь остаточ­ные деформации, не связанные с процессами микрораз­рушения; 2) при последующем нагружении при сжатии или при изгибе таких образцов должен наблюдаться эф­фект уплотнения и некоторого упрочнения, и при одина­ковых повторных нагрузках деформации этих образцов должны быть меньше на величину деформации вязкого течения.

Экспериментальные исследования достаточно убеди­тельно подтверждают описанный механизм деформиро­вания и процесс разрушения полимербетонов.

Исследования деформаций полимербетонных призм размером 100X100X400 мм при ступенчатом испытании на сжатие, выполненные Ф. А. Лучининой и Г. К. Со­ловьевым, показывают, что уже при сравнительно не­больших нагрузках достаточно четко проявляется эффект уплотнения.

Зависимость изменения объема AQ = [—Ає. г.прод (2Дєп. попер)]105 от приложенной нагрузки в процессе уп­лотнения представлена на рис. 48, а (Аєп. попєр и Аєп. прод) — приращение полных поперечных и продоль­ных деформаций.

В этом случае участок кривой АВ наглядно отража­ет уменьшение объема полимербетона, т. е. уплотнение материала, а затем появление и развитие микротрещин приводит к увеличению объема. При этом характерно практически полное совпадение R° и R^ , определяемых по скорости прохождения ультразвука и по изменению объема AQ полимербетонных образцов в процессе испы­таний.

При исследовании длительной прочности и деформа - тивности двухслойных балок, верхняя часть которых вы­полнена из цементного бетона, а нижняя из полимербе­тонов на эпоксидной и полиэфирной смоле, В. В. Фридман отмечает, что при повторном загружении таких балок

Полные деформации уменьшаются [142]. Таким образом, экспериментальные данные полученные в НИИЖБе, и исследования других авторов [142, 149] убедительно от­ражают проявление двух процессов, протекающих в по - лимербетонах под нагрузкой. Вначале в основном за счет деформации вязкого течения полимербетон уплот­няется, а затем на определенном уровне напряжений по­являются и развиваются микротрещины, что приводит к увеличению объема материала и последующему его раз­рушению.