Послеусадочная усадка

Послеусадочная усадка — это изменение линейных размеров или объёма материала, происходящее после завершения его основной технологической усадки (например, при сушке, обжиге, отверждении или кристаллизации), под воздействием внутренних напряжений, перестройки структуры или внешних факторов (температуры, влажности, времени). Данное явление характерно для многих материалов: полимеров, бетона, керамики, древесины, текстиля и композитов. Послеусадочная усадка может приводить к деформации, растрескиванию, нарушению геометрии изделий и снижению их эксплуатационных свойств, поэтому её учёт и прогнозирование являются важными задачами в материаловедении, строительстве и производстве.

Физическая природа и механизмы

Послеусадочная усадка обусловлена несколькими физико-химическими процессами, которые протекают с различной скоростью и интенсивностью в зависимости от материала.

Релаксация внутренних напряжений

В процессе первичной обработки (например, литья, прессования, экструзии) в материале возникают остаточные напряжения из-за неравномерного охлаждения, усадки или ориентации макромолекул. После снятия внешних воздействий эти напряжения начинают постепенно релаксировать, что приводит к дополнительному сокращению размеров. В полимерах это часто связано с разворотом и перегруппировкой цепей, стремящихся к равновесному состоянию.

Кристаллизация и фазовые переходы

В аморфных или частично кристаллических полимерах (например, полиэтилентерефталате, полиамидах) послеусадочная усадка может быть вызвана медленной кристаллизацией, которая продолжается в течение длительного времени после формования. Рост кристаллических областей приводит к уплотнению материала и уменьшению объёма. В керамике и бетоне аналогичные процессы связаны с гидратацией цемента или перекристаллизацией фаз при старении.

Диффузия влаги и сорбция

В гигроскопичных материалах (древесина, бумага, текстиль, бетон) послеусадочная усадка часто связана с изменением влажности окружающей среды. После первичной сушки материал может продолжать терять связанную влагу в течение длительного времени, особенно в условиях низкой относительной влажности. Это приводит к сжатию клеточных стенок (в древесине) или капиллярных пор (в бетоне).

Ползучесть и деформация под нагрузкой

Даже при отсутствии внешних сил, под действием собственного веса или длительного хранения, материал может испытывать ползучесть — медленную пластическую деформацию, которая проявляется как усадка. В полимерах это связано с вязкоупругими свойствами, в бетоне — с реологическими процессами в цементном камне.

Классификация

Послеусадочную усадку можно классифицировать по нескольким признакам.

По времени проявления

• Первичная послеусадочная усадка — происходит в первые часы или дни после первичной обработки, часто связана с быстрой релаксацией напряжений.
• Вторичная (долговременная) послеусадочная усадка — продолжается недели, месяцы или даже годы, обусловлена медленными процессами кристаллизации, диффузии или старения.

По причине возникновения

• Термическая послеусадочная усадка — вызвана изменением температуры (например, при эксплуатации в условиях перепадов температур).
• Влажностная (гигроскопическая) послеусадочная усадка — связана с потерей или поглощением влаги.
• Структурная (релаксационная) послеусадочная усадка — обусловлена перестройкой внутренней структуры (кристаллизация, релаксация напряжений).

По обратимости

• Обратимая послеусадочная усадка — может быть частично или полностью устранена при изменении условий (например, увлажнение древесины возвращает её размеры).
• Необратимая послеусадочная усадка — остаётся после изменения структуры (например, при кристаллизации полимера).

Послеусадочная усадка в различных материалах

Полимеры и пластмассы

В полимерных изделиях (литьё под давлением, экструзия, 3D-печать) послеусадочная усадка является серьёзной проблемой. Для аморфных полимеров (полистирол, поликарбонат) она обычно невелика (0,2–0,5%), но для кристаллизующихся (полиэтилен, полипропилен, полиамид) может достигать 1,5–3% и более. Особенно заметна усадка в изделиях с толстыми стенками, где охлаждение идёт неравномерно. Для снижения послеусадочной усадки применяют:

• отжиг (термообработку) для снятия напряжений;
• введение наполнителей (стекловолокно, тальк), которые уменьшают подвижность макромолекул;
• оптимизацию режимов литья (температура формы, давление выдержки).

Бетон и цементные композиты

Послеусадочная усадка бетона — одна из основных причин трещинообразования в строительных конструкциях. Она делится на:

• усадочную деформацию при высыхании (связана с потерей воды из пор);
• аутогенную усадку (обусловлена химическим связыванием воды при гидратации цемента);
• карбонизационную усадку (при реакции цементного камня с углекислым газом воздуха).

Величина послеусадочной усадки бетона может составлять от 0,02% до 0,1% в зависимости от состава, водоцементного отношения и условий твердения. Для её компенсации применяют:

• расширяющиеся цементы;
• фибровое армирование;
• деформационные швы;
• влажностное выдерживание (увлажнение) в первые дни.

Древесина

Древесина — анизотропный материал, и её послеусадочная усадка неравномерна: в тангенциальном направлении (вдоль годичных колец) она может быть в 2–3 раза больше, чем в радиальном. После первичной сушки древесина продолжает терять влагу при низкой влажности воздуха, что приводит к короблению и растрескиванию. Для минимизации усадки применяют:

• камерную сушку с контролируемым режимом;
• пропитку стабилизаторами (масла, воски);
• склеивание в клеёные конструкции (LVL, клеёный брус).

Керамика и стекло

В керамике послеусадочная усадка наблюдается после обжига (усадка при спекании) и может продолжаться при длительном хранении из-за перекристаллизации или рекристаллизации. В стекле (особенно в оптическом) послеусадочная усадка связана с релаксацией напряжений, возникающих при закалке, и может приводить к изменению оптических свойств.

Текстиль

Послеусадочная усадка тканей (особенно из натуральных волокон — хлопка, шерсти, льна) происходит при стирке и носке. Она обусловлена релаксацией напряжений, возникших при прядении и ткачестве, а также набуханием и последующим сжатием волокон. Для снижения усадки применяют:

• предварительную усадку (санфоризацию);
• химическую обработку (аппретирование);
• использование смесовых волокон (с синтетикой).

Методы измерения и прогнозирования

Измерение послеусадочной усадки проводится по стандартным методикам (ГОСТ, ISO, ASTM). Обычно образцы выдерживают в заданных условиях (температура, влажность) в течение определённого времени и измеряют изменение длины, ширины или объёма с помощью микрометров, индикаторов часового типа или лазерных сканеров.

Для прогнозирования усадки применяют:

• эмпирические модели (например, для бетона — модель В.М. Москвина, для полимеров — модель А.А. Аскадского);
• численные методы (метод конечных элементов, учитывающий вязкоупругость и диффузию);
• ускоренные испытания (выдержка при повышенной температуре или влажности, циклические нагрузки).

Практическое значение и способы компенсации

Послеусадочная усадка учитывается при проектировании пресс-форм, опалубок, калибровочных приспособлений и допусков на размеры. В строительстве и машиностроении для компенсации усадки предусматривают:

• припуски на усадку (завышение размеров заготовок);
• термообработку (отжиг, нормализация) для снятия напряжений;
• использование стабилизированных материалов (термостабилизированные полимеры, фибробетон);
• конструктивные решения (деформационные швы, компенсаторы).

В ряде отраслей (например, в производстве точных оптических приборов, микроэлектроники, аэрокосмической техники) послеусадочная усадка может быть критичной, и её минимизация требует специальных технологических приёмов.

Интересные факты

• В производстве полимерных плёнок (например, для упаковки) послеусадочную усадку используют как полезное свойство — термоусадочные плёнки сжимаются при нагреве, плотно облегая товар.
• В историческом зодчестве послеусадочная усадка древесины в срубах приводила к необходимости повторной конопатки стен через 1–2 года после постройки.
• В современной стоматологии послеусадочная усадка композитных пломбировочных материалов (до 2–3%) является одной из причин возникновения вторичного кариеса.

Источники

1. ГОСТ 15139-69. Пластмассы. Методы определения плотности (объёмной массы). — М.: Издательство стандартов, 1969.
2. Москвин В.М. Бетон и железобетон. Свойства, технологии, долговечность. — М.: Стройиздат, 1980.
3. Аскадский А.А. Деформация полимеров. — М.: Химия, 1973.
4. Перелыгин Л.М. Древесиноведение. — М.: Лесная промышленность, 1971.
5. ISO 294-4:2018. Plastics — Injection moulding of test specimens of thermoplastic materials — Part 4: Determination of moulding shrinkage.