Поведение в динамике клеящих веществ для стеклянных несущих конструкций
Опираясь на результаты предварительной программы испытаний, для последовательности динамических тестов были отобраны различные системы адгезивов, применяемых для остекления. Ряд образцов уплотняющих материалов был подвергнут испытаниям серией однонаправленных циклических нагружений с разной амплитудой и частотой с целью получить данные для составления расширенной характеристики свойств материалов. Эффект ползучести при динамической нагрузке оценивался по деформации полимерной структуры и по внутренней деградации, могущей привести к необратимым изменениям размеров и инициировать разрушение. Дополнительно появляющийся при этом внутренний нагрев из-за динамической нагрузки может повлиять на поведение и свойства термопластических адгезивов. Свойства при нагреве во время проведения экспериментов наблюдались с помощью термографической камеры.
ВВЕДЕНИЕ
Подходящие адгезивы для соединения стекла полностью или частично состоят из полимерных смол и компаундов. То есть их химическая структура и свойства материалов в большой степени подобны поведению и свойствам других пластиков. В зависимости от молекулярной структуры полимеры демонстрируют зависимое поведение не только от нагрузки, но и с течением времени [1]. Под действием постоянной нагрузки эти материалы имеют тенденцию к ползучести, пластическому деформированию и текучести. В целом, величины сопротивляемости, которые получены в достаточно коротких по времени тестах с нагрузкой, не могут адекватно квалифицировать клееное соединение под воздействием повторяющихся и знакопеременных нагрузок, поскольку циклическое нагружение может привести к разрушению [2]. В этом случае разрушение может происходить при значительно меньшей амплитуде нагрузки по сравнению с выдерживаемой статической нагрузкой.
Клееные соединения стекла в оболочке здания часто подвергаются переменной нагрузке от ветра и меняющимся напряжениям из-за дневного или сезонного изменения тепла. Обычно типовые элементы фасада с ожидаемым сроком службы 30 лет выдерживают 1 000 000 циклов нагружения. Однако для светопроницаемых и легких элементов остекления, таких как ламели солнцезащитной шторы или фотовольтаический или фототермальный модуль, повышение колебаний, вызванных ветровой нагрузкой, увеличивает число циклов нагружения, которые нужно вынести за срок службы [3]. Динамическая нагрузка на несущие соединения со стеклом и фасадные элементы, конечно, не достигают таких же показателей, что в авиации и на автотранспорте, однако безусловно необходимо знать поведение материала и наступление усталости в применяемых клеевых соединениях со стеклом. В статье представлены результаты испытаний трех разных типов адгезивов при последовательных динамических тестах. Анализ нацеливался на определение скорости деформации и нагрузочной способности адгезивов при испытаниях с различной амплитудой и частотой.
ВЫБОР АДГЕЗИВА
При разработке клеевого соединения конструкторам приходится выбирать их элементы из огромного многообразия подходящих изделий. Основные характеристики клеящих материалов для фасадных и несущих стеклянных конструкций обычно таковы [4]:
Некоторые параметры противоречивы. Жесткой схемы требований к таким материалам не существует. Таким образом, в этой статье демонстрируется подход по определению поведения в динамике клееных соединений со стеклом на основе серии испытаний трех типов адгезивов, представляющих широкий спектр возможных применений.
Для динамического анализа был выбран двухкомпонентный самоотверждающийся силиконовый адгезив, который был специально разработан для уплотнения швов в несущих стеклянных конструкциях и соединения между собой стекла, металла и других строительных компонентов, потому что силиконы широко используются в несущих уплотненных стеклянных фасадах (Structural Sealant Glazing façades, SSG). Несущее соединение соединяет стекло с рамой фасадного элемента. Также для испытаний стеклянных конструкций применяются различные направляющие. Силиконы обычно проявляют адекватную температурную стабильность, они остаются достаточно подвижными даже при низких температурах. К тому же они пригодны для соединений материалов с разным коэффициентом температурного расширения, таких как стекло и алюминий. Тесты на старение и годы практического опыта доказали их высокую долговечность. Однако допустимые напряжения в них весьма малы.
Рис. 1. Прототип точечного коннектора,
приклеенного прозрачным акрилатом
Акрилаты и эпоксидные адгезивы допускают бóльшую нагрузку. Для серии испытаний был выбран однокомпонентный УФ- и светоотверждаемый акрилат, свойства которого и механические характеристики при кратковременной нагрузке были тщательно изучены в Институте строительных конструкций, г. Дельфт, Нидерланды. Акрилаты прозрачны, и соединения из них имеют высокое оптическое качество (рис. 1). Они имеют достаточную гибкость, их прочность на разрыв превышает сопротивляемость силиконов примерно на порядок, но часто встречаются разрывы, вызванные намного худшими характеристиками старения [5]. Также нужно уделить внимание их заявленным свойствам при разной температуре [6].
Специфицированные эпоксидные системы — также очень мощные адгезивы для соединений со стеклом. Были проведены динамические испытания двухкомпонентной непрозрачной эпоксидной смолы с высокой жесткостью. Экспериментальная стеклянная оболочка, склеенная встык [7] и закрепленная точечными соединителями [8] продемонстрировала пригодность адгезивов этого типа для стеклянных конструкций.
Рис. 2. Динамический модуль упругости E′ (сплошная линия) и коэффициент диссипации, Tgδ (прерывистая линия) для испытываемых адгезивов (скорость нагрева 1 K/мин на 1 Гц)
ПРЕДВАРИТЕЛЬНЫЕ ИСПЫТАНИЯ
При динамическом анализе механических свойств (DMA) всех трех адгезивов записывались зависимости их виско-эластичных свойств от температуры (рис. 2). В результате анализа определялся модуль упругости и демпфирующая способность при осцилляции образца. Принимая во внимание необходимость придерживаться соответствующего температурного диапазона при эксплуатации фасадов и несущих стеклянных конструкций от –20 °C до 80 °C, при испытаниях силиконы показали меньшее значение динамического модуля упругости (E′).
В отличие от них жесткость акрилатов несколько уменьшилась при снижении температуры от комнатной. Дальнейшие исследования акрилатов подтвердили их существенную зависимость свойств от изменения температуры [6]. При нагреве стекла свыше 75°C эпоксидный компаунд несколько уменьшил свою твердость, но во время испытаний он оставался намного более жестким веществом во всем температурном диапазоне.
Регулировка параметров при динамических испытаниях требовала данных об основных характеристиках материалов. Для получения величин предельных напряжений при растяжении уплотнителей и других свойств материалов были усреднены данные как от производителей, так и полученные по исследованиям Института строительных конструкций [6], [9], см. табл. 1.
ПРОГРАММА ДИНАМИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ
Поведение материала при переменной нагрузке может быть оценено при усталостных испытаниях. В общем образцы нагружались синусоидально, а величина напряжения или уровень нагрузки оставались постоянными. Данная серия испытаний основана на методике постоянной нагрузки, при котором контролируется последовательность нагружений. Напряжения относятся к постоянному поперечному сечению, изменение самого сечения под действием нагрузки во внимание не принимается.
Изменение напряжений вычисляется по положению движка клапана или по частично записанным показателям динамического тензометра, позволяющего прямо измерять образец с высокой жесткостью (рис. 3). Исследования проводились на электромеханическом испытательном стенде при обычной комнатной температуре и влажности.
Рис. 3. Испытательная установка с образцом из акрилата и динамическим тензометром
Образцы в виде двутавра (балки с заплечиками) типа 1B по DIN ISO EN 527-2. Образцы из эпоксидной смолы и акрилата были сделаны толщиной 4 мм по выплавляемой модели. Силиконовый образец был вырезан из листа нужной толщины.
Управление испытательной машиной требует от образца минимально допустимого значения жесткости, и в отличие от образцов из акрила и эпоксидной смолы, образец из силикона был изготовлен с толщиной сечения 10 мм.
Во время проведения испытаний устанавливались пределы по нагрузке. Последовательность нагружений задавалась двумя величинами напряжений — максимальным (σo) и минимальным (σu) напряжением — а также длительностью цикла. Записи нагрузки приведены на рис. 4.
Рис. 4. Параметры по испытаниям на усталость в соответствии с DIN 50100
Программа испытаний была разделена на исследования при разной частоте и при разном уровне нагрузки. Нагрузка во время проведения частотного анализа была установлена существенно ниже, чем уровень предельных напряжений для предотвращения быстрого разрушения. Изменение нагрузки проводилось на фиксированной частоте 5 Гц. Таблица 2 дает сводку соответствующих экспериментальных данных. Каждый параметр был получен на одном образце.
Существенно вязкое поведение адгезивного материала вызывало необратимое поглощение им энергии. Демпфирующая способность пластиков примерно от 100 до 1000 раз выше, чем у стали. В сочетании с их невысокой теплопроводностью температура образцов под знакопеременной нагрузкой быстро и резко возрастала [2]. Температурные изменения часто приводили к сдвигу характеристик материала. Таким образом, нужно обратить внимание на значение температуры и его влияние на результаты динамического тестирования. Эффекты при нагреве были засняты с помощью инфракрасной камеры в виде термовизуальных изображений и использовались в последующих экспериментах.
РЕЗУЛЬТАТЫ
При максимальном напряжении σo = 4,2 Н/мм2 на частоте свыше 5 Гц в испытываемой системе из акрилата возникает рост температуры (рис. 5). Амплитуда растяжения существенно увеличивается.
Рис. 5. Усталостные испытания акрилатного адгезива: рост внутренней температуры и амплитуды растяжения образцов при разной частоте
То есть жесткость образца уменьшается быстрее, чем при более низкой частоте. Вследствие чего проявление ползучести в образцах таково, что растяжение образцов достигало крайних положений (упоров) испытательной машины. Образцы, нагруженные при частоте 20 Гц, разрывались после примерно 20000 циклов.
Рис. 6. Термовизуализация образца из акрилата под динамической нагрузкой (f = 20 Гц, σo = 4,2 Н/мм2)
На рис. 6 показано нагревание образцов из акрилата в ходе испытаний. Если даже образец нагружался нагрузкой с более высоким значением, адгезивный материал начинал нагреваться только по достижении определенной части температурного диапазона. В этом промежутке температура росла преимущественно линейно и повышалась примерно на 30°C. Адгезив здесь неуклонно размягчался. Дальнейшее приложение циклической нагрузки приводило к интенсивному ускорению нагрева и усадке материала, что в итоге приводило к быстрому разрушению образца.
Силиконовые и эпоксидные адгезивы не проявляли такого существенного частотно-зависимого поведения. При высоком уровне нагрузки температура образцов повышалась, но стремилась к некоторой постоянной величине. Увеличение температуры, возможно, вызывало некоторое размягчение, но не инициировало разрыв. Частота 5 Гц была выбрана в качестве опорной при проведении дальнейших испытаний при варьировании интенсивности нагрузки.
Рис. 7. Динамические испытания акрилатного образца: рост средней деформации в цикле εm для разных уровней нагрузки σo
На рис. 7 показана характеристика растяжения акрилатного адгезива при динамическом нагружении. Пиковые значения величин максимального и минимального напряжения показаны для различных уровней нагрузки. Интенсивно нагруженные образцы разрушались уже после небольшого количества циклов. Предельное напряжение разнилось от 10% до 15%. Другие же показывали большую ползучую деформацию и достигали уровня 50% от средней деформации в цикле, не разрываясь при максимальной нагрузке и растягиваясь до упоров испытательной машины. Для лучшей степени представления показаны результаты только до уровня 35% от возможного растяжения.
Рис. 8. Динамические испытания акрилатного образца: рост деформации в цикле εa для различных уровней напряжений
В сравнении со средней деформацией в цикле амплитуды растяжения относительно малы (рис. 8). Потерю жесткости можно определить во всех данных. Начало изменений в материале зависит от прилагаемой нагрузки. Нагрев материала происходит при большем уровне нагрузки, который усиливает размягчение. Заметим, что диаграмма для акрилатного адгезива по оси абсцисс построена в логарифмическом масштабе. Разброс данных для первых 10 циклов объясняется феноменом кратковременной флуктуации свойств при переходе от статики к динамике.
В отличие от акрилатного адгезива образцы из силикона демонстрируют даже некоторое снижение скорости ползучести в проанализированных 100000 циклов, рис. 9. Из-за высокой собственной гибкости первоначальное напряжение здесь даже относительно больше для малых значений нагрузки. Разрушение образцов не достигнуто.
Рис. 9. Динамические испытания силиконового образца: рост средней деформации в цикле εm для различных уровней напряжений
Испытанные образцы из силикона размягчались на первичной стадии теста на усталостную прочность, но с ростом числа циклов показывали по большей мере практически постоянную амплитуду средней деформации в цикле, рис. 10. Данные по силикону не показывают раннее развитие усталости материала при приложенной нагрузке. Дальнейшее циклическое нагружение было проведено с целью определить возможное появление изменений в материале и необратимую внутреннюю деградацию, которая может стать причиной последующего разрушения.
Рис. 10. Динамические испытания силиконового образца: рост деформации в цикле εa для различных уровней напряжений
При динамической нагрузке образец из эпоксидного адгезива существенно удлинялся. Действующее напряжение растет с увеличением числа циклов (рис. 11). Градиент ползучей деформации растет вместе с ростом прилагаемой нагрузки. Скорость ползучей деформации была записана по логарифмической шкале для всех образцов. Это показывает стадию третичной ползучести, которая часто приводит к разрыву образца при продолжении нагружения. Наиболее стойкие образцы разрушились после примерно 3000 циклов приложения нагрузки.
Рис. 11. Динамические испытания эпоксидного образца: рост средней деформации в цикле εm для различных уровней напряжений
Жесткость эпоксидных образцов существенно не изменялась. Амплитуда напряжений оставалась почти постоянной, рис. 12. Только образец, нагруженный до σo = 22.8 Н/мм2, слегка размягчился перед разрывом. При разрушении увеличивалась температура образцов примерно на 3°, что приводило к некоторому снижению жесткости. Остальные образцы оставались целыми в течение 100000 циклов нагружения, проведенных для динамического анализа, и значительно не нагрелись.
Рис. 12. Динамические испытания эпоксидного образца: рост деформации в цикле εa для различных уровней напряжений
ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Три распространенных адгезивных материала для остекления (акрилат, силикон и эпоксидный компаунд) были испытаны под синусоидальной нагрузкой вдоль одной оси. Частотные характеристики материала были получены при варьировании как частоты, так и нагрузки. Термические параметры учитывались для оценки усталостных свойств.
Анализ показал зависимость от длительности нагружения и некоторое развитие усталостных явлений в испытанных материалах. Из-за разной химической природы и молекулярного строения поведение трех испытанных адгезивов существенно различалось. Все образцы продемонстрировали разную стойкость к нагружению и степень ползучести, но есть некоторая схожесть. Все образцы показали ползучесть при циклических нагрузках. Ползучесть увеличивалась с ростом величины нагрузки.
Повышение интенсивности и частоты нагрузки приводят к росту внутренней температуры образцов и к разрушению. Небольшой внешний нагрев существенно не влияет на поведение материалов. Но динамическое нагружение вызывает значительный рост температуры внутри образцов из акрилата и силикона, существенно сказывающийся на всех свойствах материала.
Размягчение материалов было зафиксировано для всех испытанных образцов из акрилата, большинства образцов из силикона и лишь некоторых образцов из эпоксидного компаунда, подвергнутых очень высокому нагружению.
Необходимо провести дальнейшие эксперименты, чтобы получить данные, достаточные для численного моделирования и создания компьютерной модели. Необходимо продолжить натурные эксперименты на большем числе образцов, чтобы получить необходимое количество данных для статистический оценки характеристик материала в динамике. Для получения достоверных значений усталостной прочности и прогноза долговечности нужно увеличить число циклов испытаний, а также разнообразить уровни температуры при испытаниях.
Ссылки
- Althof, W.: Verformungs- und Festigkeitseigenschaften von Klebstoffen bei Kurz- und Langzeitbeanspruchung. In: Proceedings of Fertigungssystem Kleben 1984, TU Berlin. Berlin: TU Berlin, 1984. 141–162.
- Oberbach, K.: Untersuchung des Dauerschwingverhaltens. In: Carlowitz, B. (Ed.) : Die Kunststoffe — Chemie, Physik, Technologie. München, Wien: Hanser, 1990.
- Sandberg, L. B.; Rintala, A. E.: Resistance of Structural Silicones to Creep Rupture and Fatigue. In: O′Connor, T. E (Ed.): ASTM STP 1069 Buildings Sealants: Materials, Properties, and Performance. Philadelphia: American Society for Testing and Materials, 1990.
- Schadow, T.: Beanspruchungsgerechtes Konstruieren von Klebverbindungen in Glastragwerken. Dissertation. Dresden: TU Dresden, 2006.
- Tasche, S.: Strahlungshärtende Acrylate im Konstruktiven Ingenieurbau. Dissertation. Dresden: TU Dresden, 2008.
- Vogt, I.: Strukturelle Klebungen mit UV- und lichthärtenden Acrylaten. Dissertation. Dresden: TU Dresden, 2009.
- Blandini, L.: Structural Use of Adhesives in Glass Shells. In: Procetu edings of Challenging Glass — Conference on Architectural and Structural Applications of Glass 2008, TU Delft. Amsterdam: IOS Press, 2008. 185–191.
- Bellapart, F. A.; Mjoral, A. V.: La fijación puntual de vidrios en la Arquitectura. In: Quaderns d′Estructures, Volume 24 (2006). 33-42.
- Weller, B. et al.: Structural Sealants — Uni-Axial Mechanical Properties. In: Proceedings of Glass Performance Days 2009. Tampere: Glaston Finland, 2009.
Проф., д-р инж. Бернард Веллер (Bernhard Weller),
дипл. инж.
Феликс Никлиш (Felix Nicklisch),
дипл. инж. Ян Фунш (Jan Wunsch),
Дрезденский технический университет,
Ин-т строительных кнструкций, Дрезден, Германия.
По материалам доклада на Glass Performance Days,
июнь 2009 г., Тампере, Финляндия
