Совместная работа синтетического связующего и наполнителя
Известно, что высокие показатели физико-механических свойств наполненных полимерных композиций могут быть получены при условии достаточной прочности адгезионных связей синтетического связующего с поверхностью наполнителей. Прочность адгезионных связей многих термореактивных смол с поверхностью минеральных наполнителей (силикаты, карбонаты и др.) может достигать 10—15 МПа.
Исходя из этих предпосылок, некоторые исследователи считают, что при напряжениях в связующем, превышающих прочность адгезионных связей, происходит отслоение полимерной оболочки-матрицы от поверхности наполнителя, и тогда разрушающие напряжения определяются только напряжениями, возникающими в оставшемся сечении полимера. Однако экспериментальные исследования кинетики развития деформаций и характера разрушения при различных режимах нагружения не подтверждают принятых предпосылок.
Диаграммы, записанные шлейфовым осциллографом при быстром нагружении образца со скоростью более 60 МПа в 1 мин, доказывают наличие линейной зависимости между о и е до определенного уровня напряжений. Это дает основание предположить, что при подобных режимах нагружения адгезионные связи между связующим и наполнителем не нарушаются, и наполнитель, принимая на себя соответствующую нагрузку, деформируется совместно с полимерной оболочкой-матрицей пропорционально своему модулю упругости (например, для полиэфирной смолы ПН-1 модуль упругости составляет примерно 2,5- 103, а для кварцевого песка —5-104 МПа).
Выполненные с помощью оптического и электронного микроскопа исследования образцов, наполненных такими прочными наполнителями, как кварц, гранит, андезит и др., не обнаруживали нарушения адгезионных связей связующего с поверхностью наполнителя. Во всех случаях при испытаниях на одноосное растяжение, растяжение раскалыванием, изгиб и сжатие разрушение происходило с разрывом наполнителей и по дефектным местам в объеме полимера. При этом неразрушенные частицы наполнителя, выходящие на поверхность разлома, всегда оказываются покрытыми полимерным чехлом.
Таким образом, прямые опыты не подтвердили существующей точки зрения и показали, что при любых напряжениях, возникающих в наполненных полимерных композициях, в том числе и в полимербетонах, такие системы работают как единое целое вплоть до разрушения без нарушения адгезионных связей между связующим и зернами наполнителей и заполнителей. Следовательно, у большинства видов полимербетонов прочность адгезионных связей всегда оказывается выше прочности наиболее часто применяемых наполнителей и заполнителей и когезионной прочности полимера. Эти положения хорошо согласуются с данными и многих других.
Условия для разрывов связей между молекулами полимера и последующего образования субмикроскопических и микроскопических трещин в наполненных полимерных композициях на основе термореактивных смол существенно отличаются от условий, характерных для полимеров первой группы или ненаполненных реактопластов. В этом случае разрывы химических связей и образование субмикроскопических трещин наблюдаются прежде всего в дефектных местах, находящихся в объеме полимера на значительном удалении от поверхности наполнителя. Слияние мелких трещин в более крупные в результате разрыва перемычек между ними будет происходить в более сложных условиях, так как рано или поздно вершины этих трещин попадут в зону более упорядоченных структур вблизи поверхности наполнителя. Дальнейшее увеличение такой трещины может происходить или вокруг поверхности наполнителя, или путем разрыва полимерного чехла и самого наполнителя, что и подтверждается прямыми наблюдениями характера излома наполненных композиций. Как в первом, так и во втором случаях работа, затраченная на разрушение в зоне наполнителя, увеличивается, что служит дополнительным доказательством проявления эффекта упрочнения полимеров минеральными наполнителями.
Деформирование наполненных полимерных композиций на основе термореактивных смол под действием внешне приложенных усилий можно представить следующим образом. В первый момент приложения нагрузки в материале возникнут упругие деформации, затем начнут проявляться ограниченные деформации вязкого течения, пропорциональные количеству вязкой фазы, и высокоэластические деформации. До тех пор, пока не будут закончены деформации вязкого течения, трудно предположить, что в материале могут возникнуть микроразрушения. Если такие микроразрушения и возникнут, то они будут носить сублокальный характер, не определяющий поведения материала под нагрузкой. Только после окончания вязкого деформирования в материале могут проявиться процессы микроразрушения, которые, достигнув критического значения, приведут к его разрушению.
Так как деформации вязкого течения необратимы, то отсюда должно вытекать два следствия: 1) после снятия нагрузки полимербетонные образцы могут иметь остаточные деформации, не связанные с процессами микроразрушения; 2) при последующем нагружении при сжатии или при изгибе таких образцов должен наблюдаться эффект уплотнения и некоторого упрочнения, и при одинаковых повторных нагрузках деформации этих образцов должны быть меньше на величину деформации вязкого течения.
Экспериментальные исследования достаточно убедительно подтверждают описанный механизм деформирования и процесс разрушения полимербетонов.
Исследования деформаций полимербетонных призм при ступенчатом испытании на сжатие показывают, что уже при сравнительно небольших нагрузках достаточно четко проявляется эффект уплотнения.
При исследовании длительной прочности и деформативности двухслойных балок, верхняя часть которых выполнена из цементного бетона, а нижняя из полимербетонов на эпоксидной и полиэфирной смоле, отмечено, что при повторном загружении таких балок полные деформации уменьшаются. Таким образом, экспериментальные данные и исследования убедительно отражают проявление двух процессов, протекающих в полимербетонах под нагрузкой. Вначале в основном за счет деформации вязкого течения полимербетон уплотняется, а затем на определенном уровне напряжений появляются и развиваются микротрещины, что приводит к увеличению объема материала и последующему его разрушению.