Часть I. Особенности проектирования и расчета строительных конструкций с применением пластмасс

§ 1. Общие сведения о пластмассах

Пластические массы^* вырабатываются на основе полимерных веществ путем сочетания полимеров с другими материалами, называемыми наполнителями.

Полимеры производятся главным образом промышленным путем. По способу образования полимеры разделяются на несколько классов. К классу А относятся синтетические полимеры, возникающие в процессе полимеризации, происходящем без выделения побочных продуктов, и к классу Б - синтетические полимеры, ^получаемые ступенчатой полимеризацией или поликонденсацией, связанной с выделением побочных веществ. К классу В относятся переработанные природные полимеры (целлюлоза, казеин, масла и др.). Химизм образования полимера в значительной степени предопределяет его молекулярную структуру и зависящие от нее свойства.

С целью придания полимерам и основанным на них пластмассам тех или иных дополнительных свойств, при изготовлении их используются также различные вспомогательные вещества- пластификаторы, отвердители, стабилизаторы и другие, часть из которых может остаться в окончательном продукте.

^* (Менее распространенное название - пластики.)

Полимеры на различных стадиях образования называются также смолами.

При получении пластмасс используются самые разнообразные смолы и наполнители. По форме наполнитель может быть зернистым, волокнистым, а также иметь более сложное строение и состоять из непрерывных нитей, стержней, ткани, шпона, армирующих сеток. По весу и объему наполнитель может превосходить полимерную часть, однако без нее самостоятельного значения не имеет. В крайнем случае наполнитель может вообще отсутствовать, тогда пластмасса целиком составляется из полимера.

В настоящее время в массовом строительстве пластмассы применяются главным образом в сочетании с другими конструкционными материалами. К строительным конструкциям с применением пластмасс относятся такие, в которых за пластмассами сохраняется преимущество по объему, весу или у которых

отдельные наиболее важные элементы сделаны целиком из пластмасс. Причем во всех этих случаях пластмассы имеют конструкционное назначение, т. е. выполненные из них элементы воспринимают некоторую долю общей нагрузки (силы). Пластмассы, используемые в качестве отделочных, изоляционных и кровельных материалов, силового назначения не имеют и названия основной несущей конструкции не изменяют.

Применяющиеся в строительстве конструкционные пластмассы получили свои названия по материалу наполнителя. Стеклопластики производятся из стеклянного волокна диаметром от 10 до 30 мк, сочетаемого с полимерами различными способам" (рис. 1). Древесные пластики получают из переработанной древесины: шпона, бумаги, стружек, древесной массы и т. д. Наполнителями для пластбетона являются песок, щебень, гравий и другие раздробленные горные породы, используемые в качестве заполнителей при получении обычных бетонов на цементной основе (рис. 2). Для полимерной основы перечисленных пластмасс используются обычно термореактивные смолы класса Б. Эти смолы, отвердев, не размягчаются с повышением температуры. В меньшей степени для получения строительных конструкционных пластмасс используются полимеры класса А, являющиеся термопластичными. Термопластичность связана с малым сопротивлением влиянию тепла, под действием которого полимер может обратимо размягчаться, что для строительных конструкций является нежелательным. Термопластичные пластмассы состоят почти целиком из полимера, наполнитель не играет важной роли, а иногда вообще отсутствует. Поэтому термопластичные пластмассы получают свое название по полимерным основам. В строительных конструкциях находят применение: винипласт (поливинилхлорид), поделочное органическое стекло (полиметилметакрилат), полистирол (рис. 3), полиэтилен, полипропилен, поликарбонат и т. д. ^*. Полимеры иногда армируются металлическими или капроновыми сетками и в этом случае называются армированными пластиками.

^* (Подробное описание конструкционных пластмасс приводится в § 2.)

Рис. 1. Наполнители пластмасс, получаемые на основе стеклянного волокна; а - стекложгут и стеклонить; б - стеклошпон и стекломат; в - стеклохолст и стеклоткань

Рис. 2. Образец пласт-бетона. В изломе виден наполнитель из гранитного щебня

Рис. 3. Примеры пластмасс, состоящие целиком из полимера: а - оргстекло; б - полистирол

Особую группу пластмассовых материалов составляют пенопласты и поропласты, представляющие вспененный полимер с наполнителем или без него (рис. 4). Пенопласты производятся обычно из технически чистых полимеров путем добавки к ним вспенивающих веществ (порофоров) или при механическом вспенивании. Их основные функции - ограждение и изоляция. Но во многих случаях наиболее прочные сорта пенопластов воспринимают также силовые воздействия, выполняя таким образом наряду с ограждающими и конструкционные функции.

Рис. 4. Пенопласт и поропласт: а -, конструкционные пенопласты; б - изоляционный поропласт (пороизол)

К конструкционным пластмассам относятся также пленки и ткани, пропитанные или покрытые полимерами. Они используются в совершенно новых по характеру строительных конструкциях, называемых пневматическими. Пленки получаются обычно из "чистых", т. е. не имеющих наполнителя полимеров: амидопластов, полиэтилена и поливинилхлорида. Ткани вырабатываются или из естественных волокон, или (что лучше) из синтетических волокон - капрона и лавсана. Пропитка и покрытие тканей выполняются из поливинилхлорида, каучука и других полимерных материалов.

Таким образом, несмотря на обилие марок, число основных групп конструкционных строительных пластмасс относительно невелико, оно исчерпывается следующими видами: стеклопластики, древесные пластики, пластбетоны, термопласты, пенопласты, ткани и пленки, причем последние две группы являются производными.

Конструкционными пластмассами можно считать также синтетические клеи, поскольку выполненный из них клеевой шов органически входит в состав конструктивного элемента, включаясь в общую его работу. Клеевой шов в отвержденном состоянии является сам по себе типичной пластмассой. От пластмассы синтетический клеевой шов отличается функциональным назначением. Он предназначен в основном для соединения элементов конструкций и восприятия возникающих в связи с этим сдвигающих или разрывных усилий.

Применение пластмасс в несущих строительных конструкциях предопределяется в первую очередь их механическими свойствами, из которых решающими являются прочность и деформативность ("жесткость"). Ввиду большого разнообразия пластмассы имеют самую различную прочность, изменяющуюся от 10 000 кГ/см² до 1 кГ/см². За счет наполнителя, его вида, предварительной обработки и способа введения прочность даже одного вида пластмассы может изменяться в очень широких пределах.

Основным показателем деформационных свойств материала является модуль упругости. Пластмассы имеют модули упругости, изменяющиеся в пределах от 500 000 кГ/см² до нескольких десятков кГ/см². Малая жесткость и соответственно большая де- формативность пластмасс для строительных конструкций является отрицательным качеством. Положение осложняется еще и тем обстоятельством, что пластмассы обладают повышенной ползучестью, в результате которой деформативность их увеличивается в еще большей степени, а прочность уменьшается.

Ползучесть пластмасс проявляется наиболее очевидным образом под действием постоянных нагрузок, называемых также длительными. С течением времени деформация загруженного пластмассового элемента увеличивается по сравнению с первоначальной иногда в несколько раз, а если нагрузка достаточно велика, то может произойти и разрушение. У конструкционных пластмасс ползучесть имеет затухающий, ограниченный характер. Это значит, что для них имеются такие длительные нагрузки, под воздействием которых ползучесть приводит только к увеличению деформаций, а разрушения не происходит. Наибольшее значение напряжения от длительной нагрузки, под воздействием которой разрушение не наступает, как бы долго нагрузка ни действовала, называется длительной прочностью. Для строительных конструкций учет длительной прочности не менее важен, чем учет предела прочности, получаемого при кратковременном воздействии нагрузки.

При постоянных нагрузках (дающих промежуточное между пределом прочности и длительной прочностью значение напряжений) со временем происходит разрушение элемента, причем оно наступает тем скорее, чем меньше возникающее напряжение отличается от предела прочности. Эти напряжения называются временным сопротивлением, или временной прочностью. График напряжений от разрушающей постоянной нагрузки в зависимости от продолжительности ее действия ("периода" разрушения) называется кривой длительного сопротивления. Если при построении этого графика по оси ординат откладывать не абсолютные значения разрушающих напряжений, а их отношения к пределу прочности, то будет получена кривая коэффициента длительного сопротивления - К_дс (рис. 5). У конструкционных пластмасс коэффициент длительного сопротивления изменяется от единицы до минимального значения, называющегося коэффициентом длительности.

При напряжениях, меньших длительной прочности, увеличение деформаций с течением времени происходит за счет образования в процессе ползучести главным образом неупругих деформаций. Но если зависимость полных деформаций от напряжений остается все время линейной,что бывает у большинства конструкционных пластмасс, то подобно модулю упругости, на любой момент времени, может быть вычислен коэффициент пропорциональности между напряжениями и деформациями, который называется временным модулем деформаций. В процессе ползучести величина временного модуля деформаций изменяется от модуля упругости до минимального значения, называемого длительным модулем деформаций. Отношение временного модуля деформаций к модулю упругости называется временным деформационным коэффициентом - n_вр. График временного деформационного коэффициента конструкционных пластмасс показан на рис. 5. В зависимости от продолжительности действия постоянной нагрузки, временной коэффициент изменяется от единицы до минимального значения, называемого, длительным деформационным коэффициентом.

Существуют пластмассы (и другие материалы), у которых ползучесть не прекращается никогда, даже при очень малых значениях нагрузки. В процессе ползучести у них развиваются в основном деформации вязкого типа, поэтому такие пластмассы называются вязкотекучими. Графики прочностного и деформационного коэффициента у вязкотекучих пластмасс, построенные в зависимости от времени, стремятся к оси абсцисс, так как длительная прочность и длительный модуль деформаций у них равны нулю. В качестве конструкционных вязкотекучие пластмассы имеют ограниченное применение. Однако если процесс ползучести вязкотекучей пластмассы совершается с малой скоростью, то применение ее в несущих конструкциях все же возможно. Примером вязкотекучей конструкционной пластмассы является поделочное органическое стекло.

Рис. 5. Общий вид графиков коэффициента длительного сопротивления - K_дс и временного деформационного коэффициента - n_вр

Общепризнанной характеристикой механических свойств материалов являются диаграммы механических испытаний, получаемые в лабораторных условиях на малых образцах при возрастающем загружении. Вследствие разнообразия пластмасс диаграммы их механических испытаний имеют также весьма разнообразный вид.

У однонаправленных стеклопластиков, например, это прямые, у термопластов - плавные кривые параболического характера, у некоторых пластмасс диаграммы имеют местные максимумы и горизонтальные площадки, отвечающие пределу текучести, как у стали. Однако у большинства конструкционных пластмасс диаграммы имеют вид плавной кривой (рис. 6, а), которую на некотором протяжении от начала координат можно принимать за прямую. Как и у других материалов, напряжение в точке перехода от прямой к кривой называется пределом пропорциональности, а напряжение в точке максимума диаграммы - пределом временной прочности.

При длительном действии нагрузки у большинства пластмасс "диаграмма" механических испытаний имеет вид прямой (рис. 6,6). Ее получают по другой методике путем выдерживания под постоянной нагрузкой различной величины нескольких одинаковых образцов до полного прекращения деформирования (процесса ползучести). Между линиями а и б возможны промежуточные линии переходного характера, отвечающие среднему между кратковременным и длительными режимами загружения.

Прочность и деформативность пластмасс, кроме продолжительности действия нагрузки, зависит также от многих других факторов: температуры, влажности, химической агрессии и т. д.

Влияние всех условий эксплуатации будущих конструкций, отличающихся от условий, в которых проводились лабораторные определения характеристик прочности и деформативности, учитывается коэффициентом условий работы. Коэффициентами условий работы учитываются также особенности самой конструкции (форма сечения, тип соединения и т. д.). Коэффициент условий работы у пластмасс колеблется в пределах от 0,5 до 1,0.

Отклонения прочности и деформативности пластмасс от среднего значения, вызванные колебаниями в ее составе, различиями в условиях изготовления (температуры, давления и т. д.), обусловливающими неоднородность пластмассы, зависящую также и от размеров элемента, учитываются коэффициентом однородности. Коэффициент однородности всегда меньше единицы, так как с его помощью определяются наименьшие значения показателей, повторяющихся с заданной степенью вероятности.

Рис. 6. Диаграммы механических испытаний конструкционных пластмасс: а - кратковременное возрастающее загружение; б - длительное действие постоянной нагрузки

Многие пластмассы анизотропны, т. е. имеют в разных направлениях различные свойства. Анизотропия ярко выражена у слоистых пластиков. При использовании пластмассы в строительных конструкциях анизотропия их должна учитываться на основе данных специальных лабораторных испытаний.

Из других механических свойств пластмасс наибольшее практическое значение имеют ударная прочность, твердость, истираемость, обрабатываемость (механическая, сварка, склеивание). Все они в большей степени зависят от вида полимера и наполнителя и изменяются в широких пределах.

Очень большое практическое значение имеет стойкость пластмасс против химической агрессии (см. приложение 1). Высокая сопротивляемость пластмасс разрушающему действию агрессивных агентов: кислот, щелочей, органических растворителей, нефтепродуктов, морской, минеральной и дистиллированной воды, экономически оправдывает их применение даже в том случае, когда они значительно дороже других материалов, требующих антикоррозийной защиты.

Химическая стойкость пластмасс объясняется химической инертностью их полимерной основы. Стойкость может снизиться за счет наполнителя. Сами полимеры под длительным воздействием агрессивной среды стареют. Все эти обстоятельства при проектировании коррозиестойких конструкций также необходимо учитывать.

Пластмассы, за исключением древесных плит: волокнистых - ПВ и стружечных - ПС и бакелизированной фанеры (см. § 2), не имеют капилляров и поэтому водонепроницаемы. Однако многие из них влагоемки, т. е. влага и водяные пары могут все же проникать в толщу материала диффузионным способом. Во всех случаях вода и влага ухудшают в различной степени свойства пластмасс.

Полимеры малотеплопроводны (см. приложение 2). Если наполнитель выполнен из малотеплопроводного материала, то малотеплопроводна и пластмасса. Особенно малотеплопроводны пенопласты, у которых наполнителем можно считать неподвижный газ или воздух, заполняющий замкнутые поры. Но большинство пластмасс имеет значительное температурное расширение.

Недостатком пластмасс является малая термостойкость. Термопластичные полимеры размягчаются при нагревании, причем температура размягчения у них невысока (80-170°). Термореактивные полимеры хотя и не размягчаются, но при повышении температуры их прочность и жесткость уменьшаются, а при нагреве до 180-270° они разлагаются. Соответствующим образом ведут себя основанные на них пластмассы.

Многие полимеры горят. Самозатухающие полимеры перестают гореть при выносе их из зоны огня.

Морозостойкость пластмасс (за немногими исключениями) для применения их в несущих конструкциях вполне достаточна.

Звукопроводность полимеров незначительна. Звукопроводность пластмасс зависит от наполнителя.

Полимеры, как правило, радиопрозрачны. Существуют полимеры различной светопроницаемости. Обычная светопроницаемость сопровождается проницаемостью ультрафиолетового излучения.