автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Эпоксидный композиционный материал и его циклическая долговечность

На правах рукописи

Комаров Павел Валерьевич

ЭПОКСИДНЫЙ КОМПОЗИЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ И ЕГО ЦИКЛИЧЕСКАЯ ДОЛГОВЕЧНОСТЬ

Специальность 05.23.05 - «Строительные материалы и изделия»

I

I АВТОРЕФЕРАТ

I

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград 2003

Работа выполнена на кафедре «Строительные материалы» Липецкого государственного технического университета.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Бондарев Б.А.

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор Корнеев А. Д.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор, Ярцев В.П.

кандидат технических наук, Грушко В.А.

Ведущая организация:

ОАО ВоронежГипроДор НИИ (г. Воронеж)

Защита состоится 30 2003 года в ^ часов на заседании

диссертационного совета К212.026.02 при Волгоградской архитектурно-строительной академии по адресу: 400074, г. Волгоград, ул. Академическая , 1, ауд. В-207.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградской ГАСА. Автореферат разослан. 2<?а£густ 2003 г.

Отзывы на автореферат диссертации в 2-х экземплярах, заверенные печатью просим направлять по адресу:400074, г. Волгоград, ул. Академическая, 1, ученому секретарю к.т.н. Казначееву C.B.

Ученый секретарь

диссертационного совета К212.026.02

кандидат технических наук Казначеев C.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание новых агрессивно стойких и экономически эффективных строительных материалов, изделий и конструкций из них обеспечивает высокий уровень индустриализации и снижает трудоемкость возведения зданий и сооружений.

Полимерные композиционные материалы различных составов хорошо противостоят действию агрессивных сред и обладают высокой прочностью. Малая жесткость и большая деформативность полимерных композиционных материалов по сравнению с другими строительными материалами позволяют им оказывать сопротивление воздействию динамических нагрузок. Сравнительно небольшое время процесса отверждения полимерных композиционных материалов дает возможность использовать их в качестве материала для изготовления гальванических ванн, полов и опор травильных агрегатов, при проведении ремонта ответственных конструкций таких, как аэродромные и дорожные покрытия, а также сантехнического оборудования и т.п. Исследования последних лет свидетельствуют о том, что полимерные композиционные материалы можно эффектно использовать в мостостроении.

Более широкое применение полимерных композиционных материалов в значительной степени сдерживается сложностью прогнозирования характеристик их напряженно-деформированного состояния при циклических видах нагружения. Из-за малой изученности поведения полимерных композиционных материалов при такого рода загружениях. В настоящее время достаточно трудно прогнозировать долговечность полимерных композиционных материалов при статических видах загружения, а имеющиеся методы для материалов кристаллического строения и полимеров не всегда применимы к ним. Недостаточен теоретический и экспериментальный материал по оценке напряженно-деформированного состояния полимербетонов при длительном загружении. При длительном действии циклических нагрузок изменения структуры полимерных композиционных материалов происходят за счет локального саморазогрева в вершинах растущих субмикротрещин и

связанных с этим изменением упругогестерезистных свойств материала. При этом проявляется энергия усталости, когда одновременное многофакторное циклическое воздействие собственных и силовых напряжений приводит к эффекту, превышающему суммарное действие отдельных видов напряжений. И, если такие процессы достаточно изучены для древесины - природного полимерного материала, то для искусственных конгломератов, каким являются полимерные композиты, эти вопросы нуждаются в тщательном изучении.

В литературе имеются данные по выносливости фурфуролацетоновых и полиэфирных композиционных материалов. Сведения о выносливости эпоксидных композитов и их циклической долговечности разрозненны и противоречивы. Отсутствуют также нормативные документы по проектированию элементов конструкций из эпоксидных композиционных материалов с учетом усталости.

До настоящего времени нет статистически достоверных значений нормативных и расчетных сопротивлений усталости эпоксидных полимербетонов, а также коэффициента условий работ при циклическом воздействии нагрузок. Все вышеуказанное и определяет актуальность данной диссертационной работы.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов на основе циклических испытаний и уточнение их расчетных характеристик.

Задачи исследования. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ методов прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов на разных смолах и оценить их эффективность;

2. Провести экспериментальные исследования для установления зависимости циклической долговечности от структурообразующих факторов для эпоксидных полимерных композиционных материалов;

3. Разработать методику прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов по результатам циклических испытаний;

4. Выявить роль и место предела коэффициента пропорциональности в комплексе свойств эпоксидных композиционных материалов при циклическом воздействии нагрузок для определения расчетного сопротивления;

5. Уточнить расчетную характеристику коэффициента условия работы эпоксидного композиционного материала при циклическом напряжении.

Научная новизна работы определяется полученными результатами, основными из которых являются:

экспериментальные данные по выносливости при сжатии и изгибе эпоксидных композиционных материалов на основе смолы ЭД-20; количественные зависимости статической и циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов в зависимости от структурообразующих факторов; методика определения циклической долговечности с использованием предела пропорциональности;

расчетная характеристика коэффициента условия работы эпоксидных композиционных материалов при циклическом воздействии нагрузок.

Практическая значимость и реализация результатов. Разработана методика по определению циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов с учетом предела пропорциональности.

Разработаны рекомендации по проектированию составов эпоксидного композиционного материала с учетом циклической выносливости.

Установлена величина коэффициента условия работы эпоксидных композиционных материалов, позволяющая получить их расчетные характеристики.

Разработанный метод прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов был использован при разработке проекта по реконструкции путепровода на автомобильной дороге Орел - Ливны - Елец -

5

Липецк - Тамбов (район цемзавода) для обоснования срока службы элементов конструкции мостового полотна и пролетных строений. В процессе реконструкции была использована предложенная технология нанесения гидроизоляционной стяжки с применением полимерных композиций на эпоксидных связующих.

Результаты исследований использованы в учебном процессе специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» по дисциплинам «Долговечность конструкционных строительных материалов» и «Полимерные композитные материалы».

Апробация работы. Основные результаты были доложены на: научно-технической конференции, посвященной 45-летию ЛГТУ, Липецк, 2001; III Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», Тула, 2002; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного дорожного строительства и хозяйства», Вологда, 2002; научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», Брянск, 2002; научно-технической конференции, посвященной 30-летию НИС ЛГТУ, Липецк, 2003; научно-технической конференции «Структура и свойства искусственных конгломератов», Новосибирск, 2003; III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, 2003.

Достоверность научных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методик комплексных исследований образцов, подтверждается применением вероятностно-статистических методов обработки результатов испытаний; а также удовлетворительным совпадением некоторых результатов экспериментов с данными других авторов.

Личное участие автора заключается в составлении цели и содержании исследований, разработке метода прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов и в уточнении его расчетной характеристики

коэффициента условия работы при циклическом нагружении, а также во внедрении полученных результатов в строительную практику.

Публикации. Основные содержания работ опубликованы в семи статьях и монографии.

Объемы работ. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы из 162 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 143 страниц текста, 24 рисунка, 17 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель и задачи работы, а также ее основные положения. Приведены научная новизна, достоверность полученных результатов, практическое значение работы.

В первой главе приведен обзор современных представлений о влиянии частоты приложения нагрузки на величину предела выносливости, исследованию выносливости полимерных композиционных материалов, древесины, конструкционных композиционных материалов на скалывание при изгибе при постоянных температурно-влажностных условиях.

Исследованиям выносливости клееной древесины посвящены работы Ю.И. Никифорова, Н.Ф. Романенко, B.C. Мартышкина, Д. Мике, А.А.Позднякова, Ж.П. Остаповой, И.Д. Поспелова, A.C. Прокофьева, А.А.Сморчкова, В.А. Кабанова, C.B. Поветкина и др. Исследованиям работы полимербетонов и армополимербетонов под действием многократно приложенных нагрузок посвящены работы А.Б. Марцинчика, П.К. Чуйко,

A.М.Иванова, П.Г. Левченко, А.Е. Меднова, А.И. Чебаненко, Ю.Б. Потапова,

B.Д. Черкасова, Б.А. Бондарева, Д.Л. Богдановского и др. При этом исследовались в основном полимербетоны на фурфуролацетоновом связующем и полиэфирных смолах под действием циклических нагрузок. Из работ, посвященных исследованиям циклически нагруженных элементов бетонных и деревянных конструкций, известны исследования М.А. Фришмана, В.Ф. Рева,

7

В.И. Кулиша, Б.В. Накашидзе. Исследования по выносливости полимербетонов армированных стеклопластиковой арматурой приведены в работах Б.А.Бондарева, В.Ф. Набокова и д.р.

Анализ литературных источников показал, что несмотря на большой экспериментально-теоретический материал, посвященный выносливости полимерных композиционных материалов до настоящего времени не найдено единого подхода к определению её величины и величины циклической долговечности. Сведений о выносливости эпоксидных композиционных материалов и их циклической долговечности нет, что и определяет актуальность данной работы.

Во второй главе приведены характеристики и свойства применяемых материалов и описание методов исследования. Для изготовления образцов применялись полимерные смеси на основе эпоксидных смол. В качестве связующих использовали эпоксидную смолу ЭД-20 (ГОСТ 10587-84). Она представляет собой высоковязкую жидкость. Динамическая вязкость при температуре 25°С 12...25Па/с. Содержание эпоксидных групп составляет 19,3...22,0%. Время желатинизации с отвердителем не ниже 4...5 часов. Плотность смолы 1,16г/см3и температура вспышки 270°С. Для пластификации и снижения вязкости смолы использована бензол-толуол-ксиллольная фракция (БТКС) - промежуточный продукт при получении сырого бензола. Пластифицированная эпоксидная смола имеет плотность 1,23г/см3 и вязкость по В 3-4 180 секунд. Отверждение эпоксидной смолы ЭД-20 производилось полиэтиленполиамином (ПЭПА) СТУ 49-2529-62.

Для придания композиции прочности, деформативности и долговечности в её состав были введены заполнители: гранитный щебень, кварцевый песок и наполнитель - андезитовая мука.

Для испытания кратковременной и многократно приложенной нагрузки изготовлялись образцы размером 40x40x160 мм и 100x100x400 мм в виде призм, а также балки размером 40x80x1000 мм.

i I

При испытаниях на выносливость был принят режим асимметричного циклового загружения при различных коэффициентах асимметрии. При испытаниях на изгиб была принята наиболее часто применяемая схема загружения - двумя сосредоточенными силами.

Испытания на выносливость изгибаемых полимербетонных элементов производились с нагрузками, абсолютное значение которых составляли определенную долю от разрушающей кратковременной нагрузки, изменяющейся от балки к балке при неизменном для всей серии коэффициенте асимметрии цикла.

Испытания многократно приложенной нагрузки образцов-призм велись на гидропульсационной машине ГРМ-2А.

Подбор составов эпоксидных композиционных материалов проводился с помощью ортогонального центрального композиционного планирования. Все коэффициенты определялись независимо друг от друга.

Проверка воспроизводимости эксперимента проведена по критерию Кохрена. Проверка значимости коэффициента регрессии проводится по I-критерию Стьюдента. Проверка адекватности математической модели проводилась с помощью критерия Фишера. Для получения корреляционного уравнения в зоне выносливости использовалась методика, предложенная Н.С.Карпухиным. Для оценки значимости коэффициента корреляции, то есть проверки гипотезы о равенстве нулю генерального коэффициента вариации использовались преобразования Фишера.

В третьей главе приведены экспериментальные исследования эпоксидных композиционных материалов на действия статических нагрузок, установлены основные структурообразующие факторы, влияющие на их физико-механические свойства. Для определения статистически достоверных результатов при определении предела прочности при сжатии композиционных материалов на основе ЭД-20 подобрали 15 составов с различными значениями структурообразующих факторов.

К структурообразующему фактору относится прежде всего соотношение объемов полимера и наполнителя. От этого соотношения зависят не только структура эпоксидного связующего (микроструктура эпоксидного композиционного материала), но также технология. Количественно первый структурообразующий фактор выражен в виде отношения полимер-наполнитель (П/Н), вторым структурообразующим фактором, характеризующим макроструктуру эпоксидного композиционного материала является толщина полимеросвязующего слоя (д„). От этого фактора зависит чаще всего удобоукладываемость полимерных смесей. И третьим структурообразующим фактором является коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя (а). Он определяет оптимальное содержание песка (мелкого заполнителя) в общей смеси заполнителей. Коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя характеризует структуру минеральной смеси эпоксидного композиционного материала.

В процессе испытаний исследовалось влияние структурообразующих факторов (полимер-наполнитель, коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя, условная толщина полимеризующего слоя) на прочность композиционного материала.

В процессе исследований были установлены уровни и интервалы варьирования структурообразующих факторов, которые приведены в табл. 1.

Таблица 1

Уровни и интервалы варьирования структурообразующих факторов эпоксидных композиционных материалов

Структурообразующие факторы Нижний уровень Основной уровень Верхний уровень Интервал варьирования

П/Н 0,6 0,75 0,9 0,15

а 1,1 1,3 1,5 0,2

5„-10"6,м 25 75 125 50

После определения нижней границы структурообразующих факторов и интервалов их варьирования был составлен математический план проведения экспериментов. Он содержал все возможные комбинации вышеприведенных структурообразующих факторов, то есть соответствовал полному факторному эксперименту типа З3.

Зависимости предела прочности при сжатии эпоксидных композиционных материалов от структурообразующих факторов приведены на рис. 1. Математическая модель этой зависимости имеет следующий вид:

Кь,Ри1= -557,49+932,449-(ПУН)+454,864-а + 0,80078-6" - 0,089'(П/Н) 5° -

0,0668-а 8° - 636,84-(П/Н)2 - 169,95 (а)2 - 0,0039-(5°)2. (1)

----------теоретическая кривая , -экспериментальная кривая ,

Рис. 1. Зависимости предела прочности при сжатии эпоксидных композиционных материалов от структурообразующих факторов

Анализируя полученную математическую модель предела прочности при сжатии эпоксидных композиционных материалов от трех структурообразующих факторов, можно сделать следующий вывод. Предел прочности при сжатии эпоксидных композиционных материалов зависит в

основном от полимеротвердого отношения и коэффициента раздвижки зерен крупного наполнителя.

Для анализа влияния каждого структурообразующего фактора на физико-механические свойства эпоксидного композиционного материала отдельно проведена фиксация двух других структурообразующих факторов. В результате проведенных исследований установлен оптимальный состав эпоксидного композиционного материала со следующими структурообразующими факторами: полимеротвердое отношение ГОН = 0,75, коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя а = 1,3 и толщиной полимеросвязующего слоя 5о=75"10"6м.

В четвертой главе приведены экспериментальные исследования эпоксидных композиционных материалов на циклические воздействия нагрузок.

Выносливость эпоксидного композиционного материала определялась при величине коэффициента асимметрии цикла ^ _ <т„„ | равной 0,6. Значение

максимального напряжения цикла принималось от 0,62 И.в с постепенным понижением. Линия выносливости, полученная по результатам эксперимента, приведена на рис. 2. Предел выносливости составил 0,4511,,.

При испытаниях эпоксидного композиционного материала на выносливость велись измерения температуры саморазогрева. По результатам испытаний строились кривые температуры саморазогрева при различных коэффициентах асимметрии цикла.

Эксперименты показали, что температура саморазогрева зависит от величины прикладываемой нагрузки и коэффициента асимметрии. Так, при р=0,6 температура на поверхности образцов в момент разрушения составляла около 70°С. Чем выше уровень загружения, тем интенсивнее растет температура и наступает разрушение образца (см. рис. 3).

Количество типов

Рис.2. Линия выносливости эпоксидных композиционных материалов при

циклическом сжатии

8

I

I

I

1

60

50

40

30

20

I© © I 1® ч®

N

210' 4 10' 6105 810' 1,2 10' 1,4 10' 1,6 Ю' 1,В1&

количество циклов

Рис. 3. Кривые температуры саморазогрева эпоксидных композиционных

материалов при р = 0,6 1 - 0,52ЯВ; 2 - 0,58ЯВ; 3 - 0,4211в; 4 - 0,46ЫВ; 5 - 0,54ЯВ; 6 - 0,4ЯВ; 7 - 038ЯВ

При сравнении полученных результатов с аналогичными испытаниями полимербетона ФАМ установлено, что температура разрушения полимербетона ЭД-20 в некоторых случаях превышает температуру разрушения полимербетона ФАМ на 10 - 15°С, а в других фактически совпадает.

При напряжениях, близких к пределу выносливости, температура саморазогрева невысока и поэтому ее влияние на прочностные и деформативные характеристики не сказывается. С увеличением величины прикладываемого коэффициента асимметрии происходит резкий рост температуры и наступает разрушение.

Экспериментальные исследования по выносливости эпоксидных композиционных материалов и влияния на циклическую долговечность структурообразующих факторов были проведены по стандартной методике. Эксперименты проводились при постоянной для всех образцов значений максимального напряжения цикла равного пределу выносливости 0,43 и коэффициенте асимметрии цикла р = 0,6.

В результате обработки результатов планирования эксперимента (табл.2) получено уравнение регрессии (2):

Я^риГ -9,06+12,49-(П/Н)+7,69-а + 0,006-5° - 1,5б-(ГОН)-а + 0,0011-(П/Н)-8° -

0,00043-а-5° - 7,36-(П/Н)2 - 2,41 (а)2 - 0,0000432-(6°)2. (2)

Наиболее значимыми факторами влияния на циклическую долговечность эпоксидных композиционных материалов являются отношения полимер-наполнителя (П/Н) и коэффициента раздвижки зерен крупного наполнителя (а).

Приведены зависимости циклической долговечности эпоксидного композиционного материала при различных соотношениях структурообразующих факторов. При постоянных для всей серии испытаниях толщины полимеросвязуещего слоя и изменение коэффициента раздвижки зерен крупного заполнителя кривые циклической долговечности располагаются в последовательности, аналогичной кривым при статическом загружении.

Таблица 2

Результаты экспериментальных исследований циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов

№ п/п П/Н а бо-Ю"6 Количество циклов до разрушения Циклическая долговечность

1 0,6 1,1 25 100200 2,49 0,396

2 0,6 1,5 25 171830 4,27 0,630

3 0,75 1,5 25 193550 4,81 0,682

4 0,9 1,1 25 92300 2,29 0,350

5 0,9 1,5 25 100300 2,49 0,396

6 0,6 1,3 75 200300 4,98 0,697

7 0,75 1,1 75 191900 4,77 0,678

8 0,75 1,3 75 275400 6,85 0,836

9 0,75 1,5 75 184200 4,58 0,661

10 0,9 1,1 75 110300 2,74 0,438

11 0,6 1,1 125 101200 2,51 0,399

12 0,6 1,3 125 165300 4,11 0,614

13 0,75 1,3 125 170900 4,25 0,628

14 0,9 1Д 125 97700 2,43 0,386

15 0,9 1,5 125 104600 2,60 0,415

I'

| На рис. 4 приведена зависимость циклической долговечности эпоксидных

I композиционных материалов от структурообразующих факторов (П/Н) и а, при

постоянной для всей серии испытаний толщины полимеросвязуещего слоя

бо'Ю^М.

Проведенная зависимость показала, что оптимум величины циклической долговечности эпоксидного композиционного материала приходится на следующее соотношение структурообразующих факторов: П/Н = 0,7; а = 1,36; 8о = 75-10-6м.

Рис. 4. Зависимость долговечности эпоксидных композиционных ,

материалов от факторов ПУН и а, при 5о = const !

Интересная картина развития процесса долговечности наблюдается при сравнении показателей долговечности эпоксидного композиционного материала при статическом и циклическом загружении. В табл. 3 приведены результаты сравнения величин структурообразующих факторов в зависимости 1

от вида загружения.

Анализ результатов, приведенных в табл. 3, показывает, что при изменении вида нагрузки показатель оптимума П/Н изменяется от 0,73 при

Таблица 3 *

Величины структурообразующих факторов при различных режимах *

загружения <•

Координаты точек оптимума

статическое загружение циклическое загружение

П/Н а 80-1О"ьм П/Н а 60-Ю"6м

0,726 1,326 82,63 0,71 1,36 73

а„»ст=114,9МПа lgT(Max) = 0,831

статическом загружении до 0,71 при циклическом (3%). Величина коэффициента раздвижки зерен а от 1,326 до 1,36 (2,5%), а 50 изменяется 82,62-10"6м до 73 • 10"6м (11,7%).

Таким образом, переходя от режима статического загружения к циклическому, мы видим резкое, на 11,7 %, уменьшение значения 60-1 О^м по сравнению с другими факторами, что позволяет сделать вывод о том, что при переходе от статического к циклическому загружению необходимо обратить внимание на величину толщины полимеросвязующего слоя, скорректировав его показатель в сторону уменьшения.

В пятой главе представлена теоретическая интерпретация сопротивляемости эпоксидных композиционных материалов циклическим нагрузкам. Проанализировав различные методики прогнозирования циклической долговечности композиционных материалов, на основе методов структурных диаграмм А.И. Иванова, объемлющих диаграмм А.И. Чебаненко, метода усталостных диаграмм, были сделаны выводы о том, что предлогаемые методы описания усталостных явлений имеют ряд существенных недостатков.

Согласно феноменологическому методу структурных диаграмм можно получить величину коэффициента длительности и уточнить величину предела выносливости, но для этого требуется достаточно обширные экспериментальные данные по результатам длительных испытаний полимербетонов. Метод энергетического баланса достаточно грамоздок, требует получения ряда значений характеристик требующих кропотливых вычислений с помощью компьютерных технологий. Метод усталостных диаграмм имеет ограниченное применение, ибо он используется только для изгибаемых элементов.

Проанализировав работы П.Г. Левченко, А.Е. Меднова, A.C. Прокофьева, В.А. Кабанова, В.И. Харчевникова, Б.А. Бондарева, использовавших в своих работах вышеуказанные методики, а также свои экспериментальные данные, полученные в настоящей работе, можно сделать вывод о том, что, несмотря на различия исследуемых композиционных материалов и различные подходы, все

авторы приходят к одному выводу: величина предела выносливости и длительности близки по значению друг другу. Впервые внимание на сходство этих величин было обращено в работах В.И. Харчевникова. В дальнейшем В.И.Харчевников и Б.А. Бондарев развили эту гипотезу, доказав, что вышеуказанные характеристики численно близки коэффициентам (пределам пропорциональности). Далее в работах была доказана взаимосвязь этих характеристик с одним из критериев долговечности - виброползучестью композиционных материалов, и сделана попытка увязать предел пропорциональности с циклической долговечностью.

Роли предела пропорциональности в комплексе свойств композиционных материалов до настоящего времени не предавалось серьезного значения. Причиной этому являлось то, что зачастую происходила путаница между этой характеристикой и пределами упругости, истинного течения и т.п. Особенно трудно определить разницу в величинах пределов пропорциональности и упругости для конструкционных композиционных материалов, так как диаграмма их разрушения не имеет ярко выраженного перехода прямой линии в кривую.

Эту трудность удалось устранить, по новому интерпретировав релаксационный метод Огаркова-Планиды. Считали, что, прикладывая нагрузку ступенчато и выдерживая систему определенное время без ее увеличения, можно по шкале силоизмерителя зафиксировать падение нагрузки. Это действительно так, но они не обратили внимание на то, что на начальных ступенях нагружения и выдержки системы без увеличения нагрузки, падения ее не происходит. Нашими экспериментами установленно, что здесь нагружение происходит в пределах действия закона Р. Гука, то есть нагрузки не превышают величину силы, соответствующей пределу пропорциональности.

Нагрузку, соответствующую пределу упругости, можно зафиксировать, продолжая ступенчатое нагружение с выдержкой на каждой ступени. При определенных нагрузках ДР перестает быть пропорциональной Р. Если удается провести через две-три точки некоторую усредняющую прямую, то точка

пересечения ее с первой наклонной прямой, спроектированная на ось абсцисс и будет фиксировать нагрузку, соответствующую пределу упругости композиционного материала. Величину предела пропорциональности для эпоксидного композиционного материала определяли по вышеуказанной методике в соответствии с графиком, приведенном на рис. 4.

¿р.н

sj

/ !

J

1 1 1

1

■4 1 I 1 Л,-ним 1 е

Рис. 4. Определение величины нагрузки, соответствующее пределу пропорциональности Для исследуемого композиционного материала при изгибе коэффициент пропорциональности оказался равен 0,58. Для определения величины предела выносливости использовалась методика изложенная во втором разделе. Были испытаны образцы-балки размерами 40x80x1000 мм на специально изготовленном стенде, частота приложения нагрузки составляла 150 циклов в минуту с коэффициентом асимметрии цикла р = 0,8. Нагрузку прикладывали в средней трети пролета. Уровень загружения балок регулировался путем изменения амплитуды импульсов, подаваемых с теристоров регулятора напряжения на обмотку электромагнита, и принимался в долях от разрушающей статической нагрузки. Для измерения деформации композиционного материала использовался тензометрический мост ЦТМ-5, связанный с печатающим устройством. Прогибы балок измерялись с помощью индикаторов часового типа и переносной мессуры с ценами деления 0,01мм.

Предварительным расчетом было установлено минимальное количество образцов (равных 6), необходимых для построения линии выносливости, в соответствии с методикой Карпухина Н.С.

На рис.5 приведена линия выносливости эпоксидных композиционных материалов при изгибе.

Уравнение эмпирической линии выносливости записывается так:

Мв,Ри1 = 2,249 - 0,147 ^ N (3)

на базе 2" 106 циклов МВ1рЦ1 = 1,32 кН-м или 0,65 Мр.

Рис. 5. Линия выносливости эпоксидных композиционных материалов

при изгибе.

Для исследуемого композиционного материала коэффициент пропорциональности оказался равен 0,58, который близок по значению коэффициенту выносливости равного 0,65, а следовательно, и коэффициенту длительности эпоксидного композиционного материала при «чистом» изгибе. В табл. 4 приведены данные по физико-механическим характеристикам различных композиционных материалов.

Такое совпадение вышеназванных коэффициентов не может быть случайным, тем более, что приведены работы разных авторов и для различных композиционных материалов, поэтому данные исследования справедливо подтверждаеют формулировку сделанную в работах В.И. Харчевникова о том, что предел пропорциональности - это наибольшее напряжение, при котором в матрице эпоксидного композита не возникает структурных изменений на

Таблица 4

Данные по физико-механическим характеристикам исследуемых

материалов

№ п/п Автор исследования, наименование материала Крс Kb.mf Ks, Kb,pul

1 Харчевников В.И., полимербетон СВПБ ФАМ 0,46 0,45 0,46 0,45

2 Соломатов В.И., Потапов Ю.Б., Корнеев А.Д., Бондарев Б.А., полимербетон ПН-609-21М 0,43 0,440,5 - 0,45

3 Иванов A.M., Леонтьев Н.П., Яценко В.Ф., Белянкин Ф.Л., Соболев Ю.С., сосна 0,540,59 0,55 0,56 -

4 Залан Л.М., Чуйко П.К., Меднов А.Е., Левченко П.Г., полимербетон ФАМ 0,46 0,45 0,46 0,430,66

5 Парфенов К.В., Доос A.B., Чапский К.А., пластик СВАМ 0,47 0,47 - 0,4

6 Бондарев Б.А., Комаров П.В., ЭД-20 при сжатии при изгибе - 0,44 0,58 - 0,43 0,65

молекулярном уровне, как под действием внешних нагрузок, так и жидких сред, химически пассивных к их компонентам;- это наибольшее напряжение не только ограничивающее действие закона Р. Гука, но и соответствующее пределам длительной прочности и выносливости композиционных материалов, а также это напряжение, определяющее минимальную прочность композиционных материалов при одновременном длительном действии

постоянной внешней нагрузки и химической пассивной жидкой среды и равное напряжению, определяющему их химическую стойкость в этих средах.

Таким образом, полученные данные позволяют сделать вывод о том, что в качестве коэффициента условия работы конструкций из композиционных материалов может быть принят универсальный коэффициент - коэффициент пропорциональности равный для эпоксидного композиционного материала, при сжатии 0,45; при изгибе 0,60.

В шестой главе приведена практическая реализация результатов исследований. Методика ремонта с применением полимерных композиций на эпоксидных связующих использована при разработке проекта по реконструкции путепровода на автомобильной дороге Орел - Ливны - Елец -Липецк - Тамбов для обоснования срока службы элементов конструкции мостового полотна и пролетных строений. Произведенный расчет по определению экономической эффективности капитальных вложений в строительство и реконструкцию автомобильной дороги подсчитанный на 1м2 покрытия проезжей части составляет 72,6 р. по сравнению с данными бетонного покрытия.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Проведен анализ современных теоретических методов прогнозирования полимерных композиционных материалов и установлено, что прогнозирование долговечности наиболее эффективно производить по циклической выносливости.

2. Приняты основные структурообразующие факторы (соотношение смолы к наполнителю, коэффициента раздвижки зерен крупного наполнителя и толщины полимеросвязующего слоя), с помощью которых запроектированы составы эпоксидных композиционных материалов и испытаны, как на статические, так и на циклические нагрузки.

3. Получены математические модели предела прочности при сжатии эпоксидных композиционных материалов при статическом и циклическом нагружении, на основании которых сделан вывод о тождественности величины структурообразующих факторов при обоих видах загружения.

4. Разработан оптимальный состав эпоксидного композита с наибольшей долговечностью и имеющий следующие структурообразующие факторы: отношение полимер-наполнитель П/Н = 0,71; коэффициент раздвижки зерен крупного заполнителя а=1,36 и толщину полимеросвязующего слоя 50=73-10'6м.

5. Установлено, что температура саморазогрева эпоксидных композиционных материалов повышается с увеличением уровня загружения, достигая в момент разрушения на поверхности 65° - 70° С при принятом режиме испытания. При уровнях загружения, не превышающих предела выносливости, температура саморагогрева невысокая и влияние на прочностные и деформативные характеристики эпоксидного композиционного материала она почти не оказывает.

6. Анализ полученных экспериментальных данных показал, что для эпоксидных композиционных материалов существует взаимосвязь между пределом выносливости при циклическом загружении и пределом пропорциональности, величина которых может быть принята в качестве коэффициента условий работы при определении расчетных характеристик эпоксидного композита. Величины коэффициентов условий работы равные при сжатии уВ1=0,45 и при изгибе у ¡¿-0,60.

7. Разработан и научно обоснован расчетно-теоретический метод прогнозирования циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов по величине предела пропорциональности. Установлено, что величина предела выносливости для них при изгибе равна 0,65, а величина предела пропорциональности при сжатии составляет 0,58.

8. Осуществлена практическая реализация исследований в строительстве. Разработанный состав эпоксидного композита и методика прогнозирования долговечности его по циклической выносливости были

применены при реконструкции путепровода на автомобильной дороге Орел -Ливны - Елец - Липецк - Тамбов (район цемзавода г. Липецк) с экономическим эффектом в сумме 72,6 р. за 1м2 покрытия проезжей части дороги.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Комаров П.В. Ползучесть композиционных материалов на основе эпоксидных смол при циклическом воздействии нагрузок / П.В. Комаров, Б.А.Бондарев, А.Д. Корнеев // Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций. Сб. материалов III международной научно-технической конференции: Часть 3. - Волгоград: ВолгГАСА, - 2003. - с.26 -27.

2. Бондарев Б.А. Композиционные материалы в элементах конструкций транспортных сооружений / Б.А. Бондарев, В.Ф. Немцев, П.В. Комаров, Ю.В.Штефан // Сб. науч. трудов преподавателей и со грудников посвященный 45-летию ЛГТУ: Часть 2. Липецк: ЛГТУ, 2001. - с. 121 - 124.

3. Выносливость композиционных материалов в конструкциях железнодорожных шпал / Б.А. Бондарев, В.И. Харчевников, А.Д. Корнеев, А.В.Беляев, П.В. Комаров - Липецк: ЛГТУ, - 2002. - С.220.

4. Бондарев Б.А. Циклическая долговечность композиционных материалов в конструкциях транспортных сооружений / Б.А. Бондарев, Ю.В. Штефан, П.В.Комаров // Актуальные проблемы современного дорожного строительства и хозяйства. Материалы всероссийской научно-практической конференции Вологда: 2002.-с.8-11.

5. Харчевников В.И. Предел пропорциональности композиционных материалов и их циклическая долговечность / В.И. Харчевников, Б.А. Бондарев, П.В. Комаров, Ю.В. Штефан // Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии. Сб. материалов Ш международной научно-технической конференции. Тула: ТулГУ, 2002. - с.83 - 84.

6. Бондарев Б.А. Определение циклической долговечности полимербетонов по температуре саморазогрева / Б.А. Бондарев, П.В. Комаров // Сб. научных

24

трудов преподавателей и сотрудников, посвященный 30-летию НИС ЛГТУ: Часть 2. - ЛГТУ: Липецк, - 2003. - с.12 - 14.

7. Бондарев Б.А. Выносливость и виброползучесть полимербеюнов ФАЭД / Б.А. Бондарев, П.В Комаров, К.Ю Паневин // Новые материалы и технологии в машиностроении. Сб. научных трудов: Выпуск 1. Брянск: БГИТА, 2002. - с.9. -10.

8. Бондарев Б.А. Экспериментально - теоретические исследования композиционных материалов в конструкциях железнодорожных шпал / Б.А.Бондарев, В.И. Харчевников, П.В. Комаров // Структура и свойства искусственных конгломератов. Сб. научных трудов. Новосибирск: НГАУ, 2003. -С.35-38.

Подписано в печать 25.08.2003 г.

Формат 60х84х 1/16. Бумага офсетная. Ризография. Печ .л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 793. Типография ЛГТУ. 398600 Липецк, ул. Московская, 30.

• 1384 27^¡г

Введение

1. СОПРОТИВЛЯЕМОСТЬ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЦИКЛИЧЕСКОМУ ВОЗДЕЙСТВИЮ НАГРУЗОК

1.1. Долговечность полимерных композиционных материалов и методы ее прогнозирования

1.2. Зависимость выносливости древесины от действия циклических нагрузок

1.3. Напряженно-деформативное состояние полимербетонов и армополимербетонов при действии на них циклических нагрузок

1.4. Сопротивление конструкционных полимеров и стеклопластиковой арматуры циклическому воздействию нагрузок

1.5. Выводы

2. МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ОБРАЗЦОВ, ИСПЫТАТЕЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ, ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИСПЫТАНИЙ.

2.1. Основные компоненты полимерных композиционных материалов и технология изготовления образцов

2.2. Выбор схемы приложения нагрузки и размеров образцов

2.3. Испытательное оборудование

2.4. Методика проведения испытаний и планирование экспериментов

2.5. Методика испытаний эпоксидных композиционных материалов на изгиб при циклическом воздействии нагрузок

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ДЕЙСТВИЕ СТАТИЧЕСКИХ НАГРУЗОК.

3.1. Определение структурообразующих факторов эпоксидных композиционных материалов

3.2. Определение нижних уровней структурообразующих факторов и интервалов их варьирования. Подбор оптимального состава эпоксидного композиционного материала

3.3. Влияние структурообразующих факторов на механические свойства эпоксидных композиционных материалов

3.4. Выводы

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ НА ЦИКЛИЧЕСКИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ НАГРУЗОК.

4.1. Выносливость эпоксидных композиционных материалов при циклическом сжатии

4.2. Влияние температуры саморазогрева на циклическую долговечность эпоксидных композиционных материалов

4.3. Влияние структурообразующих факторов на циклическую долговечность эпоксидных композиционных материалов

4.4. Анализ результатов исследования циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов

4.5. Выводы.

5. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ СОПРОТИВЛЯЕМОСТИ ЭПОКСИДНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ЦИКЛИЧЕСКИМ НАГРУЗКАМ.

5.1. Методика прогнозирования циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов

5.2. Предел пропорциональности и его место в комплексе свойств композиционных материалов

5.3. Определение предела выносливости эпоксидных композиционных материалов при изгибе

5.4. Определение предела пропорциональности эпоксидных композиционных материалов при изгибе

5.5. Выводы

6. ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ

Актуальность темы. Создание новых агрессивно стойких и экономически эффективных строительных материалов, изделий и конструкций из них обеспечивает высокий уровень индустриализации и снижает трудоемкость возведения зданий и сооружений.

Полимерные композиционные материалы различных составов хорошо противостоят действию агрессивных сред и обладают высокой прочностью. Малая жесткость и большая деформативность полимерных композиционных материалов, по сравнению с другими строительными материалами, позволяют им оказывать сопротивление воздействию динамических нагрузок. Сравнительно небольшое время процесса отверждения полимерных композиционных материалов дает возможность использовать их в качестве материала для изготовления гальванических ванн, полов и опор травильных агрегатов, при проведении ремонта ответственных конструкций таких, как аэродромные и дорожные покрытия, а также сантехнического оборудования и т.п. Исследования последних лет свидетельствуют о том, что полимерные композиционные материалы можно эффектно использовать в мостостроении.

Более широкое применение полимерных композиционных материалов в значительной степени сдерживается сложностью прогнозирования характеристик их напряженно-деформированного состояния при циклических видах нагружения. Из-за малой изученности поведения полимерных композиционных материалов при такого рода загружениях. В настоящее время достаточно трудно прогнозировать долговечность полимерных композиционных материалов при статических видах загружения, а имеющиеся методы для материалов кристаллического строения и полимеров не всегда применимы к ним. Недостаточен теоретический и экспериментальный материал по оценке напряженно-деформированного состояния полимербетонов при длительном загружении. При длительном действии циклических нагрузок изменения структуры полимерных композиционных материалов происходят за счет локального саморазогрева в вершинах растущих субмикротрещин и связанных с этим изменением упругогестерезистных свойств материала. При этом проявляется энергия усталости, когда одновременное многофакторное циклическое воздействие собственных и силовых напряжений приводит к эффекту, превышающему суммарное действие отдельных видов напряжений. И, если такие процессы достаточно изучены для древесины - природного полимерного материала, то для искусственных конгломератов, каким являются полимерные композиты, эти вопросы нуждаются в тщательном изучении.

В литературе имеются данные по выносливости фурфуролацетоновых и полиэфирных композиционных материалов. Сведения о выносливости эпоксидных композитов и их циклической долговечности разрозненны и противоречивы. Отсутствуют также нормативные документы по проектированию элементов конструкций из эпоксидных композиционных материалов с учетом усталости.

До настоящего времени нет статистически достоверных значений нормативных и расчетных сопротивлений усталости эпоксидных полимербетонов, а также коэффициента условий работ при циклическом воздействии нагрузок. Все вышеуказанное и определяет актуальность данной диссертационной работы.

Цель работы. Целью настоящей работы является разработка методики прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов на основе циклических испытаний и уточнение их расчетных характеристик.

Задачи исследования. Для достижения намеченной цели были поставлены следующие задачи:

1. Провести анализ методов прогнозирования долговечности полимерных композиционных материалов на разных смолах и оценить их эффективность;

2. Провести экспериментальные исследования для установления зависимости циклической долговечности от структурообразующих факторов для эпоксидных полимерных композиционных материалов;

3. Разработать методику прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов по результатам циклических испытаний;

4. Выявить роль и место предела коэффициента пропорциональности в комплексе свойств эпоксидных композиционных материалов при циклическом воздействии нагрузок для определения расчетного сопротивления;

5. Уточнить расчетную характеристику коэффициента условия работы эпоксидного композиционного материала при циклическом напряжении.

Научная новизна работы определяется полученными результатами, основными из которых являются: экспериментальные данные по выносливости при сжатии и изгибе эпоксидных композиционных материалов на основе смолы ЭД-20; количественные зависимости статической и циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов в зависимости от структурообразующих факторов; методика определения циклической долговечности с использованием предела пропорциональности; расчетная характеристика коэффициента условия работы эпоксидных композиционных материалов при циклическом воздействии нагрузок.

Практическая значимость и реализация результатов. Разработана методика по определению циклической долговечности эпоксидных композиционных материалов с учетом предела пропорциональности.

Разработаны рекомендации по проектированию составов эпоксидного композиционного материала с учетом циклической выносливости.

Установлена величина коэффициента условия работы эпоксидных композиционных материалов, позволяющая получить их расчетные характеристики.

Разработанный метод прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов был использован при разработке проекта по реконструкции путепровода на автомобильной дороге Орел - Ливны — Елец -Липецк - Тамбов (район цемзавода) для обоснования срока службы элементов конструкции мостового полотна и пролетных строений. В процессе реконструкции была использована предложенная технология нанесения гидроизоляционной стяжки с применением полимерных композиций на эпоксидных связующих.

Результаты исследований использованы в учебном процессе специальности 290600 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» по дисциплинам «Долговечность конструкционных строительных материалов» и «Полимерные композитные материалы».

Апробация работы. Основные результаты были доложены на: научно-технической конференции, посвященной 45-летию ЛГТУ, Липецк, 2001; III Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы строительства и строительной индустрии», Тула, 2002; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы современного дорожного строительства и хозяйства», Вологда, 2002; научно-технической конференции «Новые материалы и технологии в машиностроении», Брянск, 2002; научно-технической конференции, посвященной 30-летию НИС ЛГТУ, Липецк, 2003; научно-технической конференции «Структура и свойства искусственных конгломератов», Новосибирск, 2003; III Международной научно-технической конференции «Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций», Волгоград, 2003.

Достоверность научных результатов обеспечена применением в исследованиях научно-обоснованных методик комплексных исследований образцов, подтверждается применением вероятностно-статистических методов обработки результатов испытаний, а также удовлетворительным совпадением некоторых результатов экспериментов с данными других авторов.

Личное участие автора заключается в составлении цели и содержании исследований, разработке метода прогнозирования долговечности эпоксидных композиционных материалов • и в уточнении его расчетной- характеристики коэффициента условия работы при циклическом нагружении, а также во внедрении полученных результатов в строительную практику.

Публикации. Основные содержания работ опубликованы в семи статьях и монографии.

Объемы работ. Диссертация состоит из введения, шести глав, списка литературы из 162 наименований и 2 приложений. Работа изложена на 155 страницах, содержит 143 страниц текста, 24 рисунка, 17 таблиц.