Температурно-временная зависимость длительной прочности полимербетонов

Применение полимербетонов в качестве несущих конструкций промышленных зданий и сооружений в условиях воздействия различных агрессивных сред не только рациональное и экономически оправданное, но в некоторых случаях и единственно возможное решение. В то же время широкое внедрение в практику строительства полимербетонов сдерживается рядом причин, главными из которых являются отсутствие надежной и практически удобной оценки длительной прочности и деформационных характеристик полимербетонов и методов расчета несущих конструкций на их основе.
Специфические свойства полимерных материалов определяют всю сложность разработки единой теории и методов расчета длительной прочности и деформативности конструкционных элементов на их основе.
Известно, что реальная прочность большинства технических материалов на несколько порядков ниже теоретической, рассчитанной исходя из сил межмолекулярного взаимодействия. Объяснение этого расхождения впервые было дано А. Гриффитом. Он предположил наличие в твердом теле зарсдышевых трещин и показал, что напряжения в их вершинах совпадают с теоретической прочностью материала, а средние напряжения, приложенные к материалу в момент разрушения, являются мерой его технической прочности.
На основании этих представлений была предложена статистическая теория хрупкой прочности. Однако в соответствии с этой теорией трудно объяснить зависимость прочности от продолжительности действия нагрузки и составить представление о критическом характере разрушения. В более поздних работах показано, что полимерные материалы разрушаются в результате процесса, развивающегося непрерывно во времени, а время до полного разрушения в значительной степени зависит от продолжительности действия нагрузки и температуры среды.
В процессе отверждения крупногабаритных полимер бетонных изделий и конструкций в материале возникают значительные температурные и временные усадочные внутренние напряжения, приводящие в некоторых случаях к нарушению его монолитности. Положение усугубляется тем, что такие конструкции предназначены для использования в условиях воздействия различных агрессивных сред, которые, в свою очередь, нарушают стабильность структурного состояния материала. Поэтому необходимо подробнее рассмотреть физическую сущности математического выражения температурно-временной зависимости прочности таких материалов.
С началом процесса отверждения вследствие экзотермического саморазогрева, теплообмена с окружающей средой и относительно низкой теплопроводности полимербетонов температурное поле становится неравномерным по сечению с максимумом в центре сечения. По мере развития процессов полимеризации (или поликонденсации) этот эффект усиливается и разность температур между наружными поверхностями изделия и его центром быстро возрастает.
С повышением температуры изделие должно расширяться в результате температурных деформаций. Образование в процессе полимеризации химических связей сопровождается развитием усадочных деформаций.
Нельзя допустить, чтобы в реальных конструкциях в процессе формования и отверждения возникали высокие температуры и соответствующие им температурные напряжения. До начала организации выпуска каждого изделия или конструкции необходимо предварительно определять максимально возможные температурные напряжения. Формулы для определения температурных напряжений известны. Однако при выводе указанных формул предполагалось, что модуль упругости и коэффициент температурных деформаций материала остаются постоянными.
Нелинейное распределение температуры по сечению изделия, переменные модуль упругости и коэффициент температурных деформаций, наличие релаксационных процессов настолько усложняют предложенную методику расчета, чго ее практически невозможно использовать для расчета температурных напряжений полимербетонных конструкций.
Исследования свидетельствовали, что в пределах от нуля до 100°С кратковременная прочность и модуль упругости полимербетонных призм уменьшаются пропорционально повышению температуры. Следовательно, в процессе отверждения полимербетонов предельное значение модуля упругости характеризуется температурой саморазогрева и не может быть выше соответствующего модуля упругости для отвержденных образцов.
С точки зрения кинетической концепции прочности, процесс разрушения при совместном воздействии нагрузки и агрессивной среды надо рассматривать как процесс, развивающийся в материале во времени. Поэтому характеристикой разрушения может быть скорость накопления микроразрушений от нагрузки и от действия агрессивной среды .
Экспериментальное определение долговечности полимербетонов под действием нагрузки и температуры окружающей среды при растяжении при изгибе проводилось на специальных установках. Варьируя нагрузку и температуру с помощью специального приспособления, прослеживали изменение долговечности в широких пределах от секунд до нескольких месяцев.
Предложенная методика была использована при расчете долговечности полимербетонных колонн подванных эстакад цехов электролиза меди, эксплуатируемых в условиях совместного действия нагрузок, повышенных температур и проливов растворов серной кислоты. Многолетний опыт эксплуатации несущих полимербетонных конструкций доказал правомочность использования данной методики для прогнозирования аналогичных конструкций из различных видов полимербетонов.
Экспериментально-теоретические исследования по определению методики расчета и прогноза долговечности химически стойких полимербетонных конструкций, выполненные в лаборатории полимербетонов, подтверждаются успешной многолетней эксплуатацией многих конструкций и сооружений из полимербетонов.
На основании результатов натурных обследований и испытания кернов, взятых из полимербетонных облицовок после 12—13 лет эксплуатации, были получены убедительные данные о высокой надежности и долговечности полимербетона, воспринимающего весьма жесткие внешние воздействия.
Расчеты по предложенной методике показывают, что прогнозируемая толговечность полимербетонных конструкций в зависимости от вида полимербетона и условий эксплуатации может составлять от 20 до 40 лет.