CC BY
22
УДК 691.175
Сулейманов А.М. - доктор технических наук, профессор
E-mail: sulej manov@kgasu. ru
Казанский государственный архитектурно-строительный университет
МЕХАНИЗМЫ СТАРЕНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ МАТЕРИАЛОВ МЯГКИХ ОБОЛОЧЕК
В УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ*
АННОТАЦИЯ
Представлены результаты экспериментальных исследований эксплуатационных свойств материалов мягких оболочек строительного назначения. Впервые выявлен механизм старения и разрушения данного класса композиционных материалов. На основе результатов экспериментальных исследований приводятся рекомендации по оптимальному монтажу и эксплуатации мягких оболочек с целью повышения их долговечности.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА: мягкие оболочки, механизм старения и разрушения, долговечность.
Suleymanov A.M. - doctor of technical sciences, professor
Kazan State University of Architecture and Engineering
MECHANISMS OF AGEING AND DESTRUCTION OF MATERIALS OF SOFT ENVIRONMENTS UNDER OPERATING CONDITIONS
ABSTRACT
Results of experimental researches of operational properties of materials of soft environments of building purpose are presented. For the first time the mechanism of ageing and destruction of the given class of composite materials is revealed. On the basis of results experimental researches are resulted recommendations on optimum installation and operation of soft environments with the purpose of increase of their durability.
KEYWORDS: soft environments, the mechanism of ageing and destruction, durability.
Для прогнозирования и выбора способов повышения долговечности, а также оптимизации структуры и состава с целью регулирования других свойств композиционных материалов, необходимо знать механизмы их старения и разрушения под воздействием эксплуатационных факторов.
Целью настоящих исследований является выявление механизма старения и разрушения материалов мягких оболочек (МО) под воздействием механической нагрузки и атмосферных факторов. Проведенные экспериментальные исследования также были вызваны тем, что в некоторых литературных источниках, например [1], было показано, что места разрывов материалов ограждений во многих типах МО, определенное время находившихся в эксплуатации, как правило, не совпадают ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий, найденных в результате расчета.
Мягкими называют оболочки из композиционных материалов, обладающих высоким сопротивлением растяжению, но неспособных сопротивляться каким-либо иным видам напряженного состояния (сжатию, изгибу, сдвигу). Работа МО при действии внешних нагрузок возможна лишь при условии предварительного их натяжения. Его можно создать двумя способами: механическим и аэростатическим. Исходя из этого, МО строительного назначения делятся на две самостоятельные группы: тентовые и пневматические сооружения, отличающиеся друг от друга способом предварительного напряжения мягкого ограждения.
Материалы МО представляют собой композиты (рис. 1) с тканой армирующей основой 1 из высокопрочных синтетических нитей и пленочного покрытия (матрицы) 2 из эластомеров или термопластов, которое служит для фиксации и защиты армирующей основы от воздействия атмосферных факторов, придавая герметичность и воздухонепроницаемость материалу. Для
* Работа выполнена в рамках реализации Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы (государственный контракт №П2462 от 19.11.2009 г.).
обеспечения прочной связи армирующей основы с покрытием между ними вводится адгезионный слой 3. Для повышения долговечности и декоративных свойств наносится финишное защитное покрытие 4.
4
3
1 2
Рис. 1. Элементарная ячейка (представительная зона) материалов МО
Для экспериментальных исследований атмосферного старения материалов МО в напряженно-деформированном состоянии были выбраны две группы композитов (табл. 1). К первой группе относятся материалы с покрытием различной толщины из пластифицированного ПВХ и полиэфирной (ПЭ) армирующей основой различных номеров ткани. Вторая группа материалов МО изготовлена из ткани на полиамидной (ПА) основе с эластомерным покрытием. Такой выбор материалов был сделан с целью выявления влияния толщины и состава покрытия на долговечность композита в условиях эксплуатации в атмосферных условиях. Материалы первой группы изготовлены на Ивановском заводе «Искож» и Ивановской НИИПИК каландровым методом. Вторая группа материалов МО была изготовлена на Уфимском заводе РТИ методом шпредингования.
Таблица 1
Материалы МО для экспериментальных исследований
№ Марка материала МО Производитель Армирующая основа Покрытие Общая толщина материала, мм
состав номер ткани состав толщина покрытия, мм
1 2 3 4 5 6 7 8
1 «Теза» Ивановский з-д «Искож» ПЭ ТЛ-80-РО пласти-фициро-ванный ПВХ 0,3 1,0
2 ТПЛ-60 -//- -//- ТЛ-бО-РО -//- 0,2 1,0
3 АПН Ивановский НИИПИК ПА ТЛ-20-ПМ2 0,15 0,7
4 Винил-искожа-Т Ивановский з-д «Искож» ПЭ 56240 -//- 0,1 0,7
5 8-421 Уфимский з-д РТИ ПА 56023 эластомер 0,3 0,8
6 8-99 -//- -//- -//- 0,05 0,3
Для обеспечения сопоставимости и строгой регламентации условий испытания исследования проводились по лабораторным режимам на разработанных нами методиках и установках [2, 3], где моделировались основные факторы, ответственные за старение материалов в сооружениях, такие как: УФ-радиация солнца; температура; влага; жидкие химически активные среды; механическая нагрузка. В лабораторных режимах энергетические значения климатических факторов были приведены к условному году. Параллельно образцы испытывались в натурных условиях на стендах крышной станции под воздействием естественных климатических факторов в том же диапазоне соотношений и уровней механических нагрузок. В процессе старения регистрировались деформации образцов и остаточная прочность по ортогональным направлениям.
Для представления экспериментальных данных необходимо было выбрать удобную для восприятия систему графического изображения, которая связала бы данные по изменению показателей эксплуатационных свойств с характером напряженного состояния материала при старении. В связи с этим принята схематизация графического построения. Соотношение нагрузок при испытании (степень двухосности - а), их векторы и уровни приведены в табл. 2. Кроме того, чтобы представить старение данного образца материала в обоих направлениях при заданном соотношении нагрузок в одной точке, кривые старения по основе и утку развернуты навстречу друг другу. К примеру (рис. 2), на линии, проведенной перпендикулярно оси абсцисс с точки 1:2, представляется остаточная прочность или остаточная деформативность материала после старения по основе и утку при старении под нагрузкой соответственно 5 % и 10 % от разрывной. Изменение свойств материала во времени изображается в трехмерной системе координат.
Таблица 2
Условные изображения направления и степени двухосного нагружения
Соотношение нагрузок по осям структурной симметрии материала (основа : уток) Степень двухосности - а 0 : 2 1 : 2 2 : 2 2 : 1 2 : 0
Удельная нагрузка от разрывной (основа : уток), % 0 : 10 5 : 10 10 : 10 10 : 5 10 : 0
Векторы соответствующего вида растяжения Л <= => V Л V Л V
Искривление нитей ткани ^ о ч- о &
Увеличение степени двухосности - а ' > < '
При испытаниях напряженно-деформированное состояние материалов охватывало весь реальный диапазон механических нагрузок в сооружениях - от одноосного по одному ортогональному направлению, через различные степени двухосности - a , до одноосного по другому ортогональному направлению материала.
Результаты экспериментальных исследований приведены на рисунках 2-4 и в таблице 3. На рис. 2а показано падение прочности материала при воздействии только температуры и механических нагрузок. При термосиловом старении, как и следовало ожидать, снижение прочности материала тем интенсивнее, чем больше нагрузка в данном направлении. При этом максимальное падение прочности происходит при увеличении степени двухосности (см. соотношение a =2:2 на рис. 1а). Простое объяснение такой закономерности термосилового старения материала можно найти из соотношений, приведенных в [5]:
Р0(2) = Р0(1) ■ «0 COS g0 (1),
Ру(2) = Ру(1) ■ nу -C°S УУ (2) где: P0(2), Ру (2) - прочность материала по ортогональным направлениям (по основе и утку соответственно) при двухосном напряженном состоянии;
Po(i), Pi) - прочность материала по ортогональным направлениям (по основе и утку
0(1)
соответственно) при одноосном напряженном состоянии;
n0, пу - плотность нитей на единицу ширины основы и утка материала;
cos 70, cos Yy - угол искривления нитей основы и утка в плоскости материала (см. снимок 1 в табл. 3).
Рис. 2. Падение прочности материалов мягких оболочек при воздействии эксплуатационных факторов в зависимости от соотношения нагрузок при старении
Из формул 1 и 2 следует, что в двухосно нагруженном материале напряжение в армирующих нитях всегда больше нагрузки, прикладываемой в данном направлении. Таким образом, при одинаковом уровне нагрузки с увеличением степени двухосности а возрастает искривление армирующих нитей, а вместе с тем, и напряжение в армирующих нитях. В итоге максимальное понижение прочности в обоих направлениях материала при термосиловом старении приходится на соотношение нагрузок а =2:2, то есть на область максимальных напряжений в нитях.
При дополнительном воздействии климатических факторов (в основном УФ-радиации солнца) механизм старения и разрушения материала резко изменяется. Максимальное падение прочности (рис. 1б) смещается на соотношения а =1:2 и а =2:1 соответственно по основе и утку материала. При соотношении а =1:2 (табл.2) материал старился при нагрузке 5 % (по основе) и 10 % (по утку) от разрушающей, а падение прочности произошло по этим направлениям на 35 % и 20 %
соответственно. Более того, в направлении, где образцы старились без нагрузки, так, например, при соотношении а =0:2 основа, а при соотношении а =2:0 уток не нагружены, а падение прочности происходит на 10 % и 20 % соответственно. Такое, на первый взгляд, парадоксальное явление удалось объяснить после изучения микрофотографий исходных и состаренных материалов.
Таблица 3
Микрофотографии исходных и состаренных образцов материалов мягких оболочек
№ снимка
Фото
Увеличение
Описание
1
4
х 10
Поперечное сечение исходного материала
х10
Поперечное сечение деформированного материала
х10
Поперечное сечение состаренного материала
х10
Поверхность материала после 1000 часов ускоренного старения
Поверхность материала после 15 лет старения на крышной станции
х10
х 3
Поверхность материала после 15 лет старения на крышной станции
2
3
1
2
3
4
5
6
Механизм старения и разрушения материалов мягких оболочек в напряженном состоянии под воздействием климатических факторов заключается в следующем. При двухосном растяжении композита, в результате кинематического взаимодействия ортогональных нитей тканой структуры происходит выпрямление более нагруженных и искривление менее нагруженных нитей (см. снимок 2 в табл. 3). Искривленные нити создают локальные зоны перенапряжений в пленочном покрытии, что, в свою очередь, приводит к увеличению скорости старения матрицы в этих зонах с образованием сквозных трещин (см. снимок 3-4 в табл. 2).
0:2 1:2 2:2 2:1 2:0
Соотношение нагрузок при старении
Рис. 3. Ползучесть материалов мягких оболочек при воздействии эксплуатационных факторов
в зависимости от соотношения нагрузок
В результате обнажаются искривленные нити армирующей основы и открывается доступ к ним УФ-радиации солнца, что, в свою очередь, приводит к резкому увеличению скорости старения материала в менее нагруженном направлении. Данный механизм старения и разрушения материалов мягких оболочек подтвердился и результатами экспериментов в натурных условиях (см. снимок 5-6 в табл. 2).
а р,%
Соотношение нагрузок при старении
Рис. 4. Падение прочности материалов мягких оболочек с симметричной структурой (а - по основе, б - по утку) при воздействии эксплуатационных факторов
Необходимо также отметить влияние исходной структуры на долговечность и работу материала в оболочках. Если сопоставить зависимости деформации материалов для различных соотношений нагрузок при старении (рис. 3) с зависимостью падения прочности при тех же соотношениях нагрузок (рис. 2в, 4), то наблюдается отрицательная корреляция между величиной деформации и остаточной прочностью в данном направлении. Долговечность материала в данном направлении тем ниже, чем выше деформации при эксплуатации в ортогональном направлении. Причем, если исходная искривленность армирующих нитей по ортогональным направлениям имеет одинаковый угол наклона, т.е. у о ~ уу, то поверхности ползучести и падения прочности по ортогональным направлениям (рис. 3а и 4) симметричны относительно друг друга. У материалов с несимметричной исходной структурой армирующих нитей при воздействии эксплуатационных
нагрузок появляются значительные (более 15 %) деформации в направлении большей исходной искривленности нитей и, соответственно, в значительном диапазоне соотношения нагрузок (рис. 3б) в ортогональном направлении появляются отрицательные деформации - материал сжимается. Соответственно отличаются и скорости старения материала в ортогональных направлениях. В направлении, где армирующие нити изначально были практически прямыми, при воздействии эксплуатационных нагрузок происходит их искривление, что приводит к появлению над ними локальных зон перенапряжений в матрице композита и разрушению материала по вышеуказанному механизму. Падение прочности материала в этом направлении (рис. 2в) в диапазоне соотношения нагрузок от a =0:2 до a =2:2 находится практически на одном уровне. Это говорит о том, что сквозные трещины в матрице композита в этом диапазоне соотношения нагрузок образовались примерно в одно время.
Выявленный в результате экспериментальных исследований механизм климатического старения и разрушения композиционных материалов данного типа в напряженном состоянии позволяет сделать следующие выводы.
1. Результаты экспериментальных исследований подтвердили и объяснили ранее приведенные в [1] замечания о том, что места разрывов материалов в мягких оболочках, как правило, не совпадают ни с одним из мест наибольших растягивающих усилий. Таким образом, возникает противоречие: оболочки разрушаются в тех местах, которые считаются не критическими, а теория мягких оболочек развивает расчетный аппарат для рассмотрения таких ситуаций, которые для оболочек не являются роковыми. Можно прийти к выводу, что задача о прочности мягких оболочек ставится конструкторами неточно или неполно. Из нее выпадает весьма существенный аспект - воздействие климатических факторов, что приводит к сложным изменениям свойств материалов во времени.
2. К сожалению, не все отечественные изготовители материалов мягких оболочек комплектуют свои технологические линии ширительными устройствами. При нанесении полимерной матрицы на тканую армирующую основу на каландрах или шпредингмашинах происходит выпрямление нитей основы и искривление нитей утка, а затем фиксация их в таком положении. В результате формируется композит с анизотропией физико-механических свойств, что создаёт дополнительные трудности при раскрое и формообразовании мягких оболочек.
Учитывая специфику эксплуатационных свойств материалов мягких оболочек, конструкторам и специалистам по монтажу и обслуживанию такого рода строительных сооружений можно предложить следующие рекомендации.
1. Для симметричных структур армирующей основы материалов (g о ~ g у ) при монтаже и эксплуатации мягких оболочек необходимо добиваться равных нагрузок по ортогональным направлениям материала. При таком соотношении нагрузок (см. рис. 2б) скорость старения материала минимальна и одинакова по ортогональным направлениям.
2. При использовании материалов с несимметричной структурой оболочку необходимо рассчитывать так, чтобы максимальные нагрузки приходились по направлению с меньшим искривлением армирующих нитей, что обеспечит понижение напряжений в полимерной матрице композита и тем самым будет способствовать повышению долговечности материала.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ермолов В.В., Берд У.У., Бубнер Э. и др. Прошлое, настоящее и будущее пневматических строительных конструкций // Пневматические строительные конструкции. - М.: Стройиздат, 1983. - 439 с.
2. Сулейманов А.М. Установка для моделирования воздействия эксплуатационных факторов на материалы мягких оболочек // Заводская лаборатория. Диагностика материалов. - М., 2005, Том 71, № 12. - С. 44-46.
3. Сулейманов А.М. Исследования эксплуатационных свойств композиционных материалов для мягких оболочек // Материалы докладов Академических чтений РААСН, посвященных 75-летию со дня рождения Ю.М. Баженова. Часть II. - Белгород, 2005. - С. 150-162.
4. Гогешвили А. А. Геометрическая структура ткани и ее влияние на прочность и деформативность // Сообщение ДВВИМУ. Вып. 25. - Владивосток, 1973. - С. 52-59.
