Основные виды конструкционных Пластмасс, их свойства и области применения

В строительстве наибольшее применение нашли стек­лопластики и древесные пластики. Стеклоплас тики пред-ставляют собой пластмассы, состоящие из стеклянного наполнителя и связующего. В качестве последнего ис­пользуют обычно ненасыщенные полиэфирные, эпоксид­ные и фенолоформальдегидные смолы, а также некото­рые термопласты. Наполнители в настоящее время используются главным образом стекловолокнистые, свойствами которых во многом определяются физико-механические характеристики стеклопластиков.

Стеклянное волокно является для стеклопластика своеобразной арматурой подобно металлу в железобе­тоне. Смола выполняет роль связующего и в то же время защищает стеклянные волокна от влияния внешней сре­ды и способствует равномерному распределению уси­лий, возникающих в них, По химическому составу стекло, из которого выра­батывают волокна, может быть щелочным с содержани­ем окиси натрия 5—15 % и малощелочным с меньшим его содержанием. Прочность щелочного стекловолокна ниже прочности малощелочного и в значительно большей степени снижается прилувлажнении. В связи с этим для изготовления стеклопластиков применяют малощелоч­ное стекловолокно.

Стекловолокно получают следующим образом (рис. 1.22). Расплавленная в печи стеклянная ыасса, проходя через фильерные отверстия на дне печи, образует капли, которые увлекают за собой тонкие волокна; Затем эти волокна наматываются на вращающийся барабан.

Во время выработки стеклянные волокна следует замасливать — наносить на их поверхность смеси орга­нических или элементоорганических веществ из распла­ва, раствора или эмульсии (рис. 1.22). Однако замасли-ватели значительно снижают адгезию связующего к стеклянному волокну, поэтому в дальнейшем за мае ли-ватель со стекловолокна (если это необходимо) удаля­ют и наносят новое покрытие — аппрет, которое спо­собствует лучшему совмещению стекла и связующего.

Применяют три вида замасливателей — парафино­вый, парафиновую эмульсию и спиртоканифольный. В качестве аппретирующих веществ используют главным образом органосилановые со,единения.

Стеклянное волокно имеет все положительные ка­чества, присущее стеклу — негорючесть, высокую тепло­стойкость, плотность, прозрачности, а также хорошие механические показатели. Так, прочность малощёлбчнр-№ волокна диаметром 6 мк превышает 2 ГПа_, а модель Упругости достигает 70 ГПа.

Непрерывные волокна, получаемые из расплава мас­сивного стекла, приобретают новые качества, наиболее важные из которых гибкость и высокая прочность при растяжении.

Первичные стеклянные нити получают непосредст­венно при выработке непрерывного волокна. Их приме­няют в основном для изготовления пресс-материалов, вырабатываемых на тех же предприятиях, где произво­дится стекловолокно, так как транспортирование пер­вичных нитей затруднено. На основе первичных нитей производят пресс-материалы типа АГ-4С (ЛОС, АГ-4нС), а также СВАМ (в последнем случае выработка первич­ной нити совмещается с получением композиционного материала). Первичные нити служат исходным сырьем для получения также крученых нитей, стекложгутов и стеклохолстов (стеклом атов).

Тканые стекловолокнистые материалы благодаря их хорошим технологическим свойствам широко использу­ются в производстве изделий из стеклопластиков. Ком­позиции на основе стеклотканей и связующих называ­ются стеклотекстолитами.

Пресс-материалы. Принцип получения стеклопласти-кового пресс-материала состоит в совмещении различ­ными способами связующего и стекловолокнистого на­полнителя, в результате чего образуется композиция, удобная для дальнейшей переработки в изделие мето­дом прямого или литьевого прессования.

Пресс-материалы типа СВАМ. СтекловолокнИстый анизотропный материал (СВАМ), являющийся одним из первых отечественных стеклопластиков, получают не­посредственно при выработке первичной стеклонити, применяя связующее в качестве замасливателя.

Стеклоплавильное устройство с фильерной пласти­ной совершает возвратно-поступательное движение вдоль оси приемного устройства — барабана диаметром 1 м, длиной 3 м, на который наматываются нити (рис. 1.23).

После намотки определенного числа слоев пропитан­ной нити однонаправленный материал срезают. В раз­вертке он представляет собой квадратный лист разме­ром 3X3 м². Повернув лист на 90° относительно оси барабана и вновь его закрепив, также наматывают необ­ходимое число слоев пропитанной нити. Таким образом получается стеклошпон с взаимно перпендикулярным расположением волокон. После сушки до определенного содержания летучих веществ стеклошпон перерабатыва­ют в изделия методом прямого прессования.

Пресс-материалы типа АГ-4С представляют собой однонаправленную ленту, получаемую на основе круче­ных стеклянных нитей и анилино-фенолоформальдегид-ной смолы, модифицированной бутваром (Р-2М).

Определенное число крученых стеклонитей сматыва­ется со шпуль, установленных на шпулярнике, и, сбли­жаясь, формируется в ленту, которая направляется в пропиточную ванну. Затем она попадает в сушильное устройство и после удаления растворителя наматывает­ся в рулоны на приемном устройстве (рис. 1.24).

В последние годы начали выпускать пресс-материал типа АГ-4нС, отличающийся от материала АГ-4С видом наполнителя. В качестве наполнителя здесь используют первичные стеклянные нити номера 22—24 м/г (диаметр элементарного волокна 9—11 мк). Физико-механические свойства пресс-материала типа АГ-4нС несколько выше, чем у материала типа АГ-4С; кроме того, он дешевле последнего.

В отличие от пресс-материалов типа АГ-4С на осно­ве крученых нитей ленточные пресс-материалы на осно­ве первичных нитей иногда называют ЛОС (лента од­нонаправленная стеклянная).

Пресс-материалы типа АГ-4С предназначены для по­лучения высокопрочных изделий методом прямого прес­сования или намотки.

Пресс-материалы типа АГ-4В представляют собой стекловолокнит, получаемый на основе срезов первич­ной стеклонити и смолы Р-2М. Специально подготов­ленный стекловолокнистый наполнитель смешивают с фенолоформальдегидной смолой в смесителях. Затем по­лученный продукт выгружают и сушат. Пресс-материал типа АГ-4В поставляют в виде волокнистой массы или в таблетированном виде. Подобным образом готовят во-локниты других типов на основе различных связующих. Режимы прессования определяют заранее в зависимости от вида и толщины изделия.

Для обычных или модифицированных фёнолофор-мальдегидных смол давление прессования должно со­ставлять не менее 10 МПа, максимальная температура прессования 140—150°С, продолжительность выдержки 3—4 мин на 1 мм толщины получаемого изделия.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что использование стеклопластиков в строительстве имеет немало технико-экономических преимуществ, благодаря которым они используются в строительстве главным об­разом в виде ограждающих конструкций (стеновые и кровельные панели), несущих строительных конструк­ций, архитектурно-строительных деталей и изделий, са-нитарно-технических изделий, декоративно-облицовочных материалов, арматуры и опалубки для бетонных конст­рукций.

В качестве ограждающих конструкций из листовых стеклопластиков наибольшее применение нашли плоские и волнистые полиэфирные стеклопластики, бесцветные или окрашенные в различные цвета. Такие материалы используются в большинстве случаев для покрытия про­мышленных зданий и сооружений.

Большое распространение в промышленном строи­тельстве индустриальных районов, где такие материалы, как листовая сталь или асбестоцементные листы, быст­ро подвергаются коррозии и разрушаются вследствие влияния агрессивных газов, получают кровельные стек-лопластиковые материалы.

У нас в стране в настоящее время выпускают гладкие и волнистые листы из стеклопластиков на основе смолы ПН-1. Эти материалы имеют удовлетворительные физи­ко-механические свойства, небольшой объемный вес, светопрозрачность и хороший внешний вид. Их исполь­зуют для устройства световых фонарей, покрытий про­мышленных и общественных зданий (летних павильо­нов, кафе и т.д.), навесов, балконных ограждений, стеновых панелей и перегородок.

Плоские и волнистые листы из стеклопластиков (не­прозрачные и прозрачные) целесообразно применять при строительстве взрывоопасных помещений, а также зда­ний и сооружений, расположенных в сейсмических районах. Такие синтетические материалы при разрушении не дают осколков и имеют небольшую массу по сравне­нию с другими строительными материалами.

Стеклопластики на полиэфирных смолах применяют для стеновых и кровельных панелей неотапливаемых зданий, трехслойных панелей, различных профильных изделий, а также в качестве защитного покрытия желе­зобетонных конструкций, подвергающихся воздействию агрессивных сред, а также периодическим заморажива­нию и оттаиванию, например градирен. Защитное покры­тие в этом случае наносят на поверхность элементов методом контактного формования или напылением. Дол­говечность железобетонных конструкций с защитным покрытием увеличивается в несколько раз.

Волнистый стеклопластик на полиэфирных смолах нашел широкое применение в нашей стране в качестве обшивки башенных и вентиляторных градирен.

В строительстве промышленных, общественных и сельскохозяйственных зданий и сооружений прозрачные листовые кровельные материалы из стеклопластиков в сочетании с другими кровельными и стеновыми материа­лами используются для устройства отдельных прозрачных участков кровли И¹ стен. Благодаря применению прозрачных стеклопластиков стало возможным значи­тельно упростить конструкцию фонарей многопролет­ных промышленных зданий.

Погонажные элементы, изготовленные из стекло­пластика типа АГ-4С, могут найти применение в конст­рукциях ферм, прогонов, решетчатых стоек и т.д. Тех­нология изготовления этих изделий, разработанная в МИСИ им. В. В. Куйбышева, позволяет получать на прессах погонажные изделия практически любого попе­речного сечения и любой длины. Несущие конструкции, изготовленные из таких профилей, целесообразно при­менять в сооружениях, которые подвержены действию агрессивных сред, а также «в радиопрозрачных», немаг­нитных, электроизоляционных и других сооружениях специального назначения.

Практическая возможность применения несущих кон­струкций из пластмасс в различных областях строитель­ства подтверждена многочисленными примерами осу­ществленных сооружений во многих странах мира.

Наиболее эффективными конструкциями из пласт­масс являются пространственные конструкции в виде оболочек покрытия, в которых благодаря рациональной геометрической форме в значительной степени компен­сируется такой недостаток пластмасс, как повышенная деформативность вследствие относительно низкого мо­дуля упругости.

В оболочках покрытий благодаря совмещению несу­щих и ограждающих функций материал используется как правило более выгодно, чем в плоских конструкци­ях. В пространственных конструкциях при одних и тех же пролетах возникают значительно меньшие изгибаю­щие моменты, чем в плоских. Относительный недоста­ток пространственных конструкций — их более сложный монтаж, особенно конструкций, состоящих из криволи­нейных элементов. Из пластмасс, используемых для из­готовления пространственных конструкций, преимущест­венное распространение получили стеклопластики и пенопласты.

8.

Предел прочности древесины при растяжении вдоль волокон в стандартных чистых образцах (влажностью 12%) высок — для сосны и ели он в среднем 100 МПа. Модуль упругости 11—14 ГПа. Наличие сучков и при-сучкового косослоя значительно снижает сопротивление растяжению. Особенно опасны сучки на кромках с вы­ходом на ребро. Опыты показывают, что при размере сучков 'А стороны элемента предел прочности составля­ет всего 0,27 предела прочности стандартных образцов. Отсюда видно, насколько важен правильный отбор дре­весины по размерам сучков для растянутых элементов конструкций.

При ослаблении деревянных элементов отверстиями и врезками их прочность снижается больше, чем получа­ется при расчете по площади нетто. Здесь сказывается отрицательное влияние концентрации напряжений у мест ослаблений. Опыты показывают также, что прочность при растяжении зависит от размера образца; прочность

крупных образцов в результате большей неоднородности их строения меньше, чем мелких.

При разрыве поперек волокон вследствие анизотроп­ности строения древесины предел прочности в 12— 17 раз меньше, чем при растяжении вдоль волокон. Следствием этого является большое влияние косослоя, при котором направление усилия не совпадает с направ­лением волокон. Чем значительнее косослой, тем боль­ше составляющая усилия, перпендикулярная волокнам, и тем меньше прочность элемента. Косослой — второй по значимости порок," величина которого в растянутых эле­ментах должна строго ограничиваться.

Диаграмма работы сосны на растяжение (рис. 1.11), в которой по оси абсцисс откладывается относительная деформация е, а по оси ординат относительное напря­жение ф, выраженное в долях от предела прочности (так называемая приведенная диаграмма), при ф=0,5 имеет незначительную кривизну и в расчетах может приниматься прямолинейной. Значение ф = 0,5 рассмат­ривается при этом как предел пропорциональности.

Испытания стандартных образцов на сжатие вдоль волокон дают значения предела прочности в 2—2,5 раза меньшие, чем при растяжении. Для сосны и ели при влажности 12% предел прочности на сжатие в среднем 40 МПа, а модуль упругости примерно такой же, как при растяжении. Влияние пороков (сучков) меньше, чем при растяжении. При размере сучков, составляющих '/з сто­роны сжатого элемента, прочность при сжатии будет 0,6—0,7 прочности элемента тех же размеров, но без суч­ков. Кроме того, в деревянных конструкциях размеры сжатых элементов обычно назначаются из расчёта на продольный изгиб, т. е. при пониженном напряжении, а не из расчета на прочность. Благодаря указанным осо­бенностям работа сжатых элементов в конструкциях бо­лее надежна, чем растянутых. Этим объясняется широ­кое применение металлодеревянных конструкций, имею­щих основные растянутые элементы из стали, а сжатые и сжато-изгибаемые из дерева.

Приведенная диаграмма сжатия (см. рис. 1.11) при oi>0,5 более криволинейна, чем при растяжении. При меньших значениях <ф криволинейность ее невелика и она может быть принята прямолинейной до условного преде­ла пропорциональности, равного 0,5. Разрушение сопро­вождается появлением характерной складки (рис. 1.12), образуемой местным изломом волокон.

При поперечном изгибе значение предела прочности занимает промежуточное положение между прочностью на сжатие и растяжение. Для стандартных образцов из сосны и ели при влажности 12 % предел прочности при изгибе в среднем 75 МПа. Модуль упругости примерно такой же, как при сжатии и растяжении. Поскольку при изгибе имеется растянутая зона, то влияние сучков и ко­сослоя значительно. При размере сучков в 7з стороны сечения элемента предел прочности составляет 0,5—0,45 прочности бессучковых образцов. В брусьях и особенно в бревнах это отношение выше и доходит до 0,6—0,8. Влияние пороков в бревнах при работе на изгиб вообще меньше, чем в пиломатериалах, так как в бревнах отсут­ствует наблюдаемый в пиломатериалах выход на кром­ку перерезанных при распиловке волокон и отщепление их в присучковом косослое при изгибе элемента.

Определение краевого напряжения при нзгибе по обычной формуле a=M/W соответствует линейному рас­пределению напряжений по высоте сечения и действительно в пределах небольших напряжений (рис. 1.13). При дальнейшем росте нагрузки и увеличении кривизны эпюра сжимающих напряжений в соответствии с диаг­раммой работы на сжатие (рис. 1.11, кривая б) прини­мает криволинейный характер (рис. 1.13,6, в). Одновре­менно нейтральная ось сдвигается в сторону растянутой кромки сечения. При этом фактическое краевое напряже­ние сжатия меньше, а напряжение растяжения больше вычисленных по формуле.

Определение предела прочности по формуле a=M/W удобно для сравнительной оценки прочности различной древесины. В стадии разрушения сначала в сжатой зоне образуется складка, затем в растянутой зоне происходит разрыв наружных волокон. Разрушение клеток в сжатой и растянутой зонах аналогично разрушению при осевом сжатии и растяжении.

Опыты и теоретические исследования показывают, что условный предел прочности при изгибе зависит от формы поперечного сечения. При одном и том же момен­те сопротивления у круглого сечения он больше, чем у прямоугольного, а у двутаврового сечения меньше, чем у прямоугольного. С увеличением высоты сечения предел прочности снижается. Все эти факторы учитываются в расчете введением соответствующих коэффициентов: к расчетным сопротивлениям.