Изменение свойств материалов при естественном старении

Исследования кинетики изменения прочностных свойств материалов для мягких оболочечных конструкций и конструкционных швов при естественном старении проводилось в НИИРП в следующих основных направлениях:

— исследование процесса изменения прочностных свойств при естественном стендовом старении в ненапряженном состоянии;

— исследование процесса изменения прочностных свойств при естественном стендовом старении в напряженном состоянии;

— исследование совместного воздействия факторов естественного старения и длительно приложенных нагрузок в одноосном напряженном состоянии;

— исследование совместного воздействия факторов естественного старения и длительно приложенных нагрузок в двухосном напряженном состоянии на натурных объектах.

Выбор перечисленного диапазона исследований был обусловлен необходимостью сопоставления методик и результатов стендовых испытаний с натурными и изучением возможности максимального уменьшения объема работ и упрощения методик без снижения достоверности результатов, а также в целях сопоставления полученных данных с результатами испытаний, полученных другими исследователями.

Выявлено, что факт обрезинивания существенно сказывается на длительной прочности синтетических тканей, испытывающих воздействие факторов естественного светопогодного старения. Сравнение зависимостей, полученных в нормальных условиях испытаний и при естественном старении (рис. 7,3.) показывает, что факторы, вызывающие ускоренное старение, снижают длительную прочность материалов и тем в большей степени, чем больше по своей природе подвержен воздействию этих факторов испытываемый материал. Чем лучше защищена резиновым покрытием от деструктирующих факторов армирующая ткань, тем позже выявляется отклонение зависимости от результатов, полученных в комнатных условиях. Ткань, не защищенная от воздействия факторов окружающей среды резиновым покрытием (например, капрон) имеет отклонение зависимости от нормальных условий даже при малом сроке экспозиции.

Исследования длительной прочности шитых швов, выполненных капроновыми нитками на прорезиненных тканях, в условиях естественного старения (рис. 7.4.) показали, что зависимость времени до разрушения незащищенного шва близка по своему характеру к аналогичной зависимости для капрона, не защищенного резиновым слоем, но интенсивность изменения прочностных свойств под влиянием факторов естественного старения более резко выражена. Это объясняется, очевидно, большей удельной нагрузкой на нить строчки при растяжении шва, чем на нить ткани в аналогичных условиях нагружения.

Испытания на длительную прочность цилиндрических образцов, находящихся в двухосном напряженном состоянии, позволяют сделать вывод о том, что вид напряженного состояния при выборе в качестве расчетного наибольшего по величине (т.е. разрушающего) натяжения не оказывает влияния на время сохранения материалом прочностных свойств. Если привести зависимости к относительной прочности, то, с учетом ее снижения при двухосном нагружении, можно убедиться в совпадении результатов.

Проведенные натурные испытания экспериментальных пневматических строительных конструкций позволили произвести оценку изменения прочностных свойств тканей с резиновым покрытием при длительном воздействии растягивающих нагрузок и погодных условий. Правомерность использования в качестве критерия длительной прочности данных по изменению прочностных свойств материала, эксплуатировавшегося в течение длительного периода времени при постоянных во времени напряжениях по сравнению с первоначальными прочностными показателями подтверждается фактом «накопления» результатов кратковременных нагружений и их влиянием на изменение прочности материала при последующих нагружениях

Результаты исследования длительной прочности прорезиненных и не прорезиненных тканей в помещениях могут быть использованы для прогнозирования сроков сохраняемости эксплуатационных свойств конструкций, не испытывающих значительного влияния факторов, вызывающих интенсивное естественное старение полимерных материалов. Вывод о независимости длительной прочности от вида напряженного состояния позволяет использовать в расчетах сроков службы конструкций и коэффициента запаса прочности в любых условиях нагружения зависимости, приведенные к относительной прочности материала.

Исследования кинетики атмосферного старения тканей, прорезиненных тканей и швов на плоских образцах — панелях проводились по методике, имитирующей условия работы прорезиненных тканей в мягких оболочечных конструкциях, которая позволяет учитывать влияние на полимерный материал не только воздействие факторов естественного атмосферного старения, но и постоянно действующих натяжений. Она достаточно близка к методике испытаний материалов на длительную прочность, что дает возможность использовать их для взаимопроверки.

Проведена сравнительная оценка устойчивости тканей из различных химических волокон к атмосферным факторам. Выявлено, что в течение годичного срока экспозиции в ненапряженном состоянии полиамидные ткани теряют до 75% своей прочности, полиэфирные — до 68%, полипропиленовые — до 98%, поливинилспиртовые — до 40%. Остаточная прочность капроновой ткани арт. 56026 после трехлетнего срока экспозиции на открытой площадке составила 15%, нитроновой ткани арт. 23647 — 40%. В напряженном состоянии величина падения прочности тканей в течение года больше указанных значений на 10 — 20%. Эти испытания позволили представить ряд устойчивости тканей из исследуемых химических волокон к естественному старению на открытой площадке в следующем виде:

нитрон > куралон > лавсан > капрон > полипропилен.

Результаты исследования свидетельствуют, что незащищенные синтетические ткани имеют ограниченный срок работоспособности, что не позволяет использовать их в качестве конструкционного материала без защиты при работе в атмосферных условиях.

Необходимость получения атмосферостойких, но достаточно легких материалов привела к необходимости проведения работ по определению минимально необходимого привеса резинового покрытия для защиты синтетических тканей от атмосферного старения. Поскольку наилучшую защиту тканевой основы обеспечивают черные саженаполненные резины, проведены испытания образцов капроновых тканей с покрытием на основе саженаполненной смеси из каучуков СКБ -55-60рэ и полиизобутилена П-118. Привес защитного резинового слоя составлял 20 — 200 г/м2. Испытания показали, что для защиты капроновой ткани от атмосферного старения минимально необходимый вес резинового покрытия должен быть не менее 150 г/м2. Этот вывод подтверждаются и данными, полученными другими исследователями: для защиты тканей из полиамидных волокон саженаполненными резиновыми смесями с двух сторон и обеспечения их многолетней устойчивости к факторам, вызывающим старение, необходимо нанести на поверхности не менее 150 — 180 г/м2

В начале 70-х годов прошлого столетия вышло Постановление Совета Министров СССР о строительстве в стране первого серийного завода по выпуску пневматических строительных конструкций для нужд народного хозяйства. В числе требований к конструкциям таких сооружений, выдвинутых Госстроем СССР, были и требования к материалам для производства: огнестойкость, обеспечивающая пожаробезопасность сооружений, морозостойкость до -500с, светопроницаемость, срок службы не менее 5 лет и др. В те годы синтетические ткани с покрытием ПВХ выпускались лишь в ограниченном количестве, их морозостойкость была недостаточной. Поэтому перед НИИРП была поставлена задача разработать для серийного завода требуемые прорезиненные ткани.

Первые разработанные для естественного освещения интерьера оболочек светопроницаемые прорезиненные ткани имели значительно меньший срок работоспособности, чем основной материал, что уменьшало предельный срок эксплуатации конструкции в целом в 3 — 4 раза. Проведенные испытания на естественное старение в ненапряженном состоянии светопрозрачных капроновых прорезиненных тканей показали, что ткань № 51-051 (покрытие на основе ХСПЭ) за два года экспозиции потеряла до 60% своей прочности, а ткань № 51-057И (покрытие на основе СКЭПТ) за пять месяцев естественного старения потеряла до 75% прочности на разрыв и до 95% прочности на раздир. Аналогичные результаты были получены при эксплуатации опытных оболочек со светопрозрачными вставками из этих материалов. Эти факты говорят о том, что светопрозрачное покрытие практически не замедляет, а при резиновом покрытии на основе СКЭПТ даже ускоряет процессы деструкции капронового волокна.

Устойчивость светопроницаемых прорезиненных тканей к естественному старению может быть увеличена или путем использования армирующих тканей, устойчивых к части спектра, проникающей через светопрозрачное покрытие (например, из стекловолокна), или путем использования светопрозрачных покрытий, поглощающих лучи спектра, вызывающие деструкцию тканевой основы. В последующие годы было установлено, что наиболее оптимальным решением этой проблемы оказалось использование тканей из пластизоля ПВХ со светостабилизаторами на полиэфирной тканевой основе.

С целью выявления устойчивости химических волокон к части солнечного спектра, проникающей через светопрозрачное покрытие, в воздухоопорной оболочке из прорезиненной ткани № 51-051были установлены в ненапряженном состоянии образцы тканей из капронового, лавсанового, нитронового, куралонового и полипропиленового волокон. Установлено, что после двухлетнего срока экспозиции в оболочке величина снижения прочностных показателей капрона составила 55%. За тот же период снижение прочности лавсановой ткани составила 18%, куралона — 23%, нитроновой — 8%. Полипропиленовая ткань, являющаяся в обычных условиях атмосферного старения наименее светостойкой, в данном случае по характеру и и величине изменения прочности конкурирует с нитроновой тканью. После двухлетней экспозиции снижение ее прочности составляет 6 — 8%. Испытания позволяют сделать вывод о том, что применительно к резиновому покрытию на основе ХСПЭ капроновые ткани по сравнению с тканями из других волокон являются наименее предпочтительными для изготовления светопрозрачных материалов. Подтверждением сказанному могут служить данные по исследованию устойчивости к факторам естественного старения светопрозрачной ткани на основе нитрона арт. 23647. За двухлетний срок экспозиции на открытой площадке снижение ее прочности не превышало 5%.

С целью исследования естественного старения шитых швов и выявления оптимальной схемы их защиты проведены сравнительные двухлетние испытания образцов двухосного растяжения из ткани № 51-019с шитым швом в центральной части. Ряд образцов оставлен без защиты шва, другие защищены ленточкой из прорезиненной ткани № 51-020 или слоем защитного покрытия СПО-46 на основе ХСПЭ белого, зеленого и черного цветов.

Установлено, что за первые девять месяцев (июнь — февраль) величины падения прочности всех типов швов близки между собой и не превышают 15% от первоначальной, что объясняется, очевидно, малой солнечной активностью в указанный период (рис. 7.5). За последующие семь месяцев (март — сентябрь) прочность снизилась еще на 35 — 40% для всех типов швов. Исключение составили образцы, окрашенные светопогодоозоностойким покрытием СПО-46 черного цвета, изменение прочности которых составило лишь 15%.

В дальнейшем эта тенденция изменения прочностных свойств остается неизменной: окрашенные черным покрытием образцы после двух лет старения сохранили прочность на прежнем уровне,, падение прочности оклеенных защитной лентой образцов и защищенных покрытием зеленого цвета составило около 40%. Выявлены низкие защитные свойства покрытия белого цвета: после первого года старения величина снижения прочности образцов была на уровне незащищенных, и к концу второго года разница между прочностью образцов, защищенных зеленым покрытием или лентой, с одной стороны, и защищенных белым покрытием и незащищенных, с другой, составила 15%. При этом разрушение последних происходило по ниткам шва.

В остальных группах образцов, защищенных тем или иным образом, интенсивность старения прорезиненной ткани оказывала определяющее влияние на изменение прочности шитых швов, разрушение которых происходило по ткани.

В целом испытания позволили сделать вывод о возможности защиты швов, наряду с оклейкой ленточной тканью (надежность этого метода доказана многолетними испытаниями натурных конструкций), окраской защитным покрытием черного цвета.

«Ткани с эластомерным покрытием для мягких оболочечных конструкций»

Авторский коллектив; Л.Е. Ветрова, к.х.н В.Ф. Ионова, П.В. Таскаева, к.т.н. А.Т. Титаренко, к.т.н. В.П. Шпаков

Под общей редакцией к.т.н. В.П. Шпакова