Полистиролбетон характеристики: Полистиролбетон: сфера применения материала

Технические характеристики и долговечность бетона с полистиролом (PIC), а также его эксплуатационные характеристики при улучшении неглубокого грунта — Геотехническое общество Новой Зеландии

Инженерные характеристики и долговечность бетона с полистиролом (PIC), а также его эксплуатационные характеристики при улучшении неглубокого грунта

Бетон с инжекцией полистирола (PIC) — это тип легкого бетона, который в разных странах мира имеет ряд различных применений, от теплоизоляции до улучшения мелкого грунта (PIC Raft).Из-за легкости этого материала его использование в зданиях и инфраструктуре дает ряд преимуществ. Инженерное сообщество имеет глубокое понимание прочностных характеристик PIC. Однако о характеристиках долговечности этого материала известно меньше. Цель этой статьи — дать некоторое представление о долговечности PIC в сочетании с ее инженерными характеристиками на месте при статической и динамической нагрузке при использовании в качестве метода улучшения неглубокого грунта.В этом документе представлены технические характеристики, которые были измерены на месте и в лаборатории. Инженерные свойства на месте были оценены с помощью статических нагрузочных испытаний (PLT) и легковесного дефлектометра (LWD), проведенных на испытательной площадке PIC размером 4 м ² , которая была построена на участке с низким модулем упругости грунта в Крайстчерче. Также представлены лабораторные результаты инженерных и долговечных свойств, которые были выполнены в соответствии с соответствующими стандартами AS / NZS. Эти методы испытаний включают: испытание на прочность при неограниченном сжатии (UCS), испытание на разрывную нагрузку, содержание влаги, плотность окружающей среды, плотность в сухом состоянии, поглощение холодной и кипящей воды и гидравлическую проницаемость.Испытания также включали циклы замачивания и сушки образцов ПОС в растворах хлорида натрия и сульфата натрия. Это было сделано для моделирования устойчивости PIC к солевому воздействию, а также к разложению под действием хлоридов и сульфатов. Обсуждение как локальной, так и лабораторной работы PIC представлено с полезными наблюдениями, которые были выполнены.

Легкие заполненные бетоны (LWAC) доступны в широком диапазоне плотности, прочности и размеров (Chandra and Berntsson, 2002) и используются во всем мире для самых разных целей.Бетон с инъекцией полистирола (PIC), тип LWAC, состоит из цемента, воды и заполнителей, включая легкий переработанный полистирол (называемый EPS). EPS — это малопрочный, но легкий материал, который придает легковесные свойства PIC, а также перерабатывает материал, который нельзя утилизировать из-за его неспособности разрушиться. В результате PIC имеет более низкую прочность на сжатие и модуль упругости, чем стандартный бетон, но имеет более низкую плотность и более высокий модуль, чем обычные грунты или инженерные насыпи.Эти свойства считаются полезными для ряда приложений.

Бетон из легких заполнителей (LWAC) был использован для таких областей применения, как:

• Легкие сборные панели для облицовки; Тепловые свойства EPS обеспечивают значительную изоляцию
• Легкая засыпка для подпорных конструкций; LWAC производит более низкое поперечное давление на грунт по сравнению с обычным грунтом
• Заявки на заполнение пустот, например вывод из эксплуатации подземных резервуаров или заполнение подпольных пустот
• Стабилизация земляного полотна для дорожных работ
• Плотное улучшение грунта мелкого заложения под фундаментом мелкого заложения

В то время как PIC на сегодняшний день имеет ограниченное применение в Новой Зеландии, его использование в качестве метода улучшения неглубокого грунта начало набирать обороты после недавних землетрясений (Кентербери и Каикоура), которые значительно повлияли на инфраструктуру.

В расчетной смеси, использованной для испытаний, использовалась смесь 850 кг / м 2. ³ , разработанная Axis Policon Ltd. продукт.

Тестирование было проведено на площадке в Крайстчерче, чтобы лучше понять инженерные свойства и производительность PIC при использовании в качестве метода улучшения неглубокого грунта. Сначала испытания проводились на необработанном материале земляного полотна (ил, непластичный), чтобы получить эксплуатационные характеристики грунта на месте.Затем было проведено контролируемое строительство плота PIC 4 м ² (см. Рис. 1), чтобы дать возможность испытать характеристики прочности и деформации плота PIC и измерить уровень «улучшений», которые произошли на площадке.

Рис. 1: Схематическое сечение пробного плота PIC длиной 4 м ² , построенного для тестирования инженерных свойств PIC при использовании в качестве метода улучшения неглубокого грунта

В ходе тестирования использовались:

• Испытания статической нагрузкой на пластину (PLT)
• Испытания легковесным дефлектометром (LWD)
• Испытания на неограниченную прочность на сжатие (UCS)

Эти испытания были выбраны для сравнения статических и динамических характеристик обработанных участков до и после обработки, а также для оценки увеличения прочности и жесткости PIC Raft с течением времени.

Для целей испытаний были проведены испытания обнаженного грунта на глубине 250 мм ниже уровня земли (bgl), чтобы измерить прочность и деформируемость грунта на месте. Затем предполагаемый участок обработки был выкопан до 600 мм над уровнем моря перед размещением 350 мм PIC.

2.1 Испытание статической нагрузкой на пластину (PLT)

статических PLT как на зачищенной поверхности земли (250 мм bgl), так и на готовом уровне PIC Raft после 28 дней отверждения. Эти испытания были проведены, чтобы показать улучшение статического модуля упругости грунта (Ev) обработанной площади после добавления улучшения грунта PIC Raft толщиной 350 мм.

Испытания проводились с использованием устройства статической нагрузки на пластину диаметром 300 мм, размеры которого соответствуют размерам фундамента, используемым в NZS 3604. Процедура испытания соответствовала немецкому стандарту для испытания нагрузки на пластину (DIN 18 134) с цифровым сбором данные, которые включают в себя загрузку почвы до 500 кПа за 7 шагов при измерении осадки плиты перед разгрузкой почвы за 3 шага. Затем грунт повторно загружается 5 приращениями до 450 кПа, при этом измеряется осадка плиты для получения характеристик повторной нагрузки почвы.Пластина помещалась с прямым и полным контактом на поверхность испытательной площадки.

Использование немецкого стандарта для статического PLT (DIN 18 134) было выбрано для расчета коэффициентов статического модуля упругости грунта на площадке. Это позволило получить и затем сравнить начальный статический модуль упругости грунта (Ev1) и статический модуль упругости уплотненного грунта (Ev2). Ev1 по существу дает статический модуль упругости грунта на месте, тогда как Ev2 дает максимальный статический модуль упругости грунта, который может быть получен грунтом после нагрузки под давлением 500 кПа.Соотношение модулей, таким образом, показывает, насколько близок грунт к «приемлемому уплотнению».

Статический PLT, проведенный на испытательном полигоне, показал, что внедрение PIC Raft толщиной 350 мм в качестве метода улучшения неглубокого грунта снизило мгновенные статические осадки, возникающие на обработанной площади при нагрузке 500 кПа, с 8,16 мм до 0,20 мм (уменьшение на 97,5%). . Как показано в Таблице 1 ниже, это сопровождалось увеличением статического модуля упругости грунта обработанной площади с 14,15 МПа до 561 МПа.47 МПа (увеличение на 3970%).

Таблица 1: Значения модуля упругости грунта (E _v ) по результатам испытаний статической нагрузкой на плиту для установки PIC Raft до и после установки

За счет замены ила 14,15 МПа на 350 мм PIC Raft коэффициент упругости площадки уменьшился с 2,62 до 1,50. Таким образом, установка PIC Raft на площадке значительно снизила уровень осадки, которую можно было ожидать на обрабатываемой площади при статической нагрузке.

2.2 Легкий дефлектометр (LWD)

LWD, как и статический PLT, проводились как на зачищенной поверхности земли (250 мм bgl), так и на готовом уровне PIC Raft после 28 дней отверждения. Эти испытания были проведены, чтобы показать улучшение динамического модуля упругости грунта (Evd) обработанной площади после добавления плиты PIC Raft толщиной 350 мм.

Испытания проводились с использованием пластины диаметром 300 мм и устройства LWD. Процедура испытания соответствовала стандарту ASTM E2835-11, который включает динамическое нагружение почвы до 100 кПа при измерении осадки плиты.Это динамическое испытание проводится трижды перед определением средней осадки плиты при динамической нагрузке 100 кПа. Это затем позволяет получить динамический модуль упругости грунта на основе результатов измерений. На рисунке 2 ниже показан пример устройства LWD, используемого для испытания динамического модуля упругости грунта.

Проведенные испытания LWD показали, что установка PIC Raft толщиной 350 мм увеличила средний динамический модуль упругости грунта с примерно 26 МПа до 185 МПа (см. Таблицу 2). Это примерно на 700% больше, чем до и после улучшения.

Таблица 2: Значения динамического модуля упругости грунта (Evd) по результатам испытаний LWD для улучшения неглубокого грунта до и после PIC Raft

Рисунок 2: Оборудование LWD, используемое на улучшении неглубокого грунта PIC Raft

2.3 Прочность на неограниченное сжатие (UCS)

испытаний UCS на образцах, полученных с плота PIC на испытательной площадке. Эти испытания проводились через регулярные промежутки времени во время отверждения PIC Raft, чтобы показать улучшение UCS со временем.Испытания были ограничены 28 днями, поскольку это приемлемое время отверждения, когда ожидается, что бетон достигнет максимальной прочности (> 99%).

Испытания проводились с использованием образцов керна диаметром 100 мм и длиной 200 мм, пробуренных на испытательной площадке через 7, 14 и 28 дней отверждения. Процедура испытания соответствовала NZS 4402: 1986, испытание 6.3.1 и заключалась в измерении деформации (изменения длины) образца керна при его загрузке в устройство UCS. Образцы постоянно нагружаются до тех пор, пока они не «развалятся» (разорвутся), и максимальное напряжение, оказываемое на образцы, не будет записано как пиковая прочность.На рисунке 3 ниже показаны пиковые значения UCS для различных образцов, собранных в процессе отверждения.

Как показано на рисунке 3, прочность плиты PIC превышает 1,0 МПа после 7 дней отверждения. Прочность плиты PIC продолжает увеличиваться до максимальной измеренной прочности почти 3,5 МПа после 28 дней отверждения. Это показывает значительное увеличение прочности плота PIC за 28 дней до максимальной прочности, которая примерно на 40% превышает расчетную прочность 2,5 МПа.Модуль Юнга, измеренный во время тестирования UCS, также показал увеличение с 912,6 МПа через 7 дней до 1516,5 МПа через 28 дней (увеличение на 66%).

Рисунок 3: Увеличение прочности на сжатие PIC Raft за 28 дней отверждения

Чтобы PIC Raft соответствовал требованиям Строительного кодекса Новой Зеландии (NZBC), при проектировании PIC Raft необходимо учитывать:

• Новая Зеландия Строительный кодекс B1 / VM4-Фундаменты
  • Прочность PIC должна быть такой, чтобы обеспечить необходимую устойчивость здания
• Строительный кодекс Новой Зеландии B2-Долговечность
  • Лабораторные испытания свойств и долговечности PIC Raft
  • Характеристики материалов аналогичны материалам PIC Raft (т.е.е. бетон)
  • Любые ограничения использования PIC Raft, которые могут привести к его несоответствию требованиям NZBC
  .

Поскольку требования к прочности были получены во время режима испытаний на прочность и жесткость на месте, оценка долговечности была сосредоточена на требованиях к долговечности, изложенных в документе B2-Durability NZBC. Как указано в B2 Строительного кодекса, требование обеспечить структурную устойчивость здания и сложность доступа и замены строительного элемента (PIC Raft) требует, чтобы PIC Raft был достаточно прочным для расчетного срока службы 50 лет.

Долговечность стандартного бетона для структурного использования (т. Е. Бетона с прочностью от 20 МПа до 50 МПа) хорошо рассматривается и рассматривается в стандарте NZS 3101 (2006). В этом документе долговечность зависит от окружающей среды в данном географическом районе Новой Зеландии. После этого разрабатывается необходимая бетонная смесь. Однако срок службы PIC выходит за рамки NZS 3101.

Цель оценки долговечности заключалась в том, чтобы продемонстрировать, что PIC соответствует требованиям NZBC, путем подтверждения работоспособности в соответствии с методом проверки B2 / VM1 на основе сравнений с характеристиками аналогичных материалов (B2 / VM1, 1.3 Подобные материалы) и успешное выполнение ряда различных лабораторных тестов (B2 / VM1, 1.2 Лабораторные испытания).

3.1 Характеристики долговечности аналогичных материалов

Согласно B2 / VM1 (1.3, Аналогичные материалы), была проведена оценка PIC Raft для сравнения с бетоном. Бетон (согласно определению NZS 3101-2006) представляет собой «смесь портландцемента или любого другого гидравлического цемента, песка, крупного заполнителя и воды». PIC Raft — это конструкция из легкого бетона, с единственным изменением в конструкции материала PIC Raft по сравнению со стандартным бетоном, заключающимся в удалении некоторых тяжелых заполнителей и замене на пенополистирол.Таким образом, PIC Raft практически идентичен бетону (как описано в NZS 3101, 2006), за исключением того, что легкие заполнители из пенополистирола заменены некоторыми крупнозернистыми заполнителями. Учитывая это сходство, характеристики современных бетонных материалов в Новой Зеландии можно использовать в качестве ориентира для характеристик PIC Raft.

Бетонная смесь, используемая в PIC Raft, поставляется известными поставщиками бетона в Новой Зеландии, которые производят бетонные смеси, соответствующие всем необходимым стандартам.

Некоторые из этих стандартов включают:

• NZS 3101: 2006; Стандарт на бетонные конструкции
• NZS 3104: 1991; Спецификация для производства бетона
• NZS 3109: 1997; Бетонные конструкции
• NZS 3111: 1986; Методы испытаний на воду и заполнитель для бетона
• NZS 3112.1: 1986; Спецификация методов испытаний для бетона; Испытания свежего бетона
• NZS 3112: 1986; Спецификация методов испытаний для бетона

В связи с этим можно предположить, что данный материал имеет характеристики долговечности, аналогичные характеристикам стандартного бетона и других материалов на основе цемента (цементная паста, раствор и т. Д.).

3.2 Лабораторные испытания долговечных свойств плота PIC

Оценка вероятных условий размещения PIC Raft показала, что он, вероятно, будет подвержен ряду механизмов деградации в течение расчетного срока службы материала.

Механизмы деградации, которым может подвергнуться PIC Raft, включают:

• Сульфатное и хлоридное воздействие (коррозионные почвы, химическое загрязнение, соленая вода и т. Д.). Этот тип разрушения со временем приведет к разрушению цементирующей структуры материала.
• Соляная атака (прибрежная / морская среда). Это может привести к растрескиванию и отслаиванию материала при повторяющихся циклах насыщения солевым раствором.
• Разложение при замораживании / оттаивании (холодная среда, подвергающаяся многочисленным циклам замораживания / оттаивания). Как и в случае солевой атаки, этот механизм может вызвать растрескивание и скалывание материала при повторяющихся циклах замораживания.
• Деградация EPS на основе нефти. EPS, вероятно, подвергнется разрушению материала при прямом контакте с продуктами на нефтяной основе.Устойчивость к воздействию нефти не рассматривается в этом отчете, поскольку она хорошо документирована на международном уровне.

Используемые методы испытаний были нацелены на оценку производительности PIC Raft при воздействии вероятных механизмов деградации, упомянутых выше. Методы испытаний также оценили свойства PIC Raft, чтобы измерить устойчивость материалов к этим типам разрушения.

Тип проведенных испытаний, результаты испытаний и соответствующие стандарты представлены на Рисунке 4.

Рисунок 4: Сводка испытаний на долговечность образцов PIC Raft

Испытание на стойкость к солевому воздействию было выбрано с использованием методов сульфата натрия и хлорида натрия для моделирования работы PIC Raft при воздействии сульфатов, хлоридов и солей, а также механизмов разложения при замораживании-оттаивании.

При сравнении результатов, собранных во время лабораторных испытаний, с соответствующими стандартами было обнаружено, что материал PIC Raft показал себя хорошо.Все испытания прошли требования соответствующих стандартов, и результаты показали, что можно предположить, что PIC Raft соответствует требованиям к долговечности в течение 50 лет при идеальных условиях, при условии учета ограничений материала.

Ограничениями по применению PIC Raft можно считать:

• В связи с легковесными свойствами PIC Raft и насыпной плотностью материала (850 кг / м ³ ), меньшей, чем у воды (1000 кг / м ³ ), существует потенциальная возможность возникновения эффекта плавучести. возникают, если PIC Raft используется под уровнем грунтовых вод или на уровне, где потенциальное повышение уровня грунтовых вод может повлиять на PIC Raft:
  • Плот PIC должен быть размещен над уровнем грунтовых вод, чтобы исключить потенциальные силы плавучести, действующие на плот PIC.
• Несмотря на то, что PIC Raft хорошо показал себя в тестах на устойчивость к солевому воздействию, один из тестовых образцов показал незначительное растрескивание в результате тестирования раствора сульфата натрия. Учитывая это:
  • Рекомендуется провести тестирование pH на подозрительных участках, чтобы подтвердить, что почва с низким pH (кислая) отсутствует. Если наблюдается низкий уровень pH, следует провести сульфатное тестирование почвы, чтобы оценить возможность сульфатного воздействия на участке. При обнаружении чрезмерного количества сульфатов у основания выемки следует поместить влагонепроницаемую мембрану (DPM) или аналогичный материал, чтобы изолировать PIC Raft от контакта с почвами, богатыми сульфатами.
• Учитывая низкую долговечность EPS при контакте с нефтепродуктами или чрезмерном и продолжительном тепловом воздействии (вызывающем разрушение материала EPS):
  • PIC Raft не следует использовать там, где есть вероятность контакта материала с продуктами на нефтяной основе или воздействия чрезмерного и продолжительного нагрева (например, огня).

используется в качестве материала для улучшения неглубокого грунта под фундаментами, где встречаются неблагоприятные почвенные условия.PIC Raft в основном состоит из цемента, воды и заполнителей, включая легкий переработанный полистирол (EPS).

Проведя натурные и лабораторные испытания, были оценены технические характеристики и долговечность PIC, чтобы лучше понять его эффективность как метода улучшения неглубоких грунтов.

Испытание статической пластиной нагрузки (PLT) на месте и динамический легкий дефлектометр (LWD) показали, что введение плота PIC толщиной 350 мм под пластиной шириной 300 мм (предназначенной для имитации типичного фундамента типа NZS 3604), создающей статическое напряжение 500 кПа и динамическое напряжение 100 кПа:

• Уменьшено мгновенное статическое оседание пластины на испытательном полигоне на 97 единиц.5%
• Увеличен статический модуль упругости грунта обработанной площади с 14,15 МПа до 561,47 МПа.
• Увеличен средний динамический модуль упругости грунта на обработанной площади примерно с 26 МПа до 185 МПа

Лабораторные испытания UCS показали, что прочность плота PIC продолжала увеличиваться до максимальной измеренной прочности почти 3,5 МПа после 28 дней отверждения. Модуль Юнга, измеренный во время тестирования UCS, также показал увеличение с 912,6 МПа через 7 дней до 1516.5 МПа через 28 дней.

PIC Raft обеспечивает структурную устойчивость здания, и, будучи помещенным под фундамент здания, его также трудно заменить. Согласно разделу B2 NZBC, это требует, чтобы плот PIC был долговечным (то есть не ломался, не ухудшался, не терял прочности и т. Д.) В течение 50 лет.

После оценки долговечности PIC Raft, включая лабораторные испытания, оценку аналогичных материалов и интерпретацию вероятных эксплуатационных характеристик, было установлено, что PIC Raft соответствует требованиям к долговечности в течение 50 лет в идеальных условиях при соблюдении следующих условий использования:

• PIC Raft должен быть размещен над уровнем грунтовых вод
• Рекомендуется проводить тестирование pH на участках, предположительно содержащих почву с низким pH (кислую), почву с высоким содержанием сульфатов или любую другую подозрительную почву с химическим составом.
• PIC Raft не следует использовать там, где есть вероятность контакта материала с продуктами на нефтяной основе или воздействия чрезмерного и продолжительного нагрева (т.е.е. огонь)

Американское общество испытаний и материалов (ASTM) E2835-11 (2015). Стандартный метод испытаний для измерения прогибов с использованием портативного устройства для испытания импульсной пластиной под нагрузкой . Вест Коншохокен, Пенсильвания, США

Чандра, С. и Бернтссон, Л. (2002). Легкий заполненный бетон, наука, технологии и применение. Noyes Publications, Нью-Йорк, США

DIN 18134 (2012). Процедуры испытания почвы и испытательное оборудование — испытание пластиной под нагрузкой. Английский перевод DIN 18134: 2012-04.

Стандарт Новой Зеландии (2006 г.). Стандарт на бетонные конструкции NZS 3101: Часть 1: 2006 . Совет по стандартам, Веллингтон, Новая Зеландия.

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Сохранить

Прочность на сжатие | EPS Industry Alliance

EPS — это легкий и прочный пенопласт с закрытыми ячейками, состоящий из атомов водорода и углерода.Механическая прочность пенополистирола зависит от его плотности. Наиболее важным механическим свойством изоляционных материалов и строительных материалов из пенополистирола является их устойчивость к сжимающим напряжениям, которые возрастают с увеличением плотности. EPS имеет сопротивление сжатию от 10 до 60 фунтов на квадратный дюйм для большинства строительных приложений. В пределах этого диапазона можно производить пенополистирол, отвечающий определенным требованиям к прочности.

ASTM C578, Стандартные спецификации для жесткой теплоизоляции из ячеистого полистирола — это согласованный стандарт производительности, разработанный производителями пенополистирола, сторонними испытательными лабораториями, регулирующими органами и специалистами в области строительства в Североамериканском регионе.Он охватывает типы, физические свойства и размеры пенополистирола, используемого в качестве теплоизоляции для температур от -65 до 165 ° F. ASTM C578 охватывает типы теплоизоляции из пенополистирола, доступные в настоящее время, и минимальные требования к свойствам, которые считаются наиболее важными. Включены значения прочности на изгиб и сопротивления сжатию. Эти значения были определены на основе ASTM C203, Метод испытаний на разрывную нагрузку и свойства изгиба блочной теплоизоляции, и C165, Метод испытаний для измерения характеристик сжатия теплоизоляции и / или D1621 для метода испытания свойств жестких ячеистых пластиков на сжатие.

Для соответствия требованиям сопротивления сжатию, указанным в стандарте ASTM C578, теплоизоляционная плита из полистирола должна обеспечивать следующие значения прочности на сжатие при 10% деформации при испытании в соответствии с ASTM D 1621.

Типичные прочностные характеристики — теплоизоляционная плита EPS

Для фундаментов и стен, в которых изоляция из пенопласта выдерживает минимальную нагрузку, ASTM C 578 Тип I (номинальная плотность 0.9 фунтов на кубический фут) материала вполне достаточно. Картон EPS, произведенный в соответствии с требованиями EPS типа I, был протестирован, и было обнаружено, что его давление составляет от 10 до 14 фунтов на квадратный дюйм. Упругость изоляционной плиты EPS обеспечивает разумное поглощение движений здания без передачи нагрузки на внутреннюю или внешнюю отделку в местах стыков.

В кровельных покрытиях материал EPS типа I обеспечивает стабильность размеров и прочность на сжатие, необходимые для того, чтобы выдерживать легкое движение по крыше и вес оборудования при достаточно высоких температурах поверхности.Изоляция из пенополистирола может претерпевать изменения размеров и свойств при воздействии температур выше 167 ° F. Тем не менее, EPS с низкой плотностью, не подвергнутый нагрузке, не будет демонстрировать заметной потери стабильности размеров при температурах до 184 ° F. Продолжительность температуры, условия внешней нагрузки и плотность являются переменными, влияющими на изоляцию из пенопласта при повышенных температурах. EPS должен быть надлежащим образом защищен от температур выше 165 ° F во время установки и может потребовать использования защитных панелей, отражающего балласта или светлой мембраны в зависимости от системы кровельного покрытия.

Оптимальные характеристики несущей изоляции часто связаны как с прочностными характеристиками, так и с упругостью. Под эластичностью понимается способность материала восстанавливать свою прочность после деформации, вызванной напряжением. Если требуется большая прочность и жесткость, можно получить сопротивление сжатию до 60 фунтов на квадратный дюйм за счет увеличения плотности изоляции EPS, чтобы удовлетворить практически любые требования к прочности на сжатие.

Благодаря высокой упругости и прочностным характеристикам пенополистирольный утеплитель предлагает:

• Поглощение движений основы и облицовки, вызванных изменениями температуры и деформациями конструкции.
• Поглощение неровностей основания.
• Восстановление толщины после чрезмерных строительных нагрузок.
• Подходящая реакция грунта для эффективного распределения нагрузки.

Рекомендации по проектированию

Значения прочности на сжатие и изгиб для пенополистирола основаны на условиях кратковременной нагрузки в соответствии с типичными стандартами испытаний ASTM. Как и большинство несущих строительных материалов, изоляционные материалы из пенополистирола ползучесть в условиях длительной постоянной нагрузки, и в критических случаях эту характеристику необходимо учитывать при расчетах конструкции.Специалисты по дизайну должны помнить, что пенополистирол обеспечивает более высокие прочностные характеристики за счет увеличения плотности. Доступны данные, отражающие прогиб в результате непрерывного воздействия сжимающей нагрузки для изоляции из пенополистирола.

Воздействие на пенополистирол влаги в результате таких факторов, как периодическая внутренняя конденсация или влажные грунтовые условия при укладке фундамента, не влияет на характеристики механической прочности теплоизоляционной плиты из пенополистирола.

Поглощающие характеристики легкого бетона, содержащего уплотненный полистирол | Герки

Мехта, П.К. Очередная революция в строительных материалах, Учеб. VII конгресс AIMAT, Анкона, Италия, 29 июня — 2 июля 2004 г., основной доклад 1. (2004 г.).

Хатиб, Дж. М., Б. А. Херки и С. Кенай. «Капиллярность бетона, содержащего отработанный формовочный песок». Строительные материалы 47 (2013): 867-871.

Хатиб, Джамал М. и Роджер М. Клей. «Впитывающие характеристики метакаолинового бетона». Исследование цемента и бетона 34, вып. 1 (2004): 19-29.

Бабу, Данети Сарадхи, К.Ганеш Бабу и Ви Тионг-Хуан. «Влияние размера заполнителя полистирола на характеристики прочности и миграции влаги в легком бетоне». Цементно-бетонные композиты 28, вып. 6 (2006): 520-527.

Чен, Бинг и Цзюаньюй Лю. «Механические свойства полимерно-модифицированных бетонов, содержащих гранулы пенополистирола». Строительство и строительные материалы 21, вып. 1 (2007): 7-11.

Ле Рой, Роберт, Эдуард Паран и Клод Буле. «Учет размеров включений при прогнозировании прочности на сжатие легкого бетона.»Исследование цемента и бетона 35, № 4 (2005): 770-775.

Исмаил, Идавати, Абдул Азиз Саим и Абд. Латиф Салех. Свойства затвердевшего бетонного кирпича, содержащего гранулы пенополистирола. Universiti Teknologi Malaysia, 2003.

Милед, К., К. Саб и Р. Ле Руа. «Влияние размера частиц на прочность на сжатие легкого бетона EPS: экспериментальное исследование и моделирование». Механика материалов 39, вып. 3 (2007): 222-240.

Сюй, И, Линьхуа Цзян, Цзинься Сюй, Хунцян Чу и Ян Ли.«Прогноз прочности на сжатие и модуля упругости пенополистирола легкого бетона». Журнал исследований бетона 67, вып. 17 (2015): 954-962.

Саяди, Али А., Хуан В. Тапиа, Томас Р. Нейтцерт и Дж. Чарльз Клифтон. «Влияние частиц пенополистирола (EPS) на огнестойкость, теплопроводность и прочность пенобетона на сжатие». Строительство и строительные материалы 112 (2016): 716-724.

Феррандис-Мас, Вероника, Томас Бонд, Э.Гарсиа-Алкосель и Крис Р. Чизман. «Легкие растворы, содержащие пенополистирол и золу бумажного шлама». Строительство и строительные материалы 61 (2014): 285-292.

Ло Монте, Франческо, Патрик Бамонте и Пьетро Г. Гамбарова. «Физико-механические свойства термически поврежденного конструкционного бетона, содержащего частицы, синтезированные пенополистиролом». Огонь и материалы 39, вып. 1 (2015): 58-71.

Ранджбар, Малек Мохаммад и С. Ясин Мусави. «Оценка прочности и долговечности самуплотняющегося легкого бетона, содержащего пенополистирол.»Материалы и конструкции 48, № 4 (2015): 1001-1011.

Херки Б. А. и Джамал М. Хатиб. «Повышение ценности отходов пенополистирола в бетоне с использованием новой технологии рециркуляции». Европейский журнал экологического и гражданского строительства (2016): 1-19.

Британский институт стандартов — Великобритания, BS EN 933-1. Испытания геометрических свойств агрегатов. Часть 1: Определение гранулометрического состава — метод просеивания. (2012).

Британский институт стандартов, BS EN 12350-2., Испытания свежего бетона. Часть 2: Slump-test. (2009).

Британский институт стандартов, BS EN 12350-5. Испытания свежего бетона. Часть 5: Таблица расхода. (2009).

Британский институт стандартов — Великобритания, BS EN 12390-7. Испытание затвердевшего бетона. Часть 7: Плотность затвердевшего бетона. (2009).

Британский институт стандартов — Великобритания, BS EN 12390-3. Испытание затвердевшего бетона. Часть 3: Прочность образцов для испытаний на сжатие. (2009).

Британский институт стандартов — Великобритания, BS EN 12390-4.Испытание затвердевшего бетона. Часть 4: Прочность на сжатие, Технические условия на испытательные машины. (2000).

Khatib, J. M., and P. S. Mangat. «Впитывающие характеристики бетона в зависимости от положения относительно заливки». Цементно-бетонные исследования 25, вып. 5 (1995): 999-1010.

Кан, А. и Демирбога, Р. «Влияние соотношения шариков цемента и пенополистирола на прочность на сжатие и плотность легкого бетона», Индийский журнал инженерии и материаловедения, 14 (апрель), (2007): 158–162.

Феррандис-Мас, Вероника и Э. Гарсия-Алкосель. «Прочность пенополистирольных растворов». Строительство и строительные материалы 46 (2013): 175-182.

Сабаа, Бен и Расиа Шри Равиндрараджах. «Оценка удобоукладываемости бетона на полистирольных заполнителях». В VII Конгрессе по контролю качества, стр. 18–21. 1999.

Tang, W. C., Y. Lo, and A. B. I. D. Nadeem. «Механические и усадочные свойства при высыхании бетона на конструкционном заполнителе полистирола.»Цементно-бетонные композиты 30, № 5 (2008): 403-409.

Хассанпур, Махмуд, Паям Шафиг и Хильми бин Махмуд. «Армирование бетона из легкого заполнителя фиброй — обзор». Строительство и строительные материалы 37 (2012): 452-461.

Хоссейн, Хандакер М. Анвар. «Свойства цемента на основе вулканической пемзы и легкого бетона». Цемент и бетон исследования 34, вып. 2 (2004): 283-291.

Демирбога, Рамазан и Абдулкадир Кан. «Теплопроводность и усадочные свойства модифицированных отходов бетона из заполнителя из полистирола.«Строительство и строительные материалы 35 (2012): 730-734.

Ким, Х. К., Дж. Х. Чон и Х. К. Ли. «Технологичность, а также механические, акустические и термические свойства бетона на легком заполнителе с большим объемом увлеченного воздуха». Строительство и строительные материалы 29 (2012): 193-200.

Британский институт стандартов, BS EN 206-1, Бетон, часть 1: Технические характеристики, характеристики, производство и соответствие. 2000.

Фрадж, Амор Бен, Мохамед Кисми и Пьер Мунанга.«Валоризация грубых отходов жесткого пенополиуретана в бетоне из легких заполнителей». Строительство и строительные материалы 24, вып. 6 (2010): 1069-1077.

Альбано К., Н. Камачо, М. Эрнандес, А. Матеус и А. Гутьеррес. «Влияние содержания и размера частиц отработанных бутылок для домашних животных на поведение бетона при различных соотношениях в / ц». Управление отходами 29, вып. 10 (2009): 2707-2716.

CEB-FIP. Диагностика и оценка бетонных конструкций –– Отчет о состоянии дел, Бюллетень CEB.(1989).

Юнал, Осман, Тайфун Уйгуноглу и Ахмет Йылдыз. «Исследование свойств легкого низкопрочного бетона для теплоизоляции». Строительство и окружающая среда 42, вып. 2 (2007): 584-590.

Сенгул, Озкан, Сенем Азизи, Филиз Караосманоглу и Мехмет Али Тасдемир. «Влияние вспученного перлита на механические свойства и теплопроводность легкого бетона». Энергетика и строительство 43, вып. 2 (2011): 671-676.

Бабу, К.Ганеш и Д. Саради Бабу. «Характеристики зольных бетонов, содержащих легкие заполнители пенополистирола». Цементно-бетонные композиты 26, вып. 6 (2004): 605-611.

Невилл, А. М., Свойства бетона, четвертое издание, Pearson Educated Limited, Эссекс, Великобритания. (2008).

Чой, Юн-Ван, Дэ-Чжун Мун, Чжи-Сын Чон и Сон-Гю Чо. «Влияние агрегатов отработанных ПЭТ-бутылок на свойства бетона». Цемент и бетон исследования 35, вып. 4 (2005): 776-781.

Свойства пенополистиролбетона, содержащего измельченный доменный гранулированный шлак

Введение

Этот раздел статьи доступен только нашим подписчикам. Пожалуйста, нажмите здесь , чтобы подписаться на план подписки для просмотра этой части статьи.

Производство и определение механических и термических свойств пенополистирола с переработанным материалом (1)

1.Введение

Пенополистирол (EPS), полученный в результате аддитивной полимеризации фенилэтана (мономера стирола), производится в виде белых шариков, состоящих из ряда закрытых ячеек, прочно закрепленных и термосваренных по касательной друг к другу, которые содержат неподвижный воздух, закупоренный внутри. [1]. Пенопласт получают путем обработки кристаллического полистирола вспенивающим агентом, обычно углеводородом или диоксидом углерода, для создания ячеистой структуры в материале, которая снижает хрупкость, что делает его отличным амортизирующим и изолирующим материалом [2].Его использование в упаковке пищевых продуктов и электроники, авиационных и автомобильных деталях, спортивном оборудовании, среди прочего, увеличилось за последние несколько лет из-за его преимуществ в том, что он легкий, простой в изготовлении, акустический и теплоизоляционный, недорогой в производстве, амортизация, стабильность размеров, жаро- и влагостойкость [3] — [5].

В Колумбии промышленность по производству пенополистирола производит и продает продукцию с длительным жизненным циклом, такую ​​как геоблоки, карнизы, изоляционные системы для строительства и холодильники, а также продукцию с коротким жизненным циклом, такую ​​как многоцелевые коробки и упаковочные системы для транспортировка хрупких грузов и кессонов, и это лишь некоторые из них.Однако продукты с коротким жизненным циклом в лучшем случае заканчивают свой срок службы в виде твердых отходов, которые попадают на свалки и свалки в разных городах страны.

Состав твердых отходов в Колумбии в 2010 г. состоял из 65% органических отходов, за которыми следовало 14% пластмасс [6]. В частности, в Боготе переработка пластика незначительна по сравнению с другими видами упаковки и контейнерных материалов. Согласно CEMPRE, объемы, извлеченные сетью сбора перерабатывающей компании CODESARROLLO, включали 2 932 тонны ПЭТ и 1973 тонны ПЭНД, ПВД, ПП и ПС.Количество пластиковых материалов, используемых в Колумбии, увеличилось со 169 000 тонн в 2005 г. до 209 655 тонн в 2010 г., что соответствует 27,5% видимого потребления первичных пластмассовых смол [7].

Более широкое использование полимерных материалов приводит к тому, что их переработка становится способом уменьшения экологических проблем, вызванных накоплением полимерных отходов, образующихся в результате повседневного применения полимерных материалов, таких как упаковка и строительство. Переработка полимерных отходов помогает сберечь природные ресурсы, так как большинство полимерных материалов производится из нефти и газа [8].Переработка полистирола возможна механическими, химическими и термическими методами [9].

Большинство статей, которые можно найти в литературе по вторичному пенополистиролу, используют его в бетонной промышленности. Некоторые из этих результатов будут показаны ниже.

Гу и Озбаккалоглу [10] сообщили, что использование переработанных пластиковых заполнителей и волокон в качестве строительных материалов в последние годы привлекло широкое внимание. Эта практика может внести значительный вклад в более устойчивую строительную отрасль.

Chaukura et al. [11] пришли к выводу, что текущие исследования отходов полистирола (WPS) находятся в стадии разработки, и оценка легкого бетона, ионообменников и композитов с помощью WPS представляет собой один шаг в этом направлении.

Dissanayake et al. [12] разработали новую систему стен, в которой для производства легких пенобетонных панелей используется 50% переработанного пенополистирола. Описанные сборные панели имеют лучшие характеристики, чем кирпичи из обожженной глины, потому что они производят меньше выбросов углерода и позволяют быстрее строить.

Kaya [13] использовал отработанный пенополистирол (EPS) в смеси цемента и трагакантовой смолы для производства нового бетонного материала. Количество смолы в смеси составляло 0,5, 1,0 и 1,5% от общего объема цемента, а соотношение EPS в образцах было определено как 20, 40, 60 и 80% от общего объема. По мере увеличения процентного содержания пенополистирола и смолы в образцах плотность, теплопроводность, прочность на сжатие и прочность на разрыв уменьшались, а пористость увеличивалась. Изменение физических свойств показывает, что в бетонных блоках образуются искусственные поры (помимо пенополистирола), что увеличивает изоляционные характеристики материала.

Другие варианты использования вторичного полистирола можно найти в работе Acierno et al. [14] и Полетто и др. [15].

Acierno et al. [14] изготавливали изделия, полученные литьем под давлением, из смесей первичного ППС с долей до 40% вторично переработанного ППС после потребителя в контролируемых условиях. Материалы были охарактеризованы, и было обнаружено снижение плотности; следовательно, это влияет на такие свойства, как теплопроводность и прочность на сжатие, хотя и незначительно.

Poletto et al. [15] использовали образцы отходов EPS, полученные от упаковки электронных товаров и бытовой техники, для производства термопластичного материала, содержащего древесину. Образцы с 10, 20, 30 и 40% древесной муки с 2% поли (стирол-малеинового ангидрида) (SMA) и без них и без хлопьев EPS обрабатывали в двухшнековом экструдере с вращающимся в одном направлении шнеком при 200 об / мин. В целом, механические свойства композитов со связующим агентом и без него показали аналогичное поведение и низкую плотность.

Тем не менее, характеристики не включали такие свойства, как температуропроводность, которая связана со скоростью распространения тепла при изменении температуры с течением времени.Таким образом, смеси первичного EPS и вторичного EPS с остатками пищевых продуктов должны быть исследованы, чтобы подтвердить влияние на эти свойства, включая материалы, которые не были хорошо проанализированы, и с использованием оборудования, которое обычно используется в промышленных условиях в стране, чтобы возможные области применения могут быть проанализированы, тем самым мотивируя промышленность работать над обеспечением экологической устойчивости, исследуя жизненный цикл и доказывая, что EPS — это пригодные для использования отходы.

Гу и Озбаккалоглу [10] сообщили, что использование переработанных пластиковых заполнителей и волокон в качестве строительных материалов в последние годы привлекло широкое внимание.Эта практика может внести значительный вклад в более устойчивую строительную отрасль.

Chaukura et al. [11] пришли к выводу, что текущие исследования отходов полистирола (WPS) находятся в стадии разработки, и оценка легкого бетона, ионообменников и композитов с помощью WPS представляет собой один шаг в этом направлении

Dissanayake et al. [12] разработали новую систему стен, в которой для производства легких пенобетонных панелей используется 50% переработанного пенополистирола. Описанные сборные панели имеют лучшие характеристики, чем кирпичи из обожженной глины, потому что они производят меньше выбросов углерода и позволяют быстрее строить.

Kaya [13] использовал отработанный пенополистирол (EPS) в смеси цемента и трагакантовой смолы для производства нового бетонного материала. Количество смолы в смеси составляло 0,5, 1,0 и 1,5% от общего объема цемента, а соотношение EPS в образцах было определено как 20, 40, 60 и 80% от общего объема. По мере увеличения процентного содержания пенополистирола и смолы в образцах плотность, теплопроводность, прочность на сжатие и прочность на разрыв уменьшались, а пористость увеличивалась. Изменение физических свойств показывает, что в бетонных блоках образуются искусственные поры (помимо пенополистирола), что увеличивает изоляционные характеристики материала.

Dissanayake et al. [12] разработали новую систему стен, в которой для производства легких пенобетонных панелей используется 50% переработанного пенополистирола. Описанные сборные панели имеют лучшие характеристики, чем кирпичи из обожженной глины, потому что они производят меньше выбросов углерода и позволяют быстрее строить.

Kaya [13] использовал отработанный пенополистирол (EPS) в смеси цемента и трагакантовой смолы для производства нового бетонного материала. Количество смолы в смеси составляло 0,5, 1,0 и 1.5% от общего объема цемента, а соотношение EPS в образцах было определено как 20, 40, 60 и 80% от общего объема. По мере увеличения процентного содержания пенополистирола и смолы в образцах плотность, теплопроводность, прочность на сжатие и прочность на разрыв уменьшались, а пористость увеличивалась. Изменение физических свойств показывает, что в бетонных блоках образуются искусственные поры (помимо пенополистирола), что увеличивает изоляционные характеристики материала.

Другие варианты использования вторичного полистирола можно найти в работе Acierno et al.[14] и Полетто и др. [15].

Acierno et al. [14] изготавливали изделия, полученные литьем под давлением, из смесей первичного ППС с долей до 40% вторично переработанного ППС после потребителя в контролируемых условиях. Материалы были охарактеризованы, и было обнаружено снижение плотности; следовательно, это влияет на такие свойства, как теплопроводность и прочность на сжатие, хотя и незначительно.

Poletto et al. [15] использовали образцы отходов EPS, полученные от упаковки электронных товаров и бытовой техники, для производства термопластичного материала, содержащего древесину.Образцы с 10, 20, 30 и 40% древесной муки с 2% поли (стирол-малеинового ангидрида) (SMA) и без них и без хлопьев EPS обрабатывали в двухшнековом экструдере с вращающимся в одном направлении шнеком при 200 об / мин. В целом, механические свойства композитов со связующим агентом и без него показали аналогичное поведение и низкую плотность.

Тем не менее, характеристики не учитывают такие свойства, как температуропроводность, которая связана со скоростью распространения тепла при изменении температуры с течением времени.Таким образом, смеси первичного EPS и вторичного EPS с остатками пищевых продуктов должны быть исследованы, чтобы подтвердить влияние на эти свойства, включая материалы, которые не были хорошо проанализированы, и с использованием оборудования, которое обычно используется в промышленных условиях в стране, чтобы возможные области применения могут быть проанализированы, тем самым мотивируя промышленность работать над обеспечением экологической устойчивости, исследуя жизненный цикл и доказывая, что EPS — это пригодные для использования отходы.

2. Материалы и методы

2.1 Изготовление материала

Производство вторичного пенополистирола (EPS) начинается с впрыскиваемых деталей из пенополистирола (многоцелевых коробок из полистирола для бытовых нужд), которые предварительно были промыты промышленным моющим средством и высушены в атмосфере в течение периода не менее 24 часов. Материал измельчали ​​в лопаточной мельнице SIEMENS или модели Shattering 1LA3, оснащенной ситом 5 мм. Продукт измельчения взвешивали в промышленных масштабах (PCE-LS) с разрешением 0,001 мм в соответствии с пропорциями, указанными в таблице 1, и приводили в действие вентиляторный гомогенизатор SIEMENS номер модели 2044-2 AA 1LA с бункером, как показано на Инжир.1.

Свойства измельченных частиц в остатке пробы следующие. Объемная плотность материала составляла 25 кг / м3, рассчитанная в соответствии с ASTM D1622-08 до измельчения, а размер EPS после измельчения составлял ≤ 5 мм.

Шарики из вспенивающегося полистирола общего назначения (марка S3) использовались при производстве первичного пенополистирола (EPS), который производился в Миндихе, Тайвань, и предоставлен AISLAPOR (завод: Канавита, Токансипа, Колумбия).Этот материал взвешивали на весах и выливали в расширитель 1 в соответствии с пропорциями, указанными в таблице 1. Материал проталкивался вентилятором серии SIEMENS модели 1LA3 в бункерный гомогенизатор 106-2YB60 и, наконец, перемещался в бункер для хранения не менее чем на 2 часа. часов и до 24 часов, чтобы предотвратить потерю пентана, как показано на рис. 1.

В таблице 1 показана масса в граммах, использованная в рецептурах на протяжении всего производственного процесса четырех материалов, и их соответствующий идентификационный номер

Таблица 1

Масса в граммах, используемая в рецептурах

Наконец, в гомогенизатор налили определенные пропорции для получения каждого из материалов.Материалы вручную вводили в загрузочную воронку литьевой машины LA-LENDLE модели 90-70-20, с рабочими условиями, описанными в таблице 2.

Таблица 2

Условия литья под давлением

2.2 Инфракрасный спектрофотометрический метод

Степень модификации изготовленных материалов оценивалась путем анализа полос поглощения.Спектры были получены с использованием прибора SHIMADZU model S FTIR в диапазоне длин волн от 400 до 4000 см-1. Образцы были приготовлены соскабливанием наждачной бумагой P400 CROWNMAN. Порошковая таблетка была изготовлена ​​из 1 мг образца в KBr. Образцы предварительно взвешивали на аналитических весах.

2.3 Описание механических свойств

Физические испытания сопротивления сжатию и изгибу были выполнены на универсальной испытательной машине SHIMADZU модели A6-1S при температуре и влажности 23 ± 2 ° C и относительной влажности 50 ± 5% соответственно.

Для испытания на сопротивление сжатию испытуемые детали были вырезаны из материала, произведенного на литьевой машине, размерами 58 × 58 × 44 мм (± 1 мм) в соответствии со спецификациями, приведенными в стандартах ASTM D7557-09 и D1621-. 10 ASTM 6.1. Нагрузка на всю поверхность прикладывалась со скоростью 2,5 ± 0,25 мм / мин на 25,4 мм толщины, т. Е. 4,3 мм / мин, до тех пор, пока образец не сжимался примерно до 13% от его первоначальной толщины или пока он не достигал толщина предела текучести.

Для испытания сопротивления изгибу образцы в виде листов были вырезаны из материала, произведенного на литьевой машине, размерами 300 × 75 × 22 мм (± 1 мм) в соответствии со спецификациями, приведенными в пунктах 8.2 и 8.3. Стандарты ASTM C203-05a (2012) и ASTM D7557-09, следующие по методу испытаний I и процессу A, в первую очередь разработаны для материалов, которые ломаются при относительно небольших отклонениях.

Цилиндрические опорные кромки из ПВХ были спроектированы диаметром 33.5 мм и длиной 100 мм; расстояние между центрами составляло 250 мм (± 1 мм). Образцы были согнуты под нагрузкой откидной створки и сломаны в результате комбинированного воздействия сжатия и растяжения; таким образом была определена максимальная разрушающая нагрузка.

по Изоду было выполнено на образцах без надреза с использованием ударного маятника Physical Test Solutions. Были использованы прямоугольные образцы, вырезанные из материала, произведенного в машине для литья под давлением, с размерами 10,2 × 63,5 × 12,7 мм (± 1 мм) в соответствии со спецификациями, приведенными в Разделе 7 ASTM D4812-11 и ASTM D7557-09.

2.4. Тепловая характеристика

Дифференциальную сканирующую калориметрию выполняли с использованием Modulated Instruments DSC 2910, предварительно откалиброванного по индиевому стандарту. Образцы были приготовлены в герметичном алюминиевом прессе DuPont Instruments SN PN

Термогравиметрический анализ был выполнен на приборе TA Instruments 2050 TGA, который был оснащен платиновым держателем образца, предварительно прокаленным докрасна для стирания термической истории. Все измерения проводились в атмосфере азота с контролируемым потоком 50 мл / мин.Температурные колебания выполнялись в диапазоне от 30 до 850 ° C с количеством образца 5 ± 2 мг и скоростью нагрева 20 ° C / мин.

Теплопроводность была измерена на оборудовании с нагревательной плитой, которое состояло из термопар с 12 точками измерения, дисплея k-типа, цифрового мультиметра, цифрового амперметра, манометра, измерительной ленты и источника переменного напряжения. Всего в качестве образцов использовалось по 2 шлама для каждого из испытанных материалов. Обрезки имели размеры 300 × 300 × 24 (± 1 мм) и были взяты из материала, произведенного в машине для литья под давлением, в соответствии со спецификациями, данными ASTM C177-10, и с учетом направления компрессионного формования.

Для проведения испытаний на предметный столик на стенде были установлены две пластины. Оборудование было герметично закрыто, а средняя температура выдержки поддерживалась ниже температуры стеклования, полученной в эксперименте DSC, чтобы предотвратить размягчение материала в каждом случае. Материал экспонировался в оборудовании до тех пор, пока не достигал устойчивого состояния. Температуропроводность в этом состоянии определялась согласно уравнению (2) [17].

Дифференциальное уравнение теплопередачи может быть решено с помощью конечной разности в одном измерении для случая плоской стенки, что приводит к уравнению (3).Это уравнение использовалось для написания кода для программного обеспечения Octave 3.6.4 и для моделирования профиля распределения температуры в нестационарном режиме для эталонного материала и изготовленных EPS10, EPS15 и EPS20.

Термогравиметрический анализ был выполнен на приборе TA Instruments 2050 TGA, который был оборудован платиновым держателем образца, предварительно прокаленным докрасна для стирания термической истории. Все измерения проводились в атмосфере азота с контролируемым потоком 50 мл / мин.Температурные колебания выполнялись в диапазоне от 30 до 850 ° C с количеством образца 5 ± 2 мг и скоростью нагрева 20 ° C / мин.

Теплопроводность была измерена на оборудовании с нагревательной плитой, которое состояло из термопар с 12 точками измерения, дисплея k-типа, цифрового мультиметра, цифрового амперметра, манометра, измерительной ленты и источника переменного напряжения. Всего в качестве образцов использовалось по 2 шлама для каждого из испытанных материалов. Обрезки имели размеры 300 × 300 × 24 (± 1 мм) и были взяты из материала, произведенного в машине для литья под давлением, в соответствии со спецификациями, данными ASTM C177-10, и с учетом направления компрессионного формования.

Для проведения испытаний на предметный столик на стенде были установлены две пластины. Оборудование было герметично закрыто, а средняя температура выдержки поддерживалась ниже температуры стеклования, полученной в эксперименте DSC, чтобы предотвратить размягчение материала в каждом случае. Материал экспонировался в оборудовании до тех пор, пока не достигал устойчивого состояния. Температуропроводность в этом состоянии определялась согласно уравнению (2) [17].

Дифференциальное уравнение теплопередачи может быть решено с помощью конечной разности в одном измерении для случая плоской стенки, что приводит к уравнению (3).Это уравнение использовалось для написания кода для программного обеспечения Octave 3.6.4 и для моделирования профиля распределения температуры в нестационарном режиме для эталонного материала и изготовленных EPS10, EPS15 и EPS20.

3. Результаты

3.1 Тест инфракрасной спектроскопии

Характеристические полосы включают полосы поглощения при 3088, 3059 и 3030 см-1, соответствующие «валентным» колебаниям ароматических связей C-H.Полосы поглощения при 2921 и 2848 см-1 обусловлены симметричным и асимметричным колебанием соответственно и C-H «растяжением» Ch3 в основной цепи полистирола. Полоса поглощения, соответствующая «растяжению» связи C-C в плоскости кольца, появляется при 1503 см-1. «Растягивающие» колебания C-H-кольца наблюдаются при 1445 и 1366 см-1, а полосы «изгиба» в плоскости C-H-кольца наблюдаются при 1176, 1140, 1067 и 1030 см-1. Наконец, характерные «изгибные» колебательные полосы C-H в ароматическом кольце появляются при 900, 841, 754, 689 и 529 см-1, как показано на рис.2 (а) — (г).

Можно видеть, что и эталонный материал EPS0, и исследуемые материалы EPS10, EPS15 и EPS20 соответствуют одному и тому же полимеру, без каких-либо доказательств наличия кислородсодержащих групп, состоящих из агентов окружающей среды или каких-либо других функциональных групп, образованных во время процессов разложения, таких как стирка и измельчение вторичного материала.

3.2 Механические свойства

В таблице 3 показаны результаты определения механических свойств полученных материалов по сравнению с эталонным материалом EPS0.Три смеси EPS демонстрируют низкую сжимающую нагрузку, которая очень похожа на поведение эталонного материала EPS0. Отклонение, наблюдаемое во время испытания, было однородным, а сопротивление этому виду силы оставалось постоянным на уровне 0,11 МПа с небольшими значительными отклонениями среди изученных материалов.

Однако при сравнении модуля упругости EPS0, соответствующего 2,86 МПа, с результатами для EPS10, EPS15 и EPS20, можно наблюдать возрастающую линейную тенденцию, и, в свою очередь, появляется больший разброс данных.Это указывает на то, что увеличение процента переработанного материала делает смесь более жесткой [18]. Учитывая, что модуль тесно связан с энергией связи связанных молекул, возможно, что электростатическое притяжение имеет тенденцию немного уменьшаться, вызывая потерю гибкости полимерной цепи [20] и влияя на другие механические свойства. Когда клетки в EPS разрушаются, они, вероятно, выделяют воздух / газ н-пентан и, в свою очередь, теряют сцепление, и поэтому материал зависит от нетронутого жемчуга, чтобы оставаться вместе.

Таблица 3

Механические свойства EPSv и смесей EPSv и EPSr.

Ударопрочность находится в диапазоне от 5,43 до 6,18 Дж / м, без значительного изменения способности материала выдерживать столкновения при увеличении процента переработанного материала, а поглощение энергии, наблюдаемое во время удара, сохраняется на уровне примерно 0,06 Дж. Это свойство также относится к EPS0, и дефект, представленный в 4 исследуемых материалах, представляет собой полное разрушение; то есть образец разделен на две части.Следовательно, жесткий компонент в структуре производимых материалов все еще остается низким и, таким образом, не влияет на механические свойства. Эти результаты объясняют отсутствие значительных эффектов для смесей EPSv и EPSr, вызывающих образование промежуточных фаз или структур, влияющих на характеристики исходных компонентов [19].

Напротив, испытание на изгиб показал снижение максимального сопротивления растяжению по сравнению с эталонным материалом EPS0. Значение EPS10 составляло приблизительно 68%, EPS15 — 77%, а EPS20 — 76%, учитывая, что максимальная нагрузка на разрыв составляла 68%.4 Н, что соответствует значению EPS0, равному 100%. Таким образом, изготовленный материал демонстрирует хрупкость, хотя EPS0 разрушается при упругой деформации. Однако у произведенных материалов самое высокое сопротивление растяжению значительно ниже, чем у стандартного материала; то есть упругая деформация происходит быстрее. Очевидно, что при измельчении ЭПС происходит уменьшение средней длины цепей ПС и уменьшения молекулярной массы [18], [20].

Присутствие переработанного материала превращает EPS10, EPS15 и EPS20 в более жесткий и хрупкий материал, в зависимости от доли переработанного материала, хотя все три материала показывают очень похожее уменьшение.

Учитывая, что анализ сочетает в себе напряжение сжатия при изгибе и сопротивление растяжению, следует, что при приложении растягивающего усилия к EPS10, EPS15 и EPS20 связи между молекулярными цепями преодолеваются быстрее по сравнению с EPS0, что в случае аморфных термопластов , происходит через силы Ван-дер-Ваальса

Механические характеристики производимых материалов EPS10, EPS15 и EPS20 определяют их как вспененные полимеры с хорошей упругостью при сжатии и ударопрочности и плохой при воздействии изгибающих напряжений.Это устанавливает, что структура длинной цепи сохраняется, что обеспечивает сопротивление, за исключением случаев, когда материал подвергается изгибу или растяжению, а также прочность.

3.3 Термические свойства

В таблице 4 показаны результаты сканирования температуры от 40 ° C до 220 ° C, где для всех произведенных материалов наблюдается одна температура стеклования (Tg). Можно охарактеризовать структуру полученных материалов в аморфном твердом состоянии в соответствии с эталонным материалом EPS0.

Таблица 4

Тепловые свойства EPSv и смесей EPSv и EPSr

Размягчение материала EPS10 можно наблюдать при 96,5 ° C с разницей в -4,9 ° C по сравнению с EPS0. В случае EPS15 достигается 97,1 ° C с разницей в -4,3 ° C по сравнению с EPS0, а для EPS20 молекулярное движение происходит при 104,5 ° C с разницей в 3,1 ° C относительно EPS0. Можно видеть, что температура стеклования не показывает значительной разницы между исследуемыми материалами, но есть небольшое уменьшение значения, полученного для смесей по сравнению с эталонным материалом (EPS0), за исключением EPS20, который, возможно, может быть экспериментальная ошибка.

Этот эффект можно объяснить потерей пентана, выбрасываемого в атмосферу на протяжении всего жизненного цикла продукта и во время разрушения жемчужины EPSr при измельчении. Это согласуется с уменьшением наблюдаемого разрыва при максимальной нагрузке при изгибе и повышенным модулем упругости и смесями EPSr и EPSV. Кроме того, представлены температуры начала разложения материалов, определенные с помощью ТГА.

Термогравиметрический анализ EPS0 показал температуру начала разложения 326.7 ° С. В случае EPS10 этот эффект наблюдался при 300,2 ° C. В EPS15 была получена температура 318 ° C, а для EPS20 деградация наблюдалась при 313,6 ° C.

В этом тесте начальная температура разложения изготовленных материалов, содержащих процентное содержание EPSr, снизилась по сравнению с эталонным материалом. Термограммы, показанные на фиг. 3 (a) — (d), демонстрируют однородность составов, поскольку наблюдается явная однородность и регулярность уменьшения потери массы в зависимости от температуры.Нет свидетельств наличия промежуточных структур, существенно влияющих на характеристики исходных компонентов.

Тест с горячей пластиной определил, что теплопроводность (k) EPS0 составляет 0,059 Вт / мК. По сравнению с этим эталоном, результаты для смесей представляют следующие вариации: для EPS10, k = 0,070 Вт / мК, с вариацией на 0.011, что соответствует разнице в 18%; для EPS15 k = 0,062 Вт / мК с отклонением 0,003, соответствующим разнице в 5,1%; а для EPS20 k = 0,056 Вт / мК с отклонением -0,003, что соответствует разнице в 5,1%.

Разница в значениях может быть связана с участками материала, используемого в качестве образцов в каждом случае, и случайным распределением переработанного материала в исследуемой пластине, поскольку гомогенизация в процессе производства, хотя и допустима, но далека от идеала.Однако полученные результаты позволяют утверждать, что общие значения теплопроводности увеличиваются по сравнению с эталонным материалом, превышая допустимое значение для теплоизоляционных материалов и плохих проводников 0,06 Вт / мК.

Такое поведение можно объяснить следующим образом: три материала с различными пропорциями переработанного материала могут иметь более прочную ячеистую структуру и, в свою очередь, пониженное содержание ячеек с воздухом. Это позволило увеличить перенос энергии колебаний, а также перемещение и вращение молекул в результате столкновений с фононами из высокотемпературных областей в низкотемпературные области, что позволило увеличить поток теплопередачи.Однако вклад теплопроводности электронов, то есть проводимости свободных электронов, можно отбросить, потому что это изменение незначительно по сравнению с вкладом хороших проводников [19].

Эти результаты были получены при температуре примерно на 30% ниже температуры стеклования, что предотвращает размягчение исследуемых материалов.

Все данные, полученные из измерений температуропроводности, были определены порядка 10-9 м2 / с; то есть, что касается эталонного материала, EPS10, EPS15 и EPS20 можно охарактеризовать как плохие диффузоры, поскольку скорость распространения тепла при изменении температуры очень мала, как показано на рис.4, как определено путем моделирования в Octave в течение 2500 минут с помощью одномерных профилей распределения температуры в четырех составах, показав очень похожие результаты.

В последнем измеренном интервале времени, показанном на графике, на расстоянии 0,4 м от толщины EPS0 показывает T = 1,6 ° C, EPS10 показывает T = 2,8 ° C, EPS15 показывает T = 1,3 ° C, а EPS20 показывает T = 0,5 ° C, показывая во всех случаях очень низкую скорость нагрева без превышения скорости распространения тепла в эталонном материале, за исключением EPS10, поскольку этот материал превышал теплопроводность EPS0 и сохранял свою удельную теплоемкость.Однако разница не превышает 2 ° C через 2500 минут, т.е. распространение тепла продолжает быть медленным.

4. Выводы

Материалы, состоящие из смесей EPSv и EPSr, содержащих вторичный материал из отходов пищевой промышленности в массовых процентах 10, 15 и 20%, были произведены с использованием метода вторичной переработки. Эти материалы могут оказать положительное влияние на промышленность, поскольку количество EPSv, необходимое для разработки некоторых продуктов, уменьшается, а общий жизненный цикл продуктов EPS увеличивается.

Механические свойства производимых материалов EPS10, EPS15 и EPS20 определяют их как вспененные полимеры с хорошей прочностью при сжатии и ударном напряжении и низкой прочностью при воздействии изгибающих напряжений. Это устанавливает, что длинноцепочечная структура обеспечивает сопротивление, за исключением случаев, когда материал подвергается изгибным или растягивающим напряжениям, когда ветви, возможно, обеспечивают прочность на разрыв.

По термическим свойствам исследуемых материалов нет существенной разницы; поэтому современные процессы термоформования совместимы с материалами EPS10, EPS15 и EPS20.

Значительным вкладом в это исследование является измерение температуропроводности. Во всех случаях данные были порядка 10-9 м2 / с; то есть, что касается эталонного материала, EPS10, EPS15 и EPS20 можно охарактеризовать как плохие диффузоры, поскольку скорость распространения тепла во время изменений температуры очень мала. Таким образом, удалось изучить одно из основных свойств, характеризующих пенополистирол. Однако из-за ограниченного доступа к оборудованию, которое может выполнять это измерение, рекомендуется провести исследования, в которых эти результаты могут быть проверены и использованы для новых промышленных приложений.

Список литературы

[1] И. Цивинцелис, А. Г. Ангелопулу и К. Панайоту. «Вспенивание полимеров с помощью сверхкритического CO2: экспериментальное и теоретическое исследование», в Polymer, Vol. 48, 2007, стр 5928-5939. [Онлайн]. В наличии: http: // doi: 10.1016 / j.polymer.2007.08.004

[2] К. Арриага, К. Адриан, Х. Лопес, М. Эрнандес, Р. Эчаваррия и В. Овандо. «Термические характеристики вспенивания вспениваемого полистирола с помощью микроволнового излучения». В журнале Ingeniería Investigación y Tecnología, vol.XVII, (выпуск 1), стр. 15–21, январь-март 2016 г. [Online]. Доступно: http://dx.doi.org/10.1016/j.riit.2016.01.002

[3] EPS, Упаковка промышленного альянса (2009 г.), упаковка из пенополистирола. Анализ экологического профиля. [Онлайн]. Доступно: http://www.epspackaging.org/images/stories/EPS_Environmental_Profile_Analysis- lores.pdf.

[4] A. Эмблема и H. Эмблема / Под ред. «Свойства пластмасс для упаковочных материалов» в книге «Основы, материалы и процессы упаковочной технологии».Woodhead Publishing Limited, стр. 299, 2012 г.

[5] E. Susan, M. Selke и J. Culter. «Пены, амортизирующая и распределительная упаковка» в разделе «Свойства пластиковой упаковки, обработка, применение и правила». Третье издание. Публикации Хансера, Цинциннати. 2016, с. 123, 340-341.

[6] G. Pernett. «Eco-materiales. La incidencia negativa de la construcción en el medio ambiente », en Revista de Investigación Universidad América. Vol. 4, № 1, стр. 61-77. 2011

[7] CEMPRE.(2011, Абрил). Estudio Nacional de reciclaje. [Онлайн]. Доступно: http://www.cempre.org.co/sites/default/files/3926-estudio_nacional_de_reciclaje_aproximación_al_mercado_de_reciclables_y_las_experiencias_significativas_0.pdf

[8] К. Хамад, М. Касим и Ф. Дери «Обзорная статья. Переработка отходов полимерных материалов: обзор последних работ ». Разложение и стабильность полимера 98 (2013) 2801-2812. [Онлайн]. Доступно: http://dx.doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2013.09.025.

[9] Т. Махарана Т., Ю. Неги и Б. Моханти. «Обзорная статья: Переработка полистирола». In Polymer-Plastics Technology and Engineering, Vol 46, n ° 7, pp. 729-736, March 2007.

[10] Л. Гу и Т. Озбаккалоглу. «Использование переработанного пластика в бетоне: критический обзор». Управление отходами 51 (2016) 19–42. [Онлайн]. Доступно: http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2016.03.005

[11] Н. Чаукура, В. Гвензи, Т. Бунху, Дебора Т. Рузива, И. Пумур. «Возможное использование и продукты с добавленной стоимостью, полученные из отходов полистирола в развивающихся странах: обзор».Ресурсы, сохранение и переработка 107 (2016) 157–165. [Онлайн]. Доступно: http://dx.doi.org/10.1016/j.resconrec.2015.10.031

[12] Д. Диссанаяке, К. Джаясингхе, М. Дж. Джаясингхе. (2016, ноябрь) «Сравнительный энергетический анализ дома со стеновыми панелями из пенобетона на основе вторичного пенополистирола». В области энергетики и строительства [Интернет]. Доступно: http://dx.doi.org.ezproxy.unal.edu.co/10.1016/j.enbuild.2016.11.044.

[13] A. Kaya и F. Kar. «Свойства бетона, содержащего отходы пенополистирола и природных смол» В строительстве и строительных материалах.Том 105, стр. 572-578, февраль 2016 г. [Online]. Доступно: http://dx.doi.org/10.1016/j.conbuildmat.2015.12.177

[14] С. Асьерно, К. Каротенуто, К. и М. Печче. «Компрессионные и термические свойства вторичного пенополистирола». В «Технология и инженерия полимеров и пластмасс», Том 49, № 1, стр. 13–19, декабрь 2010 г. [Online]. Доступно: http://dx.doi.org/10.1080/03602550

[15] М. Полетто, Х. Орнаги и Заттера А. «Характеристика композитов на основе отходов пенополистирола и древесной муки» In Waste Management, Vol.31, n ° 4, pp. 779-784, апрель 2011 г. [Online]. Доступно: http://dx.doi.org/10.1016/j.wasman.2010.10.027

[16] Дж. Мано. Propiedades térmicas de los polímeros en la enseñanza de la ciencia de materiales e ingeniería. Estudios DSC sobre Poli (Tereftalato de Etileno). Journal of Materials Education Vol.25 (4-6), México, 2003, стр. 161-164. [Онлайн]. Доступно: http://www.redalyc.org/pdf/266/26625607.pdf

[17] А. Салазар. О температурной диффузии. Евро. J. Phys 24, 2003, стр. 351-358.[Онлайн]. Доступно: http://iopscience.iop.org/article/10.1088/0143-0807/24/4/353/pdf

[18] Х. Перилла, Л. Чапарро, К. Эскорсиа и Н. Лопес. Mezcla de materiales poliméricos I. Evaluación de las mezclas de poliestireno virgen y reciclado. Revista Ingeniería e Investigación. Vol. 44, 1999, стр. 80-83. [Онлайн]. Доступно: http://revistas.unal.edu.co/index.php/ingeinv/article/view/21303

[19] В. Каллистер. Introducción a la Ciencia e ingeniería de los materiales 2. España: Reverte, 2007, стр.674–676

[20] А. Лопес, «Влияние процедур рецикладо-лас-пропиедадес-де-лос-материалес compuestos obtenidos por inyección de poliestireno reforzado con fibras lignocelulósicas», докторская диссертация. Universidad de Girona. Жирона. España, 2004. [Online]. Доступно: http://www.tdx.cat/handle/10803/7759

Банкноты

[1] Эта статья является частью результатов магистерской диссертации в области машиностроения — Машиностроение «Определение механических и термических свойств образцов пенополистирола после потребления, используемых в пищевой промышленности и подвергнутых процессу восстановления» Джины Паолы Баррера. Кастро.В этой диссертации были изготовлены три материала из смесей первичного пенополистирола (EPS) марки S3 и переработанные из коробок из пенополистирола многоцелевого назначения, последний был подвергнут промывке и измельчению в лопаточной мельнице с процентным содержанием вторичного материала 10 по весу, 15 и 20%. Механические свойства этих материалов были оценены испытаниями на сопротивление сжатию, изгибу и удару, а тепловые свойства с помощью дифференциальной сканирующей калориметрии (ДСК), термогравиметрии (ТГА), горячая пластина в установившемся состоянии, а температурные профили были смоделированы в нестандартном режиме. стационарный режим Octave 3.6.4 программа.

[2] Este artículo hace parte de los resultados de la tesis de Maestría en Ingeniería — Ingeniería Mecánica «Caracterización de las propiedades mecánicas y térmicas de muestras de EPS pos consumpera, utilizadas en la industrial de alasción de alasción» Джина Паола Баррера Кастро. En esta tesis se fabricaron tres materiales con mezclas de poliestireno expandido (EPS) virgen grado S3 и reciclado proviente de cajas de eps multipropósito, las últimas fueron sometidas a lavado y trituración en un un molino de aspas, con porcento de aspas , 15 л 20%.Las propiedades mecánicas de estos materiales fueron evaladas mediante los ensayos de resistencia a compresión, flexión e impacto y las propiedades térmicas mediante las técnicas de calorimetría Diferencial de barrido (DSC), терминологическая система измерения плотности de temperaturas en régimen no estacionario por el programa Octave 3.6.4.

[3] Диплом в технологическом дизайне. Universidad Pedagógica Nacional. Колумбия. Инженер-механик, Fundación Universitaria Los Libertadores.Колумбия. Магистр наук, студент факультета машиностроения, Национальный университет Колумбии. [email protected]

[4] Химическая инженерия. Universidad de Antioquia. Магистр металлургии и материаловедения. Федеральный университет Рио-де-Жанейро. Бразилия. D.sc. в металлургии и материаловедении. Федеральный университет Рио-де-Жанейро. Бразилия. Доцент. Национальный университет Колумбии. Медельин. [email protected].

[5] Инженер-металлург.Магистр наук, материалы и процессы, Национальный университет Колумбии. Доктор технических наук, Национальный автономный университет Мексики. Титулярный профессор. Национальный университет Колумбии. Богота, Колумбия. [email protected]

Заметки автора

* Диплом в области технологического дизайна. Universidad Pedagógica Nacional. Колумбия. Инженер-механик, Fundación Universitaria Los Libertadores. Колумбия. Магистр наук, студент факультета машиностроения, Национальный университет Колумбии. gpbarrerac @ unal.edu.co

** Химическая инженерия. Universidad de Antioquia. Магистр металлургии и материаловедения. Федеральный университет Рио-де-Жанейро. Бразилия. D.sc. в металлургии и материаловедении. Федеральный университет Рио-де-Жанейро. Бразилия. Доцент. Национальный университет Колумбии. Медельин. [email protected].

*** Инженер-металлург. Магистр наук, материалы и процессы, Национальный университет Колумбии. Доктор технических наук, Национальный автономный университет Мексики.Титулярный профессор. Национальный университет Колумбии. Богота, Колумбия. [email protected]