11 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Размеры и предел долговечности материала

Пенополистирол: размеры листа, свойства материала

Пенополистирол представляет собой материал для изоляции, состоящий из воздуха более чем на 90 процентов, который заключен в неисчислимое количество маленьких элементов с тончайшими стенками.

Схема производства пенополистирола.

В процессе производства мелкие шарики этого материала наполняются пентаном, который дает вспенивающий эффект после подогрева. Пентан при повышении температуры переходит в летучее состояние и расширяется. Вместе с ним расширяются и шарики, увеличивая свой объем как минимум в 50 раз до диаметра 2-8 мм, и склеиваясь друг с другом. Так получается легкий, упругий пенополистирол, размеры листа которого могут быть весьма разнообразными.

Размеры и предел долговечности материала

Пенополистирол (пенопласт) представляет собой дешевый, экологически чистый, звуко- и теплоизоляционный материал, который используют в строительстве уже более полувека. Известно, что в немецком городе Людвигшафене корпорацией БАСФ были произведены исследования пенополистирола, который уложили в качестве изоляции 50 лет назад.

Таблица технических характеристик пенополистирола.

Оказалось, что теплоизоляционные свойства кровли за этот период сохранились полностью. Материал обладает низкой паропроницаемостью и теплопроводностью, поэтому в европейских странах более половины производимого пенопласта используется для теплоизоляции.

Размеры листа пенополистирола определяются в соответствии с нормами ГОСТ (номер 15588-86). Здесь указывается, что такие материалы выпускаются для обустройства теплоизоляционного среднего слоя в помещениях без контакта плит с самым помещением.

При этом температура прилегающих поверхностей не может быть выше 80 °С, так как плиты хорошо горят (самовоспламенение в температурном диапазоне 460-490 °С), если в их состав не входит антипирен (вещество, придающее пожароустойчивость материалу и способствующее самозатуханию огня).

Отличить пожароопасный и пожаробезопасный материал можно по маркировке : ПСБ — без антипиреновых добавок, ПСБ-С — с антипиреновыми элементами. В соответствии с ГОСТ плиты ПСБ-С высшей категории качества самостоятельно горят в течение 4 сек, а лист первой категории — 12 сек.

Номинальные размеры листов по длине могут составлять от 0,9 до 5,0 м (интервал 0,5 см), при этом допускается отклонение для плит до 1 м включительно в размере 5 мм в ту или иную сторону, для плит до 2 м по длине — не более 7,5 мм, для плит более 2 м — не более 1 см в плюс или минус. Допускается производство изделий произвольного размера по согласованию производителя и потребителя.

Ширина пенополистирола также колеблется в производственных пределах от 50 см до 1,3 м с шагом в полсантиметра. Это означает, что стандартный способ производства не допускает выпуска плиты, например, толщиной в 10,2 см, только в 10,5 см. Если лист меньше метра, то отклонения возможны не более 5 мм, для большей ширины допускаются отклонения в 7,5 мм.

Вернуться к оглавлению

Толщина и плотность пенопласта

При обустройстве теплоизоляции важен такой параметр, как толщина материала. Ведь чем толще плита, тем лучше защита от холода, но тем меньше остается пространства внутри помещения. Стандартные листы выпускаются размерами от двух сантиметров до полуметра с шагом в 1 см. Отклонения принимаются в размере 2 мм для плит с толщиной до 5 см, и 3 мм — для большей толщины.

Чтобы разобраться в многообразии материалов, предлагаемых в магазине, нужно просто знать, как расшифровывается их маркировка, где помимо указания на вид пенопласта (ПСБ или ПСБ-С), приводятся, к примеру, следующие цифры: ПСБ — 15 — 900*500*50 и указание на ГОСТ, где первое число — это плотность, остальные — длина, ширина, толщина листа соответственно в мм.

При покупке пенополистирола нужно особое внимание уделить его плотности. Если она маркируется цифрой 15, то это слабый пенопласт, не предназначенный для нагружаемых конструкций.

Схема панели из пенополистирола.

Его можно использовать для утепления контейнеров или бытовок, после чего они превращаются во вполне жилые помещения даже для пребывания там зимой, так как слой пенопласта обладает такой же теплозащитой, как железобетонная стена толщиной в 0,4 м или кирпичная — в 0,2 м. Блоки пенопласта, в отличие от минеральной ваты, легко укладываются, поэтому он более чем популярен в строительных работах.

Марка пенополистирола с плотностью 25 позволяет применять его повсеместно для утепления как крыш, так и стен, фасадов, полов. Лист высшей категории такой плотности за 24 часа пролива поглотит не более 2 процентов по объему, что позволяет надежно защитить конструкции от плесени или грибков, которые хорошо размножаются во влажной среде.

Пенопласт с плотностью 35 (М35) представляет собой твердый пенополистирол, который подойдет для утепления фундаментов и покрытий под стяжку. Его применяют для обустройства трубопроводов, автостоянок, укрепления откосов в подземных коммуникациях, при выпуске многослойных панелей. Предел его прочности составляет не менее 0,25 МПа (при изгибе), и 0,16 МПа при десятипроцентной деформации линейного типа на сжатие.

Самым плотным является лист пенопласта с маркировкой 50, который часто используют для изоляции этажей в крупноразмерных холодильниках, при возведении стоянок автомобилей, и даже при строительстве дорог в условиях подвижек грунтов.

Вернуться к оглавлению

Инструменты для нарезки пенопласта

Некоторые приемы работы терморезаком.

В зависимости от плотности пенопласта для его нарезки на требуемые размеры могут понадобиться следующие инструменты:

  1. Для сортов с небольшой плотностью — нож для нарезания бумаги, линейка, карандаш.
  2. Для марок с большой плотностью или толстых листов — прогретый нож, ножовка по металлу или пила по дереву с небольшими зубцами. Болгарка с тонким диском или электролобзик не лучшие инструменты, так как края получаются неровными.
  3. Для любых сортов — паяльник с тонким жалом, проволока из нихрома, прогретая от трансформатора на 12В — самый лучший способ, позволяющий вырезать даже фигурные формы.

Вернуться к оглавлению

Безопасность материала

Часто возникают вопросы относительно безвредности пенополистирола для здоровья. Специалисты отмечают, что при первоначальном и вторичном вспенивании в исходном сырье происходит замещение пентана почти на сто процентов. Остатки пентана окончательно исчезают при вылеживании листов, поэтому его содержание в окончательном продукте не может никому навредить.

Преимуществами пенополистирола являются: долговечность, морозостойкость, прочность и так далее.

Еще одним вопросом является присутствие в строительном материале остаточных мономеров (стирола), который полностью не может быть полимеризирован. Это вещество относится к третьему классу опасности, может повлиять на работу сердца, печени, а также на слизистые организма.

Считается, что в качественно выполненных плитах процентное содержание мономеров не превышает пятитысячных процента, в то время как максимально допустимые концентрации этого вещества составляют в воздухе рабочей зоны — 30 мг/куб.м, максимально-разовые — 0,04 мг/куб.м.

Именно поэтому нужно выбирать проверенных крупных производителей, качественный материал считается безопасным. Безопасен он и в плане процессов деполимеризации, то есть при допустимой температуре использования (от — 40 до + 80 °С), выделения стирола невозможны. Пенопласт подвергается деполимеризации, когда температуры достигают плюс 320 °С и выше.

Вернуться к оглавлению

Положительные свойства материала

Благодаря своим теплоизоляционным свойствам пенополистирол можно использовать в качестве наружной теплоизоляции крыши, фундамента и стен.

Дополнительным фактором повышения безопасности пенопласта является правильно составленная конструкция сооружения. Это связано с тем, что, например, в стене из слоя кирпича, пенопласта и штукатурки парциальное давление для газов будет направлено из высокой области в низкую, из теплой — в холодную.

Это означает, что вероятные вредные выделения пойдут не в помещение, а на улицу. Тем более что 1,5-2 см штукатурки способны полностью заблокировать выделения от пенополистирола внутрь здания и удерживать воспламеняющиеся сорта от возгорания часто до прибытия пожарных.

Лист материала того или иного размера не боится действия пара, температуры, воды, к нему равнодушно относятся грызуны, однако вспененный пенополистирол нельзя напрямую обрабатывать ацетоном, уайт-спиритом, бензином, так как он плавится, утрачивая почти весь свой объем.

По сравнению с другими изолирующими материалами пенопласт не требует специальных средств защиты для монтажа (как при работе с базальтом и минеральной ватой), он дешев, имеет прочность на сжатие выше, чем некоторые сорта базальта, лучше минеральной ваты в части водопоглощения, сопоставим с ней по теплопроводности.

При приобретении листов пенопласта специалисты рекомендуют обращать внимание на одинаковый размер шариков-ячеек, так как их разные размеры указывают на то, что производитель не провел процедуру рассева, что сказывается на качестве материала.

Кроме того, листы не должны иметь желтый цвет (долго лежали на солнце, что является разрушающим фактором), между ними не должно быть влаги (материал плохо просушен и будет давать плохую теплоизоляцию).

КРИТЕРИИ ДОЛГОВЕЧНОСТИ

Долговечность — это способность материала в течение заданного времени сохранять работоспособность. Критерий долговечности зависит от условий эксплуатации.

Читать еще:  Фальцевая кровля технология монтажа своими руками

При циклическом нагружении долговечность определяется числом циклов до разрушения УУРазр и зависит от принятого предела ограниченной выносливости. Ее можно определить по выражению

где п’уст коэффициент концентрации напряжений в зоне усталостной трещины;

^пред _ характеризует величину остаточной макродеформации, накопленной в теле к моменту его разрушения при механических (растяжение, кручение, и т.д.), технологических или промышленных испытаниях заготовки;

Д?’сг_1 — величина неупругой деформации за один цикл нагружения напряжением, равным пределу выносливости;

оа — амплитудное напряжение;

о_! — предел выносливости гладкого образца;

от — предел текучести гладкого образца.

Выражение (2.2) выведено с учетом закономерностей линейного суммирования повреждений; действия эффективных концентраторов напряжений, к которым можно отнести дислокационные сплетения при условии, что источник Франка-Рида действует от достаточно высокого напряжения. Для пластичных материалов такая возможность возникает, когда в зоне действия концентратора напряжений от ближайшего скопления дислокаций оказывается он сам. Резкое повышение напряжений в зоне концентратора приводит к тому, что при разгрузке образца дислокации не возвращаются в исходное положение и пластическая деформация сосредотачивается в отдельных небольших объемах, которые деформируются при этом до исчерпания ресурса пластичности, и с них начинается процесс разрушения.

Величину микрообъема можно оценить по выражению

где Е — модуль нормальной упругости.

Тогда длину пластической зоны, в которой накапливается предельная деформация, можно оценить по выражению

При этом критическая плотность дислокаций

где в — вектор Бюргерса;

Ь — размер полосы скольжения.

Относительное изменение плотности в разрушаемом элементе:

где р — плотность материала в исходном состоянии;

100% — относительное изменение плотности в%; Р

АЕ — относительное изменение модуля нормальной упругости до и после разрушения;

Кр ст — разрушаемый объем при статическом нагружении.

Для большинства деталей машин (более 80%) долговечность определяется сопротивлением материала усталостным разрушениям (циклической долговечностью) или сопротивлением изнашиванию (износостойкостью).

Циклическая долговечность характеризует работоспособность материала в условиях многократно повторяющихся циклов напряжений. Цикл напряжения — совокупность изменения напряжения между двумя его предельными значениями отахи от1п в течение периода Т.

Процессы постепенного накопления повреждений в материале под действием циклических нагрузок, приводящие к изменению его свойств, образованию трещин, их развитию и разрушению, называют усталостью, а свойство противостоять усталости — выносливостью (ГОСТ 23207—78).

Разрушение от усталости по сравнению с разрушением от статической нагрузки имеет ряд особенностей.

  • 1. Оно происходит при напряжениях, меньших, чем при статической нагрузке, и меньшем пределе текучести или временном сопротивлении.
  • 2. Разрушение начинается на поверхности, в местах концентрации напряжений (деформации). Локальную концентрацию напряжений создают повреждения поверхности в результате циклического нагружения либо надрезы в виде следов обработки, воздействия среды.
  • 3. Разрушение протекает в несколько стадий, характеризующих процессы накопления повреждений в материале, образования трещин усталости.
  • 4. Разрушение имеет характерное строение излома, отражающее последовательность процессов усталости. Излом состоит из очага разрушения (места образования микротрещин) и двух зон — усталости и долома (рис. 2.2).

Долговечность материала в условиях трения определяется износостойкостью — сопротивлением изнашиванию. Износ оценивается по изменению веса или размеров детали, а долговечность — скоростью изнашивания и допустимой величиной износа.

Изнашивание — процесс постепенного изменения размеров тела при трении, проявляющийся в отделении с поверхности трения материала и (или) в его остаточной деформации:

  • • износ — результат изнашивания, проявляющийся в виде отделения или остаточной деформации материала;
  • • линейный износ — износ, определяемый по уменьшению размера образца (тела) по нормали к поверхности трения;
  • • скорость изнашивания — отношение величины износа к времени, в течение которого он возник;
  • • интенсивность изнашивания — отношение величины износа к обусловленному пути, на котором происходило изнашивание, или объему выполненной работы.

  • 1. Абразивное изнашивание в результате режущего или механического действия твердых тел или частиц. Механизм этого вида изнашивания заключается в удалении материала с изнашиваемой поверхности либо в виде очень мелкой стружки, либо целых участков материала, находящихся в «предразрушенном» (сильно наклепанном) состоянии.
  • 2. Изнашивание вследствие пластического деформирования. Такому изнашиванию подвержены пластичные сплавы, работающие при значительных нагрузках и повышенных температурах.
  • 1 2

Рис. 22. Излом усталостного разрушения:

  • 1 — очаг зарождения трещины; 2 — зона усталости;
  • 3 — зона долома (схема)

Происходит постепенное перемещение поверхностных слоев в направлении скольжения, приводящее к изменению размеров изделия. В данном случае износ не сопровождается потерей массы.

  • 3. Изнашивание при хрупком разрушении. Это изнашивание происходит, когда поверхностный слой одного из трущихся металлов претерпевает большую пластическую деформацию, интенсивно наклепывается, становится хрупким и затем разрушается, обнажая лежащий под ним менее хрупкий материал, после чего явление повторяется, т.е. носит циклический характер.
  • 4. Усталостное разрушение, или контактная усталость, представляет собой процесс накопления и развития разрушения поверхностных слоев материала под действием переменных контактных нагрузок, вызывающих образование ямок выкрашивания (питтинга) или трещин. Этот вид разрушения, связанный с локальным разрушением поверхности, проявляется только через некоторое время работы деталей, особенно при трении качения или качения с проскальзыванием, когда контакт деталей является сосредоточенным (шарико-и роликоподшипники, зубья шестерен И Т.Д.).
  • 5. Адгезивное изнашивание. Это изнашивание связано с различными видами «схватывания» металла при трении: перенос (диффузионный) металла с одной поверхности на другую; вырывания частиц одной поверхности и налипание или наволакивание их на другую, что обычно ведет к появлению на поверхности рисок и задиров; заедание сопряженных деталей, сопровождаемое резким повреждением поверхностей и повышением сопротивления трения.
  • 6. Тепловое изнашивание — это когда чистые (от пленок или адсорбированного вещества) поверхностные слои трущихся металлов разогреваются до высоких температур, что наблюдается при трении скольжения с большими скоростями и значительными удельными давлениями и происходит тепловое изнашивание. При нагреве и охлаждении с большими скоростями структурные изменения в стали распространяются на глубину от 5 до 80 мкм.

В интервале температур, мало снижающих прочность трущихся поверхностей металлов (для стали — до 600 °С), тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и разрушением мест схватывания с малыми пластическими деформациями; поверхность трения на этой стадии износа покрыта надрывами, чередующимися через правильные промежутки. В интервале температур (для стали выше 600 °С) тепловой износ характеризуется контактным схватыванием и пластическим разрушением точек схватывания с налипанием и размазываем металла на трущихся поверхностях. В интервале температур плавления разрушение контактирующих поверхностей в процессе износа происходит путем уноса пленок расплавленного металла.

  • 7. Окислительное изнашивание. Такое изнашивание возможно, когда кислород воздуха или кислород, находящийся в смазке, вступая во взаимодействие с трущейся поверхностью металла, образуют на ней окисную пленку. Изнашивание в этом случае определяется механическим удалением окисных пленок при трении, их уносом вместе со смазкой и новым образованием свежих пленок.
  • 8. Изнашивание в условиях агрессивного действия жидкой среды. Такой средой может быть неудачно выбранная смазка, либо какая-то активная жидкость, присутствие которой обусловлено конкретными

условиями эксплуатации. Частным видом данного вида изнашивания является фреттинг-коррозия, т.е. изнашивание мест сопряжения деталей, находящихся под нагрузкой, при продольных вибрациях). Фреттинг-коррозия возникает под действием промышленной атмосферы или просто влаги.

9. Особые виды изнашивания. Кавитационное изнашивание деталей появляется в потоке жидкости, движущейся с переменной скоростью в закрытом канале, например, в потоке воды, несущей песок.

Эрозионное изнашивание состоит в отделении частиц поверхности тела в результате соприкосновения с ним движущейся жидкой или газовой среды или увлекаемых ею твердых частиц, либо в результате ударов потока твердых частиц.

Износостойкость — свойство материала оказывать в определенных условиях трения сопротивление изнашиванию.

Износостойкость материала оценивают величиной, обратной скорости V или интенсивности Jh изнашивания.

Скорость и интенсивность изнашивания представляют собой отношение износа соответственно к времени или пути трения. Чем меньше значение скорости изнашивания при заданном износе АИ, тем выше ресурс работы / узла трения

Читать еще:  Технология кладки шамотного кирпича

Работоспособность материала детали в условиях эксплуатации характеризуют следующие критерии конструкционной прочности:

  • 1) критерии прочности ав, а0 2, а_1? которые при заданном запасе прочности определяют допустимые рабочие напряжения, массу и размеры деталей;
  • 2) модуль упругости Е, который при заданной геометрии детали определяет величину упругих деформаций, т.е. ее жесткость;
  • 3) пластичность 5, ф, ударная вязкость КСТ, КСУ, КС1), вязкость разрушения К, температурный порог хладноломкости /50, которые оценивают надежность материала в эксплуатации;
  • 4) циклическая долговечность, скорости изнашивания, ползучести, коррозии, определяющие долговечность материала.

При проектировании металлических конструкций также должны учитываться следующие основные требования.

Условия эксплуатации. Удовлетворение заданным при проектировании условиям эксплуатации является основным требованием для проектировщика. Оно в основном определяет систему, конструктивную форму сооружения и выбор материала для него.

Экономия металла. Требование экономии металла определяется большой его потребностью во всех отраслях промышленности (машиностроение, транспорт и т.д.) и относительно высокой стоимостью. В строительных конструкциях металл следует применять лишь в тех случаях, когда замена его другими видами материалов (в первую очередь, железобетоном) нерациональна.

Транспортабельность. Металлические конструкции изготавливаются на заводах и впоследствии перевозятся на место строительства, поэтому в проекте должна быть предусмотрена возможность перевозки их целиком или по частям (отправочными элементами) с применением соответствующих транспортных средств.

Технологичность. Конструкции должны проектироваться с учетом требований технологии изготовления и монтажа с ориентацией на наиболее современные и производительные технологические приемы, обеспечивающие максимальное снижение трудоемкости.

Скоростной монтаж. Конструкция должна соответствовать возможностям сборки ее в наименьшие сроки с учетом имеющегося монтажного оборудования. Ведущим принципом скоростного монтажа является сборка конструкций в крупные блоки на земле с последующим подъемом их в проектное положение с минимальным количеством монтажных работ наверху.

Долговечность конструкции определяется сроками ее физического и морального износа. Физический износ металлических конструкций связан главным образом с процессами коррозии. Моральный износ связан с изменением условий эксплуатации.

Эстетичность. Конструкции, независимо от их назначения, должны обладать гармоничными формами. Особенно существенно это требование для общественных зданий и сооружений.

Факторы, влияющие на показатель прочности

Полученные показатели пределов прочности материалов (особенно предела прочности при сжатии) носят условный характер, так как при испытании на конечный результат существенное влияние оказывают различные факторы:

— размер и форма образца;

— время и скорость приложения нагрузки;

— тепловлажностные условия проведения испытаний;

— методы испытаний и особенности конструкций испытательных машин.

Влияние размера и формы образца на показатели предела прочности при сжатии обусловлено двумя факторами: образованием при сжатии поперечных растягивающих усилий и наличием в большем объеме образца большего количества дефектов структуры, влияющих на прочностные свойства материала.

При одноосном сжатии, благодаря наличию у образца свободных вертикальных поверхностей, образуются поперечные растягивающие усилия. Между опорными гранями образца и плитами пресса эти усилия уравновешиваются силами трения. По мере удаления от поверхности образца действие сил трения уменьшается и растягивающие усилия растут, достигая своего максимума к середине образца (по высоте). Чем больше расстояние между опорными плитами образца при сжатии, т.е. hк hпр (рис. 5.28), тем меньше силы трения в середине образца и выше результирующие растягивающие усилия. Поэтому предел прочности при сжатии у образцов кубической формы выше, чем у призм.

Случайное распределение структурных неоднородностей по объему и поверхности образца приводит к различным значениям прочности в разных локальных участках структуры. Прёдел прочности всего образца определяется прочностью самого слабого участка.

Рис. 5.10. Схемы сжатия образцов:

а — поперечное расширение при сжатии эластичных тел;

б — изменение сил трения при сжатии хрупких тел кубической и призматической формы

Вероятность встретить в образце слабое место тем больше, чем больше его объем. Поэтому разрушающее напряжение малых образцов выше, чем больших из того же материала. Особенно это заметно при сравнении пределов прочности при растяжении изделий, резко различающихся по сечению, таких, как стержень, проволока, волокно. Чем меньше сечение изделия, тем меньше его удельный объем и поверхность, а следовательно, меньше вероятность наличия в нем дефектов (табл. 5.1).

Ввиду этих особенностей в строительстве все чаще используются тросы и канаты, сплетенные из тонкой проволоки, а в текстильной промышленности — нити, сплетенные из тончайших волокон.

Следует заметить, что значительное количество дефектов в виде микротрещин, выступов, шероховатостей и т. д. образуется на поверхности изделия, так как при формировании структуры поверхность слоя испытывает большие напряжения, чем внутренние слои материала. Полировка поверхности нивелирует эти дефекты, а защитные покрытия препятствуют их развитию, увеличивая прочность изделия.

Таблица 5.1 Предел прочности при растяжении материалов различной формы

МатериалПредел прочности при растяжении, МПа
Стандартная формаВолокнистое изделие
Графит24000 (нитевидный кристалл)
Сталь500-30004000-5000 (проволока)
Стекло12-203000-3600
Асбест3200-5400

Скорость приложения нагрузки также оказывает влияние на конечный результат при испытании. Значение разрушающего напряжения оказывается, как правило, выше, если образец разрушен в короткий промежуток времени. Напротив, значение разрушающего напряжения такого же образца, разрушенного медленно, оказывается более низким.

Поскольку для хрупких материалов разрушение рассматривается как процесс зарождения и роста трещин, время от момента приложения нагрузки до момента разрушения характеризует жизнеспособность материала, которую в материаловедении принято называть долговечностью.

Исследования многих кристаллических и аморфных материалов показали, что в широком интервале температур и напряжений долговечность «τ» при растяжении определяется соотношением (Журков):

где τo— период тепловых колебаний атомов в твердом теле, с;

Uo — энергия, близкая к энергии сублимации материала, Дж;

σ— напряжение, МПа;

Т — абсолютная температура, К;

k — постоянная Больцмана, Дж/К.

Установлено, что предельные значения напряжений σо, действующие на образцы из хрупкого материала, почти неизменны при любых практически значимых величинах долговечности τ. Если предельные значения напряжений σо (пределы прочности материалов) превышены, то образец мгновенно разрушается; если эти значения ниже, то срок долговечности материала не ограничен.

Влияние тепловлажностных воздействий. Для большинства хрупких и пластичных материалов повышение температуры при испытании снижает прочностные показатели образцов, особенно при растяжении и изгибе. Это связано с явлением температурного расширения и увеличением межатомного расстояния. Однако следует заметить, что при незначительных отклонениях от нормальной температуры (18.. .20°С) изменения прочности несущественны.

При более высоких температурах (400. 800°С) различные материалы ведут себя по-разному. Например, керамические изделия мо гут увеличивать свою прочность благодаря закрытию (залечиванию) трещин, а безобжиговые изделия, в основном гидратационные материалы, резко снижают свои прочностные показатели.

При температурах выше 1000. 1300 предел прочности керамических материалов при изгибе зависит от содержания и свойств кристаллической фазы, а при сжатии — от содержания и свойств стекловидной фазы. Гидратационные материалы при таких температурах разрушаются.

Для большинства полимерных материалов повышение температуры снижает прочность образцов. Однако для полимеров, реализующих способность макромолекул к деформации (эластики), наблюдается температурный интервал аномалии температурной зависимости. В этом интервале с увеличением температуры возрастает ориентация макромолекул перед разрывом образца. Причем чем больше ориентация, тем выше прочность образца. Это явление перекрывает общую тенденцию понижения прочности при повышении температуры испытания.

Влажность среды и материала оказывает в большинстве случаев негативное воздействие на его прочностные показатели. Снижение прочности материалов вызывается рядом причин:

— действием адсорбционно-активной среды (эффект Ребиндера);

— растворением метастабильных контактов срастания кристаллов, состав-ляющих структуру материала;

— набуханием присутствующих в некоторых материалах глинистых минералов и др.

Паровая среда, т.е. совместное действие температуры и насыщенного водяного пара, оказывает еще большее влияние на прочностные показатели материалов. Результаты испытаний представлены в табл. 5.2.

Следует заметить, что не представляется возможным с достаточной степенью точности определить обособленное влияние каждого из многочисленных факторов на процесс разрушения материала.

Таблица 5.2. Предел прочности при сжатии (МПа) некоторых материалов в зависимости от тепловлажностных воздействий

МатериалСухая среда, 240 о СНасыщенный водяной пар
240 о С25 о С
Натрий-кальций-силикатное стекло
Кварцевое стекло
Кварц
Гранит
Читать еще:  Какой кирпич лучше для сливной ямы

Общие положения относительно прочности и разрушения материала

Учитывая вышеизложенное, можно сформулировать следующие общие положения по вопросам прочности и разрушения строительных материалов.

1. Всякое тело в процессе эксплуатации практически всегда находится под действием механических сил. Если эти силы велики, то тело неизбежно разрушится. Разрушение произойдет тем позднее, чем меньше деформирующие усилия.

2. Практическое воздействие механических сил нередко оказывается столь незначительным, что еще до механического разрушения материал может разрушиться вследствие химических процессов (коррозия, дегидратация, деполимеризация).

3. При разрушении материала разрываются связи, обеспечивающие его целостность. При этом энергии затрачивается больше, чем затрачено на образование связей. Энергия разрушения складывается из энергии теплового движения, преодолевающего притяжение элементов структуры, и работы (энергии) деформации.

4. В процессе разрушения происходит флуктуация тепловой энергии тел, так как постоянно разрушаются одни связи и восстанавливаются другие. Механическое воздействие внешней силы в зависимости от типа твердого тела обусловливает в той или иной степени восстановление или перегруппировку этих связей в новом месте в соответствии с направлением действия силы. Даже при ярко выраженном хрупком разрушении на поверхности заметны следы перенапряжений в виде измененной структуры материала.

5. Наряду с поглощением энергии при механическом нагружении происходит распределение энергии по связям, обеспечивающим сплошность структуры образца. Однако неравномерность распределения объясняется релаксационными свойствами материала или его фаз, т.е. степенью его структурной однородности.

6. При разрушении рассматриваются мгновенный или критический характер разрушения (теория Гриффитса) и постепенное разрушение, отвечающее статистической теории хрупкой прочности (Журков С.Н. и Александров А.П.). Сущность статистической теории состоит в том, что разрыв происходит не одновременно по всей поверхности разрушения, а постепенно, начиная с самого опасного очага, на котором перенапряжение достигает значения, сравнимого с величиной теоретической прочности. Затем разрушение идет в новых дефектных местах.

7. Поверхностные дефекты составляют значительную долю дефектов структуры и фактически определяют величину реальной прочности материала.

8. По мере растяжения образца из пластичного и эластичного материала (металлы и, полимеры) в результате его утончения напряжение сначала возрастает. Однако вследствие перегруппировки частиц, стремящихся занять менее напряженное положение, скорость роста напряжения замедляется. далее наступает момент, когда частицы не справляются с возрастающим напряжением, и происходит разрыв.

Следовательно, можно заключить, что разрушение твердых тел связано в основном с диссипативными явлениями, обусловленными необратимостью процесса разрыва перенапряженных межатомных связей тепловыми флуктуациями. При этом механизм рассеяния энергии для низкомолекулярных соединений связан с созданием новых поверхностей, а для высокомолекулярных соединений — обусловлен еще и цепным строением молекул.

Твердость

Твердость — свойство материала, которое характеризует сопротивление упругой и пластической деформации при вдавливании в него стандартного тела в условиях неравномерного сжатия. Эта величина, отражая энергию связи и особенности структуры, зависит от некоторых физико-механических, а также таких свойств, как прочность и пластичность.

Долговечность материалов и изделий в конструкциях

Долговечность— комплексное свойство, количественно вы­ражаемое продолжительностью эффективного сопротивления материала всему комплексу воздействий в эксплуатационный период работы до соответствующего критического уровня.

Независимо от способа оценки — по изменению свойств или отклонению структурных параметров от оптимальных — полный период долговечности начинается от укладки материала в кон­струкцию до предельно допустимого (критического) уровня, со­ответствующего изменению свойств или структуры.

Весь период долговечности можно разделить на три времен­ных этапа Первый этап эксплуатации характеризуется упрочнением структуры или улучшением показателей свойств; второй — их относительной стабильностью; третий — деструкцией, т. е. медленным или быстрым нарушением структуры вплоть до ее критического состояния или даже до полного разрушения. У отдельных материалов тот или иной этап в периоде эксплуа­тации (долговечности) может отсутствовать.

Первый этап имеет место в материалах с участием вяжущих веществ, и прежде всего цемента. Сущность упрочнения струк­туры на первом этапе долговечности заключается в том, что под влиянием внешней среды, нагрузок и других факторов в экс­плуатационный период в материале, особенно в вяжущей части, а также в контактных зонах, возникают новые и со временем ук­рупняются вторичные структурные центры. Совместно с возникшими на ранней стадии структурообразования они участву­ют в дополнительном процессе уплотнения структуры с увели­чением содержания цементирующего вещества. Например, цементный минерал белит продолжает «отдавать» свою вяжу­щую потенцию в течение двух и более лет, обгоняя даже алит 1 . Кроме того, и сам алит продолжает вносить вклад в повышение прочности со временем. В результате наблюдаются не только упрочнение структуры и рост прочности материала по отноше­нию к механическим нагрузкам, но и улучшение некоторых других его свойств. В то же время для обжиговых материалов, на­пример керамического кирпича, первый этап долговечности бу­дет отсутствовать, так как процессы упрочнения структуры полностью прекращены.

Рис. Схема чередования временных периодов долговечности материала в эксплуатационный период: 1 — критический уровень характеристик структуры и свойств; 2 — начальный (предэксплуатационный) уровень характеристик струк­туры и свойств; 3 — увеличение продолжительности эксплуатации за счет тор­можения деструкции

Второй этапстабилизация структурыхарактеризуется сравнительно неизменной концентрацией структурных элемен­тов в единице объема материала и относительным постоянством показателей свойств. Уровень этих показателей может колебать­ся за счет совместных процессов упрочнения и деструкции.

Третий этап долговечности — деструкция — самый типичный процесс эксплуатационного периода. Он может начаться с пер­вого же этапа эксплуатации конструкции, но может следовать также за упрочнением и стабилизацией структуры.

Приведенные этапы долговечности материала являются до­вольно условными. Обусловлено это точностью методов иссле­дования и аппаратуры для слежения за изменением структурных характеристик и свойств материала в период эксплуатации в конструкции. Поэтому у некоторых материалов первый или вто­рой этап может отсутствовать.

Во время всех технологических переделов и в эксплуатаци­онный период в контактных зонах структурных компонентов конгломерата идут процессы микроразрушений. Как показано в главе 2 (Юхневский, Широкий, «Строительные материалы и изделия»), существует общая тенденция постепенного перехода первоначально энергетически устойчивых структур материалов на более низкий энергетический уровень их структурной проч­ности. При этом освобождаются атомы кислорода и другие, об­разуются новые химические соединения, устойчивость которых часто гораздо меньше первоначальных. Это ведет к нарушению структуры, разрыву ее сплошности, а в итоге — к деструкции ма­териала, сопровождаемой снижением его прочности.

Из отмеченного можно сделать вывод, что в структуре мате­риала должен соблюдаться баланс сил. Пока он есть, материал сохраняет свои свойства, при снижении его до критического уровня материал разрушается из-за старения, усталости и т. д.

Теоретическими исследованиями и многолетней практикой для всех материалов определены критические уровни характери­стик структуры и свойств, переход за пределы которых сопря­жен с интенсивным разрушением материала или срочным капи­тальным ремонтом конструкции.

При выборе критических уровней ключевых показателей свойств ориентируются на требования действующих стандартов и строительных норм. В них указаны численные показатели технических свойств материала и допустимые пределы их измене­ния в эксплуатационный период. Для большинства материалов обычно указываются несколько ключевых показателей свойств или структурных характеристик и их предельный уровень изме­нения. При этом весьма важно, чтобы с совершенствованием технологии производства наблюдалось всемерное увеличение периода времени до момента, когда ключевой показатель (груп­па показателей) окажется на уровне допустимого изменения. Соответствующий период времени характеризует долговечность материала, поскольку дальнейшая эксплуатация конструкции будет недопустимой без проведения ремонта.

Среди типичных эксплуатационных факторов, оказывающих, как правило, негативное влияние на состояние строительных конструкций и материалов, можно выделить:

· воздействие внеш­них нагрузок, а также массы материала и конструкций;

· воздействия газовой и водной среды, со­держащей различные примеси;

· воздействия кислот, щелочей и солевых растворов;

· климатические, к которым, кроме упомяну­тых выше факторов, относятся также солнечная радиация, ветер и влажность воздуха, продукты жизнедеятельности микроорга­низмов.

В реальных условиях на конструкцию или ее материал воз­действует комплекс из двух или большего количества эксплуа­тационных факторов. Совместное воздействие активных сред и механических напряжений приводит к интенсификации корро­зионных процессов. Отметим, что различного вида природными и производственными средами повреждается от 15 до 75 % всех строительных конструкций зданий и сооружений.

Дата добавления: 2014-01-15 ; Просмотров: 3179 ; Нарушение авторских прав? ;

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector