Тамбовский государственный технический университет
УДК 351.793.11
Влияние УФ-облучения на прочность и долговечность битумных кровель
Ярцев В.П., д-р техн. наук, профессор,
Долженкова М.В., инженер
В условиях эксплуатации битумные кровли подвергаются УФ-облучению, что приводит к фотодеструкции, снижающей их прочность и долговечность. Для оценки влияния УФ-облучения на сопротивление разрушению битумных кровель образцы бикроста, стекломаста, стеклобита в виде двусторонних лопаток подвергали облучению в специальной камере лампами ПРК в течение различного времени (от 12 до 108 часов). Испытания проводили при одноосном растяжении при постоянной скорости нагружения (кратковременные) и заданных постоянных напряжениях и температурах (длительные). При одинаковых условиях ( времени облучения, напряжении, температуре) испытывали по 6…12 образцов [1]. В результате кратковременных испытаний фиксировали величины разрушающих напряжений.
Зависимости прочности исследованных битумных кровель от времени УФ-облучения представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Влияние времени УФ-облучения на прочность при одноосном растяжении бикроста и срезе стекломаста и стеклобита
Из рисунка видно, что для всех кровельных материалов после 12-ти часов облучения прочность падает на 20…25 %. С увеличением времени облучения от 12 до 52 часов прочность стекломаста и стеклобита практически не меняется, а бикроста увеличивается на 12…15 %. После 52…60 часов облучения прочность стекломаста и стеклобита падает еще на 8…10 %, а бикроста - на 12 %. К 100 часам облучения прочность стекломаста и стеклобита достигает исходной величины. Таким образом, УФ-облучение экстремально влияет на прочность кровельных материалов, что, по-видимому, связано с физико-химическими процессами, протекающими при фотодеструкции битумной кровли.
Для выявления механизма разрушения и оценки вклада фотодеструкции в процесс механодеструкции битумной кровли после 108 часов облучения проводили длительные механические испытания исследуемых материалов при одноосном растяжении и срезе при температуре +18 0С. Экспериментальные результаты в координатах lgф-у при комнатной температуре показаны на рисунке 2.
Рисунок 2. Зависимости долговечности при одноосном растяжении бикроста (а) и срезе стеклобита (б) и стекломаста (в) от напряжения при температуре18±2°С до и после 108 часов УФ-облучения
Из рисунка видно, что 108 часов облучения не влияет на долговечность стеклобита, снижает ее у бикроста и по-разному проявляется у стекломаста - ниже напряжения 1,75 МПа долговечность падает, а выше - растет. Последнее, по-видимому, связано с комбинацией процессов фото- и механодеструкции в данном кровельном материале.
Рисунок 3. Зависимости долговечности при одноосном растяжении от напряжения (а) и обратной температуры (б) для бикроста после 108 часов УФ-облучения
битумный кровля облучение фотодеструкция
Для бикроста при одноосном растяжении получены зависимости lgф-у при вариации заданных постоянных температур, (рисунок 3,а). Эти зависимости представляют собой семейство веерообразных прямых, описываемых уравнением
(1)
где - время до разрушения (долговечность); - физические константы материала: - период колебания кинетических единиц, - максимальная энергия активации разрушения, - структурно-механическая константа, -предельная температура существования твердого тела; - напряжение; - температура; - универсальная газовая постоянная.
При определении констант графоаналитическим способом зависимости lgф-у перестроили в координаты lgф-103/Т (рисунок 3, б). Из последних зависимостей по программе «Коnstanta» [2] в координатах U-у (рисунок 4) определили величины максимальной энергии активации U0 и структурно-механической константы г.
На рисунке 4 также нанесли прямую U-у для исходного бикроста. Величины всех констант для бикроста представлены в таблице 1.
Рисунок 4 - Зависимости эффективной энергии активации разрушения от напряжения для бикроста до (1) и после 108 часов УФ-облучения (2)
Таблица 1
Значения физических констант бикроста до и после облучения.
|
Время облучения, ч |
U0, кДж/моль |
, кДж/ (мольМПа) |
Тm, К |
фm, с |
m=U0/г, МПа |
|
|
0 |
195 |
35 |
368 |
10-1,2 |
5,57 |
|
|
108 |
270 |
57 |
339 |
10-0,7 |
4,74 |
Из таблицы видно, что после облучения величины U0 и г существенно возрастают. Это указывает на изменение кинетики механохимической деструкции, приводящей к разрушению физической структуры.
В результате на 30 0С снижается предельная температура размягчения (Тm) и увеличивается период колебаний кинетических единиц за счет укрупнения последних (образования ассоциатов), что ранее наблюдалось для термопластов [3,4].
Величина предельной прочности уm (таблица 1) после облучения бикроста падает на 15 %.
Список литературы
1. Ярцев В.П. Прогнозирование работоспособности полимерных материалов в деталях и конструкциях зданий и сооружений / В.П. Ярцев // Учебное пособие (рекомендовано УМО в области строительства) - Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2001 - 149 с.
2. Санников Д.А. Аналитический метод определения термофлуктуационных констант механической долговечности твердых тел / Д.А. Санников, В.П. Ярцев, В.А. Русин // Математические методы в технике и технологиях: Сб. трудов XV Международ. науч. конф./ Тамбов: Изд-во ТГТУ, 2002. - Т.8- С.39-41.
3. Ярцев В.П. Влияние химически активных сред на физические константы термопластов, определяющие их сопротивление механическому разрушению / В.П. Ярцев, С.Б. Ратнер // Доклады АН СССР. - М., 1978.-Т.240.- №6- С.1394-1397.
4. Ярцев В.П. Влияние УФ-облучения на прочностные свойства термопластов./ В.П. Ярцев // Пластические массы. М., 1986. - №12. - С.16-17.