Файл: Литвин, А. Н. Железобетонные конструкции с полимерными покрытиями.pdf

териалов, так как уже давно установлено, что с течени­ ем времени многие полимеры «стареют». Старение поли­ меров проявляется в большинстве случаев в уменьшении их относительного удлинения при разрыве, появлении хрупкости, снижении первоначальной прочности, изме­ нении цвета, образовании на поверхности сетки посте­ пенно увеличивающихся трещин, ухудшении электриче­ ских характеристик и других изменениях.

Основными видами старения принято считать теп­ ловое (под влиянием нагрева), световое (под влиянием солнечной радиации) и окислительное (от действия ки­ слорода воздуха, озона и некоторых окислителей). Все эти виды старения почти всегда протекают одновремен­ но и влияют друг на друга.

Старению полимерных материалов и их стабилизации против вредного влияния тепла,света и окислителей по­ священы многочисленные исследования [13, 69]. Имеет­ ся и огромное количество патентов, в которых, в боль­ шинстве случаев, предлагается вводить в полимерные материалы небольшие количества тех или иных ве­ ществ — стабилизаторов, с целью замедления процессов старения. Накопленный опыт позволяет разобраться в основных причинах старения полимеров, разработать способы замедления процессов старения и выбрать наи­ более приемлемые методы проведения соответствующих испытаний. Надобность в таких испытаниях возникла в связи с тем, что результаты наиболее распространенных испытаний старения полимеров в везерометрах не соот­ ветствуют истинной долговечности полимерных материа­ лов в естественных условиях [25, 32]. Объясняется это тем, что в излучении ламп, применяемых в везерометрах, содержится много лучей с длиной волны менее 29Х ХЮ-8 м*, которые в естественных условиях полностью поглощаются верхними слоями атмосферы. Поэтому более надежным представляется метод ускоренного ис­ пытания светостойкости полимеров на гелиоустановках, концентрирующих с помощью специальных зеркал поток солнечной радиации без искажения состава лучей. На таких установках возможно увеличить интенсивность солнечной радиации в 5—10 раз и более, а при примене­ нии автоматических устройств, непрерывно ориентирую­

39

30% [25, 88]. Установки подобного типа имеются в

СССР (в Ереване), а недавно их начали применять и в США [62].

Для оценки вредных последствий старения полимер­ ных материалов, предназначенных для использования в полимержелезобетониых конструкциях, нужно рассмат­ ривать вопросы старения отдельно для каждого вида по­ лимера.

СТАРЕНИЕ И СТАБИЛИЗАЦИЯ ПОЛИЭТИЛЕНА

К настоящему времени многочисленными исследо­ ваниями [19, 31, 80] установлено, что полиэтилен низ­ кой плотности и его композиции с полиизобутиленом во время их хранения в темноте при температурах, не пре­

полиэтилена низкой плотности за тот же период хране­ ния в аналогичных условиях остались неизменными и

высоких температурах и в темноте, физпко-мехаинческие свойства полиэтилена низкой плотности сравнительно быстро ухудшаются [13].

Поэтому можно сделать вывод, что в полимержелезобетонных конструкциях, длительно эксплуатируемых в темноте без нагревания (подземные трубопроводы для транспортирования холодных сред, подземная и закры­ тая гидроизоляция сооружений и т. п.), полимерный слой из полиэтилена низкой плотности и его композиций с полиизобутиленом не будет подвержен заметному ста­ рению и поэтому будет очень долговечным, разумеется, в тех случаях, когда он одновременно будет достаточно стоек и к другим воздействиям на него со стороны кон­ тактирующих с ним сред.

Другой вывод заключается в том, что в этих услови­ ях тепловое и окислительное старения, по-видимому, идут столь медленно, что их последствий можно опасать­ ся лишь в особых случаях, когда может иметь значение поверхностное окисление.

С повышением температуры скорость окисления по­ лиэтилена и его композиций с полиизобутиленом увелп-

40

чивается. Применительно к полиэтилену низкой плотно­ сти известны следующие данные о времени, необходи­ мом для достижения содержания кислорода 0,2% в лис­ товом материале толщиной 1 мм:

Так как температура переработки полиэтилена низ­ кой плотности методом экструзии обычно не превышает 150° С, а время пребывания материала в нагретом до та­ кой температуры состоянии редко превышает 10—15 мин, то существенного окисления полиэтилена за это время не наблюдается, что подтверждается практикой. При более высокой температуре (250° С) поверхность полиэтилена окисляется почти мгновенно. Это предло­ жено использовать для улучшения его адгезионных свойств [79].

С ускорением окисления полиэтилена низкой плот­ ности при повышении температуры соответственно ухуд­ шаются его физико-механические свойства во времени. В несколько меньшей мере это справедливо и для его композиций с полиизобутиленом. Результаты испытаний (рис. 12) [31] свидетельствуют, что при 50° С старение идет уже с заметной скоростью, но и в этом случае после десятилетнего срока хранения в темноте прочностные и эластические свойства испытывавшихся полимерных материалов еще остаются на достаточно высоком уров­ не. По-вндпмому, для полимержелезобетонных конструк­ ций с полимерными слоями из полиэтилена и его ком­ позиций с полиизобутиленом, эксплуатируемых в темно­ те, температура 50° С должна считаться предельно допустимой, при которой еще может быть обеспечена их долговечность порядка нескольких десятилетий. С даль­ нейшим повышением температуры процессы старения в темноте полиэтилена и его смесей с полиизобутиленом еще более ускоряются: при 80° С уже через месяц отно­ сительное удлинение при разрыве полиэтилена снизи­ лось в 1,75 раза [31], хотя значения его разрушающих напряжений при растяжении снизились совсем незначи­ тельно. При выдерживании всех испытывавшихся мате-

41

риалов при 80° С, т. е. в условиях, подобных применяе­ мым во время термообработки сборных элементов из железобетона, через 1 сутки сколько-нибудь значитель­ ного изменения свойств нестабилизированных материа­ лов не наблюдается, что позволяет сделать вывод о том, что термообработка полимержелезобетонных сборных элементов в обычных условиях допустима и не может привести к существенной порче материала полимерного

Рис. 12. Изменение во времени основных физико-механических свойств полиэтилена низкой плотности и его композиций с полннзобутиленом при

.50° С

слоя, если он изготовлен из полиэтилена или из его ком­ позиций с полиизобутиленом.

При более продолжительной выдержке полиэтилена низкой плотности при 80° С в темноте старение проявля­ ется в значительной мере: за четыре месяца разрушаю­ щие напряжения при растяжении и относительные удли­ нения при разрыве снижаются до нуля, причем полиэти­ лен низкой плотности самопроизвольно растрескивается.

Аналогичные случаи термического растрескивания полиэтилена на воздухе в течение нескольких месяцев воздействия температур 80° С и более при отсутствии ка­ ких-либо внешних нагрузок наблюдались многими ис­ следователями [4], что позволило сделать вывод о не­ допустимости длительной эксплуатации полиэтилена низкой плотности при температуре 80° С даже в темноте.

Помимо термического растрескивания полиэтилена низкой плотности многие исследователи наблюдали са­ мопроизвольное растрескивание изделий из него при 20—30° С. Это происходило, по-видимому, под влиянием внутренних напряжений, которые возникли еще в про­ цессе изготовления изделий. Чаще нрблюдалось растре­

42

скивание полиэтилена низкой плотности под напряжени­ ем в присутствии различных поверхностно-активных веществ [4]. Если первого из описанных видов растре­ скивания можно избежать, выбрав правильные режимы изготовления изделий, то второго вида растрескивания нужно опасаться и поэтому ограничивать число сред, в контакте с которыми применение этого материала в чи­ стом виде допустимо.

К настоящему времени выяснено, что увеличение средней относительной молекулярной массы полиэтиле­ на или, соответственно, уменьшение его индекса распла­ ва повышает его стойкость ко всем видам растрескива­ ния [4, 89]. Поэтому для изготовления изделий целесо­ образно применять полиэтилен низкой плотности с возможно меньшим значением индекса расплава, при ко­ тором, однако, еще возможна его удовлетворительная переработка в нужные изделия. Этим условиям удовлет­ воряют марки полиэтилена низкой плотности с индексом расплава 0,2—0,3 г/10 мин.

Интересно отметить, что все виды внешне самопро­ извольного растрескивания полиэтилена низкой плотно­ сти, в том числе и под влиянием поверхностно-активных веществ, могут быть полностью предотвращены добав­ ками в него 5—10% полиизобутилена или бутилкаучука [7, 86, 98]. Таким образом, если полимерный слой полимержелезобетонных конструкций должен эксплуати­ роваться в средах, содержащих поверхностно-активные вещества, целесообразней применять вместо полиэтилена низкой плотности его композиции с полиизобутиленом или бутилкаучуком, а еще лучше полипропилен.

Нагруженные изделия из полиэтилена могут разру­ шиться не в момент их нагружения, а после длительного действия этих нагрузок в эксплуатации, т. е. в результа­ те его ползучести. Возможно также и релаксационное, усталостное разрушение полиэтилена в условиях, когда начальные деформации остаются во времени неизменны­ ми, а в изделиях возникают трещины [7, 22].

Из графика (рис. 13), выражающего зависимость разрушающих напряжений при растяжении для поли­ этилена низкой плотности при различных температурах от продолжительности действия нагрузки, видно, что с течением времени разрушающие напряжения при растя­ жении для полиэтилена низкой плотности уменьшаются и выявляется вполне определенный характер кривых, что

43

позволяет провести в известных пределах соответствую­ щую экстраполяцию. По этим данным при 20° С и про­ должительности нагружения 50 лет разрушающее напря-

Рис. 13. Кривые долговечности полиэтилена низкой плотности в условиях ползучести при раз­ личных температурах

•Продолжительность оигру -

ж е т ч В ч

женпе при растяжении полиэтилена низкой плотности снижается более чем в четыре раза: с 13 до 3 МПа (со 130 до 30 кгс/см2). По аналогичным результатам нссле-

Рнс. 14. Зависимость прочност­ ных характеристик полиэтиле­ на низкой плотности от темпе­ ратуры и сроков эксплуатации

/ _ разрушающее напряжение при растяжении; расчетные сопротивле­ ния растяжению при различных сроках службы: 2 — кратковремен­ но; 3 — 5 — лет; 4 — 15 лет; 5—25 лет;

5 — 50 лет

дованпй Международная организация по стандартизации (ИСО) установила значения расчетных сопротивлений разрыву полиэтилена, обеспечивающие его надежную

44

эксплуатацию в течение 50 лет: для полиэтилена низкой плотности — 2,5 МПа (25 кгс/см2) п для полиэтилена высокой плотности—5 МПа (50 кгс/см2).

В работе [22] приводятся данные о расчетном сопро­ тивлении разрыву полиэтиленов НП и ВП при различной продолжительности эксплуатации п соответствующие значения расчетного модуля упругости при растяжении и коэффициента уменьшения прочности в результате ползучести. Ориентируясь на эти данные и на зависи­ мость прочностных п упругих характеристик полиэтилена от температуры [48], автор составил таблицу (табл. 6) и графики (рис. 14), по которым можно определять рас­ четные сопротивления и разрушающие напряжения при растяжении для полиэтилена НП при различных темпе­ ратурах п при различной продолжительности эксплуата­ ции. Долговечность полиэтилена при 20° С в условиях релаксации напряжений зависит как от начальной дефор­ мации, так п от свойств окружающей среды, в которой он эксплуатируется. При напряжениях, меньших или равных расчетному сопротивлению полиэтилена разры­ ву, его релаксационное разрушение в течение 50 лет экс­ плуатации при 20° С невозможно [7].

Многие исследователи, в том числе и автор, наблю­ дали, что за счет окисления полиэтилена кислородом воздуха при 20° С заметно ухудшается свариваемость изготовленных из него заготовок. При удалении с листов полиэтилена, длительно хранившихся на воздухе, очень тонкого поверхностного слоя с помощью циклевочных инструментов или горячих скребков первоначальная спо­ собность полиэтилена хорошо свариваться полностью восстанавливается. Эти обстоятельства нужно учитывать при сварке заготовок для полимержелезобетонных кон­ струкций из листов или рукавов полиэтилена, длительно хранившихся на складах до их использования.

Учитывая, что скорость окисления поверхности поли­ этилена с повышением температуры быстро возрастает, иногда рекомендуют сваривать его не горячим воздухом, а нагретым инертным газом, например азотом, аргоном и др. [55, 75]. Так как использование инертного газа в известной мере осложняет производство сварочных ра­ бот, то лучше всего вообще отказаться от сварки нагре­ тыми газами и применять более высокопроизводитель­ ные экструзионные виды сварки, при применении кото-

45

ЙТ а б л и ц а 6. Зависимость прочностных и упругих характеристик полиэтилена низкой плотности от эксплуатационных температур и сроков службы