МИНИСТЕРСТВО ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА имени академика В. Н. ОБРАЗЦОВА

Кафедра «Строительные материалы»

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ И ПЛАСТМАСС

Методические указания к изучению курса «Строительные материалы»

ЛЕНИНГРАД

1989

МИНИСТЕРСТВО путей сообщения

ЛЕНИНГРАДСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА ОКТЯБРЬСКОЙ РЕВОЛЮЦИИ ИНСТИТУТ ИНЖЕНЕРОВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОГО ТРАНСПОРТА имени академика В. Н. ОБРАЗЦОВА

Кафедра «Строительные материалы»

/

ФИЗИКО-МЕХАНИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛИМЕРОВ И ПЛАСТМАСС

Методические указания к изучению курса «Строительные материалы»

ЛЕНИНГРАД

1989

В методических указаниях дополнительно к лекционному материалу по разделу «Полимеры и пластмассы» приводятся систематизированные данные по физико-механическим свой­ствам используемых в строительстве полимерных материа­лов; современные методики испытаний материалов; указаны рациональные области применения новых материалов в строи­тельстве, их достоинства и недостатки. Приводится перечень стандартов на материалы и некоторые распространенные в строительстве изделия из полимеров и пластмасс.

Предназначены для студентов строительных специально­стей 1202, 1209, 1210, 1212, для которых в рабочих про­граммах предусмотрены самостоятельные практические и ла­бораторные занятия по оценке свойств полимеров и пласт­масс, используемых в промышленном, гражданском и транс­портном строительстве.

Разработали О. С. Попова, Т. Н. Щербакова.

В Основных направлениях экономического и социального развития СССР на период до 1990 г. намечено развивать производство полимерных материалов с заданными свойст­вами, в том числе и для применения в строительстве.

Полимеры и пластмассы обладают исключительным со­четанием физических и механических свойств — они легки и прочны, коррозионностойки. Поэтому в настоящее время каждая тонна пластмасс экономит: 5,6 т стали; 3,4 т цвет­ных металлов; 485 р. капитальных вложений; 510 р. трудо­затрат.

Особенно эффективно использовать полимеры для изго­товления труб в водохозяйственном строительстве. В этом случае каждая тонна полимерных труб экономит 1800 р. ка­питальных вложений и 7,3 т металла. Каждая тонна поли­мерных пленок экономит в строительстве 28 тыс. руб. ка­питальных вложений и 10 т металла. Следует отметить, что конструкции из полимерных материалов исключительно стой­ки в агрессивных средах.

В связи с этим цель настоящих методических указаний — это создание условий для углубленного самостоятельного изучения студентами перспективных строительных материа­лов и изделий. Ознакомление с новыми материалами, мето­диками их испытаний, стандартами (ГОСТ, СНиП и ТУ) на их свойства и применение позволит сравнить основные физико-механические характеристики полимерных и тради­ционных (сталь, дерево, бетон, стекло) строительных мате­риалов и обосновать выбор наиболее рациональных из них для конкретных конструкций.

1. Общие сведения о полимерах и пластмассах

Полимерами принято называть высокомолекулярные со­единения, молекулы которых состоят из большого числа по­вторяющихся группировок или мономерных звеньев, соеди­ненных между собой химическими связями.

По происхождению полимеры делят на природные, или биополимеры (белки, полисахариды), и синтетические, по­лучаемые полимеризацией или поликонденсацией.

3

Макромолекула может представлять собой открытую цепь (линейные полимеры), цепь с разветвлениями (раз­ветвленные полимеры) или трехмерную сетку (сет­чатые полимеры).

По химическому составу различают гомополимеры (содержат одинаковые мономерные звенья) и сополи­меры (содержат разные мономерные звенья). Если глав­ная цепь макромолекулы состоит из одинаковых атомов, то такие полимеры называют гомоцепными, если же раз­ные — то гетероцепными.

Линейные полимеры обладают специфическими свойства­ми, склонны, в частности, к образованию анизотропных вы­сокоориентированных волокон и пленок, а также к большим обратимым (высокоэластическим) деформациям. У развет­вленных полимеров эти свойства становятся менее выражен­ными. Трехмерные (сетчатые) полимеры с очень большой частотой сшивки сетки свойствами высокоэластичности во­обще не обладают.

По фазовому составу полимеры могут быть аморфными или кристаллическими. Аморфные полимеры могут сущест­вовать в двух физических состояниях: стеклообразном и вяз­котекучем.

Если полимеры переходят из высокоэластического состоя­ния в стеклообразное при температурах ниже 20° С, то их относят к эластомерам, если же при высоких температурах — к пластикам. Кристаллические полимеры обычно являют­ся пластиками. Высокая механическая прочность, эластич­ность, электроизоляционные и другие технические свойства полимеров обусловливают их широкое применение в раз­личных отраслях народного хозяйства. Полимеры служат ос­новой пластмасс, химических волокон, резин, лакокрасочных материалов, клеев, герметиков, ионообменных смол.

Пластическими массами (пластмассы, пластики) назы­вают твердые, упругие и эластичные материалы, формуемые в изделия методами, основанными на использовании их пла­стических деформаций. Пластмассы относятся к композици­онным материалам. Полимеры в них выполняют роль свя­зующего вещества. Кроме них в состав пластмасс могут вхо­дить наполнители, пластификаторы, стабилизаторы, отвердители, красители и другие компоненты. По структуре пла­стмассы разделяют на не наполненные (макроскопические однородные, например органические стекла, полиэтиленовая пленка, фторопласты) и наполненные (макроскопически не­однородные, содержащие кроме полимера модификаторы, пигменты, наполнители и другие вещества). Наполненные

4

пластмассы наиболее распространены и находят широкое применение в строительстве (это слоистые пластики, рулон­ные и погонажные изделия и др.).

Наполнители прежде всего снижают расход полимеров и стоимость пластмасс, улучшают ряд механических свойств, снижают усадочные деформации. Их классифицируют по способам получения, природе и форме частиц. Так, по спо­собу получения они делятся на природные, искусственные и отходы производства; по природе частиц — на органические, минеральные и металлические; а по форме — на порошко­образные (каолин, мел, кварцевый песок, окислы металлов и др.), волокнистые (асбест, хлопковые очесы, целлюлоза, отходы текстильной промышленности, угольное волокно, стекловолокно и др.), листовые (бумага, древесный шпон, стеклянные и хлопчатобумажные ткани).

Пластификаторы улучшают формуемость пластмасс, сни­жают их хрупкость и жесткость. Отвердители переводят по­лимеры в неплавкое и нерастворимое состояние. Красители служат для получения цветных пластмасс.

Поведение пластмасс под нагрузкой аналогично поведе­нию как твердого идеально упругого тела, для которого на­пряжение пропорционально деформации, так и поведению идеально вязкой жидкости, для которой напряжение прямо пропорционально скорости деформации и не зависит от ве­личины деформации. Поэтому пластмассы относят к вязкоуп­ругим материалам и для описания их поведения в напряжен­ном состоянии используют теорию высокоэластичности.

Вязкоупругость пластмасс проявляется в их способности медленно деформироваться с течением времени под дейст­вием постоянной нагрузки. В случае, если скорость дефор­мирования постоянна, то необходимое для поддержания этой деформации напряжение может постепенно уменьшаться. Считают, что тело релаксирует.

Большая часть конструкционных пластмасс является, как правило, анизотропными материалами, для которых харак­терно высокоэластическое состояние связующего при почти идеально упругом поведении армирующего наполнителя. По­этому механические свойства пластмасс приходится оцени­вать большим числом показателей, применяя различные ме­тоды испытаний и разнообразную аппаратуру.

Классифицируют пластмассы по различным признакам: по виду связующего; по виду наполнителя; по виду проте­кающих реакций; по жесткости; по назначению.

Полимерные строительные материалы наиболее удобно классифицировать по назначению следующим образом:

5