Перечислены результаты исследований строительных композиционных материалов, состоящих из компонентов, отличающихся по своим генезисом и свойствам, предлагаемых для объектов специального назначения на транспорте.
При строительстве промышленных и транспортных объектов специального назначения в изделиях и конструкциях достаточно широко применяются различные композиционные материалы (КМ), вид которых определяется реализуемыми технологическими процессами создаваемых производств и условиями их эксплуатации. К ним относятся: покрытия полов, фундаменты, корпуса аппаратов и емкостей, лотки и отстойники сточных технологических вод, шпалы верхнего строения железных дорог и метрополитенов, лесовозных и трамвайных путей, переезды, платформы, подверженные воздействию химически активных жидкостей, грунтовых вод, атмосферных осадков, переменных температур, что и предопределяет необходимость обеспечения особых свойств этих материалов, основными из которых являются коррозионная стойкость, долговечность и экологическая безопасность [1].
Учитывая острую необходимость повышения экономической эффективности широкого использования техногенных продуктов лесного комплекса, химической промышленности и местного сырья, основное внимание уделялось разработке стекло- и древесностекловолокнистых композиционных материалов (СВКМ, ДСВКМ), главные исходные компоненты которых отличались по своим генезису и свойствам.
Совершенствование КМ потребовало детального изучения как взаимосвязи появляющихся внутренних сил и определяющих их факторов в процессах изготовления конструкций, так и в условиях их эксплуатации при различных видах силовых воздействий.
В частности, выполнены следующие исследования:
– с позиций положений физической и коллоидной химии, физико-химии поверхностей и механики композиционных материалов даны оценки свойствам структурообразующих компонентов ДСВКМ, которые определяют эксплуатационные характеристики и технологию производства изделий;
– установлены зависимости основных механических характеристик полимерно-песчаной матрицы композитов на смоле ФАМ от массовой доли и свойств основных компонентов, технологии их дозирования и перемешивания;
– оценена роль синергетических эффектов взаимодействия компонентов ДСВКМ, определено их оптимальное количество, обеспечивающее получение заданных свойств конечных композитов и экономическую целесообразность;
– предложены математические модели, отражающие физический смысл процессов формирования структуры разрабатываемых композиционных материалов и модели, необходимые для расчета напряжений и деформаций в объеме ДСВКМ под действием факторов температуры и усадки, проявляющихся при полимеризации смолы ФАМ, технологическом прогреве изделий, остывании и увлажнении в процессе эксплуатации, количественной оценки их влияния и установлении причин появления микро- и макротрещин, а затем их устранения;
– доказана возможность комплексной защиты композиционных материалов от разрушающего действия давления стесненного набухания древесного армирующего заполнителя, которая осуществляется за счет введения в состав матрицы ДСВКМ модифицирующих наполнителей, а также пропитки поверхности изделия и этого заполнителя. В последнем случае был впервые использован факт того, что процесс разбухания древесины прекращается при достижении предела насыщения, равного 30 %, не только водой, но и гидрофобизирующими соединениями, предпочтительно линейных углеводородов, и оценена их стойкость в условиях эксплуатации;
– разработаны новые методы прогнозирования и оценки длительной прочности и ожидаемой долговечности ДСВКМ по результатам исследований процессов ползучести при изгибе без и при одновременном обводнении, определены величины пределов длительного сопротивления, длительных секущих модулей деформации, коэффициентов длительности и длительных деформационных коэффициентов, а также доказана неизменность структуры материала при такого рода воздействиях;
– экспериментально подтверждена гипотеза о том, что условный предел пропорциональности – это напряжение, соответствующее пределу длительного сопротивления конструкционных композиционных материалов;
– скорректированы на уровне изобретений теоретические и предложены на их основе производственные составы ДСВКМ (таблица), определены их физико-механические характеристики, а также коэффициенты химической и атмосферостойкости;
– разработаны технологические линии и регламенты производства изделий, в том числе железнодорожных шпал и брусьев стрелочных переводов, методом литьевого виброформования (отливки), снабженных новым видом узла крепления к ним рельсов;
– определены области применения из ДСВКМ на объектах промышленного и транспортного строительства для изделий специального назначения, применяемых в суровых условиях эксплуатации, доказана их экологическая безопасность и технико-экономическая эффективность.
Модифицированный состав ДСВКМ со щепой на одно изделие и 1 м3 с использованием патента № 2098375
|
№ п/п |
Компоненты ДСВКМ, Кi |
Состав |
Содержание компонентов, Рi |
||
|
м.ч. |
% по массе – Мi |
в изделии |
в 1 м3 |
||
|
1 |
ФАМ |
5,58 |
18,6 |
33,6 |
280 |
|
2 |
БСК |
1,38 |
4,6 |
8,4 |
70 |
|
3 |
П и ПМ |
16,35 |
54,5 |
98,0 |
817 |
|
5 |
Гр |
1,17 |
3,9 |
7,0 |
58,0 |
|
6 |
ПО |
1,17 |
3,9 |
7,0 |
58,0 |
|
7 |
СС |
0,84 |
2,8 |
5,0 |
42,0 |
|
8 |
Щ + ОММ* |
3,51 |
11,7 |
21,0 |
175 |
|
Итого: |
30,0 м.ч. |
100 % |
Ри = 180 кг |
1500 кг |
|
Примечание: фурфуролацетоновая смола (ФАМ) – вяжущее, бензолсульфокислота (БСК) – катализатор ее отверждения, песок (П), наполнители в виде графитовой и пиритовой муки (Гр, ПО), стеклосетка (СС) и кусковые отходы переработки древесины (Щ) – армирующие заполнители, ОММ* – отработанное машинное масло, применяемое для защиты заполнителей.
Так, ожидаемый экономический эффект с учетом эксплуатационных расходов при запланированном выпуске 375 тыс. штук шпал в год составит 130 млн. рублей (по сравнению с деревянными) и 16 млн. рублей (по сравнению с железобетонными).