автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Составы и технология древесностекловолокнистого полимербетона на фурфкролацетоновой смоле ФАМ для железнодорожных шпал

На правах рукописи

ПЛШИКОВА Ольга Петровна

СОСТАВЬ! И ТЕХНОЛОГИЯ ДРЕВЕСНОСТЕКЛОВОЛОКНИСТОГО ПОЛИМЕРБЕТОНА НА ФУРФУРОЛАЦЕТОНОВОЙ СМОЛЕ $АМ ДЛЯ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ ШПАЛ

05.21.05 - Технология и оборудование деревообрабатывающих -ПРОН8ВОДОТВ, древесиноведение. 05.23.05 - Строительные материалы' и изделия.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ВорЬнеж - 199А

/

Диссертация выполнена на кафедре сопротивления материалов и теоретической механики Воронежского лесотехнического института

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор В.И.ХАРЧЕВНИКОВ

Официальные оппоненты:

доктор технический наук, профессор Ю.Б.ПОТАПОВ кандидат технических наук, профессор В.С.МУРЗИН

Ведущая организация - НИМБ Госстроя РФ

специализированного совета Д 064.06.01 при Воронежском лесотехническом институте (394613, г.Воронеж, ул.Тимирязева,8, ауд.П8). С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Просим Ваш отзывы на автореферат В ДВУХ ЭКЗЕМПЛЯРАХ С ' ЗАВЕРЕННЫМИ ПОДПИСЯМИ направлять по адресу: 394613, г.Воронеж, ВЛТИ. Ученому секретарв.'

Автореферат разослан Ч- " J}L _ 1994 г.

Защита состоится

1994 г. в Ю-часов на заседании

Ученый секретарь специализированного

совета, д.т.н. узъ/Л- В.К.КУРЬЯНОВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТИ ■

Актуальность_темы диссертации определяется двумя основными критериями - ото, во-первых, наличием огромного количества зачастую бросовых отходов лесной и деревообрабатывающей промшаленности, а также сельского хозяйства, которые необходимо использовать, сообразуясь с элементарной экономической целесообразностью ; во-вторых, перспективностью идеи создания на основе этих отходов нового композиционного коррозионностойкого конструкционного материала для за- • менц им традиционных - древесина и железобетона в таких, например, строительных элементах, как железнодорожная шпала.

Обоснованность перзого критерия заключается в том, что из названных отходов, в основном, на лесопромышленных комбинатах, методом каталитического пиролиза древесины производится такой ценный про- • дукт, как фурфурол. Поликонденсация фурфуролас ацетоном позволяет получить фурановуа смолу ФА.Ч, которая является вяжуцим веществом химически стойких конструкционных и Футеровочних материалов -поли-мербетонов (ЛЮ, растворов и мастик.

.Необходимость создания нового композиционного материала назрела и потому, что деревянные шпалы, изготовляемые долгие десятилетия из высокосортного леса в возрасте сЮ-100 лег, потеряли фактически эту сырьовув базу из-за варварского ее уничтожения. Например', лесная промышленность задолжала ЙПС до 25 млн. м3 высококачественной древесины. Интенсивная замена деревянных мал на железобетонные,~ хотя и решет в какой-то пере проблему дефицита первых, но гедет к большим экономическим потерям, которые складываются из физико-технических и механических недостатков яелезобетона - большой массы, электропроводности, хрупкости, ограниченной коррозионной стойкости и, главное, жесткости, приводящей к разрушении ходоеой части подвижного состава, появлении профессиональных заболевании.

В связи с излояеннимА цель_дисеер,ацисш10й_работи мочи о сформулировать как исследование возможности создания а принеаеш;я з качестве коррозионностойкого конструкционного материала железнодорожных шпал полимирбстона ФАМ на андезите, аринровгмного как стекловолокном, так и отходами лесной и деревообрабатыяаицй!' проявленности - дровосностекловолокнистого полимербетона СдСР^-о).

Объектами_исслодования яалялись: полимерная мастигл ЗАМ ка андезите, структуру, поцостоЯкость и технологичность которой необходимо было скорректировать в связи с применением .ее в кччостыз матриц;;

ДСВ'ЛБ-на; древесная цена, которая использовалась в качестве армирующего заполнителя ; ДСВЯБ-он, состав и физико-механические характеристик/. которого было необходимо получить ; железнодорожные шпалы из ДСВПБ-на, форму которых-требовалось усовершенствовать и одновременно разработать технологию их отливок.

Методы_исследования содержали: патентный поиск, аспекты физи-ко-химии и механики композиционных материалов, оптимизации их составов с привлечением ЗЗМ, эксперименты по изучению физико-механических свойств, процессов полимеризации, водостойкости и т.п., обработку опытных данных с помощью математической статистики.

Научная новизна .состоит в:

- экспериментальном подтверждении основной гипотезы исследования, суть которой закдачалась в том, что олигомер ММ, полученный из отходов древесины, и древесный заполнитель в виде щепы по своему химическому строению и физико-механическим характеристикам долмни быть совместимы в создаваемом композиционном:материале, обеспечивая ему прочность, коррозионную стойкость при одновременном снижении жесткости и массы, "риближая их к соответствующим характеристикам древесины, принятой как эталонный материал ;

- установлении Полярности олигомера.ФАМ по отношению к древесине и теоретическом обосновании возглокности возникновения водородных связей между компонентами олигомера и древесины ;

- экспериментальном подтверждении теоретического предположения о тон, чтл сухая древесина способна впитывать влагу из компонентов кас.кки уАМ, тем самым увеличивая степень отверждения олигомера и, следовательно, улучшая структуру композита;

-теоретическом и экспериментальном обосновании возникновения сильных адгезионных связей между олигомэром ФАМ и древесиной ;

- экспериментальном подтверждении возможности прогнозирования модуля упругости разрабатываемого композита при знании модулой упругости его компонентов ;

подтверждении существования у композиционных материалов зоны благоприятных свойств ;

- получении обоснованных физико-механических характеристик ДСВПБ-на, на составы которого подучено положительное решение по заявке й 5ЭЗП090/05 (ОШ85) "Состав для композиционного материала" на патент

0ооснованность_и_достове£ность_1!аучнух положений, выводов и рекомендаций подтверждается результата;.;:; экспериментальна исс^е-

дований, математической обработкой их о применением ЭЗЛ, актом испытаний железнодорожных шпал с приглашением независим« специалистов, заключением экспортных комиссий по научно-техническим отчетам по НИР, выполнявшихся при участии автора.

На_зацит£ выносятся следующие положения и ¿езультатьк

- гипотеза о возможности создания нового конструкционного кор-розионностойкого материала - древесностекловолокнистого полимер-ботона ФАИ на андезите и графитовой муке (саже) ;

- целесообразность представления экспериментальных данных с помочь а полиномов третьей степени ;

- существование зон благоприятных и неблагоприятных свойств разрабатываемого материала ;

- результаты выполнения основных задач исследования ;

- новизну полученных составов ДСБЛБ-на и их физико-механических характеристик ; ...

- технология отливки ¡¡пал из ДСЗПБ-на ;

- результаты статических испытаний яелезнодорожных шпал из вновь созданного материала.

Практическая^значимость и £еаллзация_работы заключается в: разработке технологии отливки железнодорожных, ипал в соответствии с составами, на которые получено положительное решение на патент РФ, и новей рациональной формы, что также подтверждено положительным решением по заявке № ЮЭ0855/П ©11032) "Строительный элемент" на патент Рэ'; реализации этой технологии на опытном участке по производству шпал из ДСВПБ-на на Ш "Ремлуть" Ж РФ в г. Ельце Липецкой области ; отливке партии впал из ДСВПБ-на для их статических испытаний и установки в'действующий'железнодорожный путь.

Апробация ^аботи^ Научные положения и результаты исследований обсуждались и были одобрены: на научных конференциях по итогам НИР ВЛТИ 1992, 1993'и 1994 гг., на Республиканской конференции "Проблемы увеличения использования вторичных ресурсов и рационального применения отходов в целлюлозно-бумажной, деревообрабатытшцей и лесохимической промышленности" (Мсква, июнь~~^~1993), на региональной конференции "Проблемы использования и захороно"н,'. производственных и бытовых отходов (Воронеж,-, декабрь - 1993), на Республиканской конференции "Состояние и перспективы развития научно-технического

потенциала Липецкой области" (Липецк,'..декабрь--_ 1993). 1_

•. Публикации. По материалам диссертации/-опублико'гано-'^ работ '.и. получено' дг> 1 патента РФ. .--'' ' ' ■•'■-" •"'

6 /

Диссертация выполнена в соответствии с координационным планом НИР по целевой комплексной программе ¡Минвуза Pi "Чоловок и окружающая среда. Проблемы охраны природы" госрегистрации 01.»7.000908), а также Региональной научно-технической программы "Чорнозомьо" "Строительные элементы из композиционного материала на основеот- " ходов древесины ( К госрогистрации 01.9.40 000'250) л ГРАНТа Комитета по образованию Воронежской области, раздел "Строительство,, архитектура," коммунальное хозяйчгво и транспорт" - "Композиционные шпалы на основе отходов древесины и стекловолокна для железных дорог" С № госрегистрации 01.9.ВД 000192).

С0ДЕР1АНИЕ РАБОГИ

Во введении обосновывается" актуальность темы, сформулирована цель работы, отражены научная новизна, практическая значимость и реализация полученных результатов работы.

Пе£вый_раздел посвящен обзору литературных данных по достоинствам и недостаткам делезнодорожных шпал из древесины и композиционных материалов.

В результате анализа работ Данилова В.П., Мэджи Г.М., Мисюка B.C., Елькова Я.В., посвяценных вопросам конструкции железнодорожного пути и его взаимодействия с подвижным составом, а также исследованиям работоспособности деревянных шпал, сделан вывод о том, что основными причинами их дефицита является небольшой срок службы из-за механического износа и гниения, особенно в узле.соединения '"рельс-шпала".

Железобетонные и армополимарбетонные шпалы (Барбаквдзе В.ill.) имеют, в отлич/ib от деревянных, большой срок службы,, но они тяжелы, жестки, содержат дефицитную высокопрочную арматуру, не обеспечивают "иэлекгричность.

Наиболее серьезные работы по изготовлению шпал из композиционных материалов проводились в Австрии и Японии - это"синтетические шпалы из жесткого полиуретана, армированного стекловолокном ; в США и Японии - это древесностружечные шпалы, шпалы .спрессованные из мелко- измельчен-ого волокнистого растительного материала и полимерного связующего, шпалы из склеенных послойно ДСП большой плотности N и обычного ДСП. В данном случае моано сделать "вывод, что, несмотря Hi. практически-неограниченный срок службы синтетических шпал, меньшую массу, по сравнении с железобетонными, применение их в условиях России экономически невыгодно' из-за дефицитности полиуретана и с..о&ной конструкции железобетонного основания. Опит изготовления.

шпал из древесностружечного материала интересов тем, что в-качестве вяжущего была использована смола ФАН, но прессование увеличивает их стоимость, сомнительны технологичность узла "рельс-шпала" и водостойкость.

Анализ свойств примененных в Н> и за рубехом композиционных материалов для железнодорожных шпал выявил их серьезные недостатки и позволил предложить в качестве альтернативного материала при подаче заявки на патент и в дальнейших исследованиях разработанный в ВЛТИ Харчевниковым В.И. стекловолокнястий полимербетон ФАЙ на андезите (СВ11Б). При.этом принимали во внимание такие его свойства, как коррозионная стойкость и надежность, недефицитность компонентов, поскольку олигомер (смола) ФАЛ может бить получена из отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности на предприятиях лесохимических комплексов. 3 качестве армирующих запол-нителей-примснить древесную щепу в сочетания со стекловолокном.

В связи с изложенным были выдвинуты цель исследования, изложенная выше, и поставлены следующие конкретные задачи:

1. Создание относительно дсаювЪго композиционного материала за счет снижения содержания дорогостоящих компонентов.

2. Уменьшение его характеристик по массе и жесткости при одновременном повы,ионии прочности при сжатии и смятии, а также водостойкости.

3. Разработка оптимального состава древесностекловолокнистого полимербетона (ДСВПБ) и рациональной технология изготовления из него строительных элементов, например, шпал.

4. Испытание шпал из ДСВПБ в' лаборатории и установка их в действующий железнодорожный путь.

Во_вто£ом разделе дается краткая характеристика исходных материалов для ДСВПБ-на, а именно: фурфуролацетонового олигокера ФАМ, основой которого является фурфурол, получаеый из отходов лесной и деревообрабатывающей промышленности или в результате переработки кукурузных головок и лузги семечек ; бензолсульфокислоты (£СК), применяемой н качества отвердителя ; основных наполнителей - андезито-вой и графитной муки, сажи различных марок и поста с модулем крупности 2. ... 2,5; основного заполнителя - древисно^. 'цепи с влажность» 6 ... 10$ ; дополнительного, заполнителя - алкмобороекликатного и щелочестойкого стекловолокна ; стокловолокнистого полинорбстона, примененного в качества матрицы ДСВПБ-на.

В конце раздела приведены данные по древесине сосны как эталон-

ного, т.е. обладавшего наилучшими исходными фиэико-механичоскими свойствами, мзтериала для железнодорожных шпал.

В третьем разделе в результате анализа свойств компонентов ДСВПБ-на, сделанного во 2-м разделе, и положительных примерах создания композиционных материалов на основе фурановых смол и древесины, выдвигается следующая рабочая гипотеза исследования: при теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении-факта совместимости олигомера ММ и древесины возможно создание нового конструкционного коррозионностойкого материала - древесностеклово-локнистого полимербетона, в котором матрицей является СВПБ 4АМ на андезите, а армирующим заполнителем - древесная щепа.

Экспериментальному подтверждению выдвинутой гипотеаи и выполнению основных задач, поставленных в конце первого разделами посвящена представленная работа.

Так, начальным гарантом возникновения адгезионных связей между смолой (адгезивом) и древесной целой (субстратом) является смачивание, которое характеризуется краевым углом 8. Было определено значение t) для iiap мастика на олигомере $АМ - гладкая или шероховатая поверхность древесины. Значение углов 8 равны соответственно 8° и 5°. Ранее В.й.Харчевниковым была определена величина 8 для олигомера ФАМ, отверкденкого в присутствии бензолсульфокислоты . (ECK) - поверхности стекла: 0 равен 14-15°. Эти данные позволяют, опираясь на работы Г.¿.Андреевской, сделать вывод о высокой полярности олигомера ФАМ к древесине и стеклу. -

Явление адгезии сложно и неоднозначно, что породило и достаточ- ■ но большое количество соответствующих теорий (Б.В. Дерягин, Э.Плю-деман, А.А.Берлин, ¡O.A. Горбаткина).

Теория механической адгезии вполне применима для основных компонентов ДСВПБ-на: олигомера ФАМ и древесины, т.к. в процессе смачивания последняя оказывается внедренная в полимерную мастику, а затем происходит "обжатие" при отверждении. Наличие возникающей прочной адгезионной связи подтверждается экспериментально: при определении предела прочности при скалывании разрушение образца происходит по полимерной матрице ; при определении адгезионной проч--ности соединения полимерная мастика - деревянный цилиндрический стержень, методом выдавливания его из матрицы она оказывается выше, чем адгезионная прочность при скалывании.

Теория химических связей предполагает, что адгезия обусловлена химически!' взаимодействием тдгезива и субстрата. Анализ стукту^ных

формул целлюлозы и лигнина, а тагасо моно- и дифурфурилиденацетонов показывает, что.ото реакционноспособные полимеры, имеющие большое количество активных функциональных групп, в частности, гидрокскль-ных, и_ вполне вероятно, возникновение химических реакций доиорио-акцепторного характера, которые сопровождаются возникновением водородных связей и дипольного момента. Диполи двух реагирующих сред распологаются перпендикулярно поверхности их раздела, в результате чего вдоль нее образуется электронный слой, что говорит об увеличении доли электростатической составляющей адгезии.

В данном разделе экспериментально подтверждено теоретическое предположение о том, что сухая древесина способна впитывать влагу из компонентов мастики ФАМ, тем самым увеличивая степень отверзде-ния олигомера и, следовательно, улучшая структуру композита. Была исследована зависимость степени отверждения, которая определялась по количеству ацетонового экстракта и процентного содержания древесной щепы в составе ДСВПБ-на. Зависимость представляли с помощью полинома третьей степени: ,

У = А + Вх + Сх2 + Дх3 (I) .

Подсчет коэффициентов уравнения производили по специально разработанной программе на ЭВМ "Электроника-60" и"ДВК-УЛ".График и аналитический расчет показывают, что при 20;'-тах цепы от массч матрицы количество ацетонового экстракта максимально,~ а, значит, и степень отверждения имеет максимальное значение.

Далее оило проведено теоретическое обоснование совместной работы полимерной мастики ФАЛ на андезите и сажо, и древесного армирующего заполнителя с позиции механики композиционных материалов. Для эффективной работы древесного армирующего заполнителя и ДСВПБ-на необходимы определенные соотношения модулей упругости и предельных растяжимостей клеящей среды, древесных волокон и минеральных заполнителей.. " ~

■ Исследования, проведенные с использованием рекомендаций Г.А. Андреевской к Х.Г.Кортена, позволяют сделать зывод, что соотношение модулей упругости (ЕрВ/Е™ - 7:1) удовлетворяют услопйы совместной работы стеклянных волокон и полимерных п-енок ; соотношения предельных деформаций хотя несколько ниже, чем для стеклопластиков, . за исключением хаотически армированного 11&-на ФАМ на андезите, а именно: SjaM/ £°'а;сзпс:= Í.67 7 0, 55 = 3,0; £ja7 ££-а.свпби

- 1,6.7/0,04 '--42 ¿•:£Ф"у.£^а.овпб . 1,67 / 0,42 =.4,0.

.10

но они вполне приемлемы. Лноголотний опыт эксплуатации подтверждает это.

Били подсчитаны к соотношения (Е®) модуля упругости древесины, и модулей упругости армированного различными способами и не армированного СВПБ-на:

Бд ^ Ем.фам = 0<68. 104 „ о>б8

/ Ео.д.свпб в 0>бб. 1<о9.Хо'* = 0,63

^ / Ех.а.свпб = 0>б8. о.^'Ю4 - Г.»

^ / Ек.а.свпб г 0>б8. 0^9-10* - 0,69

Видно, что ожидаемый модуль упругости ДСВПБ-на будет значигель- , но меньше модуля упругости цементных бетонов и железобетона.

Исследование зависимостей соотношений предельных растяжимостой матриц ДСВПБ-на и древесины показало, что необходимо применять, из условия трещиностойкости ориентированное и комбинированное армирование СВПБ-на: „ „ , _

£ о.а.свпб/ £Д = о, 55 / 0,15 « 3,7 ,

£к;а.свпб/£д -0,4,2/0,15-2.8.

'•1'ак как процесс' отверждения связуыцего сопровождается усадкой и появляется возможность образования трещин, представлялось необходимым проверить соотношения величин конечной упругой деформации £мк и предельной растяжимости матрицы (бр); конечного напряжения в матрице Сбмк) и расчетного сопротивления яри растяжении (Яр).

Расчеты,произведенные на основании работ Л.Скупина, показали, что необходимые соотношения £мк<£р и 'Омк<Йр выдерживаются только для комбинированно армированной матрицы стеклосоткой или распущенным жгутом. Например, дано:

Ум -0, 502 или 0,005; - 1.31. Ю4 МПа ; I? « - 9.0 МПа ;

Ер - 0,0042 = 0,0074 ; Е® ■= 0.85*10* МПа ;П- Е^/Е* - I, 55.

Получим: '

£Нк * уме9<1 +а)/п^е - 0,005. ДО * I, 55)/1, 55-0,4317 -0,0031<& Смк* £*( )Ер = 0,0074' 0,85-Ю4 - 6,3 Ша<И£ .

Микромеханическая теория прочности К.Чамиса, а также изучение работ Х.Т.Кортена, Ю.М.Тарнопольского, Т.Фэабразера. В.И.Харчевни-

кова дало возможность прогнозировать модуль упругости ДСВПБ-на при

растяжении Е£СВП(3 - Ксвпб S¿Hn6 ♦ fc-K^ Еда , (2)

где Ц,- коэффициент эффективности армирующего заполнителя, равный COS- угол между продольной осью элемента и направлением оси цепы в ДСВДБ-не),

Ксвпб " Асвпб/ Адсвпб = Мсвпб ¡ Мдсвпб = °«79

«да а Ада ' Адсвпб = Мда 1 "дпвпб = °-21 где А и И - плоцадь поперечного сечения и масса соответствующих

материалов. Тогда:

Едсвпб = 0,79-1,Э1'104 + 0,99.0,21 •О.ЗЯО4 =1,25-104МПа В четвертом раздело приведены результаты проектирования составов ДСВПБ-на. Изготовление образцов из ДСВПБ-на, СВПБ-на, полимерных растворов и мастик осуществляли с .использованием рекомендаций, предлагаемых в работах ВЛ.Харчевникова, В.И.Соломатова, Л.Н.Стад-ник, Ю.Б.Потапова, В.Е.Беляева, а также инструкций и стандартов.

Так как в работах В.Л.Соломатова, Я.М.Елшина и В.В.Патуроева говорится, что введение в состав ПБ-на сажи или графитовой муки снижает водопоглощение и внутренние напряжения, повлиает морозостойкое^, была исследоаана зависимость предала прочности при сжатии (6пч ) и водопоглощения композита (W ) от содержания в нем сажи или „графитной муки. Испытывали образцы размером 70x70x70 мм по три штуки в серии. При обработке результатов настоящего исследования и в дальнейшем значения коэффициентов полинома третьей степени вычисляли как и ранее с помощью ЗВМ по специально разработанной программе. Графически и аналитически определено, что наибольший 0СЖ , равный 93 Ша, и наименьшее W , равное 0,70;» фиксируется содержании сажи от 3,8$ до 4,3%-юв от массы базовой матрицы, причем подтверждается правило створа и наличие зоны благоприятных свойств. Следовательно, включение 4-х /í-тов сажи в сое* тав будет соответствовать, в пределах точности опыта, наилучшей структуре матрицы. ■

Состав СВПБ-на на ФАМ и андезита, хаотически армируемый стек-лосечкой, принятый за прототип, и рассчитанные составы беспесчано-но и песчаного СВПБ-на - матрицы шпалы приведены в табл.1.

В работах К.Чамиса, Т.Фэаоразера, Р.И.Харчевникозза, посвященных армированию полимербетона и пластмасс,, указывается на зависимость длины армирующих элементов и предела прочности на растяжение и изгиб. В ходе исследования этой зависимости э состав песчаного состава СВПБ-на вводили 3,5 м.ч. щепы из древесины сосны при влажности, равной-3 ... .10;!>-тов,и длиной от 3U до 210 мм с алгом

Таблица I

Расчетные составы СВПБ-на на одну шпалу, объемом 0,12 м3

Компонент"-**- ЗДну_шпалу_ _

СВПБ

Ъ по массе

масса кг

_ _ _ м а 7; | и ц и__-__

__беспесчаная_ ^ _ песчаная___

% по мает масса,\% по мае? масса, се

кг : се : кг

38,22 24,0 35,28

6,63 6,0 8,84

95,42 15,2 22,36

- 50.8 74,62

0,81 0,4 0,54

5,98 3,6 5,2

147 100 147

5; А И КК АН П

СВ

С1 (Г) Итого

25 4 16 53 2

100

57,86 9,35 37,18 122,98 4,59

~ _232~

26 4,5 65

0,5

~юо~

30 мм. Применяли образцы-балочки 80x80x700 мм в количестве 3 шт. иа каждув длину цепы. ■

Теоретическую зависимость бич ат снова представляли полиномом третьей степени. Надо отметить, что свободный член уравнения (I) всегда имеет физический смысл - величину характеристики в не.. армированном образце. Кроме этого, на графике, имеощимся в диссертации, хорошо видн"), что короткая цепа снижает прочность при изгибе, т.к. она хаотически армирует образец. Могут иметься сечения, где щепы ьет и, самое главное* длины отрезков недостаточно для того,, чтобы перекрыть пространство между отдельными кусками щепы в соседних по высоте рядах. С повышением длины отрезков щепы их ориентация вдоль оси образца увеличивается, соседние по высоте ряди ще'-ы перекрывают друг друга и при 16 см достигает максимального значения - 21,7 МПа. Таким образом, можно рекомендовать в качестве армирующего заполнителя древесную щепу длиной от 14 до 18 см. На практике рааброо длин увеличивается с 5 до 25 см. Замеры и взвешивание показали, что соотношения таковы: 25 ... 20 см -

-та, 20 ... 15 см - 8, 15 ... Ю см - 54, 10 ...5 - 35 и меньие 5 см - И^-тов.

Для получения наилучших составов ДСВПБ-иа были проведены исследования зависимостей физико-механических характеристик от содержания цепы в матрице.

Каждая экспериментальная точка на графиках, приведенных в дис-

Таблица 2

Выявление границ вони благоприятных свойств ДСВПБ-на по формулам зависимостей его механических характеристик от содержания цепы в СВПБ-ной матрице

Формулы зависимостей характеристик от содержания щепы

^Максимальное макс,значение а : характерас-А : тики

Значения .-Отклонение характерис+характерис. тик при ;от максим, Щ = 182 ¡значен.,%

8,95б4 - 0,3>66Щ + 0.0614Щ2 - 0.0017Щ3 (1,3197 - 0.0169Щ + 0.0023Щ2 - 0,0000бЗЦ3) -Ю4 83,6190 - Э.9206Щ + 0.4733Щ2 ~ 0,0156Щ3 (1,3437 - 0.0275Щ + 0.0023Щ2 - 0,000052Щ3)' 10ч 18,7143 - 2,29 53Щ + 0,2757Щ2 - 0,0073Щ3 (1,6231 - 0.0658Щ + 0.0047Щ2 - 0,00009Щ8)'Ю4 0,5179 - 0.0197Щ + 0,02ПЩ2. - 0.0000Э9Щ3 0,2555 + 0,03091Ц - 0,00068Щ2 - 0.000049Щ8 5,6175 - 0.4228Щ + 0,0469Щ2 - 0.0013Щ3 91,931 - 0,096111 + 0,051Щ2 - 0,002щ3

бпч -

Ер -

к" _ илч »

Е« »

бчи

»4 ■

Ечи * £сж -

А, -

'18,87 9,61 Ша 9,00 Ша 6,35

18,81 1,37« Ю^Ша 1,Зб'104!Л1а 0,73

14,47 78,87 Ша 72,00 Ша 8,71

19,72 1,27.10^ Ша 1,26Л0\Ша 0,78

19,79 24,44 ¡Ша 24,00 Ша 1,80

24,21 1.47'101( МПа 1,42'104 МПа 3,40

17,30 • 0,50 % 0,49 % 2,00

14,56 0,70 % - 0,64 % 8,57

17,96 8, 56 Жа 8, 55 Ша 0,00

19,85 97,41 % 95,01 % 2,26

«ср..

/ Теоретическая зонач благоприятных свойств - 14,47 ... 24,2А % щепы.

сертации, являлась средним арифметическим значением результатов испытаний трех образцов-близнецов.

Если совместить полученные графики и обратиться к табл.2, где представлена аналитические зависимости"физико-механичэских характеристик от ..оличества ajenH, то явно видна зона благоприятных свойств при 14 ... 24/»-тов содержания цепы от массы матрицы. Автором подмечено наличие и зоны неблаго|Триятных свойств, изучение которой в дальней лем представляет определенный теоретический и практический интерес. Рекомендовано вводить в состав ДСВПБ-на 18%-тов депы или 4,0 м.ч. в составе без песка и 4, 5 м.ч. в состав с песком (табл.3). Отметим, что на-эти составы ДСВПБ-на имеется положительное решение по заявке на патент РФ.

* Таблица 3

Принятые составы ДСВПБ-на

Компоненты _ _Бз спесчаный Песчаный

1 :масса в :масса % масса 'в :масса

ДСЕПБ /в по :шпале |в 1м3 по шпале |в I м3

массе : кг массе КГ

SAM 22,23 33,22 315 20,33 35,07 283

БСК 3,70 6,29 52 - 5,08 8,82 72

П - - - 43,06 74,70 614

АН 55,55 95,68 789 12,83 22,33 183

Сй (Г) 3,33 5,72 47 3,06 5,32 44

сз. 0,37 0,54 • 4,5 0,34 0,61 5

щ 14,62 25,50 210,5 15,25 26,46 217

Итого 100 172 1416 100 173 ' 1443

Для выяснения возможности применения ДСВПБ-на в качестве материала железнодорожных шпал была изучена также его стойкость к действие однозначной пульсирукцей нагрузки, путем определения призмен-ной прочности трех серий контрольных образцов по три штуки в каждой (при 20, 18 и 152 содержании щепы в составе ДСВПБ). Установлено, чтоДСВЛБ-н при многократном нагружении подчиняется тем же закономерностям, что и неаршрованные по-ммербетоны и другие материалы I. работы Л.д.Чуйко, Ю.Б.Потапова, В.А.Бовдаренко). Зона ограниченной гыносдивости описывается прямой в полулогарифмических координатах.

\

Количество циклов, соответствующее пересечению 2-х участкоЕ, не превышает 10^. Шпала в период эксплуатации должна выдержать 50 • • Ю6 циклов, поэтому ДСВПБ-н для этих целей может применяться лии* , при напряжениях, меньиих предела выносливости (при 18$ щепы б {и-*

» 35 МПа). Лспытания на морозостойкость дали положительные результата.

В работе были определены нормативные физико-механические характеристики ДСЗПБ-на беспесчаного состава и базового состава СВПБ-на ,о предварительной статистической обработкой результатов экспериментов. Число образцов в серии равнялось шт. (табл.4).

Лз анализа численных значений этих характеристик можно сделать вывод, что они существенно приближаются к аналогичным характеристикам древесины сосны, а в некоторых случаях они лучше: ■ •

- при сжатии и смятии поперек волокон нормативная-характеристика у ДСВПБ-иа равна 22 >1Па, у древесины — 2 ИПа ;

- модуль упругости при растяжении у ДСЗПБ-на равен 1,21- юЧ<Ла, у древесины в зависимости от влажности - 0,85 ... 1,23*10^ Л1а :

- плотность ДСВЛВ-на Р = 1,0 ... 1,4 т/м3, у древесины - Р « 0,46 ... 0, 57 т/м3, у железобетона - 2,5 ... 2,7 т/м3.

Можно сделать вывод, что основные задачи исследования, в целом, решены.

3 пятом £аздела приводятся основные положения технологии производства железнодорожных шпал из ДСВПБ-на. Указываются, со ссылкой на действующие инструкции и ГОСТы, основные требования по размерам, чистоте и влажности составляющих компонейов. Даются рекомендации по контролю качества материала с указанием предельных отклонений от проектных размеров шпал и способы их измерения при приемка. Приведены требования по технике безопасности и экологической защите. Так, общий ГШ для фурфурилвдена - 0,5 мг/м3, для БСК - I кг/м3 £иля бензола) и 5 мг/м3 («ля серной кослоты). Фактическое содержание вредных веществ в действующих цехах по производству полимербе-тонных изделий составляют, по данным А.В.Чуйко, фурфурола - 0,0004. юг/м3, ацетона - 0,007 мг/м3, т.е. на один-два порядке ниже допустимых. Однако, это не исключает необходимость постоянного контроля аа их содержанием в воздухе рабочей зоны и в атмосфере населенных пунктов производства ДСВПБ-ных шпал.

В шестом_разделэ_даэтся описание практического опыта отдлзхи железнодорожных ппаж из ДСЗПБ-ка.На территории МП "Реипуть" в г. Ь'льцв Липецкой области, создан участок, оснаценный необходимы«

Таблица 4

• Нормативное фязикс-мсханические характеристики-ДСВПБ~на песчаного состава

Характеристика

:Х= ■ту/П !бх=±б/[/г1 ;1/Июо(5/х ;р= : Нормативная -:характ.=Кодн X

МПа 9,00 0,17 0,046 1,85 1,44 0,97 о,5

та 9,60 0,87 0,230 9,03 ,2,71 0,73 7,0

МПа 1,30' 0,017 0,005 1,28 1,30 0,96 1,25

МПа 1,37 0,057 .0,015 4,14 1,20 0,88 1,21

ОТа т,о 3,00 0,80 3,57 0,95 0,88 75,0

МПа 79,0 6.?3 I; 69 8,02 2,74 0,76 60,0

МПа 1,10 0,033 0,009 2,38 0,64 0,93 1,30

МПа ■1,30 0,073 0,020 5,64 1.54 0,83 1,08

МПа 19,0 ' 1,00 0,27 5,26 1,42 0,84 16,0

МПа 24,0 1,33 0,36 5,56 I.» 0,83 20,0

МПа 1,00 • 0,0X3 0,013 3,13 0,81 0,91 1,45

МПа 1.5) 0,067. 0,018 4,14 1,20 0,87 1,30

% 0,52 0,023 0,006 4; 49 1.15 0,87 0,45

% 0,50 0,017 0,005 3,33 0,90 0,90 0,45

% 0,25 0,013 0,004 5,33 4,00 0,84 0,21 •

■% 0,70 0,170 0,046 2,38 6,57 0,93 0,65

МПа 6,50 0,33 0,09 3,92 1,06 0,68 7,50

МПа 8, 50 0, 53 0,14 6,20 1.63 0,81 7,00

МПа 15,00 1,00 0,27 6,67 1,80 ' 0,80 12,0

т/м3 1,20 0,07 0,019 . 5,57 1,56 0,83 1.0 / 1,4

МПа 22,0 0,67 0,18 3,00 0,82 0,91 20,0

МПа 35,0 3,33 0,89. 9,52 2,54 ' 0,71 25,0

и Р

0ДСЕЛ5 >

С С6П5

С р ,

Г-ДС6116

С я ~ спи

О еж ,

0ДС8ПВ

еж . Ее«Г-ГО\

О С6ПВ • .

адсеп? чи

Ечи"Ч04 ЕмиПВМ04 МПа

ЁСВПЕ Р

¿•лсапв с г ,

еСВПБ

с*

_ ДС&П6 С. еж. ,

ГПЕ-ПБ

ек , -Л-ПЕ I ск , (т-д-пе

Тан ,

РдС&ПБ, -ДС8П6 ОсЖ-90 .

бдевпе ,

м

оборудованием, и где с участием автора отлито в настоящее время 46 штук шпал.

В процессе изучения работ В.Н.Данилова, А.$.Золотарского и . ГОСТов била разработана рациональная форма впали, на которую получено положительное решение по заявке на патент РФ.

Приведена технологическая схема отливки шпал из ДСВПБ-на, согласующаяся с технологией сталеполимербетона, разработанная на основе работ В.В.Патуроева, В.И.Соломатова, З.й.Харчевникова, ..нст-.рукций по проектировании и изготовлению базовой аппаратура из армополимербетона.

ДСВПБ-ные шпалы натуральной величины, отобранные для испытаний на трещиностойкость и, практически, на прочность, т.к. для полимер-бетонов эти характеристики совпадают, испытывали статической нагрузкой на прессах 2ПГ-25 и Г1С-50 последовательно в обоих подрель-совых сечениях и в среднем в соответствии с ГОСТ 10б29-6о.

Результаты экспериментальных исследований железнодорожных апал из ДСВПБ-на, проведенные в присутствии экспертов из Управление ИЩ, показали следувцегз:

- по величине разрушающей нагрузки, которую выдерживает подроль-совое сечение, две апалы из ДСВПБ-на могут быть отнесены к 1-му сорту (155 и 158 кН), а две - практически ко 2-му (115 и.9о кН) ;

- по результатам испытаний в среднем наиболее опасном ссГчении

те же шпалы могут быть все отнесены к первому сорту (134.,.142 кН), что позволяет признать их качество хорошим, учитывая новизну про- • водимых разработок. •

Об этом же говорит и тот факт, что средние расчетные нормальные напряжения, подсчитанные с использованием жесткого коэффициента условия работы, равного 0,31, равна или больше максимальных расчетных напряжений, возникающих в опасных сечениях шпал при обращении четырехосных грузовых вагонов с повышенными осевыми нагрузками до 230 кН со скоростью ¡30 км/ч в кривых (5,9 .fia против 4,2 lila).

Испытания ДСВПБ-кых шпал на сжатие (смятие под подрельсовой прокладкой)г особенно важные для новой формы ¿палы,обеспечивало?, совпадение центров тяжести половин ее основания с подрельсозкм сучением, что разрушающие нагрузки, определенные по лкале сил«изморите ля пресса 2ПГ-250, минимум j четыре раза превышают эксплуатационные-. (458 кН против 115 кН), а максимум - 6,3 раза (725 кН против 115 кН).

Fa3pjнапряжения сжатия, определенные с учетом жесткого коэффициента условия работы, равного 0,34, почти в два раза пре-.выхает максимальные, которые подсчитиваются для случая попадания колеса на опалу в статическом положении (3,1 lila против 1,8 МЛа).

Зтэ позволило соотзетствувцим акт^ом рекомендовать шпалы из ДСВП5-на для эксплуатационных исследований на Елецкой дистанции пути. Таким образом, сила выполнена последняя задача исследований.

Насчет условно-/ (в ценах на июль 1993 г.) экономической эффективности применения г<елезнодорожных шпал из ДСВПБ-на показал, что, несмотря на то, что стоимость впали из предлагаемого материала составляет 32301 руб., а пропитанной дсреляниой - 26000 руб., годовая экономическая эффективность от внедрения одной шпалы из -ДСЗДБ-на с учетом длительнисти ее эксплуатации составит II402 руб.

Прогнозируемый годовой экономический эффект при выпуске 100 тыс, итук.ипал будет равен соответственно I млр.140 млн.руб., что говорит об очевидности эффекта замены'деревянных апал на ДСВПБ-ные.

• 0Б1ДЛВ ВЫВОДЫ - '

3 »¡тоге выполнения .комплекса исследований по созданию нового коррозионностойкого конструкционного материала - древесностекло-.--еолохкястого полинербетона СДСВПБ) получены следующие научные и практические' результаты, зафиксированные в- 2-х. патентах РФ.

I. Выдвинута основная гипотеза исследования, суть которой заклв-чается в том, что олигомор ',$сиола)§АМ, получаемый из отходов древэ-сини, л дровесныа заполнитель в виде цепы по своему химическому' строении :i физико-механическим характеристикам.должны быть совместимы в создаваемом композиционном материале, обеспечивая ему прочность, коррозионную стойкость при одновременном снижении жесткости л массы, приближая их к соответствующий характеристикам древесины.

2." Установлено, что оллгомер «АМ является полярным по отношению к древесине, т.к. краевой угол смачивания очень мал - 5 ... 8°, и вычалена,в результате анализа структурных схем молекул компонентов ЛСЕП5,счевлдвая возможность возникновения водородных связей, которым предшествует физическая адсорбция, осуществляемая Ван-дер-Ва-альоовкми силами, активизирующими диполь-дипольное взаимодействие.

3. Показано, что процесс возникновения сильных адгезионных связей ки»-ду влагомером 5?АМ и древесиной является очень сложным, его фазы ьзакмоперепяотаются во времени, зависят от температуры и качества поверхности субстрата. Его можно объяснить различными теориям;;, к-лсдая ks которых имеет право на существование.

4. Выявлена оксперн::ентальная зависимость степени отверздения лигомера ФАМ от содержания древесной цепы комнатно-сухой влажное— и (($). Повышение степени отверждения мохет быть объяснено всасы-ающей'способностью сухой древесины, в результате чего из полисерой мастики ФМ на андезите и саже удаляется свободная вода, сло-обная ингибировать реацию полимеризации олигомера.

5. С позиций механики, композиционных материалов теоретически становлено, что армирование наиболее уделенных, от меЛтральксй

си волокон строительных элементов распущенным стеклс.кгутом, нап-имвр, шпал должно обезопасить полимерную матрицу от возникновения садочных троцин, которые могут появиться в ной в процессе отвердения ,

6. Разработан новый композиционный строительный материал -дре-есностекловолокнистый полимарбетон с плотностью, равной, в зави-имости от плотности компонетов, 1,0 1,4.т/м3, том са:<им ва-олнена одна из главных задач исследования - ее уменьшение, по равнение с той хе характеристикой-железобетона (2, 5...2,7 т/м")

СВПБ-на (1,93 т/м3), з полтора-два раза.

7. Установлено, что введение в базовый состав СВПБ-на 4 —X /L-—TOB ажи или графитной электродной муки увеличивает прочность и, что амое главное,-в два раза уменьшает его водопоглоцение ( W=0,70^ ротив W= 1,36$ в составе без сажи), причем отмечена справедли-ость правила створа.

8. В качестве армирувщего заполнителя можно применять щепу из азличных пород древесины, очищенной, от коры и высуженной до д... 2%, при этом критическая дяииа эе элементов должна находиться, в редалах 140 ... I80 мм.

9. Исследования большой гаммы зависимостей механических хара::-эристик СВБЛ-на базового состава от количества щепы подтвердили равило створа и установили теоретические границы зоны благопри-гных свойств его, находящиеся в пределах 14,47 ... 24,21^-тса эдержания щепы от массы матрицы ДСВПБ-на. Проанализированы гра:.л-(1 зависимостей - это кривые, теоретически представленные полипе-1ми третьей степени. В состав ДСВПБ-на рекомендовано бродить li'Z гов щепы от его массы.

10. Рассчитаны наилучиие ..оставы боспесчаного л песчаного ЗВЯБ-на, приведенные в таб.3. Обращает на себя внимание ¿акт то), что зпалн из ДСВПБ-на на ЬО кг легче впалы из цементного бото-i того да объема, армированного стальной лреднаприанкэй пг.оволо-

кой (170 хг против 250 кг).

II. Получена нормативные физико-механические характеристики ДСБПБ-ка. Из анализа их численных значений можно сделать вывод, что они сусественно приближаются к аналогичным характеристикам лрезомна шпал - эталонного материала для ДСВПБ-на, а в некоторых случаях - они лучив.

13. Теоретически тредсказанный в 3-м разделе модуль упругости ДОБПБ при растяжении - 1,25* 10^ Ша практически совпал с полученном экспериментально - 1,21*10^ Ша, что говорит о жизненности предлагаемого метода прогнозирования. »

14. Установлено, что адгезионная прочность, полученная методом скалывания по контакту древесина-лолимербетон, почти в два раза меньае той же прочности, полученной методом выдавливания (7 МПа против 12 ИПа при 4 Mlla у древесины). Это может быт ь^ объяснено

с позиции механической теории прочности адгезионного соединения, согласно которой, последняя зависит от площади сцепления по контакту и действия усадочных сил, что имеет место в рассматриваемом случае.

.15. Экономия дефицитных компонентов на одну ипалу объемом 0,12 м& из ДСБПБ-на по сравнению со шпалой из СБПБ значительна: §АИ -35 кг против 53 кг ; андезитовая мука - 22 кг против 37 ; песок -75 кг против 123 кг. Таким образом, решена еце одна из задач исследования. '

16. Разработана технология отливки строительных элементов из ДСВПБ-на, в том числе ипал, согласующаяся с технологией производства сталелолимербетона. Это дает возможность использовать проекты и опыт работы существующих заводов. Введение дополнительных узлов, необходимых для приготовления щепы, существенно не увеличивает капитальные затраты.

17. Теоретические и экономические расчеты, лабораторные и натурные /спетания позволяют рекомендовать ДСВПБ-ны в качестве конструкционного материала в цехах, связанных с агрессивными средами, у. для хелезкодорожных лыал.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах :

I. Ллумн/.кова 0.ÍI., Стородубцова Т.Н., Харчевников В.И. Обоснование возможности использования полимербетома 5Д!4 на -андезите с различными ви/дка армирован,!Я в качестве конструкцпошюго'.материа-лд келезкодоремшх а пал. 1992. - 18 'с.Доп в ВНИЯНТПЙд.

К Ш56. - Опубл. БУДР, вып. I, 1992.

2. Положительное решение по заявке $ 5034090/05/01(014133) от 24.03.92 на пат.РФ. Состав для композиционного материала / Харчев-• киков В.И., Плукникова 0.П.,'Клименко Н.П. (РЗ). -8с.,

3. Положительное решение по заявке К 9330855/11(011022) от 04. 03.92 на naT.Fü?. Строительный элемент / Харчевников B.ri., П луж Никона О.П., Клименко Н.П. (РФ). - 5 с. ; ил.

4. Харчевников В.И., Стад ник Л.Н., Плукникова О.Ги, Зебов С.Й., Стородубцева Т.Н. Стекловолоккистые полимербетоны из древесных отходов // Лесная промышленность. - 1993. - С.19.

5. Харчевников В.И., Плужникова О.П., Зобов С.Ю. Полимербетоны ФАИ, армированные древесной щепой - материал для производства аедз-знодорожных шал // проблемы увеличения использования вторичных ресурсов и рационального применения отходов целлюлозно-бумажной, деревообрабатывающей и лесохимической прокнпленности: Тез.докл.Всерос. научн.-тохн.конф., июнь 1993. - М., - С.62.

б. Харчевников В.'Д. ,• Никулин С.С., Стад ник Л.л., Плухкикоза О.П,, Зобов С.Я, Утилизация отходов лесной и нефтехимической промыплен-ности средство оздоровления окружавшей среды // Проблема использования и захоронения производственных и бытовых отходов: "ез.-докл. Регион, научн.-практич. коиф. - Вороне», 1993. - С.21-22;

7. Плуяпикова 0.0«, Харчевников В.Л. Дрёвэсностекловоло.<:ш:ст1:Л полиморботои. - кнформ. листок ШРШ. - Воронеж, 1994, » 95/94. -4с.

■ Обьём Работы^ Диссертация состоит из введения, лести разделов,-обцих выводов, списка литературы и приложений. Она изложена на стр., в том числе ЗЦ табл. и ¿& рис.

Подписано в печать ■¡,'04.(14 . Формат 60 х 84 1/16. Уч.-изд. л. 1,0. Тиран 100 экз. Заказ »

РИО ВЛТИ. Отпечатано на ротапринте Воронежского областного управления статистики. 394019, г.Воронеж, , у л. Плехановская, 93. -

/