1.4. ПРОЧНОСТНЫЕ И ДЕФОРМАЦИОННЫЕ СВОЙСТВА ПЕНОПОЛИСТИРОЛА

Характер деформирования и разрушения пенопластов определяется как строением и физическим состоянием полимера-основы, так и спецификой работы элементов макроструктуры при нагружении, влиянием свойств сырья и технологии изготовления.

У пенопластов в условиях напряженного состояния наблюдаются резко выраженные отклонения как от свойств идеально упругих тел, так и от свойств идеально вязких жидкостей, т.е. напряжение одновременно зависит и от деформации, и от ее скорости.

Анизотропия.

У пенопластов анизотропия механических характеристик зависит от вида напряженного состояния и в большей степени проявляется при растяжении. Пенопласт ПС-1 является изотропным – механические характеристики практически одинаковы во всех направлениях плиты, у пенопластов ПС-4 и ПСБ наблюдается анизотропия прочностных показателей. При этом прочностные показатели в направлении, перпендикулярном поверхности плиты, на 20…40% выше по сравнению с показателями, полученными на образцах, вырезанных в продольном направлении. С уменьшением кажущейся плотности анизотропия возрастает [8, 12]. Отмечается, что у пенопласта ПСБ при ρ = 15…20 кг/м³ – изотропная структура, ρ = 35 кг/м³ – наблюдается наибольшая анизотропия (максимальное значение отношения продольного размера гранул к поперечному – 1,5…1,7), далее вытянутость гранул уменьшается и при ρ = 90…100 кг/м³ равна единице.

Сжатие. У легких пенопластов (с объемным содержанием полимера-основы менее 30%) наблюдается разрушение ячеистой структуры за счет потери устойчивости тяжей при достижении разрушающего напряжения при сжатии. У крупнопористых жестких пенопластов сначала происходит разрушение тяжей наиболее ослабленного слоя приблизительно на высоту одной ячейки с одновременным снижением напряжения. Далее последовательно и необратимо разрушаются тяжи каждого соседнего прилегающего слоя. У мелкопористых легких пенопластов также происходит смятие наиболее ослабленного поперечного слоя, но на высоту не одной, а нескольких ячеек. Поперечные размеры образцов практически не меняются даже при деформациях сжатия до 50%. У пенопластов же повышенной плотности при испытании на сжатие происходит хрупкое разрушение образцов с образованием трещин по наклонным или продольным плоскостям [8].

При испытании пенопластов на сжатие хрупкое разрушение в большинстве случаев отсутствует и четко выраженного предела прочности не наблюдается. Происходит значительная деформация пенополистирола без потери несущей способности, поэтому эта характеристика определяется условно как напряжение, отвечающее заданной деформации материала (2, 5 и 10% относительной деформации).

В общем случае диаграмма напряжение–деформация состоит из двух участков (рис. 1.2) [9]. Первая область (докритическая), соответствующая участку ОА, характеризуется сжатием стенок ячеек. Для второй области («закритической»), соответствующей участку АБС, характерна потеря устойчивости ячеек и их уплотнение («сплющивание»). Соотношение этих областей на диаграмме определяется свойствами полимерной основы и параметрами ячеистой структуры пенопластов.

Рис. 1.2. Условная диаграмма напряжение (σ)–деформация (ε) при сжатии пенополистирола ПС-4 (ρ = 30 кг/м³)

За предел прочности при сжатии принимается напряжение (σ_вр), соответствующее площадке текучести. Оно зависит от скорости испытаний. Несущую же способность пенопластов при сжатии рекомендуют оценивать по критическим напряжениям (σ_кр) из диаграммы σ–ε.

Для оценки прочности при кратковременных испытаниях рекомендуют применять критическое напряжение, соответствующее 5%-ному деформированию образцов (напряжение, при котором резко меняется характер деформирования пенопластов и развиваются значительные вязкие деформации) [9].

Растяжение. При растяжении в нагруженном пенопласте возникает концентрация напряжений на одиночных тяжах или стенках ячеек. В зоне таких перенапряженных участков формируются дискретные поверхности разрушения по этим элементам макроструктуры, поэтому при растяжении для пенопластов характерна нелинейная зависимость деформации от напряжения. Отклонения от линейности проявляются уже в области малых деформаций, причем кривизна постоянно увеличивается с ростом напряжений. Наклон кривой на начальном участке, где напряжение более или менее пропорционально деформации, определяется жесткостью полимерной композиции, составляющей основу пенопласта [10].

Диаграмма напряжение–деформация состоит из характерных точек (пример показан на рис. 1.3): точка А – соответствует участку упругих деформаций; точка В – пластического течения. Чтобы установить допустимые значения деформаций пенопластов для их эксплуатации в ограждающих конструкциях зданий без разрушения структуры, необходимо определить эти точки.

Рис. 1.3. Диаграмма напряжение (σ)–деформация (ε) при растяжении пенопласта ПСБ-С различной кажущейся плотности:
1 – 25,4; 2 – 37,8; 3 – 42,6; 4 – 54,2 кг/м³

Точка А определяется из построения графиков разностей деформаций, т.е. отрезок ОА соответствует участку, где деформация постоянна при увеличении нагрузки. При приложении напряжений, соответствующих точке А, происходит резкое увеличение разности деформаций. Эта точка соответствует упругой зоне деформации (ε_у). При определении точки В изучают раздельно упругие и остаточные деформации при ступенчато возрастающих нагрузках с разгрузкой до нуля на каждой ступени нагружения (точка соответствует пересечению упругих и остаточных деформаций, когда остаточные деформации равняются упругим) – предельно допустимая деформация (ε_п). Точка Б находится между точками А и В и соответствует критическим величинам напряжения и деформации упругоэластических пенопластов (ε_кр) типа ПСБ [10].

Изгиб. Характер диаграммы напряжение–деформация при изгибе сходен с диаграммами при других напряженных состояниях. Прочность образцов в значительной степени определяется работой материала в растянутой зоне и в большинстве случаев предел прочности при изгибе близок к пределу прочности при растяжении [10].

Для пенопласта, обладающего значительными по величине неупругими (пластическими) деформациями, в момент разрушения предел прочности при изгибе больше, чем при растяжении. Например, у пенопласта ПС-1 (ρ = 195 кг/м³) предел прочности при изгибе выше в 1,7 раза, чем при растяжении, а у ПС-4 (ρ = 30 кг/м³) предел прочности при растяжении выше в 1,5 раза, чем при изгибе, так как не наблюдается хрупкого разрушения при изгибе.

Остаточные деформации. Остаточные деформации зависят от величины нагрузки. Зависимость остаточных деформаций εост от полных ε показана на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Зависимости остаточных деформаций (ε_ост) от полных (ε) пенополистирола различной кажущейся плотности:
1 – 29; 2 – 38; 3 – 67 кг/м³

Остаточные деформации заметно растут с увеличением количества циклов загрузки. Их нарастание определяет рост полных деформаций, так как величина упругих деформаций остается почти постоянной, убывая незначительно. При ступенчато возрастающей нагрузке с выдержкой на каждой ступени 5…10 мин наблюдается деформация последействия. Характер развития деформаций последействия пенопластов при сжатии при σ < σ_кр имеет несущественное отклонение от закона Гука. В этой области напряжений имеются незначительные остаточные деформации после разгрузки и малые скорости развития деформации последействия. При σ > σ_кр происходит заметное нарастание полных деформаций, резко возрастают остаточные деформации и деформации последействия при выдержке под постоянной нагрузкой [11]. Установлено соотношение прочностных и упругих характеристик полистирольных пенопластов (табл. 1.2).

1.2. Соотношение прочностных и упругих характеристик полистирольных пенопластов

Коэффициент Пуассона. Коэффициент Пуассона (µ_п) для пенопластов зависит не столько от кажущейся плотности, сколько от вытянутости ячеек.

В работе [10] вместо коэффициента Пуассона рекомендуется использовать коэффициент поперечной деформации (µ), так как поперечное деформирование пенопластов обусловливается спецификой их ячеистой структуры. Для полистирольных пенопластов его значение равняется 0,10…0,35 и зависит от кажущейся плотности и анизотропии их ячеистого строения. Установлено, что µ для пенополистирола при растяжении больше, чем при сжатии.