Необратимые деформации – пластические, ползучесть – не только не исчезают после снятия нагрузки, но могут даже возрастать, например, под влиянием собственной массы (ползучесть).
Под воздействием силовых факторов наблюдаются как обратимые, так и необратимые деформации.
Характер деформации наиболее четко проявляется после снятия нагрузок по величине и продолжительности их спада (упругому последействию).
Графические зависимости деформаций от времени действия нагрузок представлены на рисунке 4.
Пластическая деформация, медленно нарастающая без увеличения напряжений в материале, называется текучестью.
С повышением температуры, уменьшением скорости деформирования, пластическая деформация возрастает (при одинаковой нагрузке).
Ползучесть большинства ГИМ достигает значительных размеров и возрастает с повышением температуры, поэтому деформации ползучести определяются при наивысшей температуре, при которой будет работать материал в конструкции.
При изучении реологических свойств материалов (реология – наука о текучести материалов) пользуются величиной вязкости или обратной ей величиной – текучестью.
Вязкость характеризует внутреннее трение жидкости или сопротивление перемещения одного слоя жидкого вещества относительно другого.
а – упругая деформация; б – упругоэластическая деформация; в – пластическая деформация; г – упруговязкопластическая деформация
Р – нагрузка; ε
о
э
пл
Рисунок 4 – Графики зависимости деформаций (ε) от времени (τ) действия нагрузок
Рисунок 5 – График текучести (а) и ползучести (б)
Материал, подвергшийся воздействию внешних сил, способен самопроизвольно снимать часть внутренних напряжений за счет молекулярных перемещений и перестройки структуры со снижением упругой энергии и переходом ее в теплоту до состояния устойчивого равновесия в новых условиях. Процесс снижения напряжений в материале при постоянной деформации, строго зафиксированной жесткими связями, называется релаксацией. Время, в течение которого напряжение в материале понижается в е=2,72 раза, называется временем или периодом релаксации (Q). У жидких ГИМ Q~10
±10
10
При малых периодах наблюдения (нагружения), значительно (в несколько десятичных порядков) меньших периода релаксации материал ведет себя как упругохрупкое тело, а при длительных периодах воздействия нагрузки (наблюдения) тот же материал, даже под воздействием собственной массы, обнаруживает ньютоновское (вязкое) течение (лед).
Вязкое течение может наблюдаться при эксплуатации ГИМ на вертикальных поверхностях. Его значение рассчитывают по формуле
где Е – жесткость;
Q – период релаксации.
Таким образом, удлинение материала без разрывов будет зависеть от жесткости Е и времени релаксации Q.
Прочностные свойства характеризуют способность материала не разрушаясь сопротивляться внутренним напряжениям, возникающим под воздействием механических, тепловых и других факторов. Для ГИМ прочность выражается пределом прочности при разрыве, сжатии, сдвиге, пределом упругости и т.д.
Эти величины являются условными, т.к. зависят от методики испытания материалов и, как правило, не учитывают продолжительности действия нагрузки.
Если для ГИМ с кристаллизационной структурой эти условные показатели хрупкого разрушения можно считать достоверными вследствие огромных периодов релаксации, то в отношении вязко-пластичных материалов при испытании следует учитывать фактор времени.
В случае нехрупко-пластичного разрушения образца обычно определяют лишь условный предел прочности, принимая за него величину частного от деления нагрузки, при которой происходит нарастание деформаций без увеличения усилия (регистрируется на шкале силоизмерителя), на площадь начального поперечного сечения образца в форме цилиндра или призмы. Полимеры испытывают при температуре 20 °C.
Изучая кинетику развития деформаций при постоянной нагрузке или кинетику развития напряжений при постоянных деформациях, получают числовые данные для построения реологических кривых в системе координат ε/σ, где ε – градиент скорости деформации.
По реологической кривой устанавливается предельное напряжение сдвига σ
к
Сопротивление материала ударному действию нагрузки измеряется количеством работы, затрачиваемой на разрушение образца, принятого по стандарту, отнесенной к единице его объема (кг·см/см
3
2
σ
s
р
Рисунок 6 – График предельных напряжений
где σ – напряжения; ε – деформации; η – текучесть
Рисунок 7 – Реологическая кривая
Твердость – способность материала сопротивляться проникновению в него других, более твердых тел. Метод определения твердости основан на вдавливании в испытуемый образец стального шарика или на перемещении по поверхности образца специального твердого наконечника (индентора). Мерой твердости служит отношение нагрузки к площади отпечатка.
Гибкость – для рулонных ГИМ определяется путем огибания вокруг бруска с криволинейной поверхностью образцов-полосок стандартной ширины на угол 180° при определенной температуре. Качество оценивают по нарушению сплошности материала при изгибе.
Технологические свойства или удобообрабатываемость также отражают механические свойства. Основные среди них – подвижность смесей, жесткость их, уплотняемость, укрывистость.
2.2.3 Свойства, характеризующие долговечность материала
Под ними понимают способность материала сохранять, не изменяя свою структуру, а в ряде случаев упрочнять ее со временем за счет процессов старения. Основными дестабилизирующими факторами являются вода, колебания температуры, климатические и биологические факторы.
Набухаемость – способность материала увеличиваться в объеме при насыщении водой. При этом наблюдается поглощение гигроскопичной (пленочной) воды. Это сопровождается раздвижкой отдельных структурных частиц. При последующем высыхании наблюдаются усадочные явления и восстановление структуры, но не полное. Многократное набухание и высыхание сопровождаются разрушением материала.
Водостойкость – способность материала сохранять в водонасыщенном состоянии механические свойства. Характеризуется отношением предела прочности при сжатии в водонасыщенном состоянии к пределу прочности в сухом состоянии.
Морозостойкость – способность материала в водонасыщенном состоянии выдерживать многократное, циклическое замораживание и оттаивание без признаков разрушения и без значительного понижения прочности. Для ГИМ после 5 и более циклов испытания снижение прочности должно быть в определенных пределах, например, не более чем на 10-25 %, а потеря в массе – не более 5 % от первоначальных значений.
Химическая стойкость – способность материала сопротивляться агрессивному действию среды и сохранять постоянными состав и структуру материала в условиях инертной окружающей среды. Влияние среды проявляется в старении материалов.
Биохимическая стойкость – способность материала сопротивляться биологическим процессам, возникающим в эксплуатационный период и связанными с заражением грибами, порчей насекомыми, прорастанием растений и т.п.
Теплостойкость – способность материала сохранять в допустимых пределах механические и другие технические свойства при нагревании. Определяется температурой, при которой начинается деформирование испытуемого образца.
Температуроустойчивость – способность образцов выдерживать в сушильном шкафу без видимых деформаций в течение определенного времени заданную температуру в подвешенном состоянии.
2.2.4 Свойства, характеризующие адгезию
Под адгезией понимают способность двух разнородных материалов сцепляться своими поверхностями, например, гидроизоляционного с конструкционным. Адгезия определяет прочность и стабильность гидроизоляционного слоя на защищаемой поверхности. Различные ГИМ имеют разное сцепление с одной и той же поверхностью. Прочность прилипания, например, мастики, зависит от ее поверхностного натяжения, вязкости, температурных условий, концентрации ПАВ и т.д.
1 – поверхность; 2 – мастика; 3 – воздух
Рисунок 8 – Краевой угол смачивания гидроизоляционным материалом гидрофобной поверхности
Адгезия рассчитывается по формуле
где σã
‒
âφ – краевой угол смачивания на границе раздела гидроизоляцияподкладка (П).
Для увеличения адгезии необходимо увеличить σг
‒
вОсновным же регулятором адгезии является σг
‒
вОценка адгезионной способности ГИМ проводится на приборах методом сдвига и отрыва. Эти методы условные, т.к. не учитывают релаксацию напряжений, что приводит к завышению показателей адгезии.
При комплексной оценке качества твердых и вязкопластичных ГИМ учитывают также величину когезии, т.е. прочность связи молекул (атомов, ионов) самого ГИМ, что обусловлено межмолекулярным электростатическим взаимодействием и химической связью.
2.2.5 Стандартные методы и приборы для оценки свойств
Для рулонных кровельных и гидроизоляционных материалов определяют полноту пропитки картонной основы вяжущим, разрывную нагрузку при растяжении в продольном и поперечном направлениях, гибкость, массу покровного слоя, прочность сцепления крупнозернистой посыпки с покровным слоем, цветостойкость посыпки.
У мастичных ГИМ – битумных, битумно–резиновых и др. – производят проверку внешнего вида, определение теплостойкости, хрупкости, гибкости, клеящих свойств, деформативности, вязкости, содержания воды и водопоглощения, содержания наполнителя и сухого остатка, биостойкости, уровня токсичности, однородности, плотности, времени отверждения и высыхания, цвета и др.
3 Теоретические положения качества гидроизоляционных материалов
3. 1 Основные условия надежной гидроизоляции
Высококачественные ГИМ должны отвечать следующим требованиям:
– применяемые для гидроизоляции материалы плохо смачиваются водой;
– исключается возможность свободного перемещения воды по порам и капиллярам изоляционного слоя;
– тормозится диффузное проникновение воды, если нельзя полностью предотвратить диффузию;
– обеспечивается необходимая прочность и деформативность ГИМ;
– сохраняется долговечность материала в конструкции, что адекватно относительной стабильности его структуры.
Таким образом, основным требованием к ГИМ является гидрофобность.
Как ранее отмечалось, ГИМ должен быть гидрофобным, т.е. не смачиваться водой, и тогда водопоглощение, гигроскопичность будут иметь минимальные значения и способствовать повышению долговечности конструкции
Создание не смачиваемой поверхности весьма сложная задача. Способность к смачиванию поверхности характеризуется наличием у нее свободной энергии и зависит от полярности наносимой жидкости. Свободная поверхностная энергия вещества обусловлена наличием на его поверхности некомпенсированных химических связей вследствие ее дефектности.
Рисунок 9 – Схема действия сил поверхностного натяжения на поверхности гидроизоляционного материала
Для ГИМ обычно: 1- вода, 2 – воздух, 3 – изоляционный материал.
Чем меньше разность в избытке свободной энергии соприкасающихся фаз или разность их поверхностных натяжений, тем полнее и легче происходит смачивание. Из условия равновесия сил, действующих на поверхность смачиваемого тела, следует
где σ
23
13
12
Из уравнения видно, что смачиваемость уменьшается с ростом краевого угла смачивания ϕ, который для гидрофобных материалов больше 90°. При этом cosφвеличина отрицательная, а, следовательно, и разность σ
23
13
12
12
2
23
За меру полярности удобно принимать диэлектрические свойства, например, диэлектрическую проницаемость. Она имеет малые значения для полимеров (от 2,4 до 2,9 для полиизобутилена) и битумов (от 2,5 до 3,0); для воды – 81,0.
Введение в битум минерального порошка с образованием асфальтового вяжущего повышает его диэлектрическую проницаемость (от 4,8 до 6,5). Поскольку замерить σ23 трудно, то основное внимание при разработке ГИМ следует уделять повышению величины σ
13
С приближениемϕк нулю работа адгезии переходит в работу когезии, равную Wk=2σ
12
1
2
ϕ
1
ϕ
2
Рисунок 10 – Схема действия сил поверхностного натяжения на поверхности гидроизоляционного материала, смачиваемого водой
Таким образом, необходимо сочетать факторы, способствующие понижению σ
23
13
Если ГИМ при испытании не дает тупого угла смачивания водой (отрицательного значения cosϕ), то на поверхность конструктивного материала следует нанести тонкий слой пленкообразного гидрофобного вещества. Создание гидрофобной поверхности (наружной и внутри пор) является одним из основных условий хорошей гидроизоляции.
Несмачиваемость поверхности гидроизоляционного слоя – необходимое, но не достаточное условие эффективной защиты конструкции от воздействия воды, т.к. последняя может проникать в материал вследствие капиллярного подсоса. В зависимости от степени гидрофобности стенок капилляра, их способности смачиваться водой изменяется высота или глубина подсоса воды. Если стенки капилляров гидрофобны, то вода в них не заходит, а оказавшаяся в них вода опустится ниже уровня окружающей водной среды.
Проникание воды в капилляры и поры материала предотвращается давлением, возникающим на менисках и направленным вдоль оси. Схема действия сил в капилляре гидрофобного материала представлена на рисунке 11.
1 – вода; 2- слой гидроизоляционного материала; 3- конструкция.
Рисунок 11 – Схема действия сил в капилляре
Величина капиллярного давления воды рассчитывается по формуле где σ – поверхность натяжения воды на границе с воздухом (при 20 °C равно 72,8 дин/см);
g – ускорение свободного падения, 9,81 м/с
2
ϕ— краевой угол смачивания у менисков;
cosϕ— характеристика смачивания;
r – радиус капилляров или пор, см.
Таким образом, для повышения качества ГИМ необходимо уменьшать «r», увеличивать «ϕ».
Это достигается:
1) уменьшение «r»: максимальным уплотнением гидроизоляционной массы;
проектированием состава зернистой смеси ГИМ по принципу наибольшей плотности с последующим заполнением оставшихся пустот вяжущим веществом;
2) увеличение «ϕ» у менисков: достигают теми же способами, что и при снижении смачиваемости наружной поверхности гидроизоляционного покрытия (гидрофобизация).
Необходимо также предохранять поверхность изоляционного покрытия от посторонних наносов, не допуская механического проникновения их в поры. Наносы, обычно гидрофильные по своей природе, уменьшают краевой угол смачивания.
Таким образом, для предотвращения проникания капиллярной воды необходимо повышать плотность слоя изоляции и снижать полярность поверхности внутренних пор, капилляров и других полостей в материале, в том числе путем предварительной гидрофобизации заполнителей физической или химической адсорбцией.