Структура и свойства материалов ограждений мягких оболочек

Размещено на http://www.allbest.ru/

Структура и свойства материалов ограждений мягких оболочек

Сулейманов А.М., канд. техн. наук,, доцент,

Куприянов В.Н., д-р техн. наук, профессор, член корр. РААСН

Казанский государственный архитектурно-строительный университет

1. Эксплуатационные требования к материалам ограждений мягких оболочек

Основные эксплуатационные требования к материалам ограждений мягких оболочек (МО) строительного назначения предъявляются по физико-механическим и декоративным свойствам.

К физико-механическим свойствам относятся:

- прочность при растяжении;

- прочность на раздир;

- прочность сцепления армирующей основы с покрытием;

- модуль упругости;

- коэффициент Пуассона;

- масса;

- гибкость (в определенном интервале температур);

- огнестойкость

К декоративным свойствам относятся:

- цвет;

- блеск;

- светопроницаемость;

- фактура;

- грязе- и пылеотталкивание.

При воздействии эксплуатационных факторов эти параметры должны сохраняться в определенном диапазоне, что называется долговечностью материала. Все перечисленные свойства материалов, в комплексе, обеспечиваются строением и составом структурных составляющих композита.

2. Строение и состав

Материалы ограждений МО представляют собой композиты (рис 1) с тканой армирующей основой - 1 из высокопрочных синтетических нитей и пленочного покрытия (матрицы) - 2 из эластомеров или термопластов, которое служит для фиксации и защиты армирующей основы от воздействия атмосферных факторов, придавая герметичность и воздухонепроницаемость материалу. Для обеспечения прочной связи армирующей основы с покрытием между ними вводится адгезионный слой - 3. Для повышения долговечности и декоративных свойств наносится финишное защитное покрытие - 4.

Армирующая основа материалов изготавливается из полиэфирных (реже полиамидных) волокон. Для изготовления материалов с долговечностью более 20-25 лет используются стеклянные или ароматические углеводородные нити. Пленочное покрытие (матрица) в основном изготавливается из пластифицированного поливинилхлорида с финишным покрытием различными лаками и пленками на основе акриловых смол или фтористых соединений. В качестве матрицы используются также полиуретан или тетрафторэтилен (тефлон). Поскольку тефлон гибок и не требует пластификатора, устойчив к воздействиям ультрафиолетового облучения, обладает высокой стойкостью к большинству химических и промышленных загрязняющих веществ, он обеспечивают материалу высокую долговечность, устойчивость к загрязнению и выцветанию.

Рис. 1. Элементарная ячейка (представительная зона) материала

3. Физико-механические характеристики и их связь со строением и составом

Напряженно-деформированное состояние является основой существования МО. Исходная искривленность армирующих нитей (рис. 2) и вязкоупругие механические свойства полимерной матрицы определяют специфику напряженно-деформированного состояния материалов ограждений в сооружениях. Этот тип материалов относятся к высокодеформируемым конструкционным композиционным материалам. При этом деформации материала зависят от исходной структуры материала, приложенной нагрузки и их соотношения по ортогональным осям композита.

Рис. 2. Поперечный срез а) исходной и б) деформированной структуры материала.

Нами были проведены исследования напряженно-деформированного состояния различных материалов в процессе воздействия на них эксплуатационных факторов. Образцы материалов старились в камере искусственной погоды под воздействием УФ-радиации, температуры, влаги (в виде дождевания) и механической нагрузки. Соотношения растягивающих нагрузок при испытаниях на старение, их вектора и уровни приведены в табл. 1.

Таблица 1

Диапазон растягивающих нагрузок для лабораторных режимов

На рис. 3 показаны деформации материалов в процессе эксплуатации в зависимости от уровней нагрузок и их соотношений. Первый материал (рис.3а) имеет примерно одинаковую, но достаточно высокую, исходную искривленность нитей основы и утка. В результате поверхности ползучести симметричны по ортогональным направлениям. Деформация материала при соотношении б = 0:2 (одноосное растяжение) могут достигать 10%. У материала, где исходная искривленность нитей утка высокая, а нити основы при этом почти прямые, поверхности ползучести асимметричны по ортогональным направлениям (рис. 3б). В результате при воздействии эксплуатационных нагрузок появляются значительные (более 15%) деформации в направлении большей исходной искривленности нитей и, соответственно, в значительном диапазоне соотношения нагрузок в ортогональном направлении появляются отрицательные деформации - материал сжимается. Такая исходная структура материалов ограждений МО, вызывающая анизотропию механических свойств при эксплуатации, формируется в результате «каландрового эффекта» при производстве материалов. При нанесении полимерной матрицы на тканую армирующую основу на каландрах или шпредингмашинах происходит выпрямление нитей основы и искривление нитей утка, а затем фиксация их в таком положении. В результате формируется композит с анизотропией физико-механических свойств, что создаёт дополнительные трудности при раскрое и формообразовании мягких МО.

Рис. 3. Ползучесть материалов при воздействии эксплуатационных факторов для различных соотношений нагрузок с а) одинаковой и б) различной исходной искривленностью армирующих нитей по ортогональным направлениям

Деформативность, соответственно модуль упругости Е и коэффициент Пуассона н, материала можно регулировать (см рис 1 и 2) изменяя шаг плетения, уплощая нити посредством крутки, а также регулируя реологические свойства полимерной матрицы. Передовые производители материалов ограждений МО, например фирма Ferrari, комплектуют свои производственные линии устройствами для фиксации тканевой основы в уточном направлении при нанесении пленочного покрытия. В результате материал формируется с минимальной и одинаковой искривленностью армирующих нитей по ортогональным направлениям (рис 4). Кроме того, появляется возможность увеличить толщину пленочного покрытия над армирующими нитками, что приведет к увеличению долговечности, не увеличивая общую толщину материала.

Рис. 4. Схема структуры материала сформированного а) c «каландровым эффектом» и а') с минимальной и одинаковой искривленностью ортогональных нитей (рисунок взят из сайта фирмы Ferrari)

Деформативность материала можно свести к минимуму используя в качестве армирующей основы нетканые материалы типа «малимо» (рис.5), где ортогональные нити не переплетаются, а оставаясь прямыми прошиваются третьей системой нитей. В результате деформативность материала при воздействии эксплуатационных факторов не превышает 5% (рис.6).

Рис. 5. Поперечный срез материала типа «Малимо» с нетканой армирующей основой

В зависимости от формы и эксплуатационных нагрузок в различных областях МО возникают различного уровня и соотношения растягивающие напряжения. Поэтому для разных форм и типов конструкций и даже в одном сооружении могут понадобиться материалы с различными деформационными свойствами. В случае простых, например цилиндрических, форм могут использоваться материалы с малой деформативностью. При сложных формах, в особенности в пневматических сооружениях, для формообразования и сглаживания напряжений высокая деформируемость (отчасти упругая) материала играет положительную роль.

Заканчивая раздел о механических свойствах, в качестве примера, приведем данные (таблица 2) об этих параметрах некоторых марок материалов для ограждений МО, изготавливаемых фирмой Sioen (Бельгия).

Таблица 2*

* данные из сайта фирмы производителя Sioen (Бельгия)

Рис. 6. Ползучесть материала типа «Малимо» при воздействии эксплуатационных факторов

Масса материалов. Для такого класса легких сооружений как МО масса материала имеет определяющее значение. Как видно из рисунка 7, при неизменном весе армирующей основы, толщина покрытия определяет массу материала.

Рис.7. Изменение массы материала в зависимости от толщины (данные из сайта фирмы производителя -Ceamen Corporation(США))

Учитывая, что долговечность материала определяется именно пленочным покрытием необходимо добиваться оптимального соотношения между атмосферостойкостью и толщиной покрытия.

4. Декоративные характеристики

В результате воздействия атмосферных факторов первыми изменяются декоративные характеристики материалов ограждений МО.

Известно, что любому цвету, кроме цветового тона, соответствуют определенные показатели насыщенности и светлоты. Эти характеристики необходимы разработчику сооружения для придания архитектурной выразительности объекта, а также для регулирования процессов теплообмена и разработки систем освещения наружного и внутреннего объема, с учетом старения материала. Изменение цвета касается всех цветов материалов включая и белый.

Изменение цвета (белого) материалов с различными марками финишных покрытий на акриловых (Acrylic) и фторсодержащих основах (PVDF) в процессе эксплуатации сооружения представлены на рисунке 8.

Рис. 8. Изменение цвета материалов (данные из сайта фирмы производителя -Ceamen Corporation(США))

материал ограждение мягкий оболочка

Покрытие материалов лаками и пленками обеспечивает соответствующий блеск поверхности материалов ограждений МО. Уменьшение блеска приводит к значительному увеличение светопоглащательной способности материала.

Рис. 9. Изменение блеска материалов (данные из сайта фирмы производителя -Ceamen Corporation(США))

Изменение блеска материалов с различными марками финишных покрытий представлены на рисунке 9.

Светопроницаемость материалов определяется составом полимерной матрицы и просветом в армирующей ткани. Эти просветы имеют размеры 0,25-0,6 мм и на квадратный метр ткани приходится 500-600 тыс. таких «окошек». Общая светопроницаемость может составлять 7-12%, при этом верхний предел определяется требованиями минимальной прочности на разрыв, а нижний предел - минимальной прочности на раздир, а также требованиями к прочности сцепления с покрытием. Было установлено, что материалы со светопропусканием около 12% дают достаточно света, чтобы обеспечить здоровый рост многих растений.

5. Долговечность

Исследования в области долговечности современных материалов показывают, что срок службы МО из этих материалов вполне соизмеримы с традиционными конструкциями из дерева, металлов и железобетона.

Таблица 3*

В таблице 3 приведены эксплуатационные характеристики и средний срок службы материалов изготовленных из различных структурных составляющих.Примечание:

1. ПЭ/ПВХ+АЛ (армирующая основа/матрица + финишное покрытие) - полиэфир/ПВХ + акриловый лак; ПЭ/ПВХ+Ф - полиэфир/ПВХ + фтористые пленки; СВ/ТФ - стекловолокно/тефлон

2. (х) - неудовлетворительная; х - удовлетворительная; хх - хорошая;

ххх - очень хорошая

* данные из сайта фирмы производителя CENO TEC (Германия)

Отличительной особенностью материалов ограждений МО является тот факт, что на протяжении срока службы не производятся какие-либо ремонтные мероприятия по продлению срока службы сооружения. На рисунке 10 показано падение прочности материалов в процессе эксплуатации изготовленных из различных структурных составляющих.

Рис. 10. Падение прочности материалов в процессе эксплуатации изготовленных из различных структурных составляющих (данные из статьи Полякова В.П., и Полякова В.В. на сайте ЗАО НПП «Хитон»)

Размещено на Allbest.ru