Введение к работе
Актуальность проблемы. Изделия брускового типа в виде строительного бруса и элементов верхнего строения пути — шпал, мостовых и переводных брусьев, изготавливаемых преимущественно из цельной древесины и железобетона (ж. б.), находят широкое применение в строительстве и на железнодорожном (ж.д.) транспорте. Поэтому актуальность исследований по совершенствованию технологии изготовления брусковых изделий и применению в них новых материалов определяется не только значительной стоимостью эксплуатируемых изделий (на железных дорогах России уложено свыше 250 млн. деревянных и 100 млн. ж.б. шпал), но и еще в большей степени последствиями от применения нерациональных конструкций и материалов, приводящих к повышенному износу подвижного состава, потерям тепла в зданиях и необратимым экологическим изменениям при вырубке лесов.
Технической политикой РАО «РЖД» и Федерального агентства ж.д. транспорта России предусматривается увеличение объемов и расширение полигона укладки ж.б. шпал. В связи с этим вопросы, касающиеся снижения стоимости, расширения сырьевой базы и совершенствования технологии изготовления ж.б. шпал имеют большое народнохозяйственное значение. В то же время при наличии старогодных деревянных шпал и многомиллионных отходов дере-вопереработки целесообразно создание композиционных шпал на древесном наполнителе и полимерном связующем, имеющих ряд преимуществ по сравнению с традиционными конструкциями подрельсовых оснований.
При возросших требованиях к теплозащите зданий перспективным является применение теплоизоляционного строительного бруса из измельченной древесины средней плотностью менее 500 кг/м3, что при обеспечении трудногорю-чести материала бруса ставит разработку технологии его получения в ряд актуальных и в то же время сложных научных и инженерно-технических проблем.
Приоритетное значение приобретает обеспечение экологической эффективности принимаемых решений на всех стадиях жизненного цикла изделий -
—3—
от воздействия на окружающую среду сырья, технологии и готовой продукции, до ее утилизации. Тем самым получение экологически безопасных и экономичных строительных материалов представляет собой сложную многоцелевую и многопараметрическую задачу, решение которой требует совершенствования концепции и методологии решения задач строительного материаловедения.
В качестве такой концепции представляется перспективным, в отличие от традиционного разделения (дифференциации), объединение (интеграция) мате-риаловедческих и конструкторских задач, что позволит учесть потенциально существующие, но не реализуемые при традиционных подходах резервы материала, важные для получения высокоэкономичных и долговечных изделий. Наиболее эффективно решение подобных интеграционных задач может быть выполнено на основе новой формирующейся методологии проведения научных исследований - компьютерного материаловедения.
Актуальность проблемы исследований подтверждается также тем. что выполненные НИР "Получение экологически чистых древесностружечных плит на основе биотехнологии" и "Технология изготовления длинномерных изделий из отходов древесины" признаны комиссией по инвестиционным и инновационным проектам МПС приоритетными для отрасли (протокол № 4 от 30.01.96 г.) и отвечают п. 2 "Перечня актуальных проблем научно-технического развития железнодорожного транспорта" (указание МПС № М-2775У от 17.11.2000 г.) в части разработки новых композиционных и полимерных материалов, а создание автором (в коллективе) экологически чистых строительных материалов посредством микробного синтеза отмечено Большой медалью РААСН (1997 г.).
Связь работы с научными программами, планами и темами. Диссертация подготовлена при выполнении исследований по координационным планам НИР Госстроя СССР на 1978-1982 гг. (по проблеме рационального и комплексного использования отходов металлургической промышленности в производстве бетонов, шифр 0.35.03.234, задание 01.01, этап С 126 - НИР ГР 78054686, 78054691, 78054694, 81086555) и НТР МПС на 1983-2004 гг. (НИР
ГР 01840049153, 01840049154, 01850044416, 01850030747, 01850030748, 01860026086,01880008652, 01870036554, 01900021386, 00408002, 04408001).
Целью диссертационных исследований является разработка методами компьютерного материаловедения оптимальных составов и технологических параметров получения изделий брускового типа - строительного бруса и шпал, экспериментальное обоснование полученных результатов, их промышленная апробация и внедрение.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
обоснование интегрированного подхода к назначению рецептурно-технологических параметров получения материалов брусковых изделий;
комплексное применение методов компьютерного материаловедения для разработки строительного бруса и шпал повышенной эффективности;
применение новых для изготовления ж. 6. шпал материалов (легкого бетона и стержневой арматуры) и безвибрационной технологии их изготовления;
разработка технологии получения композиционных шпал;
получение экологически безопасной смолы с повышенными эксплуатационными свойствами для изготовления строительного бруса;
разработка технологии получения трудногорючего строительного бруса методом непрерывного прессования;
разработка рецептуры и биотехнологии получения экологически чистого древесного пластика без применения синтетических связующих — биопластика;
определение эксплуатационных свойств полученных материалов и брусковых изделий, подтверждение эффективности разработанных технологий;
внедрение основных результатов исследований.
Рабочая гипотеза исследований заключается в интегрированном подходе к назначению рецептурно-технологических параметров получения строительных материалов с учетом требований, предъявляемых как к свойствам материала и технологии его получения, так и самим брусковым изделиям.
Объект исследования - материалы на неорганическом и органическом (синтетическом и природном) связующем и технологии получения на их основе изделий брускового типа - строительного бруса и шпал.
Предмет исследования - закономерности, отражающие взаимосвязь между параметрами структуры, технологией получения и свойствами композиционных материалов и изделий брускового типа.
Автор защищает составы и технологические параметры получения изделий брускового типа, разработанные с использованием методов компьютерного материаловедения и интегрированного подхода к их оптимизации.
Методы исследований включают проведение натурных (методы рентге-нофазового, ДТА, хроматографического и ИКС-анализов, оптической микроскопии, микротвердометрии, люминисцентной дефектоскопии, голографиче-ской интерферометрии, сканирующей микрокалориметрии, низкотемпературной порометрии, стандартные и оригинальные методы определения свойств материалов и брусковых изделий) и вычислительных (с использованием уравнений линейной теории упругости, механики разрушения, теоретической механики, математической физики, планирования экспериментов, методов оптимизации и математической статистики) экспериментов.
Концептуальная основа проводимых исследований состоит в комплексном применении методов компьютерного материаловедения для оптимизации составов и технологических параметров получения изделий брускового типа.
Достоверность исследований обусловлена статистической обработкой экспериментальных данных, согласованностью результатов вычислительных и натурных (лабораторных и производственных) экспериментов, их непротиворечивостью известным закономерностям, а также комплексным применением математических и физико-химических методов исследований.
Научная новизна полученных результатов состоит в формулировке, методическом и экспериментальном обосновании интегрированного подхода к назначению составов и технологических параметров получения материалов с учетом их работы в изделиях, а также в установлении:
оптимальных значений параметров макроструктуры бетона ж- б шпал, характеризуемых коэффициентами раздвижки зерен песка /у и щебня а;
противофазности (по времени) изменения плотности пригидратировав-ших минералов цемента, приводящей к разрыхлению продуктов гидратации и интенсификации процессов твердения цемента;
преимущественного влияния на повышение морозостойкости бетона ж- б шпал воздухововлечения по сравнению со снижением расхода воды затворения,
степени влияния параметров макроструктуры на прочность легкого бетона и условий формирования макроструктуры высокопрочного шлакопемзобе-тона (ШПБ). предназначенного для изготовления ж б шпал;
роли крупного заполнителя в проявлении сбросов прочности бетонов на плотных и пористых заполнителях;
различия в механизме деформирования бетонов на плотных и пористых заполнителях;
химической формулы фенолоформальдегидной смолы;
свойств материала шпал, обеспечивающих компромиссное (между деревянными и ж б шпалами) напряженно-деформированное состояние ж д пути;
свойств полимеров древесины, труднодоступных для экспериментального определения;
вклада клеточного строения и типа контакта древесных частиц в формирование структуры биопластика;
роли биотрансформации полимеров древесины и их термической пластификации в обеспечении эксплуатационных свойств биопластика.
Практическая ценность работы состоит во внедрении рецептур, технологий, получении высокоэффективных брусковых изделий и разработке:
метода определения рациональных составов тяжелого бетона по оптимальным значениям коэффициентов раздвижки зерен песка fj,m„ и щебня а„„„,;
требований к содержанию минеральных добавок и С3А в цементе для обеспечения трещиностойкости ж б шпал и морозостойкости бетона;
высокомеханизированной линии безвибрационного изготовления ж 6
шпал по ротационной технологии;
бетона высокой плотности при вводе воды затворения непосредственно в зону уплотнения бетонной смеси при ее ротационном формовании;
.ж 6 шпал с уменьшенным проволочным армированием и применением для их изготовления новых материалов — ШПБ и стержневой арматуры;
рецептуры и технологии получения экологически безопасной смолы повышенной прочности и водостойкости;
технологии изготовления трудногорючего экологически безопасного
строительного бруса из древесной щепы;
рецептуры материала композиционных шпал из древесно-полимерного пластика (ДПП) и технологических параметров их изготовления;
технологии получения экологически чистого материала без применения синтетических связующих - биопластика;
рекомендаций, нормативно-технической, конструкторской и проектной документации по основным результатам выполненных исследований.
Практическая реализация результатов исследований состоит в:
разработке нормативных документов - СНиП 11-21-75 "Бетонные и -ж б.
конструкции'", ТУ 67 УССР 291-79 "Панели шатровые повышенной заводской
готовности для перекрытий и покрытий жилых домов", ТУ У 01116472. 030-98
"Шпали залізобетонні попередньо напружені із стержньовою арматурою для
залізниць колії 1520 мм", ТУ У 01116472.021-97 "Шпали залізобетонні попе
редньо напружені із зменшеною кількістю дротяної арматури для залізниць
колії 1520 мм", ТУ РТ MD 91-04712708-001:2004 "Шпалы ж.б предваритель
но напряженные типа ШС со стержневой арматурой для железных дорог колеи
1520 мм", ТУ ОП 13-0273643-106-95 "Изделия прессованные длинномерные из
древесных отходов", ТУ ОП 13-0273643-100-94 "Древесностружечные плиты на
биомассе в качестве связующего", ТУ 2221-001-00273235-2001 "Смола диановая
марки СДЖ-Н", ТУ 2221-002-00273235-2001 "Смола диановая пропиточная мар-
ки СДЖ-Н", СТП 0282569-1-90 "Технологические правила по изготовлению ж 6 шпал с использованием песка из отсева от дробления гранитного щебня";
составлении Технологических инструкций на изготовление длинномерных прессованных изделий (бруса) (М.: МИИТ, 1995), получение культураль-ной жидкости с биоклеем (М.: МИИТ, 1995), древесностружечных плит с применением биомассы в качестве связующего на экспериментально-промышленной линии (М.: МИИТ, 1995), производство водостойкой диановой смолы марки СДЖ-Н полунепрерывным способом (СПб.: ЦНИИФ, 2000) и пособия к СНиП 3.09.01-85 по производству изделий из легких бетонов на пористых шлаковых заполнителях;
разработке Рекомендаций по подбору оптимальных составов высокопрочного ШПБ методом симплекс-решетчатого планирования эксперимента (Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, 1980), использованию продуктов переработки металлургических шлаков в строительстве (Липецк: Главлипецк-строй, 1980), применению в технологических исследованиях структурно-имитационного моделирования на ЭВМ процесса разрушения бетона (Донецк: Донецкий ПромстройНИИпроект, 1988).
Разработана документация на производство строительного бруса из биопластика на Вологодском заводе ЖБК и СД Дорстройтреста Северной ж д , изготовлен пресс по получению строительного бруса, на заводе ЖБК Дорстройтреста Юго-Восточной ж д (г. Воронеж) эксплуатируется установка по изготовлению добавки ДЭЯ-М, смола марки СДЖ-Н апробирована на череповецком, пермском фанерных комбинатах и ОАО "Фанплит" при производстве экологически безопасных древесных пластиков, на Кременчугском и Вишневском заводах ЖБШ внедрены экономичные конструкции ж 6 шпал и технологии их получения; реальный экономический эффект (в ценах 2004 г.) от внедрения разработок составляет 353,89 млн. руб. и расчетный (годовой) - 2665 тыс. руб.
Личный вклад соискателя состоит в самостоятельной разработке оригинальных методик проведения натурных (НЭ) и вычислительных (ВЭ) экспери-
ментов, получении с их использованием основных результатов, приведенных в научной новизне и практическойреализации автореферата, формулировке, обосновании и реализации методами компьютерного материаловедения интегрированного подхода к определению рецептур и технологий получения материалов и брусковых изделий, разработке рекомендаций, норм и технологических инструкций, участии в промышленной апробации разработанных технологий, изготовлении опытных изделий брускового типа и организации их серийного производства. Апробация полученныхрезультатоввыполненана:
международных конференциях по: долговечности ж б. (Брно-81; Маке-евка-04), экологии (Донецк-91; Иркутск-96), системам управления (Алушта-91. 96, 00, 01), бетону ж ж б (Иваново-95), механике композитов (Рига-95), ресурсосбережению (Макеевка-95), матмоделированию и статистическим методам (Одесса-96, 97, 99-03; Луганск-04); химии цемента (Гетеборг-97), методам исследований (Закопане—97), биотехнологии (Пущино-98, 00; Москва-00, 02), трудногорючим полимерам (Волгоград-00, 03), надежности сооружений (Харьков—00), деревопереработке (С.-Петербург-01; Балабаново-04), утилизации отходов (Москва-02), технической химии (Харьков-95), силикатам (Москва-03), инженерным наукам (Париж-04) и строительству (Саранск-04);
всероссийских, всесоюзных и республиканских конференциях по проблемам: дисперсных систем (Киев-85), физико-химических методов исследований (Москва-88), строительного материаловедения (Брест—79; Саранск-02; Пенза-04), применения пористых заполнителей (Киев-79; Владивосток-80; Липецк-82) и современных технологий (Саранск-03) в строительстве, домостроения (С-Петербург-01), комплексного использования минеральных ресурсов (Белгороде 1), ресурсосбережения (Харьков-86), физики (Ужгород-88) и механики (Севастополь-88) разрушения бетона и ж б;
академическихчтенияхРААСЩСаранск-97);
научно-практических семинарах по ресурсосбережению (Москва-98, 00, 01) и безопасности (Москва-02, 03, 04) наж.д транспорте, а также совещаниях
по внедрению передовых строительных технологий в Дорстройтрестах железных дорог (Воронеж-99; Свердловск-01; Москва-02).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 142 работы, включая 5 монографий, 9 статей в журналах по перечню ВАК, получено 38 авторских свидетельств и патентов.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 7-ми глав, общих выводов, списка литературы и 9-ти приложений; текст диссертации изложен на 551 стр., включающих 314 стр. машинописного текста, 214 рис., 108 табл., 9 прил. на 68 стр. и 590 библиографических ссылок.
