CC BY
51
строительные материалы и конструкции
Принципы разработки методов ускоренных испытаний на долговечность полимерных строительных материалов
A.M. Сулейманов
Одним из главных методов прогнозирования долговечности полимерных строительных материалов (ПСМ) является моделирование условий их эксплуатации в лабораторных условиях. В основе этих методов лежит принцип трансформации энергетических значений факторов, ответственных за старение и разрушение ПСМ, в адекватные лабораторные режимы, которые, в свою очередь, должны вызвать те изменения в материале, которые происходят в процессе их хранения или эксплуатации.
Основными этапами разработки методов ускоренных испытаний являются следующие.
1. Разработка карты эксплуатации. На этом этапе:
— выявляются основные факторы, ответственные за старение и разрушение материалов;
— оцениваются энергетические значения факторов и характер их воздействия;
— выявляется механизм старения и разрушения материалов под воздействием этих факторов;
— составляется карта эксплуатации.
2. Трансформация энергетических значений эксплуатационных факторов в усиленные искусственные лабораторные режимы.
Теоретическими предпосылками данного этапа являются:
— уравнение Аррениуса для описания температурной зависимости срока службы в следующем виде:
тп R Гп Г,
(1)
602
2010
ной температурой по следующему соотношению (Б.Д. Гойхман, Т.П. Смехунов):
Тэ = L
El
R
In
1 n
— Z At • exp т0 н
(
Jj_
RT,
-1
(2)
Долговечность ПСМ в поле механических сил описывается уравнениями Журкова (для жестких полимеров):
т = T0exp[(U - уо)/кГ],
(3)
или Бартенева—Брюхановой (для высокоэластических полимеров):
т = c"B£xp(U/KT).
(4)
Суммирование нарушений, возникающих в ходе старения, называемое также принципом суперпозиции описывается при помощи уравнения Бейли:
J
dt
т„(Х(0)
= 1,
(5)
где Т0(Х) — функция, характеризующая связь между сроком службы материала и условиями эксплуатации при постоянном X, аТ0(Х(т)) — та же функция, в которую в качестве аргумента поставлена изменяющаяся во времени характеристика условий эксплуатации X(/).
Трансформация энергетического значения УФ-радиации в лабораторные режимы производится следующей формулой:
где Тл — продолжительность условного года в лабораторном масштабе времени; Т0 — интервал времени, на котором определена эквивалентная температура Тэ; Тл — температура в лабораторных испытаниях, которая на отрезке времени Тл адекватна эксплуатационным температурным воздействиям на отрезке времени Т0; Е. — коэффициент, характеризующий зависимость скорости изменения показателей свойств материалов от температуры при старении, ккал/моль; R — универсальная газовая постоянная, равная 1,987-10-3 ккал/моль.
Причем нестационарность воздействия температуры в условиях эксплуатации трансформируется в лабораторные режимы так называемой эквивалент-
Оэ
In
(6)
где Оэ — годовая сумма УФ-радиации, Вт • час/м2; 1л — интенсивность лабораторного источника УФ-радиации, Вт/м2.
Все выше указанные формулы приведены в их классическом виде. Разумеется, в каждом конкретном случае для определенного материала и условий эксплуатации их надо преобразовывать, чтобы получить соотношения для инженерного метода расчета.
Главной задачей лабораторного моделирования условий эксплуатации является максимальное сокра-
3
строительные материалы и конструкции
щение времени оценки долговечности изделии, то есть получение максимального коэффициента ускорения испытании к = Т0/Тл- Но при этом необходимо обеспечить единство механизма старения и разрушения материала в натурных и лабораторных условиях. Только при соблюдении этого условия можно корректно прогнозировать их срок службы. В то же время производители и потребители материалов хотят за максимально короткое время получить информацию о долговечности своего изделия, а испытательные и сертификационные центры проводят испытания в необоснованно сжатые сроки, ужесточая лабораторные режимы. А наука, руководствуясь выше названными принципами, на сегодняшниИ день, не может, как в поговорке — «собрать девять женщин, чтобы родить ребенка за 1 месяц».
В данноИ ситуации, на наш взгляд, дальнеИшие экспериментально-теоретические исследования в области прогнозирования долговечности или оценки срока службы ПСМ должны идти в двух направлениях.
Но сначала необходимо привести определения двух понятиИ — долговечности и срока службы, которые обычно трактуются как синонимы.
Долговечность — свойство элемента или системы длительно сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при определенных условиях эксплуатации;
Срок службы — период времени от начала эксплуатации элемента или системы до достижения ими предельного состояния.
Соответственно должны отличаться друг от друга и методы испытании на долговечность и срок службы. Если о долговечности материала можно судить по таким показателям, как морозо-, термо-, водо-, влагостоИкость, стоИкость к агрессивным средам, начальным механическим характеристикам (о, Е, е), то для оценки срока службы материалов необходимо создавать методы, которые будут учитывать комплексное воздеИствие эксплу-тационных факторов.
Первое направление экспериментально-теоретических исследованиИ должно развивать работу по разработке методик (стандартов), базируясь на выше приведенных классических подходах. Для этого необходимо продолжить:
— фундаментальные исследования по выявлению механизмов старения и разрушения основных
классов полимеров и ПСМ на их основе с классифи-кациеИ возможных механизмов;
— экспериментально-теоретические исследования по выявлению кинетики изменения эксплуатационных своИств основных классов полимеров и ПСМ на их основе и их классификации. При этом большое значение имеет выявление качественноИ картины, чтобы можно было подключить математическиИ аппарат для прогнозирования — экстраполяции лабораторных режимов во времени.
Результатами первого направления будут методики по оценке срока службы ПСМ, которые достаточно длительны.
Второе направление экспериментально-теоретических исследованиИ должно быть направлено на разработку «укороченных» методик испытаниИ. По этим методам будут прогнозировать не срок службы, а долговечность или климатическую устоИчивость материала, например, в категориях или баллах клима-тическоИ устоИчивости.
Принципы разработки методов ускоренных испытаний на долговечность полимерных строительных материалов
Излагаются принципы разработки методов ускоренных испытаний полимерных строительных материалов, основанных на принципах трансформации энергетических значений факторов, ответственных за старение и разрушение этих материалов.
Principles of development of methods of the accelerated tests for durability of polymeric building materials
by A.M.Sulejmanov
Principles of development of methods of the accelerated tests of polymeric building materials on the durability, based on principles of transformation of energy factors responsible for ageing and destruction of these materials are stated.
Ключевые слова: Полимерные строительные материалы, долговечность, срок службы, старение, ускоренные испытания.
Key words: Polymeric building materials, durability, service life, ageing, accelerated tests.
2010
603
3
