Введение к работе
Актуальность работы. Создание новых агрессивностойких и эконо-мически эффективных строительных материалов, изделий и конструкций из них обеспечивает высокий уровень индустриализации и снижает трудоемкость возведения зданий и сооружений. Полимерные компо-зиционные материалы (ПКМ) различных составов хорошо противостоят действию агрессивных сред и обладают высокой прочностью. Малая жесткость и большая деформативность ПКМ по сравнению с другими строительными материалами позволяет им оказывать сопротивление воздействию динамических нагрузок. Сравнительно небольшое время про-цесса отверждения ПКМ дает возможность использовать их в качестве материала для изготовления полов, гальванических ванн, опор травильных агрегатов, при проведении ремонта ответственных конструкций, таких как: аэродромные и дорожные покрытия, плиты проезжей части мостов и путепроводов, санитарно-техническое оборудование и т.п.
Более широкое применение полимерных композиционных материалов в значительной мере сдерживается сложностью прогнозирования характе-ристик их напряженно-деформированного состояния при циклических видах нагружения. Изучение долговечности ПКМ напрямую связано с прогнози-рованием долговечности строительных конструкций зданий и сооружений, мостов, путепроводов, элементов конструкций железных дорог (шпал, стрелочных переводов и т.д.), изготовленных с применением ПКМ.
В последние годы актуальными становятся исследования по механике катастроф в связи с возросшей необходимостью анализа обеспечения безопасности технических систем и продления их ресурса. Методология комплексного подхода к решению проблем прочности, ползучести, безопасности и ресурса технических систем, разработка методики прогнозирования долговечности ПКМ в элементах строительных конструкций, воспринимающих статические и динамические нагрузки, является актуальной научной задачей.
Целью работы является разработка метода прогнозирования цикли-ческой долговечности ПКМ на основе полиэфирных, фурановых, фурано-эпоксидных связующих в эксплуатационном диапазоне напряжений.
Для этого необходимо решить следующие задачи:
- провести анализ методов прогнозирования статической и цикли-ческой долговечности ПКМ и оценить их эффективность;
- осуществить физико-химические и физико-механические исследова-ния структур ПКМ на основе полимерных связующих ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30;
- изучить влияние структурообразующего фактора «полимер-напол-нитель» (далее П/Н) на циклическую долговечность и виброползучесть ПКМ;
- провести экспериментальные исследования и изучить изменение статической и циклической долговечности во времени;
- разработать ускоренный метод определения циклической долго-вечности ПКМ по деформациям ползучести и на основе кинетической теории прочности С.Н. Журкова;
- осуществить экспериментальное исследование трещиностойкости ис-следуемых ПКМ;
- разработать технологический регламент по устройству трещино-стойких гидроизоляционных покрытий железобетонных конструкций городских транспортных сооружений с использованием ПКМ;
- уточнить методику оценки остаточного ресурса элементов конструк-ций на основе ПКМ.
Научная новизна работы:
- выполнены комплексные физико-химические и физико-механические исследования ПКМ, в результате которых определена их структура, химический и минералогический состав и микротвердость фаз;
- методами усталостных испытаний установлены пределы вынос-ливости полиэфирных полимербетонов ПН-1, ПН-609-21М и установлены границы изменения циклической долговечности;
- разработан ускоренный метод определения предела выносливости ПКМ, основанный на определении уровня максимального напряжения цикла, при котором начинается процесс необратимых изменений в структуре материала и сопровождающийся изменением коэффициента внутреннего тре-ния;
- получена аналитическая зависимость циклической долговечности ПКМ от структурообразующего фактора – соотношения «полимер-напол-нитель» (П/Н);
- получены математические модели, описывающие процесс вибропол-зучести ПКМ, доказана возможность прогнозирования циклической долго-вечности по кривым деформаций виброползучести;
- доказана приемлемость кинетической теории прочности твердых тел для прогнозирования циклической долговечности ПКМ;
- методом механики разрушения получены полностью равновесные диаграммы деформирования образцов на основе полимербетонов ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30 и определены основные характеристики трещи-ностойкости;
- уточнена методика определения остаточного ресурса работоспо-собности элементов конструкций транспортных сооружений с применением ПКМ;
Практическая значимость и реализация результатов работы заключены в следующем:
- разработанные составы полимерных композиционных материалов использованы ОАО «Мостоотряд №126» г. Липецк при проведении капиталь-ного ремонта Лебедянского путепровода через железнодорожные пути «Елец-Липецк-Грязи» в г. Липецке, а также в учебном процессе Липецкого государственного технического университета при подготовке инженеров по специальности 270106 «Производство строительных материалов, изделий и конструкций» в виде практических и лабораторных занятий по дисциплинам: «Технология композиционных материалов», «Долговечность строительных материалов»;
- разработан технологический регламент по устройству трещино-стойких (коррозионностойких) гидроизоляционных покрытий железобе-тонных конструкций городских транспортных сооружений на основе модифицированных фурановых смол и методические указания по прогнози-рованию остаточного ресурса надземных объектов металлургической промы-шленности.
Апробация работы. Результаты работы были доложены: на междуна-родной научно-практической конференции «Концептуальные вопросы современного градостроительства», посвященной 10-летию кафедры «Го-родское строительство и хозяйство» ВГАСУ (Воронеж, 2007 г.); на между-народной научно-практической конференции «Малоэтажное строительство в рамках национального проекта «Доступное и комфортное жилье – гражданам России»: Технологии и материалы, проблемы и перспективы развития в Волгоградской области» (Волгоград, 2009 г.); на научной конференции студентов и аспирантов ЛГТУ (Липецк, 2008 г.); на областном научном семинаре «Школа молодых ученых по техническим наукам» (Липецк, 2009 г.); на VI-й международной научно-технической конференции «Эффективные строительные конструкции: Теория и практика» (Пенза, 2007 г.); на научно-практической конференции, посвященной 50-летию ЛГТУ (Липецк, 2006 г.); на V-й международной конференции «Надежность и долговечность строи-тельных материалов, конструкций, оснований и фундаментов» (Волгоград, 2009 г.); на международном конгрессе «Наука и инновации в строительстве SiB-2008» (Воронеж, 2008 г.).
Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 12 статьях, в том числе три из них в рецензируемых научных журналах и изданиях.
На защиту выносятся:
1. Результаты физико-химических и физико-механических исследо-ваний структур ПКМ на основе полимерных связующих ПН-609-21М, ФАМ, ФАЭИС-30.
2. Аналитическая зависимость циклической долговечности и вибропол-зучести от соотношения «полимер-наполнитель» (П/Н).
3. Экспериментальные исследования выносливости ПКМ и установ-ление границ изменения долговечности ПКМ во времени.
4. Ускоренный метод определения циклической долговечности ПКМ.
5. Результаты экспериментальных исследований трещиностойкости ис-следуемых ПКМ.
6. Методика прогнозирования циклической долговечности ПКМ на основе кинетической теории С.Н. Журкова.
7. Методика определения остаточного ресурса элементов конструкций на основе ПКМ.
Достоверность и обоснованность результатов работы подтверж-дены:
- использованием современных методов исследований и оборудования; корректностью поставленных задач, принятых решений, достаточным объемом исходных данных и результатов исследований; применением вероятностно-статистических методов обработки результатов испытаний, а также удовлетворительным совпадением некоторых результатов экспери-ментов с данными других авторов.
Структура н объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и основных выводов. Она включает 180 страниц, из них 165 страниц основного текста, 31 таблицу, 62 иллюстрации, 115 наименований библиографического списка и 4 приложения.
Похожие диссертации на Прогнозирование циклической долговечности полимерных композиционных материалов
