CC BY
101
Прогнозирование долговечности гидроизоляционных кровельных мембран на основе поливинилхлорида
М.А.Загородникова, В.П.Ярцев
В настоящее время на российском строительном рынке, кроме традиционных рубероида, толя и битума, появилось большое количество новых изоляционных материалов. При этом существенно улучшилось их качество, чему способствовало широкое использование различных полимерных композиций, позволяющих получать материалы с разнообразными свойствами. Актуальной научной проблемой в области полимерных кровельно-изоляционных материалов является исследование прочности и долговечности таких материалов с целью объективной технической оценки их эксплуатационной пригодности в строительстве и при ремонте.
Все большее применение в строительстве в последние годы находят пленочные гидроизоляционные материалы, которые обладают такими достоинствами, как возможность устройства без использования открытого пламени, высокая скорость монтажа, легкий вес при значительной площади покрытия, экологическая безопасность. Такие материалы принято называть кровельными мембранами. Главной их особенностью является большая ширина мембран — от 1 до 15 м, что позволяет заказывать покрытие оптимальной ширины и свести количество стыков и швов к минимуму. Наибольшее применение в строительстве нашли мембраны на основе термопластов — полиамидов, поливинилацетата, поливинилхлорида, фторопластов [1].
При эксплуатации кровельные мембраны подвергаются различным атмосферным и климатическим воздействиям. На их долговечность существенно влияют такие факторы, как неоднородность материала, перенапряжения, вызванные различным происхождением компонентов, дефекты при производстве и т.д. В связи с этим прогнозирование долговечности полимерных композиционных материалов целесообразно проводить с учетом термофлуктуационной концепции прочности, суть которой состоит в том, что при любых температурах механическое разрушение является происходящим во времени механотермическим процессом, реализуемым через элементарные акты разрыва межатомных связей. Время здесь увеличивает количество тепловых флуктуаций, необходимых для разрыва связей, а разрушение становится результатом необратимых изменений, которые накапливаются с момента приложения любой нагрузки и приводят к разрушению тела на части [2].
Процесс описывается уравнением, с помощью которого можно прогнозировать долговечность и время эксплуатации материала в широком диапазоне нагрузок и температур [3, 5]:
(1)
где тт — минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц: атомов, молекул, сегментов), с; П0 — максимальная энергия активации процесса разрушения, кДж/моль; у — структурно-механическая константа, кДж/ (моль-МПа); Тт — предельная температура существования твердого тела (температура разложения), К; Я — универсальная газовая постоянная, кДж/(моль-К); т — время до разрушения (прочностная долговечность), с; а — напряжение, МПа; Т — температура, К.
Мы проводили исследования прочности и долговечности кровельных мембран на основе поливинилхлорида торговой марки ПЛАСТФОИЛ®. Это первые гидроизоляционные полимерные мембраны, производимые в России способом экстру-дирования. ПВХ-мембраны ПЛАСТФОИЛ® изготавливают на заводе компании «Пеноплэкс» в городе Кириши Ленинградской области. Их используют для гидроизоляции кровель, подземных сооружений и тоннелей, искусственных водоемов, бассейнов, а также емкостей для хранения жидкостей.
Для испытаний были взяты образцы ПВХ-мембран трех различных видов: 1 — ЭКСТРАРУФ® FТ толщиной 1,5 мм с армированной сеткой из полиэстера; 2 — ПЛАСТФОИЛ® и толщиной 2 мм с неармированной сеткой из полиэстера; 3 — ПЛАСТФОИЛ® F толщиной 1,2 мм с армированной полиэфирной сеткой.
Наиболее опасным видом напряженного состояния, приводящим к разрушению мембран, является срез. Поэтому проводились кратковременные и длительные испытания образцов на срез на установке рычажного типа при заданных значениях напряжений и температур.
Для прогнозирования долговечности необходимо определить предельную прочность материалов [4]. Кратковременные испытания проводились при постоянной температуре 20°С. Для каждого из трех видов мембран было рассчитано разрушающее напряжение в МПа по формуле:
где Р - нагрузка, приложенная к образцу; ё - диаметр режущего пуансона; к - толщина образца.
Полученные результаты представлены в таблице 1.
Относительно разрушающих напряжений проводились дальнейшие длительные испытания образцов. При фикси-
рованных параметрах а и Т испытывали по пять образцов в одинаковых условиях и определяли время до разрушения. В результате были получены зависимости долговечности от напряжения при срезе (рис. 1-3).
На рисунках 1 и 3 зависимости долговечности ПВХ-мембраны представляют собой семейство прямых линий, образующих «прямой пучок» и сходящихся в одной точке -«полюсе». Такие материалы четко выявляют температурно-временную зависимость прочности. С повышением температуры уменьшается угол наклона прямой, то есть уменьшается долговечность при данном значении напряжения.
На рисунке 2 зависимости представляют собой семейство параллельных прямых. Это происходит потому, что
Рис. 1. Зависимость долговечности ПВХ-мембраны ЭКСТРАРУФ® FT от напряжения при срезе
Рис. 2. Зависимость долговечности ПВХ-мембраны ПЛАСТФОИЛ® U от напряжения при срезе
Рис. 3. Зависимость долговечности ПВХ-мембраны ПЛАСТФОИЛ® F от напряжения при срезе
наряду с химическими или межмолекулярными связями в материале образуются слабые дополнительные связи (ван-дервальсовы силы). При этом уравнение для долговечности принимает следующий вид:
где U - максимальная энергия активации разрушения; т* - минимальная долговечность (период колебания кинетических единиц - атомов, групп атомов, сегментов); ß -структурно-механический фактор; R - универсальная газовая постоянная; T - температура, К; т - время до разрушения (долговечность); а - прочность.
Дальнейшую обработку результатов мы производили графоаналитическим методом [2]. Полученные значения физических констант для исследуемых образцов ПВХ-мембран представлены в таблице 2.
На основании полученных результатов можно сделать вывод о возможности прогнозирования долговечности полимерных мембран на основе ПВХ с позиции термофлукту-ационной теории прочности твердых тел. Зная величины физических констант, по формуле (1) можно рассчитать долговечность, а также другие параметры работоспособности мембран на основе ПВХ (прочность и термостойкость) при заданных значениях напряжения, температуры и времени эксплуатации [2, 4]. В таблице 3 приведены значения долговечности исследуемых материалов при различных значениях напряжения и температуры.
Из таблицы 3 следует, что в идеальных условиях без воздействия различных факторов внешней среды материал может служить довольно долго. Однако при реальной его эксплуатации на долговечность существенно влияют перепады температуры, влажность, УФИ и другие факторы. Для получения наиболее точных значений долговечности необходимо еще провести ряд опытов по воздействию на материал теплового и ультрафиолетового старения, циклического замораживания и оттаивания, агрессивных сред, после чего по измененным значениям физических констант можно будет судить о влиянии на долговечность полимерных мембран внешних атмосферных и климатических воздействий. Дальнейшие исследования будут направлены на прогнозирование долговечности материала с учетом воздействия различных факторов внешней среды.
Литература
1. Игнатова О.А. Технология изоляционных строительных материалов и изделий: учеб. пособие: в 2 ч. Ч. 2. Тепло-и гидроизоляционные материалы и изделия. М.: Издательский центр «Академия», 2012.
2. Ратнер С.Б., Ярцев В.П. Физическая механика пластмасс. Как прогнозируют работоспособность? М.: Химия, 1992.
3. Регель В.Р. Кинетическая природа прочности твердых тел. М.: Наука, 1974.
4. Загородникова М.А. Оценка долговечности кровельных мембран на основе поливинилхлорида без учета внеш-
140
3 2015
4. Zagorodnikova M.A. Otcenka dolgovechnosti krovelnykh membran na osnove polivinilhlorida bez ucheta vneshnikh atmosfernykh i klimaticheskikh vozdeystviy // Problemy tekhnogennoy bezopasnosti i ustoychivogo razvitiya: sbornik nauchnykh statey molodykh uchenykh, aspirantov i studentov. Tambov: FGBOU VPO «TGTU», 2015. S. 188—191.
5. Yartsev V.P., Mamontov A.A., Mamontov S.A. Ekspluatatsionnye svoystva i dolgovechnost teplo-izolyatsionnykh materialov (mineralnoy vaty i penopolistirola) // Krovelnye i izolyatsionnye materialy. 2013. №1. S. 8-11.
Durability Prediction of Waterproofing Membrane Roof
on a Polyvinylchloride Basis.
By M.A. Zagorodnikova, V.P. Yartsev
This article evaluates the durability of waterproofing roofing membranes based on polyvinylchloride without external atmospheric and climatic influences from the perspective of the thermofluctuational strength theory. With
help of received graphs and values of physical constants we can predict operation roofing membranes with taking into account the external influences.
Ключевые слова: поли-винилхлорид, кровельные мембраны, долговечность, прочность, термофлуктуа-ционная теория прочности.
Key words: poLyvinyL-chLoride,roofingmembranes, durability, strength, thermofluctuational strength theory.
Таблица 3. Значения долговечности т при заданных значениях напряжения и температуры для ПВХ-мембран
Вид материала t, °С а, МПа 0 18 50
ПВХ-мембрана 0 527 42,7 3,6
ЭКСТРАРУФ® FT 0,5 374 29,6 2,1
1,5 мм, армированная 2 123 9,3 0,7
ПВХ-мембрана 0 70,2 18,1 1,5
ПЛАСТФОИЛ® U 0,5 48,6 11,9 0,9
2 мм,неармированная 2 14,7 2,9 0,1
ПВХ-мембрана 0 298 32,9 2,3
ПЛАСТФОИЛ® F 0,5 173 19,7 1,6
1,2 мм, армированная 2 89 3,5 0,5
них атмосферных и климатических воздействий // Проблемы техногенной безопасности и устойчивого развития: сборник научных статей молодых ученых, аспирантов и студентов. Тамбов: ФГБОУ ВПО «ТГТУ», 2015. С. 188-191.
5. Ярцев В.П., Мамонтов А.А., Мамонтов С.А. Эксплуатационные свойства и долговечность теплоизоляционных материалов (минеральной ваты и пенополистирола) // Кровельные и изоляционные материалы. 2013. №1. С. 8-11.
Literatura
1. Ignatova O.A. Tehnologiya izolyatsionnykh stroitelnykh materialov i izdeliy: ucheb. posobie: v 2 ch. Ch. 2. Teplo- i gidroizolyatsionnye materialy i izdeliya. M.: Izdatelskiy centr «Akademiya», 2012.
2. RatnerS.B., Yartsev V.P. Fizicheskaya mekhanika plastmass. Kak prognoziruyut rabotosposobnost? M.: Himiya, 1992.
3. Regel V.R. Kineticheskaya priroda prochnosti tverdykh tel. M.: Nauka, 1974.
Таблица 1. Определение разрушающего напряжения образцов ПВХ-мембран
Номер материала Диаметр режущего пуансона d, мм Толщина образца h, мм Средняя фактическая нагрузка Р , кг Среднее разрушающее напряжение с , МПа
1 13 1,5 92,1 15,04
2 13 2 104,1 12,75
3 13 1,2 87,3 17,85
Таблица 2. Значения физических констант для ПВХ-мембран
Вид материала Т , К т т / т*, с т* и0 / и, кДж/моль Y / ß, кДж/моль-МПа
ПВХ-мембрана ЭКСТРАРУФ® Г 1,5 мм, армированная 425,5 1,55-10-4 / - 248,3 / - 13,05 / -
ПВХ-мембрана ПЛАСТФОИЛ® U 2 мм, неармированная - - / 2,09 10-6 - / 57,9 - / 0,392
ПВХ-мембрана ПЛАСТФОИЛ® F 1,2 мм, армированная 574,7 8,13 10-7 / - 171,9 / - 6,387 / -
