Надежность строительных изделий и конструкций из полимерных материалов

126

Вестник ТГАСУ № 1, 2009

Библиографический список

1. Физические свойства торфа и торфяных залежей / И.И. Лиштван [и др.]. - Минск : Наука и техника, 1985. - 239 с.

2. Торфяные ресурсы Томской области и пути их использования в строительстве / Ю.С. Саркисов, Н.О. Копаница [и др.]. - Томск : STT, 2007. - 290 с.

3. Копаница, Н.О. Исследование вяжущих свойств низинных торфов при производстве теплоизоляционных материалов / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // Вестник ТГАСУ. -2007. - № 1. - С. 210-212.

4. Копаница, Н.О. Перспективы применения теплоизоляционных материалов в ограждающих конструкциях на основе низинных торфов Томской области / Н.О. Копаница, М.А. Калашникова // Кровельные и изоляционные материалы. - 2008. - № 2. - С. 46-48.

5. Сафронов, В.Н. Электрофизичекие технологии активации строительных материалов / В.Н. Сафронов. - Томск : Изд-во ТГАСУ, 2006. - 140 с.

6. Композиционные строительные материалы на активированной воде затворения / В.Т. Ерофеев, Е.А. Митина [и др.] // Строительные материалы. - 2007. - № 11. - С. 56-57.

7. Мягков, Ю.В. Модель механизма магнитной активации / Ю.В. Мягков, И.В. Мягков // Магнитная обработка водных систем. - М., 1981 . - С. 11-12.

N.O. KOPANITSA, M.A. KOVALEVA, V.N. SAFRONOV

INFLUENCE OF MAGNETIC WATER PROCESSING ON CHARACTERISTICS OF PEAT WOOD COMPOSITIONS

The problems connected to the influence of magnetic water processing for preparing the forming blends on characteristics of the effective peat wood composition materials were studied in this research. It was determined, that it is possible to affect the durability and hydro-physical characteristics of the peat based heat-insulated materials by changing the magnetic water processing modes.

УДК 691.175

А. И. РЕУТОВ, канд. техн. наук, доцент,

aireutov@yandex.ru

ТУСУР, Томск

НАДЕЖНОСТЬ СТРОИТЕЛЬНЫХ ИЗДЕЛИЙ И КОНСТРУКЦИЙ ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛОВ

Предложена статистическая модель оценки надежности по критерию конструкционной прочности строительных изделий и конструкций из полимерных материалов. Приведены данные о рассеянии и изменении материаловедческих характеристик на всех этапах жизни изделия. Приведена оценка надежности изделий из полимерных материалов на этапах проектирования, производства, эксплуатации.

Ключевые слова: полимерные материалы, строительные изделия, прочность, надежность.

В современной строительной индустрии совместно с традиционными строительными материалами, такими как бетон, древесина, черные и цветные

© А.И. Реутов, 2009

металлы, широко применяются доступные недорогие термопластичные и термореактивные полимерные материалы. Это объясняется их ценными эксплуатационными свойствами, например сочетанием необходимой прочности и низкой плотности.

В настоящее время в строительстве широко применяются термопласты на основе полипропилена (ПП). Это большая номенклатура марок 1111, включающая в себя базовые марки полипропилена, рандом сополимеры (статсопо-лимер), блок-сополимеры, наполненные и морозостойкие композиции. Из этих материалов изготавливают трубы, соединительные и фасонные изделия сантехники и водоснабжения, закладные детали в производстве железобетонных изделий, элементы вентиляционных систем, технологические трубопроводы, стержневые перемычки для несъемной опалубки, элементы систем поверхностного водоотвода, георешетки, защитные оболочки для бетона, полимерные противоналипающие футеровочные пластины и другие изделия из листового полипропилена.

При изготовлении строительных изделий из термопластов важной проблемой является использование отходов крупнотоннажного производства полимеров и технологических отходов, что позволяет улучшить экологическую безопасность, увеличить эффективность использования материальных ресурсов и снизить себестоимость строительства.

Возрастающее применение изделий из полимерных материалов в новых строительных технологиях требует современных подходов к обоснованию выбора марки материала и обеспечению работоспособности на всех этапах жизни строительного изделия.

Расширение сферы применения полимерных материалов в строительстве сдерживается отсутствием научно обоснованного подхода к выбору критериев работоспособности и методов оценки надежности строительных изделий как комплексного показателя их качества.

Полимерные материалы характеризуются значительным, по сравнению с металлами, рассеянием прочностных и деформационных характеристик при их производстве и последующем старении в зависимости от условий эксплуатации.

Оценка надежности изделий и конструкций связана с расчетом параметров их напряженно-деформированного состояния (НДС) при изменении деформационно-прочностных характеристик материала на всех этапах жизненного цикла изделия. При этом особенности поведения полимерных материалов при внешних воздействиях, данные о рассеянии материаловедческих характеристик необходимо учитывать в задачах по определению НДС. Поэтому задачи прогнозирования надежности изделий из полимерных композиционных материалов находятся на стыке строительной механики и материаловедения.

В соответствии с основными положениями по расчету строительных конструкций они должны быть запроектированы таким образом, чтобы обладали достаточной надежностью. Основным свойством, определяющим надежность строительных изделий, является безотказность их работы [1, 2].

Предложена концепция поэтапной оценки надежности строительных изделий из полимерных материалов как комплексного показателя их качества

на основе исследования характеристик, определяющих надежность на этапах проектирования, производства и эксплуатации, включающая:

- выбор критерия работоспособности на основе анализа изделия; основными критериями работоспособности являются конструкционная прочность, жесткость, размерная точность, климатическая стойкость;

- установление комплекса свойств, выбранного на основе функциональной зависимости критерия работоспособности изделия и материаловедче-ских характеристик, являющихся составляющими статистической модели надежности. Важным условием определения работоспособности является выбор предельной характеристики, по отношению которой осуществляется расчет надежности;

- поэтапную оценку надежности, включающую полностью или частично учет определяющих факторов при проектировании, производстве и эксплуатации изделия.

В рамках концепции разработаны модели и методы расчета надежности строительных изделий из полимерных материалов по различным критериям.

Метод оценки надежности нагруженных изделий по критерию прочности в эксплуатационном диапазоне температур состоит в определении вероятности того, что прочность изделия или его элемента больше чем расчетные напряжения. Модель расчета надежности по критерию прочности основана на анализе перекрытия плотностей распределений эквивалентных и предельных напряжений [3, 4].

Для оценки надежности строительных изделий из полимерных материалов, работающих в условиях кратковременного нагружения, предложена модель расчета надежности с учетом старения материала и температурной зависимости предельных и расчетных напряжений, рис. 1.

Рис. 1. Определение вероятности безотказной работы по критерию прочности в эксплуатационном диапазоне температур

Вероятность безотказной работы R при нормальном распределении прочности и напряжения в эксплуатационном диапазоне температур T с учетом времени старения материала t, выраженная через нормированную функцию нормального распределения, имеет вид

R = 1 -Ф

^опр2 +

2

оэкв

где тапр(Т,0 - математическое ожидание предельных напряжений (предела текучести, прочности при растяжении); таэкв(Т,0 - математическое ожидание эквивалентного напряжения; 5опр - среднее квадратическое отклонение предельных напряжений; 5оэкв - среднее квадратическое отклонение эквивалентного напряжения.

При статистической обработке результатов эксперимента средние значения случайных величин являются оценками математического ожидания,

т. е. °пр = топр , а 0экв = тоэкв .

Метод оценки надежности по кривым ползучести при параметрическом отказе ограничивает перемещения опасной точки. Вероятностная трактовка условия работоспособности состоит в определении вероятности того, что перемещение 5 не превысит /5/ за время т.

Расчет надежности по критерию климатической стойкости основан на анализе распределений текущего и предельного значений деформационных параметров.

Модель расчета надежности по критерию точности основана на анализе распределений усадочных характеристик и размерного допуска изделия. При изменении размера полимерного изделия в процессе эксплуатации, при старении или хранении вероятность безотказной работы, т. е. вероятность нахождения размера изделия в поле допуска, можно также определить через нормированную функцию нормального распределения.

В качестве основного критерия оценки надежности строительных изделий из полимерных материалов, работающих под нагрузкой, является критерий конструкционной прочности.

Для изделий из полимерных конструкционных материалов, работающих под нагрузкой, полимерных покрытий материалов с различными коэффициентами линейного теплового расширения, полимерных деталей, армированных металлическими вставками, металлополимерных изделий оценка надежности проводится по критерию прочности.

Исследовались материалы на основе полипропилена. Образцы четырех типоразмеров в форме лопаток имели поперечное сечение А0: 1x2,5; 2x5; 3x13 и 8x25 мм2. Размеры образца сечением рабочей части 5x2 мм2 соответствуют образцу по ГОСТ 11262-80, тип 5. Образцы изготавливались методом литья под давлением на термопластавтомате «Киа8у 260/100», в количестве 30 шт. для каждого типоразмера.

Образцы испытывали на растяжение на испытательной машине 2167 Р-50 при скорости растяжения 50 мм/мин и температуре (23±2)°С. По

результатам испытания определяли предел текучести при растяжении ст, прочность при растяжении срм, прочность при разрыве срр, а также относительную деформацию при разрыве вр и деформацию шейкообразования вш образцов по ГОСТ 11262-80.

На стадии проектирования на рассеяние значений эквивалентных напряжений влияет рассеяние упругих, деформационных и теплофизических характеристик. В табл. 1 представлены значения средних и средних квадрати-ческих отклонений модуля упругости Е, коэффициента Пуассона ц, коэффициентов линейного теплового расширения в стеклообразном аст и в высокоэластическом авэ состояниях и температуры стеклования Тст.

К факторам, влияющим на изменчивость эквивалентных напряжений, относятся: рассеяние указанных материаловедческих параметров, вид напряженного состояния и температуры.

Таблица 1

Статистические характеристики композиций полипропилена

Материал Е, МПа аСт,1061/°С ав.э,1061/°С Тсп °К

БСПЭ 22007-16 1170/ 95 0,37 / 0,020 - 98 / 12 -

МПП 15-04, бесцветный 1110 / 77 0,36 / 0,018 - 104 / 14 -

МПП 15-04-901, черный 1100 / 76 0,36 / 0,017 - 101 / 13 -

СНП 21060-16-С30 1500 / 114 0,26 / 0,016 15 / 2,7 30 / 3,2 272 / 2

Приведенные материалы на основе полипропилена в эксплуатационном диапазоне температур находятся в высокоэластическом состоянии, за исключением стеклонаполненного полипропилена СНП 21060-16-С30.

Анализ факторов, влияющих на прочность, показывает ее зависимость от состояния или чистоты поверхности, масштабного фактора или влияния абсолютных размеров образца, влияния концентраторов напряжений и температуры.

Средние значения и средние квадратические отклонения предельных прочностных характеристик ряда марок термопластов приведены в табл. 2.

Так для базовых марок полипропилена (1111) среднее квадратическое отклонение прочности меньше, чем у наполненных композиций ПП и у морозостойких композиций 1111, представляющих собой механическую смесь базовых марок ПП с бутилкаучуком или полиизобутиленом.

Экспериментально установлено, что указанные характеристики в табл. 1 и 2 имеют нормальный закон распределения.

Влияние концентрации напряжений на прочность полимерных материалов учитывается эффективным коэффициентом концентрации

с

К _ рм

с

рмк

где орм - прочность при растяжении образца без концентратора; ормк - прочность при растяжении образца с концентратором.

Таблица 2

Прочностные характеристики и эффективный коэффициент концентрации напряжений термопластов

Материал СТрм ^рмк ^^"рмк Кэ

ПП 21060-16 Т20 33,7 0,35 36,9 0,44 0,91

ПП 21060-16 А20 32,0 0,37 34,6 0,33 0,93

МПП 15-04, бесцв. 24,7 0,53 29,9 0,61 0,83

МПП 15-04-901,черный 26,9 0,51 34,3 0,71 0,78

БСПЭ 22007-16 29,4 0,39 37,4 0,53 0,79

МБС 07-12 20,5 0,97 19,9 0,46 1,03

УПС 825, черный 27,3 0,58 25,9 0,76 1,05

АБС 2020 40,7 0,65 36,2 0,9 1,12

ПА 610-1-108 134,0 8,62 100,1 3,46 1,34

Поликарбонат ПК-2 62,2 1,19 52,0 2,46 1,20

Примечание. стрм , 5<трм - среднее значение, среднее квадратическое отклонение прочности при растяжении образцов без концентратора напряжений, МПа; стрмк, 5сгрмк - среднее значение, среднее квадратическое отклонение прочности при растяжении образцов с концентратором напряжений; Кэ - эффективный коэффициент концентрации напряжений.

При исследовании влияния концентратора напряжений на прочность полимерного материала при растяжении в образце высверливалось отверстие. Отношение диаметра отверстия к ширине образца принималось равным 0,2.

Экспериментальные данные по эффективному коэффициенту концентрации напряжений частично-кристаллических и аморфных полимерных материалов приведены в табл. 2. Установлено, что с увеличением площади поперечного сечения образцов возрастает чувствительность материала к концентрации напряжений.

Зависимость среднего значения предела текучести и среднего квадрати-ческого отклонения от площади поперечного сечения образца для термопластов на основе полипропилена представлена на рис. 2.

45

с 40

I 35

I

* 30

г

£ 25 20

0

а б

Рис. 2. Зависимость среднего значения предела текучести (а) и среднего квадратическо-го отклонения (б) от площади поперечного сечения образца для термопластов на основе полипропилена:

1 - МПП 15-04, бесцветный; 2 - МПП 15-04-901, черный; 3 - БСПЭ 22007-16

Видно, что с ростом площади поперечного сечения образцов происходит уменьшение среднего значения и среднего квадратического отклонения предела текучести исследуемых термопластов, что связано со слоевой структурой образцов, формирующейся при литье под давлением. Кроме того, масштабный фактор оказывает существенное влияние на другие деформационно-прочностные свойства материалов на основе полипропилена [5].

Зависимость предела текучести сТ от логарифма площади поперечного сечения образца А0, можно представить степенной функцией

с Т = С АЬ .

Коэффициенты аппроксимирующей функции, зависящие от вида термопласта, приведены в табл. 3.

Таблица 3

Коэффициенты аппроксимирующей функции

Материал С Ь

МПП 15-04, бесцв. 31,21 -0,251

МПП 15-04-901, черный 35,32 -0,306

БСПЭ 22007-16 39,03 -0,275

ПП 21060-16 38,34 -0,251

ПП 21060-15-А20 36,74 -0,253

На этапе проектирования, при выборе материала, следует иметь в виду, что при одинаковом коэффициенте безопасности существенное значение для оценки вероятности безотказной работы будет иметь изменчивость этих величин, определяемая их средними квадратическими отклонениями.

На рис. 3, а показано влияние средних квадратических отклонений параметров, составляющих модели надежности - предела текучести, коэффициента Пуассона, модуля упругости - на вероятность безотказной работы. Вероятность безотказной работы рассчитана для случая нанесения полимерного покрытия на жесткую основу. Двухосное напряженное состояние возникает из-за разницы коэффициента линейного теплового расширения (КЛТР) жесткой основы и полимерного покрытия. Коэффициент безопасности п определяется как отношение среднего значения предела текучести ст к среднему значению, эквивалентному напряжению сэкв и принимается равным 1,2.

Эквивалентные напряжения рассчитываются по гипотезе наибольших касательных напряжений. Исходное (нулевое) значение средних квадратиче-ских отклонений модуля упругости, коэффициента Пуассона и предела текучести соответствует экспериментально определенному для материала МПП 15-04-901. Возрастание среднего квадратического отклонения параметров рассчитано через 20, 50 и 100 % от исходного значения соответствующего параметра. Из графика видно, что наибольшее влияние на вероятность безотказной работы оказывает модуль упругости. При росте среднего квадратиче-ского отклонения модуля упругости в два раза от исходного значения вероятность безотказной работы уменьшается с 0,973 до 0,841. Увеличение средних

квадратических отклонений коэффициента Пуассона и предела текучести незначительно влияет на надежность покрытия.

1

3 / \ -

Изменение среднего квадратического отклонения параметра, %

а 0,75

2,2

1д площади поперечного сечения образца,

0,5

0,25

0

а б

Рис. 3. Зависимость вероятности безотказной работы от изменения среднего квадратического отклонения параметра:

1 - предел текучести; 2 - коэффициент Пуассона; 3 - модуль упругости

На основе статистической модели надежности рассчитана вероятность безотказной работы для изделий, работающих в условиях модельного одноосного напряженного состояния, рис. 3, б.

Коэффициент безопасности для площади поперечного сечения 2,5 мм2 был установлен 1,5 для обоих материалов. С увеличением площади поперечного сечения происходит уменьшение вероятности безотказной работы. Для БСПЭ 22007-16 при увеличении площади поперечного сечения образцов с 2,5 до 200 мм2 коэффициент безопасности изменяется с 1,5 до 1,1, а вероятность безотказной работы уменьшается от 0,99 до 0,5.

На этапе производства анализируются технологические факторы, оказывающие влияние на изменчивость механических свойств материалов. К технологическим факторам относятся режимы переработки материала, а также содержание технологических и производственных отходов в исходном сырье.

С целью изучения возможности вовлечения отходов производства Томского нефтехимического комбината для переработки в изделия строительного назначения проведено комплексное исследование их деформационно-прочностных и усадочных характеристик. Вид отходов полипропилена (IIII) производства ТНХК зависит от ассортимента выпускаемых базовых и наполненных марок и представляет собой смеси вторичного ПП. Это смеси некондиции по гранулам и разнотону базовых марок, а также дробленки производственных отходов базовых и наполненных марок, образующихся при остановке грануляторов.

Непостоянство состава отходов полипропилена вызывает изменение их свойств и технологических параметров переработки (ПТР, зольность, меняется время плавления в камере экструдера на 20-30 %, отмечена неоднородная мозаика цвета образцов).

Для изучения деформационно-прочностных характеристик были приготовлены образцы из смеси некондиции базовой марки полипропилена, дроб-ленки базовых марок, дробленки тальконаполненного полипропилена и дроб-ленки самозатухающей композиции полипропилена. Содержание наполненных композиций в смеси менялось от 10 до 40-50 % массовых долей. Из рис. 4, а видно, что увеличение до 50 % тальконаполненного полипропилена в смеси с некондицией по гранулам и разнотону базовых марок увеличивает на 10 % предел текучести при растяжении.

Среднее квадратическое отклонение предела текучести с увеличением массовой доли тальконаполненного ПП незначительно снижается. При этом прочность при разрыве уменьшается почти на 30 %. Среднее квадратическое отклонение прочности при разрыве возрастает с 2,2 до 5,5 %. Относительное удлинение при разрыве падает с 455 до 52 %.

40

30

20

10

0

—1

1Г 1------

40

30

20

10

0

V

1— _, 2 Г ,

30

40

50

10

20

50

Массовая доля в % тальконаполненного ПП Массовая доля в % тальконаполненного ПП

а б

Рис. 4. Зависимость средних значений предела текучести

На рис. 4, б приведены зависимости прочностных характеристик от массовой доли тальконаполненного ПП в смеси с дробленкой базовой марки ПП. В исходном состоянии ненаполненная некондиция по гранулам и разнотону имеет предел текучести ниже, чем дробленка базовой марки ПП. С увеличением массовой доли тальконаполненного ПП до 50 % предел текучести незначительно возрастает. При этом среднее квадратическое отклонение предела текучести с увеличением массовой доли наполнения ПП снижается почти вдвое. Прочность при разрыве в этих условиях снижается с 23,3 МПа до 19,2 МПа.

Исследованы также производственные отходы морозостойкого и асбе-стонаполненного полипропилена.

Проведенные исследования показали, что деформационно-прочностные свойства образцов из смесей отходов полипропилена находятся в пределах требований основных показателей на базовые и наполненные марки 1111.

В технологии переработки термопластов литьем под давлением можно выделить основные параметры, влияющие на механические свойства изделий: температура литья, давление литья, время впрыска, время выдержки под давлением. Механические свойства изделий из кристаллизующихся термопластов связаны со слоевой структурой, формирующейся при литье под давлением. Указанные слои отличаются по деформационно-прочностным и упругим свойствам.

На рис. 5 показана зависимость среднего значения и среднего квадрати-ческого отклонения предела текучести от времени выдержки под давлением 1111 21060-16 для различных температур литья. Увеличение времени выдержки под давлением с 2 до 14 с приводит к росту среднего значения предела текучести с 33,1 до 34,2 МПа. Кроме того, из графика видно, что повышение температуры литья с 200 до 270 °С приводит к незначительному снижению среднего значения предела текучести. Среднее квадратическое отклонение предела текучести с увеличением времени выдержки под давлением и при повышении температуры литья уменьшается.

35

32,5

С 27,5

25

___1

2

2 6 10 14

Время выдержки под давлением, с

2

1,5

0,5

2

__

2 6 10 14

Время выдержки под давлением, с

б

1

30

0

а

Рис. 5. Зависимость среднего значения (а) и среднего квадратического отклонения (б) предела текучести, МПа, от времени выдержки под давлением ПП 21060-16, при Р = 80 МПа:

1 - Тл = 200 °С; 2 - Тл = 270 °С

На рис. 6 приведена зависимость вероятности безотказной работы по критерию прочности от времени выдержки под давлением для различных температур литья. Вероятность безотказной работы по критерию прочности рассчитана для случая модельного одноосного напряженного состояния.

Коэффициент безопасности п принимался равным 1,2 для термопласта ПП 21060-16 при переработке литьем под давлением с параметрами: давление

Р = 80 МПа, температура Тл = 200 и 270 °С, время выдержки под давлением 14 с. Видно, что уменьшение времени выдержки под давлением приводит к снижению вероятности безотказной работы.

Время выдержки под давлением, с

Рис. 6. Зависимость вероятности безотказной работы по критерию прочности от времени выдержки под давлением ПП 21060-16, черный, при Р = 80 МПа: 1 - Тл = 270 °С; 2 - Тл = 200 °С

На этапе эксплуатации анализируются внешние факторы, оказывающие воздействия на изменчивость материаловедческих характеристик, входящих в модель расчета прочностной надежности, и на изменчивость предельных прочностных характеристик. К внешним факторам относятся естественные и искусственные климатические факторы.

В настоящей работе изучалось старение материалов на основе полипропилена в представительных пунктах четырех климатических зон: умеренного, холодного, жаркого влажного и жаркого сухого климата.

Под старением полимерного материала понимается процесс необратимого изменения строения и состава, приводящий к изменению его свойств. При старении происходит изменение одного или нескольких свойств материала, из-за которых он имеет вполне определенное применение.

В качестве предельных прочностных характеристик материалов на основе полипропилена в исходном состоянии и на начальных стадиях старения использовался предел текучести; на последних стадиях старения, когда образцы претерпевают хрупкое разрушение - прочность при растяжении.

Изучение старения нестабилизированных материалов на основе полипропилена в условиях холодного климата показало его исключительную нестойкость, рис. 7. Материалы МПП 15-04 и БСПЭ 22007-16 после первых месяцев экспонирования теряют блеск, после 6 месяцев хорошо заметна сеть микротрещин на поверхности образцов.

После 6 месяцев экспонирования у нестабилизированных от ультрафиолетового излучения техническим углеродом материалов МПП 15-04 и БСПЭ 22007-16 резко уменьшается относительное удлинение при разрыве.

В связи с тем, что воздействие солнечного излучения вызывает изменение химической структуры в поверхностных слоях образцов, влияние этого процесса на свойства материала при естественном старении должно зависеть от толщины образцов. С увеличением размеров образцов изменение деформационно-прочностных характеристик менее выражено. Среднее квадратиче-ское отклонение предела текучести при растяжении вначале с увеличением времени старения возрастает, а затем, после достижения предельного значения, снижается.

Полученные результаты свидетельствуют о том, что, кроме повышения морозостойкости композиций на основе полипропилена, необходимо обратить особое внимание на фотостабилизацию морозостойкого полипропилена. Воздействие ультрафиолетового облучения приводит к деструкции материала, появлению свободных радикалов. У материала МПП 15-04-901, черного, све-тостабилизированного техническим углеродом, не наблюдается существенного изменения свойств для различных толщин образцов.

а б

Рис. 7. Зависимость среднего значения (а) и среднего квадратического отклонения (б) предела текучести от времени старения (г. Якутск) для материала БСПЭ 22007-16, для образцов с площадью поперечного сечения: 1 - 1x2,5 мм2; 2 - 2x5 мм2, 3 - 3x13 мм2; 4 - 8x25 мм

Модуль упругости при растяжении за этот же период изменяется для морозостойкого ПП в зоне холодного климата у МПП 15-04, бесцветного, с 1110 до 725 МПа, а у МПП 15-04-901, черного, с 1100 до 880 МПа.

Предел текучести при растяжении не относится к чувствительной к старению характеристике, по которой можно оценивать стойкость материала к старению.

Действительно, даже у нестабилизированных термопластов за 18 месяцев старения в условиях холодного климата прочность при испытаниях при

20 °С по отношению к исходному значению уменьшается для термопласта БСПЭ 22007-16 более чем в два раза, а для термопласта МПП 15-04, бесцветного, - в 1,5 раза. Эта потеря прочности резко увеличивается при понижении температуры испытания материала, рис. 8.

-60 -40 -20 0 20 40 60 -60 -40 -20 0 20 40 60

Температура испытания, °С Температура испытания, °С

а б

Рис. 8. Температурная зависимость предела текучести для термопласта БСПЭ 22007-16 (а) и МПП 15-04, бесцветный:

1 - исходная, 2 - после 18 месяцев старения

При испытаниях материалов при - 60 °С, что соответствует нижней границе эксплуатационных температур, максимальная прочность при растяжении для термопласта БСПЭ 22007-16 составляет 2,7 МПа, а для термопласта МПП 15-04, бесцветного, - 6,1 МПа. При этом прочность по отношению к исходному значению при - 60 °С уменьшается для термопласта БСПЭ 22007-16 в 28 раз, а для термопласта МПП 15-04, бесцветного, в 13 раз.

Известно, что одним из наиболее чувствительных к старению параметров является относительная деформация при разрыве. При уменьшении ее до значения относительной деформации при пределе текучести полимерный материал становится хрупким, то есть наступает потеря его работоспособности.

В условиях холодного климата для бесцветных термопластов среднее значение относительного удлинения при разрыве уменьшается до значения относительной деформации при пределе текучести через полгода экспонирования образцов.

Для термопласта МПП 15-06, черного, представляющего механическую смесь базовой марки полипропилена (ПП), 10 % полиизобутилена (ПИБ) и 0,4 % технического углерода ДГ-100, за год старения среднее значение относительной деформации при разрыве практически не изменилось.

При аппроксимации экспериментальных данных методом наименьших квадратов изменение относительной деформации при разрыве описывалось уравнением

8р(0 = а гы,

где а и Ь - константы материала.

Константы исследуемых материалов при прогнозировании относительной деформации при разрыве в процессе старения приведены в табл. 4.

Таблица 4

Константы уравнения

Материал Якутск Томск

а Ь а Ь

МПП 15-04, бесцв. 121 0,16 146 0,09

МПП 15-04-901, черн. 594 0,012 - -

БСПЭ 22007-16 111 0,21 126 0,13

МПП 15-06, бесцв. 325 0,29 - -

МПП 15-06, черн. 623 0,009 - -

БСПЭ 22015-16 125 0,13 587 0,28

ПП 21060-16 372 0,41 931 0,37

На рис. 9 показана зависимость вероятности безотказной работы исследуемых термопластов толщиной 2 мм от времени старения в условиях холодного климата.

Задаваясь значением вероятности безотказной работы, можно определить климатическую стойкость материала по деформационному критерию. Так, для бесцветных термопластов рис. 9, а при значении вероятности безотказной работы 0,99 срок службы для МПП 15-04 составит 10 месяцев, а для БСПЭ 22007-16 - 8 месяцев в условиях холодного климата.

Время старения, мес. Время старения, мес.

а б

Рис. 9. Зависимость вероятности безотказной работы от времени старения в условиях холодного климата термопластов на основе полипропилена (а): 1 -МПП 15-04, бесцветный; 2 - БСПЭ 22007-16; МПП 15-04-901, черный (б): 1 - = 2 %; 2 - = 20 %

Для термопластов, стабилизированных техническим углеродом, при оценке вероятности безотказной работы, кроме задачи аппроксимации сред-

него значения относительной деформации при разрыве, необходимо прогнозировать среднее квадратическое отклонение при больших сроках старения.

На рис. 9, б показана зависимость вероятности безотказной работы от времени старения для материала МПП 15-04-901, черный, для двух уровней значений средних квадратических отклонений.

При вероятности безотказной работы 0,99 климатическая стойкость для МПП 15-04 составит 16,6 лет, если среднее квадратическое отклонение относительной деформации при разрыве равно 20 %, и 20,8 лет, если среднее квадратическое отклонение относительной деформации при разрыве равно 2 %.

Полученные результаты расчета вероятности безотказной работы по деформационному критерию при старении для ряда конструкционных термопластов свидетельствуют о возможности оценки стойкости материалов в различных климатических условиях.

Для оценки влияния эксплуатационных факторов на надежность строительных изделий из полимерных материалов, работающих под нагрузкой, рассмотрим влияние естественных климатических факторов. В качестве примера рассмотрены бесцветные конструкционные термопласты, имеющие значительное изменение свойств при старении.

На рис. 10, а показана зависимость среднего значения и среднего квадра-тического отклонения предела текучести от времени старения для термопластов на основе полипропилена образцов толщиной 2 мм в условиях холодного климата. Экспонирование образцов материала проводилось на климатической площадке в районе г. Якутска. Видно, что в течение года экспонирования предел текучести уменьшился до 30 % от исходного значения. Среднее квадрати-ческое отклонение предела текучести на начальном этапе с увеличением времени старения возрастает. Модуль упругости при растяжении за этот же период изменяется незначительно.

30

20

о 10

\ 1

"I ч

II-1 3 1 4

1 3 6

Время старения, мес.

12

0,75

0,5

0,25

1 3 6

Время старения, мес.

б

Рис. 10. Зависимость среднего значения и среднего квадратического отклонения предела текучести от времени старения для термопластов на основе полипропилена в условиях холодного климата (а): 1, 3 - МПП 15-04, бесцветный; 2, 4 - БСПЭ 22007-16; зависимость вероятности безотказной работы от времени старения термопластов на основе полипропилена (б): 1 - МПП 15-04, бесцветный; 2 -БСПЭ 22007-16 в условиях холодного климата

0

а

На рис. 10, б показана зависимость вероятности безотказной работы от времени старения термопластов на основе полипропилена в условиях холодного климата. Вероятность безотказной работы рассчитана для случая одноосного напряженного состояния при исходном коэффициенте безопасности, равном 1,5 для обоих материалов. Действующие напряжения определялись при изменении в процессе старения модуля упругости.

Из графика видно, что вероятность безотказной работы для рассмотренной модели существенно зависит от времени старения, особенно для слабо стабилизированных бесцветных термопластов. Для исследованных материалов вероятность безотказной работы падает до 0,5 в течение трех месяцев для блок-сополимера пропилена с этиленом и в течение 12 месяцев для морозостойкого полипропилена.

Анализ статистической модели надежности при воздействии конструкторских, технологических и эксплуатационных факторов показывает, что вероятность безотказной работы изделий по критерию конструкционной прочности чувствительна к изменению прочностных и упругих статистических характеристик материала, а также масштабного фактора.

На оценку надежности изделий влияют: выбор материала, содержание вторичных материалов, режимы переработки, виды внешних воздействий.

Рассмотренная статистическая модель надежности по критерию конструкционной прочности и количественная оценка статистической изменчивости материаловедческих характеристик могут быть использованы для расчета вероятности безотказной работы строительных изделий и конструкций из полимерных материалов на этапах проектирования, производства и эксплуатации.

Библиографический список

1. Болотин, В.В. Методы теории вероятности и теории надежности в расчетах сооружений / В.В. Болотин. - М. : Стройиздат, 1982. - 351 с.

2. Ржаницин, А.Р. Теория расчета строительных конструкций на надежность / А.Р. Ржани-цин. - М. : Стройиздат, 1978. - 239 с.

3. Капур, К. Надежность и проектирование систем / К. Капур, Л. Ламберсон. - М. : Мир, 1980. - 351 с.

4. Реутов, А.И. Обеспечение надежности нагруженных строительных изделий из полимерных материалов на этапах проектирования, производства и эксплуатации / А.И. Реутов // Строительные материалы. - 2004. - № 4. - С. 46-49.

5. Реутов, А.И. Прогнозирование надежности строительных изделий из полимерных материалов / А.И. Реутов. - М. : ООО РИФ «Стройматериалы», 2007. - 184 с.

А.1. REUTOV

RELIABILITY OF PLASTIC BUILDING PRODUCTS AND STRUCTURES

The statistical model of an estimation of reliability of plastic products and structures is suggested in the paper. The prediction of reliability at designing stage is based on the statistical nature of plastic properties. Data about dispersion and change of plastic properties at all stage of lifetime of a product are given. The production of such products and structures takes into account the influence of manufacturing parameters on plastic properties and recycling. The estimation of reliability of plastic products at designing stage, manufacture and performance is given. The obtained results may be useful for reliability prediction of plastic products.