Применение пенополистирола

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):

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

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:

(7)

подпись: (7)И о "Уст

Х = хтехр

Т

подпись: тЯ

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-

Мещённым в большом диапазоне времён и не равно 10 [с]

 

С [41, 59].

 

Рис. 54. Зависимость логарифма времени разрушения от обратной температуры при поперечном изгибе для ДСП плотностью 650 кг/м3

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

Введение в формулу (6) четвёртой константы Тт не отразилось ни на трактовке роли и вклада теплового движения и работы внешних сил, ни на физическом смысле констант и0 и у [46, 63].

В уравнении (7) Тт - предельная температура существования твёрдого тела, при которой все химические связи рвутся за одно теп­ловое колебание и вещество полностью распадается; хт - минимальное время разрушения вещества (при Т = Тт) часто гораздо больше, чем х0 = 10-13 с; и0 - 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; у - структурно-механическая константа, характеризующая эф­фективность механического поля при действии нагрузки. Величина у пропорциональна прочности и имеет размерность объёма: у = Xю (ю - флуктуационный объём, в котором происходит всплеск тепловой энергии, достаточной для разрыва лимитирующей связи и отвечает размерности химической связи, »10-23 см; % - характеризует концен­трацию перенапряжений на разрываемой связи).

Константы и0, Тт, хт различаются при разных предельных со­стояниях (разрушении и деформировании) и являются атомно­молекулярными характеристиками материала, не зависящими от вида нагрузки и напряжённого состояния; у показывает, насколько снижает­ся основной потенциал работоспособности материала и0 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 ^х - ст и ^х - 1/Т не сходятся в полюс (рис. 55, а). В этом случае реализуются два вари­анта формул:

Х = Вст-т ехр—-; (8)

ЯТ

Х = х* ехРиехР(-Рст), (9)

ЯТ

Где х* - эмпирическая константа.

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

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

А)

7

5

подпись: 5 подпись: а) подпись: 7

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

12

14

Б)

9 о, МПа

16 о, МПа

подпись: 9 о, мпа подпись: 12 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ подпись: 16 о, мпа

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).

(10)

подпись: (10)* U0 — уст

X = Т„, exp

RT

Где тЯ!, U0 , у, Tm — 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.

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

А) б) в)

Рис. 56. Схема границ работоспособности композитных материалов для прямого пучка (а); параллельных прямых (б); обратного пучка (в)

15. Характер воздействий на пенополистирол

В конструкциях утепления

Вид

Конструкций

Состав конструкции и характеристики материалов

Основные виды воздействий

Утепление снаружи (гл. 9, рис. 21, б)

Силикатный кирпич на цементно­песчаном растворе [у = 1800 кг/м3, 1 = 0,76 Вт/(мК)], 5 = 510 мм

Адгезия,

Концентрация

Напряжения,

Пенетрация,

Сжатие

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(мК)], 5 = 80 мм

Сложный раствор (песок, известь, цемент) [у = 1700 кг/м3,

1 = 0,7 Вт/(мК)], 5 = 30 мм

Вид

Конструкций

Состав конструкции и

*

Характеристики материалов

Основные виды воздействий

Трёхслойная кирпичная стена (гл. 9, рис. 21, в)

Силикатный кирпич на цементно­песчаном растворе [у = 1800 кг/м3, 1 = 0,76 Вт/(мК)], 5 = 250 (380) мм

Концентрация

Напряжения,

Пенетрация

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(мК)], 5 = 90 (80) мм

Силикатный кирпич на цементно­песчаном растворе [у = 1800 кг/м3, 1 = 0,76 Вт/(мК)], 5 = 120 мм

Трёхслойные панели

Железобетонные (гл. 9, рис. 21)

Железобетон [у = 2500 кг/м3, 1 = 1,92 Вт/(мК)], 5 = 120 мм

Адгезия,

Термическое

Расширение,

Сжатие

ПСБ-С [у = 35 кг/м3, 1 = 0,037 Вт/(мК)], 5 = 100 мм

Железобетон [у = 2500 кг/м3, 1 = 1,92 Вт/(мК)], 5 = 80 мм

Навесные [12]

А) ДСП [у = 700 кг/м3,

1 = 0,11 Вт/(мК)], 5 = 20 мм

Адегизя, термическое расширение, поперечный изгиб, сжатие

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(мК)], 5 = 90 мм

ДСП [у = 700 кг/м3,

1 = 0,11 Вт/(м К)], 5 = 20 мм

Б) 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 = 100 мм

ЦСП [у = 1350 кг/м3,

1 = 0,17 Вт/(м К)], 5 = 20 мм

Несъёмная

Опалубка

"Уеіох" (гл. 9, рис. 26)

А) ДСП [у = 700 кг/м3,

1 = 0,11 Вт/(м К)], 5 = 20 мм

Сжатие,

Адгезия,

Термическое

Расширение

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(м К)], 5 = 90 мм

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

ПСБ-С [у = 35 кг/м3,

1 = 0,037 Вт/(м К)], 5 = 100 мм

Б) ЦСП [у = 1350 кг/м3,

1 = 0,17 Вт/(м К)], 5 = 20 мм

Поперечный

Изгиб,

Климатические

Воздействия,

Адгезия,

Агрессивные

Среды

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

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

£

 

Ак

Ю

 

ЦСП [у = 1350 кг/м3,

1 = 0,17 Вт/(м К)], 5 = 20 мм

 

:0

*

С

Е

Я

подпись: :0
*
с
е
я

А Б

"§ а

0 к

1 а

Си ^ «-С •

Н 5

подпись: а б
"§ а
0 к
1 а
си ^ «-с •
н 5

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

Го I ^ уа .с

Аб и

Тр

С,

А9

подпись: го i ^ уа .с
аб и
тр
с,
а9

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

Вид

Состав конструкции и

Основные виды

Конструкции

Характеристики материалов

Воздействии

Асфальтобетон высокоплотный

[у = 2400 кг/м3, 1 = 1,40 Вт/(мК)],

5 = 90 мм

Изгиб, сжатие, климатические факторы, пенентрация,

Нежёсткого типа (для автодороги III категории)

Асфальтобетон пористый

[у = 2300 кг/м3, 1 = 1,25 Вт/(мК)],

5 = 160 мм

Щебёночно-гравийная-песчанная

Агрессивные

Смесь, обработанная неорганиче­

Среды,

Ским вяжущим, марки 40

Динамические

[у = 2000 кг/м3, 1 = 2,10 Вт/(мК)],

Воздействия,

5 = 200 мм

Совместное

Дорожные конструкции

Песок мелкий [у = 1850 кг/м3, 1 = 2,18 Вт/(м К)], 5 = 300 мм

Действие изгиба и сжатия

Пенополистирольные плиты

Техноплекс [у = 45 кг/м3,

1 = 0,032 Вт/(м К)], 5 = 40 мм

Тяжёлый бетон класса В Л 2.8

[у = 2400 кг/м3, 1 = 1,74 Вт/(мК)],

Жёсткого типа (для автодороги III категории)

5 = 220 мм

Г отовые песчано-щебёночные

Сжатие,

Смеси 1 класса прочности, укреп­лённые портландцементом М-40

Климатические

Факторы,

В количестве 4 ... 6% [у = 2000

Пенентрация,

Кг/м3, 1 = 2,02 Вт/(м К)], 5 = 1800 мм

Агрессивные

Среды,

Динамические

Воздействия

Песок мелкий [у = 1850 кг/м3, 1 = 2,18 Вт/(м К)], 5 = 300 мм

Пенополистирольные плиты Техноплекс [у = 45 кг/м3,

1 = 0,032 Вт/(мК)], 5 = 40 мм

* Для пенополистирола ПСБ-С марки М15 толщина будет 120 мм, а для М35 - 100 мм.

♦ 291К ■ 308К

 

/

/

'■/

/

/

І

* 323К

 

**Х '

X.

 

/

/

/ ,

Ч *

 

*4.

 

0,55

0,65

0,75 а, МПа

4

3

2

0

Б)

Рис. 57. Зависимости времени до разрушения от напряжения при поперечном изгибе:

А - пенополистирол ПСБ-СМ35; б - ТЕХНОПЛЕКС 45

16. Значения физических констант полистирола и пенополистирола ПСБ-С М35 и ТЕХНОПЛЕКС 45 при поперечном изгибе и сжатии до 10% относительной деформации

Физические константы

ПСБ-С М35

10-2,9

526,3

200

515,3

 

ТЕХНОПЛЕКС 45

10-0,85

371,74

325

650

 

Tm, K

G, кДж/(моль-МПа), в, 1/МПа

Поперечный изгиб

Сжатие до 10% относительной деформации

ПСБ-С М35

10-2,9

409,8

345

1811

ТЕХНОПЛЕКС 45

2,9-10-10

-

90,16

16

0,15 0,20 0,25

0,30 0,35 а, МПа

А)

Тип

Пенополистирола

И, U0,

КДж/моль

Т* т„,, с

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)

 

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

♦219К

N

■ 313К А 333К

) (с)

0,29

0,39

0,49

А, МПа

ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ (РАБОТОСПОСОБНОСТИ) ПЕНОПОЛИСТИРОЛА В КОНСТРУКЦИЯХ ИНЖЕНЕРНЫХ СООРУЖЕНИЙ

0,10 0,12

подпись: 0,10 0,12

0,14 0,16

А)

подпись: 0,14 0,16
а)

0,18 а, МПа

подпись: 0,18 а, мпа

0

подпись: 0Б)

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.

Применение пенополистирола

Декоративные элементы для интерьера из пенополистирола

Декоративные молдинги из пенополистирола считаются одним из самых бюджетных решений сделать интерьер или фасад дома необычными и оригинальными. По сравнению с гипсом он гораздо легче в весе. Благодаря широкому выбору …

Как правильно утеплить фасад дома пеноплексом

Порядок работ по утеплению стены утеплителем пеноплекс.

Что такое экструдированый пенополистирол?

Современный рынок строительных и отделочных материалов отличается большим выбором изоляционных материалов от различных производителей. На сегодняшний день лидирующую позицию среди них занимает экструдированный пенополистирол, разработанный почти век назад в США. …

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.