Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,007

К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ДРЕВЕСНО-СТЕКЛОВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА

Стородубцева Т.Н. Стородубцев С.А. Федянина Н.В.
В статье перечислены результаты исследований строительных композиционных материалов, состоящих из компонентов, отличающихся по своим генезису и свойствам, предлагаемых для объектов специального назначения на транспорте.
композици

Учитывая острую необходимость повышения экономической эффективности широкого использования техногенных продуктов лесного комплекса, химической промышленности и местного сырья, основное внимание было уделено разработке стекло- и древесно-стекловолокнистых композиционных материалов (СВКМ, ДСВКМ), главные исходные компоненты которых отличались по своим генезису и свойствам.

В изделиях и конструкциях, при строительстве промышленных и транспортных объектов специального назначения достаточно широко применяются различные композиционные материалы (КМ), вид которых определяется реализуемыми технологическими процессами создаваемых производств и условиями их эксплуатации.

Стремление соединить в КМ давно известные вяжущие (цемент, известь, сера) и древесину в единый монолит не привело к созданию высокопрочных долговечных композитов. Общие причины несовместимости отвержденных минеральных вяжущих и древесины состоят в том, что эти материалы склонны насыщаться водой, которая может вызвать гниение древесины, инициировать выделение ею веществ (сахара), способных ингибировать процесс отверждения, например, цементного теста, а также разрушить любую матрицу под действием вызванного ею давления стесненного набухания.

Были приняты все меры для борьбы с этими явлениями, чтобы увеличить прочность КМ при изгибе, снизить ползучесть, увеличить долговечность, т.е. использовать их для лесовозного транспорта.

Результаты первых эксплуатационных испытаний показали, что в ряде случаев под действием атмосферных осадков на поверхности шпал из ДСВКМ появлялись микротрещины, одной из причин возникновения которых могло быть давление стесненного набухания высушенного древесного заполнителя. Появлялись они и во время технологического прогрева отливок шпал, и под влиянием других физических факторов.

В связи с этим встала острая необходимость более тщательно рассмотреть все причины, вызывающие процесс трещинообразования, в первую очередь влияния воды, устранить их и тем самым обеспечить решение проблемы долговечности элементов конструкций верхнего строения железнодорожного пути из ДСВКМ в течение заданного срока (40 лет) эксплуатации для того, чтобы они могли конкурировать с деревянными и железобетонными шпалами и нашли свою достаточно емкую нишу на рынке сбыта.

Были рассмотрены основные структурообразующие компоненты ДСВКМ и установлены их достоинства и недостатки.

Теоретический анализ

Водопоглощение КМ на смолах (ФА, ФАМ), полученных на основе отходов древесины, осуществляется за счет диффундирования молекул воды в пространство между участками и звеньями сжатых макромолекул полимера, в результате чего возникает пластифицирующий эффект, снижающий их прочность более, чем на 50 %, и, в особенности, жесткость - на 60 %, происходит растворение компонентов связующего и уменьшение сил адгезии в контактной зоне полимер-наполнитель. Отвержденные мастики и растворы на этих смолах так же, как и древесина, склонны к набуханию, при этом в КМ возникают влажностные напряжения, не одинаковые по величине и знаку. Таким образом, полимерная матрица ДСВКМ не гарантирует защиту заключенной в ней древесины и сама, следовательно, нуждается в защите от действия воды.

Таким образом, встала глобальная задача: в материале шпал не должно возникать трещин при любых видах и сочетаниях перечисленных воздействий.

В ходе ее решения вначале были исследованы зависимости основных механических характеристик полимерной песчаной матрицы ФАМ от содержания в ней модифицирующих наполнителей (графитовая мука, мука из пиритных огарков), замедлителя реакции кристаллизации бензолсульфокислоты и армирующих заполнителей ДСВКМ (стеклосетка и кусковые отходы переработки древесины - щепа). В подавляющем большинстве случаев эти зависимости (рис. 1) были представлены полиномами третьей степени, что подтверждалось минимальными значениями сумм квадратов отклонений и возможностью количественно и качественно оценить физический смысл процессов при формировании микро- и макроструктуры, включая армирование, КМ.

pic

Рис. 1. Зависимости физико-механических свойств от количества основных структурообразующих компонентов (щепа) в составе полимерной матрицы ДСВКМ

На основании проведенных исследований впервые получен теоретический модифицированный состав ДСВКМ, ставший после некоторой корректировки производственным (табл. 1), и его механические характеристики (табл. 2). В ней достаточно явно просматривается роль синергетических эффектов взаимодействия различных структурообразующих компонентов этого материала, вводимых в состав порознь и одновременно, что позволило регулировать их количество в нем с позиций достижения необходимых характеристик конечного композита (ДСВКМ) и экономической целесообразности.

Совершенно очевидно, что такое состояние в шпале под действием эксплуатационных и других факторов будет уже не линейным, а объемным.

В итоге напрашивалась идея проведения анализа напряженного и деформированного состояния возникающего в объеме ДСВКМ (рис. 2). Для этого нам не хватало экспериментальных данных. Впервые исследовались упругие характеристики примененной древесины - модули упругости и коэффициенты Пуассона с учетом анизотропии ее свойств. Находили их отношения - коэффициентов Пуассона к соответствующим модулям упругости. Это надо было сделать потому, что литературные данные по значениям этих характеристик и, следовательно, отношениям крайне разноречивы, поэтому они не были равны между собой, а только их равенство характеризует древесину как ортотропное тело.

Таблица 1

Модифицированный состав ДСВКМ, армированный кусковыми отходами переработки древесины и щебнем на одно изделие объемом 0,12 м3 на основе патента № 2215705

Компоненты ДСВКМ, Кi

Состав

Масса - Рi компонента в изделии

Содержание компонентов Pi в 1 м3

м.ч.

% по массе - Мi

кг

ФАМ

6,0

14,63

27,8

232

БСК

1,5

3,66

6,8

57

П (мк = 1,2)

17,5

42,69

81,1

676

Гр

0,8

1,95

3,6

30

ПО

1,2

2,92

5,8

48

СС

0,5

1,22

2,4

20

Щ + ОММ

4,0

9,76

18,5

164 (0,31 м3)

ЩБ

9,5

23,17

44,0

367

Итого:

41 м.ч.

100 %

Ри = 190 кг

Pi = 1594 кг ≈ 1600 кг

Таблица 2

Физико-механические характеристики составов ДСВКМ по патенту № 2215705

Показатели

Результаты экспериментов композиционного материала по составам

1

2

3

4

Предел прочности, МПа при:

сжатии

изгибе

скалывании

36,0

25,0

8,7

40,025

30,0

9,0

38,0

29,0

8,9

38,0

28,0

8,8

Модуль упругости ×104, МПа при:

сжатии

изгибе

1,30

1,38

1,30

1,44

1,40

1,39

1,40

1,45

Предел выносливости при сжатии, МПа

37,0

39,0

39,0

36,0

Коэффициент стойкости в воде

0,64

0,72

0,70

0,68

Морозостойкость, цикл.

370

420

440

425

Методика

За объект исследования был впервые выбран кубик из древесины сосны, грани которого совпадали с плоскостями ее упругой симметрии, покрытый условно изотропной оболочкой из СВКМ. Использовался обобщенный закон Гука для ортотропных тел. При подстановке полученных отношений характеристик упругости древесины и известных ее модулях сдвига получили рабочее уравнение этого закона.

Обобщенный закон Гука для главных направлений ортотропного тела принят в виде:

f

f

f

К данным равенствам добавляются три соотношения:

f

Получена рабочая система уравнений

f

Нормальные и касательные напряжения возникают под действием температуры, усадки и воды (всестороннего увлажнения).

pic

Рис. 2. Анализ объемного напряженного состояния в изделиях из ДСВКМ
под действием физических факторов

pic

Рис. 3. Эпюры внутренних напряжений
под действием температуры и усадки

Определяли положение главных площадок и главных деформаций - σ1, σ2 и σ3 и ε1, ε2 и ε3 (между осями t - r). Строились эпюры напряжений, возникающих под действием перечисленных факторов в опасных точках поперечного сечения кубика (у поверхности и в центре) (рис. 3).

Для их построения использовали принцип независимости действия сил и факт того, что эти эпюры ограничиваются квадратной параболой. В результате были получены значения нормальных и касательных напряжений, которые затем переносились на грани кубика по направлению осей a, r и t и его плоскости сначала без учета действия воды, а потом при одновременном ее действии.

В частности, было установлено, что трещина в полимерной оболочке под действием воды по направлению совпадает с направлением главной площадки с наибольшим напряжением σ1 = 10,13 МПа и практически с направлением главной относительной деформации ε1 = 10⋅10-3.

Анализ напряженного состояния под действием физических факторов

f;

f

f

f

Был проведен анализ напряженного состояния, определены положения главных площадок и значений главных напряжений -

σмакс = 10,13 МПа > σпч = 9 МПа,

значений относительных деформаций -

f

и их направлений. Причем установлено, что направление, например σ1 и направление ε1 не совпадают примерно на 3...4 градуса, что характеризует материал как анизотропный.

В связи с создавшейся ситуацией следующим этапом исследований был выбор методов и средств защиты изделий из ДСВКМ от действия воды (рис. 4). Было принято решение применить гидрофобизирующие и модифицирующие составы для пропитки древесного армирующего заполнителя и поверхности шпал и использования различных растворов - каучук в керосине, низкомолекулярный полиэтилен, ДСТ - дивинилстирольный тормоэластопласт; ЭГТК - этиленгликолевая таловая канифоль, латекс, КОРС - кубовые остатки ректификации стирола и отработанное машинное масло.

Было установлено, что применение раствора дивинилстирольного термоэластопласта в керосине может быть использовано для покрытия шпал, а машинное отработанное масло из-за его доступности - для пропитки древесного армирующего заполнителя.

Нами впервые использован факт того, что после 30 % насыщения древесины водой ее разбухание прекращается. Было решено высушенную до 8...12 % древесину насыщать до 30 % не водой, а гидрофобизирующими растворами, что должно исключить давление стесненного набухания.

Существенную и трудоемкую часть работы составляют исследования длительной прочности (ползучести) ДСВКМ базового состава.

Перед испытанием на ползучесть релаксационным методом, апробированным ранее, были определены величины нагрузок, соответствующих пределам пропорциональности и упругости.

f        pic

Рис. 4. Построение главного куба для оценки объемного напряженного состояния в ДСВКМ под действием физических факторов (вариант «в»)
ε1 = 10⋅10-3> =6,6⋅10-3

Мы произвели обработку экспериментальных данных зависимости величины падения нагрузки ΔF от начальной величины этой нагрузки.

Зависимости действительно оказались линейными с минимальной суммой квадратов отклонений, и нашли значения величины названных нагрузок (Fпц = 17 кН и Fу = 26,6 кН), что позволило подсчитать соответствующие коэффициенты (Кпц = 0,51).

Была разработана упрощенная схема деформирования образцов ДСВКМ под действием изгибающей нагрузки. Рассмотрены возможные виды деформаций в соответствии с терминологией, предложенной Александром Матвеевичем Ивановым:

- при напряжениях σoi ≤ σпц имеют место упругие деформации, а ползучесть может характеризоваться как установившаяся, но с крайне малой скоростью деформирования;

- σпц≤ σoi ≤ σу к упругим добавляются высокоэластические и вязкие деформации, а ползучесть можно характеризовать как установившуюся со скоростью деформирования большей чем на 1-м участке, но все же достаточно малой. Прогибы ползучести достигают предельного значения, равного полному упругому
прогибу;

- при σoi ≤ σу возникают пластические деформации, связанные с появлением микротрещин, т.е. предел упругости ДСВКМ не может характеризовать длительную прочность этого материала.

Было установлено (рис. 5), что ординаты точек перегиба на этих кривых практически совпадают с величиной полного упругого прогиба, что при фиксированном времени появления этих точек позволило предложить методику определения пределов длительного сопротивления - σпдс и длительного секущего модуля деформаций - Едлсек на заданный срок эксплуатации 15⋅103 сут или 40 лет, а также соответствующих коэффициентов - длительности - Кдл и длительного деформационного - nдл. При этом использовались высокоточные аппроксимирующие функции и ЭВМ.

Установлено, что значение предела длительного сопротивления (σпдс) совпадает с пределом пропорциональности (σпц). При действии воды он тоже одного порядка, поэтому можно считать это совпадение установившимся фактом.

pic

Рис. 5. Кривые ползучести образцов-балок из ДСВКМ, помещенных в воду

Результаты

Предложенный метод открывает большие перспективы потому, что если такое совпадение будет подтверждено для других материалов, то можно отказаться от трудоемких испытаний на ползучесть.

Все проведенные исследования позволили предложить производственные составы ДСВКМ и внести изменения в ТУ и регламенты производства шпал.

pic

Рис. 6. Упрощенная схема деформирования ДСВКМ под действием постоянной изгибающей нагрузки (постоянного напряжения)

Следует указать, что применение новых технологических приемов, в частности использование защитных решеток, удерживающих заполнитель от всплытия и фиксирующих положение и толщину защитной оболочки из СВКМ, а также применение нового узла крепления рельсов к шпалам (усилие выдергиванию шпильки с гайкой более 70 кН) и другие факторы, сделали возможным установку предложенных шпал на полигонные испытания на экспериментальном кольце ВНИИЖТ МПС и на предприятиях Липецкой области, а также подрельсовых подкладочных плит из СВКМ на Ст. Оскольском ОЭМК.

Можно обратить внимание на то, что наши разработки позволили улучшить значения характеристик ДСВКМ за счет уменьшения содержания смолы ФАМ -21,2 кг против 33,5 кг, уменьшения содержания песка 75,9 кг против 48,4 кг, применения трех слоев стеклосетки, что увеличило трещиностойкость шпал.

Все это одновременно с применением гидрофобизирующих добавок - Гр и ПО, и растворов позволило получить удовлетворительные результаты, что зафиксировано соответствующими актами о полигонных испытаниях шпал.

Вывод

Можно однозначно сказать, что все причины разрушения шпал из классических материалов устраняются при применении ДСВКМ, что делает этот материал весьма перспективным.

Шпалы и другие изделия транспортного строительства из разработанных водостойких долговечных ДСВКМ находят свою достаточно емкую нишу на рынке сбыта в таких сферах их применения, как лесовозный транспорт, цеховые большегрузные линии малой длины, подъездные пути с большим количеством стрелочных переводов и кривых малого радиуса, для переездов и платформ.

Накопление опытного материала, обобщение результатов полигонных испытаний, применение автоматизированных технологий приведет к тому, что этот новый композит будет востребован, тем более, что сегодня в области материаловедения и строительных конструкций, железнодорожных путей лесовозного транспорта работы идут очень интенсивно.

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 железо-бетонными).

Список литературы

  1. Конструирование, изготовление и внедрение элементов конструкций из композиционных материалов для лесовозных дорог и лесных машин / В.И. Харчевников, Т.Н. Стородубцева, В.Б. Огарков и др. // Отчет по науч.-исслед. работе, № госрегистр. 01.960.010578. - Воронеж: Воронеж. гос. лесотехн. акад., 1999. - 86 с.
  2. Харчевников В.И. Защита днищ электролизеров и межванной оцинковки стекловолокнистым полимербетоном (СВПБ): Информ. листок // ЦНТИ. - Воронеж. - 1998. - № 61. - 21 с.
  3. Древесностекловолокнистый композиционный материал (ДСВКМ) для узкоколейных и общего назначения железных дорог / Т.Н. Стородубцева, В.И. Харчевников, О.И. Чинарева, О.В. Вишнякова. - Воронеж: ВГЛТА, 1995. - 9 с. - Деп. в ВИНИТИ 10.08.95, № 2424-В95.
  4. Композиционные шпалы на основе отходов древесины и стекловолокна для железных дорог / В.И. Харчевников, Т.Н. Стородубцева, В.Б. Огарков и др.: отчет о НИР № 101/93. - Воронеж, 1993. - № госрегистр. 01.9.40000192. - 43 с.
  5. Использование полинома третьей степени при проектировании оптимального состава полимербетона ФАМ / Т.Н. Стородубцева, В.И. Харчевников, С.В. Назаров и др. - Воронеж, 1989. - 10 с. - Деп. в ВНИИС 4.02.89, № 9224; Опубл. 1.04.89, БУДР Вып. 4.
  6. Использование полиномов третьей степени для описания зависимостей физико-механических характеристик стекловолокнистых полимербетонов от длины волокон / Т.Н. Стородубцева, В.И. Харчевников, Л.Н. Стадник и др. - Воронеж, 1989.- 9 с.- Деп. в ВНИИС 4.02.89, № 9225; Опубл. 1.04.89, БУДР Вып. 4.
  7. Харчевников В.И. К вопросу развития теории искусственных строительных конгломератов // Изв. Вузов. Строительство и архитектура.- Новосибирск, 1989.- № 1.- С. 48-51.
  8. Баженов Ю.М. Компьютерное материаловедение строительных композитов с трещинами и порами / Ю.М. Баженов, В.А. Воробьев, А.В. Илюхин // Изв. вузов. Строит. - 2001.- № 11. - С. 37-43.

Библиографическая ссылка

Стородубцева Т.Н., Стородубцев С.А., Федянина Н.В. К ВОПРОСУ ПОВЫШЕНИЯ ПРОЧНОСТИ ДРЕВЕСНО-СТЕКЛОВОЛОКНИСТОГО КОМПОЗИЦИОННОГО МАТЕРИАЛА // Современные наукоемкие технологии. – 2011. – № 4. – С. 51-57;
URL: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=28074 (дата обращения: 06.12.2022).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074