Исследование долговечности и теплофизических характеристик экструзионного пенополистирола в строительстве

строительные науки Исследование долговечности и теплофизических характеристик экструзионного пенополистирола

строительные материалы и конструкции в строительстве Д.В. Иванов, К.А. Андрианов, В.П. Ярцев

ТГТУ

На сегодняшний день строительная индустрия широко использует экструзионный пенополистирол в различных отраслях строительства, а именно:

• теплоизоляции полов в промышленных сооружениях, а также устройство теплых полов;

• теплоизоляции подвальных помещений;

• теплоизоляции наружных стен зданий;

• как составляющая часть сэндвич-панелей;

• теплоизоляции обогреваемых тротуаров площадок;

сооружении инверсионных крыш;

• сооружении скатных крыш;

• производстве несъемной опалубки при монолитном домостроении;

• дорожном строительстве и строительстве аэродромов;

• сооружении железнодорожных насыпей.

Основными характеристиками экструзионного

пенополистирола являются его низкая теплопроводность, минимальное водопоглощение, высокая удельная прочность и химическая стойкость к большинству используемых в строительстве материалов. Однако вопрос, связанный с исследованием долговечности данного материала, до конца не изучен.

Объектом исследования послужил пенополис-тирол фирмы ООО «ТехноНИКОЛЬ» — ТЕХНОП-ЛЕКС45, который широко используется как в дорожном, так и в гражданском строительстве.

При помощи прибора ИТП МГ4 «100» была определена теплопроводность этого материала. Она составила 0,033 Вт/мК, термическое сопротивление материала и тепловой поток, проходящий через образец, соответственно — 0,744 м2К/Вт и 47,43 Вт/м2,

Такие высокие теплофизические свойства материала позволяют его использовать в конструкциях, работающих как при утеплении наружных стен и покрытий зданий, так и в дорожном строительстве в качестве морозозащитного слоя в земляном полотне.

В настоящее время остро стоит вопрос продления срока службы и повышения основных эксплуатационных качеств вновь строящихся и реконструируемых дорог, в связи с этим этот материал начинают активно применять для регулирования водно-теплового режима земляного полотна с целью предотвращения образования пучин. Кроме того, в зонах распространения вечномерзлых грунтов, где теплофизические характеристики материала используются по максимуму, а главный принцип строительства основан на сохранении температуры грунта постоянной, данный материал незаменим для строительства любых сооружений.

Применение пенопласта в качестве теплоизоляционного материала позволяет предотвратить не толь-

ко разрушение земляного полотна, но и повысить ровность и прочность покрытия за счет обеспечения несущей способности основания и перераспределения давления на рабочий грунт земляного полотна.

В реальной конструкции в условиях постоянно растущих и меняющихся во времени нагрузок от подвижного состава помимо хороших теплофизических характеристик, важно знать механизм деформации и разрушения. Поскольку опыта эксплуатации таких конструкций в России недостаточно, то, соответственно, нет данных по определению его долговечности в течение длительного периода времени в условиях колебания различных температур и нагрузок.

В научной литературе [1, 2] отмечается возможность применения для пенопластов термофлуктуа-ционной концепции прочности, позволяющей определить долговечность таких материалов. Термо-флуктуационная концепция основана на том, что процесс разрушения материала носит кинетический характер [1, 3] и осуществляется путем преодоления взаимодействующими частицами энергетического барьера в результате тепловых флуктуаций.

Поскольку материал в конструкции земляного полотна испытывает напряжения изгиба и сжатия, то для оценки долговечности экструзионного пено-полистирола проводились испытания на изгиб и сжатие при различных температурах. При заданных постоянных температурах и напряжениях определялось время до разрушения образца — его долговечность. Каждый эксперимент повторялся не менее шести раз.

По полученным данным были построены зависимости логарифма долговечности от напряжения для различных температур, см. рис. 1, 2. Для выявления аналитической зависимости, связывающей время до разрушения, напряжение и температуру зависимости перестраивали в координаты 1дТ — 103/Т и определяли соответствующие константы (таблица 1), входящие в формулы (1, 2), по методике, изложенной в [3]:

Т = Т* ехр-^ехр(-Ро),

Т = Тт ехР

и0-ус 1

К

Т Тт

где Т — период колебания кинетических единиц, и0 — энергия активации, и — эффективная энергия активации, у — структурно-механический фактор, в — аналог структурно-механической константы, Т — предельная температура существования материала — физические константы материала; с — напряжение; Т — температура; Я — универсальная газовая постоянная; Т — время до разрушения (долговечность).

5 2009 559

строительные науки

строительные материалы и конструкции

Вид нагружения Константы

с Тт, К. и, и0, кДж/моль |3, 1 / МПа, у, кДж/

Изгиб 2,9-Ю"10 - 90,16 16

Сжатие до 10% , 0-0,85 371,74 325 6500

Таблица. Значения физических констант экструзионного пенополистирола ТЕХНОПЛЕКС45 при изгибе и сжатии

3 2

I

1

О

I

-1 -2

♦ 21 °С  35 °С А 50 °С

^АА4!

1 ♦ >

N

,55 0 ,60 0 ,65 0 ,70 0 <80 0

,85

а, МПа

Рисунок 1. Зависимость логарифма долговечности (т) от напряжения (а) и температуры (Т ) при изгибе пенополистирола ТЕХНОПЛЕКС45.

* 2

1

О -10| -2

♦ 16 "С  35 °С А 50 °С

,79 п. « 0, 49 49 П,

69

ст, МПа

Рисунок 2. Зависимость логарифма долговечности (т) от напряжения (а) и температуры (Т ) при сжатии до 10% относительной деформации пенополистирола ТЕХНОППЕКС45.

Следует отметить, что на рис. 2 представлена зависимость долговечности от напряжений при 10% деформации материала, т.к. выше 10% наступает «закритическая область» деформирования (происходит накопление необратимых деформаций) [2], достижения которой при эксплуатации необходимо избегать.

Семейство прямых на рис. 1 является параллельным при различных температурах. Как отмечается в [3], это наблюдается при хрупком разрушении полимеров, в которых наряду с химическими и межмолекулярными силами существенны и силы промежуточной величины, отвечающие водородным связям

560

или воздействию между п-электронами. В этом случае, согласно [3], реализуется формула (1).

Зависимости, представленные на рис. 2, имеют вид семейства веерообразных прямых, сходящихся в одну точку — полюс, и согласно [3] они описываются уравнением (2). Структура данной формулы говорит о том, что отсчет обратной температуры идет не от 1/Т = 0, а от 1 /Тт, т.е. существует некоторая предельная температура, выше которой материал не работает, причем его долговечность Тт минимальна. Аналогичные зависимости при сжатии были получены и в работе [2] для пенополистирола ПСБ-С.

Таким образом, в формуле (2) напряжение влияет экспоненциально (но совместно с температурой через отношение а/Т ), а в формуле (1) напряжение действует независимо от температуры. Константы последней формулы зависят от вида предельного состояния, которое реализуется по-разному. Когда полимер слабо кристалличен, он деформируется вынужденно эластически, а когда он сильно кристалличен или наполнен твердыми частицами, материал работает хрупко [4]. При этом и0 равно энергии деструкции полимера Еа, а в — структурно-механический фактор, аналогичный у.

По полученным уравнениям (1,2) с учетом полученных констант в таблице 1 можно рассчитать долговечность данного материала в эксплуатационном диапазоне напряжений и температур.

Список литературы

1. Регель В.Р., Слуцкер А.И., Томашевский Э.Е.

Кинетическая природа прочности твердых тел. — М.: Наука, 1974. — 560 с.

2. Андрианов К.А. Прогнозирование долговечнос-

ти (работоспособности) пенополистирола в ограждающих конструкциях зданий. Дис... канд. техн. наук. — Тамбов, 2002. — 212 с.

3. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика

пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? — М.: Химия, 1992. — 320 с.

4. Бунина П.О. Исследование взаимосвязи предель-

ных параметров деформирования кристаллических полимеров: Дис. канд. физ-мат. наук. — М., 1974. — 184 с.

2009

5