автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Древесностекловолокнистый композиционный материал с заданными свойствами для шпал различного назначения

^ч На правах рукописи

ЗОБОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ

ДРЕВЕСНОСТЕКЛОВОЛОКНИСТЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ШПАЛ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

05.23.05- Строительные материалы и изделия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Воронеж - 1997

Работа выполнена на кафедре сопротивления материалов и теоретической механики

Воронежской государственной лесотехнической академии

Научный руководитель - действительный член РАЕН и ЖКА,

доктор технических наук, профессор В.И. Харчевников

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

Ведущая организация - Всероссийский научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, отделение полимерных материалов и защиты от коррозии, г. Москва

Защита диссертации состоится 19 декабря 1997 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д. 063.79.01 Воронежской государственной архитектурно-строительной академии по адресу: 394680, Воронеж, ул. 20-летия Октября, 84, ауд. 20, корпус 3.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии.

Автореферат разослан" Со« коя 1997 г. Просим Вас принять участие в заседании совета и направить свой заверенный отзыв на автореферат в двух экземплярах в секретариат совета по указанному адресу. Ученый секретарь диссертационного совета

профессор Ю.Б. Потапов

кандидат технических наук, доцент В.И. Шубин

В.В. Власов

. 3

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации определяет сложившаяся в РФ ситуация: во-первых, с точки зрения экологии и экономики, не только целесообразно, но и необходимо использовать отходы лесной и деревообрабатывающей промышленности, а также сельского хозяйства в производстве фурфуролацетоно-вой смолы - наиболее дешевого полимерного связующего коррозионностойких конструкционных материалов; во-вторых, возникла острая необходимость разработки композита, способного стать альтернативным дереву и железобетону для шпал и брусьев общего назначения и лесовозных железных дорог, а также трамвайных путей.

Обоснованность первого положения заключается в том, что при производстве пиломатериалов, заготовке леса и раскряжевке древесины на нижних складах леспромхозов, в цехах деревообработки образуются отходы, содержащие высококачественную массу древесины, пригодную для использования в композиционных материалах.

Второе положение обосновано тем, что практически не осталось сырьевой базы для изготовления деревянных шпал - высокосортного леса в возрасте 80...100 лет, вырубка которого затруднена из-за удаленности лесосек, что увеличивает их себестоимость. Использование железобетона, решая проблему, дефицита деревянных шпал, ведет к большим экологическим и экономическим потерям из-за недостатков этого материала - большой массы, электропроводности, хрупкости и, главное, жесткости, приводящей к разрушению ходовой части подвижного состава и вредящей здоровью людей.

Серьезность проблемы настолько велика, что в марте с.г. в МПС РФ состоялось совещание по поводу создания композиционных шпал, на котором, как один из вариантов, рассматривалась возможность стендовых и эксплуатационных испытаний и производства шпал из древесностекловолокнистого композиционного материала (ДСВКМ), созданного в ВГДТА.

Представленная работа выполнялась в соответствии с планом НИР Всерос сийского научно-исследовательского института железнодорожного транспорт (ВНИИЖТ) МПС РФ, а также по заказу Управления автомобильных доро (УАД) при администрации Липецкой области (тема 68 / 95 "Разработка спещ1 альных узлов, технологической линии по отливке элементов дорожного строи тельства, подготовке компонентов композиционных материалов и проведени их эксплуатационных испытаний"), заинтересованного в производстве элемеь тов строительных конструкций из ДСВКМ.

Целью исследований, изложенных в диссертации, является разработка.сс става ДСВКМ с заданными свойствами с учетом долговечности и применение современной компьютерной системы, а также выдача рекомендаций для соо-ветствующих нормативных документов.

При этом решались следующие конкретные задачи исследования:

- оценить результаты экспериментальных исследований влияния разли1 ных компонентов ДСВКМ на его механические свойства, опыт отливки желе нодорожных шпал, их экологическую безопасность и экономическую эффе] тивностъ с позиций заданных ВНИИЖТ МПС характеристик;

- используя экспериментальные данные и современные программнь средства обработки создать математическую модель проектирования теоретич ских составов ДСВКМ с заданными свойствами;

- получить статистически обоснованные физико-механические характер стики ДСВКМ выбранного состава и сравнить их с теоретическими и заданш ми;

- разработать практическую методику определения пределов пропорцц нальности и упругости композиционных материалов с применением ЭВМ;

- изучить водостойкость ДСВКМ и получить с помощью компьютер» техники функции, отражающие зависимости коэффициента стойкости от Bf мени экспозиции;

5 Г .

- предложить использовать результаты диссертации в технических условиях на отливку шпал различного назначения из ДСВКМ.

Научная новизна и отличительные особенности результатов, полученных в диссертационной работе лично автором, вносят вклад в теорию и практику создания композиционных материалов на основе полимеров и состоят в следующем:

- получение новых экспериментальных результатов в изучении свойств ДСВКМ, влияющих на его долговечность и технологичность;

- построение математической модели проектирования теоретических составов ДСВКМ с заданными свойствами;

- разработка практической методики определения пределов пропорциональности и упругости композиционных материалов;

- получение с помощью ЭВМ функций, отражающих зависимости коэффициента стойкости от времени выдержки ДСВКМ в воде.

Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждены:

- проведением большого комплекса экспериментальных исследований;

- применением методов математической статистики;

- положительными актами стендовых и эксплуатационных испытаний железнодорожных шпал;

- утвержденными техническими условиями и гигиешкеским сертификатом на производство шпал из ДСВКМ.

Практическая значимость и реализация работы заключается в:

- внесении ее результатов в ТУ 5340-001-02068097-% "Шпалы для железнодорожных, трамвайных и лесовозных путей на полимерной основу";

- эксплуатационными испытаниями шпал на 36-ом железнодорожном пути Елецкой дистанции пути ЮВЖД;

- использовании разработанного материала в учебном процессе по курсу "Сопротивление материалов" в ВГДТА.

:У 6

На защиту выносятся:

- результаты проектирования состава ДСВКМ с заданными свойствами с применением математического моделирования;

- результаты исследований влияния вводимых компонентов на прочностные и упругие свойства материалов;

- методика определения пределов пропорциональности и упругости композиционных материалов;

- новые функции, описывающие зависимости коэффициента стойкости

ДСВКМ от времени экспозиции в воде.

Апробация работы. Научные положения и результаты исследований докладывались на научно-технических, конференциях, по итогам НИР в Воронежской государственной лесотехнической, академии (1995, 1996, 1997 гг.), на всероссийских. научно-практических конференциях: "Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров" и "Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктового) лесопользования" - Воронеж (1994, 1995 гг. ); на международных научно-технических конференциях: "Современные проблемы строительного материаловедения" - Самара (1995 г.), Казань (1996 г.); на конференции профессорско-преподавательского состава Воронежской государственной архитектурно-строительной академии (1997 г.), на Всероссийской научной конференции "Современные методы подготовки специалистов и совершенствование средств наземного обеспечения авиации" в ВВВАИУ (1997 г.), на региональной конференции-выставке "Реализация научно-технических программ" - Воронеж (1996 г.), выставке "Строительство. Архитектура. Дизайн" - Липецк (1996 г.).

Публикации. Основные выводы диссертационных исследований нашли отражение в 11 публикациях автора и ТУ 5340-001-02068097-96.

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав,

основных выводов, списка литературы и приложений. Объем работы 158 страниц текста, 30 рисунков, 4 приложения, список литературы из 112 наименований.

Содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы, цель и задачи диссертационных исследований, перечисляются вопросы, выносимые на защиту, отмечаются новизна работы и ее практическое значение.

В первой главе рассмотрены работы различных авторов, исследовавших композиционные материалы (КМ), содержащие в своем составе древесину в виде заполнителя, хаотически или условно ориентировано армирующего матрицы на различных вяжущих и, в особенности, полученных на основе отходов древесины. Анализ данных публикаций позволил сделать следующие выводы.

Соединение в КМ минеральных вяжущих и отходов древесины не приводит к созданию высокопрочных долговечных композитов. Данные вяжущие склонны насыщаться водой, что разрушает древесину (гниение), а также адгезионные связи в зоне контакта матрица - древесина из-за выделения древесиной веществ, агрессивных по отношению к вяжущим. Но анализ работ показал, что прочность при изгибе КМ, содержащих армирующий древесный заполнитель, увеличивается, повышается также и жесткость материала в целом.

Известные КМ на основе полимерных вяжущих привлекательны тем, что в них используются отходы лесопромышленного комплекса, но они практически не применяются в несущих конструкциях, т.к. не обеспечиваются необходимая изгибная прочность и жесткость. Кроме этого, низки показатели водо-, тепло-, и атмосферостойкости. Интересен отечественный и зарубежный опыт изготовления шпал из этих материалов, хотя сведения о технологии их изготовления и свойствах крайне скудны.

Из анализа рассмотренных сведений сформулированы цель и задачи диссертационных исследовании.

8 V

Во второй главе приведены основные характеристики материалов, используемых в диссертационных исследованиях, а именно фурановой смолы ФАМ, отвердителя - бензолсульфокислоты (БСК), ее модификаторов - хлорида свинца и глицерина - ЗРК (замедлителя реакции кристаллизации); минеральных наполнителей и заполнителей — кварцевого песка, андезитовой и графитовой муки; армирующих заполнителей - древесной щепы и стеклосетки. Рассмотрены свойства данных материалов, структура и химический состав древесины, объемы отходов лесопромышленного комплекса. Приведены методы получения фу-рановых олигомеров из отходов древесины. Рассмотрены методы кратковременных испытаний КМ на растяжение, сжатие, изгиб. Дано обоснование использования полинома третьей степени при представлении экспериментальных данных.

Третья глава посвящена экспериментальным исследованиям по получению состава ДСВКМ, отвечающего заданным ВНИИЖТ МПС РФ характеристикам: стсж- 6.0 МПа; ощ - 15...20 МПа;

Есж —0.8...1.0х104 МПа; Ещ,- 1.0...1.2х104МПа.

Логические связи, которым следовали, при создании ДСВКМ показаны на структурной схеме, представленной на рис, 1.

Было изучено влияние каждого модифицирующего (графита, хлорида свинца и замедлителя реакции кристаллизации, (ЗРК) бензолсульфокислоты) и армирующего (древесной щепы и стеклосетки) компонента в отдельности, вводя его в базовый состав матрицы - полимерного раствора на ФАМ: ФАМ - 6.0; БСК - 1.0; песок - 12.7; андезит или, при его отсутствии молотый песок - 3.8 м.ч. на величины пределов прочности и модулей упругости при "чистом изгибе" и сжатии, а также предельной растяжимости.

Выявлено, что в подавляющем большинстве случаев экспериментальные данные могут быть представлены полиномами третьей степени, что подтверждается минимальными значениями сумм квадратов разностей отклонений.

При этом получили физический смысл свободные члены полиномов и вид кривых (рис.2), отражающих суть процессов формирования оптимальной стру!^ту-ры композиционных материалов при введении в состав различных компонентов.

Композиционный материал (ДСВКМ)

I

3

Основные конструкционные и технологические требования к материалу

I

Ар

мирующие материалы

ё

о о

£

с

£

3 а

11 61

Компоненты базового

состава матрицы КМ +

* Я

» е

Р §•=»

Я ЕГ X Я

и о,

= Ь

ЬЙ 03

о г и _

а

X 31 « Й 2 я

2 О.

Еь*

х х е

I В §

а га Ц

Исследования компонентов с позиций фиэико-химии и долговечности КМ

а §

а а

X

ОтЧ Ьй Й,о « 5> а

н- п ^

иг

Формулировка основных принципов структурообразования композиционного материала

I

Проектирование состава КМ с применением ЭВМ

т

Получение нормативных физико-механических характеристик КМ

I

Создание ТУ, технологического регламента и опытного цеха по отливке шпал

I

Стендовые и эксплуатационные испытания шпал

Рис. 1. Структурная схема создания ДСВКМ

Рис.2. Зависимости предела прочности при "чистом изгибе" от количества каждого компонента в базовом составе полимерной матрицы

Были определены границы зон благоприятных свойств всех видов КМ, полученных в результате введения выше названных компонентов в состав полимерной матрицы (табл, 1).

Таблица 1.

Сводная таблица максимальных значений физико-механических характеристик композиционных материалов и соответствующих

Компонент Предел прочности, МПа Модуль упругости, 104МПа Предельная

чистый изгиб, сжатие, чистый изгиб, сжатие, растяжимости

СТчи Сеж Ечи Ее* е0, %

Графит 6.0 4.3 6.0 43 53

31.9 93.4 2.61 1.49 0.63

Стеклосетка 3.7 2.8 3.6 33 3.6

38.6 67.7 1.42 1.54 0.56 ,

Древесная 19.8 17.2 24.2 19.7 173

щепа 22.4 36.5 1.47 1.27 0.50

Хлорид 4.5 3.7 43 4.0 0.75

свинца 22.8 90.9 1.94 1.44 0.46 .

ставе полимерной мастики, в%по массе; в знаменателе - значение физико-механической характеристики.

*

?. 11

Выявлено, что введение в базовый состав полимерной матрицы графитовой муки в небольших количествах повышает прочностные и упругие характеристики наполнешюго КМ. Увеличение его содержания в смеси приводит как бы к "смазке" частиц структуры, что вызывает снижение величин характеристик с "расползанием" структуры отвержденного композита под нагрузкой. Такой вид разрушения наблюдается и при введении глицерина.

Отказ от применения названных компонентов нежелателен: т.к. графит сильно повышает водостойкость, а глицерин совершенствует технологический процесс отливки шпал из ДСВКМ, и, возможно, связывает фенол, выделяющийся из свободной БСК, при ее обводнении.

Применение хлорида свинца также проблематично. С одной стороны, он связывает БСК в солевые комплексы, но, с другой стороны, при постоянном нахождении в воде, по данным СЭС г. Воронежа, выделяет соединения свинца.

Однако этот вид испытаний не соответствует реальным условиям эксплуатации железнодорожных шпал, которые не находятся постоянно в воде, а лишь периодически смачиваются при попадании дождя или снега.

Роль армирующего заполнителя - щепы из древесины сосны с длиной элементов 100...210 мм и условной площадью поперечного сечения 6 см2 заключается в повышении изгибной прочности ДСВКМ. Необходимость ее высушивания до влажности 7...8 % связана с желанием снизить массу железнодорожной шпалы и обеспечить ее пропитку смолой ФАМ, который проникая в поры древесины в процессе отливки, затем отверждаегся в ней, защищая ее от гниения.

Стеклосетка повышает прочность композиционного материала, но введение ее в состав ДСВКМ в больших количествах нецелесообразно, т.к. функциональная роль стеклосетки заключается в повышении величины предельной растяжимости и трещиностойкости наружных слоев, а стоимость велика.

Таким образом, проведенные исследования показали, что каждый из вводимых компонентов в разработанном ДСВКМ выполняет свою функциональ-

ную роль.

Вместе с тем, в реальный ДСВКМ компоненты вводятся одновременно, т.е. возможны синергетические эффекты и, что самое главное, материал должен обладать комплексом заданных свойств.

С целью проектирования состава исследуемого композиционного материала сформулирована математическая модель, включающая 6 уравнений линейной регрессии и систему неравенств, отражающих специальные требования технологии производства и эксплуатации железнодорожных шпал.

Уравнения регрессии построены на основе матрицы плана эксперимента

j(i=l,...,62, j=l,...,ll,Xl1 = 1)(62 опыта с различными значениями входных

параметров). Соответствующие векторы измерений rj, = |сти,Ёв,о'сж,Ё<;з>.,ср,Ксгт|

(i=l,...,6) представляют собой результат статистической обработки серии экспериментов в каждом опыте. Зависимость между входными и выходным» параметрами имеет вид:

V, (х) = <9,0 + ¿>,Л + 9,гхг+—+в,\охт, 0)

где 0- (i=l,...,6) — коэффициенты линейной регрессии, определяемые методом

наименьших квадратов.

Поиск оптимальных составов ДСВКМ, поддерживающих на заданном уровне его физико-механические характеристики и удовлетворяющих системе ограничений

х1 + х2+... + х9= 100, 5 < а™ £ 24 (МПа),

-1 < х; < 1, i = 1...9, 10< 5сж^20(МПа),

0 < х6 < 0.5, 1.0x104 < Ё,ш<1.2х104 (МПа),

х10 > 10, 1.0х104 < 1СЖ< 1.2x104 (МПа),

0.45 < Кст < 0.62, 0.4 < ёр < 0.5 (%),

проведен методом Ньютона с использованием электронных таблиц EXCEL 7.0.

13 V .

Полученные составы ДСВКМ, наиболее удовлетворяющие заданным требованиям, приведены в табл. 2, а соответствующие им механические характеристики указаны в табл. 3.

Таблица 2

Теоретические составы ДСВКМ, полученные методом математического моделирования

Компоненты Возможные составы ДСВКМ, % по массе

1 2 3 4 Г 5 6

Смола ФАМ 19.2 19.2 19.2 19.3 19.2 19.2

БСК 3.9 3.9 3.9 4.3 4.1 4.1

Глицерин 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3 0.3

Песок 34.4 30.1 33.3 40.1 38.5 38.7

ПМ (андезит) 14.9 18.8 16.0 12.1 12.1 12.1

Графит 4.7 4.3 4.6 5.6 4.5 4.7

Хлорид свинца 0.1 0.1 - - 0.1 0.1

Стеклосетка 0.5 0.5 0.5 0.5 0.4 0.5

Древесная щепа 22.0 22.8 22.2 17.8 20.8 20.3

Длина древесной

щепы, см 10.0 11.7 10.0 12.3 14.0 16.0

Итого: 100 100 100 100 100 100

Таблица 3

Физико-механические характеристики ДСВКМ

Показатели физико-механических характеристик Значения характеристик для выбранных составов (табл.2)

1 2 3 4 5 6

Предел прочности при:

"чистом изгибе", МПа 22.0 22.3 22.0 18.3 18.5 19.1

сжатии, МПа 20.0 18.9 20.0 20.0 19.8 20.0

Модуль упругости при:

"чистом изгибе" -104, МПа 1.2 1.2 1.2 1.0 1.0 1.0

сжатии - 104,МПа 0.9 0.9 0.9 1.0 0.9 1.0

Предельная растяжимость,% 0.40 0.43 0.45 0.42 0.37 0.39

Коэффициент стойкости, % 0.6 0.56 0.6 0.61 0.5 0.6

Для получения статистически обоснованных физико-механических характеристик ДСВКМ был выбран состав 3.

В четвертой главе описана предложенная практическая методика определения нагрузок, соответствующих пределам пропорциональности и упругости КМ, обладающих этими свойствами.

Суть ее заключается в следующем; прикладываем нагрузку Б по схеме "чистого изгиба", например, ступенчато и, выдерживая ее определенное время (3 мин.) без увеличения, по шкале силоизмерителя следим за возможным падением нагрузки АР. Было обнаружено, что на начальных ступенях нагружения падения ее не происходит. Считаем, что здесь нагружение происходит в пределах действия закона Р. Гука, т.е. нагрузка не превышает величину силы, соответствующей пределу пропорциональности.

Затем при некоторой нагрузке силоизмеритель начинает фиксировать ее спад. На нескольких ступенях нагружения и выдержки величины ДО будут пропорциональны соответствующей нагрузке и тогда на графике АР - Р через эти экспериментальные точки можно провести аппроксимирующую прямую, уравнение которой получаем с помощью метода наименьших квадратов и которая пересекаясь с осью абсцисс фиксирует величину нагрузки, соответствующую пределу пропорциональности.

Нагрузку, соответствующую пределу упругости, можно зафиксировать, продолжая ступенчатое нагружение с выдержкой на каждой ступени. При определенных нагрузках ДБ перестает быть пропорциональной Р. Через три-четыре точки на графике можно провести некоторую осредняющую прямую, уравнение которой может быть получено тем же методом. Точка ее пересечения с первой наклонной прямой, спроектированная на ось абсцисс (совместное решение двух выше названных уравнений), зафиксирует величину нагрузки, соответствующую пределу упругости КМ.

Далее приведены доводы в пользу того, что значение предела пропорциональности для КМ можно сравнить с значением предела текучести для частичных материалов, так как после достижения этих пределов в обоих случаях

. 15

происходит перестройка их структуры на молекулярном уровне.

Были определены эти характеристики ДСВКМ принятого состава. В частности, значение коэффициента пропорциональности - отношение предела пропорциональности к пределу прочности для случая "чистого изгиба", равно 0.48.

В главе приведены результаты исследований различных видов крепления рельсов к шпалам (костыльное, шурупное) и, на основе используемых болтовых креплений (КБ) для железнодорожных шпал предложен новый вариант болтового крепления, принятый для стендовых испытаний в ВНИИЖТ МПС РФ. Получены статистически обоснованные физико-механнческие нормативные характеристики выбранного состава ДСВКМ (табл. 4), которые сравнивали с заданными ВНИИЖТ МПС и теоретическими (табл. 5).

Таблица 5

Экспериментальные, теоретические и заданные ВНИИЖТ физико-механические характеристики ДСВКМ

Показатели физико-механических Значения характеристик

характеристик заданные ВНИИЖТ теоретические экспериментальные

Предел прочности при: "чистом изгибе", МПа 15-20 19.1 21.5

сжатии, МПа 6.0 20.0 17.4

Модуль упругости при: "чистом изгибе" -104, МПа 0.8-1.0 1.0 1.0

сжатии • 104,МПа 1.0-1.2 1.0 0.99

Предельная растяжимость,% Средняя плотность, г/см3 0.9-1.2 0.39 0.48 1.2

Сравнение подтвердило применимость разработанной модели при проектировании составов композиционных материалов. Расхождение между ними составляет 13... 15 % , что можно считать удовлетворительным для пределов прочности при "чистом изгибе", сжатии и предельной растяжимости. Модули упругости практически совпали.

Таблица 4

Нормативные физико-механические характеристики ДСВКМ принятого состава_

Характеристика среднее Значение основное отклонение основная ошибка среднего значения коэфф. вариации показатель точности опыта коэфф. однород ности мера крутости мера косости критерий согласия Пирсона Нормативная характеристика

Предел прочности, МПа: сжатие растяжение "чистый изгиб" 17.4 9,0 21.5 1,63 1,19 2,29 0,31 0,23 0,44 0,09 0,13 0,11 1,80 2,54 2,05 0,85 0,78 0,83 -0,39 -0,48 -0,51 -0,06 -0,08 -0,01 0,99 0,98 0,99 14.7 7,1 17.8

Модуль упругости, 103 МПа: сжатие растяжение "чистый изгиб" 9,9 6,4 10,1 0,45 0,24 -1,20 0,09 0,05 0,23 0,05 0,04 0,12 0,89 0,71 2,29 0,92 0,94 0,80 -0,50 -0,65 -0,65 0,02 -0,07 -0,04 0,99 0,98 0,99 9,1 6,0 8,1

Предельная сжимаемость, % 0,44 0,05 0,01 0,11 2,02 0,83 -0,43 0,001 0,99 0,36

Предельная растяжимость, % -0,49 0,05 0,01 0,09 1,79 0,85 -0,43 -0,11 0,99 0,41

Предел пропорциональности при "чистом йзгибе", МПа 11,1 1,20 0,23 0,12 2,29 0,80 -0,65 -0,04 0,98 8,1

Предел упругости при "чистом изгибе", МПа 18,1 2,91 0,56 0,16 3,10 0,73 -0,72 0,05 0,97 13,3

Пятая глава посвящена, исследованию долговечности ДСВКМ в водной среде.

Опыты по определению зависимости коэффициента стойкости от времени проводились для образцов (балок), помещавшихся в емкости с водопроводной водой комнатной температуры. Для каждого интервала выдержки испытывали три образца. Коэффициент стойкости вычислялся как среднее арифметическое значение отношений предела прочности на момент испытаний, трех образцов к первоначальной. Всего было испытано 36 образцов в 12 временных точках.

Данные эксперимента представлены на рнс. 3. Были получены новые аппроксимирующие функции, из них. лучшее приближение к опытным значениям дают следующие зависимости:

Сумма квадратов отклонений для функций. (2-4) от данных эксперимента составляет соответственно 0.016, 0.013, 0.011. Следует отметить, что функциональные зависимости, известные из работ других авторов, имеют точность на порядок ниже, чем (2-4) как для исследованных этими авторами комяозитов на основе фурановых смол, так и для ДСВКМ.

На рис. 2 представлены ломаная линия, соединяющая экспериментальные точки, и аппроксимирующая кривая, соответствующая уравнению 4. Минимальный коэффициент стойкости равен я 0,51.

Экспериментальные данные подтверждают гипотезу о том, что в условиях взаимодействия КМ с химически неагрессивной жидкостью (в нашем случае наполненной полимерной матрицы ДСВКМ с водой) в начальный период проникновения воды вглубь образца « 200 сут., коэффициент стойкости близок по значению к коэффициенту пропорциональности, который равен « 0.48.

(2)

К„ = 0.935 - 0.0051 +1.18 ■ ЮЧ2 К„ = ехр(-0.059 - 0.0061 +1.43 • Ю'Ч2)

(3)

(4)

Следовательно, в рассматриваемом временном интервале разрыва связей на молекулярном уровне не происходит. Дальнейшие снижение прочности возможно, вероятно, вследствие процессов старения, разбухания древесины, химического воздействия среды, появления микротрещин из-за различия коэффициентов термического расширения компонентов.

Рис. 3. Зависимости коэффициента стойкости от времени экспозиции в воде

В шестой главе разработан, новый, вариант технологии отливки шпал, и: ДСВКМ для железных дорог общего назначения, лесовозных, и трамвайных цу тей, имеющей существенные преимущества по сравнению с предлагавшей ранее (рис.4).

На основании проведенных исследований впервые разработаны технич« ские условия ТУ 5340-001-02068097-96 «Шпалы, для железнодорожных, трал вайных и лесовозных путей на полимерной основе», в которых учтены экот гические аспекты производства по отливке шпал, о чем свидетельствуют пол; ценные гигиенический сертификат и каталожный лист на эту продукцию.

Статические и эксплуатационные испытания железнодорожных шпал : ДСВКМ доказали пригодность его для элементов конструкций верхнего стрс

ния путей с позиций прочности и жесткости при принятых нагрузках и атмосферных воздействий холодных зим последних 3-х лет и жаркого лета 1996 года. За три года эксплуатации по уложенным шпалам из ДСВКМ перевезено более 106 млн-тн-бругга-км грузов.

Мойка песка

Сушка песка при 102°С

Сушка

андезнто-

вон муки

(молотого

песка)

при 102°С

Рассев песка по фракциям МК=2-2,5

Сушка графитовой

муки при 102°С

Копка и взвешивание БСК

X

Нарезка и колка щепы

Расплав БСК при 50-60°С

Взвешивание необходимого количества ФАМ

Взвешивание необходимого количества леска, андезитовой (молотого песка) и графитовой муки, хлорида свинца

I

Перемешивание в бетономешалке объемом 0,5 м3 1,5-2 мин

X

Перемешивание там же с ФАМ 2-3 мин

X

Отмер и нарезка сгеклосетки

Сушка щепы при 102°С

Охлаждение БСК до

35—42°С ♦

Взвешивание щепы

Введение ЗРК

Перемешивание там же с БСК 0,5 мин

X

Укладка сгеклосетки на дно формы

Укладка щепы в форму

X

Укладка сгеклосетки и решетки

Очистка и смазка формы . смесью отработанного масла и графитовой

муки *

Подготовка и установка.

нагелей (болтов)в форме

"Т"

Заливка смеси полимерраствора в форму, вибрирование 1-1,5 мин

Установка в камеру и прогрев Снятие решетки, укладка

при 60-70°С 10-12ч крышки, вибрирование 1-1,5 мин

♦

Охлаждение до 20°С Выемка шпалы

и складирование

Рис. Ч. Технологическая схема отливки шпал из ДСВКМ

Проведены расчеты полных затрат по содержанию трех видов железнодорожных шпал. Стоимость шпал из ДСВКМ сравнима со стоимостью деревянных и железобетонных с учетом эксплуатационных затрат.

20

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Рассмотрение свойств композиционных материалов на различных вяжущих, содержащих древесный заполнитель, позволило сделать заключение, что только термореактивные смолы и, в частности, смола ФАМ, наилучшим образом способна защитить древесину от действия воды, вызывающей ее гниение и

I

набухание, приводящих к разрушению конструкции.

2. Исследовано влияние компонентов древесносгекловолокнистого композиционного материала (ДСВКМ) - графитовой муки, хлорида свинца, стекло-сетки, древесной щепы и замедлителя реакции кристаллизации БСК на прочностные и упругие свойства его матрицы базового состава - полимерраствора на смоле ФАМ, выявлены "зоны благоприятных свойств" и произведено сопоставление полученных и заданных физико-механических характеристик.

3. Разработана математическая модель, позволяющая, благодаря применению современной вычислительной техники и использованию экспериментальных данных, проектировать теоретические составы композиционных материалов с заданными свойствами, в том числе ДСВКМ.

4. Получены статистически обоснованные физико-механические нормативные характеристики выбранного состава ДСВКМ, которые удовлетворяют заданию ВНИИЖТ МПС РФ. Сравнение их с теоретическими подтвердило применимость разработанной математической модели.

5.Разработана практическая методика определения пределов пропорциональности и упругости композиционных материалов, обладающих этими свойствами, и определены эти характеристики ДСВКМ принятого состава.

6. Исследована зависимость прочностных характеристик ДСВКМ от времени экспозиции в воде. Получены с применением ЭВМ функции, которые лучше, чем ранее принятые, описывают указанную зависимость. Коэффициент стойкости равен 0,51 и численно близок коэффициенту пропорциональности, равному 0,48.

-V . 21

7. Улучшена технология отливки шпал из ДСВКМ, которая как и другие результаты представленной работы вошла в ТУ 5340- 001-02068097-% «Шпалы для железнодорожных, трамвайных и лесовозных путей на полимерной основе». Получены гигиенический сертификат и каталожный лист на их производство, что подтверждает экологическую безопасность разработанного композиционного материала.

8. Шпалы га ДСВКМ прошли статические и эксплуатационные испытания, на что получены соответствующие акты. За три года испытаний на 36-м железнодорожном пути Елецкой дистанции пути через звено, содержащее 15 шпал из ДСВКМ, перевезено более 106 млн.-тн-брутго-км грузов.

9. Экономические расчеты показывают, что стоимость шпал из ДСВКМ сравнима со стоимостью деревяшшх и железобетонных с учетом эксплуатационных затрат.

Основные положения диссерт ации отражены в следующих публикациях:

1. Харчевников В.И., Стадник Л.Н., Плужшпсова О.П., Зобов С.Ю., Сторо-дубцева Т.Н. Стекловолокнистые полимербетоны из древесных отходов. // Лесная промышленность. -1993. -№ 3. - С, 19.

2. Харчевников В. И., Плухсникова О Л, Стародубцева ТЛ_, Бухонов Ю.Н., Зобов С.Ю. Комплексное использование отходов древесины - задача времени. // Проблемы ресурсосберегающих и экологически чистых технологий на предприятиях лесного комплекса и подготовка лесоинженерных кадров: Материалы Всерос. науч.-практ. конф. - Воронеж, 1994,- С. 54-56.

3. Харчевников В.И., Зобов С.Ю., Бондарев Б.А. Новый композиционный материал для железнодорожных шпал. // Научно-технические достижения в области дорожных строительных материалов, строительства, реконструкции и искусственных сооружений: Тез. докл. науч. конф. - Липецк, 1995. - С. 25-26.

4. Харчевников В.И., Бондарев Б.А., Бухонов Ю.Н., Зобов С.Ю., Плужни-кова О.П. Древесностекловолокнистый полимербетон. // Современные проблемы строительного материаловедения: Материалы междунар. науч.-техн. конф. -Самара, 1995. - С. 24-27.

5. Харчевников В.И., Бондарев Б.А., Зобов С.Ю., Чинарева О.И. Разработка новых композиционных материалов — путь рационального использования древесных ресурсов. // Комплексная продуктивность лесов и организация многоцелевого (многопродуктового) лесопользования: Тез. докл. Всерос. конф. - Воронеж, 1995.- С. 190-192.

6. Харчевников ВН., Бондарев Б.А., Зобов С.Ю., Бухонов Ю.Н. Новый древесностекловолокнистый композиционный материал (ДСВКМ) для железнодорожных шпал. // Совремешше проблемы строительного материаловедения: Материалы междунар. науч.-техн. конф. - Казань, 1996. - С. 66-67.

7. Зобов С.Ю. Композиционные материалы, содержащие древесный заполнитель (анализ, перспективы применения в железнодорожных шпалах). - Воронеж, 1997. - 31 с. - Деп. в ВИНИТИ. № 3457-В96.

8. Харчевников В Л, Дорняк ОТ1., Зобов С.Ю.Т Бухонов ЮЛ. Коэффициент стойкости в воде древесностекловолокнистого композиционного материала для аэродромных, покрытий. // Совремешше методы подготовки специалистов и средств наземного обеспечения авиации. Всерос. науч. конф. - Воронеж: ВВВАИУ, 1997.-С. 313-315.

9. Харчевников В.И., Зобов С.Ю., Бухонов Ю.Н., Гапоненков A.B., Стародубцева Т.Н., Черников Э.А., Дорняк О.Р. Новый подход к расчету элементов конструкций из композиционных материалов с использованием предела пропорциональности. Монография. - Воронеж, 1997. - 54 с. Деп. в ВИНИТИ. № 1284-В97.

10. ТУ 5340-001-02068-97-96 Шпалы для железнодорожных, трамвайных и лесовозных путей на полимерной основе. Технические условия.

11. Харчевников В.И., Бондарев Б.А., Зобов С.Ю. Древесностекловолок-нистый композиционный материал. // Ресурсосберегающие и энергосберегающие технологии в производстве строительных материалов. Междунар. науч,-техн. конф. - Новосибирск: НГАС, 1997. - 2 с.

12. Харчевников В.И., Дорняк О.Р., Зобов С.Ю. Математическая модель проектирования состава древесностекловолокнистого композиционного материала. // Математическое моделирование, компьютерная оптимизация технологий, параметров оборудования и систем управления лесного комплекса: Сб. науч. тр./ Под ред. проф. B.C. Петровского - Воронеж: ВГЛТА, 1997 - 274 с.

ЗОБОВ СЕРГЕЙ ЮРЬЕВИЧ ДРЕВЕСНОСТЕКЛОВОЛОКНИСТЫ Й КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ С ЗАДАННЫМИ СВОЙСТВАМИ ДЛЯ ШПАЛ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

05.23.5. - СТРОИТЕЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ И ИЗДЕЛИЯ

Подписано в печать Заказ №

УОП ВГЛТА. 394613,

Тираж 100 экз. Объем 1 усл. п. л. г. Воронеж, ул. Тимирязева, 8.