книги из ГПНТБ / Ахвердов И.Н. Моделирование напряженного состояния бетона и железобетона

200—450

7—11 (см. табл. 2).

30—40

Составы и технология

получения оптически чувстви­

тельного полимера с з а д а н н ы м отношением

прочности

на

с ж а т и е — р а с т я ж е н и е

р а з р а б о т а н ы дл я

моделирова ­

ния

н а п р я ж е н н о г о состояния армированных

конструк­

ций

[87, 88] .

Н а прочность п л а с т м а с с значительное влияние ока­

структуре

[2, 48], которые с л у ж а т местными

концен­

т р а т о р а м и

н а п р я ж е н и й и обусловливают различие меж ­

д у значениями теоретической и технической

прочности.

ческим взаимодействием

элементов

структуры

материа ­

ла, и она намного в ы ш е технической

прочности [41] .

Хрупкость пластмассы

может

быть достигнута за

счет регулирования

степени м е ж м о л е к у л я р н о г о

взаимо ­

действия, поперечного сшивания

и разветвленное™ цеп­

ных молекул . П о н и ж е н и е

прочности зависит от

наличия

м е ж м о л е к у л я р н ы х

образований

и

отактической

части

нейного

полимера

с низким

молекулярным

весом, от

уменьшения

степени

полимеризации

и

р а з р ы х л е н и я

. структуры

п л а с т и ф и к а т о р о м

и т. д. [3, 52, 66, 95,

112].

В ы р а з и т ь количественно в аналитической

форме

влияние

всех

перечисленных

факторов

на

конечную

прочность

полимера

не

представляется

в о з м о ж н ы м .

В этой

связи

в основу

поиска

состава

пластмассы

с за­

д а н н ы м и физико - механическими

свойствами

была

поло­

ж е н а

их качественная

оценка. И с с л е д о в а н и я

по выбору

вида

п л а с т м а с с ы

поэтому

носили

эмпирический х а р а к т е р

и требовали постановки большого

числа опытов с

раз ­

личными видами полимеров .

Методика опытов з а к л ю ч а л а с ь :

во-первых, в количе­

ственном варьировании соотношения составляющих

по-

ба полимеризации

и термообработки

мономера .

В соответствии

с общими принципами указанной ме­

тодики были исследованы следующие

виды пластмасс:

полимеры

на

основе

полиэфирных

смол;

эпоксидные

компауды;

сополимеры .

Феноло - формальдегидные смолы р а з д е л я ю т с я на тер ­

мопластичные

(наволочные

или обратимые) и

резоль -

ные

(термоактивные или

н е о б р а т и м ы е ) .

Термоактивные смолы образуются в результате вза ­

имодействия

фенола

и

ф о р м а л ь д е г и д а

в

кислой

среде;

в

этом

случае

соотношение

фенол — формальдегид

дол ­

ж н о

быть

не

менее

1 : 1 .

Термореактивные смолы образуются при взаимодей ­

ствии с формальдегидом в щелочной среде при

м о л я р ­

ном соотношении

фенол — формальдегид,

которое мень­

ше 1 : 1.

В

процессе

синтеза

термореактивных

феноло-фор­

мальдегидных

смол

р а з л и ч а ю т

три

стадии:

А —

продукты

этой

стадии конденсации

называют

ре­

золами,

они

плавятся

и растворяются

в

различных раст­

ворителях;

В — продукты

этой

стадии

конденсации

носят

назва ­

ние

резитолов,

они

не

плавятся

и

не

растворяются

при

нагревании и набухают в некоторых растворителях;

С — с м о л ы в конечной стадии отверждения — резиты

со­

д е р ж а т

в

основном

трехмерные

молекулы;

смола

в этом

состоянии твердая, прочная, не растворяется

и

не

на­

бухает.

Д л я

настоящих

исследований

представляло

интерес

изучение термопластичных смол и термореактивных

в

стадиях

А

и

В

составов

с

относительно

низким

молеку­

л я р н ы м

весом

и

большим

количеством

надмолекуляр ­

ных

образований .

Р а з р ы х л е н и е

структуры

осуществлялось

введением

в

зованы

различные соотношения исходных

компонентов

(фенола

и ф о р м а л ь д е г и д а ) и различные

к а т а л и з а т о р ы .

показали, что

полимер

о к а з а л с я

недостаточно хрупким,

имел в лучшем

случае

отношение

^ с ж < 4 .

кислот,

в

которые

для совместной

конденсации введены

ж и р н ы е

кислоты растительных

масел или

кислоты,

со­

д е р ж а щ и е большой

водородный

р а д и к а л (например, ки­

слоты к а н и ф о л и ) .

Н е м о д и ф и ц и р о в а н н ы е смолы представляют собой

продукты

поликонденсации многоатомных

спиртов

и

многоосновных кислот. П р о д у к т ы

реакции, т. е. поли­

мерные

молекулы,

входящие

в

состав

полиэфирных

действие, у

к а ж д о г о мономера д о л ж н о быть не

менее

двух. Если

это количество меньше, то получаются

низко­

ной структурой;

мономеры с

большим

числом

групп

о б р а з у ю т сшитые и пространственные

полимеры .

Таким образом, в соответствии с общими

принципа­

ми подбора м а т е р и а л а

с з а д а н н ы м и механическими

свой­

ствами исследования

были

н а п р а в л е н ы

на

получение

низкомолекулярного линейного полимера

с

небольшим

с о д е р ж а н и е м пространственно

сшитых молекул . Регули ­

рование структуры осуществлялось с помощью

различ ­

ного соотношения

исходных

составляющих

и

степенью

поликонденсации .

творимые

полимеры [76, 105, 111].

Д л я отверждения

эпоксидной

смолы

применялись

ангидриды

органических и неорганических

кислот, по­

лиэфиры, амины. В соответствии

с данными, приведен­

ными К- И. Черняком

[105], на

упругие и

прочностные

теля,

его количество, степень

полимеризации, наличие в

к о м п а у д е пластификатора,

молекулярный

вес смолы.

С учетом этих

условий

был

изготовлен и

исследован

р я д

составов. Большинство из них не д а л о

положитель ­

ных

результатов . Только

компауд на основе

эпоксидной

и глифталевой

смолы о б л а д а л свойствами,

близкими к

Годность

конечного продукта

полимеризации для об­

р а з ц о в

всех

серий

и составов

предварительно

определя ­

л а с ь

по чисто

внешним п р и з н а к а м :

прозрачность,

хруп­

кость,

сопротивление

у д а р у

и изгибу. Тем самым у ж е на

первом

этапе

исследований

удалось

исключить

целый

р я д

полимеров,

не

удовлетворяющих

поставленным

условиям,

и продолжить опыты с теми

видами, которые

в большей или меньшей степени соответствовали

иско­

мым

качествам .

Н а

основании предварительных опытов удалось по­

лучить

полимер:

эпоксидная

смола

ЭД - 5 — 100

вес.ч.,

г л и ф т а л е в а я

смола

(кислотное

число

140)—300

вес.ч.

М а т е р и а л

хрупкий, прозрачный,

содержит

растворимую

ф р а к ц и ю ;

предел

прочности

при

сжатии ~ 5 5 0 —

600

кгс/см2;

при р а с т я ж е н и и

~ 6 0

кгс/см2.

М о д у л ь

упру­

гости

~ 40000—50000

кгс/см2.

Этот

состав

и

был поло­

ж е н

в

основу

дальнейших

исследований,

направленных

рактеристик, отработку

р е ж и м а

полимеризации

и со­

вершенствование

технологии

получения

м а т е р и а л а .

В

результате

большого

числа

экспериментальных

проб

была в ы р а б о т а н а

с л е д у ю щ а я

технология

изготов­

ления

м а т е р и а л а :

г л и ф т а л е в а я смола получается

путем

поликонденсации

фталевого

ангидрида

с глицерином

[60] .

33 части фталевого

ангидрида и 20

частей

безвод­

м е т р а . Смесь нагревается в воздушной

бане до

180 °С.

Эта

т е м п е р а т у р а

п о д д е р ж и в а е т с я

в

течение

2

час.

В д а л ь н е й ш е м

процесс

поликонденсации

контролирует­

ся пробами реакционной смеси, в которых

определяется

кислотное

число. Синтез

полиэфира

п р е к р а щ а е т с я

в тот

момент, когда кислотное число достигало

значения

100—105.

Р а з о г р е т а я

смола

в ы л и в а л а с ь

в

плоский

про­

тивень

и о х л а ж д а л а с ь

до

нормальной

температуры .

С а м полимер готовится следующим

образом:

исходя

из

установленного

количества

готового

продукта,

взве­

ш и в а ю т с я

его с о с т а в л я ю щ и е — г л и ф т а л е в а я

смола

(кис­

лотное

число

/(=100—105)

и эпоксидная

смола

Э Д - 5

(число эпоксидных групп 18—22) из

расчета

на

одну

весовую часть смолы ЭД - 5 — 2,7 вес.ч.

глифталевой

смо ­

лы .

Процесс

приготовления

жидкого

полимера

состоит

в следующем:

полиэфир

разогревается

в ф а р ф о р о в о м

стакане

до

/ = 1 4 0 "С, д о . Ю 0 ° С

нагревается

эпоксидная

смола,

затем

она выливается

в полиэфир

и интенсивно

перемешивается с

ним

при

г = 1 4 0 ° С

в

течение

0,5—

1 мин до

о б р а з о в а н и я

однородной

ж и д к о й

массы .

Под ­

готовленный м а т е р и а л выливается

в

форму,

нагретую

до

t = 130-4-140 °С,

и

полимеризуется

по

р е ж и м у :

вы­

д е р ж к а

при / = 130-4-140 °С в течение

3 час;

затем

темпе­

ратура

снижается

до

120 °С

с

градацией

20 °С

в

час и

в ы д е р ж и в а е т с я

14 час. В д а л ь н е й ш е м

температура

пони­

ж а е т с я

до

100 °С с тем ж е

градиентом

падения

и

выдер ­

ж и в а е т с я

при

100 °С

14 час,

при

80 °С

в ы д е р ж и в а е т с я

18

час.

З а т е м

температура

к а ж д ы е

4

час

снижается на

5 °С вплоть

до

нормальной .

Готовый

о б р а з е ц извлекается

из

ф о р м ы

при / = 25—

30 °С. Это

позволяет

м а к с и м а л ь н о

уменьшить

влияние

р а з л и ч и я

коэффициентов

линейного

расширения

мате­

р и а л а ф о р м ы

и модели

и служит

предупредительной ме­

Р а з р а б о т а н н ы й способ получения хрупкой

п л а с т м а с ­

сы из эпоксидной смолы и полиэфира дает

оптималь ­

ные

значения соотношений прочности м а т е р и а л а на

с ж а ­

тие — р а с т я ж е н и е . Отклонение

в технологии, в частности

изменение соотношения м е ж д у

составляющими, а

так­

ж е

изменение кислотного числа

глифталевой

смолы

в ту

или

иную сторону, у х у д ш а ю т

качество готового

про­

Механические

свойства

приведенного состава

хрупкого

полимера характеризуются следующими показателями: Rcm =

=-5804-650 кгс/см2

(Rnv =

480 4- 520 кгс/см2), Rp

= 35 4-

4-45 кгс/слі2; £ м = 40 000455 000 кгс/см2,

ц =0,2; А

-

=

= 14,5-М 6,5.

Яр

В соответствии с этими данными

и

зависимостями

(46)

требования

к

модельному

материалу заполнителя

выра­

жаются:

=(1,7-=-4,5) £ м

= 7 5 0004-25 000 кгс/см2;

Я з . с

ж

=

= (2ч-7) R'cx

= 1200 -г- 4200

кгс/см2;

R3 р

=(1,24-2,3) Я Р

=

= 484-90 /сгс/сж2 ; р/ = (14-2,3) ц3 =0,24-0,26.

Следует

заметить, что условие R'3.C>K = 12004-4200

кгс/см2

не столь обязательно, как R'3,р

== 484-90 кгс/см2, поскольку

прочность

на растяжение

в сопоставлении

с Ru.p

= 35 4-

4-45 кгс/см2

определяет

начальное

микротрещинообразова­

ние в матрице модели.

Анализ

свойств

материалов

дл я моделирования

за­

полнителя

(в сочетании

с хрупким

полимером)

показал,

что ни один

из видов оптически

чувствительных

пласт­

масс дл я этой цели не пригоден. Все они имеют

модуль

упругости

ниже 60 000 кгс/см2

и, следовательно,

не обес­

печивают

нужное

соотношение

упругих

характеристик

з а п о л н и т е л я

и матрицы . Н а и б о л е е

приемлемым

по сво­

Последний, однако, ограничивает исследования

поля на­

п р я ж е н и й

л и ш ь

областью

матрицы,

но, принимая во

внимание,

что разрушение в реальном

бетоне

начинает­

ся в растворной

части,

указанное ограничение

не имеет

р е ш а ю щ е г о значения.

Выбор

вида

и геометрии

моделей

двухкомпонентной

структуры

бетона основан на опытах и результатах при­

веденных

исследований

по

моделированию

бетона в

упругой стадии

д е ф о р м и р о в а н и я заполнителя и

матрицы

менены другими, отвечающими новым условиям

задачи .

В основу методики моделирования положены

следую­

щие предпосылки:

сти укреплена

воронка

д л я

наблюдения за

процессом

наполнения формы . Технологией предусмотрено

напол ­

нение ф о р м ы

под

давлением .

Этот

прием

позволяет

освободиться

от воздушных включений в матрице моде­

ли и снижает

величину

усадки

м а т е р и а л а

в

процессе

твердения

полимера .

Н а рис.

17, б

и з о б р а ж е н а

в

сборе установка

д л я од­

новременного

изготовления

трех

образцов

моделей.

нем д л я подачи жидкого компауда в формы .

Ц и л и н д р

соединен

с ф о р м а м и

тремя

резиновыми п а т р у б к а м и ,

с н а б ж е н н ы м и

з а ж и м о м .

П е р е д заливкой

вся

установка

помещается в термостат и разогревается

до

температу ­

ры смеси

/ = 130-т-140 °С.

П е р е д

заливкой

в

цилиндр

компауда

резиновый

патрубок

перекрывается,

смесь

вы­

д е р ж и в а е т с я в

цилиндре

около

5 мин.

После

выхода

пу­

зырьков

воздуха

из компауда

патрубок р а с к р ы в а е т с я , а

в цилиндр вставляется поршень. Формы

д о л ж н ы

напол­

няться

в течение

1 час, т. е. достаточно

медленно. В

про­

тивном

случае

в о з м о ж н о образование

воздушных

пу­

зырьков м е ж д у включениями .

Сами

ф о р м ы

изготовлены

из

гетинакса

толщиной

3 мм и 1,5 мм

(термостойкость

гетинакса

150 °С) . Герме­

тичность

форм

обеспечивается

резиновыми

п р о к л а д к а ­

ми, у л о ж е н н ы м и

в м о н т а ж н ы х

пазах . Крепление

включе ­

ний на

одной

из

сторон ф о р м ы обеспечивалось

отрезка ­

стенке ф о р м ы

и через отверстия в центре

включения.

П е р е д заливкой внутренние поверхности форм

покрыва­

лись раствором С К Т в бензине

« К а л о ш а » .

П о к р ы т и е

исключало прилипание полимера к форме.

П р е д в а р и т е л ь н ы м и опытами

установлено,

что распа ­

лубку моделей необходимо производить

при

35-7-40 °С.

В противном

случае в о з м о ж н о

растрескивание

моделей

в форме из-за различия коэффициентов

линейного рас ­

ширения м а т е р и а л а ф о р м ы и

полимера .

Включения

выполнены из

цементного

теста

с В / Ц =

= 0,3. Применен обычный портландцемент

активностью

«500». О б р а з ц ы в ы д е р ж и в а л и с ь

28 дней

в

нормально -

влажностиых

условиях.

Методикой проведения опытов было предусмотрено

изготовление

опытных образцов

материалов

для опреде-

7. Зак. 376

97