автореферат диссертации по строительству, 05.23.05, диссертация на тему:Композиционные вибропоглощающие материалы на основе битумного связующего

од

На правах рукописи

' х г- п 1

Самсонов Александр Васильевич

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

Специальность 05.23.05. "Строительные материалы и изделия"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1998

Работа выполнена на кафедре "Производство строительных изделий и конструкций" Саратовского государственного технического университета.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Иващенко Ю.Г.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор,

член-корреспондент РААСН Бобрышев А.Н. - кандидат технических наук, доцент Лукин А.Н.

Ведущая организация - лаборатория композиционных

материалов и рационального использования сырьевых ресурсов Поволжья СГУ

Защита состоится 1998г. в на заседании

диссертационного совета К 063.58.02 по присуждению ученой степени кандидата технических наук в Саратовском государственном техническом университете по адресу: 410054, г. Саратов, ул. Политехническая, 77.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Саратовского государственного технического университета

Автореферат разослан "Iй

•■ н

_ 1998 года.

Ученый секретарь диссертационного совета

В. В. Кузнецов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Проблема создания композиционных вибропоглощающнх материалов с заданными свойствами имеет два аспекта - материаловедческий и технологический. Требуют своего решения вопросы систематизации методов конструирования композиций с заданными свойствами, изучения специфических свойств разрабатываемых материалов, а также особую значимость приобретает решение задач по использованию местных сырьевых ресурсов и технических отходов в производстве строительных, в том числе вибропоглощающнх, материалов и изделий. Необходимо дальнейшее развитие вопросов совершенствования технологий изготовления однослойных и многослойных демпфирующих конструкций, как на основе битумного, так и полимерного связующих.

Целыо настоящей работы является разработка эффективных композиционных вибропоглощающнх материалов (ВМ) на битумной основе и установление температурно-частотного поведения их динамических характеристик.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

- теоретическое обоснование и экспериментальная проверка выбора активных дисперсно-волокнистых наполнителей;

- оптимизация составов ВМ с активными дисперсно-волокнистыми наполнителями;

- проведение динамических испытаний ВМ в изотермических условиях;

- построение обобщенных изотерм динамических характеристик ВМ и прогнозирование их частотного поведения;

- проведение квазистатических испытаний ВМ на одноосную ползучесть;

- определение по функции обобщенной одноосной ползучести вязкоупругих функций и упругих постоянных ВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) на основе анализа энергетической активности показано преимущество карбонатных дисперсных наполнителей при конструировании трехкомпонентных ВМ на битумной основе;

2) предложена математическая модель физико-механических свойств битумных ВМ в виде приведенных полиномов Шеффе, как на всем симплексе, так и в области заданных значений откликов;

3) по результатам температурно-частотных испытаний показана термореологическая простота битумоминерального композита, что позволяет для его механического описания применять аппарат линейной наследственной теории;

4) получены обобщенные изотермы динамических характеристик, позволяющие прогнозировать динамическое поведение ВМ при заданной температуре в широком диапазоне частот;

5) предложена методика аппроксимации экспериментальной кривой ограниченной одноосной ползучести битумного композита с помощью дробно-иррациональной функции простого вида, обладающей свойством слабой сингулярности в нуле;

6) по предложенной аппроксимации обобщенной одноосной ползучести методом линейной наследственной теории получена система вязкоупругих функций и найдены упругие постоянные ВМ, что дает полное описание его механических, в том числе диссипативных свойств.

Достоверность полученных результатов обеспечена сравнением с известными результатами, полученными ранее другими авторами, а также сравнением результатов проведенных динамических и квазистатических испытаний.

Практическая ценность работы. Разработаны оптимальные составы и рациональная технология получения битумных композиционных ВМ с высоким уровнем вибропоглощающих, технологических и эксплуатационных свойств. Проведены опытно-промышленные испытания и внедрение в производство ОАО "Балаковорезинотехника".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались на:

- региональной научно-технической конференции "Вибрация и шум автомобилей. Глушители шума" (Тольятти, 1980г.);

- Всесоюзной конференции "Повышение эффективности и качества сельскохозяйственного строительства" (Балаково, 1982г.);

- уральской научно-технической конференции "Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах в машиностроении" (Уфа, 1985г.);

- региональном научно-техническом семинаре по применению композиционных материалов в промышленном производстве (Саратов, 1990г.);

международной научно-технической конференции "Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций" (Волгоград, 1998г.);

международной научно-практической конференции "Современное строительство" (Пенза, 1998г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 104 наименования я содержит 35 рисунков. Общий объем 156 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении излагается постановка проблем по борьбе с шумами и вибрациями в промышленности и на транспорте, обосновывается актуальность работы, сформулирована ее цель, новизна научных результатов, приведено краткое содержание работы.

В первой главе рассмотрена природа внутреннего трения в пластмассах и битумоминеральных композитах, приводятся сведения по однослойным и многослойным демпфирующим покрытиям, применяемым в различных областях машиностроения. Рассмотрены характеристики и теории затухания колебательной энергии в вязкоупругих материалах и конструкциях.

В § 1 показано, что в полимерных композитах коэффициент механических потерь (КМП) зависит от вида связующего, структуры наполнителей (дисперсной, волокнистой, чешуйчатой, слоистой и др.), а также их процентного содержания и температуры. Вибропоглощение в полимерных материалах связано с релаксационными явлениями, протекающими в этих веществах, что, в свою очередь, связано со структурным и механическим стеклованием с характерными температурами Тс и Тм.

Температура структурного стеклования Тс определяется как температура, при которой осуществляется переход от упругой деформации к высокоэластической, при этом температурная кривая коэффициента механических потерь проходит через максимум. При малых периодических деформациях температуру механического стеклования следует рассматривать как условную температуру, при которой на данной частоте воздействия теряется высокоэластичность полимера. Из этого следует, что Тс при очень медленных воздействиях совпадает с Тм, т.е. увеличение частоты эквивалентно понижению температуры. Механическое

стеклование полимера имеет кинетическую природу и характеризуется спектром времен релаксации, определяющим динамическое поведение полимера при данной температуре.

В § 2 рассматриваются свойства битумного связующего как коллоидной системы, состоящей из дисперсной фазы - асфальте-нов, находящихся в стеклообразном состоянии, и дисперсной среды (смолы и масла). Битумы с хорошо развитой сеткой полярных асфальтенов, относящиеся к первому реологическому типу (гель), используются в качестве связующего для битумомине-ральных композитов с вибропоглощающими свойствами. Так же, как и в полимерах, основную роль в рассеивании колебательной энергии при деформациях выполняет матрица - битумное связующее, а точнее, слой полярных асфальтенов,покрывающих поверхность минеральных частиц активного наполнителя, отличающегося повышенной вязкостью, плотностью и когезионной прочностью по сравнению с объемным битумом. По мнению академика П. А. Ребиндера, прочное сцепление битума с минеральным порошком возможно лишь в результате химического взаимодействия компонентов с образованием на поверхности нерастворимых соединений мылообразного типа, катион которого находится в решетке минерального наполнителя, а анион в составе битума. Положение, высказанное П. А. Ребиндером, подтверждается современными представлениями о твердых кислотах и твердых основаниях. Количественной оценкой кислотно-основных свойств минералов и горных пород может служить значение электрохимического потенциала т)е , определяющего энергию выхода электрона из твердого тела. Чем; больше т)е , тем выше кислотные свойства материала, и, наоборот, с уменьшением т|е возрастают его основные свойства. Электрохимические потенциалы некоторых распространенных пород, применяемых

в битумоминералъных смесях и относящихся к окислам, карбонатам и сульфатам, приведены в таблице 1,

Таблица 1

Наименование породы Ле

эВ кДж/моль

Кварц 5,63 543,24

Кальцит 4,67 450,61

Доломит 4,78 461,22

Магнезит 4,88 470,87

Ангидрит 5,09 491,13

Барит 4,96 477,62

Из таблицы видно, что наименьшим значением электрохимического потенциала це — 4,67 эВ обладает известняк (кальцит), который создает с битумом прочное соединение, в результате чего на поверхности минеральной частицы образуется пленка модифицированного битума с повышенной вязкостью, что увеличивает внутреннее трение в битумоминеральном композите.

В § 3 приводятся данные по однослойным и многослойным вибропоглощающим покрытиям, применяемым в отечественном и зарубежном авиа-, судо- и автомобилестроении. Показано, что наибольшей акустической эффективностью обладают многослойные конструкционные вибропоглощающие материалы со слоями пластмасс. Высокими демпфирующими свойствами обладает также германский материал М 1249, содержащий битумный слой и термопластичный подслой.

В § 4 приводятся количественные характеристики вибропоглощения • и связь между ними для продольных и изгибных колебаний. Приводятся выражения КМП для упругих плоских стержней с жестким и мягким вибропоглощающим слоем и КМП стержня с многослойным покрытием. Проводится сопоставление

различных подходов для описания внутреннего трения с точки зрения механических моделей, феноменологических теорий и линейной наследственной теории. Показана целесообразность применения аппарата наследственной теории к определению характеристик вибропоглощения.

Во второй главе описана методическая часть работы, представлен объект исследования и методы исследования битумных ВМ.

В § 1 приведены характеристики битумного связующего -пластбит II, полученного в результате прямого окисления продуктов прямой перегонки нефти и применяемых наполнителей. В качестве дисперсного наполнителя применялся баритовый концентрат (барит), а в качестве волокнистого наполнителя - асбест марки К6-5. В магнитных вибропоглощающих материалах вместо баритового концентрата использовался феррит бария.

В § 2 описана методика изготовления образцов битумных ВМ в лабораторных условиях.

В § 3 представлены физико-механические показатели для различных типов выпускаемых промышленностью листовых ВМ на основе битума. Из приведенных данных следует, что большая часть показателей имеет качественный характер и поэтому не может быть использована при разработке новых ВМ. Существующие показатели были дополнены следующими количественными характеристиками:

1) температура размягчения Тр , °С, характеризующая теплостойкость листового ВМ;

2) температура трещиностойкости Тт , °С, характеризующая деформативные свойства листовых ВМ;

3) прочность отрыва от металлической поверхности П, Н/м2, характеризующая адгезию листового ВМ к металлу;

4) КМП составного образца г|, состоящего из стальной подложки 170x20x0,8 мм с односторонним покрытием из листового ВМ при температуре 20 °С на частоте 200 Гц;

5) плотность р, кг/м3 листового ВМ.

В § 4 приводятся методы испытаний битумных ВМ и методика измерения одноосной ползучести битумного ВМ на установке ДМ-2. По измеренной кривой одноосной ползучести могут быть определены вязкоупругие функции и упругие постоянные материала.

В третьей главе представлена математическая модель и проведена оптимизация составов ВМ с заданными свойствами.

В § 1 проведена экспериментальная проверка теоретических положений главы 1 по выбору активных минеральных наполнителей для битумных ВМ. Показано, что в качестве активного волокнистого наполнителя целесообразно использовать асбест, а в качестве дисперсного наполнителя - измельченный известняк или доломит вместо применяемого баритового концентрата.

В § 2 рассматривается вопрос выбора математической модели состав-свойство для выбранных количественных характеристик битумных ВМ. В качестве уравнений регрессии были выбраны приведенные полиномы Шеффе третьего порядка.

В § 3 приводятся результаты определения значений откликов в точках плана {3, .3} и проверочных точках концентрационного треугольника Гиббса, которым соответствуют определенные составы разрабатываемых ВМ.

В § 4 по найденным значениям откликов определены коэффициенты приведенных полиномов Шеффе третьего порядка

У = Р21 +Р222 +Рз23 +Р122122 +Р13213 + Р232223 + ^

+ У122122(21 -г2)+ 4132-1*3 (21 -23) + У 2эЛ22 ~ 23 ) + Р123212223 >

где - псевдокомпоиенгы, которые связаны с натуральными компонентами Х; по формулам

хх = 0,64 г1; ъх =1,56(1-х2-х3);

х2 =0,36+0,64г2-0,1б2;з; (2) г, =-0,56 + 1,б6х2+0,31х3; (3) х3 = 0,8г3. 23=1,25х3.

Используя (1) - (3), получена система уравнений откликов для Тр, Тт, П, г|, р и Б, где Б, дБ/с - скорость затухания. Статистическая обработка результатов эксперимента проводилась в проверочных точках плана и заключалась в проверке однородности дисперсий по критерию Кохрана, проверке адекватности по ^ критерию Стьюдента, определению доверительных интервалов предсказанных значений откликов при уровне значимости а = 0,05. По уравнениям регрессии построены изолинии свойств, позволяющих проследить изменение свойств в зависимости от процентного содержания компонентов в составе битумного ВМ.

В § 5 проведена оптимизация составов битумных ВМ с карбонатным дисперсным наполнителем - доломит, обладающих высокими демпфирующими свойствами. Базой для сравнения взят серийный материал типа Н 140 с наполнителем баритовый концентрат с демпфирующей способностью 5-6 дБ/с. В области проверочных точек симплекс-решетчатого плана {3, 3}, в которой листовые ВМ обладают наибольшими значениями демпфирующей способности, был проведен дополнительный эксперимент по плану {3, 2}. Уравнения регрессии в псевдокомпонентах имеют вид: 6 = Ю.бу! + 5,84у2 -10,6у3 -Х1У2 +ОЗУ1У3 -З,4у2у3, г| = 0,078у1 +0,045у2 +0,08у3 -0,01у1у2 -0,01у1у3 -0,024у2у3, П = У! +10у2 +8,5у3 +12у!у2 -З,8у!у3 +1,4у2у3, Тр=25у1 + 11бу2+120уз-40у1у2-70у1уз+10у2уз, (4)

Тт = 6,6ух +0,8у2 +12у3 -6,4у1у2 -6,4у1у3 -6,4у2у3, р = 1,8у1 +1,66у2 +1,96у3 +0,04у!у2 -0,36у1у3 +0,04у2у3.

Используя уравнения системы (4), с помощью ЭВМ проведено сканирование области оптимальных рецептур с шагом 0,1. Сформулирован критерий оценки свойств разрабатываемых ВМ с серийным материалом в виде неравенств

Б>7дБ/с; Г)>0,05; П>0,5Н/м2; Ттй5°С; 135 <Тр <145°С. (5)

Сравнивая результаты сканирования с критерием (5) был выбран состав с содержанием 13% асбеста, 60% доломита и 27% битума. Экспериментальная проверка показала, что листовые ВМ, изготовленные по данному составу, имеют демпфирующую способность Б = 8,5 - 9,0 дБ/с, что на 30% превышает демпфирующую способность серийных битумных ВМ.

В § 6 дано описание и схема технологического процесса изготовления битумных ВМ с карбонатным наполнителем известняк (доломит).

В четвертой главе исследуется частотная зависимость динамических характеристик битумного ВМ при различных значениях температуры.

В § 1 дается описание установки по измерению КМП комбинированных образцов с основанием из стали 08-Ю размерами 170x12x0,8 мм и 180x12x0,8 мм с односторонним покрытием из битумного ВМ толщиной 2+0,2 мм методом вынужденных резонансных колебаний. Образец помещался в камеру с автоматическим термостатированием. Для первых четырех форм изгибных колебаний с консольным закреплением образца измерялись резонансная частота Лп и ширина резонансной кривой на уровне 0,707 для составного образца и основания без покрытия. Коэффициент потерь составного образца определялся по формуле

Выражения динамических характеристик покрытия, полученные на основе гипотезы плоских сечений, имеют вид

а'(1+Р)-1

Е2=ЕХ-а . (7)

у(3 + 6у+4у )

42 =4

1 + -

ау(4у2 +бу+3)

(8)

Ез=Е '2П2, (9)

где г| 2 , Е 2 , Е 2 - коэффициент потерь, модуль накопления, модуль потерь покрытия;

' = со „ /<в д 5 - отношение квадратов измеренных резонансных частот стержня с покрытием и без него;

у = 112 /^х 'Р==Рг^12 " отношение толщин и погонных

масс покрытия и основания;

а = Е2 /^ч - отношение модулей накопления покрытия и основания.

По формулам (6) - (9) и измеренным значениям г\, юп, ©П1 определены частотные зависимости динамических характеристик битумных ВМ и построены семейства изотерм динамических характеристик. Используя гипотезу температурно-частотного приведения, были измерены смещения изотерм динамических характеристик и найдены значения усредненной функции сдвига ат , определяемой уравнением Вильяма-Линделла-Ферри

1&а в—-и. (10)

с2+т-т0

т-т0

График зависимости--от Т-Т0 показан на рис. 1.

30

20 40 (Т-То) Рис. 1.

Как видно из рис. 1, экспе- 40 риментальные точки достаточно Т_Тв точно ложатся на прямую с отрицательным угловым коэффициентом, что указывает на возможность процедуры температурно- 20 частотного приведения битумного ВМ с помощью уравнения (10).

Таким образом, из линейной зависимости (рис. 1) следует подтверждение гипотезы о термореологической линейности материала. Усредненная зависимость (рис. 1) получена при температуре приведения Т0 = 333 К, при которой определены постоянные функции сдвига С^ = 2,37; С2 = 37,7. Пересчет по известным формулам для температуры приведения Т^ = 295 К дает новые значения постоянных С^ = 4,18 и С'2 =49,7. На рис. 2 показаны обобщенные изотермы динамиче- £ • ских характеристик ВМ как функции приведенной частоты 1-5-а'тса, соответствующей температуре приведения ТС)=295 К. Кривая модуля накопления Е з имеет о,5 горизонтальные асимптоты как в области низких, так и в области д \ высоких частот. Кривая модуля потерь асимптотически стремится к нулю при понижении частоты и плавно возрастает до некоторого максимума с увеличением частоты. Из графика коэффициента потерь % видно, что в интервале примерно пяти декад по логарифмической оси частот т]2

3 5 Рис. 2.

почти линейно возрастает, что соответствует вязкой или мак-свелловской релаксации в материале. В пределах последующих трех декад г)2 практически пе зависит от частоты, что указывает на гистерезисный характер затухания. Для нахолсдения мгновенного Е0 = Е(со -» да) и равновесного Еот =Е'2 (со-»0) значений модуля Юнга использовалась аппроксимация

Е'2 =к+—агЫ£с(1;-(1),

(П)

где 1 = 1§|а'тсо|,к,Ь,с,с1 - искомые параметры, которые определялись с применением метода ингредиентного спуска. В результате получено к = 1,02 ГПа, Ь = 1,16 ГПа, с = 0,437, с! = 6,20, Е0=к+Ь = 2,18 ГПа, Еда =0,66 ГПа. Среднеквадратичная погрешность составляет 6%.

В пятой главе находится система вязкоупругих функций и упругих постоянных исследуемого ВМ путем решения наследственных интегралов по экспериментальной функции обобщенной одноосной ползучести.

В § 1 приведены результаты испытаний битумных ВМ на одноосную ползучесть в режиме ступенчатого нагружения в линейной области при постоянной температуре. Экспериментальная кривая одноосной ползучести П3 (<;) показана на рис. 3.

В § 2 проведен анализ аппроксимации обобщенной ограниченной ползучести с помощью СО г известных слабосингулярных

ядер. Проведенный анализ показывает, что определение параметров известных ядер связано со ~ ^ дд сложными графоаналитическими Рис. 3.

' 80 -

ГШ-Ла"1

к

построениями либо численным обращением преобразования Лапласа. Аппроксимации, получаемые в виде рядов, отличает медленная сходимость и, как следствие этого, необходимость составления специальных таблиц.

В § 3 показано, что класс слабосингулярных ядер, описывающих ограниченную ползучесть, может быть определен как класс вторых производных функций, почти линейных на бесконечности. При этом первая производная почти линейной функции определяет функцию замедленной ползучести, равную нулю в начальный момент. Тогда вторая производная почти линейной функции должна определять ограниченное, слабосингулярное ядро функции ползучести. Исходя из этой концепции, построено значительное число функций аппроксимации обобщенной ползучести, выражаемых через элементарные или известные трансцендентные функции, например, вида

+х2

П(1,) =-—, 0<а<1, I е[0,со]. (12)

х о "Ь а + х 1

Параметры аппроксимации находятся на минимизации функционала

,ха ,х2 ,а)=]Г[Пэ (<;)-П(*;)]2 -»тт. (13)

, Искомые параметры находятся путем решения системы линейных уравнений относительно х0 ,хг ,х2 с применением метода градиентного спуска по а

4=1 / 41=1 ) 4=1 ) 1=1

1=1 4=1 J 41=1 ^ 1=1

ЕПэ^ х0+[хпэ

41=1 / 41=1

V 1=1

(п Л

- Епэ х2 =

М=1 ^

и

1= 1

где п - число точек эксперимента.

В силу монотонности системы по параметру а использовался метод «золотого сечения» по этому параметру. Для этого с помощью компьютера минимизируется с постоянным шагом средне-квадратическая погрешность аппроксимации. В результате получено оптимальное значение а = 0,472. Для данного а параметры аппроксимации составляют

х0 =0,00412-Ю10 Н/м2 ; хх =0,23744-Ю10 Н/м2 ; х2 =1,4311.

Погрешность аппроксимации составила 0,95%.

Значения мгновенного и равновесного модулей продольной упругости

Е0 =Е(0) = Я/П(0) = Х! /х2 =1,7 ГПа, (15)

Еи =Е(оо)= А,/П(оо) = х0 =0,41 ГПа. (16)

Полученный результат достаточно хорошо согласуется с результатами динамических испытаний. \

Представим функцию обобщенной ползучести в виде

П^) = а0+ч/(^ = а0+-, (17)

1;а +Ъ

х1-х0х2 X! х2 где а =-; Ь =-; а0 =-. (18)

Х1Х0 хо Х1

Скорость ползучести или ядро функции ползучести запишется

-. (19)

а сН ^а(1;а+Ь)2

Согласно линейной наследственной теории, ядро ползучести связано с комплексной динамической податливостью 1*(1со) соотношением

1*=а Ле^й. (20)

о «И

Подставляя (19) в (20), получим

I* =а0 + ' ^е 2 . (21)

2Ь ©а

Комплексный динамический модуль находим как обратную величину комплексной динамической податливости

* ша (а0а>а +5t )+i(oa62

Е = Е00 +Ej (co)+iE2 (©)=-^- ? „ , (22)

(а0ша +5j )2 +52

abaF(a)cos—а abaF(a)sin—а

где 81= —---82 =---(23)

2b 2Ь

Из выражения (22) получаем динамические характеристики

- модуль накопления

со" (а0юа +8, )

Е1(ш) =--~~г—Ем ; (24)

(а0соа +5г ) + 82

- модуль потерь

62ша

Е2(со) =-1—-; (25)

(а0юа +SX )2 +82

- коэффициент механических потерь

„.íliSÍ.- «й!--; «26,

El<») (a0»"+S1)[®«(l-o0E,„)-o0E„]-S1E„

- спектр времен запаздывания

281 sinrcci

N(8) = ±—Ц-; (27)

К S

- плотность времен запаздывания

2 8•, sin гах

F(t) = ±—-—--; (28)

тгат1-"

- спектр времен релаксации

N(s) = ±-—-—-——--; (29)

^s(y0s +Y jS + y2s +Y 3S +74)

abaf(a)

.n

-i-a

- плотность времен релаксации

Ра , о _2а . о _3а . п _4а

= __0^+Р^ +Р2* +Р3*_. (30)

ЗЯТ уо+у1Ха+72Т2а+узТЗа+у4Т4а

- функция релаксации

51Г(а)соз^а ' 47(1;) = ——; 5=---Е = (31)

Система (17) - (31) дает полное описание механического поведения в области линейной упругости.

В шестой главе приводятся результаты измерений уровней шумов на рабочих местах заводов по производству сборного железобетона ЖБИ-1 и 2 АО «Саратовгэсстрой», а также рекомендации по их снижению. 1 > -

В § 1 по результатам измерений проведена классификация источников шумов по степени их воздействия на организм человека. По каждой категории источников шумов предложены конкретные рекомендации для их снижения.

В § 2 приводятся результаты применения битумных ВМ для снижения уровня шума виброплощадки СНЖ-200В, используемой для формовки плит покрытия 2МГ-6. Источниками шумов являются: электродвигатели; карданные валы с подшипниками промежуточных опор; вибровозбудители; пружины; опорные металлические конструкции; плиты перекрытия; виброформа с бетоном. Звуковая мощность виброплощадки может быть определена по формуле

= —-, Вт, (32)

Р

где 10 = 10-12 Вт/м2 - пороговое значение интенсивности звука, среднее значение уровня звукового давления Ъ на поверхности >3,.

на расстоянии г. от источника. На опорном радиусе г = 1 м величина F = 1185 м-2 .

В качестве мероприятий по снижению шума виброплощадки было предложено:

- стальные плиты перекрытия приямка с внутренней стороны и боковые поверхности вибростолов покрыть листовым битумным ВМ на клеевой основе ;

- корпуса виброблоков, валы и балки опорных рам покрыть мастикой из битумного ВМ после его разогревания и разжижения бензином.

До проведения мероприятий уровень звукового давления Lx на поверхности опорного радиуса составлял 111 дБА, после проведения мероприятий он составил 104 дБА. При подстановке L^ и L2 = 104 дБА в (32) вычисления показывают, что звуковая мощность виброплощадки понизилась с 9 Вт до 2 Вт. Измерение спектра шума показывает, что снижение звуковой мощности источника прошло в основном за счет высокочастотной составляющей шума, оказывающей наиболее неблагоприятное воздействие на организм.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И КРАТКИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе экспериментальных и теоретических исследований решены задачи по разработке и внедрению эффективных композиционных битумных ВМ.

2. Обоснованы и разработаны принципы подбора составов ВМ на основе битумного связующего с заданными технологическими и эксплуатационными характеристиками с применением метода симплекс-решетчатого планирования.

3. Определены критериальные оценки физико-механических показателей для разработки новых битумных ВМ с заданными свойствами.

4. Найден активных! дисперсный наполнитель для конструирования битумных ВМ с высокими демпфирующими свойствами на основе энергетической активности его поверхности - значения электрохимического потенциала.

5. Показан модифицирующий эффект применения стироль-но-инденовой смолы в изготовлении битумных ВМ специального назначения. Расход смолы составляет 1-4% по массе.

6. Внедрение карбонатных дисперсных наполнителей (известняк, доломит) взамен баритового концентрата в производстве битумных ВМ решает задачу ресурсосбережения и рационального использования местных сырьевых запасов.

7. Предложены методологические основы прогнозирования динамических свойств битумных ВМ с применением метода тем-пературно-частотного приведения, в пределах 11 декад по логарифмической оси частот.

8. Показано, что в области низких и средних частот имеет место максвелловская релаксация, а при высоких частотах внутреннее трение имеет гистерезисный характер.

9. Показано, что композиционные материалы на основе битумного связуюхцего имеют свойства термореологически простых или линейных систем, для описания механического поведения которых применим аппарат линейной наследственной теории.

10. Предложена аппроксимация обобщенной функции одноосной ползучести в виде дробно-иррациональной функции, которая с помощью наследственной теории позволила получить систему вязкоупругих функций материала в виде аналитических зависимостей от времени и частоты.

11. Результаты теоретических и экспериментальных исследований послужили основой разработки экспресс-методов конструирования и определения диссипативных свойств вязкоупругих материалов.

12. Внедрение результатов научных разработок, связанных со снижением себестоимости изготовляемых битумных ВМ обеспечило экономический эффект 490 тыс. рублей в год и достигнут социальный эффект от применения ВМ в производстве с повышенным шумом и вибрацией.

Основные результаты по диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Быков В.А., Самсонов A.B. Исследование акустических свойств вибропоглощающих материалов.//Автомобильная промышленность. 1977. №8, С.ЗЗ.

2. Самсонов А.В, Быков В.А. Вибропоглощающие свойства битумного вибропоглощающего материала.у/Вибрация и шум автомобилей. Глушители шума. Тез. докл. науч. техн. конф. Толь-яттинский политехнический институт. Тольятти, 1980. G.18.

3. Быков В.А., Самсонов A.B. Вибропоглощающие свойства битумного шумопоглощающего материала.//Автомобильная промышленность. 1981. №8. С.30.

4. Самсонов A.B. О применении доломита в производстве битумных шумопоглощающих материалов.//Повышение эффективности и качества сельскохозяйственного строительства. Тез. докл. науч. техн. конф. Балаковский филиал СПИ, Саратов, 1982. С.26.

б. Самсонов A.B., Хламов А.Ф. Определение вязкоупругих характеристик вибропоглощающего материалам/Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах в машиностроении. Тез. докл. науч. техн. конф. Уфимский авиационный институт. Уфа, 1985, С.106.

6. Самсонов A.B., Быков В.А. Оптимизация состава композитного вибропоглощающего материала. Саратов, 1989.37 с. Рукопись представлена Саратовским политехническим институтом. Деп. в ВИНИТИ 28 марта 1989, № 1995, В89.

7. Самсонов A.B., Быков В.А. Исследование температурно-частотного поведения вибропоглощающего материала. Саратов, 1989. 11с., Рукопись представлена Саратовским политехническим институтом. Деп. в ВИНИТИ 28 марта 1989, № 1996, В89.

8. Самсонов A.B. О применении слабосингулярных ядер в области линейной вязкоупругости.//Математические и условно-логические модели объектов для векторно-энергетического управления в технических, биологических и социальных объектах. Доклады 1 Российской конференции .Балаково, 1998. С-91-95.

9. Иващенко Ю.Г., Самсонов A.B., Хламов А.Ф. Экспресс-метод по определению характеристик механического поведения вязкоупругих тел по одному слабосингулярному ядру .//Проблемы пластин, оболочек и стержневых систем. Межвуз. науч. сб. Саратовский государственный технический университет, Саратов, 1998. С.94-96.

10. Авторское свидетельство № 6794426. Демпфирующий материал. Автор (авторы) Быков В.А. и Самсонов A.B.

11. Авторское свидетельство № 897569. Демпфирующий материал. Автор (авторы) Быков В.А. и Самсонов A.B.

12. Авторское свидетельство № 914601. Состав для получения листового вибропоглощающего материала. Автор (авторы) Быков В.А. , Самсонов A.B., Аксенова Н.И.

13. Авторское свидетельство № 960052. Композиция для изготовления вибропоглощающего материала. Автор (авторы) Быков В.А. , Самсонов A.B., Горелов В.А., Аксенова Н.И., Му-равкина Р.Ф., Федорова JI.C.

Самсонов Александр Васильевич

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВИБРОПОГЛОЩАЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

Автореферат

Ответственный за выпуск к.т.н.,доцент И.В. Хомяков Корректор O.A. Панина

Лицензия ЛР № 020271 от 15.11.06

Подписано в печать 05. U. 38 Формат 60x84. 1/16

Бум. оберт. Усл.-печ.л. <,39 ГО). Уч.—изд.л. 4,Ь Тираж 100 экз. Заказ М 2. Бесплатно

Саратовский государственный технический университет 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77 Ротапринт СГТУ, 410054 г.Саратов, ул. Политехническая, 77

Саратовский государственный технический университет

г- '

* на правах рукописи

Самсонов Александр Васильевич

КОМПОЗИЦИОННЫЕ ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИЕ МАТЕРИАЛЫ НА ОСНОВЕ БИТУМНОГО СВЯЗУЮЩЕГО

05.23.05 - Строительные материалы и изделия

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук Иващенко Ю.Г.

$

* '' '

Саратов 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Список условных обозначений................................................ 4

Введение.............................................................................. 5

1. Органоминеральные материалы с вибропоглощающими свойствами ............................................................................. 10

1.1. Демпфирующие свойства полимерных композиционных материалов................................................................. 10

1.2. Структура и свойства битумных вибропоглощающих материалов .................................................................... 19

1.3. Эффективные вибропоглощающие и звукоизоляционные покрытия, применяемые в строительстве и на транспорте 25

1.4. Характеристики вибропоглощения в материалах и конструкциях .................................................................. 35

2. Методическая часть исследования, объект и методы исследования ............................................................................... 52

2.1. Применяемые материалы............................................. 52

2.2. Методы исследования.................................................. 54

2.2.1. Методика изготовления образцов битумных вибропоглощающих материалов........................................ 54

2.2.2. Физико-механические показатели вибропоглощающих материалов................................................... 55

2.2.3. Методы испытаний битумных вибропоглощающих материалов................................................................. 59

3. Конструирование вибропоглощающих материалов с заданными свойствами.................................................................. 71

3.1. Выбор наполнителей для битумных вибропоглощающих материалов с высокими демпфирующими свойствами..... 71

3.2. Обоснование выбора метода математического планирования эксперимента........................................................ 74

3.3. Результаты лабораторных испытаний............................ 77

3.4. Построение регрессионных моделей откликов. Проверка адекватности......................................................... 80

3.5. Оптимизация состава вибропоглощающих материалов для изготовления опытно-промышленной партии........... 99

3.6. Описание промышленной технологии изготовления битумных вибропоглощающих материалов с карбонатным наполнителем............................................................. 104

4. Исследование динамических свойств битумного опытно-

» промышленного вибропоглощающего материала.................. 114

4.1. Определение динамических характеристик листового би-

, тумного вибропоглощающего материала........................ 114

4.2. Построение изотерм динамических характеристик битумного вибропоглощающего материала........................ 120

» 4.3. Построение обобщенных изотерм методом температурно-

частотного приведения................................................. 121

5. Определение изотропных вязкоупругих функций битумного

опытно-промышленного вибропоглощающего материала....... 133

5.1. Проведение квазистатических испытаний на одноосную ползучесть .................................................................. 133

5.2. Выбор аппроксимации для обобщенной функции ползу-чести.......................................................................... 135

5.3. Класс слабосингулярных суммируемых ядер.................. 139

5.4. Определение системы вязкоупругих функций по выбранной аппроксимации функции ползучести................ 144

v 5.5. Определение параметров аппроксимации функции ползучести .......................................................................... 146

6. Оценка шумов и рекомендации по их снижению в производстве бетонных строительных материалов............................. 149

6.1. Нормирование шума на рабочих местах........................ 149

*

6.2. Основные источники шумов производственного оборудования по изготовлению сборного железобетона............... 151

j 6.3. Проведение измерений и классификация источников

% шумов по степени их воздействия................................. 152

6.4. Рекомендации по снижению шума от работы технологических кранов............................................................. 159

6.5. Глушение аэродинамического шума сварочных машин ... 161

6.6. Рекомендации по снижению шума виброустановок......... 163

6.7. Звуковая мощность виброплощадки и меры по ее снижению ........................................................................... 167

f Основные выводы.............................................................. 176

Список литературы............................................................ 178

*

а

*

Г

%

СПИСОК УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

ВМ - вибропоглощающий материал КМП - коэффициент механических потерь КМЦ - карбооксиметилцеллюлоза

рН - водородный показатель (характеристика кислотности) Эуд - удельная поверхность (дисперсность) наполнителя

т}е - электрохимический потенциал поверхности минеральной частицы

П (1;) - обобщенная функция ползучести

ц/ (1;) - функция замедленной ползучести

^ (т) - функция плотности времен запаздывания

N (в) - спектр запаздывания

Л (1;) - обобщенная функция релаксации

\у("Ь) - функция релаксации

Р(т) - функция плотности времен релаксации

ЗМ(в) - спектр релаксации

Е*(©) - комплексный модуль упругости

Ие Е* = Еоо + Е'(со) - динамический модуль

Е'(ю) - модуль накопления

1тЕ* = Е"(со) - модуль потерь Е"

г) = —г - коэффициент механических потерь Е

Е"

q = — - динамическая вязкость

со

ВВЕДЕНИЕ

Снижение уровней шумов и вибраций в промышленности и на транспорте является составной частью проблемы - защиты окружающей среды и безопасных условий жизнедеятельности человека. Различают структурные шумы, распространяющиеся по элементам конструкций и воздушные шумы, источниками которых являются колеблющиеся металлические поверхности. Одной из важных задач является изучение динамических характеристик материалов и конструкций, определяющих уровень вибрации и интенсивность шумоиз-лучения. Для снижения шумов и вибраций металлических конструкций работающего механизма существуют следующие независимые направления: шумопоглощение, шумоизоляция, виброизоляция и вибропоглощение.

Шумопоглощение направлено на снижение в закрытом помеще-нии энергии отраженного звука и характеризуется коэффициентом шумопоглощения отражающей поверхности.

Шумоизоляция направлена на снижение проникновения звуковой энергии из одного закрытого объема в другой.

Виброизоляция - замена жесткой связи между вибрирующим элементом и основной конструкцией на упругую.

Вибропоглощение или демпфирование колебаний колеблющихся поверхностей направлено на снижение амплитуды их колебаний, виброскорости и, как следствие этого, уменьшения ими звукового излучения. Таким образом, вибропоглощение является наиболее важной частью борьбы с шумом, поскольку снижает мощность источника

звука. Вибропоглощение осуществляется за счет создания ребер жесткости вибрирующей поверхности, помещением на ней инертной массы, нанесением вибропоглощающего покрытия, а также комбинацией этих мероприятий. Вибропоглощающие покрытия наносятся в виде мастик, а также в виде листовых, либо многослойных материалов. В последнем случае, наряду с вибропоглощением, покрытие осуществляет и звукоизоляционные свойства. Основную роль в работе демпфирующего покрытия играет один или несколько диссипатив-ных вязкоупругих слоев. Эффективность диссипативного слоя, представляющего собой органоминеральный композит на основе полимерного или битумного связующего, тем выше, чем больше его модуль упругости и коэффициент механических потерь, которые, в свою очередь, являются функциями частоты.

Большой вклад в исследование и конструирование композиционных материалов с заданными, в том числе вибропоглощающими, свойствами внесли российские ученые: П. А. Ребиндер, И. А. Рыбьев, Ю. С. Липатов, В. И. Соломатов, В. Н. Козомазов, А. Н. Бобрышев, В. П. Селяев, А. П. Прошин, Ю. А. Соколова, Ю. Г. Иващенко, Р. 3. Рахимов и др.

Диссертационная работа выполнялась на кафедре «Производство строительных изделий и конструкций» Саратовского государственного технического университета и кафедре «Физика и электротехника» Балаковского института техники, технологии и управления.

Целью данной диссертационной работы является исследование и разработка новых эффективных композиционных вибро-поглощающих материалов на битумной основе и установление

температурно-частотного поведения их динамических характеристик. Поставленная цель определила задачи исследования:

оптимизация составов ВМ с активными дисперсно-волокнистыми наполнителями;

- проведение динамических испытаний ВМ в изотермических условиях;

- построение обобщенных изотерм динамических характеристик ВМ и прогнозирование их частотного поведения;

- проведение квазистатических испытаний ВМ на одноосную ползучесть;

- определение по функции обобщенной одноосной ползучести вязкоупрутих функций и упругих постоянных ВМ.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1) на основе анализа энергетической активности показано преимущество карбонатных дисперсных наполнителей при конструировании трехкомпонентных ВМ на битумной основе;

2) предложена математическая модель физико-механических свойств битумных ВМ в виде приведенных полиномов Шеффе, как на всем симплексе, так и в области заданных значений откликов;

3) по результатам температурно-частотных испытаний показана термореологическая простота битумоминерального композита, что позволяет для его механического описания применять аппарат линейной наследственной теории;

4) получены обобщенные изотермы динамических характеристик, позволяющие прогнозировать динамическое поведение ВМ при заданной температуре в широком диапазоне частот;

5) предложена методика аппроксимации экспериментальной кривой ограниченной одноосной ползучести битумного композита с помощью дробно-иррациональной функции простого вида, обладающей свойством слабой сингулярности в нуле;

6) по предложенной аппроксимации обобщенной одноосной ползучести методом линейной наследственной теории получена система вязкоупругих функций и найдены упругие постоянные ВМ, что дает полное описание его механических, в том числе диссипативных свойств.

Практическая ценность работы. Разработаны оптимальные составы и рациональная технология получения битумных композиционных ВМ с высоким уровнем вибропоглощающих, технологических и эксплуатационных свойств. Проведены опытно-промышленные испытания и внедрение в производство ОАО "Балаковорезинотехника".

Апробация работы. Материалы диссертации докладывались

на:

- региональной научно-технической конференции "Вибрация и шум автомобилей. Глушители шума". (Тольятти, 1980г.);

- Всесоюзной конференции "Повышение эффективности и качества сельскохозяйственного строительства". (Балаково, 1982г.);

- уральской научно-технической конференции "Применение композиционных материалов на полимерной и металлической матрицах в машиностроении". (Уфа, 1985г.);

- региональном научно-техническом семинаре по применению композиционных материалов в промышленном производстве (Саратов, 1990г.);

- международной научно-технической конференции "Надежность и долговечность строительных материалов и конструкций". (Волгоград, 1998г.);

- международной научно-практической конференции "Современное строительство". (Пенза, 1998г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 научных работ и получено 4 авторских свидетельства на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка литературы из 114 наименований и содержит 35 рисунков. Общий объем 187 страниц.

Выражаю глубокую благодарность моему научному консультанту к.т.н., доценту кафедры ПГС Балаковского института техники, технологии и управления А. А. Землянскому за помощь в работе.

1. ОРГАНОМИНЕРАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ С ВИБРОПОГЛОЩАЮЩИМИ СВОЙСТВАМИ

1.1. Демпфирующие свойства полимерных композиционных материалов

Колебания механических систем обычно происходят с затуханием. Затухание колебательной энергии называют диссипацией механической энергии или «внутренним рассеянием энергии». Синонимами также являются термины: «демпфирование», «вибропоглощение», «механические потери», «внутреннее трение». Автор [1] причисляет к ним также «циклическую вязкость» и «гистерезисные потери», однако, как считает автор [2], механический гистерезис и вязкое течение относятся к различным механизмам внутреннего трения. Большой вклад в изучение внутреннего трения строительных материалов и конструкций внес Е. С. Сорокин [3, 4]. Установлено, что для конструкций внутреннее рассеяние энергии больше, чем для материалов, из которых они сделаны. Это связано с тем, что в конструкциях имеются соединения, способствующие увеличению внутреннего трения (конструкционное демпфирование).

Первые исследования внутреннего трения в пластмассах проведены А. Джемантом и В. Джексоном [5], которые определяли на частотах от 0,3 до 10 Гц логарифмические декременты колебаний полистирола и эбонита, А. П. Александров [6, 7] исследовал частотные и температурные зависимости динамических свойств полимеров и установил, что повышение температуры эквивалентно понижению частоты, и наоборот.

Особенно интенсивно изучение динамических свойств пластмасс началось после 1966г., чему способствовала работа В. А. Кар-гина и Г. Л. Слонимского [8], где обстоятельно изложены современные взгляды на структуру полимеров и их свойства, в том числе динамические. В работе [9] приведены конкретные примеры

практического применения различных динамических методов к исследованию вязкоупругих свойств полимеров.

Диссипативные свойства полимербетонов исследовались в работах [10, 11, 12, 13]. Диссипативные свойства полимерных композиций зависят от вида связующего, свойств наполнителей, вида формования, амплитуды и длительности циклического нагружения [14-19]. При высоких частотах рассеяние энергии в полимерах уменьшается, так как в этих условиях материал работает как упругий. При высоких напряжениях, близких к пределу выносливости стеклопластика, величина коэффициента поглощения энергии до разрушения образца имеет два максимальных значения, что связано с двухфазностью структуры стеклопластиков. Появление первого максимума объясняется началом растрескивания смолы, что увеличивает коэффициент поглощения энергии 1|/. Раскрытие трещин в смоле снижает у. После локального разрушения связующего начинается растрескивание в нитях и слоях волокон, что вновь приводит к повышению коэффициента ц/.

В работе [20] изучалось влияние связующего (олигомеры МГФ-9, ТГМ-3 и др.) и наполнителей на вязкоупругие свойства полимеров. Характеристиками вибропоглощения являлись коэффициент механических потерь г| и модуль потерь г|Е. Максимум тангенса угла механических потерь г| наблюдается при содержании 30-40 вес. част. МГФ-9 на 100 вес. част, эпоксиолигомера Э-181, а максимум модуля потерь при содержании 10-30 вес. част.

Наполнители оказывают различное воздействие на вибропогло-щающие свойства полимерных материалов. В зависимости от структуры наполнителя (дисперсной, волокнистой, чешуйчатой, слоистой и др.) может повышаться динамический модуль упругости или модуль потерь, или оба параметра одновременно.

Авторы [20] исследовали также влияние графита на вязко-упругие свойства эпоксидно-полиэфирных систем. Измерения

проводились на образцах, состоящих из 90-150 вес. част, графита на 100 вес. част, эпоксиолигомера в режиме изгибных резонансных колебаний на частотах 20-200 Гц. Модуль потерь имел максимум в зависимости от содержания наполнителя при 130 вес. част, графита.

Обширные исследования по влиянию наполнителей на демпфирующие свойства полимерных материалов проведены в [21]. Исследовалось 75 наполнителей различной структуры на демпфирующие свойства пластифицированного сополимера винилхлорида с винил-ацетатом. Показано, что из всех исследованных наполнителей графит наиболее эффективно повышает демпфирующие свойства.

Вибропоглощение в полимерных материалах связано с релаксационными явлениями, протекающими в этих веществах. Вопросу релаксации в полимерах посвящена обширная или, выражаясь словами Ферри, «практически необозримая» литература. Существенный вклад в этом направлении внесли российские ученые - Кобеко П.П., Каргин В.А., Слонимский Г.А., Аскадский A.A., Тагер A.A., Бартенев Г.И., Зеленев Ю.В. и другие.

Релаксационные явления в полимерах, в свою очередь, тесно связаны с понятием стеклования. Стеклование полимеров подразделяется на структурное и механическое. Сущность структурного стеклования заключается в том, что с понижением температуры структура жидкости постепенно изменяется вследствие перегруппировки кинетических единиц. Скорость перегруппировки с понижением температуры уменьшается, вследствие чего в области некоторой температуры стеклования Тс равновесие в ближнем порядке практически уже не успевает установиться и структура жидкости фиксируется. Аналогичного результата можно достигнуть при неизменной температуре повышением-давления. Кинетиче�