Характер деформації і руйнування пінопластів визначається як будовою і фізичним станом полімеру-основи, так і спе-ціфікой роботи елементів макроструктури при навантаженні, вплив третьому властивостей сировини і технології виготовлення.
У пінопластів в умовах напруженого стану спостерігаються різко виражені відхилення як від властивостей ідеально пружних тіл, так і від властивостей ідеально в'язких рідин, т. Е. Напруга одночасним-аме залежить і від деформації, і від її швидкості.
При випробуванні пінопластів на стиск крихке руйнування в більшості випадків відсутній і чітко вираженого межі ін-ності не спостерігається. Відбувається значна деформація пенопо - лістірола без втрати несучої здатності, тому ця характери-стика визначається умовно як напругу, що відповідає заданій деформації матеріалу (2, 5 і 10% відносної деформації).
У загальному випадку діаграма "напруга - деформація" складається з двох ділянок (рис. 8) [3, 52, 53]. Перша область ( "докритичний"), відповідна ділянці ОА, характеризується стисненням стінок осередків. Для другої області ( "закритической"), що відповідає ділянці АБС, характерна втрата стійкості осередків і їх ущільнення ( "сплющуючись-ня"). Співвідношення цих областей на діаграмі визначається свойст-вами полімерної основи і параметрами пористої структури піно - пластів.
Про 15 30 45 60 е,%
Мал. 8. Умовна діаграма "навантаження - деформація" пінополістиролу ПС-4 (р = 30 кг / м3)
За межа міцності при стисненні приймається напруга (СТВР), відповідне майданчику плинності. Воно залежить від швидкості досл-таний. Несучу ж здатність пінопластів при стисненні рекоменду-ють оцінювати по критичним напруженням (акр) з діаграми ст - е. Для оцінки міцності при короткочасних випробуваннях рекоменду-ють застосовувати критичне напруження, відповідне 5% -ному деформування зразків (напруга, при якому різко змінюється характер деформування пінопластів, і розвиваються значні в'язкі деформації) [3, 12, 36].
Розтягування. При розтягуванні в навантаженому пінопласт метушні-кає концентрація напружень на одиночних тяжах або стінках яче-ек. У зоні таких перенапряжённих ділянок формуються дискретні поверхні руйнування по цим елементам макроструктури, тому при розтягуванні для пінопластів характерна нелінійна залежність деформації від напруги. Відхилення від лінійності виявляються вже в області малих деформацій, причому кривизна постійно збіль-чивается з ростом напруг. Нахил кривої на початковій ділянці, де напруга більш-менш пропорційно деформації, визна-виділяється жорсткістю полімерної композиції, що становить основу пінопласту [36, 49, 50].
Діаграма "напруга - деформація" складається з характерних точок (приклад показаний на рис. 10): точка А - відповідає ділянці пружних деформацій; точка В - пластичної течії. Щоб устано-вити допустимі значення деформацій пінопластів для їх експлуата-ції в конструкціях будівель без руйнування структури необхідно визначити ці точки. Точка А визначається з побудова
Ня графіків різниць деформацій, т. Е. Відрізок ОА відповідає ділянці, де деформація постійна при збільшенні навантаження.
При додатку напруги, відповідних точці А, від-ходить різке збільшення різниці деформацій. Ця точка відпо-яття пружною зоні деформації (еу). При визначенні точки В вивчають окремо пружні і залишкові деформації при східчасто возрас-танучих навантаженнях з розвантаженням до нуля на кожному ступені навантажуючи-ня (точка відповідає перетину пружних і залишкових дефор-мацій, коли залишкові деформації дорівнюють пружним) - гранично допустима деформація (єп) . Точка Б знаходиться між точками А і В і відповідає критичним величинам напруги і деформації пружно-еластичних пінопластів (ЄКР) типу ПСБ [49].
Зрушення. Пінополістирол типів ПС-1 і ПСБ при зсуві зруйнувати-ються по гвинтової поверхні. Руйнування зразків ПС-4 характери-зуется освітою в середній частині шийки, в зоні якої матеріал є настільки пластичним, що величина сприйманого кру-тящего моменту різко падає [39].
Вигин. Характер діаграми "напруження - деформація" при через гібе схожий з діаграмами при інших напружених станах. Міцність зразків в значній мірі визначається роботою матеріалу в розтягнутій зоні і в більшості випадків межа міцності при вигині близький до межі міцності при розтягуванні [12, 39].
Для пінопласту, що володіє значними за величиною неуп-ругімі (пластичними) деформаціями, в момент руйнування межа міцності при вигині більше, ніж при розтягуванні. Наприклад, у піно-пласта ПС-1 (р = 195 кг / м3) межа міцності при вигині вище в 1,7 рази, ніж при розтягуванні, а у ПС-4 (р = 30 кг / м3) межа міцності при розтягуванні вище в 1,5 рази, ніж при вигині, тому що не спостерігаючи-ється крихкого руйнування при згині.
Залишкові деформації. Залишкові деформації залежать від величини навантаження. Залежність залишкових деформацій еост від пол-них показана на рис. 9. Залишкові деформації помітно зростають з уве-личением кількості циклів завантаження. Їх наростання визначає зростання повних деформацій, так як величина пружних деформацій залишається майже постійною, убуваючи незначно. При східчасто возрастаю-щей навантаженні з витримкою на кожному ступені 5. 10 хв спостерігає-ся деформація післядії. Характер розвитку деформацій після-дії пінопластів при стисканні при ст <сткр имеет несущественное отклонение от закона Гука. В этой области напряжений имеются не-значительные остаточные деформации после разгрузки и малые скоро-сти развития деформации последействия. При ст> сткр відбувається за-Метн наростання повних деформацій, різко зростають залишкові деформації і деформації післядії при витримці під постоян-ної навантаженням [14]. В [43] встановлено співвідношення міцності і пружних характеристик полістирольних пінопластів (табл. 4).
Мал. 9. Залежності залишкових деформацій від повних пінополістиролу різної уявної щільності:
1 - 29; 2 - 38; 3 - 67 кг / м3 [2]
Ар - напруга розтягування; ас - напруга стиснення; т - напруга зсуву; Ер - модуль пружності при розтягуванні; Ес - модуль пружності при стисканні; Про - модуль пружності при зсуві.
Вплив структури пінополістиролу на механічні свій-ства. З полістиролів пінопластів найбільш високими механічного-ськими характеристиками володіє пінопласт ПС-1. Через зниженою щільності пінопласт ПС-4 має більш низькі міцнісні і пружні показники [16, 33, 46].
За механічними властивостями бесспрессовий пінополістирол ус-тупает пресове через низьку міцності суспензійного полістиро-рола, з якого його одержують. Крім того, пресові пінополістиролу - роли (ПС-1, ПС-4) виготовляють на основі емульсійного полістиро-рола, котрий має вищий молекулярний вагу, а міцність полі-міра, як правило, з підвищенням молекулярної ваги зростає. Біс - пресовий же пінополістирол, отриманий спіканням окремих гранул між собою, при розтягуванні може руйнуватися по межгра - нульним поверхнях внаслідок їх недостатнього спікання. Налі-ність антипиренов в складі цих пінопластів також знижує механічного-ські характеристики пінопластів [12].
Характерною особливістю пінистих пластмас є зависи-ність короткочасних механічних показників від уявної щільності. З її підвищенням міцність і жорсткість зростають по параболічного закону. Діаграми "напруження - деформація" при розтягуванні і стисненні пінопласту ПСБ-С в залежності від щільності показані на рис. 10 [17, 44].
На міцність пінопласту ПСБ залежно від виду напружений-ного стану матеріалу впливає розмір гранул. При дії вирощуючи-ГІВА і зсувних напружень зі збільшенням діаметра від-ходить зниження міцності, при дії стискаючих напруг вплив розміру гранул на міцність пінопласту не спостерігається.
0 ЄУ 0,5 1,0 1,5 2,0 Єотн,%
Мал. 10. Діаграми "а - е" пінопласту ПСБ-С при стисненні (а) і розтягуванні (б) різної уявної щільності:
1 - 19,3; 2 - 22,6; 3 - 37,2; 4 - 59,1; 5 - 25,4; 6 - 37,8; 7 - 42,6; в - 54,2 кг / м3
Деформаційні характеристики (Ер, Ес, О) практично не залежать від розміру гранул. Відзначено, що розмір гранул пінопласту впливає на розкид механічних характеристик [50].
Анізотропія. У пінопластів анізотропія механічних характе-ристик залежить від виду напруженого стану і більшою мірою проявляється при розтягуванні. Пінопласт ПС-1 є ізотропним - механічні характеристики практично однакові у всіх направ-домлення плити, у пінопластів ПС-4 і ПСБ спостерігається анізотропія міцних показників. При цьому показники міцності в напрямку, перпендикулярному поверхні плити, на 20. 40% вище в порівнянні з показниками, отриманими на зразках, вирізаних в поздовжньому напрямку. Зі зменшенням уявної щільності анізотропія зростає [17, 20]. Відзначається, що у пінопласту ПСБ при р = 15. 20 кг / м3 - ізотропна структура, р = 35 кг / м3 - спостерігаючи-ється найбільша анізотропія (максимальне значення відношення поздовжнього розміру гранул до поперечного - 1,5. 1,7), далі витя-
Нутость гранул зменшується і при р = 90. 100 кг / м3 дорівнює одиниці.
Коефіцієнт Пуассона. Коефіцієнт Пуассона (| тп) для піно - пластів залежить не тільки від уявної щільності, а в більшій сте-пені від витягнутості осередків. При розтягуванні і стисненні легких анізо- тропів пінопластів в різних напрямках коефіцієнт Пуаса-сона може бути представлений у вигляді [16, 18]:
(1) де ТТ - напрямок спінювання; ®Т - напрямок, перпендіку-лярного вспениванию; т - коефіцієнт Пуассона (верхній індекс - напрямок розтягування-стиснення, нижній - напрямок вимірювання поперечної деформації).
В [49, 50] замість коефіцієнта Пуассона рекомендується викорис-товувати коефіцієнт поперечної деформації (т), так як поперечне деформування пінопластів обумовлюється не стільки особливості-ми полімерної основи, скільки специфікою їх пористої структури. Для полістирольних пінопластів його значення дорівнює 0,1. 0,35 і залежить від уявної щільності та анізотропії їх пористого ладі-ня. Встановлено, що т для пінополістиролу при розтягуванні більше, ніж при стисканні.
Вплив температури на механічні характеристики пе-нополістірола. Характер впливу температурних факторів на меха-нічних властивості пінопластів визначається властивостями полімерної основи, станом пористої структури, наявністю початкових внут-ренних напруг, розвитком релаксаційних і орієнтаційних процесів в її структурних елементах, величиною тиску газів в осередках.
При підвищених температурах під дією механічних на-напружень зростає роль еластичних і пластичних деформацій, що проявляються в збільшенні відхилення діаграми "напруження - деформація" від лінійності. Так як полістирол є Термоплен-стичної полімером, то механічні характеристики інтенсивно сни-жають поблизу температури склування полімерної основи. При тим-пература більше 60. 75 ° С пінополістирол поводиться як нелінійне в'язкопружну тіло, здатне до необоротного течією, спостерігається квазікрихкого руйнування, що супроводжується вимушено еластичний-ськими деформаціями елементів пористої структури [36, 49, 50]. Дещо більшу стабільність механічних показників має самозатухаючий пінополістирол ПСБ-С. Можна відзначити, що изме-ня деформаційних показників при підвищених температурах відбувається кілька більшою мірою.
При зниженні температури діаграма наближається до линів-ної, при цьому підвищуються всі механічні характеристики. При негативних температурах має місце крихке руйнування піно - полістиролу, міцність і пружність збільшуються.
Приклад зміни характеристик міцності та деформаційних характери-стик при різних температурах показаний на рис. 11.
-40 -20 0 20 40 60 Т, ° С
Мал. 11. Залежності міцності при стисненні (я), міцності при розтягуванні (б) і модуля пружності при розтягуванні (в) пінопластів від температури:
1 - ПСБ (р = 50 кг / м3); 2 - ПС-4 (р = 60 кг / м3) [44]