книги из ГПНТБ / Павлов В.А. Пенополистирол

Значения длительной прочности и деформаций при ползучести пенополистирола различных марок (напри­ мер, ПС-1 и ПС-4)32' 54 представляют теоретический и практический интерес при работе пенополистирола в силовых конструкциях. Результаты кратковременных и длительных испытаний на кручение образцов пено­ пластов ПС-1 и ПС-4 позволяют'исследовать поведение материала при сдвиге в наиболее чистом виде. Образцы представляют собой пустотелые цилиндры (наружный диаметр 75 мм, внутренний — 35 мм), что обеспечивает относительно равномерное распределение сдвигающих напряжений в радиальном направлении 32Г

Деформацию (угол закручивания) пенополистирола при кратковременных испытаниях измеряют при возра­ стании нагрузки (крутящего момента) ступенями, велиличина которых составляет 5—10% от ожидаемой раз­ рушающей. После каждой ступени нагружения произ­ водят разгрузку до 0 от каждой ступени; отсчеты делают при нагрузке и разгрузке (рис. IV.23).

Разделение полных деформаций (рис. 1V.23, а) на упругие и остаточные (рис. ІѴ.23,6) позволяет проана­ лизировать их изменение при возрастании нагрузки по циклам. Кривая остаточных деформаций (кривая 1 на рис. ІѴ.23, б), наблюдающихся уже после первых цик­ лов нагрузки — разгрузки, свидетельствует о развитии пластических деформаций с самого начала нагружения. Однако величина остаточной деформации вначале мала как по абсолютному значению, так и по отношению к полной. Затем она плавно возрастает до седьмого цик­ ла, после чего интенсивность ее роста увеличитается (отчетливо заметен перелом кривой). Упругие деформа­ ции (кривая 2 на рис. ІѴ.23, б) находятся в линейной зависимости от напряжений, действующих в каждом цикле. Аналогичные результаты32 получены и при испы­ тании пенопласта ПС-4.

Таким образом, удалось установить, что даже не­ значительная выдержка (5—10 мин) образцов под на­ пряжением а > апт (предел текучести) ведет к развитию значительных пластических деформаций. Однако ука­ занной выдержки недостаточно, чтобы судить о дефор­ мациях образцов, находящихся под напряжениями с < < о пт. Для исследования этих деформаций были прове­ дены долговременные испытания32 в помещении, в ко­

120

тором температура воздуха изменялась незначительно. Кривые деформаций ползучести пенополистирола ПС-І и ПС-4 при сдвиге представлены на рис. ІѴ.24.

Из графиков видно, что для ПС-4 (при 0,6 сгПт и 0,8 сгпт) наблюдается неожиданно резкое нарастание деформа­ ций примерно на 208-е и 164-е сутки испытаний. У всех остальных образцов основная доля деформации ползу­

о ползучести пенополистирола ПСБ при сдвиге приве­ дены на рис. ІѴ.25.

На рис. ІѴ.26 показана зависимость приведенных де­ формаций ползучести от кажущейся плотности55. При­

веденная деформация ползучести е представляет собой деформацию, приведенную к а=1 дин/см2, т. е.

Изучение влияния повторных (с периодическим «от­ дыхом») нагрузок «а развитие деформации ползучести пенополистирола показало, что режим действия нагруз-

121

ки с «отдыхом» является более невыгодным в отноше­ нии развития деформаций и значений прочности по сравнению с режимом постоянной нагрузки56. При учете только продолжительности действия нагрузки (исключая интервалы «отдыха» при периодическом ре­ жиме нагружения) различие в развитии деформаций

Рис. IV.27. Деформации ползучести при сжатии пено­ полистирола ПС-4 при напряжении 0,2 кгс/см2:

1 — периодически!} режим нагружения (время «отдыха» условно исключено); 2 — постоянная нагрузка.

ползучести пенополистирола проявляется более интен­ сивно (рис. IV.27). По мере увеличения циклов перио­ дического нагружения наблюдается увеличение доли остаточных деформаций, а также тенденция к уменьше­ нию упругих деформаций, измеренных во время очеред­ ного нагружения.

Интересно проследить изменение условного модуля сдвига Оусл, вычисленного с учетом ползучести для раз­ личного времени пребывания образца под нагрузкой. Значение модуля сдвига G0, полученного по начальным деформациям образцов, приближенно соответствует ре­ зультатам кратковременных 'испытаний. Значения б?уСЛ с учетом деформации ползучести заметно понижаются в первые сутки испытаний. Затем понижение происходит медленнее, однако общая величина его составляет зна­ чительную долю от G0.

Для группы образцов с явным затуханием скорости развития деформации этому времени соответствует сни­ жение (3Усл до 0,50—0,7 от G0. Для образцов со склон­ ностью к затуханию после 300 суток испытания дефор­ мация соответствует снижению Gyca до 0,56-—0,62 от Go, т. е. примерно до тех же значений. Деформация образ-

123

цов с постоянной скоростью ползучести соответствует снижению Gyc„ до 0,45—0,8 от G0, при этом скорость сни­ жения этого показателя составляет 1,0—1,5% за 50 суток, или примерно 7,5—11,0% в год.

Отмеченное выше скачкообразное возрастание де­ формаций образцов из ПС-4, находящихся под напря­ жением 0,6 и 0,8 Овр, можно объясниты-іе только случай­ ными факторами, но и резкой неоднородностью струк­ туры пенополистирола ПС-4, для которой характерно иногда наличие крупных ячеек, значительно превосходя­ щих по размерам все остальные. Это вызывает появле­ ние в материале стенок таких ячеек перенапряжений, приводящих к преждевременному их разрушению, что в свою очередь приводит к увеличению деформации. Де­ формации такого рода составляют .значительную часть суммарных деформаций и являются причиной значи­ тельного снижения бусл этих образцов.

Сжатие наряду со сдвигом является наиболее важ­ ным видом напряженного состояния при работе пено­ полистирола в качестве конструкционного материала. Для успешного применения пенополистирола в конст­ рукциях, работающих при длительных нагрузках, не­ достаточно знать их прочностные и деформационные характеристики, определенные при кратковременных испытаниях. Важно знать также сопротивление пено­ полистирола длительно действующим и сжимающим нагрузкам.

Испытания производили с помощью приспособления, обеспечивающего вертикальность приложения нагрузки, на рычажных установках с десяти-и пятикратным уве­ личением33. В качестве характеристик приняты кратко­ временная прочность сгвр и критическое напряжение окр. Как уже отмечалось, эти величины имеют условный характер. В связи с отсутствием хрупкого разрушения образцов под длительной нагрузкой в качестве основ­ ной характеристики кратковременной прочности пред­ почтительно принимать акр, ■а не авр, а о длительном сопротивлении пенополистирола нагрузкам следует судить по значению и характеру развития деформации во времени. Контрольные образцы испытывали35 на прессе Шоппер со шкалами 50—250 кгс. Нагрузку уве­ личивали вручную, равномерно, со скоростью 40кгс/мин, измеряя деформацию через определенные ступени на­ грузки. Результаты испытаний приведены в табл. IV. 17.

І24

ций от напряжения и продолжительности действия на­ грузки для пенополистирола ПС-1, ПС-4 и ПСБ. Так как основной характеристикой длительного сопротивле­ ния исследованных пенопластов является значение де­ формации, накопленной под постоянной нагрузкой, то, исходя из определенного значения допустимой деформа­ ции, можно рассчитать сопротивление сжатию. Для этого по данным длительных испытаний построены за­ висимости различных деформаций (например, 1%-ной, 2%-ной, 3%-ной и т. д.) от напряжения и продолжи­ тельности его действия. Построенные в указанных ко­ ординатах, они имеют характер, близкий к логарифми­ ческим кривым, т. е. в координатах о/акр— логарифм времени они будут близки к прямым (рис. IV.25).

Учитывая заметный разброс экспериментальных то­ чек для ПС-4 и ПСБ, можно в первом приближении принять, что напряжение, обеспечивающее деформацию пенополистирола под длительной нагрузкой при сжатии в определенных пределах, находится в линейной зави­ симости от логарифма времени. Принимая за начало отсчета время, равное 1 ч испытаний, уравнение пря­ мых равных деформаций можно записать в общем виде следующим образом:

Для параллельных линий (ПС-1) значение А посто­ янно при всех значениях деформаций. В группе исследо­ ванных пенополистиролов наибольшее значение А на­ блюдается у ПСБ, наименьшее — у ПС-1.

Ниже приведены результаты комплексных физико­ механических испытаний пенополистирола ПСБиПСБ-с. Для механических испытаний было отобрано по 2— 4 образца в форме плит (900X650X100 мм), изготовлен­ ных из пенополистирола с кажущейся плотностью 16— 62 кг/м3, и определены следующие показатели: пределы прочности при растяжении, сжатии и сдвиге, модули упругости при растяжении и сдвиге34.

Результаты испытаний свидетельствуют о некотором различии механических показателей ПСБ. и ПСБ-с, ко­

126

торое зависит от вида напряженного состояния и кажу­ щейся плотности пенопластов. Наиболее заметно разли­ чие механических характеристик проявляется при испы­ тании образцов пенопластов на растяжение. Предел прочности при растяжении пенопласта ПСБ-с на 32% ниже, чем у ПСБ (при р= 30 кг/м3). Различие показа­ телей модуля упругости при растяжении зависит от ка­

=40 кг/м3 — 15,6%. Пределы прочности при сжатии пе­ нопластов ПСБ и ПСБ-с кажущейся плотности 200 кг/м3 практически одинаковы (0,9—1,2 кгс/см2). Однако с по­ вышением р пенопласт ПСБ-с все более уступает по зна • чению предела прочности при сжатии пенопласту ПСБ: при р= 30 кг/м3 это различие составляет 9—23%, а при р= 50 кг/м3 — 10—29%. Предел прочности при сдвиге у пенопласта ПСБ-с на 9,5% выше, чем у пенопласта ПСБ (р=20 кг/м3). Однако при более высокой кажущейся плотности пенопласт ПСБ-с по сравнению с ПСБ имеет пониженный предел прочности при сдвиге. Различие между этими показателями при р= 30 кг/м3 составляет 25,4%, а при р=40 кг/м3 — 41,4%. Самозатухающий пе­ нопласт ПСБ-с (р = 20 кг/м3) имеет почти вдвое боль­ ший модуль сдвига, чем пенопласт ПСБ, но с повыше­ нием кажущейся плотности ПСБ-с по деформационным

прочностью и жесткостью ячеек, поскольку при сжатии разрушение структуры пенопласта происходит в резуль­

ляться прочностью и жесткостью полимерной - основы, однородностью гранул по размерам. Полистирол, на ос­ нове которого получают пенополистирол ПСБ, имеет более низкий молекулярный вес, чем полистирол, ис­ пользуемый для получения ПСБ-с, что и обусловливает пониженную прочность этого материала. Кроме того, гранулы пенополистирола ПСБ характеризуются неод­ нородностью размеров.

127

При растяжении или сдвиге сопротивляемость раз­ рушению материала зависит не только от механических свойств гранул, но также от прочности сцепления их менаду собой. Анализ разрушившихся образцов, испы­ танных на растяжение и сдвиг, показал, что характер разрушения сравниваемых пенопластов различен. Образ­ цы пенопласта ПСБ разрушались главным образом по гранулам, так как у этого материала прочность спека­ ния гранул обычно превосходит прочность самих гранул. У пенопласта ПСБ-с возможно разрушение по меж­ гранульным поверхностям, что в ряде случаев свидетель­ ствует о низкой прочности спекания гранул. Понижен­ ная прочность спекания гранул наиболее заметно про­ является у образцов с высокой кажущейся плотностью, когда прочность самих гранул возрастает.

Проведенный корреляционный анализ результатов испытаний показал, что механические характеристики пенополистирола ПСБ возрастают с увеличением кажу-

г

128

щейся плотности (рис. IV.29 и ІѴ.ЗО). Подобная тен­ денция изменения предела прочности при сжатии и де­ формационных показателей наблюдается и у пеноплас­ та ПСБ-с. Однако его предел прочности при сдвиге до­ вольно слабо зависит от кажущейся плотности (рис. IV.26). Можно полагать, что пониженные прочность и упругость ПСБ-с являются следствием несовершенства технологии формования пенопласта с повышенной кажу­ щейся плотностью.

При определении коэффициента Пуассона ц для пе­ нополистирола при растяжении и сжатии установлено 35. что он при растяжении больше, чем при сжатии. При сжатии коэффициент Пуассона нелинейно зависит от деформации; в области упругих деформаций р, больше, чем в области неупругих деформаций, где его значение приближается к нулю. Для пенополистирола с кажущей­ ся плотностью 0,05—0,1 г/см3 значение р при растяже­ нии равно 0,33 и при сжатии 0,25 в области упругих деформаций. При больших деформациях (в неупругой области) коэффициент Пуассона для пенополистирола составляет 36 0,03—0,07.

Значительный интерес представляет определение ме­ ханических характеристик ПСБ в условиях одноосного и трехосного сжатия37. Исследования механических свойств пенополистирола ПСБ при одноосном и трехос­ ном сжатии с использованием стабилометра М-2 в соче­ тании со специальным прессом бокового давления мож­ но проводить на цилиндрических образцах с соотноше­ нием h: d = l (h= d = 55 мм). При проведении испытаний на одноосное сжатие нагрузку увеличивают ступенчато с интервалом в 2 мин. Ступенчатое нагружение с неко­ торым приближением можно представить в виде нагру­ жения с постоянной скоростью. На линейном, участке кривой о—е (рис. IV.31) этой скорости нагружения со­ ответствует скорость деформации 0,03—0,07%/мин. На диаграмме сжатия сг—е можно отметить три характер­ ных участка:

участок 06 соответствует обжатию образца по тор­ цам и выбору зазоров в приборе. Этот участок в значи­ тельной степени зависит от параллельности и чистоты об­ работки торцов образца. Для тщательно изготовленных образцов и при незначительном обжатии (ц = 0,5 дин/см2) этот участок отсутствует;