Комплексная оценка воздействия эксплуатационных и климатических испытаний на изменение прочностных свойств полимерных композиционных материалов с формообразованием при температурах до 40 °С

Введение

В настоящее время проблеме создания несущих конструкций из полимерных композиционных материалов (ПКМ) для применения в различных отраслях промышленности уделяется повышенное внимание [1, 2]. Наряду с авиационной отраслью, в которой опыт изготовления ответственных конструкций из ПКМ составляет уже более 50 лет, следует отметить судостроение и строительство. И если в авиации для создания наиболее ответственных конструкций используют в основном ПКМ на основе углеродных волокон [3, 4], а в судостроении – на основе стеклоровингов [5, 6], то в строительной отрасли угле- и стеклонаполненные композиты тестируются в равной мере [7, 8]. Причем процесс внедрения разрабатываемых ПКМ зависит от требуемых упруго-прочностных характеристик, стойкости к воздействию климатических и эксплуатационных факторов, стоимости изготовления конечной конструкции и др. Поэтому при разработке ПКМ требуется исследование свойств материала во времени для наиболее достоверного прогнозирования сроков работоспособности конструкции в конкретных условиях ее использования.

Так, для строительной отрасли, а именно для мостостроения, специалисты НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ предложили использовать комплекс ПКМ, применимых для изготовления несущих строительных конструкций [9, 10]. Отличительной особенностью предлагаемой технологии является то, что изготовление из ПКМ конструкций с необходимым уровнем прочностных характеристик возможно без использования крупногабаритного оборудования, благодаря чему можно провести полный цикл строительного процесса непосредственно на площадке. Это, в свою очередь, сокращает стоимость строительства, сводя затраты на монтаж к минимуму. Кроме того, применение безрастворного эпоксивинилэфирного связующего для изготовления профилированного настила позволяет не только обеспечить необходимые физико-механические характеристики и высокий уровень стойкости конструкции к агрессивным эксплуатационным факторам, но и изготавливать конструкции без выделения вредных побочных продуктов [11–16]. Разработанные материалы – углепластик марки ВКУ-51 для изготовления несъемной опалубки трубобетонного основания сооружения и стеклопластик марки ВПС-58 для изготовления профилированного настила (рис. 1) прошли общую квалификацию (паспортизацию) и использованы при строительстве мостового сооружения в р. п. Языково Ульяновской области (рис. 2) [17].

В данной статье представлены результаты, полученные при паспортизации стеклопластика ВПС-58. Проведение всесторонних испытаний необходимо для подтверждения работоспособности стеклопластика при разных видах нагружения в широком интервале температур, а также для определения максимальной несущей способности и температурного диапазона эксплуатации конструкции, изготовленной из него (стеклопластикового профилированного настила). В качестве критериев применимости стеклопластика для формования конструкции выбраны расчетные значения прочностных характеристик – предел прочности при растяжении ≥250 МПа и предел прочности при сжатии ≥125 МПа (требования технического задания). Данные характеристики установлены проектировщиками и являются минимально допустимыми для применения в мостовых сооружениях с повышенной проектной нагрузкой [18]. Кроме того, представлены результаты исследований влияния внешних воздействующих факторов на материал. По результатам испытаний на стеклопластик ВПС-58 оформлен паспорт № 1939.

Работа выполнена в рамках реализации комплексного научного направления 13. «Полимерные композиционные материалы» («Стратегические направления развития материалов и технологий их переработки на период до 2030 года») [19].

Материалы и методы

Паспортизацию стеклопластика марки ВПС-58 на основе равнопрочной конструкционной стеклоткани, изготовленной из алюмоборосиликатных ровингов и эпоксивинилэфирного связующего холодного отверждения марки ВСВ-43, проводили в соответствии с СТО 1-595-30-407–2012 на трех партиях материала. Образцы для проведения исследований изготавливали таким образом, чтобы ось армирования наполнителем совпадала с осью приложенной нагрузки, т. е. в направлении 0 градусов. Направление приложения нагрузки при испытаниях на растяжение и сжатие схематично представлено на образце для проведения исследований при растяжении по ГОСТ 25.601–80 (рис. 3).

Количество слоев наполнителя в ПКМ рассчитывали исходя из толщины монослоя, определенного по ММ 1.595-25-295–2006. Для этого изготовлены плиты стеклопластика размером 300×300 мм с разным количеством слоев. Выявлено, что толщина монослоя составляет 0,45 мм. Для проведения исследований изготовлено 36 плит стеклопластика, толщина которых составляет 3,5–3,7 мм (8 слоев наполнителя).

Образцы, подвергшиеся испытаниям без климатических воздействий (в исходном состоянии), отбирали в равной мере из трех партий связующего. Ось приложения нагрузки во всех образцах располагалась в направлении 0 градусов. Образцы для проведения экспозиции отбирали в произвольном порядке из оставшихся образцов.

В ходе проведения исследований в первую очередь определены плотность стеклопластика методом гидростатического взвешивания по ГОСТ 15139–69, составляющая 1930±30 кг/м³, и температура стеклования методом динамического механического анализа по СТО 1.595-36-464–2015, составляющая 107 °С. Оценку влияния факторов нагружения на материал, представленную в табл. 1, проводили при температурах –60, +20, +60 и +80 °С. Исследования малоцикловой усталости (при коэффициенте асимметрии R = 0,1), длительной прочности и ползучести ПКМ проводили при температуре 20 °С.

Для оценки влияния эксплуатационных факторов образцы стеклопластика выдерживали в климатических камерах (при повышенной температуре для определения теплового ресурса, в тепловлажностных условиях (температура Т = 60 °С и влажность φ= 85±2 %; Т = 28 °С и φ = 98±2 %), микологической камере и камере, имитирующей тропические условия), а также в жидкостях, непосредственный контакт с которыми возможен при эксплуатации профилированного настила: вода, автомобильные топлива и масла. Условия выдержки определяли исходя из факторов воздействия на материал при эксплуатации и на основании анализа научно-технической литературы [20–31].

После экспозиции образцы испытывали на трехточечный изгиб по ГОСТ 4648–2014 при температуре 20 °С для определения сохраняемости прочностных характеристик после экспонирования и температуры стеклования. В ходе экспонирования проводили гравиметрические исследования путем взвешивания на аналитических весах для определения изменения массы стеклопластика. Испытано по пять образцов при воздействии каждого исследуемого фактора.

Тепловой ресурс определяли в соответствии с СТП 1-595-101–83. Для этого образцы помещали в термошкаф, где выдерживали при температуре 60 °С в течение 500, 1000, 1500, 2000 ч и при температуре 80 °С в течение 500, 1000 ч.

Тепловлажностные испытания проводили по ГОСТ 12020–72 (заменен на ГОСТ 12020–2018), ГОСТ 9.707–81, ГОСТ 4650–2014. Для этого образцы экспонировали в камере при Т = 60 °С и φ = 85 % в течение 30 и 60 сут. 

Выдержку в камере тропического климата проводили по СТП 1.595-20-100–2002. В камере реализовывался следующий суточный режим в течение 1, 2, 3 мес.: 8 ч при Т = 50 °С и φ = 98±2 %; 12 ч при Т = 20 °С и φ = 98±2 %; 4 ч при Т = 20 °С и φ = 60±2 %.

Испытания на грибостойкость проводили по ГОСТ 9.049–91 по методу 1. Для этого на образцы наносили суспензию, содержащую споры грибов Aspergillius niger van Tieghem, Aspergillius terreus Thorn, Aspergillius oryzae (Ahlburg) Cohn, Penicillium funiculosum Thom, Penicillium cyclopium Westling, Penicillium chrysogenum Thom, Trichoderma viride Pers ex Fr, Chaetomium globosum Kunze, Paecilomyces varioti Bainier. Далее зараженные образцы для испытаний помещали в камеру при Т = 28 °С, φ  98±2 % и подвергали испытаниям в течение 1, 2, 3 мес. После съема образцы дополнительно исследовали под микроскопом для определения степени поражения спорами грибов.

Испытания на водопоглощение проводили по ГОСТ 12020–72. Для этого образцы помещали в эксикатор, заполненный дистиллированной водой, и выдерживали в течение 1, 5, 10, 20, 30 сут при комнатной температуре (23±2 °С). В ходе испытаний фиксировали изменение массы образцов. Далее образцы подвергали испытанию на изгиб при температуре 20 °С.

Выдержку в автомобильном топливе в течение 30 сут проводили по ГОСТ 12020–72, ГОСТ 4650–2014. Для этого образцы размещали в моторном масле вязкостью 4–8 и 20–24 мм²/с, бензине марки АИ-92, дизельном топливе марки Л и выдерживали в течение 30 сут.

Работа выполнена с использованием оборудования ЦКП «Климатические испытания» НИЦ «Курчатовский институт» – ВИАМ.

Результаты и обсуждение

Результаты испытаний стеклопластика на растяжение представлены в табл. 2.

Из представленных данных видно, что образцы стеклопластика удовлетворяют требованиям технического задания по прочности при растяжении. Наблюдается незначительное влияние температуры на прочностные и упругие характеристики материала (уровень сохранения свойств ≥85 %). Кроме того, зафиксировано увеличение относительного удлинения материала при возрастании температуры, обусловленное размягчением полимерной матрицы и, как следствие, повышением значений эластических свойств материла. Кроме того, следует отметить незначительное изменение коэффициента Пуассона при варьировании температуры испытаний. Результаты испытаний на растяжение подтверждают работоспособность стеклопластика при приложении растягивающих напряжений в исследованном интервале температур. 

Результаты испытаний стеклопластика на сжатие представлены в табл. 3.

Из представленных данных видно, что образцы стеклопластика ВПС-58 удовлетворяют требованиям технического задания по прочности при сжатии. Наблюдается более сильное влияние температуры на прочностные характеристики (уровень сохранения свойств ≥76 %) по сравнению с испытанием на растяжение, однако сохраняемость упругих свойств при повышенной температуре достаточно велика (≥89 %). Это дает основание полагать, что влияние температуры на упруго-прочностные свойства стеклопластика при сжатии незначительно. Кроме того, следует отметить практически одинаковые значения коэффициента Пуассона при изменении температуры испытаний. Результаты испытаний на сжатие также подтверждают работоспособность стеклопластика при приложении сжимающих напряжений в исследованном интервале температур.

Кроме испытаний на растяжение и сжатие, к которым предъявляли минимальные требования, проведены испытания на трехточечный изгиб. Данный вид нагружения является комплексным, требования по минимальным значениям в этом случае не предъявляются. Однако определение именно этого параметра нагружения важно для понимания механики совместной работы матрицы и армирующего наполнителя в ПКМ. Результаты испытаний стеклопластика на изгиб представлены в табл. 4.

Из представленных данных видно, что уровень сохранения прочности стеклопластика при температуре 80 °С составляет 66 %. Поэтому, несмотря на удовлетворительные значения модуля упругости, рекомендовать стеклопластик ВПС-58 для изготовления несущих конструкций, работающих при температуре 80 °С, нельзя. Значения прочности и модуля упругости при температуре 60 °С оказались достаточными (уровень сохранения свойств составляет 79 %) для того, чтобы рекомендовать стеклопластик для изготовления несущих строительных конструкций, эксплуатируемых при температурах до 60 °С.

С целью определения прочностных характеристик стеклопластика при продолжительном статическом и динамическом нагружении проведены исследования длительной прочности и ползучести на базе 500 ч, а также малоцикловой усталости при температуре 20 °С. Установлено, что длительная статическая прочность после приложения растягивающей нагрузки в течение 500 ч составляет 280 МПа, а динамическая прочность (предел выносливости на базе 10⁴ циклов): 150 МПа. Результаты проведенных испытаний представлены в табл. 5.

Полученные данные подтверждают работоспособность стеклопластика ВПС-58 в длительном временно́м интервале при приложении нагрузки, близкой к максимально допустимой. Это позволяет изготавливать из него несущие конструкции, надежно воспринимающие получаемые нагрузки продолжительное время.

Вместе с механическим нагружением на конструкцию влияют и факторы внешней среды, такие как знакопеременные температуры, тепло и влага и др. [32–35]. В связи с этим для оценки влияния эксплуатационных факторов на свойства исследуемого ПКМ проведена выдержка образцов в различных средах (табл. 6–10).

Результаты испытаний стеклопластика после теплового старения приведены в табл. 6.

Уровень сохранения прочностных характеристик составляет от 89 до 95 %, причем их изменение не носит линейный характер при экспозиции как при 60 °С, так и при 80 °С. В целом, оценивая полученные значения, можно констатировать, что воздействие повышенных температур не оказывает существенного влияния на стеклопластик. Изменения массы образцов после выдержки при разных температурах не выявлено.

Результаты испытаний образцов стеклопластика после экспозиции в тепловлажностных условиях при Т = 60 °С и φ = 85 %, при Т = 28 °С и φ = 85 %, а также в микологической камере приведены в табл. 7 и 10. Фотография образца, пораженного спорами грибов после выдержки, представлена на рис. 4.

Представленные данные свидетельствуют о достаточно высоком уровне сохранения свойств стеклопластика после выдержки в тепловлажностных условиях. Так, уровень сохранения свойств после выдержки в течение 2 мес. при Т = 60 °С и φ = 85 % составляет 81 %; после выдержки в течение 3 мес. при Т = 28 °С и φ = 98 % достиг 86 %; в условиях поражения спорами грибов после 3 мес. выдержки находится на уровне 83 %. Следует отметить, что влияние микологических факторов на прочностные характеристики ПКМ более значительно, чем влияние, оказываемое тепловлажностными условиями выдержки, несмотря на визуальное отсутствие следов поражения (рис. 4).

Результаты испытаний стеклопластика после выдержки в воде и камере тропического климата приведены в табл. 8 и 10.

В результате ускоренных климатических испытаний выявлено, что снижение уровня свойств после выдержки не превышает 18 %, что является хорошим показателем устойчивости стеклопластика к воздействию климатических факторов [36–39]. При этом максимальное снижение уровня свойств выявлено после выдержки при Т = 60 °С и φ = 85 %. В некоторых случаях (после тепловых и тепловлажностных воздействий) увеличилась прочность при изгибе, что объясняется упрочнением структуры ПКМ вследствие воздействия повышенных температур и сшивки макромолекул матрицы в материале.

Результаты исследований влияния автомобильного топлива и масла на физико-механические показатели исследуемого стеклопластика представлены в табл. 9, 10 и на рис. 5.

Установлено, что влияние моторного масла на ПКМ наиболее существенно как с точки зрения увеличения массы после выдержки (на 0,7 %), так и исходя из сохраняемости прочностных характеристик (88 %). Влияние бензина марки АИ-92 и дизельного топлива марки Л на прочность при изгибе оказалось сопоставимым: уровень сохранения свойств составил 95 и 92 % соответственно. Полученные данные свидетельствуют о незначительном влиянии автомобильных горюче-смазочных материалов на стеклопластик ВПС-58, что позволяет использовать его в том числе для изготовления конструкций, применяемых при строительстве автодорожных объектов.

Заключения

В результате всесторонних исследований определены физико-механические характеристики стеклопластика ВПС-58, а также выявлено влияние на них эксплуатационных факторов. Показано, что упруго-прочностные характеристики стеклопластика позволяют использовать его для изготовления несущих строительных конструкций, работоспособных в интервале температур от –60 до +60 °С. При этом физико-механические характеристики ПКМ значительно превышают минимально допустимые значения, что в свою очередь позволяет уменьшить толщину и массу конструкции при обеспечении необходимой несущей способности. Это благоприятно отражается на массогабаритных характеристиках и стоимости сооружения.

Влияние эксплуатационных факторов на физико-механические характеристики ПКМ незначительно. Максимальное влияние на прочностные характеристики оказала экспозиция в тепловлажностных условиях при Т = 60 °С и φ= 85 % (уровень сохранения свойств составил 82 %). Максимальное увеличение массы стеклопластика (0,7 %) выявлено после выдержки в моторном масле вязкостью 20–24 мм²/с. Для снижения влияния факторов экспозиции на поведение материала в процессе эксплуатации можно рекомендовать нанесение на поверхность изделия защитного лакокрасочного материала.