Отделяемая защитная поверхность из стекла

Отделяемая защитная поверхность из стекла
http://www.cpi-web.ru/Archive/main.htm
Основные элементы конструкции состоят из плоско связанных между собой слоев
материала, между которыми в неблагоприятных случаях из-за различных свойств
материалов, под влиянием внешних факторов могут возникнуть опасные напряжение,
деформации, разлом материала и т.д. Во избежание подобных нежелательных эффектов
можно вместо неподвижного сцепления между двумя слоями встроить поддающийся сдвигу
промежуточный слой.
Проф. докт.-инж Хайнц Клопфер
Данный принцип применяется:
a. при эластичном склеивании плитки и каменных плит на гнущейся или дающей усадку Рис. 1 Строение слоев бетон-стекла и символы,
применяемые в формулах
основе, или на покровном слое с выраженной способностью к усадке и/ или к
разбуханию как, например, паркет или на жестком покровном слое;
b. при теплоизолирующих системах сцепления, при которых штукатурка не должна содержать трещин, поскольку она наносится над
поддающиеся сдвигу теплоизолирующими слоями на внешние стены с подвижными трещинами и швами;
c. при перекрывающих трещины реакционных покрытиях из смолы в качестве жестких и одновременно герметизирующих настилов, а
также защитных слоев на бетонных полах в промышленных залах, паркингах, балконах и т. д.;
d. при системе из бетона и стекла, где стеклянная подложка преимущественно большой площади наклеивается с помощью
эластичного склеивающего вещества на подверженные трещинам или потрескавшиеся поверхности конструкций в качестве
малошовной, перекрывающей трещины, легкой в уходе и устойчивой к химическому воздействию отделке.
Далее будут в общих чертах теоретически проанализированы, прежде всего, деформации и
напряжения в так называемом двойном слое, состоящем из внешнего защитного слоя и находящегося
под ним мягко-эластичного промежуточного слоя. При этом будут проведено разграничение между
расчетными вариантами нагрузки «расширения щели в основе» и «равномерного растяжения в
покрытии».
Затем полученные при этом знания будут применены к бетонной системе облицовки «бетон-стекло» и
вместе с экспериментальными данными и познаниями, полученными из опыта многолетнего
применения «бетон-стекла», резюмированы в практические правила.
Рис 2. Центральное и крайнее
положение трещины в основании и
их значение для максимального
натяжения покрытия и максимальной
деформации сдвига промежуточного
слоя
Теоретическое рассмотрение двойного слоя
Модель для перекрытия трещин
Согласно рисунку 1 под эластичным покрывающим слоем толщины
d и длины L расположен поддающийся сдвигам промежуточный
слой толщины h и под ним - жесткая основа. Если к покрытию на отрезке x = L по отношению к основе
возникает горизонтальное движение w, в покрытии возникают нормальные напряжения и деформации
сдвига в промежуточном слое, которые уменьшаются с увеличением расстояния от края x = L . Эта
упрощенная физическая модель лежит в основе так называемой теории двойного слоя [1], в которой
предполагается, что покрывающий слой выдает только растяжения, а промежуточный слой - только
деформацию сдвига. Так как промежуточный слой связан всей поверхностью с одной стороны с
покрытием, а с другой стороны с основой, устойчивость к сдвигу промежуточного слоя и устойчивость
к растяжению покрытия вместе оказывают действие в любой точке в пределах длины L. Устойчивость
к сдвигу S, то есть соотношение сдвигающей силы T и деформации сдвига у верхнего края
промежуточного слоя, имеет при лежащих в основе эластичных свойствах покрытия и
промежуточного слоя величину:
(1)
Соответственно устойчивость к растяжению D, то есть соотношение между нормальной силой N и
изменением длины покрытия, имеет величину:
Рис 3. Решение дифференциального
уравнения двойного слоя для
граничных условий «перекрытия
трещин» в форме двоичной
диаграммы
(2)
Отношение устойчивости к сдвигу S к устойчивости к растяжению D является решающим параметром для свойств двойного слоя. Здесь
он обозначается как соотношение устойчивости к сдвигу-растяжению r.
(3)
Если r> 1, можно говорить об устойчивом к сдвигам двойном слое, если r < 1, можно говорить подверженном сдвигам двойном слое.
Условие о том, что деформация сдвига промежуточного слоя у его верхнего края должна соответствовать деформации покрытия в
любой точке х, ведет к следующему дифференциальному уравнению для сдвига u в зависимости от координат пути x = x : L:
(4)
Это уравнение закрыто разрешимое, как показано в [1].
Что является неблагоприятным положением трещины под покрытием, если учесть с одной стороны
нормальное напряжение в покрытии и с другой стороны деформацию сдвига в промежуточном слое?
На рисунке 2 представлена деформация промежуточного слоя вверху - для центрального положения
трещины под плитой покрытия, а внизу - для положения близкого к краю. Появившаяся в центре
трещина образует по причине симметрии угол сдвига у трещины
в промежуточном слое, тогда как
при трещине с краю в намного меньшей части двойного слоя возникает угол сдвига у трещины
почти в два раза больше. При трещине, близкой к краю, нормальные напряжения в покрытии весьма
незначительны, так как меньшая часть двойного слоя может противопоставить эффективной силе в
Фактор
из правой части покрытии только малое сопротивление и поэтому испытывает сильные деформации сдвига. По
уравнения (5)
причине равновесия в левой части покрытия должна возникнуть подобная нормальная сила. Т.е.
центральное положение трещины ведет к наибольшим нормальным напряжениям в покрытии, тогда как крайнее положение ведет к
наибольшим сдвигам в меньшей части промежуточного слоя.
Решение уравнения (4) для напряжения покрытия вдоль пути в области длины покрытия L при
смещении покрытия на длину w показано на рисунке 3. С левого края покрытие свободно, то есть s =
0. С правого края покрытие удлинено на w, это значит, там начнется расширение трещины в
основании. Каждая кривая соответствует определенному значению r. Видно, какое большое влияние
значение r оказывает на характеристику и максимальное значение напряжения в покрытии. Кроме
того, мы видим, наибольшие значения s возникают постоянно с края x : L = 1, то есть над трещиной.
Напряжение s в покрытии на ординатах рисунка 3 не одно, а указанно мультиплицировано с другими
факторами. Выражение натяжения покрытия у трещины в соответствии с формулой звучит:
(5)
В символах на рисунках 1 - 3 w означает половину ширины трещины, а L половину ширины покрытия,
так как предполагалось, что щель возникла точно в центре покрытия длиной 2L.
(6)
Рис. 5.Распределение напряжений
натяжения в промежуточном слое и
нормальных напряжений в покрытии
при равномерном натягивании
покрытия
который описывает влияние соотношения устойчивость к сдвигу-натяжению r на напряжения
покрытия над трещиной, на рисунке 4 графически изображен функцией r. По сути F возрастает линейно с r. Только в области значений r
где-то меньше 1,5 фактор F меньше, чем F = r. Упрощенно можно сказать, что большие напряжения покрытия возникают при больших
значениях r, и что тогда для F упрощенно можно поставить F = r . Если поставить F = r в уравнение (5), то получим для условий
устойчивости к сдвигам:
(5a)
При устойчивых к сдвигам двойных слоях длина покрытия L очевидно
больше не играет роли, что объясняет рисунок 3: при больших значениях r
напряжения в покрытии уже в небольшом удалении от трещины снижаются
до нуля.
Модель для равномерного натяжения покрытия
Рис. 6. Определение устойчивости к разрыву сцепления
двойного слоя бетон-стекло при долговременном воздействии
влаги из основы на протяжении 5 лет
Равномерно разбухающее или дающее усадку покрытие длиной 2L, которое
закреплено на эластичном к сдвигам промежуточном слое на жесткую
основу, имеет в результате линейно от центра к краям возрастающее
распределение напряжение сдвига в промежуточном слое, как показано на
рисунке 5. Максимальное значение угла сдвига g по причине симметрии имеет на обоих концах покрытия длиной 2L соответственно
следующую величину, если g является константной по отношению к точке натяжения, разбухания или усадки:
(7)
Максимальное нормальное напряжение возникает в центре разбухающего, а также дающего усадку
покрытия. Величину данного напряжения получаем суммированием напряжений сдвига вдоль пути от
края к центру покрытия. Таким образом, получаем:
(8)
Одинаковые формулы вытекают, если предположить, что покрытие жесткое, а основа, разбухающая
или дающая усадку! Значит, выявляется зависимость только от разницы натяжения между покрытием
и основой.
Рис. 7. Напряжения натяжения в
стеклянной плите в зависимости от
ширины трещин и длины стекла L
К собственным свойствам системы бетон-стекло
При процессе бетон-стекло покрытие состоит из стекла, а промежуточный слой из особого склеивающего вещества, называемого
«политрансмиттер».
Эта система использует особые свойства стекла для защиты поверхности конструкций, а именно





Высокую устойчивость к химическому воздействию
Высокую способность к механическому сопротивлению
Гладкую поверхность, по желанию легкую по уходу поверхность
Наличие стеклянных пластин больших размеров
Невысокая стоимость стекла
Высокий модуль упругости стекла порядка 80 000 N/mm2 и скромная прочность при растяжении порядка 40 N/mm2 дают, из-за почти
идеально эластичных свойств стекла, разрывное удлинение при растягивающей нагрузке. При этом она имеет величину того же
порядка, что и у бетона.
Возможные негативные последствия этого небольшого разрывного удлинения можно избежать при
процессе бетон-стекло с помощью мягко-эластичного крепления, правильного размера стеклянных
плит и достаточной толщины склеивающего вещества.
Мягкому креплению служит двухкомпонентное склеивающее вещество, чей первый компонент
является полимерной дисперсией, а второй - смесью наполнителя и специального цемента. После
смешения двух компонентов склеивающее вещество затвердевает, при этом полимерная дисперсия
отдает воду, которую цемент принимает для гидратации. Особая задача при создании данного
склеивающего вещества состояла в том, чтобы создать хорошее сцепление между клеем и
Рис. 8. Напряжения при натяжении в
стеклянной плите в зависимости от поверхностью стекла. С другой стороны «политрансмиттер» должен также сразу хорошо сцепляться с
ширины трещины и толщины стекла используемыми основами как бетон, цементный раствор, клей для плитки и после затвердевания
быть устойчивым к воздействию влаги.
В противоположность к керамической плитке относительно небольших форм, стеклянные плиты посредством крепления с помощью
используемого в системе бетон-стекло мягко-эластичного «политрансмиттера», с учетом далее описанных граничных условий, могут
быть уложены большими плитами и при этом с малым количеством швов. Это имеет значение, так как швы по всем правилам требуют
ухода и являются слабыми местами относительно устойчивости к воздействию химическими веществами. В качестве основы
рассматриваются преимущественно бетонные поверхности, на которые с помощью мягко-эластичного «политрансмиттера» со
сцеплением по всей поверхности наклеиваются стеклянные плиты.
Альтернативно могут производиться стеклянные плиты с покрытием, с нанесенным на рабочую поверхность фабричным способом и
закрепленным на ней склеивающим веществом желаемой толщины. Подобные стеклянные плиты с покрытием могут впоследствии быть
уложены с помощью цементного раствора, цементного клея для керамической плитки и т. д. Такие плиты с покрытием также могут
использоваться в качестве элементов оболочки, по которым можно бетонировать, так как свежий бетон хорошо крепится на
затвердевший «политрансмиттер».
Чтобы испытать поведение мягко-эластичного склеивающего вещества «политрансмиттер» под воздействием постоянной влаги, в
Дортмундском университете бетонная плита толщиной 10 сантиметров возрастом 1 год, после пескоструйной обработки бетонной
поверхности, облицована с помощью 81, расположенных на расстоянии 5 мм друг от друга, квадратных стеклянных плиток с
применением «политрансмиттера» [3]. Затем бетонная плита была погружена в ванну с водой глубиной около 4 сантиметров. (см. рис. 6)
С периодичностью в шесть месяцев с помощью гидравлического аппарата от бетонной стены были оторваны 5 плиток и определена
прочность сцепления.
Эти эксперименты велись на протяжении пяти лет. На протяжении этого времени прочность сцепления оставалась с определенными
колебаниями константной со средним значением 1,1 N/mm2. Данные лабораторные испытания подтвердили, что слой клея под
достаточно устойчивым к влаге стеклянным покрытием не восприимчив к продолжительному воздействию влаги в основе, что
предполагает многолетнюю практику применения бетон-стекла в строительстве подземных сооружений.
Обработка соединительных швов между стеклянными плитами требуют особого рассмотрения: должна быть достигнута достаточная
устойчивость к химическому воздействию, а также подходящие свойства уплотнительного состава при деформации. Ширина швов
должна быть такой, чтобы при данных свойствах материала движения стеклянных плит не причинили вреда.
Правила расчета параметров для слоев системы бетон-стекло
Для наиболее используемой толщины слоев (толщина клея 2 миллиметра, толщина стекла 8 миллиметров) бетон-стекла следует
указать устойчивость к сдвигу-растяжению (см. уравнение (3)) в зависимости от половины длины L подобным образом:
(9)
Это означает, при половине длины стекла 800мм задана граница между устойчивой к сдвигу и подверженной сдвигу ситуацией, а
именно, r = 1. С изменением длины значение r линейно возрастает или падает.
Ожидаемые в стеклянной плите системы бетон-стекло напряжения при натяжении над расширяющейся трещиной определяются с
использованием уравнения (5):
На рисунке 7 отображены рассчитанные напряжения при натяжении в стеклянных плитах различной
половинной длины L d в их линейной зависимости от половины ширины трещины w . Трещина,
возникшая в центре под стеклянной плитой, находится в неблагоприятной позиции для нормальных
напряжений, как разъяснено с помощью рисунка 2. Примечательно, что максимальные напряжения
натяжения в стекле больше не нарастают, если половина длины стекла L достигает примерно 1.200
миллиметров. Из показанной на рисунке 7 устойчивости к растяжению стекла 40 N/mm2, следует, что
нужно считаться с разломом стекла, если при длине стеклянной плиты 1.200 миллиметров или
больше, половина ширины трещины превышает 0,3 миллиметра. Если учесть добавку прочности 100
процентов, из рисунка 7 следует следующее правило расчета параметров:
При использовании стеклянных плит большого формата с обычной при применении бетон-стекла в
строительстве подземных сооружений толщиной стекла - пять миллиметров - и толщиной
Рис. 9. Система испытания и данные
склеивающего вещества - два миллиметра, возможно перекрытие трещины с максимальной шириной измерений при попытках сдвига трех
склеенных друг с другом стеклянных
0,4 мм.
плит
При применении данного правила следует считаться с тем, что длина стекла L только в том случае может быть любого размера, если,
следуя из исходных условий, можно рассчитывать только на одну щель под стеклянной плитой. Другими словами, это означает, что
длина стекла не должна быть больше, чем ожидаемое расстояние между трещинами в основе, пока ширина трещин составляет 0,4
миллиметра. Если ожидаемая ширина трещин заметно меньше 0,4 миллиметров, при обстоятельствах допустимо несколько трещин под
одной стеклянной плитой. Какое влияние на напряжения натяжения оказывает толщина стеклянной плиты, можно определить по рисунку
8: исходные прямые передают здесь связь между максимальным напряжением натяжения в стекле и половиной ширины трещины w для
различных толщин стекла. Чем меньше толщина стеклянной плиты, тем больше напряжения при натяжении в стекле при
соответствующей ширине щелей. Таким образом, второе правило расчета при добавке прочности 100 процентов гласит: С
возрастающей ожидаемой шириной трещин следует также выбрать стеклянные пластины большей толщины. При ожидаемой ширине
трещин 0,15 миллиметров достаточной толщиной для стеклянной плиты будет четыре миллиметра. По системе испытаний, которая
представлена на рисунке 9, в Дортмундском университете [2] [4] были испытаны различные, с различной подготовкой поверхностей,
склеенные с помощью «политрансмиттера» стеклянные и стальные плиты таким образом, что давление на среднюю стеклянную/
стальную плиту постепенно усиливалось и возникающее при этом оседание w непрерывно измерялось. Из соотношения между силой
давления и оседания вытекло, что склеивающее вещество при комнатной температуре обладает модулем сдвига G = 2 N/mm2.
Отклеивание случалось тогда, когда угол сдвига имел величину:
Для этого граничного значения является несущественным, была ли поверхность стекла перед наклейкой только очищена, или
обработана пескоструйным аппаратом, или протравлена химикатами. Для практики это означает, что перед нанесением склеивающего
вещества не требуется никакой особой обработки поверхности стекла и что толщина склеивающего вещества должна быть минимум в 6
раз больше, чем половина ширины трещины. При ширине трещины 0,15 миллиметров в основе и при положении трещины близко к краю
клей должен обладать двойным запасом прочности, т. е. быть минимум два миллиметра толщиной. Отсюда следует третье правило
расчета, снова при добавке прочности 100 процентов:
Отставание склеивающего вещества от основы имеет место только в случае, если затем возникающая в основе трещина имеет ширину
более 0,15 мм, если слой клея имеет обычную толщину два миллиметра. Из раздела 3 теоретически описанного варианта нагрузки
равномерно разбухающей или проседающей основы или покрытия можно вывести для системы бетон-стекло следующие выводы:
Так как возникает разлом, если угол сдвига склеивающего вещества превышает граничное значение 0,17, согласно уравнению (7)
половина длины стекла должна оставаться до следующих значений , если в основу заложена усадка или разбухание и толщина
склеивающего вещества два миллиметра:
Показатели покрытия из полированного листового стекла и
склеивающего вещества колеблются при обычном применении
бетон-стекла в строительстве подземных сооружений в следующих
рамках:
Стекло Модуль эластичности
Толщина стекла
Ширина плиты
Предел прочности при растяжении
Предел прочности при сжатии
E ~ 80.000 N/mm2
d : 6 bis 8 mm
L = 100 bis 2.500 mm
Ћ 40 N/mm2
Ћ 450 N/mm2
Клей
G : 2,0 N/mm2 bei 20°C
2,7 N/mm2 bei -10°C
Модуль упругости при сдвиге
Толщина клея
Прочность на сдвиг
h : 2 bis 8 mm
t : 0,35 bis 0,45 N/mm2
Если полностью использовать прочность стекла при растяжении, то
получаем максимальную длину L при разбухающей основе и при
толщине стекла 8 миллиметров из уравнения (8)
Так как сопротивление раздавливанию стекла примерно в 10 раз выше прочности при натяжении, при дающей усадку основе допустимая
длина покрытия должна быть меньше 4000 миллиметров.
Обе рассчитанные половинные длины стекла лежат уже на границе практического применения бетон-стекла, т. е. вариант нагрузки
«равномерного разбухания усадки основы» при обычных остальных условиях не имеет существенного значения для длины стекла.
Четвертое правило расчета (против разлома стекла в следствие усадки или разбухания основы или покрытия и против отставания
склеивающего вещества) при двойной степени прочности гласит:
Усадка или разбухание основы величиной после нанесения бетон-стекла при толщине склеивающего вещества два миллиметра и длине
стекла 2L от примерно 0,9 метра может привести к отставанию клея, но только при очень тонких пластинах стекла - к разлому стекла.
Все четыре названные правила расчета при обычных параметрах применения системы бетон-стекло резюмированы в таблице 1.
В качестве следующих правил
Вариант нагрузки
Критерий
Правило расчета
расчета для допустимого
Перекрытие трещин
Прочность стекла
d = 8 mm w <= 0,1 mm неограниченно
размера стекла рекомендуется
h = 2 mm
d = 8 mm w <= 0,15 mm L <= 600 mm
на тех местах, где возможны
Допустима только1 трещина на плиту!
большие деформации применять
Сцепление
Ширина трещины < 0,15 mm
стеклянные плиты небольшого
склеивающего вещества
формата, а на
непроблематичных участках
Разница натяжения
Прочность стекла
d = 8 mm L <= 4000 mm (Druck)
применять стеклянные плиты
Основа-стекло
d = 8 mm L <= 1340 mm (Zug)
Delta e = 0,4*10-3
Сцепление
h = 2 mm L <= 850 mm
большого формата.При этом
склеивающего вещества h = 4 mm L = 1800 mm
условия на строительной
площадке могут ограничить
Таблица 1: Сведенные требования к половинной длине плиты L, половинной ширине трещины w и толщине
склеивающего вещества h при вариантах нагрузки перекрытие трещин и разница натяжения между основой и
максимальные габариты стекла.
стеклянной плитой
В противоположность работе с
керамической плиткой, где на размер плитки и расположение швов влияют прежде всего эстетические причины, при использовании
бетон-стекла специалист-строитель прежде всего должен определить и графически изобразить положение швов и формат стекла при
соблюдении описанных выше аспектов. Над трещиной в основе должен всегда располагаться только один шов в стеклянном покрытии.
Например, при заземленном резервуаре воды на плите фундамента, соприкасающейся с землей, ожидаются меньшие деформации, чем
на поверхностях стен. Соответственно, у земли можно применять форматы пластин по-больше.
По краям плиты фундамента и в нижней части стены, где жестко встроенные в плиту фундамента соединенные стенки резервуара при
наполнении и сливе подвержены сильным изгибающим моментам с соответствующими трещинами по отношению к поверхности,
контактирующая с водой, рекомендуются более мелкие форматы.
Обычная для бетона усадка, предполагаемая, как и для приведенных выше расчетов, соответствует термическим изменениям длины у
бетона и стекла при изменении температуры в 40К. В силу специфики термопроводимости бетона, склеивающего вещества и стекла
разница температур такой величины между бетон-стеклом и близкой к поверхности основе не ожидается, это значит, вариант нагрузки
«разница температур» как правило, не ожидается.
Literatur:
[1] H. Klopfer: Eine Theorie der Rissьberbrьckung durch Beschich- tungen (Doppelschichttheorie) Bautenschutz und Bausanierung, 1982. Teil 1:
Heft 2, Seite 59 bis 65. Teil 2: Heft 3, Seite 86 bis 92.
[2] Untersuchungsbericht zur Bestimmung der Scherfestigkeit an Glas-Verbundprobekцrpern, verklebt mit einer Polymer-Zement-Klebemasse mit
der Bezeichnung Polytransmitter. Erstellt vom bauphysikalischen Labor der Universitдt Dortmund mit Datum vom 24. 4. 1991 im Auftrag der
Industrieberatung H.P. Bцe in 4200- Oberhausen.
[3] Untersuchungsbericht ьber das Verbundverhalten von Glasplatten auf Beton bei rьckwдrtiger Durchfeuchtung nach einer insgesamt 5-jдhrigen
Wasserlagerung. Erstellt vom Bauphysikalischen Labor der Universitдt Dortmund mit Datum vom 26.10.1999 im Auftrag der Betoglass D GmbH in
46049 Oberhausen.
[4] Untersuchungsbericht zur Ermittlung der Haftzugfestigkeit von Betoglass mit Ugroflex-K-Polytransmitter nach Temperatur-wechsellagerung.
Erstellt vom bauphysikalischen Labor der Universitдt Dortmund mit Datum vom 4.3.2004 im Auftrag der Betoglass-Deutschland GmbH in 46049
Oberhausen.
Дальнейшая информация:
Glass GmbH, DaimlerstraЯe 3
87719 Mindelheim, DEUTSCHLAND
Tel.: ++49 (0) 8261 992 0,
Fax: ++49 (0) 8261 992 100
E-Mail: info@glass-umwelttechnik.de
http://www.glass-umwelttechnik.de